CN108231946B - 一种单光子雪崩二极管探测器结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单光子雪崩二极管探测器结构，包括：P型硅衬底，形成于P型硅衬底中的深N阱和深P阱，深N阱中形成有用于形成吸收光子的倍增区域的N+区域和P+区域，围绕倍增区域形成有用于形成雪崩二极管结构的第一P阱区域、N阱区域，N阱区域中形成有阳极引出端，P+区域中形成有阴极引出端，深P阱中形成有第二P阱区域，第二P阱区域中形成有衬底引出端，深N阱和深P阱表面覆盖有保护层。本发明结构简单，沿结深垂直方向只有两个PN结，在整个单元结构内全部采用PN结隔离形式，可完全消除由STI中缺陷引起的暗计数，大大降低单元面积，提高填充率。本发明还公开了上述单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及探测器技术领域，更具体地，涉及一种单光子雪崩二极管探测器结构及其制造方法。
背景技术
单光子探测是一种极微弱光的探测方法，它所探测到的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平(10-14W)还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。单光子探测在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。
目前应用于单光子探测的器件主要有：光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)、雪崩二极管(Avalanche Photoelectric Diode，APD)、超导单光子探测器(Superconducting Single Photo Detectors，SSPD)和超导转换边缘传感器(Superconducting Transition Edge Sensor，STES)等。
光电倍增管(PMT)是利用外光电效应来探测光信号的电真空器件。光电倍增管具有高增益、低噪声功率和低暗电流等优点；但其存在体积大、反向偏压高，抗外磁场能力差、使用维护复杂等缺点，这极大地限制了它的应用。
雪崩二极管(APD)是一种利用内光电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可以产生10～100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生很大的增益。雪崩二极管具有高探测灵敏度、高响应速度、高增益系数、对电离辐射和磁场不敏感、暗电流低、体积小、结构简单等优点。
超导单光子探测器(SSPD)是一种基于氮化铌(NbN)的超导体单光子探测技术。他的优点是超快速响应和几乎可以忽略的暗计数率，但它存在的低的量子效率(目前只有5％～10％左右，而PMT量子效率为30％，Si-APD量子效率为60％～80％，STES量子效率为90％以上)，价格昂贵，使用维护复杂，抗干扰能力差等缺点，使其在实际应用中受到了很大的限制。
超导转换边缘传感器(SETS)是采用超导材料作为光敏层，进行单光子探测的器件。它有着很高的量子效率和极低的暗计数率。但由于目前超导材料超导态与正常态之间转换的时间太长，导致传感器重复工作频率只有20KHz左右(PMT工作频率可达到1MHz，Si-APD工作频率可达到1MHz，SSPD工作频率可达到1000MHz)，极低的工作频率是STES目前无法得到广泛应用的主要原因。
单光子探测技术经过多年的发展，雪崩二极管由于具有高探测灵敏度、高响应速度、高增益系数、对电离辐射和磁场不敏感、暗电流低、体积小、结构简单等优点而得到广泛应用。
