CN107946389A - 一种针对长波段微弱光的cmos单光子雪崩二极管 - Google Patents

一种针对长波段微弱光的cmos单光子雪崩二极管 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，具体结构是：在P型衬底上制作深N阱，然后在深N阱内制作P型重掺杂区，由P+层与深N阱构成PN结，作为雪崩倍增区，P+区周围环绕轻掺杂P阱作为保护环，入射光射入器件后在中等电场强度的深N阱区被吸收，产生的光生载流子向强电场区的雪崩倍增区移动。由于较长波段光产生的电子空穴在器件较深处形成，该发明深N阱可对这部分光信号进行有效探测。深N阱/P衬底作为屏蔽二极管，阻止衬底光生载流子扩散至PN结，从而减少了衬底慢光生载流子扩散对光电探测器响应速度的影响。本发明提高器件在长波段的吸收效率。

Description

一种针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，涉及到光电器件的结构，尤其涉及到一种针对长波段微弱光具有高探测效率的CMOS SPAD光电器件的设计。
背景技术
长波长的光能减小细胞损伤并且能更加深入组织，因此对于提高探测器在红外与近红外波段灵敏度的研究，在改善生物荧光寿命成像和光学断层扫描的质量方面有重大意义。
雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode，APD)是p-n结运行在反向偏压下的固态光电导器件，其偏压与内部增益有关，可实现对微弱光的探测并通过雪崩倍增放大光生信号。雪崩倍增原理即：入射光在反偏p-n结的耗尽区被吸收，并转化为电子空穴对，这些初级电子空穴对在强电场作用下作漂移运动，获得足够的能量后通过碰撞电离产生二级、三级新的电子空穴对，使电子空穴对数目呈指数倍增长。
根据p-n结上偏压大小的不同可工作在两种不同模式下：线性模式与盖革模式。线性模式的APD偏压接近击穿电压，能通过高电场引起的电离放大光生信号，但由于定时精度的不足与相当大的非均匀性使其不能用于单光子计数；运行在盖革模式下的APD叫做单光子雪崩二极管(SinglePhotonAvalanche Diode，SPAD)，即工作偏压高于击穿电压，产生的强电场足够使单个光生载流子引起自持的雪崩过程，迅速产生较大的宏观电流，从而实现单光子探测。SPAD 具备低功耗、小尺寸、高增益、受磁场影响小、工作电压低等优点，而且具有较高的光子探测效率和时间分辨率，目前作为一种理想的单光子探测器件成为热门研究对象，在临床影像学成像和光学层析成像上都具有重大的研究意义。
防止器件发生过早边缘击穿的SPAD保护环结构一般可分为：P阱保护环、N 阱保护环和STI保护环。STI保护环虽然有着相对较高填充因子，但由于APD的有源区与STI直接接触，自由载流子进入探测器的灵敏区导致暗计数率噪声较大，严重制约了探测器在微弱光探测领域的发展。P阱保护环结构的制作工艺比 N阱保护环更简单，且带有P阱保护环的SPAD具有更好的吸收效率。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高器件对长波段光波的吸收效率的方法。本发明的技术方案如下：
一种针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，包括P衬底层及深N阱层，所述深N阱层设置于P衬底层上，由P阱重掺杂区与深N阱构成PN结，作为雪崩倍增区，即作为工作二极管，P+区周围环绕轻掺杂P阱作为保护环；所述深N阱和P衬底之间的区域为屏蔽二极管区，阻止衬底光生载流子扩散至PN 结，所述P衬底上还设置有电极Vcathode。
进一步的，当入射光射入P+衬底层后在中等电场强度的深N阱区被吸收，产生的光生载流子向强电场区的雪崩倍增区移动。由于较长波段光产生的电子空穴在器件较深处形成，深N阱可对这部分较长波段光信号进行有效探测。
