CN111106201A - 一种新型结构的apd四象限探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅雪崩光电探测器，尤其涉及一种新型结构的APD四象限探测器及其制备方法，所述探测器自上向下依次包括正面钝化层(1)、N电极(2)、N+有源区(3)、P‑雪崩区(4)、P型衬底层(5)、P+光敏区(6)、背面钝化层(7)、增透层(8)以及P电极(9)；在正面P‑雪崩区(4)、N+有源区周围设计制作有一个P+截止环(10)及两个N+保护环(11)，两个N+保护环(11)设置在内侧，P+截止环(10)设置在外侧；本发明的探测器有效避免器件边缘击穿，减小像元间距离，增大探测面积；背照式硅APD吸收光子产生的电子‑空穴对中，空穴未参与倍增，可有效降低器件噪声。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅雪崩光电探测器，尤其涉及一种新型结构的APD四象限探测器及其制备方法。
背景技术
硅雪崩光电二极管是一种具有内部增益的光电探测器，它是利用PN结势垒区的高场强区域中载流子的雪崩倍增作用而得到的光敏二极管。硅APD具有内部增益功能，其响应速度快、光谱范围宽、灵敏度和信噪比S/N都比较高，已广泛应用于弱光场测量、光子计数、光纤通信、激光测距等领域。特别是高性能1064nm硅APD四象限探测器，用于激光跟踪、激光制导和激光引信等军事系统，具有广泛的经济效益和社会效益。
由于硅基1064nmAPD工作在较高的电压下，PN结边缘处由于边缘场效应，存在较高的边缘电场，容易导致APD在边缘处提前击穿，使器件稳定性和可靠性变差甚至失效。优化硅基1064nmAPD结构和工艺设计，降低器件边缘电场，抑制边缘击穿是研制1064nmAPD的关键。为避免硅APD四象限探测器像元间边缘击穿，其像元间间距增大，像元间将形成一较大的探测盲区。
发明内容
为了减小像元间距离、增大探测面积，本发明提出一种新型结构的APD四象限探测器及其制备方法，所述新型结构的APD四象限探测器，包括自上向下依次包括正面钝化层1、N电极2、N+有源区3、P-雪崩区4、P型衬底层5、P+光敏区6、背面钝化层7、增透层8以及P电极9，其特征在于，在正面P-雪崩区4、N+有源区周围设计制作有一个P+截止环10及两个N+保护环11，两个N+保护环11设置在内侧，P+截止环10设置在外侧。
进一步的，P-雪崩区4、N+有源区3均为单元结构
进一步的，P+光敏区6为四象限结构。
本发明还提出一种新型结构的APD四象限探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1：在P型高阻单晶硅衬底表面热氧化生长SiO2钝化膜，形成正面钝化层 1；
S2：利用光刻工艺和离子注入工艺依次制作P+截止环10、N+保护环11、P-雪崩区4、N+有源区3；
S3：对P型高阻单晶硅衬底背面进行减薄抛光处理；
S4：在P型高阻单晶硅衬底背面热氧化生长SiO2钝化膜，形成背面钝化层 7；
S5：利用双面光刻工艺和离子注入工艺在P型高阻单晶硅衬底背面制作P+光敏区6；
S6：利用LPCVD工艺背面淀积氮化硅增透膜8；
S7：利用双面光刻工艺和干法刻蚀工艺分别制作P电极孔和N电极孔；
S8：利用双面光刻工艺或金属溅射工艺制作N电极2和P电极9。
进一步的，制备N+有源区3、P-雪崩区4、P+截止环10及N+保护环11时，均在晶圆正面进行离子注入掺杂，工艺条件与正照结构一致。
进一步的，制备P+光敏区6时，在晶圆背面进行P型注入离子掺杂。
本发明新型结构的1064nm硅APD四象限探测器避免器件边缘击穿，减小像元间距离，增大探测面积；背照式硅APD吸收光子产生的电子-空穴对中，空穴未参与倍增，可有效降低器件噪声。
附图说明
图1、本发明的一种新型结构的APD四象限探测器剖面结构示意图；
图2、本发明的一种新型结构的APD四象限探测器俯视结构示意图；
其中，1、正面钝化层，2、N电极，3、N+有源区，4、P-雪崩区，5、P型衬底层，6、P+光敏区，7、背面钝化层，8、增透层，9、P电极，10、P+截止环， 11、N+保护环。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正照式探测器各象限均设计双保护环结构，以避免像元边缘击穿；设计截止环结构，以减小像元暗电流，如此像元间距离增大，其探测盲区增加。因此，本发明提出一种新型结构的APD四象限探测器及其制备方法，所述新型结构的 APD四象限探测器，自上向下依次包括正面钝化层1、N电极2、N+有源区3、 P-雪崩区4、P型衬底层5、P+光敏区6、背面钝化层7、增透层8以及P电极9。其特征在于，在正面P-雪崩区4、N+有源区周围设计制作有一个P+截止环10及两个N+保护环11，两个N+保护环11设置在内侧，P+截止环10设置在外侧。
进一步的，P-雪崩区4、N+有源区3均为单元结构，避免正照式结构象限间边缘击穿。
进一步的，P+光敏区6为四象限结构，该结构减小四象限间距离，提高有效探测面积，增大器件探测器面积。
进一步的，背照式结构，硅APD吸收光子产生的电子-空穴对中，空穴未参与倍增，有效降低器件噪声。
本发明还提出一种新型结构的APD四象限探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1：在P型高阻单晶硅衬底表面热氧化生长SiO2钝化膜，形成正面钝化层 1；
S2：利用光刻工艺和离子注入工艺依次制作P+截止环10、N+保护环11、P-雪崩区4、N+有源区3；
S3：对P型高阻单晶硅衬底背面进行减薄抛光处理；
S4：在P型高阻单晶硅衬底背面热氧化生长SiO2钝化膜，形成背面钝化层 7；
S5：利用双面光刻工艺和离子注入工艺在P型高阻单晶硅衬底背面制作P+光敏区6；
S6：利用LPCVD工艺背面淀积氮化硅增透膜8；
S7：利用双面光刻工艺和干法刻蚀工艺分别制作P电极孔和N电极孔；
S8：利用双面光刻工艺或金属溅射工艺制作N电极2和P电极9。
进一步的，制备N+有源区3、P-雪崩区4、P+截止环10及N+保护环11时，均在晶圆正面进行离子注入掺杂，工艺条件与正照结构一致。
进一步的，制备P+光敏区6时，在晶圆背面进行P型注入离子掺杂。
进一步的，P+截止环10与N+保护环11外环间距为40μm～60μm；N+保护环11为双保护环结构，两个环间距为15μm～20μm，内环与N+有源区3相接。
本发明新型结构的1064nm硅APD四象限探测器，其雪崩区为单元结构，背面光敏区为四象限结构，避免正照式象限间边缘击穿，可有效减少象限间距离，增大器件探测器面积。
背照式结构，硅APD吸收光子产生的电子-空穴对中，空穴未参与倍增，可有效降低器件噪声。
本发明雪崩区、有源区、保护环、截止环等未在本实施例中说明的工艺参数与正照式结构的工艺参数一致，此处不再赘述。
四象限是指探测器入光一侧的俯视结构如图2所示形成四个部分，四象限探测器的结构是光电探测领域的现有技术，因此本发明不再赘述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种新型结构的APD四象限探测器，包括自上向下依次包括正面钝化层(1)、N电极(2)、N+有源区(3)、P-雪崩区(4)、P型衬底层(5)、P+光敏区(6)、背面钝化层(7)、增透层(8)以及P电极(9)，其特征在于，在正面P-雪崩区(4)、N+有源区周围设计制作有一个P+截止环(10)及两个N+保护环(11)，两个N+保护环(11)设置在内侧，P+截止环(10)设置在外侧。
2.根据权利要求1所述的一种新型结构的APD四象限探测器，其特征在于，探测器为背照式结构，P-雪崩区(4)、N+有源区(3)均为单元结构，即四象限共用P-雪崩区(4)和N+有源区(3)。
3.根据权利要求1所述的一种新型结构的APD四象限探测器，其特征在于，P+截止环(10)与N+保护环(11)外环间距为40μm～60μm。
4.根据权利要求1所述的一种新型结构的APD四象限探测器，其特征在于，N+保护环(11)为双保护环结构，两个环间距为15μm～20μm，内环与N+有源区(3)相接。
5.一种新型结构硅的APD四象限探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在P型高阻单晶硅衬底表面热氧化生长SiO2钝化膜，形成正面钝化层(1)；
S2：利用光刻工艺和离子注入工艺依次制作P+截止环(10)、N+保护环(11)、P-雪崩区(4)、N+有源区(3)；
S3：对P型高阻单晶硅衬底背面进行减薄抛光处理；
S4：在P型高阻单晶硅衬底背面热氧化生长SiO2钝化膜，形成背面钝化层(7)；
S5：利用双面光刻工艺和离子注入工艺在P型高阻单晶硅衬底背面制作P+光敏区(6)；
S6：利用LPCVD工艺背面淀积氮化硅增透膜(8)；
S7：利用双面光刻工艺和干法刻蚀工艺分别制作P电极孔和N电极孔；
S8：利用双面光刻工艺或金属溅射工艺制作N电极(2)和P电极(9)。
6.根据权利要求1所述的新型结构的APD四象限探测器制备方法，其特征在于，制备N+有源区(3)、P-雪崩区(4)、P+截止环(10)及N+保护环(11)时，均采用正面离子注入掺杂，工艺条件与正照结构一致。
7.根据权利要求1所述的新型结构的APD四象限探测器的制备方法，其特征在于，制备P+光敏区(6)时，在晶圆背面进行P型注入离子掺杂。
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