CN113707751A - 单光子雪崩光电探测器及其制备方法 - Google Patents
单光子雪崩光电探测器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113707751A CN113707751A CN202111017952.0A CN202111017952A CN113707751A CN 113707751 A CN113707751 A CN 113707751A CN 202111017952 A CN202111017952 A CN 202111017952A CN 113707751 A CN113707751 A CN 113707751A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- electrode
- silicon dioxide
- doping
- doped
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 125
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 60
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 60
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims abstract description 31
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 14
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims description 9
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 claims description 5
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- IWTIUUVUEKAHRM-UHFFFAOYSA-N germanium tin Chemical compound [Ge].[Sn] IWTIUUVUEKAHRM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 16
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 8
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 6
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 5
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 3
- -1 gallium ions Chemical class 0.000 description 3
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- 238000000038 ultrahigh vacuum chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012984 biological imaging Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明提供了一种单光子雪崩光电探测器及其制备方法，该单光子雪崩光电探测器，包括：衬底；倍增层，覆盖于衬底上，倍增层上形成有电荷层；第一二氧化硅层，覆盖于电荷层和部分倍增层上，其中，第一二氧化硅层上开有外延窗口；光吸收层，布置于外延窗口中，其中，光吸收层上形成有掺杂层；第二二氧化硅层，覆盖于掺杂层、部分光吸收层和第一二氧化硅层的表面，其中，第二二氧化硅层上开有电极窗口，露出部分掺杂层；电极，包括p电极和n电极，p电极设置于电极窗口中，n电极设置与衬底的背面；抗反射层，覆盖于第二二氧化硅层、p电极和掺杂层之上；其中，电荷层的宽度尺寸大于掺杂层的宽度尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及光电子领域，尤其涉及一种单光子雪崩光电探测器及其制备方法。
背景技术
单光子探测在诸多领域如量子通信、光学时域反射仪，量子密钥分布(QKD)，激光测距，三维成像，时间分辨光谱，电路测试和生物成像等有广泛应用前景，成为近年来光电子领域的研究热点。目前通信领域使用的单光子探测器主要有超导纳米线单光子探测器和InGaAs/InP单光子雪崩光电二级管，但超导纳米线单光子探测器需要4K的超低温制冷，InGaAs/InP单光子雪崩光电二级管因雪崩过程中载流子俘获再释放造成的后脉冲也大，需要比较长的死时间才能将被俘获的载流子释放，这样造成死时间比较长，限制了单光子探测器的工作效率，并且价钱相对昂贵，无法与硅微电子芯片实现工艺兼容，一定程度上限制了应用。
发明内容
