CN108258078B - Soi基栅控横向sam结构蓝紫光单光子探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器及其制备方法，蓝紫光单光子探测器包括表面带有P‑型硅薄膜的SOI基片，P‑型硅薄膜的一侧设有P+区、另一侧设有相邻布置的P区和N+区，P+区的表面设有电极K，P区的表面设有栅氧化层，栅氧化层的表面设有栅电极G，N+区的表面设有电极A。制备方法步骤包括在SOI基片的表面生成一定厚度的P‑型硅薄膜，采用离子注入掺杂方式形成P+区、P区和N+区；在P+区的表面镀铝生成电极K，在N+区的表面镀铝生成电极A；在P区的表面生成栅氧化层，在栅氧化层的表面镀铝生成栅电极G。本发明不仅可以在反偏电压不变的情况下实现雪崩的淬灭，而且还能加速淬火后的恢复，从而缩短死时间，输入阻抗大、便于集成。
Description
技术领域
本发明涉及蓝紫光单光子探测技术，具体涉及一种SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器及其制备方法。
背景技术
单光子探测器（Single-Photon Detector，SPD）作为光信号读取器件，在量子通讯系统中起着非常关键的作用。单光子雪崩探测器（Single-Photon Avalanche Detector，SPAD）以其雪崩增益大、响应速度快、探测效率高、体积小、质量轻、功耗低等特点成为制作单光子探测器的最佳器件。目前SPAD一般工作在盖革模式下，通过减小反偏电压实现淬火，主要有无源、有源与门控三种淬火方式。淬火后需要一段恢复时间以使器件内的载流子浓度达到雪崩前的状态。因此，死时间长。另外，现有的单光子探测器通常是基于纵向PN结的双极性结构，量子效率和频率响应之间相互制约，输入阻抗小，不利于集成。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，为了缩短死时间、解决量子效率和频率响应之间的矛盾，本发明提供一种能够实现蓝紫光探测，能有效解决量子效率和频率响应之间的矛盾，不仅可以在反偏电压不变的情况下实现雪崩的淬灭，而且还能加速淬火后的恢复，从而缩短死时间，输入阻抗大、便于集成的SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一方面，本发明提供一种SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器，包括表面带有P-型硅薄膜的SOI基片，所述P-型硅薄膜的厚度为100nm～800nm，所述P-型硅薄膜的一侧设有P+区、另一侧设有相邻布置的P区和N+区，所述P+区的表面设有电极K，所述P区的表面设有栅氧化层，所述栅氧化层的表面设有栅电极G，所述N+区的表面设有电极A。
优选地，所述SOI基片包括层叠布置的P-衬底和SiO2层，所述P-型硅薄膜设于SiO2层的表面。
优选地，所述P-衬底的厚度为500nm。
优选地，所述SiO2层的厚度为380nm。
优选地，所述栅氧化层的厚度范围为10nm～50nm。
另一方面，本发明还提供一种前述SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器的制备方法，实施步骤包括：
1）在SOI基片的表面上采用氧化剥离技术，生成P-型硅薄膜，厚度为100nm～800nm；
2）采用离子注入掺杂方式，在P-型硅薄膜的一侧形成P+区、另一侧形成相邻布置的P区和N+区；
3）在P+区的表面镀铝生成电极K，在N+区的表面镀铝生成电极A；
4）在P区的表面生成栅氧化层，在栅氧化层的表面镀铝生成栅电极G。
本发明SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器具有下述优点：
1、本发明包括表面带有P-型硅薄膜的SOI基片，P-型硅薄膜的厚度为100nm～800nm，P-型硅薄膜的一侧设有P+区、另一侧设有相邻布置的P区和N+区，P+区的表面设有电极K，P区的表面设有栅氧化层，栅氧化层的表面设有栅电极G，N+区的表面设有电极A。基于SOI基片的SOI结构的衬底漏电流可达pA数量级，从而大大降低暗电流。根据Lambert定律，结合SOI CMOS工艺特点，确定P-型硅薄膜的厚度为100nm～800nm，能够探测波段为380～520 nm的蓝紫光。
2、本发明横向结构采用吸收区与倍增区分离的P+P-PN+结构（SeparateAbsorption and Multiplication structure，SAM）（其中，P-区为吸收区，P区为倍增区），能在增大受光面积的同时不增大输出电容，从而能有效解决量子效率和频率响应之间的矛盾。
3、本发明P区的表面设有栅氧化层，栅氧化层的表面设有栅电极G，通过栅极电压控制P区的载流子浓度，从而增大器件的雪崩电压，不仅可以在反偏电压不变的情况下实现雪崩的淬灭，并能加速淬火后的恢复，从而缩短死时间。最后，纵向MOS结构，输入阻抗大（107～1015Ω），相对于双极型结构的输入阻抗（正向：几百欧至几千欧，反向：几十千欧到几百千欧），更有利于集成。
附图说明
图1为本发明实施例探测器的剖视结构示意图。
图2为本发明实施例制备方法步骤1）得到的半成品剖视结构示意图。
图3为本发明实施例制备方法步骤2）得到的半成品剖视结构示意图。
图4为本发明实施例制备方法步骤3）得到的半成品剖视结构示意图。
图5为本发明实施例制备方法步骤4）得到的成品剖视结构示意图。
图例说明：1、SOI基片；11、P-衬底；12、SiO2层；2、P-型硅薄膜；3、P+区；4、P区；5、N+区；6、栅氧化层。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器包括表面带有P-型硅薄膜2的SOI基片1，P-型硅薄膜2的厚度为100nm～800nm，P-型硅薄膜2的一侧设有P+区3、另一侧设有相邻布置的P区4和N+区5，P+区3的表面设有电极K，P区4的表面设有栅氧化层6，栅氧化层6的表面设有栅电极G，N+区5的表面设有电极A。
如图1所示，本实施例中SOI基片1包括层叠布置的P-衬底11和SiO2层12，P-型硅薄膜2设于SiO2层12的表面。
本实施例中，P-衬底11的厚度为500nm。
本实施例中，SiO2层12的厚度为380nm。
本实施例中，栅氧化层6的厚度范围为10nm～50nm。
本实施例SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器的制备方法具体采用标准0.18μm SOI CMOS工艺完成P-型硅薄膜2、P+区3、P区4、N+区5、栅氧化层6、电极A、电极K、栅电极G的工艺制备。本实施例SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器的制备方法的实施步骤包括：
1）在SOI基片1的表面上采用氧化剥离技术，生成一定厚度的P-型硅薄膜，如图2所示；
在SOI基片1（本实施例中，SiO2层厚度为380nm，P-衬底厚度为500nm，P-型硅薄膜的掺杂浓度为1015cm-3）上，根据Lambert定律与探测光波长，结合SOI CMOS工艺特点，采用氧化剥离技术，生成100nm～800nm厚度的P-型硅薄膜，以实现探测波段为380～520 nm的蓝紫光，且P-型硅薄膜在100nm～800nm厚度内对应不同的厚度，能够实现波段为380～520 nm范围内对应不同的波长的蓝紫光探测。
2）采用离子注入掺杂方式，在P-型硅薄膜的一侧形成P+区3、另一侧形成相邻布置的P区4和N+区5，如图3所示；采用离子注入掺杂方式，形成P+区3、P区4、N+区5时，P+区3、P区4、N+区5的横向宽度根据实际应用需求而定。
3）在P+区3的表面镀铝生成电极K，在N+区5的表面镀铝生成电极A，如图4所示；
4）在P区4的表面生成栅氧化层6，在栅氧化层6的表面镀铝生成栅电极G，如图5所示。栅氧化层6的成分为SiO2，其厚度范围为10nm～50nm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器，其特征在于：包括表面带有P-型硅薄膜（2）的SOI基片（1），所述P-型硅薄膜（2）的厚度为100nm～800nm，所述P-型硅薄膜（2）的一侧设有P+区（3）、另一侧设有相邻布置的P区（4）和N+区（5），所述P+区（3）的表面设有电极K，所述P区（4）的表面设有栅氧化层（6），所述栅氧化层（6）的表面设有栅电极G，所述N+区（5）的表面设有电极A。
2.根据权利要求1所述SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器，其特征在于：所述SOI基片（1）包括层叠布置的P-衬底（11）和SiO2层（12），所述P-型硅薄膜（2）设于SiO2层（12）的表面。
3.根据权利要求2所述SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器，其特征在于：所述P-衬底（11）的厚度为500nm。
4.根据权利要求2所述SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器，其特征在于：所述SiO2层（12）的厚度为380nm。
5.根据权利要求1所述SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器，其特征在于：所述栅氧化层（6）的厚度范围为10nm～50nm。
6.一种权利要求1～5中任意一项所述SOI基栅控横向SAM结构蓝紫光单光子探测器的制备方法，其特征在于实施步骤包括：
1）在SOI基片（1）的表面上采用氧化剥离技术，生成P-型硅薄膜，厚度为100nm～800nm；
2）采用离子注入掺杂方式，在P-型硅薄膜的一侧形成P+区（3）、另一侧形成相邻布置的P区（4）和N+区（5）；
3）在P+区（3）的表面镀铝生成电极K，在N+区（5）的表面镀铝生成电极A；
4）在P区（4）的表面生成栅氧化层（6），在栅氧化层（6）的表面镀铝生成栅电极G。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |