CN114203852A - 单光子雪崩二极管和光电探测器阵列 - Google Patents

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CN114203852A CN202111509995.0A CN202111509995A CN114203852A CN 114203852 A CN114203852 A CN 114203852A CN 202111509995 A CN202111509995 A CN 202111509995A CN 114203852 A CN114203852 A CN 114203852A
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Abstract

本公开涉及单光子雪崩二极管和光电探测器阵列，该单光子雪崩二极管包括：非平面PN结；所述非平面PN结由第一类型外延层和第二类型掺杂区衔接而成；所述第一类型外延层和所述第二类型掺杂区的衔接面为非平面；其中，所述第一类型和所述第二类型分别为P型和N型中的一种。由此，通过设置单光子雪崩二极管包括非平面PN结的结构，可利用该非平面PN结增大单光子雪崩二极管的光敏区的面积，使光致电子空穴对发生雪崩击穿概率增大，光子探测效率提高；同时，利用非平面结构能够实现对多个不同角度的入射光子的吸收，也能够增大单光子雪崩二极管的光子探测效率。

Description

单光子雪崩二极管和光电探测器阵列
技术领域
本公开涉及光电探测器件技术领域，尤其涉及一种单光子雪崩二极管和光电探测器阵列。
背景技术
单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)，是一种工作在盖革模式(工作电压大于击穿电压)下的雪崩光电二极管。因其具有高时间分辨率、高探测灵敏度和低成本等优点，广泛应用于激光雷达、医学、分子成像和量子科学等领域。SPAD的工作原理是：在盖革模式下，当SPAD吸收光子时，在雪崩区产生电子-空穴对，并在强电场作用下发生雪崩倍增效应，形成雪崩电流。
光子探测效率(Photon Detection Efficiency，PDE)指探测到的光子数量与入射光子数量的比值，用于衡量单光子雪崩二极管探测光功率的能力，是单光子雪崩二极管的一个重要特性。通过提高单光子雪崩二极管的光子探测效率，可以提供单光子雪崩二极管的性能。
通常，光敏区的面积与光子探测效率程正相关关系。通过增大光敏区的面积，能够提升光子探测效率。但是，现有的单光子雪崩二极管中，通过掺杂形成的平面PN结结构，使得单光子雪崩二极管的光敏区面积受限，无法实现较大增加；同时，基于平面PN结结构的平面型单光子雪崩二极管器件对于非垂直入射的光子的吸收较少，也导致单光子雪崩二极管的光子探测效率较低。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种能够提高光子探测效率的单光子雪崩二极管和光电探测器阵列。
第一方面，本公开提供了一种单光子雪崩二极管，包括：
非平面PN结；
所述非平面PN结由第一类型外延层和第二类型掺杂区衔接而成；
所述第一类型外延层和所述第二类型掺杂区的衔接面为非平面；
其中，所述第一类型和所述第二类型分别为P型和N型中的一种。
在一些实施例中，非平面包括半球形、椭球形、锯齿形以及波浪形中的至少一种。
在一些实施例中，在所述衔接面处，中间区域的掺杂浓度大于周边区域的掺杂浓度。
在一些实施例中，所述中间区域的掺杂浓度与所述周边区域的掺杂浓度相差1～2个数量级。
在一些实施例中，沿所述中间区域指向所述周边区域的方向，掺杂浓度逐渐减小。
在一些实施例中，还包括第二类型导电衬底；
所述第一类型外延层设置于所述第二类型导电衬底上；
所述第二类型掺杂区被所述第一类型外延层包裹；
在所述第二类型掺杂区内设置第二类型重掺杂区，所述第二类型重掺杂区连接第二电极；
在所述第一类型外延层内，环绕所述第二类型掺杂区设置第一类型重掺杂区，所述第一类型重掺杂区连接第一电极。
在一些实施例中，所述第二类型掺杂区的掺杂浓度低于所述第二类型重掺杂区的掺杂浓度。
第二方面，本公开还提供一种光电探测器阵列，包括第一方面任一种单光子雪崩二极管；
