CN113314638B - 近红外单光子雪崩二极管探测器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近红外单光子雪崩二极管探测器：在p型衬底(10)中设有p型埋层(6)和重掺杂n型埋层(2)，利用p型埋层(6)和重掺杂n型埋层(2)之间的PN结来形成深的雪崩区，提高SPAD器件对近红外光子的探测效率。而且雪崩区位置距离器件表面很远，表面缺陷对雪崩区的影响很小，降低了器件的暗计数，提高了器件对光子探测的准确性。该SPAD器件可作为近红外单光子激光雷达的探测器件，应用于智能汽车自动驾驶，人脸识别和三维成像等领域。本发明还提供了近红外单光子雪崩二极管探测器的制作方法。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，更具体地，涉及一种近红外单光子雪崩二极管探测器及制作方法。
背景技术
硅基单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)因其拥有雪崩增益大、响应速度快、探测效率高、工艺成熟、体积小、质量轻、功耗低等特点成为制作单光子探测器的首要选择。SPAD探测器可以通过检测回波单光子信号的到达时间，来获得所探测物体的深度信息，因此在弱光信号检测和三维成像领域得到了广泛的应用，并逐渐成为国内外研究的热点。
传统的硅基SPAD器件对绿光和蓝光的响应效率最高，而对近红外光子的响应效率很低。但是绿光和蓝光属于可见光，不但对人眼的伤害较大，而且还会受到环境光变化的强烈干扰，使得SPAD器件对可见光的探测效率急剧下降，无法满足整体探测器的需求。利用近红外光的探测已成为近年来研究的热点，因其几乎不受环境光变化的影响和对人眼伤害小等优点，使其成为高精度、高稳定性探测的最佳选择，但是一般硅基SPAD器件对近红外光子的响应效率很低，无法满足高探测效率的应用需求。因此，设计出对近红外波段光子具有高探测效率的SPAD器件已成为单光子探测器的主要研究方向之一。为了提高硅基SPAD器件对近红外光子的探测效率，关键点在于增加SPAD器件雪崩耗尽区的深度，提高SPAD器件对长波段光子响应的灵敏度。在SPAD器件结深增加的同时还要注意减少缺陷引起的暗噪声影响，保证其对器件性能的影响最小。
发明内容
本发明针对传统单光子雪崩二极管SPAD器件对近红外光子探测效率不高的问题，提出了一种对近红外光子具有高探测效率的单光子雪崩二极管结构。利用在p型衬底中p型埋层和重掺杂n型埋层形成深雪崩区的结构，来增加雪崩耗尽区的深度，提高器件对近红外光子响应的灵敏度，为高速、高分辨率的三维成像提供了可能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种近红外单光子雪崩二极管探测器，包括：p型衬底和外延层，在p型衬底中设有一个p型埋层，在p型埋层的上方设有一个重掺杂n型埋层，在p型埋层的周围设有一个环形的p型扩展区，它们都在p型衬底中，p型扩展区和重掺杂n型埋层之间利用p型衬底作为隔离；外延层在p型衬底的上方，在重掺杂n型埋层的上方设有一个高压n阱，在p型扩展区的上方设有一个高压p阱；在高压n阱和高压p阱之间为外延层，在高压n阱的表面设有一个N+区，N+区用作近红外单光子雪崩二极管探测器的阴极接触；在高压p阱的表面设有一个P+区，P+区用作探测器的阳极接触；在P+区两侧设有两个浅槽沟道隔离。
优选地，所述P型衬底的材料为硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)或铟砷化镓(InGaAs)半导体。
优选地，所述近红外单光子雪崩二极管探测器设计成边形、圆形和切角正方形。
优选地，重掺杂n型埋层在p型埋层的上面，在它们的交界面处形成雪崩区。
优选地，p型埋层的杂质浓度要远低于重掺杂n型埋层的浓度，所形成的PN结耗尽区主要在p型埋层里。
优选地，p型衬底的厚度为4μm。
优选地，外延层的厚度为5μm。
优选地，雪崩区中心的深度距表面为6μm。
优选地，高压n阱和高压p阱之间的外延层的宽度为2μm。
按照本发明的另一方面，还提供了一种近红外单光子雪崩二极管探测器的制作方法，包括：
(1)在p型衬底中注入形成一个p型埋层；
(2)在p型埋层的上方注入形成一个重掺杂n型埋层；
(3)在p型衬底的上方形成一定厚度的外延层；
(4)进行一定时间的退火，重掺杂n型埋层部分会扩散进入外延层；
(5)在P+区两侧形成浅槽沟道隔离区；
(6)在p型埋层周围形成p型扩展区；
(7)在p型扩展区的上方形成高压p阱；
(8)在重掺杂n型埋层的上方形成一个高压n阱；
(9)在高压n阱的表面形成重掺杂的N+区，用作阴极接触；
