CN106847960B - 一种基于深n阱结构的单光子雪崩二极管及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种采用p+n阱型二极管结构，同时引进保护环与深n阱结构以提高单光子雪崩二极管光电探测效率；采用合适的光窗口面积和过偏压，以获得较高的光电探测效率；通过调节其他的工艺和结构参数，可对器件的光电探测效率进行进一步的优化设计。扩散n阱保护环宽度对雪崩击穿特性影响较大，保护环宽度在0.8‑1.5μm时，器件的击穿特性较好；确定好器件的探测效率和击穿电压后，通过对器件的参数进行进一步的优化设计，可以得到较好的频率响应特性。单光子雪崩二极管器件扩散n阱保护环宽度为1μm时，雪崩击穿电压为13.2V。窗口面积直径为20μm，过偏压为1V最大探测效率高达37％；窗口面积直径为10μm，过偏压为1V时最大探测效率高达52％，过偏压为2V时最大探测效率高达55％。
Description
技术领域
本发明涉及单光子探测领域，用于微弱光的探测及对微弱光照下光子的计数、成像等。
背景技术
随着光电探测技术应用范围不断扩展，对其核心部件—光电探测器提出了更高要求。传统的光电倍增管、雪崩光电二极管探测器由于其内部雪崩增益有限、读出机制缓慢、固有噪声较大等缺点，已无法满足在高速情况下探测微弱光信号及精确测量单个光子到达时间。后来，研究人员提出了一种工作在盖革模式下的雪崩光电二极管，称之为单光子雪崩二极管(SPAD)，它具有内部增益大、灵敏度高、对电磁噪声不敏感、功耗低等特点，因此逐步成为国内外研究热点。2003年以来，采用CMOS工艺技术制备的SPAD器件克服了与CMOS电路难兼容及价格昂贵等问题，可大规模制造，并成功运用于天文探测，量子通信，生物光子学，3-D激光成像等高端技术领域。
近年来，国内外研究人员对SPAD器件进行了深入研究。2007年，Z.Xiao等[1]提出一种新型p+n阱型SPAD器件结构，击穿电压为50V，探测效率有30％。2008年，S.Tudisco等[2]设计的CMOS SPAD器件用于单光子传感系统，此时击穿电压为40V，量子效率为50％。2009年,D.Stoppa等[3]改进的基于0.35μm CMOS工艺的SPAD器件击穿电压降为30V，探测效率为32％。2012年，D.Bronzi等[4]设计了一种具备低噪声高精度特点的SPAD器件，此时探测效率为48％，但击穿电压却仍有26V。2014年，Lin Qi等[5]采用纯硼注入工艺设计出新型超低暗计数率的SPAD器件，DCR低至41Hz，击穿电压降至14V，但最高探测效率仅有10％，响应度也只有0.1A/W。2015年，E.Kamrani等[6]在0.18μm CMOS工艺基础上设计出高增益的SPAD探测器，虽然此时击穿电压较低，仅12V，但探测效率也只有15％。
从上述的分析可以看出，SPAD器件一般存在着探测效率不高的问题。本发明从SPAD器件的结构优化设计着手，设计一种基于深N阱结构的SPAD器件，以提高器件的探测效率。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种有效提高器件探测效率的基于深N阱结构的单光子雪崩二极管及其制作工艺。本发明的技术方案如下：
一种基于深N阱结构的单光子雪崩二极管，其包括：p衬底层、边n阱层、深n阱层、p+层、中心n阱层、p阱层、p+阳极层及n+阴极层，所述p衬底层在最外层，在p衬底层上的中间位置处设置有深n阱层，在所述深n阱层正上方上设置有中心n阱层，深n阱层的周围设置有边n阱层，在中心n阱层和边n阱层之间有由轻掺杂磷离子扩散而成的n阱间隙层，在中心n阱层的上方为p+层及p+阳极层及n+阴极层，在p+层两侧轻掺杂形成保护环p阱层，其中p+层和中心n阱层形成雪崩倍增区，所述中心n阱层和深n阱层是光吸收主要区域，深n阱层和p衬底层使p+层独立偏置于衬底，p+层和中心n阱层边缘用p阱层与n阱间隙层用作保护环，用于抑制边缘的提前击穿。
进一步的，所述n阱间隙层的宽度范围为调节n阱保护环宽度，分别设置为0.3μm、0.5μm、0.7μm、1.0μm、1.5μm，当扩散n阱保护环宽度gap为0.3/0.5μm时，电压在9V左右，当扩散n阱保护环宽度gap为0.7μm时，电压在10V附近发生边缘击穿；当扩散n阱保护环宽度gap为1.0/1.5μm时，电流曲线在12.5V，在电压接近14V之时，结中心位置发生雪崩击穿，采用gap为1.0μm。
进一步的，所述光吸收主要区域接收的入射光波长定为680nm，n阱深度设为1.4μm，深n阱厚度设为0.6μm，过偏压最大为2V。
进一步的，当单光子雪崩二极管直径为10um时，采用的过偏压为1V，此时探测效率最高。
进一步的，所述光子探测效率的公式，如下
可见探测效率实际上是量子效率与雪崩击穿概率的乘积，α表示量子效率，PDE表示探测效率，VBR表示击穿电压，V表示器件偏置电压。
一种基于深N阱结构的单光子雪崩二极管的制作方法，其包括以下工艺：
一：硅材料中均匀掺杂硼离子，形成p衬底；
二：在p衬底器件中间位置由带有高能量的离子注入工艺完成深n阱层；三：在深n阱之上的由扩散工艺实现中心n阱层的生成，深n阱层(6)的周围扩散工艺生成边n阱层；由轻掺杂磷离子扩散而形成n阱间隙层7；
四：最上层的p+层5、p+阳极1和n+阴极2由不同能量的离子注入形成；最后在p+两侧轻掺杂形成p阱保护环，其中p+层和中心n阱层结形成雪崩倍增区，为器件的核心区域；n阱4/深n阱6是光吸收主要区域，p+/n阱结边缘用p阱3与扩散n阱7用作保护环，完全抑制边缘的提前击穿。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明从SPAD器件的结构优化设计着手，设计一种基于深N阱结构的SPAD器件，以提高器件的探测效率。研究扩散n阱保护环宽度对SPAD器件击穿特性的影响，分析器件内部结构(尤其是深n阱结构、光窗口面积)和外部偏压对光子探测效率的影响，设计出一种击穿电压低，探测效率高的SPAD器件结构。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例设计改进的SPAD器件结构图；
图2为加扩散n阱保护环的电场分布图；
图3为加扩散n阱保护环与p阱保护环的电场分布图；
图4为不同宽度的扩散n阱保护环I-V曲线对击穿特性的影响图；
图5为不同光窗口面积时的SPAD器件探测效率曲线图；
图6为不同过偏压下的SPAD器件探测效率曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，
根据本发明的方案，如图1所示，本发明提出的SPAD器件结构主要由p+/n阱/深n阱/p衬底构成。深n阱由离子注入工艺完成；n阱由扩散工艺实现，p+阳极和n+阴极离子注入形成。其中p+/n阱结形成雪崩倍增区，为器件的核心区域；n阱/深n阱是光吸收主要区域，适当的深度有利于增加光吸收面积，从而提高器件的量子效率；深n阱/p衬底使p+阳极独立偏置于衬底，防止衬底少数载流子的扩散造成电荷串扰，提高响应速度，从而提高SPAD的敏感度。p+/n阱结边缘用p阱与扩散n阱用作保护环，完全抑制边缘提前击穿，既增加了器件的耐压性，又确保雪崩击穿均匀发生。
如图2器件大电场分布在pn结中心接触位置和结边缘处，但结边缘仍存在约4e5V/cm的电场，已大于临界击穿电场(值约为1e5V/cm)，易造成侧向的雪崩击穿，导致雪崩的不充分，影响SPAD整体性能。因此需要对保护环结构做出一定改进来提高保护环性能。
如图3同时加上扩散n阱保护环和p阱保护环，器件的电场分布明显改善。可以清楚地看到同样施加14V电压，电场梯度大的区域集中分布在pn结中心接触位置，在结边缘处电场较小。说明此保护环能完全抑制结边缘提前发生雪崩击穿，保证了击穿发生在pn结的中心位置。并且发现，在pn结接触位置，最大电场为6.05e5V/cm，小于1e6V/cm，因此不会发生齐纳击穿现象，避免了对器件的损害。
如图4所示为不同宽度的扩散n阱保护环I-V曲线图，调节n阱保护环宽度，分别设置为0.3μm、0.5μm、0.7μm、1.0μm、1.5μm，这里的宽度也称为gap，可见随着gap的增加，击穿电压也变大。当扩散n阱保护环宽度gap为0.3/0.5μm时，电压在9V左右，pn结边缘发生击穿，电流快速增长但幅度不大。当扩散n阱保护环宽度gap为0.7μm时，电压在10V附近发生边缘击穿，电流增长幅度加快，电流曲线变化速率加快。当扩散n阱保护环宽度gap为1.0/1.5μm时，电流曲线在12.5V存在电流波动，这可能是由于仿真过程中受到某些干扰所致。在电压接近14V之时，结中心位置发生雪崩击穿，电流曲线变得非常陡峭，呈现出雪崩击穿的特性，击穿特性得到很大改善。总体而言，gap越大则器件保护环结构能够承受的耐压就越高。然而，扩散n阱保护环宽度越大，电极间距离增大，器件结电容增加，不利于提高器件的敏感度。因而本文折中考虑，将采用gap为1.0μm。
如图5所示为不同光照窗口面积时的SPAD器件探测效率曲线图。过偏压为1V的情况下，光窗口直径为10μm时比15μm，20μm时的探测效率要高。这是因为相同偏压下光子吸收率与碰撞电离率相差非常小，但最佳的光窗口面积可获得最大的载流子收集率，因此探测效率最高。
如图6所示为不同过偏压下的SPAD器件探测效率曲线图。可见过偏压为1V时，在450nm波长达到最大探测效率为52％，过偏压为2V时最大探测效率为55％。且偏压越大，探测效率越高。这是因为过偏压越大，内部碰撞电离效应越明显，触发雪崩可能性越高，从而探测效率越高。但是不能一味增加过偏压来提高探测效率，这样易影响器件使用寿命。SPAD器件探测效率的近似表达式如上式(1)，表示一个光子发生雪崩击穿的概率。可见探测效率实际上是量子效率与雪崩击穿概率的乘积，表征一个光子入射发生雪崩并且被外围电路成功探测到的概率。可精确计算出不同偏压下的探测效率。此时用最大量子效率80％带入上式，计算得到在过偏压为1V时，最大探测效率为53％，在过偏压2V时，最大探测效率值高达55％。结果与上述仿真结果较为一致。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (3)
1.一种基于深N阱结构的单光子雪崩二极管，其特征在于，包括：p衬底层(9)、边n阱层(8)、深n阱层(6)、p+层(5)、中心n阱层(4)、p阱层(3)、p+阳极层(1)及n+阴极层(2)，所述p衬底层(9)在最外层，在p衬底层(9)上的中间位置处设置有深n阱层(6)，在所述深n阱层(6)正上方上设置有中心n阱层(4)，深n阱层(6)的周围设置有边n阱层(8)，在中心n阱层(4)和边n阱层(8)之间有由轻掺杂磷离子扩散而成的n阱间隙层(7)，在中心n阱层(4)的上方为p+层(5)及p+阳极层(1)及n+阴极层(2)，在p+层(5)两侧轻掺杂形成保护环p阱层(3)，其中p+层(5)和中心n阱层(4)形成雪崩倍增区，所述中心n阱层(4)和深n阱层(6)是光吸收主要区域，深n阱层(6)和p衬底层(9)使p+层(5)独立偏置于衬底，p+层(5)和中心n阱层(4)边缘用p阱层(3)与n阱间隙层(7)用作保护环，用于抑制边缘的提前击穿；
所述n阱间隙层(7)的宽度范围为调节n阱保护环宽度，分别设置为0.3μm、0.5μm、0.7μm、1.0μm、1.5μm，当扩散n阱保护环宽度gap为0.3或0.5μm时，电压在9V附近时，当扩散n阱保护环宽度gap为0.7μm时，电压在10V附近发生边缘击穿；当扩散n阱保护环宽度gap为1.0或1.5μm时，电流曲线在12.5V，在电压为14V附近时，结中心位置发生雪崩击穿，采用gap为1.0μm；
所述光吸收主要区域接收的入射光波长定为680nm，n阱深度设为1.4μm，
深n阱厚度设为0.6μm，过偏压最大为2V；
当单光子雪崩二极管直径为10um时，采用的过偏压为1V，此时探测效率最高。
2.根据权利要求1所述的基于深N阱结构的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述光子探测效率的公式，如下
可见探测效率实际上是量子效率与雪崩击穿概率的乘积，α表示量子效率PDE表示探测效率，VBR表示击穿电压，V表示器件偏置电压。
3.一种基于深N阱结构的单光子雪崩二极管的制作方法，其特征在于，包括以下工艺：
一：硅材料中均匀掺杂硼离子，形成p衬底；
二：在p衬底器件中间位置由带有高能量的离子注入工艺完成深n阱层；三：在深n阱之上的由扩散工艺实现中心n阱层的生成，深n阱层(6)的周围扩散工艺生成边n阱层；由轻掺杂磷离子扩散而形成n阱间隙层(7)，形成虚拟保护环；
四：最上层的p+层(5)、p+阳极(1)和n+阴极(2)由不同能量的离子注入形成；最后在p+两侧轻掺杂形成p阱保护环，p阱保护环和n阱间隙层(7)紧邻设置，虚拟保护环和p阱保护环共同形成保护环，其中p+层和中心n阱层结形成雪崩倍增区，为器件的核心区域；n阱(4)和深n阱层(6)是光吸收主要区域，p+/n阱结边缘用p阱(3)与扩散n阱用作保护环，完全抑制边缘的提前击穿。
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