所述单光子雪崩二极管阵列排布。
在一些实施例中，位于同一行和/或同一列的各所述单光子雪崩二极管中的非平面PN结的形状相同。
在一些实施例中，所有所述单光子雪崩二极管中的非平面PN结的形状均相同。
本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本公开实施例提供的单光子雪崩二极管包括非平面PN结，且该非平面PN结由第一类型外延层和第二类型掺杂区衔接而成，其衔接面为非平面，第一类型和第二类型分别为P型和N型中的一种。由此，通过设置单光子雪崩二极管包括非平面PN结的结构，可利用该非平面PN结增大单光子雪崩二极管的光敏区的面积，使光致电子空穴对发生雪崩击穿概率增大，光子探测效率提高；同时，利用非平面结构能够实现对多个不同角度的入射光子的吸收，也能够增大单光子雪崩二极管的光子探测效率。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为相关技术中的一种单光子雪崩二极管的结构示意图；
图2为本公开实施例的一种单光子雪崩二极管的结构示意图；
图3为本公开实施例的一种非平面PN结的结构示意图；
图4为本公开实施例的另一种非平面PN结的结构示意图；
图5为本公开实施例的又一种非平面PN结的结构示意图；
图6为本公开实施例的另一种单光子雪崩二极管的结构示意图；
图7为本公开实施例的又一种单光子雪崩二极管的结构示意图；
图8为本公开实施例的一种单光子雪崩二极管的结构版图示意图；
图9为本公开实施例的一种光电探测器阵列的结构示意图。
其中：10、单光子雪崩二极管；110、非平面PN结；120、第一类型外延层；130、第二类型掺杂区；140、第二类型导电衬底；131、周边区域；132、中间区域；134、第二类型重掺杂区；133、第一类型重掺杂区；151、第一电极；152、第二电极。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
相关技术中的的单光子雪崩二极管通常采用平面PN结结构，如图1所示，其光敏区较小，导致单光子雪崩二极管用于发生雪崩击穿的区域较小，影响到单光子雪崩二极管的光子探测效率。平面结构型单光子雪崩二极管对于光子入射角度较为敏感，当光子垂直入射时，平面结构型单光子雪崩二极管可以很好吸收光子，当光子入射不是垂直入射时，平面结构型单光子雪崩二极管无法大范围吸收入射光子，如此也使得单光子雪崩二极管的光子探测效率较低。
针对上述技术问题，本公开实施例提供一种单光子雪崩二极管，其中通过设置非平面PN结，能够在增大光敏区面积的同时维持耗尽层厚度不变，从而在提升光子探测效率的同时不会引起暗计数和时间抖动增加的问题，使得SPAD维持在较高的探测灵敏度。进一步地，非平面PN结的界面处的浓度是渐变的，中间掺杂浓度最高，往两边逐渐降低，中间区域掺杂浓度和两边掺杂浓度应相差1～2个数量级，如此设置，将电场集中在非平面PN结的中心区域，能够有效抑制边缘击穿，确保SPAD正常工作。
下面结合图2-图8，对本公开实施例提供的单光子雪崩二极管进行示例性说明。
在一些实施例中，如图2所示，该单光子雪崩二极管10包括：非平面PN结110；非平面PN结110由第一类型外延层120和第二类型掺杂区130衔接而成，其中，第一类型外延层120和第二类型掺杂区130的衔接面为非平面。
其中，第一类型和第二类型分别为P型和N型中的一种。示例性地，该单光子雪崩二极管10中的非平面PN结110可由P型外延层和N型掺杂区衔接而成；或者，该单光子雪崩二极管10中的非平面PN结110可由N型外延层和P型掺杂区衔接而成。
其中，非平面PN结110的第一类型外延层120与非平面PN结的第二类型掺杂区130衔接面为非平面，使得第一类型外延层120与第二类型掺杂区130的接触面积变大，第二类型掺杂区130形成的光敏区面积也相应增大，从而增大了能够接收光子的面积，由利于提升光子探测效率。
同时，又因为第一类型外延区120与第二类型掺杂区130的衔接面为非平面，无论光子从什么角度入射，非平面PN结都可以最大化的吸收光子，提升光子探测效率。
本公开实施例提供的单光子雪崩二极管10中，通过将PN结的第一类型外延层120与第二类型掺杂区130的衔接面设置为非平面，增大了光敏区的面积，从而单光子雪崩二极管在光敏区发生雪崩击穿的概率增大，无需改变耗尽层的厚度，就可以提高光子探测效率，同时不会导致暗计数增大和时间抖动增加，不会影响单光子雪崩二极管的探测灵敏度。同时，单光子雪崩二极管可以吸收不同角度的入射光子，提高了光子利用率，增大光子探测效率。
在一些实施例中，如图2-图5所示，非平面包括半球形、椭球形、锯齿形以及波浪形中的至少一种。
其中，非平面PN结110的第一类型外延层120与第二类型掺杂区130之间的衔接面为非平面，其可以设置成半球形(如图3)、椭圆形(如图2)、锯齿形(如图4)或者波浪形(如图5)等任意非平面形状。将上述各图与图1对比，即将第一类型外延层120与第二类型掺杂区130的衔接面设置成非平面，与原本的平面形状相比，可以增加单光子雪崩二极管10中光敏区的面积，且能够吸收各个角度入射的光子，使大量吸收光子在单光子雪崩二极管10中发生雪崩击穿，提高单光子雪崩二极管10的光子探测效率。
在其他实施方式中，非平面PN结110还可设置为本领域技术人员可知的其他非平面形状，可基于单光子雪崩二极管10的需求设置，在此不限定。
在一些实施例中，在图2的基础上，在衔接面处，中间区域132的掺杂浓度大于周边区域131的掺杂浓度。
示例性地，以硅基PN结为例，该PN结是将P型半导体和N型半导体制作在同一硅片上，P型半导体与N型半导体的交接处形成PN结。P型半导体是在纯净的硅晶体中掺入三价元素，使其取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。硅原子的价电子填充空位，便产生空穴。杂质原子成为不可移动的负离子。P型半导体中，空穴的浓度大于自由电子的浓度。P型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质越多，空穴的浓度就越大，从而导电性就越强。N型半导体是在纯净的硅晶体中掺入五价元素，使其取代晶格中硅原子的位置，形成N型半导体。在常温下，多出的电子由于热激发所获得的能量就可以使之成为自由电子。而杂质原子因在晶格上，且又缺少电子，故变为不能移动的正离子。N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度。N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，自由电子的浓度就越大，从而导电性就越强。
本公开实施例中，在单光子雪崩二极管10中的非平面PN结110的衔接面处，中间区域132掺杂浓度高，则中间区域132的导电性较强；周边区域131掺杂浓度较低，则周边区域131的导电性较弱，其低于中间区域132的导电性。因此，若光子入射单光子雪崩二极管10，可在电场较强的中间区域132发生雪崩击穿，而在电场较弱的周边区域131发生雪崩击穿的可能性减小，有效避免发生边缘击穿，烧毁器件的情况。
在一些实施例中，在图2的基础上，中间区域132的掺杂浓度与周边区域131的掺杂浓度相差1～2个数量级。
其中，衔接面中间区域132掺杂浓度可以高于周边区域131的掺杂浓度1～2个数量级。中间区域132掺杂浓度高，中间区域131的电场较高，周边区域132的掺杂浓度低于中间区域131的掺杂浓度，周边区域132的电场强度低于中间区域131的电场强度，低电场的周边区域132可以对中间区域131形成保护，抑制边缘击穿。
本公开实施例中，将掺杂浓度差距设置成1～2个数量级，可以在有效增加光敏区面积，增加雪崩击穿的同时，将电场集中在非平面PN结的中心区域，避免发生边缘击穿，从而避免烧毁器件，确保SPAD正常工作。
在一些实施例中，在图2的基础上，沿中间区域132指向周边区域131的方向，掺杂浓度逐渐减小。
其中，中间区域132掺杂浓度最高，中间区域132的电场强度最高，沿着中心区域132指向周边区域131的方向，掺杂浓度逐渐减小，电场强度也由中心向周边逐渐减弱。周边电场强度较低，保护中间电场强度高的区域，避免周边区域131发生边缘击穿。因此，可以在有效增加光敏区面积，增加雪崩击穿的同时，将电场集中在非平面PN结的中心区域，避免发生边缘击穿而烧毁器件，确保SPAD正常工作。