根据权利要求1或2所述的针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，其特征在于，所述深N阱掺杂浓度比P衬底的掺杂浓度大。
进一步的，所述P衬底层及深N阱层分别由硅材料构成，所述P阱重掺杂区由硅材料掺杂而成。
本发明的优点及有益效果如下：
传统的CMOS SPAD器件的有源区大多由浅的源/漏注入与N阱组成。该设计采用较深的P+层，提高了器件对长波段的灵敏度，并降低深N阱掺杂浓度，有效增大耗尽层厚度，从而提高器件对长波段光波的吸收效率。深N阱/P衬底可防止衬底少数载流子的扩散造成电荷串扰，提高器件的响应速度。
本发明所提出的针对长波段微弱光具有高探测效率的CMOS SPAD光电器件的设计与性能如下：
针对长波段微弱光具有高探测效率的CMOS SPAD光电器件的设计方法，其特征在于：采用P阱保护环可预防过早的边缘击穿效应，不仅能够增强器件的抗压性能，且使得APD器件拥有更好的吸收效率。达到增强探测效率的目的。
与传统的浅结CMOS APD器件相比，较深的P+层厚度可提高器件在长波段的灵敏度，低掺杂深N阱能增大耗尽层厚度，提升器件探测效率。可实现器件在长波段区域也具有较为乐观的探测效率及响应度特性等。
深N阱与衬底间的较大浓度差有利于提高载流子扩散速度，缩短器件的响应时间。深N阱与衬底形成的PN结可有效隔离衬底，降低衬底噪声。
通过工艺调整P+层厚度、深N阱浓度和深度，可调整器件的掺杂浓度、耗尽层厚度等基本参数，从而得到实现目标性能指标的器件结构。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例中的CMOS SPAD结构图
图2本发明中SPAD的浓度分布图和电场分布图
图3本发明中SPAD电子与空穴的雪崩产生率示意图
图4本发明中SPAD的量子效率图
图5本发明中SPAD的光子探测效率图。.
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：
本文提出一种基于CMOS工艺技术的PN型单光子雪崩二极管(SPAD)结构，该结构SPAD在响应度、探测效率方面具有明显优势，并可对近红外波段的微弱光信号实现良好探测。传统的CMOS SPAD采用浅的P+/N阱结，其光谱响应度峰值主要集中在蓝绿光区，而对长波段光的探测灵敏度不理想。本文中提出一种 P+/深N阱双二极管结构可有效解决这些问题，并在不损害量子效率的前提下大大减小光电探测器的响应时间，具体结构是：在P型衬底上制作深N阱，然后在深N阱内制作P型重掺杂区，由P+层与深N阱构成PN结，作为雪崩倍增区，P+区周围环绕轻掺杂P阱作为保护环，如摘要附图所示。入射光射入器件后在中等电场强度的深N阱区被吸收，产生的光生载流子向强电场区的雪崩倍增区移动。由于较长波段光产生的电子空穴在器件较深处形成，该发明深N阱可对这部分光信号进行有效探测。深N阱/P衬底作为屏蔽二极管，阻止衬底光生载流子扩散至PN结，从而减少了衬底慢光生载流子扩散对光电探测器响应速度的影响。本发明单光子雪崩二极管，通过在深N阱中制作较厚的重掺杂P型区域，可提高器件对较长光波的灵敏度，同时适当降低深N阱掺杂浓度，可增大耗尽层厚度，提高器件在长波段的吸收效率。
如图1所示为本发明中的CMOS SPAD光电器件的结构图。从图中可以看出，该发明采用P+/深N阱双二极管结构，其中区域1的P+/深N阱结作为工作二极管，形成高场倍增区，区域2的深N阱/P衬底结作为屏蔽二极管，阻止光生载流子扩散至PN结，减少衬底慢光生载流子扩散对光电探测器响应速度的影响。图2所示为SPAD的浓度分布图和电场分布图，从图中可以清楚的看出该器件的掺杂浓度分布和电场分布，在深度为2.1um附近，掺杂浓度急剧升高，在2.7um 附近，掺杂浓度又急剧下降。掺杂浓度的非均匀分布，导致了器件中电场分布的非均匀性。该区域中的大部分区域的电场强度超过了发生雪崩击穿所需的临界电场强度，该区域为SPAD器件的雪崩倍增区，入射光子在此区域产生光生载流子并发生雪崩放大效应，对应图1中的区域1。当SPAD的反向偏置电压高于击穿电压时，产生的强电场使得单个的光生载流子发生自持的雪崩过程，形成可被CMOS逻辑电路直接探测到的宏观电流，实现单光子探测。
雪崩产生率为盖革模式下单个载流子进入放大区后导致一次雪崩的概率，主要由电场强度和带电载流子的初始位置决定。图3所示为对SPAD的纵向 (x＝15um)切割得到电子与空穴的雪崩产生率，从中可以看出，在y＝0um到y＝2 um之间的距离内电子的雪崩产生率约为50％，而空穴几乎为0。这是由于反向偏压下，电场强度由深N阱指向P+区域，且电子的迁移率比空穴大，电子能在电场作用下通过PN结耗尽区获得足够的能量后到达P+一侧，在此过程中电子发生碰撞电离导致雪崩效应，因此靠近P+一侧的电子雪崩产生率约为50％。而在y＝2 um到y＝2.5um的距离内，空穴向深N阱方向运动也会发生雪崩效应，因此空穴的雪崩产生率增大到20％以上。
量子效率(QuantumEfficiency,QE)是影响器件光电探测灵敏度的重要参数之一，定义为光电探测器电极上探测到的载流子数与探测器上入射光子数的比值，主要由pn结面积与少数载流子的扩散长度决定。该SPAD仿真得到的量子效率值如图4所示，量子效率峰值位于500nm处，由于长光波的光子穿透深度较深，器件对其产生的电子空穴对的吸收系数较低，因此随着波长的增大，量子效率逐渐减小。
传统CMOS SPAD对长波段的光子探测效率普遍较低，800nm处的光子探测效率多在10％以下，而对于本发明设计的SPAD，通过施加光强为0.001W/cm2的入射光照射，其光子探测效率如图5所示。光子探测效率受过偏压影响，随着反向偏压的增大，其探测效率会有明显的提高，但反向偏压不能无限制增大，否则会造成器件损坏。本发明设计的SPAD在5V过偏压下于500nm处达到约67％的光子探测效率峰值，并在950nm的长波段区域也有高于25％的光子探测效率，这对提高器件在长波段的灵敏度具有重大意义。
综上所述，本发明基于CMOS工艺，设计了一种单光子雪崩二极管器件，实现对长波段微弱光探测效率的改进。
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 (4)

1.一种针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，包括P衬底层及深N阱层，所述深N阱层设置于P衬底层上，其特征在于，由P阱重掺杂区与深N阱构成PN结，作为雪崩倍增区，即作为工作二极管，P+区周围环绕轻掺杂P阱作为保护环；所述深N阱和P衬底之间的区域为屏蔽二极管区，阻止衬底光生载流子扩散至PN结，所述P衬底上还设置有电极Vcathode，Vcathode是指给这个电极加负电压，Vanode是加正电压。
2.根据权利要求1所述的针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，其特征在于，当入射光射入P+衬底层后在中等电场强度的深N阱区被吸收，产生的光生载流子向强电场区的雪崩倍增区移动。由于较长波段光产生的电子空穴在器件较深处形成，深N阱可对这部分较长波段光信号进行有效探测。
3.根据权利要求1或2所述的针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，其特征在于，所述深N阱掺杂浓度比P衬底的掺杂浓度大。
4.根据权利要求1或2所述的针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，其特征在于，所述P衬底层及深N阱层分别由硅材料构成，所述P阱重掺杂区由硅材料掺杂而成。
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