CN115332384A - 单光子探测器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单光子探测器及其制作方法。所述制作方法中，在衬底正面形成第一电极后，移除所述衬底，再通过离子注入在外延层背面从所述外延层表面朝向所述外延层内部的第一预定深度内形成第二电极接触区，并形成与第二电极接触区电连接的第二电极。由于衬底被全部移除，外延层构成的基底层厚度均匀，外延层不同区域对光子的吸收能力以及光生载流子的传输距离较均匀，提升了单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性，并且，所述第二电极掺杂区的深度均匀且掺杂浓度容易控制和调节，使不同区域的第二电极的接触电阻均一，提升单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性和性能稳定性。所述单光子探测器可采用上述制作方法形成。

Description

单光子探测器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种单光子探测器及其制作方法。
背景技术
单光子雪崩二极管，简称SPAD(Single Photon Avalanche Diode)，是一种基于反向偏置电压超过PN结的击穿区来实现光电探测的固态光电探测器件。在单光子雪崩二极管中，PN结在高于击穿电压的电压下被反向偏置，在内部光电效应(当一种材料被光子撞击时，电子或另一种载流子的发射)的作用下，产生雪崩电流。利用单光子雪崩二极管可以检测到非常低的信号强度，例如低至单光子水平。基于单光子雪崩二极管的单光子探测器可用于高度敏感的光子捕获环境，例如在荧光寿命成像、3D成像等领域均有着广泛的应用。
目前基于半导体衬底形成的单光子雪崩二极管通常为垂直型二极管，即用于形成二极管的两个掺杂区沿衬底的垂向设置。对于垂直型二极管，其电极设置方式分为两种，一种是将二极管的两个电极都设置在衬底正面，另一种是将两个电极分别设置在衬底正面和背面。对于前一种设置方式，为了确保二极管的击穿主要发生在垂直方向，在衬底正面设置的两种电极接触区之间需要进行隔离或者留出足够的间距。但是，随着单光子探测器的发展，需要制作密度更大的像素阵列，在同样的窗口下需要对单个单光子雪崩二极管的面积进行微缩，而两个电极均设置在衬底正面的方式由于要保证两种电极接触区之间的间距，微缩难度大，相对而言，后一种设置方式(两个电极分别设置在衬底正面和背面)更容易实现密度更大的像素阵列。
然而，将两个电极分别设置在衬底正面和背面的方式，目前还存在器件性能不稳定的问题。
发明内容
参照图1，现有将两个电极分别设置在衬底正面和背面的单光子雪崩二极管通常采用重掺杂(如P型)的衬底10作为背面电极20的接触区，用于形成耗尽层31的二极管掺杂区(如P阱(PW)和N阱(NW))设置在衬底10正面一侧的外延层30中，但是，由于衬底10通过常规的研磨工艺进行了减薄，厚度均一性差(示例的，目标厚度为1μm，但实际厚度在1.6μm～0.4μm内变化)，导致背面电极20的接触电阻不均匀，而且，衬底10的厚度不均也会导致工作过程中不同区域的光生载流子扩散到耗尽层30的距离不一致，进而使得单光子雪崩二极管以及单光子探测器的均一性差，性能不稳定。
为了提高单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性和性能稳定性，本发明提供一种单光子探测器及其制作方法。
一方面，本发明提供一种单光子探测器的制作方法，包括：
提供半导体基底，所述半导体基底包括衬底和形成于所述衬底表面的外延层，所述外延层具有第一掺杂类型；
在所述外延层中形成彼此邻接的二极管掺杂区，并在所述外延层正面形成第一电极，所述第一电极与所述彼此邻接的二极管掺杂区中的一个二极管掺杂区电连接；
移除所述衬底；
对所述外延层的背面进行第一掺杂类型离子注入，以在所述外延层背面从所述外延层表面朝向所述外延层内部的第一预定深度内形成第二电极接触区；以及