在一些实施例中，继续参照图2，该单光子雪崩二极管10还包括第二类型导电衬底140、第二类型重掺杂区134、第一电极151和第二电极152；其中，第一类型外延层120设置于所述第二类型导电衬底140上；第二类型掺杂区130被第一类型外延层120包裹；在第二类型掺杂区130内设置第二类型重掺杂区134，第二类型重掺杂区134连接第二电极152；在第一类型外延层120内，环绕第二类型掺杂区130设置第一类型重掺杂区133，第一类型重掺杂区连接第一电极151。
由此，本公开实施例提供的单光子雪崩二极管10为一种非平面结构SPAD器件，该器件结构可以包括第二类型导电衬底140，与第二类型导电衬底140的导电类型不同的第一类型外延层120，与第一电极151相邻且与第一类型外延层120导电类型相同的第一类型重掺杂区133，与第二电极152相连且与第二类型导电衬底140的导电类型相同的第二类型重掺杂区134。
其中，第二类型掺杂区130与第一类型外延层120形成非平面PN结结构，通过将第二类型重掺杂区134和第二类型掺杂区130设置成非平面结构，能够使第二类型重掺杂区134和第二类型掺杂区130形成的光敏区的区域面积显著增大。同时，通过设置第二类型掺杂区130的掺杂浓度低于第二类型重掺杂区134的掺杂浓度，利用第二类型掺杂区130将第二类型重掺杂区134包裹起来，形成保护环，有效降低边缘电场，抑制边缘击穿。同时，通过设置非平面PN结的结构，使得SPAD器件可以吸收不同角度的入射光子，增大光子探测效率；通过将PN结设置为非平面结构，在不增大耗尽层厚度前提下，实现了更高光子探测效率。
示例性地，如图6所示，第一类型为N型，第二类型为P型。P型层做单光子雪崩二极管10的导电衬底(P-sub)，衬底上方设置为非平面PN结的N型外延层(N-epi)；N型外延层(N-epi)与P型掺杂区(P-掺杂层)的衔接面是非平面形状，构成非平面PN结；N型外延层包裹住P型掺杂区，且P型掺杂区内设置有P型重掺杂区(P+)；P型重掺杂区处连接第二电极，在N型外延层内环绕P型掺杂区设置有N型重掺杂区(N+)，N型重掺杂区连接第一电极。
其中，由于N型外延层与P型掺杂区的衔接面是非平面形状，当光子射入单光子雪崩二极管无需考虑射入角度，单光子雪崩二极管吸收光子的能力提高。同时，P型掺杂区的掺杂浓度低于P型重掺杂区的掺杂浓度，作为保护环，用于降低边缘电场，抑制边缘击穿。该SPAD器件中，将平面PN结改进成非平面PN结，与相关技术相比，光敏区明显增大，使得电子空穴对发生雪崩击穿的概率大幅增加，从而有效提升光子探测效率。同时，非平面结构SPAD器件可以最大化地吸收不同角度入射光子，增加光子探测效率。
需要说明的是，图6仅为示例，图中衬底还可以为N型(如图7)，PN结的非平面形状还可为其他非平面形状，在此不限定。
示例性地，结合图2和图8，当非平面PN结的形状为椭球形时，各膜层的平面形状可为同心圆和圆环；当非平面PN结的形状为其他形状为，各膜层的平面形状还可为其他同心形状，在此不限定。
在一些实施例中，第二类型掺杂区的掺杂浓度低于第二类型重掺杂区的掺杂浓度。
如此设置，利用第二类型掺杂区形成保护环，有效降低边缘电场，抑制边缘击穿，确保器件性能稳定性。
本公开实施例提供的单光子雪崩二极管中，通过设置非平面PN结，能够在增大光敏区面积的同时维持耗尽层厚度不变，从而在提升光子探测效率的同时不会引起暗计数和时间抖动增加，使得SPAD维持在较高的探测灵敏度。进一步地，非平面PN结的界面处的浓度是渐变的，中间掺杂浓度最高，往两边逐渐降低，中间区域掺杂浓度和两边掺杂浓度应相差1～2个数量级，如此设置，将电场集中在非平面PN结的中心区域，能够有效抑制边缘击穿，确保SPAD正常工作。
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供一种光电探测器阵列，包括上述任意实施例所述的单光子雪崩二极管，具有相应的有益效果，可参照上文理解，在此不赘述。
在一些实施例中，如图9所示，在光电探测器阵列20中，单光子雪崩二极管10阵列排布。
其中，将多个单光子雪崩二极管10阵列排布，形成光电探测器阵列20，可以实现大规模的光电探测。
