CN109411550A - 一种p阱/逆掺杂深n阱的cmos spad光电器件 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种P阱/逆掺杂深N阱的CMOS SPAD光电器件，该器件为P+/P阱/逆掺杂深N阱/P衬底的平面结构，与常规的SPAD器件相比，在暗计数率和光子探测效率这两方面都有所提高。该器件采用的并不是传统的P+层作为阳极，而是用P阱层作为阳极；P阱和逆掺杂深N阱的接触处构成器件的主要工作区域用于探测光子；与此同时逆掺杂深N阱作为器件的虚拟保护环和光子吸收区。其次，逆掺杂深N阱作为器件的主要光子吸收区，使得大多数入射光子能够被器件所利用形成光电流，从而提高器件的光子探测效率。本文从改变器件PN结类型和增加器件光子吸收区厚度两方面入手来设计一种低暗计数率、高光子探测效率的单光子雪崩二极管。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体为单光子探测技术领域，涉及到APD 光电器件的结构设计，尤其涉及一种具有P阱/逆掺杂深N阱的新结构CMOS SPAD 光电器件的设计。
背景技术
单光子雪崩二极管是一种工作在雪崩击穿电压之上的PN结，在这种工作模式下，电子-空穴对受到空间电荷区域内高电场的作用而发生碰撞电离，从而在器件的输出端口形成可检测的电流脉冲信号。正是由于这一特性，单光子雪崩二极管被广泛地应用于3D成像、生物光子学、荧光寿命成像等技术领域。
CMOSSPAD通常采用专用CMOS工艺设计及制造，以实现良好控制的特性，例如结深度，击穿电压，定时分辨率和光子探测效率。也有采用标准CMOS工艺进行设计的，不过受到的约束条件较多，只是设计及制作成本可大幅降低。另一方面，对于特定应用的读出电路通常采用更传统的集成电路工艺设计及制造。近年来，为了在同一衬底上实现这些功能(即SPAD探测器和读出电路)，一些学者提出了SPAD器件与读出电路进行单片集成的设计方案。虽然CMOS SPAD主要降低了高灵敏光子探测的成本，但一个值得注意的优点是它们将允许系统进一步的小型化。例如，研究人员目前正在开发用于远程检测或即时使用的便携式生物传感器。为了使这些微型系统成为现实，在CMOS SPAD的设计中必须克服几个障碍。例如，PN结边缘处电场值过大会引发过早击穿；在CMOS技术中，由掺杂原子的高能注入以及表面处的悬空键引起的受损晶格位点都引入了缺陷 (陷阱)，增加了暗计数发生的概率。
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入射光子的利用率、降低了器件的暗计数率同时还提高了器件的光子探测效率的P阱/逆掺杂深N阱的CMOSSPAD光电器件。本发明的技术方案如下：
一种P阱/逆掺杂深N阱的CMOS SPAD光电器件，包括：P型衬底、P阱层、 P+、N阱、雪崩区、深N阱，所述P型衬底设置在底面上，所述P型衬底从上至上设置有深N阱、雪崩区、P阱及P+，所述N阱左右对称的设置在深N阱上，所述P阱层作为阳极，N阱作为阴极，所述深N阱是逆掺杂深N阱，所述P阱层与逆掺杂深N阱构成器件的PN结即雪崩结，光生载流子雪崩结区域内受到强电场的作用而发生碰撞电离，载流子成倍地增加，从而在器件输出端口形成一个可见电流脉冲信号。逆掺杂深N阱在PN结边缘提供一个虚拟保护环。
进一步的，所述逆掺杂深N阱两侧都是轻掺杂，即离器件表面越近深N阱的掺杂浓度越低，离器件表面越远深N阱的掺杂浓度越高，即在PN结边缘形成一个虚拟保护环。
进一步的，所述逆掺杂深N阱还设置了一个厚度范围为2.5um-4um的光子吸收区，使得大多数光子能够被P阱/逆掺杂深N阱结所利用形成光电流，只有一少部分光子会穿透深N阱被P衬底所吸收。