有鉴于此，为了能够至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种单光子雪崩光电探测器及其制备方法，以实现器件较高的工作效率。
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种单光子雪崩光电探测器，包括：衬底；倍增层，覆盖于衬底上，倍增层上形成有电荷层；第一二氧化硅层，覆盖于电荷层和部分倍增层上，其中，第一二氧化硅层上开有外延窗口；光吸收层，布置于外延窗口中，其中，光吸收层上形成有掺杂层；第二二氧化硅层，覆盖于掺杂层、部分光吸收层和第一二氧化硅层的表面，其中，第二二氧化硅层上开有电极窗口，露出部分掺杂层；电极，包括p电极和n电极，p电极设置于电极窗口中，n电极设置与衬底的背面；抗反射层，覆盖于第二二氧化硅层、p电极和掺杂层之上；其中，电荷层的宽度尺寸大于掺杂层的宽度尺寸。
根据本发明的实施例，其中，掺杂层、光吸收层和电荷层的宽度尺寸按照从小到大的顺序为：掺杂层的宽度<光吸收层的宽度<电荷层的宽度。
根据本发明的实施例，其中，电荷层为p型掺杂，掺杂浓度为1×1017/cm3-5×1017/cm3，掺杂深度为50-200nm。
根据本发明的实施例，其中，掺杂层为p型掺杂，掺杂层的掺杂浓度大于5×1018/cm3，掺杂深度小于150nm。
根据本发明的实施例，其中，p型掺杂的掺杂方式包括：离子注入或扩散。
根据本发明的实施例，其中，光吸收层材料包括以下至少之一：锗硅合金、纯锗、锗锡合金；光吸收层通过选择外延直接形成。
根据本发明的实施例，其中，p电极包括第一p电极和第二p电极，第一p电极和第二p电极分别设置于电极窗口的两侧，覆盖于第二二氧化硅层和掺杂层的部分表面。
根据本发明的实施例，其中，倍增层上还形成有保护环，电荷层和保护环之间有预设距离。
本发明的另一方面提供了一种单光子雪崩光电探测器的制备方法，包括：在衬底上制备倍增层；在倍增层上形成电荷层；在部分倍增层、电荷层上制备第一二氧化硅层；在第一二氧化硅层上开设外延窗口，露出部分电荷层；在部分电荷层上制备光吸收层；在光吸收层上制作掺杂层；在第一二氧化硅层、光吸收层和掺杂层的表面制备第二二氧化硅层；在第二二氧化硅层上开有电极窗口，露出部分掺杂层；在电极窗口两侧的掺杂层和第二二氧化硅层上分别制作p电极；在第二二氧化硅层、p电极和掺杂层上制备抗反射层；在衬底的背面制备n电极，其中，电荷层的宽度尺寸大于掺杂层的宽度尺寸。
根据本发明的实施例，其中，在电极窗口两侧的掺杂层和第二二氧化硅层上分别制作p电极包括：在电极窗口两侧的掺杂层和第二二氧化硅层上分别制作第一p电极和第二p电极。
基于上述技术方案可知，本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
(1)通过本发明提供的该单光子雪崩光电探测器可以通过调控电荷层和掺杂层宽度的尺寸配合，器件由于电子和空穴的扩散运动，电场起始于N型电荷层中心，终止于P型掺杂区的中心，从而使得将高强度电场位置限制在单光子雪崩光电探测器中心区域，降低了侧壁漏电流，降低暗计数，实现光信号的探测和雪崩放大。
(2)通过本发明设计的单光子雪崩光电探测器中采用选择外延方式生长光吸收层，省去普通外延方式后续的刻蚀工艺。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例的单光子雪崩光电探测器的截面结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明另一实施例的单光子雪崩光电探测器的截面结构示意图；
图3示意性示出了根据本发明实施例的单光子雪崩光电探测器的制备流程图；
图4示意性示出了根据本发明实施例的单光子雪崩光电探测器的制备流程截面结构示意图。
【附图标记说明】
1-衬底；2-倍增层；2-1-电荷层；3-第一二氧化硅层；4-光吸收层；4-1-掺杂层；5-第二二氧化硅层；6-1-1-第一p电极；6-1-2-第二p电极；6-2-n电极；7-抗反射层；8-保护环。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在相关技术中，纯硅单光子雪崩光电探测器的探测效率、暗计数、恢复时间等性能都较好，但是由于硅的禁带宽度为1.12eV，无法有效吸收波长大于1100nm的光信号，此外，虽然硅可以吸收波长小于400nm的光信号，但其在硅中的穿透力非常有限，使得纯硅单光子探测器只能有效探测到300-1100nm的光信号，限制了其在通信波段的应用。同为四族元素的锗材料在近红外波段具有较高的光吸收效率，且完全兼容硅的集成电路制作工艺(CMOS工艺)，但是在硅上外延锗材料会存在晶格失配等大失配体系，从而导致器件的暗计数高，降低器件的工作效率。
为此，本发明提供了一种单光子雪崩光电探测器及其制备方法，通过调控电荷层宽度尺寸与掺杂层宽度尺寸，使其二者相互配合，以降低该探测器暗计数，实现光信号的探测和雪崩放大。
下面示意性举例说明设计的单光子雪崩光电探测器。需要说明的是，该举例说明只是本发明的具体实施例，并不能限制本发明的保护范围。
图1示意性示出了根据本发明实施例的单光子雪崩光电探测器的截面结构示意图。