(10)在高压p阱的表面形成重掺杂P+区，用作阳极接触。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)成本低且可集成：SPAD器件的制备工艺与CMOS工艺兼容，既可以避免单独定制的昂贵成本，又可以与SPAD探测器的后端电路制作在同一块芯片上；
(2)暗噪声小：由于SPAD器件的雪崩区在很深的衬底中，器件表面缺陷和STI附近的缺陷距离雪崩区很远，使得其对雪崩的影响很小，所以该SPAD器件的暗噪声较小，从而大大提高了器件探测的准确性；
(3)探测效率高：该器件的雪崩区由重掺杂n型埋层和p型埋层形成，所形成的雪崩区位置较深，深的雪崩区位置对近红外波段光子的响应灵敏度更高，能大幅提高SPAD探测器对近红外光的探测效率。
附图说明
图1是本发明提出的近红外单光子雪崩二极管的横截面示意图；
图2是本发明提出的近红外单光子雪崩二极管的八边形俯视图；
图3是本发明提出的近红外单光子雪崩二极管的圆形俯视图；
图4是本发明提出的近红外单光子雪崩二极管的切角正方形俯视图；
图5是图1结构进行二维器件仿真得到的电场分布图；
图6是图1结构进行二维器件仿真得到的电流-电压特性曲线；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-N+区；2-重掺杂n型埋层；3-高压n阱；4-外延层；5-浅槽沟道隔离(ShallowTrench Isolation，STI)；6-p型埋层；7-P+区；8-高压p阱；9-p型扩展区；10-p型衬底。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明提出的近红外单光子雪崩二极管探测器(SPAD)结构剖面图，本发明提出的近红外SPAD器件结构包括p型衬底(10)和外延层(4)。该器件在p型衬底(10)中设有一个p型埋层(6)，在p型埋层(6)的上方设有一个重掺杂n型埋层(2)，在p型埋层(6)的周围设有一个环形的p型扩展区(9)，它们都在p型衬底(10)中，p型扩展区(9)和重掺杂n型埋层(2)之间利用p型衬底(10)作为隔离。外延层(4)在p型衬底(10)的上方，在重掺杂n型埋层(2)的上方设有一个高压n阱(3)，在p型扩展区(9)的上方设有一个高压p阱(8)。在高压n阱(3)和高压p阱(8)之间为外延层(4)，在高压n阱(3)的表面设有一个N+区(1)，N+区(1)用作SPAD器件的阴极接触；在高压p阱(8)的表面设有一个P+区(7)，P+区(7)用作探测器的阳极接触。在P+区(7)两侧设有两个浅槽沟道隔离(5)。
本发明的P型衬底材料不仅限于硅(Si)半导体，还可以利用锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和铟砷化镓(InGaAs)等多种半导体材料作为衬底。
本发明提出的近红外SPAD器件可以设计成八边形(图2)、圆形(图3)和切角正方形(图4)的结构，以此来减弱器件边角电场的集中程度，使器件的耐压性能更好。图2、图3和图4沿AA′方向的剖面图如图1所示，该结构衬底厚度约为4μm，外延层的厚度约为5μm，整体厚度约9μm，p型埋层的位置大约在距表面6.5-7μm处，重掺杂n型埋层(2)在p型埋层(6)的上面，在它们的交界面处形成雪崩区，雪崩区中心的深度在距表面约为6μm处，比传统SPAD器件的雪崩区深度要更深，提高了器件对近红外光子的探测效率，减小了表面缺陷对雪崩区的影响，降低了暗计数率。在高压n阱(3)和高压p阱(8)之间的外延层(4)的宽度约为2μm，用一定宽度的外延层(4)作为虚拟保护环来提高器件的耐压性，防止高压n阱(3)和高压p阱(8)之间被提前击穿。
制作本发明提出的近红外SPAD器件结构的工艺流程步骤为：
(1)在p型衬底(10)中注入形成一个p型埋层(6)；
(2)在p型埋层(6)的上方注入形成一个重掺杂n型埋层(2)；
(3)在p型衬底(10)的上方形成一定厚度的外延层(4)；
(4)进行一定时间的退火，重掺杂n型埋层(2)部分会扩散进入外延层(4)；
(5)在P+区(7)两侧形成浅槽沟道隔离区(5)；
(6)在p型埋层(6)周围形成p型扩展区(9)；
(7)在p型扩展区(9)的上方形成高压p阱(8)；
(8)在重掺杂n型埋层(2)的上方形成一个高压n阱(3)；
(9)在高压n阱(3)的表面形成重掺杂的N+区(1)，用作阴极接触；
(10)在高压p阱(8)的表面形成重掺杂P+区(7)，用作阳极接触。
在本发明所提出的结构中，器件的雪崩区是由重掺杂n型埋层和p型埋层形成的PN结所形成。当SPAD器件工作在盖革模式下时，一旦检测到光子后，会在中性区产生一对电子空穴对，电子或空穴在电场作用下进入耗尽区，并在耗尽区强电场的作用下加速，与晶格发生碰撞，形成大量的电子空穴对，从而在阴极和阳极之间检测到瞬间变大的电流。这一过程形成连锁反应，只需要一个光子便会快速引起大电流的产生，准确检测到光子的到来。该结构在重掺杂n型埋层(2)的下面形成一个较深的p型埋层(6)，使耗尽区的位置变低，增加了雪崩区的深度，有助于吸收近红外波段的光子，提高器件对近红外光子的探测效率。高压n阱(3)和高压p阱(8)之间的外延层(4)构成虚拟保护环，即在雪崩区边缘利用轻掺杂的外延层形成一层较宽的耗尽层作为保护环，有效地抑制边缘电场防止边缘被提前击穿。
本发明的一个实施例：
根据图1所示的器件结构，使用Silvaco TCAD仿真工具对器件结构进行了二维工艺仿真，并对所得器件进行电学特性仿真。得到图5所示的器件I-V特性曲线和图6所示的器件电场分布图。由图5可知该SPAD器件的雪崩击穿电压为16.7V。图6为该SPAD器件在Vbias＝25V时的电场分布，由于该器件的雪崩区在重掺杂n型埋层(2)与p型埋层(6)之间形成，所以雪崩区位置较深。从图6中可以看出强电场都分布在重掺杂n型埋层与p型埋层交界处的耗尽层平面内，有效提高了该器件对近红外光子的探测效率，且因为外延层所构成的虚拟保护环处的电场很低，所以有效防止了器件雪崩时边缘被率先击穿现象的发生，起到了良好的保护作用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，包括：p型衬底(10)和外延层(4)，在p型衬底(10)中设有一个p型埋层(6)，在p型埋层(6)的上方设有一个重掺杂n型埋层(2)，在p型埋层(6)的周围设有一个环形的p型扩展区(9)，它们都在p型衬底(10)中，p型扩展区(9)和重掺杂n型埋层(2)之间利用p型衬底(10)作为隔离；外延层(4)在p型衬底(10)的上方，在重掺杂n型埋层(2)的上方设有一个高压n阱(3)，在p型扩展区(9)的上方设有一个高压p阱(8)；在高压n阱(3)和高压p阱(8)之间为外延层(4)，在高压n阱(3)的表面设有一个N+区(1)，N+区(1)用作近红外单光子雪崩二极管探测器的阴极接触；在高压p阱(8)的表面设有一个P+区(7)，P+区(7)用作探测器的阳极接触；在P+区(7)两侧设有两个浅槽沟道隔离(5)。
2.如权利要求1所述的近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述P型衬底(10)的材料为硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)或铟砷化镓(InGaAs)半导体。
3.如权利要求1或2所述的近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述近红外单光子雪崩二极管探测器设计成边形、圆形和切角正方形。
4.如权利要求1或2所述的近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，重掺杂n型埋层(2)在p型埋层(6)的上面，在它们的交界面处形成雪崩区。
5.如权利要求1或2所述的近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，p型埋层(6)的杂质浓度要远低于重掺杂n型埋层(2)的浓度，所形成的PN结耗尽区主要在p型埋层里。
6.如权利要求1或2所述的近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，p型衬底(10)的厚度为4μm。
7.如权利要求1或2所述的近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，外延层(4)的厚度为5μm。
8.如权利要求4所述的近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，雪崩区中心的深度距表面为6μm。
9.如权利要求4所述的近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，高压n阱(3)和高压p阱(8)之间的外延层(4)的宽度为2μm。
10.如权利要求1-9任一项所述的近红外单光子雪崩二极管探测器的制作方法，其特征在于，包括：
(1)在p型衬底(10)中注入形成一个p型埋层(6)；
(2)在p型埋层(6)的上方注入形成一个重掺杂n型埋层(2)；
(3)在p型衬底(10)的上方形成一定厚度的外延层(4)；
(4)进行一定时间的退火，重掺杂n型埋层(2)部分会扩散进入外延层(4)；
(5)在P+区(7)两侧形成浅槽沟道隔离区(5)；
(6)在p型埋层(6)周围形成p型扩展区(9)；
(7)在p型扩展区(9)的上方形成高压p阱(8)；
(8)在重掺杂n型埋层(2)的上方形成一个高压n阱(3)；
(9)在高压n阱(3)的表面形成重掺杂的N+区(1)，用作阴极接触；
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