在所述第二电极接触区形成第二电极，所述第二电极与所述第二电极接触区电连接。
可选的，移除所述衬底包括：
利用化学机械研磨减薄所述衬底，并保留部分厚度的所述衬底；以及
利用湿法蚀刻去除剩余的所述衬底，其中，所述衬底的第一掺杂类型浓度大于所述外延层的第一掺杂类型浓度，所述湿法蚀刻以所述外延层作为蚀刻停止层。
可选的，在形成所述第二电极之前，所述制作方法还包括：
从所述外延层背面刻蚀所述外延层，在所述二极管掺杂区的外围形成沟槽；
对所述沟槽的侧壁进行第一掺杂类型离子注入，以从所述沟槽的侧壁朝向所述外延层内部的第二预定深度内形成第一掺杂区；以及
在所述沟槽内填充隔离材料，形成沟槽隔离结构。
可选的，所述第一掺杂类型为P型；对所述沟槽的侧壁和对所述外延层的背面进行的第一掺杂类型离子注入为同步离子注入。
可选的，对所述沟槽的侧壁和对所述外延层的背面进行第一掺杂类型离子注入后，利用激光激活注入离子。
可选的，在所述第二电极接触区形成第二电极包括：
在所述第二电极接触区形成至少一个开口；
在所述第二电极接触区远离所述外延层正面的一侧沉积导电材料，所述导电材料填充所述开口并覆盖所述第二电极接触区；以及
对所述导电材料进行图形化处理，形成所述第二电极。
可选的，所述开口的深度小于所述第一预设深度。
一方面，本发明提供一种单光子探测器，所述单光子探测器包括至少一个单光子雪崩二极管，每个所述单光子雪崩二极管包括：
外延层，具有第一掺杂类型，且包括相对的正面和背面；
二极管掺杂区，形成于所述外延层中且彼此邻接；
第二电极接触区，形成于所述外延层的背面从所述外延层表面朝向所述外延层内部的第一预定深度内，所述第二电极接触区与所述外延层的离子掺杂类型相同且所述第二电极接触区的掺杂浓度大于所述外延层的掺杂浓度；以及
第一电极和第二电极，分别设置于所述外延层的正面和背面，所述第一电极与一个所述二极管掺杂区电连接，所述第二电极形成于所述第二电极接触区且与所述第二电极接触区电连接。
可选的，所述二极管掺杂区包括在所述外延层内垂向堆叠的第二掺杂类型阱和第一掺杂类型阱，所述第二掺杂类型阱从所述外延层内延伸至所述外延层的正面以与所述第一电极电连接，所述第一掺杂类型阱与所述第二掺杂类型阱远离所述第一电极的一侧邻接；所述第二电极接触区与所述第一掺杂类型阱之间的垂向间距大于0。
可选的，所述单光子探测器包括多个所述单光子雪崩二极管，相邻两个所述单光子雪崩二极管之间形成有沟槽隔离结构，所述沟槽隔离结构具有沿厚度方向贯穿所述外延层的沟槽，所述沟槽内填充隔离材料，并且，从所述沟槽的侧壁朝向所述外延层内部的第二预定深度内形成有第一掺杂区。
本发明提供的单光子探测器的制作方法具有如下技术效果：
(1)分别在所述外延层的正面和背面形成第一电极和第二电极，相对于电极都设置在一侧，减少了对正面面积的占用，便于单光子雪崩二极管进一步微缩，提升单光子探测器的像素密度；
(2)将第二电极形成在外延层背面，有助于使单光子雪崩二极管在微缩的同时保持较高的填充因子，避免器件的光子探测效率降低；
(3)将衬底全部移除使外延层构成的基底层厚度更均匀，不同区域的外延层对光子的吸收能力以及光生载流子从外延层的不同区域移动到耗尽层的传输时间更均匀，有助于提升器件的均一性和性能稳定性；
(4)所述第二电极接触区通过对外延层的背面进行第一掺杂类型离子注入形成，从而第二电极掺杂区的深度均匀且掺杂浓度容易控制和调节，使得第二电极的接触电阻可调且不同区域形成的第二电极的接触电阻一致，有利于提升单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性，提升它们的性能稳定性；
(5)用于形成第二电极接触区的第一掺杂类型离子注入可以和对沟槽隔离结构侧壁进行的第一掺杂类型离子注入同步进行，可以节约工序和成本。