如图1所示，该单光子雪崩光电探测器包括：衬底1；倍增层2，覆盖于衬底1上，倍增层上形成有电荷层2-1；第一二氧化硅层3，覆盖于电荷层2-1和部分倍增层2上，其中，第一二氧化硅层3上开有外延窗口；光吸收层4，布置于外延窗口中，其中，光吸收层4上形成有掺杂层4-1；第二二氧化硅层5，覆盖于掺杂层4-1、部分光吸收层4和第一二氧化硅层3的表面，其中，第二二氧化硅层5上开有电极窗口，露出部分掺杂层4-1；电极，包括第一p电极6-1-1、第二p电极6-1-2和n电极6-2，第一p电极和第二p电极分别设置于电极窗口的两侧，覆盖于第二二氧化硅层5和掺杂层4-1的部分表面，n电极6-2设置与衬底1的背面；抗反射层7，覆盖于第二二氧化硅层5、第一p电极6-1-1、第二p电极6-1-2和掺杂层4-1之上；其中，电荷层2-1的宽度尺寸大于掺杂层4-1的宽度尺寸。
根据本发明的实施例，其中，衬底1为N型重掺杂硅，晶向为(100)方向，用于增强在衬底1上外延层的质量。
根据本发明的实施例，倍增层2为本征硅或轻掺杂硅，电阻率大于1欧姆/厘米，吸收入射光的波长范围可以为300-1100nm。
根据本发明的实施例，倍增层2的外延厚度可以为1000-1500nm，例如可以为但不限于：1000nm、1200nm、1500nm。
根据本发明的实施例，其中，电荷层2-1为p型掺杂，掺杂浓度可以为1×1017/cm3-5×1017/cm3，可以优选为3×1017/cm3，掺杂深度可以为50-200nm，可以优选为100nm。
根据本发明的实施例，电荷层2-1用于调控倍增层2的电场强度，以达到雪崩倍增信号放大效果。
根据本发明的实施例，光吸收层4的材料可以包括以下至少之一：锗硅合金、纯锗、锗锡合金；光吸收层4吸收入射光的波长范围可以为800-2000nm。
根据本发明的实施例，光吸收层4可以通过选择外延直接形成，其形状由第一二氧化硅窗口层3的外延窗口和外延工艺共同控制，不需要通过后期的刻蚀或腐蚀来改变其形状；光吸收层4内无掺杂及p-n结结构。
根据本发明的实施例，器件外加电场时，电场先进入电荷层2-1，电荷层2-1中的载流子会先耗尽，耗尽后电场进入光吸收层4，在光吸收层漂移电场的作用下，光吸收层产生的电子漂移向倍增层2，空穴漂移向掺杂层4-1，从而达到提取光生载流子的目的，实现雪崩倍增。
根据本发明的实施例，通过外延窗口可以选择外延生长光吸收层，结合外延工艺共同控制光吸收层4的形状，使得生长的光吸收层4的尺寸和厚度满足预定的需求。
根据本发明的实施例，外延窗口可以通过湿法腐蚀、干法刻蚀、先干法刻蚀和后湿法腐蚀混合刻蚀至少之一的方式制备。
根据本发明的实施例，当采用湿法腐蚀时，可以避免干法刻蚀引入的表面粗糙和缺陷，从而提高后续外延光吸收层4的质量，但图形转移精度不佳；当采用干法刻蚀时，图形转移精度高，但会引入刻蚀缺陷。
根据本发明的实施例，既可以保证图形转移精度，还可以避免干法刻蚀引入的表面粗糙和缺陷，可以采用先干法刻蚀和后湿法腐蚀混合刻蚀制备该外延窗口。
根据本发明的实施例，掺杂层4-1为p型掺杂，掺杂层4-1的掺杂浓度大于5×1018/cm3，掺杂深度小于150nm。掺杂层4-1可用于实现良好的欧姆接触。
根据本发明的实施例，掺杂层4-1、光吸收层4和电荷层2-1的宽度尺寸按照从小到大的顺序为：掺杂层4-1的宽度<光吸收层4的宽度<电荷层2-1的宽度。
根据本发明的实施例，电荷层的宽度尺寸大于掺杂层的宽度尺寸，通过调整掺杂层与电荷层的宽度尺寸的相互配合，可以将高强度电场位置限制在单光子雪崩光电探测器中心区域，从而降低侧壁漏电流。
根据本发明的实施例，p型掺杂的掺杂方式可以包括但不限于：离子注入或扩散。掺杂离子可以包括但不限于：硼或镓离子。
根据本发明的实施例，电极包括n电极6-2和p电极，用于实现欧姆接触。
根据本发明的实施例，p电极包括第一p电极6-1-1和第二p电极，第一p电极和第二p电极分别设置于电极窗口的两侧，覆盖于第二二氧化硅层和掺杂层的部分表面，与掺杂层实现电学连接，形成良好的欧姆接触。
根据本发明的实施例，抗反射层7的材料可以为Si3N4，厚度可以为820nm。
根据本发明的实施例，抗反射层可以用于减小光反射，增加光吸收，使得所覆盖的材料与外界环境实现电性隔绝，避免受到外物的污染或外力损坏等。
根据本发明的实施例，通过调控该单光子雪崩光电探测器的电荷层与掺杂层4的宽度尺寸，使得电荷层的宽度尺寸大于掺杂层的宽度尺寸，可以将高强度电场位置限制在单光子雪崩光电探测器中心区域，降低侧壁漏电流，从而降低暗计数，实现光信号的探测和雪崩放大。
图2示意性示出了根据本发明另一实施例的单光子雪崩光电探测器的截面结构示意图。
如图2所示，该单光子雪崩光电探测器还包括：保护环8，形成在部分倍增层2上，设置于电荷层2-1的两侧，电荷层2-1和保护环8之间可以有预设距离。
需要说明的是，该单光子雪崩光电探测器的其他部件与图1所示的相同，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，保护环8为p型掺杂，掺杂浓度为1×1017/cm3-3×1017/cm3。
根据本发明的实施例，在电荷层两侧设置保护环，可以减小边缘效应，减少器件提前击穿，弱化边缘电场。