本公开实施例中，基于上述任一种单光子雪崩二极管10形成光电探测器阵列20，由于非平面PN结的结构设置，增大了光敏区的面积，在无需改变耗尽层的厚度的同时，提高了光子探测效率；同时，不会导致暗计数增大和时间抖动增加，不会影响光电探测器阵列20的探测灵敏度。此外，光电探测器阵列20可以吸收不同角度的入射光子，进一步提高了光子利用率，增大光子探测效率。
在一些实施例中，位于同一行和/或同一列的各单光子雪崩二极管中的非平面PN结的形状相同。
其中，在对各个单光子雪崩二极管进行阵列排布时，可以设置成排布在同一行的单光子雪崩二极管的非平面PN结形状相同，设置成排布在同一行的单光子雪崩二极管的非平面PN结形状相同。如此设置，可使非平面PN结的排布较规律，降低设计和制作难度，提高产品良率。
示例性地，在光电探测器阵列中，同一行单光子雪崩二极管的非平面PN结的形状为半球形；或者同一列单光子雪崩二极管的非平面PN结的形状为椭球形。例如，将第一行单光子雪崩二极管的非平面PN结的形状为半球形，第二行单光子雪崩二极管的非平面PN结的形状为波浪形；或者，第一列单光子雪崩二极管的非平面PN结的形状为半球形，第二列单光子雪崩二极管的非平面PN结的形状为椭球形。
本公开实施例对非平面PN结的形状不做限定，可基于光电探测器阵列的需求设置。
在一些实施例中，所有单光子雪崩二极管中的非平面PN结的形状均相同。
其中，光电探测器阵列中设置的所有单光子雪崩二极管中的非平面PN结的形状全部一致，例如全部为半球形，或者全部为椭球形，非平面PN结的形状可以根据需要选择，对此不设具体限定，不影响光电探测器阵列的性能均可。
在其他实施方式中，还可设置光电探测器阵列中，各单光子雪崩二极管的形状各不同，在此不限定。
在其他实施方式中，光电探测器阵列还可包括本领域技术人员可知的其他结构或功能部件，在此不赘述也不限定。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种单光子雪崩二极管，其特征在于，包括：非平面PN结；
所述非平面PN结由第一类型外延层和第二类型掺杂区衔接而成；
所述第一类型外延层和所述第二类型掺杂区的衔接面为非平面；
其中，所述第一类型和所述第二类型分别为P型和N型中的一种。
2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，非平面包括半球形、椭球形、锯齿形以及波浪形中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，在所述衔接面处，中间区域的掺杂浓度大于周边区域的掺杂浓度。
4.根据权利要求3所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述中间区域的掺杂浓度与所述周边区域的掺杂浓度相差1～2个数量级。
5.根据权利要求3所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，沿所述中间区域指向所述周边区域的方向，掺杂浓度逐渐减小。
6.根据权利要求1-5任一项所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，还包括第二类型导电衬底；
所述第一类型外延层设置于所述第二类型导电衬底上；
所述第二类型掺杂区被所述第一类型外延层包裹；
在所述第二类型掺杂区内设置第二类型重掺杂区，所述第二类型重掺杂区连接第二电极；
在所述第一类型外延层内，环绕所述第二类型掺杂区设置第一类型重掺杂区，所述第一类型重掺杂区连接第一电极。
7.根据权利要求6所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第二类型掺杂区的掺杂浓度低于所述第二类型重掺杂区的掺杂浓度。
8.一种光电探测器阵列，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的单光子雪崩二极管；
所述单光子雪崩二极管阵列排布。
9.根据权利要求8所述的光电探测器阵列，其特征在于，位于同一行和/或同一列的各所述单光子雪崩二极管中的非平面PN结的形状相同。
10.根据权利要求8所述的光电探测器阵列，其特征在于，所有所述单光子雪崩二极管中的非平面PN结的形状均相同。
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