本发明提供的单光子探测器采用采用外延层作为基底层，厚度更均匀，外延层的不同区域对光子的吸收能力以及光生载流子在外延层不同区域的传输距离更均匀，可以提升单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性，使性能稳定，并且，所述第二电极接触区通过对所述外延层的背面进行第一掺杂类型离子注入形成，所述第二电极掺杂区的深度较均匀且掺杂浓度容易控制和调节，使得在所述第二电极接触区形成第二电极后，第二电极的接触电阻可调且不同区域的第二电极的接触电阻一致且可调，有利于提升单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性，提升它们的性能稳定性。
附图说明
图1是一种现有光子雪崩二极管的剖面示意图。
图2是本发明实施例的单光子探测器的制作方法的流程示意图。
图3A至图3J是本发明实施例的单光子探测器的制作方法在多个步骤的剖面示意图。
附图标记说明：
10、110-衬底；20-背面电极；31-耗尽层；30、120-外延层；100-半导体基底；101-第一掺杂类型离子注入；121-第二掺杂类型阱；122-第一掺杂类型阱；123-第一电极接触区；124-沟槽；124a-P型掺杂区；125-第二电极接触区；126-沟槽隔离结构；127-开口；130-第一电极；140-第二电极；141-导电材料。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的单光子探测器及其制作方法作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。应当理解，说明书的附图均采用了非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明的是，下文中的术语“第一”、“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够不同于本文所述的或所示的其它顺序来操作。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是执行这些步骤的唯一顺序，一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其它步骤可被添加到该方法。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的结构被倒置或者以其它不同方式定位(如旋转)，示例性术语“在……上”也可以包括“在……下”和其它方位关系。
本发明实施例涉及一种单光子探测器的制作方法，参照图2，所述制作方法包括如下步骤：
S1：提供半导体基底，所述半导体基底包括衬底和形成于所述衬底表面的外延层，所述外延层具有第一掺杂类型；
S2：在所述外延层中形成彼此邻接的二极管掺杂区，并在所述外延层正面形成第一电极，所述第一电极与所述彼此邻接的二极管掺杂区中的一个二极管掺杂区电连接；
S3：移除所述衬底；
S4：对所述外延层的背面进行第一掺杂类型离子注入，以在所述外延层背面从所述外延层表面朝向所述外延层内部的第一预定深度内形成第二电极接触区；以及
S5：在所述第二电极接触区形成第二电极，所述第二电极与所述第二电极接触区电连接。
以下结合图3A至图3J对一实施例中的单光子探测器的制作方法作具体说明。
首先，参照图3A，进行上述步骤S1，得到半导体基底100。本实施例的半导体基底100中，所述衬底110例如为硅衬底，形成外延层120的一侧表面为所述硅衬底的正面，衬底110的背面与正面朝向相反。所述外延层120的背面指其朝向衬底110的一侧表面，外延层120的正面指其远离衬底110的一侧表面。
本实施例中，外延层120为在重掺杂的衬底110上生长的一层轻掺杂，可选的，衬底110具有第一掺杂类型重掺杂，例如为P型重掺杂(P+)，外延层120具有第一掺杂类型轻掺杂，例如为P型轻掺杂(P-)，衬底110的P型掺杂浓度大于外延层120的P型掺杂浓度。所述外延层120的P型掺杂浓度例如为5×1016/cm3以上且5×1018/cm3以下。衬底110的掺杂浓度例如为1×1019/cm3以上且1×1021/cm3以下。在其它实施例中，衬底110也可以包括其它材料。第一掺杂类型是N型(例如掺杂有磷P或砷As)时第二掺杂类型是P型(例如掺杂有硼B或二氟化硼BF2)，第一掺杂类型是P型时第二掺杂类型是N型，本发明以第一掺杂类型是P型、第二掺杂类型是N型进行举例说明，可以理解的是，第一掺杂类型是N型、第二掺杂类型是P型同样适用于本发明。