根据本发明的实施例，p型掺杂的掺杂方式可以包括但不限于：离子注入或扩散。掺杂离子可以包括但不限于：硼或镓离子。
本发明还提供了上述一种单光子雪崩光电探测器的制备方法。
图3示意性示出了根据本发明实施例的单光子雪崩光电探测器的制备方法流程图；图4示意性示出了根据本发明实施例的单光子雪崩光电探测器的制备方法示意图。
如图3所示，该制备方法包括操作S301～S306。
在操作S301，在衬底1上制备倍增层2，在倍增层2上形成电荷层2-1，在部分倍增层2、电荷层2-1上制备第一二氧化硅层3。
根据本发明的实施例，衬底1可以是晶向为(100)方向的N型重掺杂硅；倍增层2可以为本征硅或轻掺杂硅，倍增层2的厚度可以为1000-1500nm。
根据本发明的实施例，在倍增层2上形成电荷层2-1可以包括：以光刻胶为掩膜，通过离子注入或扩散的方式注入掺杂离子，再进行退火激活，在倍增层2上形成电荷层2-1；制备第一二氧化硅层3可以包括：通过等离子体增强化学气相沉积在部分倍增层2、电荷层上2-1上形成第一二氧化硅层3。如图4(a)所示
根据本发明的实施例，电荷层2-1为p型掺杂，掺杂浓度可以为1×1017/cm3-5×1017/cm3，可以优选为3×1017/cm3，掺杂深度为50-200nm，可以优选为100nm。p型掺杂的掺杂方式可以包括但不限于：离子注入或扩散，掺杂离子可以包括但不限于：硼或镓离子。
需要说明的是，结合图2所示，在倍增层上2上还可以通过离子注入或扩散的方式形成保护环8(图4未示出)，设置于电荷层的两侧。
根据本发明的实施例，电荷层2-1和保护环8之间有预设距离，保护环8为p型掺杂，掺杂浓度为1×1017/cm3-5×1017/cm3，可以优选为3×1017/cm3；掺杂深度为50-200nm，可以优选为100nm。
根据本发明的实施例，在电荷层两侧设置保护环，可以减小边缘效应，减少器件提前击穿，弱化边缘电场。
在操作S302，在第一二氧化硅层3开设外延窗口，露出部分电荷层2-1。
根据本发明的实施例，制备外延窗口可以包括：通过光刻、干法刻蚀和湿法腐蚀的方法在第一二氧化硅窗口层3上刻蚀出圆形的外延窗口，露出部分电荷层2-1。如图4(b)所示。
根据本发明的实施例，通过调节外延窗口的大小及结合外延工艺可以调节光吸收层3的尺寸和形貌。
在操作S303，在电荷层2-1上制备光吸收层4，在光吸收层4上制作掺杂层4-1。
根据本发明的实施例，在电荷层2-1上制备光吸收层4可以包括：将器件经过清洗后，放入超高真空化学气相沉积系统(UHV-CVD)，在第一二氧化硅层3上制作的的圆形外延窗口中露出的电荷层2-1上选择外延光吸收层4；制作掺杂层4-1可以包括：以光刻胶为掩膜，利用离子注入或扩散的方式在光吸收层400上制备掺杂区4-1。如图4(c)所示。
根据本发明的实施例，采用选择外延方式生长光吸收层，可以省去普通外延方式后续的刻蚀工艺。
根据本发明的实施例，光吸收层4的材料可以包括以下至少之一：锗硅合金、纯锗、锗锡合金。
根据本发明的实施例，掺杂层4-1为p型掺杂，其中，p型掺杂的掺杂方式可以包括：离子注入或扩散。
根据本发明的实施例，掺杂层4-1的掺杂浓度为1×1019/cm3～1×1020/cm3，掺杂深度小于150nm。
根据本发明的实施例，电荷层2-1的宽度尺寸大于掺杂层4-1的宽度尺寸，例如，可以是掺杂层4-1的宽度<光吸收层4的宽度<电荷层2-1的宽度。
根据本发明的实施例，通过调整掺杂层和电荷层的宽度尺寸，使得电荷层的宽度尺寸大于掺杂层的宽度尺寸，器件由于电子和空穴的扩散运动，电场起始于N型电荷层中心，终止于P型掺杂区的中心，从而使得将高强度电场位置限制在器件内部的中心区域，降低侧壁漏电流，降低器件暗计数。
在操作S304，在第一二氧化硅层3、光吸收层4、掺杂层4-1表面制备第二二氧化硅层5，在第二二氧化硅层5上开设电极窗口，露出部分掺杂层4-1。
根据本发明的实施例，制备第二二氧化硅层5可以包括：采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备而成；制备电极窗口可以包括：以光刻胶为掩膜，通过干法刻蚀和湿法腐蚀的方式开设电极窗口，露出部分掺杂层4-1。如图4(d)所示。
根据本发明的实施例，第二二氧化硅层5的厚度可以为300～700nm。
需要说明的是，在第二二氧化硅层5上开设电极窗口时，还可以全部露出掺杂层4-1。在操作S305，在电极窗口两侧的掺杂层4-1和第二二氧化硅层5上分别制作p电极，在衬底的背面制作n电极6-2。
根据本发明的实施例，在电极窗口两侧的掺杂层4-1和第二二氧化硅层5上分别制作p电极包括：在电极窗口两侧的掺杂层4-1和第二二氧化硅层5上分别制作第一p电极6-1-1和第二p电极6-1-2。如图4(e)所示。
根据本发明的实施例，第一p电极6-1-1和第二p电极与掺杂区实现电学连接，n电极与n型掺杂衬底实现电学连接，并形成良好的欧姆接触。
在操作S306，在第二二氧化硅层5、p电极和掺杂层4-1上制备抗反射层7。
根据本发明的实施例，抗反射层7可以包括：采用等离子体增强化学气相沉积法沉积而成。
根据本发明的实施例，抗反射层可以为Si3N4，厚度可以为820nm。