中国发明专利申请CN105810775 A提出了一种基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管，由于其结构中采用了STI隔离工艺，因而不可避免地会引入由STI中缺陷引起的暗计数，使整体的暗计数增加。其虽然采取了版图技术来降低暗计数，但无法从根本上解决由STI中缺陷引起的暗计数。而要降低由STI中缺陷引起的暗计数，只有增大STI和倍增区之间的间距，这样就增大了整个单元的面积。另外，其单光子雪崩二极管结构沿结深方向有四个PN结，虽然可以提高时间分辨率和蓝光的响应，但实施工艺复杂，四个PN结的浓度梯度分布难以控制，在加工生产过程中器件的一致性和重复性很难保证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种单光子雪崩二极管探测器结构及其制造方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种单光子雪崩二极管探测器结构，从下至上包括：
P型硅衬底；
并列形成于P型硅衬底中的深N阱和深P阱，所述深N阱和深P阱直接对接，形成第一PN结隔离；
所述深N阱中依次形成有N+区域和P+区域，所述N+区域和P+区域用于形成吸收光子的倍增区域；围绕倍增区域依次形成有环形第一P阱区域、N阱区域，所述第一P阱区域、N阱区域用于形成雪崩二极管结构，所述P+区域延伸到第一P阱区域内部；所述第一P阱区域、N阱区域直接对接，形成第二PN结隔离，所述N阱区域中形成有雪崩二极管的阳极引出端，所述P+区域中形成有雪崩二极管的阴极引出端；
所述深P阱中形成有第二P阱区域，所述第二P阱区域中形成有衬底引出端；
覆盖于深N阱和深P阱表面的保护层。
优选地，所述N阱区域与第二P阱区域相分离；所述N+区域、第一P阱区域直接对接。
优选地，所述P型硅衬底材料为P型外延硅片，其包括P型衬底层和P型外延层，所述深N阱和深P阱自P型外延硅片的表面向下形成于P型外延层中。
优选地，所述保护层上还覆盖有隔离层，所述隔离层、保护层中设有用于将阳极引出端、阴极引出端、衬底引出端与金属连线相连的接触孔。
优选地，所述深N阱、N阱区域为n-注入区，所述N+区域、阳极引出端为n+注入区，所述深P阱、第一P阱区域、第二P阱区域为p-注入区，所述P+区域、衬底引出端为p+注入区。
本发明还提供了一种上述的单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤S01：通过光刻和离子注入方法，在P型硅衬底中形成深N阱和深P阱，并使深N阱和深P阱直接对接，以形成第一PN结隔离；
步骤S02：采用热氧化方法，在深N阱和深P阱表面的整个结构上生长保护层；
步骤S03：通过光刻和离子注入方法，在深N阱中形成用于吸收光子的倍增区域的N+区域和P+区域，P+区域中含有阴极引出端；形成雪崩二极管结构所需的N阱区域、第一P阱区域，并使第一P阱区域、N阱区域直接对接，以形成第二PN结隔离，以及形成N阱区域中的阳极引出端；其中，通过使第一P阱区域的掺杂浓度低于N+区域和P+区域的掺杂浓度，以使P+区域与N+区域之间PN结的耐压低于第一P阱区域与N+区域之间PN结的耐压；
步骤S04：通过光刻和离子注入方法，在深P阱中形成第二P阱区域，以及在第二P阱区域中形成衬底引出端。
优选地，还包括：
步骤S05：采用化学气相淀积方法，在保护层上生长隔离层；
步骤S06：采用光刻和刻蚀方法，在隔离层、保护层上形成接触孔；
步骤S07：采用物理气相淀积方法，在隔离层上生长金属层，使金属层金属分别连接阳极引出端、阴极引出端和衬底引出端；
步骤S08：采用光刻和刻蚀方法，在金属层上定义和形成金属连线图形。
优选地，进行离子注入时，使所述N阱区域与第二P阱区域相分离，并使所述N+区域、第一P阱区域直接对接。
优选地，所述深N阱、N阱区域采用n-注入，所述N+区域、阳极引出端采用n+注入，所述深P阱、第一P阱区域、第二P阱区域采用p-注入，所述P+区域、衬底引出端采用p+注入。
优选地，所述P型硅衬底材料采用包括P型衬底层和P型外延层的P型外延硅片，进行离子注入时，使所述深N阱和深P阱自P型外延硅片的表面向下形成于P型外延层中。
本发明具有以下优点：
1)本发明的单光子雪崩二极管探测器结构简单，沿结深垂直方向只有两个PN结，且PN结的掺杂浓度梯度分布简单可控。
2)本发明的单光子雪崩二极管探测器结构，在整个单元结构内无STI隔离，而全部采用PN结隔离形式，可完全消除由STI中缺陷引起的暗计数。
3)本发明的单光子雪崩二极管探测器结构，由于在整个单元结构内不使用STI隔离，可大大降低单光子雪崩二极管的单元面积，从而提高了填充率。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的一种单光子雪崩二极管探测器结构示意图；
图2-图8是本发明一较佳实施例的一种单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法工艺步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种单光子雪崩二极管探测器结构示意图。如图1所示，本发明的一种单光子雪崩二极管探测器结构，从下至上包括：P型硅衬底1和2；并列形成于P型硅衬底中的深N阱3和深P阱4；覆盖于深N阱3和深P阱4表面的保护层5等主要器件部分。
请参阅图1。P型硅衬底可采用P型外延硅片形成。P型外延硅片可包括位于下层的P型衬底层(Psub)1和位于P型衬底层上的P型外延层(p-Epi)2；深N阱3和深P阱4自P型外延硅片的表面向下形成于P型外延层2中。采用外延层可以避免因衬底掺杂浓度不均匀性导致的器件特性波动。
深N阱3和深P阱4之间采用直接对接的方式相连接，形成一个PN结隔离(第一PN结隔离)结构，以替代传统的STI隔离结构。
深N阱3中，大致位于其中部位置自下而上依次形成有N+区域33和P+区域34；P+区域34自P型外延硅片的表面向下形成于深N阱3中，且P+区域34与N+区域33上下相连。N+区域33和P+区域34用于形成吸收光子的倍增区域(hv)。
围绕倍增区域并由内向外依次形成有环形的第一P阱区域31、N阱区域32；第一P阱区域31、N阱区域32同样自P型外延硅片的表面向下形成于深N阱3中；第一P阱区域31、N阱区域32用于形成雪崩二极管结构。第一P阱区域31将N+区域33完全包围，并低于N+区域33的下端。其中，P+区域34外侧延伸到第一P阱区域31内部；N+区域33与第一P阱区域31从侧部直接对接。第一P阱区域31、N阱区域32的侧部直接对接，并形成又一个PN结隔离结构(第二PN结隔离)。其中，将第二PN结隔离结构作为单光子雪崩二极管阳极区域与阴极区域之间的隔离；将第一PN结隔离结构作为单光子雪崩二极管区域与衬底电位引出区域(第二P阱区域)之间的隔离。
请参阅图1。在N阱区域32中形成有雪崩二极管的阳极引出端35；在P+区域34中形成有雪崩二极管的阴极引出端(标记略)；阴极引出端含于P+区域34中。在深P阱4中形成有第二P阱区域，第二P阱区域自P型外延硅片的表面向下形成于深P阱4中；第二P阱区域中形成有衬底引出端42。
位于深N阱3中的N阱区域32与位于深P阱4中的第二P阱区域之间相分离设置。
请继续参阅图1。在保护层5上还可覆盖有隔离层6。保护层5和隔离层6可采用相同的介质例如二氧化硅来形成。在隔离层6、保护层5中可设有用于将阳极引出端35、阴极引出端、衬底引出端42与金属连线相连的接触孔10(参见图8)。接触孔10中分别引出有与金属连线相连的雪崩二极管的阳极7、雪崩二极管的阴极8以及衬底引出电极9。
上述的深N阱3、深P阱4、N阱区域32、N+区域33、P+区域34、阳极引出端35、第一P阱区域31、第二P阱区域41、衬底引出端42等可采用离子注入方式来形成各自的区域。例如，深N阱3、N阱区域32可为n-注入区；N+区域33、阳极引出端35可为n+注入区；深P阱4、第一P阱区域31、第二P阱区域41可为p-注入区；P+区域34、衬底引出端42为p+注入区等。
由于第一P阱区域31的掺杂浓度低于光子倍增区域的N+区域33和P+区域34的掺杂浓度，使得P+区域34与N+区域33之间PN结的耐压将低于第一P阱区域31与N+区域33之间PN结的耐压，所以击穿时P+区域34与N+区域33之间的PN结先击穿，这样就避免了雪崩二极管结构的边缘击穿问题。
利用保护层5可以减少后续离子注入工艺对雪崩二极管的光子倍增区域表面的损伤。隔离层6用作雪崩二极管器件与金属连线8之间的隔离。
上述本发明的单光子雪崩二极管探测器结构简单，其沿结深垂直方向只有两个PN结，且PN结的掺杂浓度梯度分布简单可控。同时，在整个单元结构内无STI隔离，而全部采用PN结隔离形式，从而完全消除了由STI中缺陷引起的暗计数。此外，由于在整个单元结构内不使用STI隔离，因而大大降低了单光子雪崩二极管的单元面积，从而提高了填充率。
以下通过具体实施方式及附图，对本发明一种上述的单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法作详细说明。
请参阅图2-图8，图2-图8是本发明一较佳实施例的一种单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法工艺步骤示意图。如图2-图8所示，本发明一种上述的单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法，可包括以下步骤：
步骤S01：通过光刻和离子注入方法，在P型硅衬底中形成深N阱和深P阱，并使深N阱和深P阱直接对接，以形成第一PN结隔离。
请参阅图2。P型硅衬底可采用P型外延硅片形成。P型外延硅片可包括位于下层的P型衬底层和位于P型衬底层上的P型外延层；其中，P型外延层的厚度可为例如5微米。采用外延层可以避免因衬底掺杂浓度不均匀性导致的器件特性波动。
可通过光刻和离子注入方法，在衬底的P型外延层中形成深N阱3和深P阱4，并使深N阱3和深P阱4自P型外延硅片的表面向下形成于P型外延层中。其中，深N阱33的掺杂浓度可为例如1012个原子/cm3，深P阱44的掺杂浓度可为例如1012个原子/cm3。深N阱3和深P阱4直接对接，形成PN结隔离。
步骤S02：采用热氧化方法，在深N阱和深P阱表面的整个结构上生长保护层。
请参阅图3。可采用热氧化方法在上述整个结构上生长二氧化硅层作为保护层5，以减少后续离子注入工艺对雪崩二极管光子的倍增区域表面的损伤。二氧化硅层厚度可为0.2微米-0.5微米。
步骤S03：通过光刻和离子注入方法，在深N阱中形成用于吸收光子的倍增区域的N+区域和P+区域，P+区域中含有阴极引出端；形成雪崩二极管结构所需的N阱区域、第一P阱区域，并使第一P阱区域、N阱区域直接对接，以形成第二PN结隔离，以及形成N阱区域中的阳极引出端；其中，通过使第一P阱区域的掺杂浓度低于N+区域和P+区域的掺杂浓度，以使P+区域与N+区域之间PN结的耐压低于第一P阱区域与N+区域之间PN结的耐压。
请参阅图4。可通过光刻和离子注入方法在深N阱3中形成雪崩二极管结构所需的N阱区域32、第一P阱区域31，并形成吸收光子的倍增区域的N+区域33和P+区域34，以及形成N阱区域32中的阳极引出端35。在P+区域34中形成有阴极引出端(标记略)。
其中，N阱区域32的掺杂浓度可为例如1013个原子/cm3，第一P阱区域31的掺杂浓度可为例如1013个原子/cm3，形成吸收光子的倍增区域的N+区域33的掺杂浓度可为例如1015个原子/cm3，P+区域34的掺杂浓度可为例如1015个原子/cm3，作为阳极引出的阳极引出端35(n+)的掺杂浓度可为例如1015个原子/cm3。
其中，形成吸收光子的倍增区域的N+区域33相连位于P+区域34下方。P+区域34延伸到其外侧第一P阱区域31内部，从而与外侧的第一P阱区域31联通。
由于第一P阱区域31的掺杂浓度低于光子倍增区域N+区域33和P+区域34的掺杂浓度，N+区域33和P+区域34之间PN结的耐压低于第一P阱区域31与N+区域33之间PN结的耐压，所以击穿时P+区域34与N+区域33之间的PN结先击穿，这样就避免了雪崩二极管结构的边缘击穿问题。
步骤S04：通过光刻和离子注入方法，在深P阱中形成第二P阱区域，以及在第二P阱区域中形成衬底引出端。
请参阅图5。可通过光刻和离子注入方法在深P阱4中形成第二P阱区域41，并在第二P阱区域41中形成衬底引出端42(P+)。其中，第二P阱区域41的掺杂浓度可为例如1013个原子/cm3，衬底引出端42区域的掺杂浓度可为例如1015个原子/cm3。此P+区域42用来作为衬底的引出。
总而言之，进行离子注入时，可对深N阱3、N阱区域32采用n-注入，对N+区域33、阳极引出端35采用n+注入，对深P阱4、第一P阱区域31、第二P阱区域41采用p-注入，对P+区域34、衬底引出端42采用p+注入。并且，使N阱区域32与第二P阱区域41相分离，使N+区域33、第一P阱区域31直接对接。
步骤S05：采用化学气相淀积方法，在保护层上生长隔离层。
请参阅图6。接下来，可采用化学气相淀积方法生长二氧化硅作为雪崩二极管器件与金属连线之间的隔离层6。二氧化硅层的厚度可为2微米-5微米。
步骤S06：采用光刻和刻蚀方法，在隔离层、保护层上形成接触孔。
请参阅图7。接下来，可采用光刻和刻蚀方法在二氧化硅隔离层6、保护层5上形成接触孔10。
步骤S07：采用物理气相淀积方法，在隔离层上生长金属层，使金属层金属分别连接阳极引出端、阴极引出端和衬底引出端。
请参阅图8。接下来，可采用物理气相淀积方法在隔离层6上生长金属层，使金属层金属连接N阱区域32中的阳极引出端35作为雪崩二极管的阳极7，连接P+区域34中的阴极引出端作为雪崩二极管的阴极8，并用金属连接第二P阱区域41中的衬底引出端42作为衬底引出电极9。
步骤S08：采用光刻和刻蚀方法，在金属层上定义和形成金属连线图形。
请参阅图8。最后，可采用光刻和刻蚀方法在金属层上定义和形成金属连线图形。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法，其特征在于，所述单光子雪崩二极管探测器结构从下至上包括：
P型硅衬底；
并列形成于P型硅衬底中的深N阱和深P阱，所述深N阱和深P阱直接对接，形成第一PN结隔离；
所述深N阱中依次形成有N+区域和P+区域，所述N+区域和P+区域用于形成吸收光子的倍增区域；围绕倍增区域依次形成有环形第一P阱区域、N阱区域，所述第一P阱区域、N阱区域用于形成雪崩二极管结构，所述P+区域延伸到第一P阱区域内部；所述第一P阱区域、N阱区域直接对接，形成第二PN结隔离，所述N阱区域中形成有雪崩二极管的阳极引出端，所述P+区域中形成有雪崩二极管的阴极引出端；
所述深P阱中形成有第二P阱区域，所述第二P阱区域中形成有衬底引出端；
覆盖于深N阱和深P阱表面的保护层；
所述单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法包括以下步骤：
步骤S01：通过光刻和离子注入方法，在P型硅衬底中形成深N阱和深P阱，并使深N阱和深P阱直接对接，以形成第一PN结隔离；
步骤S02：采用热氧化方法，在深N阱和深P阱表面的整个结构上生长保护层；
步骤S03：通过光刻和离子注入方法，在深N阱中形成用于吸收光子的倍增区域的N+区域和P+区域，P+区域中含有阴极引出端；形成雪崩二极管结构所需的N阱区域、第一P阱区域，并使第一P阱区域、N阱区域直接对接，以形成第二PN结隔离，以及形成N阱区域中的阳极引出端；其中，通过使第一P阱区域的掺杂浓度低于N+区域和P+区域的掺杂浓度，以使P+区域与N+区域之间PN结的耐压低于第一P阱区域与N+区域之间PN结的耐压；
步骤S04：通过光刻和离子注入方法，在深P阱中形成第二P阱区域，以及在第二P阱区域中形成衬底引出端。
2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法，其特征在于，还包括：
步骤S05：采用化学气相淀积方法，在保护层上生长隔离层；
步骤S06：采用光刻和刻蚀方法，在隔离层、保护层上形成接触孔；
步骤S07：采用物理气相淀积方法，在隔离层上生长金属层，使金属层金属分别连接阳极引出端、阴极引出端和衬底引出端；
步骤S08：采用光刻和刻蚀方法，在金属层上定义和形成金属连线图形。
3.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法，其特征在于，进行离子注入时，使所述N阱区域与第二P阱区域相分离，并使所述N+区域、第一P阱区域直接对接。
4.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法，其特征在于，所述深N阱、N阱区域采用n-注入，所述N+区域、阳极引出端采用n+注入，所述深P阱、第一P阱区域、第二P阱区域采用p-注入，所述P+区域、衬底引出端采用p+注入。
5.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法，其特征在于，所述P型硅衬底材料采用包括P型衬底层和P型外延层的P型外延硅片，进行离子注入时，使所述深N阱和深P阱自P型外延硅片的表面向下形成于P型外延层中。
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