接着，参照图3B，进行上述步骤S2，在所述外延层120中形成彼此邻接的二极管掺杂区。所述彼此邻接的二极管掺杂区包括P型掺杂区和N型掺杂区，用以构造单光子雪崩二极管的PN结及耗尽层。每组彼此邻接的二极管掺杂区用于形成一个单光子雪崩二极管。本实施例中，在外延层120中可形成多组二极管掺杂区(作为示例，图3B中仅示出一组)，以形成多个单光子雪崩二极管，不同组的二极管掺杂区在外延层120内横向排布。
参照图3B，本实施例中，在外延层120中形成的二极管掺杂区包括在外延层120内垂向堆叠的第二掺杂类型阱121(本实施例为N阱)和第一掺杂类型阱122(本实施例为P阱)，所述第二掺杂类型阱121从外延层120内延伸至外延层120正面，第一掺杂类型阱122与第二掺杂类型阱121远离外延层120正面的一侧邻接。在另一些实施例中，第二掺杂类型阱和第一掺杂类型阱也可以不是垂向堆叠，二者也可以在外延层120内横向邻接(即二者的排布方向平行于外延层120正面)或者斜向邻接(即二者的排布方向与外延层正面成一锐角)或者层层包裹(即第一掺杂类型阱将第二掺杂类型阱包裹)。第二掺杂类型阱121和第一掺杂类型阱122可通过分别对外延层120的正面的相应区域进行相应的离子注入并激活注入离子形成。在所述外延层120中形成的彼此邻接的二极管掺杂区也可以采用其它掺杂方式，例如，在另一些实施例中，可以在外延层120中形成一第一掺杂类型阱，然后在该第一掺杂类型阱顶部形成第二掺杂类型重掺杂区，该第一掺杂类型阱和第二掺杂类型重掺杂区为相互邻接的二极管掺杂区。
参照图3B，步骤S2还在外延层120正面形成第一电极130，第一电极130与所述彼此邻接的二极管掺杂区中的一个所述二极管掺杂区电连接。本实施例中，第二掺杂类型阱121从外延层120内延伸至外延层120的正面，第一电极130与第二掺杂类型阱121电连接。对于不同组的二极管掺杂区，可以分别在外延层120正面形成相应的第二电极130。
可选的，在所述第二掺杂类型阱121内从所述第二掺杂类型阱121表面向所述第二掺杂类型阱121内部可形成有至少一个第一电极接触区123，所述第一电极接触区123为第二掺杂类型重掺杂(表示为N+)，上述第一电极130可通过第一电极接触区123与第二掺杂类型阱121电连接，以降低第一电极130的接触电阻。对于同一第二掺杂类型阱121，在其内部可形成一个或多个第一电极接触区123。第一电极接触区123可通过掩膜在第二掺杂类型阱121的相应区域进行离子注入并激活注入离子后形成。在形成第一电极130时，可先在外延层130上形成层间介质层(未示出)和贯穿所述层间介质层的通孔，使第一电极130通过填充所述层间介质层中的通孔与第一电极接触区123电连接。
然后，参照图3C，进行上述步骤S3，将衬底110移除。根据衬底110的厚度等条件，可选择适合的移除方法。本实施例中，在完成步骤S2后，衬底110的厚度在500μm以上，为了提高工艺效率，可以先采用化学机械研磨(CMP)从背面一侧减薄衬底110，并保留部分厚度的衬底110，然后进行湿法蚀刻将剩余的衬底110全部去除，其技术效果在于，一方面相对于全程采用湿法蚀刻的方式可以节约蚀刻溶液，缩短蚀刻时间，另一方面，通过保留适当厚度(例如大于5μm，更佳的，剩余厚度大于10μm)的衬底110改用湿法蚀刻去除，可以避免由于化学机械研磨形成的表面不平整导致部分外延层120被研磨，也可以避免剩余厚度太薄而导致湿法蚀刻对外延层120产生较明显的蚀刻。由于在移除衬底110时，衬底110的背面朝上，可选的，在对衬底110背面进行操作之前，根据需要，可以先在外延层120正面一侧形成保护层或者临时键合一支撑基板(图中未示出)。
本实施例中，利用衬底110的第一掺杂类型浓度大于外延层120的第一掺杂类型浓度这一浓度差异特征，在湿法蚀刻去除初次减薄后剩余的衬底110时，可以将外延层120作为蚀刻停止层。经过步骤S3，外延层120的背面被露出，并且由于移除衬底110的过程对外延层120的影响较小，外延层120的厚度较均匀。