根据本发明的实施例，抗反射层可以用于减小光反射，增加光吸收，使得所覆盖的材料与外界环境实现电性隔绝，避免受到外物的污染或外力损坏等。
根据本发明的实施例，通过调控单光子雪崩光电探测器的电荷层与掺杂层的宽度尺寸，使得电荷层的宽度尺寸大于掺杂层宽度尺寸，可以将高强度电场位置限制在单光子雪崩光电探测器中心区域，降低侧壁漏电流，从而降低暗计数，实现光信号的探测和雪崩放大。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。再者，单词"包含"不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单光子雪崩光电探测器，包括：
衬底；
倍增层，覆盖于所述衬底上，所述倍增层上形成有电荷层；第一二氧化硅层，覆盖于所述电荷层和部分所述倍增层上，其中，所述第一二氧化硅层上开有外延窗口；
光吸收层，布置于所述外延窗口中，其中，所述光吸收层上形成有掺杂层；
第二二氧化硅层，覆盖于所述掺杂层、部分所述光吸收层和所述第一二氧化硅层的表面，其中，所述第二二氧化硅层上开有电极窗口，露出部分所述掺杂层；
电极，包括p电极和n电极，所述p电极设置于所述电极窗口中，所述n电极设置与所述衬底的背面；
抗反射层，覆盖于所述第二二氧化硅层、所述p电极和所述掺杂层之上；
其中，所述电荷层的宽度尺寸大于所述掺杂层的宽度尺寸。
2.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述掺杂层、所述光吸收层和所述电荷层的宽度尺寸按照从小到大的顺序为：所述掺杂层的宽度<所述光吸收层的宽度<所述电荷层的宽度。
3.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述电荷层为p型掺杂，掺杂浓度为1×1017/cm3-5×1017/cm3，掺杂深度为50-200nm。
4.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述掺杂层为p型掺杂，所述掺杂层的掺杂浓度大于5×1018/cm3，掺杂深度小于150nm。
5.根据权利要求3或4所述的探测器，其中，所述p型掺杂的掺杂方式包括：离子注入或扩散。
6.根据权利要求1所述的探测器，其中，
所述光吸收层材料包括以下至少之一：锗硅合金、纯锗、锗锡合金；
所述光吸收层通过选择外延直接形成。
7.根据权利要求1所述的探测器，所述p电极包括第一p电极和第二p电极，所述第一p电极和所述第二p电极分别设置于所述电极窗口的两侧，覆盖于所述第二二氧化硅层和所述掺杂层的部分表面。
8.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述倍增层上还形成有保护环，所述电荷层和所述保护环之间有预设距离。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的探测器的制备方法，包括：
在衬底上制备倍增层；
在所述倍增层上形成电荷层；
在部分所述倍增层、所述电荷层上制备第一二氧化硅层；
在所述第一二氧化硅层上开设外延窗口，露出部分所述电荷层；
在部分所述电荷层上制备光吸收层；
在所述光吸收层上制作掺杂层；
在所述第一二氧化硅层、所述光吸收层和所述掺杂层的表面制备第二二氧化硅层；
在所述第二二氧化硅层上开有电极窗口，露出部分所述掺杂层；
在所述电极窗口两侧的所述掺杂层和所述第二二氧化硅层上分别制作p电极；
在所述第二二氧化硅层、所述p电极和所述掺杂层上制备抗反射层；
在所述衬底的背面制备n电极；
其中，所述电荷层的宽度尺寸大于所述掺杂层的宽度尺寸。
10.根据权利要求9所述制备方法，其中，所述在所述电极窗口两侧的所述掺杂层和所述第二二氧化硅层上分别制作p电极包括：
在所述电极窗口两侧的所述掺杂层和所述第二二氧化硅层上分别制作第一p电极和第二p电极。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111017952.0A CN113707751B (zh) | 2021-08-31 | 2021-08-31 | 单光子雪崩光电探测器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111017952.0A CN113707751B (zh) | 2021-08-31 | 2021-08-31 | 单光子雪崩光电探测器及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113707751A true CN113707751A (zh) | 2021-11-26 |
| CN113707751B CN113707751B (zh) | 2022-12-06 |
Family
ID=78658469