进一步的，所述P+层的浓度、厚度、P阱的浓度、厚度以及逆掺杂深N阱的厚度是可调的，通过工艺调节P阱的浓度、厚度、逆掺杂深N阱的厚度得到最优的暗计数特性曲线和光子探测效率特性曲线。
本发明的优点及有益效果如下：
1.本发明所设计的SPAD器件为P+/P阱/逆掺杂深N阱/P衬底的平面结构。P 阱/逆掺杂深N阱为器件的核心区域，光生载流子在此区域内发生雪崩倍增效应从而形成肉眼可见的光电流；逆掺杂深N阱既作为器件的光子吸收区又作为器件的虚拟保护环，可以提高器件的光子探测效率和进一步优化器件的暗计数率。其器件结构特征在于：该SPAD器件结构采用的并不是传统的P+层作为阳极，而是用P阱层作为阳极；其次P阱层与下面的逆掺杂深N阱构成器件的雪崩结，雪崩倍增效应发生在这种两侧都是轻掺杂的雪崩结处，这就使得器件的雪崩区和漂移区的宽度明显加宽，有效地避免了载流子因耗尽区过窄而引起的带带隧穿事件，从而在本质上减少暗计数率。逆掺杂深N阱采用的是一种掺杂浓度随着器件层厚度变化的一种掺杂方式(离器件表面越近深N阱的掺杂浓度越低，反之相反。)，这就导致在PN结边缘处形成一种虚拟保护环，有效地避免器件发生过早边缘击穿，从而进一步优化暗计数率。同时，逆掺杂深N阱还提供了一个比较厚的光子吸收区，使得大多数光子能够被P阱/逆掺杂深N阱结所利用形成光电流，只有一少部分光子会穿透深N阱被P衬底所吸收，从而明显地提高器件的光子探测效率。
2.新型的P阱/逆掺杂深N阱的CMOS SPAD光电器件的设计方法，其特征在于:该结构从改变器件PN结类型和增加器件光子吸收区厚度两方面入手来优化器件的性能。采用P阱阳极和逆掺杂深N阱来构成轻掺杂的雪崩结，从而增加了器件雪崩区和漂移区的厚度，有效地避免了载流子发生带带隧穿事件，从而在本质上降低器件暗计数率；用逆掺杂深N阱作为器件的光子吸收区，可以明显地提高器件对入射光子的利用率，从而增加器件的光子探测效率，同时由于深N阱采用逆掺杂的方式导致在PN结边缘形成虚拟保护环，可以进一步提高器件的性能。
3.P+层的浓度、厚度、P阱的浓度、厚度以及逆掺杂深N阱的厚度是可调的。通过工艺调节P阱的浓度、厚度、逆掺杂深N阱的厚度得到最优的暗计数特性曲线和光子探测效率特性曲线。同时还可以适当增加P阱层的厚度来提高器件在长波长波段的探测效率。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例新型CMOS SAPD结构图
图2是新型CMOS SAPD暗电流特性图
图3是新型CMOS SAPD响应度特性图
图4是新型CMOS SAPD光子探测效率特性图
图5是新型CMOS SAPD暗计数率特性图。
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：
如图1所示为新型CMOS SPAD光电器件的结构示意图。由图1可知，该器件是由P+/P阱/逆掺杂深N阱/P衬底组成的平面结构。其中，P阱层和逆掺杂深N阱层构成器件的雪崩区(对应图中11位置)，光生载流子在此区域内受到强电场的作用而发生碰撞电离，进一步载流子进行成倍地增加，从而在器件输出端口形成一个肉眼可见的电流脉冲信号。逆掺杂深N阱采用的是一种掺杂浓度随着器件层厚度变化的一种掺杂方式(离器件表面越近深N阱的掺杂浓度越低，反之相反。)，这就导致在PN结边缘处形成一种虚拟保护环，有效地避免器件发生过早边缘击穿，从而进一步优化暗计数率。同时，逆掺杂深N阱还提供了一个比较厚的光子吸收区(对应图中12位置)，使得大多数光子能够被P 阱/逆掺杂深N阱结所利用形成光电流，只有一少部分光子会穿透深N阱被P衬底所吸收，从而显著地提高器件的光子探测效率。