接着，进行上述步骤S4，对所述外延层120的背面进行第一掺杂类型离子注入(本实施例为P型注入)，以在所述外延层120背面从所述外延层120表面朝向所述外延层120内部的第一预定深度内形成第二电极接触区125(参照图3F)。由于所述第二电极接触区125是在所述外延层120的基础上进行第一掺杂类型离子注入，因此，所述第二电极接触区125与所述外延层120的离子掺杂类型相同均为第一掺杂类型，且所述第二电极接触区125的掺杂浓度大于所述外延层120的掺杂浓度。
为了隔离相邻的单光子雪崩二极管，避免串扰，本实施例的单光子探测器的制作方法还在相邻单光子雪崩二极管之间形成沟槽隔离结构，并且，为了降低暗计数，还在沟槽隔离结构侧壁朝向所述外延层120内部的第二预定深度内形成第一掺杂区(具体为P型掺杂区)。为了节约工艺，第二电极接触区125可以与所述第一掺杂区同步形成，所述第一预定深度与所述第二预定深度可以相同也可以不同。
具体的，参照图3D，步骤S4包括如下过程：
首先，在外延层120背面进行光刻及刻蚀工艺，在所述二极管掺杂区的外围形成沟槽124，为了提高隔离效果，所述沟槽124为深沟槽(深度例如大于
Figure BDA0003825592500000091
)，并且可贯穿外延层120并将外延层120正面的层间介质层(图未示)暴露，从外延层120的背面来看，沟槽124的图案例如为网格状，每个网格内用于形成一个单光子雪崩二极管；
之后，参照图3E，对所述沟槽124的侧壁和外延层120的背面进行第一掺杂类型离子注入101，此处第一掺杂类型为P型，第一掺杂类型离子注入101为P型离子注入，该过程不需要采用掩模，并且在注入过程中可以根据需要调整离子注入的角度，示例的，在进行第一掺杂类型离子注入时，采用的注入能量为5keV～30keV，剂量为2×1015/cm2～3×1015/cm2；
之后，参照图3F，激活注入离子，在从沟槽124的侧壁朝向外延层120内部的第二预定深度内形成P型掺杂区124a，并在外延层120背面从外延层120表面朝向所述外延层120内部的第一预定深度内形成第二电极接触区125，为了避免整体加热对外延层120中已形成的上述二极管掺杂区的影响，可以采用激光激活方式激活注入离子；
之后，参照图3G，在所述沟槽124内填充隔离材料，形成沟槽隔离结构126，示例的，可以先在沟槽124的内表面沉积高k介电层(介电常数例如超过3.9，图未示)，然后再用较低介电常数的介质材料覆盖该高k介电层并填充沟槽124，所述高k介电层有助于吸收沟槽124附近的光生载流子，降低相邻单光子雪崩二极管之间的串扰。所述高k介电层可包括Al2O3、Ta2O5、ZrO2、LaO、Si3N4、TiO2或者其它适合的材料。覆盖在所述高k介电层上的介质材料优选具有阻光功能，例如可包括金属或多晶硅等。在所述沟槽124内填充所述隔离材料后，可以通过研磨或刻蚀等方法，将覆盖在外延层120背面的隔离材料去除。
然后，进行上述步骤S5，在第二电极接触区125形成第二电极140(参照图3J)，所述第二电极140与所述第二电极接触区125电连接。步骤S5具体可包括如下过程：
首先，在第二电极接触区125表面涂敷光刻胶，并进行曝光和显影，以定义出背面电极(即第二电极)与第二电极接触区125的接触位置；
之后，利用所述光刻胶作为掩模，刻蚀第二电极接触区125，在第二电极接触区125形成至少一个开口127，然后去除所述光刻胶，如图3H所示；
之后，参照图3I，在第二电极接触区125远离外延层120正面的一侧沉积导电材料141，所述导电材料141填充所述开口127并覆盖第二电极接触区125；
之后，参照图3J，对所述导电材料141进行图形化处理，形成第二电极140。
本实施例中，对应于每个单光子雪崩二极管，在第二电极接触区125可形成多个开口127，在平行于外延层120的截面上，多个所述开口127位于所述沟槽隔离结构126与对应的二极管掺杂区之间，以避免开口位置形成的第二电极140对进入到单光子雪崩二极管范围内的光线的影响。所述开口127的深度优选小于第二电极接触区125的深度，即，所述开口127的深度小于所述第一预设深度，这样，第二电极140的底面位于第二电极接触区125内，有助于降低第二电极140的接触电阻。
本实施例中，在第二电极接触区125远离外延层120正面的一侧沉积所述导电材料141时，先沿开口127的内表面以及开口127外的第二电极接触区125表面依次沉积一粘附层(如钛Ti)和一阻挡层(如氮化钛TiN)，然后再沉积金属材料(如铝)，所述金属材料覆盖所述阻挡层并填满开口127。所述粘附层用于提高所述金属材料与外延层120之间的粘附性，所述阻挡层用于阻挡金属离子渗入外延层120以及避免在一定温度下所述金属材料与外延层120发生反应。
参照图3J，对所述导电材料141进行图形化处理后，每个开口127区域的导电材料141被保留而作为第二电极140，根据外延层120背面的第二电极140的走线设置，在形成第二电极140的同时，还可以形成走线结构，所述走线结构用于选择性地将不同开口127处的第二电极140连接在一起。
在形成第二电极140之后，后续还可以进一步在第二电极140上沉积绝缘层并对所述绝缘层进行图形化，以露出部分第二电极140或者与第二电极140连接的走线结构以得到焊盘(pad)，所述第二电极140通过所述焊盘与外部电路连接。
本发明实施例描述的单光子探测器的制作方法在外延层120正面形成第一电极130后，移除衬底110，再通过离子注入在外延层120背面从所述外延层120表面朝向所述外延层120内部的第一预定深度内形成第二电极接触区125，并形成与第二电极接触区125电连接的第二电极140。由于衬底110被全部移除，剩余的外延层构成的基底层厚度均匀，且外延层的不同区域对光子的吸收能力以及光生载流子的传输距离较均匀，提升了单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性，使其性能稳定，并且，由于第二电极接触区125是在移除衬底110后采用离子注入形成，第二电极掺杂区125的深度均匀且掺杂浓度容易控制和调节，在形成第二电极140之后，不同区域的第二电极140的接触电阻均一，有利于提升单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性和性能稳定性。此外，第二电极接触区125可以和形成于从沟槽124侧壁朝向所述外延层120内部的第二预定深度内的P型掺杂区124a同步形成，可以节约成本和工序。
本发明实施例还涉及一种单光子探测器，其可以采用上述实施例描述的制作方法形成。参照图3J，所述单光子探测器包括至少一个单光子雪崩二极管，每个所述单光子雪崩二极管包括：
外延层120，具有第一掺杂类型，且包括相对的正面和背面；
二极管掺杂区，形成于所述外延层120中且彼此邻接；
第二电极接触区125，形成于所述外延层120的背面从所述外延层120表面朝向所述外延层120内部的第一预定深度内，所述第二电极接触区125与所述外延层120的离子掺杂类型相同且所述第二电极接触区125的掺杂浓度大于所述外延层120的掺杂浓度；以及
第一电极130和第二电极140，分别设置于所述外延层120的正面和背面，所述第一电极130与一个二极管掺杂区电连接，所述第二电极140形成于所述第二电极接触区125且与所述第二电极接触区125电连接。
所述单光子雪崩二极管可以利用在所述外延层120中形成的且彼此邻接的二极管掺杂区形成PN结，并在该PN结的界面两侧形成耗尽层，在反向偏置电压作用下，所述耗尽层变宽，在该PN结的击穿电压之上工作时，产生雪崩电流。示例的，所述第一掺杂类型为P型，第二掺杂类型为N型。
所述单光子探测器可包括多个所述单光子雪崩二极管，且相邻两个所述单光子雪崩二极管之间形成有沟槽隔离结构126，所述沟槽隔离结构126具有沿厚度方向贯穿所述外延层120的沟槽124，所述沟槽124内填充隔离材料，并且，从所述沟槽124的侧壁朝向所述外延层120内部的第二预定深度内形成有第一掺杂区(本实施例具体为P型掺杂区124a)。
可选的，在所述外延层120中形成的彼此邻接的二极管掺杂区包括在外延层120内垂向堆叠的第二掺杂类型阱121(本实施例为N阱，NW)和第一掺杂类型阱122(本实施例为P阱，PW)，所述第二掺杂类型阱121从外延层120内延伸至外延层120的正面以与所述第一电极130电连接，所述第一掺杂类型阱122与所述第二掺杂类型阱121远离所述第一电极130的一侧邻接；所述第二电极接触区125与所述第一掺杂类型阱122之间的垂向间距大于0。在一些实施例中，在第二掺杂类型阱121内可形成有第一电极接触区123，所述第一电极接触区123的第二掺杂类型浓度大于所述第二掺杂阱121的第二掺杂类型浓度，第一电极130通过第一电极接触区123与第二掺杂类型阱121电连接。
第二电极接触区125形成于外延层120的背面从外延层120表面朝向所述外延层120内部的第一预定深度内，第一预定深度约
Figure BDA0003825592500000131
第二电极接触区125可形成有开口127，第二电极140填充开口127。第二电极140可包括在开口127内表面以及开口127外的部分外延层120表面依次堆叠的粘附层(如钛Ti)、阻挡层(如氮化钛TiN)以及金属材料(如铝Al)。
本发明实施例的单光子探测器采用外延层120作为基底层，厚度更均匀，外延层120的不同区域对光子的吸收能力以及光生载流子在外延层不同区域的传输距离更均匀，可以提升单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性，使性能稳定，并且，第二电极接触区125在外延层120的背面形成，第二电极掺杂区125的深度均匀且掺杂浓度容易控制和调节，在形成第二电极140之后，不同区域的第二电极140的接触电阻一致且可调，有利于提升单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性和性能稳定性。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同和相似的部分互相参见即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种单光子探测器的制作方法，其特征在于，包括：
提供半导体基底，所述半导体基底包括衬底和形成于所述衬底表面的外延层，所述外延层具有第一掺杂类型；
在所述外延层中形成彼此邻接的二极管掺杂区，并在所述外延层正面形成第一电极，所述第一电极与所述彼此邻接的二极管掺杂区中的一个二极管掺杂区电连接；
移除所述衬底；
对所述外延层的背面进行第一掺杂类型离子注入，以在所述外延层背面从所述外延层表面朝向所述外延层内部的第一预定深度内形成第二电极接触区；以及
在所述第二电极接触区形成第二电极，所述第二电极与所述第二电极接触区电连接。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，移除所述衬底包括：
利用化学机械研磨减薄所述衬底，并保留部分厚度的所述衬底；以及
利用湿法蚀刻去除剩余的所述衬底，其中，所述衬底的第一掺杂类型浓度大于所述外延层的第一掺杂类型浓度，所述湿法蚀刻以所述外延层作为蚀刻停止层。
3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在形成所述第二电极之前，所述制作方法还包括：
从所述外延层背面刻蚀所述外延层，在所述二极管掺杂区的外围形成沟槽；
对所述沟槽的侧壁进行第一掺杂类型离子注入，以从所述沟槽的侧壁朝向所述外延层内部的第二预定深度内形成第一掺杂区；以及
在所述沟槽内填充隔离材料，形成沟槽隔离结构。
4.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述第一掺杂类型为P型；对所述沟槽的侧壁和对所述外延层的背面进行的第一掺杂类型离子注入为同步离子注入。
5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，对所述沟槽的侧壁和对所述外延层的背面进行第一掺杂类型离子注入后，利用激光激活注入离子。
6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述第二电极接触区形成第二电极包括：
在所述第二电极接触区形成至少一个开口；
在所述第二电极接触区远离所述外延层正面的一侧沉积导电材料，所述导电材料填充所述开口并覆盖所述第二电极接触区；以及
对所述导电材料进行图形化处理，形成所述第二电极。
7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述开口的深度小于所述第一预设深度。
8.一种单光子探测器，其特征在于，所述单光子探测器包括至少一个单光子雪崩二极管，每个所述单光子雪崩二极管包括：
外延层，具有第一掺杂类型，且包括相对的正面和背面；
二极管掺杂区，形成于所述外延层中且彼此邻接；
第二电极接触区，形成于所述外延层的背面从所述外延层表面朝向所述外延层内部的第一预定深度内，所述第二电极接触区与所述外延层的离子掺杂类型相同且所述第二电极接触区的掺杂浓度大于所述外延层的掺杂浓度；以及
第一电极和第二电极，分别设置于所述外延层的正面和背面，所述第一电极与一个所述二极管掺杂区电连接，所述第二电极形成于所述第二电极接触区且与所述第二电极接触区电连接。
9.如权利要求8所述的单光子探测器，其特征在于，所述二极管掺杂区包括在所述外延层内垂向堆叠的第二掺杂类型阱和第一掺杂类型阱，所述第二掺杂类型阱从所述外延层内延伸至所述外延层的正面以与所述第一电极电连接，所述第一掺杂类型阱与所述第二掺杂类型阱远离所述第一电极的一侧邻接；所述第二电极接触区与所述第一掺杂类型阱之间的垂向间距大于0。
10.如权利要求8所述的单光子探测器，其特征在于，所述单光子探测器包括多个所述单光子雪崩二极管，相邻两个所述单光子雪崩二极管之间形成有沟槽隔离结构，所述沟槽隔离结构具有沿厚度方向贯穿所述外延层的沟槽，所述沟槽内填充隔离材料，并且，从所述沟槽的侧壁朝向所述外延层内部的第二预定深度内形成有第一掺杂区。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10153310B2 (en) * 2016-07-18 2018-12-11 Omnivision Technologies, Inc. Stacked-chip backside-illuminated SPAD sensor with high fill-factor
FR3056019B1 (fr) * 2016-09-13 2018-10-12 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Photodiode de type spad
CN108475689B (zh) * 2016-10-18 2023-05-12 索尼半导体解决方案公司 传感器
CN110676333B (zh) * 2019-10-10 2021-05-11 中国电子科技集团公司第四十四研究所 一种单光子Si-APD探测器及其制造方法
CN111509075B (zh) * 2020-04-29 2022-03-29 武汉新芯集成电路制造有限公司 半导体器件及其制造方法
CN114631186A (zh) * 2020-09-27 2022-06-14 深圳市大疆创新科技有限公司 器件及其制备方法、接收芯片、测距装置、可移动平台
CN113690337B (zh) * 2021-09-13 2023-12-08 武汉新芯集成电路制造有限公司 单光子雪崩二极管及其制作方法、单光子雪崩二极管阵列
CN115332384A (zh) * 2022-08-31 2022-11-11 武汉新芯集成电路制造有限公司 单光子探测器及其制作方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024045364A1 (zh) * 2022-08-31 2024-03-07 武汉新芯集成电路制造有限公司 单光子探测器及其制作方法

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