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111017952.0A Active CN113707751B (zh) | 2021-08-31 | 2021-08-31 | 单光子雪崩光电探测器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113707751B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114256374A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-03-29 | 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 | 雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN114420777A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-04-29 | 同源微（北京）半导体技术有限公司 | 雪崩光电二极管及其制作方法 |
| CN115020514A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-09-06 | 杭州海康威视数字技术股份有限公司 | 光电二极管及其制备方法、光电探测器和探测设备 |
| CN117476800A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-01-30 | 上海铭锟半导体有限公司 | 硅基光电探测器及其制备方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2073277A1 (en) * | 2007-12-19 | 2009-06-24 | Alcatel Lucent | Avalanche photodiode |
| US20090315073A1 (en) * | 2008-06-19 | 2009-12-24 | National Central University | Avalanche Photodiode |
| CN107611195A (zh) * | 2017-08-03 | 2018-01-19 | 天津大学 | 吸收层变掺杂InGaAs雪崩光电二极管及制备方法 |
| CN108305911A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-07-20 | 中山大学 | 吸收、倍增层分离结构的ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器 |
| CN111952399A (zh) * | 2020-08-20 | 2020-11-17 | 中国科学院半导体研究所 | 一种波导耦合的光电探测器及其制备方法 |
| US20210175384A1 (en) * | 2017-05-15 | 2021-06-10 | Rockley Photonics Limited | Avalanche photodiode structure |
-
2021
- 2021-08-31 CN CN202111017952.0A patent/CN113707751B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2073277A1 (en) * | 2007-12-19 | 2009-06-24 | Alcatel Lucent | Avalanche photodiode |
| US20090315073A1 (en) * | 2008-06-19 | 2009-12-24 | National Central University | Avalanche Photodiode |
| US20210175384A1 (en) * | 2017-05-15 | 2021-06-10 | Rockley Photonics Limited | Avalanche photodiode structure |
| CN107611195A (zh) * | 2017-08-03 | 2018-01-19 | 天津大学 | 吸收层变掺杂InGaAs雪崩光电二极管及制备方法 |
| CN108305911A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-07-20 | 中山大学 | 吸收、倍增层分离结构的ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器 |