如图2所示为新型CMOS SAPD光电器件的暗电流特性图。从图中可以看出，当施加在器件两端的反偏电压很小时，暗电流的值约为10-16A，说明所设计的器件在本质上降低了器件的暗电流，从而降低了器件的暗计数率。随着反向偏置电压的增大，暗电流的值逐渐趋于平稳(10-13A左右)，这是由于器件内部存在一定的阻抗。最后随着反向偏置电压的进一步增大，暗电流的值迅速提高，这是由于载流子在强电场的作用下发生雪崩倍增效应，从而引发了器件发生雪崩击穿。从整体的暗电流特性曲线可以看出器件的雪崩击穿电压为9V。
如图3为新型CMOS SAPD器件的响应度特性图。响应度是衡量一个器件光电转化能力的指标，主要与器件的结构(主要指光窗口面积)和材料有关。此器件结构的光窗口直径采用的是20μm，由图看出器件在波长为550nm处响应度达到峰值为0.35A/W，而随着波长的增加响应度逐渐降低，这可能是由于硅材料对长波长的吸收率太低所导致的。图4为新型CMOS SAPD的光子探测效率特性图。由图可以看出，过偏置电压由2V增加到4V时，其光子探测效率有一个明显地增加，这是由于器件的雪崩击穿概率会随着过偏压的增加而增加，从而增加了器件的光子探测效率。其次，在过偏压4V、波长为500nm处探测效率达到峰值为45％，而在波长为650nm-900nm之间，光子探测效率迅速地下降，这主要是由于硅材料的器件在长波长处所能吸收的光子数过少而引发的。图5为新型 CMOS SAPD器件的暗计数率特性图。由图可知，在室温条件下，器件的暗计数率在过偏压1V下仅为0.68KHz，并且随着过偏压的增加暗计数率呈线性增长。而在温度为310K时，暗计数率相较于室温条件有一个明显地升高，说明温度对暗计数率的影响是较为显著的，从而也证实了所设计的器件有效的避免了因载流子带带隧穿而引起的暗计数率。
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P阱/逆掺杂深N阱的CMOS SPAD光电器件，包括：P型衬底、P阱层、P+、N阱、雪崩区、深N阱，所述P型衬底设置在底面上，所述P型衬底从上至上设置有深N阱、雪崩区、P阱及P+，所述N阱左右对称的设置在深N阱上，其特征在于，所述P阱层作为阳极，N阱作为阴极，所述深N阱是逆掺杂深N阱，所述P阱层与逆掺杂深N阱构成器件的PN结即雪崩结，光生载流子雪崩结区域内受到强电场的作用而发生碰撞电离，载流子成倍地增加，从而在器件输出端口形成一个可见电流脉冲信号。逆掺杂深N阱在PN结边缘提供一个虚拟保护环。
2.根据权利要求1所述的一种P阱/逆掺杂深N阱的CMOS SPAD光电器件，其特征在于，所述逆掺杂深N阱两侧都是轻掺杂，即离器件表面越近深N阱的掺杂浓度越低，离器件表面越远深N阱的掺杂浓度越高，即在PN结边缘形成一个虚拟保护环。
3.根据权利要求1所述的一种P阱/逆掺杂深N阱的CMOS SPAD光电器件，其特征在于，所述逆掺杂深N阱还设置了一个厚度范围为2.5um-4um的光子吸收区，使得大多数光子能够被P阱/逆掺杂深N阱结所利用形成光电流，只有一少部分光子会穿透深N阱被P衬底所吸收。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种P阱/逆掺杂深N阱的CMOS SPAD光电器件，其特征在于，所述P+层的浓度、厚度、P阱的浓度、厚度以及逆掺杂深N阱的厚度是可调的，通过工艺调节P阱的浓度、厚度、逆掺杂深N阱的厚度得到最优的暗计数特性曲线和光子探测效率特性曲线。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190301 |
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