CN110197859A - 一种工作在可见光波段的高带宽cmos apd光电器件 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种工作在可见光波段的高带宽CMOS APD光电器件，包括P衬底，其还包括堆积于所述P衬底上的两个深N阱，所述深N阱上堆积有两个P阱层，在每个P阱层上分别堆积有一个N+层和P+层，将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱层形成PN结，即形成雪崩区，包括第一雪崩区和第二雪崩区，并设置两个光照窗口，当光源射入器件内部被光吸收区吸收时，产生光生载流子，光生载流子在电场作用下运动到第一雪崩区以及第二雪崩区参与倍增；还将所述所述P阱层的间隙两端加入STI保护环。该设计技术从PN结以及耗尽区尺寸两方面进行设计，降低器件的暗电流，提高其带宽。
Description
技术领域
本发明属于可见光探测技术领域，涉及到APD光电器件的设计技术设计，尤其涉及一种具有高带宽的新设计技术CMOS APD光电器件的设计。
背景技术
雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode)是一种光电探测器，能够实现高灵敏度和高带宽。它具有通过利用雪崩击穿使耗尽层中的光信号吸收因此产生倍增的电子、空穴。CMOS APD的基本设计技术类似于普通PN结的基本设计技术，但在设计过程中采用新的设计技术，可有效提高器件的工作带宽。工作在线性区的CMOS APD以其低电压、低成本的特点被广泛运用于物联网、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)和蓝光光盘中。
CMOS APD的器件设计技术，可以按其PN的类型分为两大类。一种是电子注入型CMOS APD设计技术，也就是将N+层作为光照面，其下方的P阱中的光生电子载流子向其漂移，这种类型的CMOSAPD器件的带宽普遍较高。另一种是空穴注入型CMOS APD设计技术，这种设计技术的特点是P+层作为光照面，其下方的N阱中的光生空穴载流子向其漂移，但其光生空穴载流子的漂移速度低于光生电子载流子的漂移速度。这种设计技术的带宽要低很多。当然还有其他改良技术的优化可以提高带宽，不管采用何种类型的优化，都是为了增强PN结的光生载流子飘移速度，降低暗电流，进而提高带宽。
在由工作在线性模式下的CMOS APD器件所构成的高灵敏度传感器中，利用其光电效应和雪崩倍增效应实现光信号的探测和信号放大的器件。最近几年，针对CMOS APD器件的的研究工作主要集中在采用不同的APD设计技术来设计实现高带宽的APD器件，以及大规模APD阵列及其信号处理电路研究。这两方面的努力都需要进一步优化CMOS APD器件设计技术及性能，尽量提高器件的带宽。传统的APD器件设计技术仅在P+/N阱上优化，忽略光生电子载流子的飘移速度和STI保护环的合理运用，因此并不能达到高带宽，同时保持低暗电流。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种高带宽，同时保持低暗电流的工作在可见光波段的高带宽CMOS APD光电器件。本发明的技术方案如下：
一种工作在可见光波段的高带宽CMOS APD光电器件，包括P衬底，其还包括堆积于所述P衬底上的一个深N阱，由于工艺的要求，故设置一个深N阱，所述深N阱上堆积有两个P阱层，在每个P阱层上分别堆积有一个N+层和P+层， P+层上连接阳极，N+层作为光接受窗口并连接阴极，将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱层形成PN结，即形成雪崩区，包括第一雪崩区和第二雪崩区，并设置两个光照窗口，当光源射入器件内部被光吸收区吸收时，产生光生载流子，光生载流子在电场作用下运动到第一雪崩区以及第二雪崩区参与倍增；还将所述所述P阱层的间隙两端加入STI(浅沟道隔离)保护环，STI保护环防止PN 结过早击穿，并减少暗电流。
进一步的，所述PN结为N+/P阱的重掺杂结，降低了耗尽区的宽度，减少了载流子的渡越距离。
进一步的，所述PN结处的电场分布均匀且一致，最大电场强度达到 6.51×105V/cm。
进一步的，当入射光入射在P阱层处被吸收并产生光生载流子，PN结两侧所采用的是N+层与P阱层，由于P阱层向N+层的光生电子载流子漂移速度大于N 阱层向P+层的光生电子载流子漂移速度。同时双窗口的设置使载流子在耗尽层的横向渡越(载流子在耗尽层中的漂移运动)距离减少，使器件的工作频率得到有效提高，且N+/P-well结可发生雪崩击穿，由于该PN结是重掺杂区域，耗尽区尺寸变窄，并且耗尽层的横线距离有所减少。
进一步的，所述深N阱、N+层均采用不同浓度的掺杂五价杂质元素的半导体 P衬底、、P+层、P阱层均采用不同浓度的掺杂三价杂质元素的半导体，重掺杂的N+层与轻掺杂P阱层分别采用的掺杂浓度的数量级是19和17。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明提出了一种新型设计技术，用来设计高带宽CMOS APD光电器件，并给出了其设计方法。常规的单窗口APD是由重掺杂的P+层与轻掺杂的N阱形成 PN结，形成雪崩区。该设计方法是将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱形成PN结，设置两个光照窗口并且在其周围注入STI形成保护环。与常规的CMOS APD器件相比，本发明所设计和优化后的器件明显地降低暗电流，提高带宽。
本发明所提出的工作在可见光波段的高带宽CMOS APD的设计技术及优化方法如下：
1.本发明所设计的APD器件为N+/P阱/深N阱/P衬底的平面设计技术。其核心是找出影响载流子渡越时间的关键因素，有针对性的通过对器件的结构设计，减小光生载流子在器件内的最大渡越时间，进而有效提高器件的工作频率。其器件设计技术特征在于：考虑到N+/P阱结构的器件，在重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱，并设置两个光照窗口。在保证探测面积不变的情况下，设置两个光照窗口可有效减小横向渡越距离；采用重掺杂的雪崩结来降低耗尽区的纵向宽度，同时减小光照面积降低耗尽层横向宽度，减少载流子的渡越距离，从本质上优化器件的带宽。
此时的雪崩结为N+/P阱，当PN结发生雪崩击穿时，载流子进行成倍地增加，但该PN结并不是常规的单边突变结，所以该设计技术的耗尽区中的能带较陡峭，大多数载流子不易发生带间隧穿，这样就从本质上减少了载流子的渡越距离，达到提高带宽的目的。
2.工作在可见光波段的高带宽CMOS APD光电器件的结构，其特征在于：该设计技术从保护环的设计以及探测窗口的合理设置。在PN结两侧注入STI环，由于无保护环的耗尽层易在其边沿处发生边缘击穿且击穿电场呈不均匀分布，因此STI的设置可使耗尽层电场均匀分布。同时只设置三个STI保护环，有效减小其器件结构的复杂度，并且有利于光电流的形成。此结构既避免了PN结过早地边缘击穿，进一步降低暗电流，并且在探测面积不变的情况下，进一步提高带宽。
3.P阱的浓度、厚度、N+厚度是可调的。通过工艺或电脑仿真调节P阱的浓度、厚度、N+厚度，得到最优的带宽特性曲线。与此同时，还可以通过增加载流子的速度以及减少扩散电流来优化带宽。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例常规CMOS APD设计技术图
图2常规CMOS APD雪崩区光生载流子渡越图
图3新型CMOS APD设计技术图
图4新型CMOS APD雪崩区光生载流子渡越图
图5新型CMOS APD电场分布图
图6新型CMOS APD I-V特性图
图7新型CMOS APD带宽特性图
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所示为常规的CMOS APD光电器件的设计技术图。由图可知，在该设计技术中PN结由重掺杂的P+层与轻掺杂的N阱组成，雪崩区(对应图中的1-1区域)位于PN结处，雪崩区下方的P阱是主要的光吸收区(对应图中的1-2区域)。PN结两侧的P+作为保护环，避免器件过早边缘击穿。该APD 光电器件的工作原理是入射光射入器件被光吸收区(对应图中的1-2区域) 吸收时，器件内部产生光生载流子，光生载流子在高电场(PN结反向偏压) 的作用下漂移运动到雪崩区(对应图中的1-1区域)，进入雪崩区后，载流子由于碰撞电离进行成倍的增加，从而在器件的输出端形成非常大的带宽。图2为常规CMOS APD雪崩区光生载流子渡越图。由图可知，在雪崩区(对应图中的1-1区域)中，N阱中的光生空穴载流子向P+漂移。
如图3所示为新型CMOS APD光电器件的设计技术图。由图可知，该器件相对于常规的APD有两点变化，一是采用STI保护环，二是由N+/P阱所形成的PN结为重掺杂的雪崩结。当光源射入器件内部被光吸收区(对应图中的 2-2区域)吸收时，产生光生载流子，光生载流子在电场作用下运动到雪崩区(对应图中的2-1区域)参与倍增。由于设计的PN结为重掺杂的雪崩结，所以耗尽区尺寸相较于常规的APD有明显的变窄，所以参与倍增的载流子的渡越时间减少，提高了器件的带宽。图3为新型CMOS APD雪崩区光生载流子渡越图。由图可知，在雪崩区(对应图中的2-1区域)中，P阱中的光生电子载流子向N+漂移，因光生电子载流子飘移速度远远大于光生空穴载流子飘移速度，故带宽得到了进一步提高。在设计的设计技术中还有一个STI保护环，主要的作用是抑制PN结过早边缘击穿，可以进一步的降低器件的暗电流。
对于APD而言，光电流的影响因素主要有三点：载流子渡越时间、雪崩倍增建立时间、RC时间常数。载流子渡越时间是决定带宽性能的主要因素。通过前面的分析可知，常规的APD采用的是单边突变结，在高电场强度下产生较窄的耗尽区，在这种条件下载流子很容易发生隧穿，这样就会导致器件的暗电流增加，从而降低带宽。对于本发明设计的新型CMOSAPD，如图2所示，雪崩结为N+/P阱的重掺杂结，降低了耗尽区的宽度，减少了载流子的渡越距离，同时采用STI保护环，避免了器件过早边缘击穿，这样使得器件的暗电流降低，从而提高了带宽。
如图5所示为新型CMOS APD器件的电场分布图，由图可知PN结处(大约0.48μm)的电场分布均匀且一致，最大电场强度达到6.51×105V/cm，而且PN结边缘电场明显地低于中心电场，这是由于PN结边缘处存在STI保护环。图6为新型CMOS APD器件的暗电流特性图，由图可知暗电流的最小值约为10-18A，在未达到雪崩击穿时，暗电流的平均值约为10-12A，随着偏置电压的增加暗电流的值逐渐趋于饱和，且饱和电流达到毫安级别。从整体的暗电流特性曲线可知，击穿电压大约为9.9V。图7为新型CMOS APD器件的带宽特性图，带宽是衡量一个器件噪声特性好坏的参数，带宽越低其噪声性能越好。由图可知，在过偏压9.5V时，带宽达到7.7GHz。相比常规的APD带宽得到了明显的提高。因此本发明所设计的设计技术主要减少了在高电场强度下载流子的渡越时间，从而提高了器件的带宽。
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 (5)
1.一种工作在可见光波段的高带宽CMOS APD光电器件，包括P衬底，其特征在于，还包括堆积于所述P衬底上的一个深N阱，所述深N阱上堆积有两个P阱层，在每个P阱层上分别堆积有一个N+层和P+层，P+层上连接阳极，N+层作为光接受窗口并连接阴极，将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱层形成PN结，即形成雪崩区，包括第一雪崩区和第二雪崩区，并设置两个光照窗口，当光源射入器件内部被光吸收区吸收时，产生光生载流子，光生载流子在电场作用下运动到第一雪崩区以及第二雪崩区参与倍增；还将所述所述P阱层的间隙两端加入STI浅沟道隔离保护环，STI保护环防止PN结过早击穿，并减少暗电流。
2.根据权利要求1所述的一种工作在可见光波段的高带宽CMOS APD光电器件，其特征在于，所述PN结为N+/P阱的重掺杂结，降低了耗尽区的宽度，减少了载流子的渡越距离。
3.根据权利要求1所述的一种工作在可见光波段的高带宽CMOS APD光电器件，其特征在于，所述PN结处的电场分布均匀且一致，最大电场强度达到6.51×105V/cm。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种工作在可见光波段的高带宽CMOS APD光电器件，其特征在于，当入射光入射在P阱层处被吸收并产生光生载流子，PN结两侧所采用的是N+层与P阱层，由于P阱层向N+层的光生电子载流子漂移速度大于N阱层向P+层的光生电子载流子漂移速度，同时双窗口的设置使载流子在耗尽层的横向渡越距离减少，使器件的工作频率得到有效提高，且N+/P-well结可发生雪崩击穿，由于该PN结是重掺杂区域，耗尽区尺寸变窄，并且耗尽层的横线距离有所减少。
5.根据权利要求1-3之一所述的一种工作在可见光波段的高带宽CMOS APD光电器件，其特征在于，所述深N阱、N+层均采用不同浓度的掺杂五价杂质元素的半导体，P衬底、P+层、P阱层均采用不同浓度的掺杂三价杂质元素的半导体，重掺杂的N+层与轻掺杂P阱层分别采用的掺杂浓度的数量级是19和17。
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