| CN111952399A (zh) * | 2020-08-20 | 2020-11-17 | 中国科学院半导体研究所 | 一种波导耦合的光电探测器及其制备方法 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114256374A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-03-29 | 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 | 雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN114256374B (zh) * | 2021-12-29 | 2023-12-05 | 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 | 雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN114420777A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-04-29 | 同源微（北京）半导体技术有限公司 | 雪崩光电二极管及其制作方法 |
| CN114420777B (zh) * | 2022-03-30 | 2022-06-28 | 同源微（北京）半导体技术有限公司 | 雪崩光电二极管及其制作方法 |
| CN115020514A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-09-06 | 杭州海康威视数字技术股份有限公司 | 光电二极管及其制备方法、光电探测器和探测设备 |
| CN117476800A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-01-30 | 上海铭锟半导体有限公司 | 硅基光电探测器及其制备方法 |
| CN117476800B (zh) * | 2023-12-27 | 2024-04-09 | 上海铭锟半导体有限公司 | 硅基光电探测器及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113707751B (zh) | 2022-12-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113707751B (zh) | 单光子雪崩光电探测器及其制备方法 | |
| US6670258B2 (en) | Fabrication of low leakage-current backside illuminated photodiodes | |
| CN112038441A (zh) | 一种波导耦合的硅基光电探测器及其制备方法 | |
| CN111952399B (zh) | 一种波导耦合的光电探测器及其制备方法 | |
| CN113314638B (zh) | 近红外单光子雪崩二极管探测器及制作方法 | |
| US20100301309A1 (en) | Lateral collection architecture for sls detectors | |
| US20210296377A1 (en) | Spad pixel circuits and methods thereof for direct time of flight sensors | |
| WO2023051242A1 (zh) | 单光子探测器及其制作方法、单光子探测器阵列 | |
| US11742449B2 (en) | Single photon avalanche diode device | |
| CN114256376B (zh) | 雪崩光电探测器及其制备方法 | |
| CN110690235B (zh) | 一种探测器阵列芯片及其制备方法 | |
| CN114256374B (zh) | 雪崩光电探测器及其制备方法 | |
| CN110544731A (zh) | 一种紫外探测器及其制备方法 | |
| CN112117345B (zh) | 一种衍射环结构ii类超晶格红外探测器及其制备方法 | |
| CN115810675A (zh) | 一种平面型InP基SPAD及其应用 | |
| CN113707750B (zh) | 波导耦合的雪崩光电探测器及其制备方法 | |
| CN113964238A (zh) | 一种雪崩光电探测器的制备方法 | |
| CN112289883A (zh) | 一种三维半导体雪崩光电探测芯片及其制备方法 | |
| CN113488557A (zh) | 一种宽度渐变的硅基探测器及其制备方法 | |
| EP3680941A1 (en) | Avalanche photodiode and method for preparing same | |
| CN110690314A (zh) | 吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器及其制备方法 | |
| CN110518085B (zh) | 锑化物超晶格雪崩光电二极管及其制备方法 | |
| CN115810646A (zh) | 一种硅基宽光谱探测器阵列及其制备方法 | |
| KR20230112262A (ko) | 고농도 도핑된 에피층을 이용한 광대역 포토다이오드 및 그 제조방법 | |
| CN118825119A (zh) | 平面型高速高增益雪崩光电探测器及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |