CN115347072B - 双结型单光子雪崩二极管、光电探测器阵列 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及以雪崩模式工作的势垒技术领域，尤其涉及一种双结型单光子雪崩二极管、光电探测器阵列。双结型单光子雪崩二极管，所述双结型单光子雪崩二极管包括：设置在不同深度的第一雪崩结构和第二雪崩结构，所述第一雪崩结构和第二雪崩结构分别包括单独的耗尽层；各个耗尽层周边还单独设置有保护环结构，各个所述保护环结构的掺杂浓度使得第一雪崩结构和第二雪崩结构之间的电流密度增加幅度在第一预设阈值之内。本公开提供的单光子雪崩二极管能够避免两个雪崩结构之间电流密度增加的幅度超过第一预设阈值，减少了雪崩结构因为电流密度突然增大导致边缘击穿的概率，能够使得双结型单光子雪崩二极管的使用寿命增加和损耗率降低。
Description
技术领域
本公开涉及以雪崩模式工作的势垒技术领域，尤其涉及一种双结型单光子雪崩二极管、光电探测器阵列。
背景技术
单光子雪崩二极管（英文全称：Single Photon Avalanche Diode，英文缩写：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。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。
为了能够让SPAD能够探测到波长更长的入射光，一般会在同一SPAD内，在浅PN结的基础上增加一个深度更深的PN结，增加SPAD的吸收深度，使得SPAD能够探测到波长更长的入射光。
但是这种双结型SPAD存在PN结边缘易击穿的技术问题，当PN结边缘被击穿后，SPAD无法继续工作，因此现有技术中的双结型SPAD损耗率高，使用寿命较短。
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，本公开提供了一种双结型单光子雪崩二极管，损耗率更低，使用寿命更长。
第一方面，本公开提供了一种双结型单光子雪崩二极管，所述双结型单光子雪崩二极管包括：
设置在不同深度的第一雪崩结构和第二雪崩结构，所述第一雪崩结构和第二雪崩结构分别包括单独的耗尽层；
各个耗尽层周边还单独设置有保护环结构，各个所述保护环结构的掺杂浓度使得第一雪崩结构和第二雪崩结构之间的电流密度增加幅度在第一预设阈值之内。
可选的，所述第一预设阈值为1.5倍。
可选的，所述第一雪崩结构和第二雪崩结构的击穿电压的差值在第二预设阈值之内。
可选的，所述第二预设阈值为8伏特。
可选的，所述双结型单光子雪崩二极管包括：
第一类型衬底；
第二类型外延层，设置于所述第一类型衬底的一侧；
在所述第二类型外延层背离所述第一类型衬底的一侧形成凹坑，在凹坑内沿所述第一类型衬底指向所述第二类型外延层的方向依序设置有第二类型深轻掺杂层、第二类型深掺杂层、第二类型深重掺杂层、第一类型掺杂层、第一类型重掺杂层、第二类型浅轻掺杂层、第二类型浅掺杂层和第二类型浅重掺杂层；
其中，第二类型深掺杂层环绕第二类型深重掺杂层，第二类型深轻掺杂层环绕第二类型深掺杂层；第二类型浅掺杂层环绕第二类型浅重掺杂层，第二类型浅轻掺杂层环绕第二类型浅掺杂层；
其中，第一类型掺杂层位于第二类型浅轻掺杂层和第二类型深重掺杂层之间，并环绕第二类型浅轻掺杂层，第一类型重掺杂层位于第二类型浅轻掺杂层和第一类型掺杂层的交界内被第二类型浅轻掺杂层和第一类型掺杂层环绕；
其中，第二类型浅掺杂层、第二类型浅轻掺杂层和第一类型重掺杂层构成第一雪崩结构，第二类型浅轻掺杂层和第一类型重掺杂层构成第一雪崩结构的耗尽层；第一类型重掺杂层、第一类型掺杂层和第二类型深重掺杂层构成第二雪崩结构，第一类型掺杂层和第二类型深重掺杂层构成第二雪崩结构的耗尽层；
其中，第一类型重掺杂层环周的第二类型浅轻掺杂层形成第一保护环结构，第二类型深重掺杂层环周的第二类型深掺杂层形成第二保护环结构；
其中，第一类型和第二类型分别为电子型和空穴型中的一种。
可选的，所述第一类型为空穴型，第二类型为电子型，所述双结型单光子雪崩二极管还包括第一阳极、第二阳极、阴极和衬底电极，所述第一阳极与第二类型浅重掺杂层接触，所述阴极与包围所述第二类型浅轻掺杂层的第一类型掺杂层在相对两侧电接触，所述第二阳极与第二类型外延层在相对两侧电接触，所述衬底电极与第一类型衬底电接触。
可选的，第一阳极、第二阳极、衬底电极接于同一对外端口。
可选的，所述第一雪崩结构的深度在1-2μm。
可选的，所述第二雪崩结构的深度在3μm。
第二方面，本公开提供了一种光电探测器阵列，包括第一方面任一项所述的双结型单光子雪崩二极管。
本公开提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本公开提供的双结型单光子雪崩二极管具有深度不同的第一雪崩结构和第二雪崩结构，每个雪崩结构的耗尽层周边还单独设置有保护环结构，而且各个保护环结构的掺杂浓度可以单独调节，通过调节各个保护环结构的掺杂浓度使得第一雪崩结构和第二雪崩结构之间的电流密度增加幅度在第一预设阈值之内。由于双结型单光子雪崩二极管具有深度不同的两个雪崩结构，在深、浅两个雪崩结构之间会出现电流密度突然增大的现象，因此设置保护环结构时不能仅仅从降低雪崩结构边沿处的电场强度去考虑。本公开通过给两个雪崩结构设置单独的保护环结构，并且控制各个保护环结构的掺杂浓度使得第一雪崩结构和第二雪崩结构之间的电流密度增加幅度在第一预设阈值之内，避免由于深、浅两个雪崩结构之间出现电流密度突然增大的情况，减少了雪崩结构因为电流密度突然增大导致边缘击穿的概率，增加了双结型单光子雪崩二极管使用寿命，降低了双结型单光子雪崩二极管的损耗率。
附图说明
图1为本公开实施例提供的双结型单光子雪崩二极管的结构示意图；
图2为本公开实施例提供的双结型单光子雪崩二极管的一种掺杂浓度分布示意图；
图3为本公开实施例提供的双结型单光子雪崩二极管的一种I-V曲线图。
其中，1、双结型单光子雪崩二极管；101、第一类型衬底；102、第二类型外延层；103、第二类型深轻掺杂层；104、第二类型深掺杂层；105、第二类型深重掺杂层；106、第一类型掺杂层；107、第一类型重掺杂层；108、第二类型浅轻掺杂层；109、第二类型浅掺杂层；110、第二类型浅重掺杂层；111、第一阳极；112、第二阳极；113、阴极。
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。
图1为本公开实施例提供的双结型单光子雪崩二极管的结构示意图。如图1所示，本公开提供了一种双结型单光子雪崩二极管1，所述双结型单光子雪崩二极管1包括：
第一类型衬底101；
第二类型外延层102，设置于所述第一类型衬底101的一侧；
在所述第二类型外延层102背离所述第一类型衬底101的一侧形成凹坑，在凹坑内沿所述第一类型衬底101指向所述第二类型外延层102的方向依序设置有第二类型深轻掺杂层103、第二类型深掺杂层104、第二类型深重掺杂层105、第一类型掺杂层106、第一类型重掺杂层107、第二类型浅轻掺杂层108、第二类型浅掺杂层109和第二类型浅重掺杂层110；
其中，第二类型深掺杂层104环绕第二类型深重掺杂层105，第二类型深轻掺杂层103环绕第二类型深掺杂层104；第二类型浅掺杂层109环绕第二类型浅重掺杂层110，第二类型浅轻掺杂层108环绕第二类型浅掺杂层109；
其中，第一类型掺杂层106位于第二类型浅轻掺杂层108和第二类型深重掺杂层105之间，并环绕第二类型浅轻掺杂层108，第一类型重掺杂层107位于第二类型浅轻掺杂层108和第一类型掺杂层106的交界内被第二类型浅轻掺杂层108和第一类型掺杂层106环绕；
其中，第二类型浅掺杂层109、第二类型浅轻掺杂层108和第一类型重掺杂层107构成第一雪崩结构，第二类型浅轻掺杂层108和第一类型重掺杂层107构成第一雪崩结构的耗尽层；第一类型重掺杂层107、第一类型掺杂层106和第二类型深重掺杂层105构成第二雪崩结构，第一类型掺杂层106和第二类型深重掺杂层105构成第二雪崩结构的耗尽层；
其中，第一类型重掺杂层107环周的第二类型浅轻掺杂层108形成第一保护环结构，第二类型深重掺杂层105环周的第二类型深掺杂层104形成第二保护环结构；
其中，第一类型和第二类型分别为电子型和空穴型中的一种。
具体的，在本实施例中，所述第一雪崩结构和第二雪崩结构位于第二类型外延层102中深度不同的位置，其中第一雪崩结构的深度在1μm处，第二雪崩结构的深度在3μm处。在其他实施例中，所述第一雪崩结构可以在2μm处。应当知道的是，第一雪崩结构和第二雪崩结构设置的深度由工作人员根据单光子雪崩二极管所要吸收的光的波长去衡量设置，要吸收的光的波长越长，雪崩结构设置的深度就越深。例如对于420nm的短波长入射光，雪崩结构在1μm深度即可完全吸收，而对于850nm的长波长入射光，雪崩结构要在6μm以上的深度才可以完全吸收。雪崩结构的设置深度和对应吸收光的波长完全可以由工作人员通过有限次实验得到，在此不在赘述。
具体的，在本公开实施例中，本公开提供的双结型单光子雪崩二极管1对应于第一雪崩结构单独设置有第一保护环，对应于第二雪崩结构单独设置有第二保护环。
由于在深、浅两个雪崩结构之间，即第一雪崩结构和第二雪崩结构之间会出现电流密度突然增大的现象，因此设置保护环结构时不能简单的仅仅从降低雪崩结构边沿处的电场强度去考虑。
本公开通过独立设置对应于第一雪崩结构和第二雪崩结构的保护环，而且各个保护环的掺杂浓度根据第一雪崩结构和第二雪崩结构之间增加的电流密度进行调节，使得第一雪崩结构和第二雪崩结构之间增加的电流密度保持在第一预设阈值之内，在本实施例中，所述第一预设阈值为1.5倍。
具体的，在本公开实施例中，所述重掺杂层的掺杂浓度比掺杂层的掺杂浓度高，所述掺杂层的掺杂浓度比轻掺杂层的掺杂浓度高。
图2为本公开实施例提供的双结型单光子雪崩二极管的一种掺杂浓度分布示意图，参照图2所示，其中图2横坐标代表双结型单光子雪崩二极管的深度，所述深度指的是由第二类型外延层102的最外侧中心指向第一类型衬底101的方向上的竖直距离，其中图2纵坐标代表的是掺杂浓度。本公开提供的双结型单光子雪崩二极管1的中心截面的掺杂浓度可以如图2中所示进行设置。
应当知道的是，保护环的掺杂浓度应当与保护环接触的雪崩结构部分形成浓度梯度。保护环的掺杂浓度需要工作人员通过有限次的实验，根据第一雪崩结构和第二雪崩结构之间的电流密度的增加幅度进行调节确定。
具体的，在本公开实施例中，所述第一雪崩结构和第二雪崩结构的击穿电压的差值在第二预设阈值之内，所述第二预设阈值为8伏特。在本优选的实施例中，基于本公开提供的双结型单光子雪崩二极管1的具体结构，可以实现通过调节第一类型重掺杂层107与第二类型深重掺杂层105的掺杂浓度，使得第一雪崩结构和第二雪崩结构的耗尽层的掺杂浓度接近。因此本公开提供的双结型单光子雪崩二极管1的第一雪崩结构的击穿电压为27伏特，第二雪崩结构的击穿电压为25伏特，在本优选的实施例中第一雪崩结构和第二雪崩结构之间击穿电压的差值仅为2伏特。
由于第一雪崩结构和第二雪崩结构的击穿电压相近，因此仅需要较小的过偏压，就可使得第一雪崩结构和第二雪崩结构均工作在饱和状态。所述过偏压即为第一雪崩结构和第二雪崩结构之间击穿电压的差值。
同时，本公开提供的双结型单光子雪崩二极管1过偏压较小，能够降低对应于双结型单光子雪崩二极管1的淬灭电路的设计难度，并且能够减少淬灭电路中使用的淬灭电阻的阻值。
具体的，所述第一类型为空穴型，第二类型为电子型，所述双结型单光子雪崩二极管1还包括第一阳极111、第二阳极112、阴极113和衬底电极，所述第一阳极111与第二类型浅重掺杂层110接触，所述阴极113与包围所述第二类型浅轻掺杂层108的第一类型掺杂层106在相对两侧电接触，所述第二阳极112与第二类型外延层102在相对两侧电接触，所述衬底电极与第一类型衬底101电接触。所述衬底电极在图中未示出。
具体的，由于第一雪崩结构和第二雪崩结构之间击穿电压的差值在第二预设阈值以内，因此在本公开实施例中，第一阳极111、第二阳极112、衬底电极可以接于同一对外端口，可以通过该对外接口直接向第一阳极111、第二阳极112、衬底电极接入淬灭电路。由于第一阳极111和第二阳极112都接入同一淬灭电路，可以防止由于淬灭电路不同导致淬灭时间不一，进而能够减少由于淬灭时间不一产生的死时间。
图3为本公开实施例提供的双结型单光子雪崩二极管的一种I-V曲线图。图3中，由正方形节点标注的线段代表阴极的I-V曲线，由圆形节点标注的线段代表第一阳极的I-V曲线，由上三角形节点标注的线段代表第二阳极的I-V曲线，由下三角形节点标注的线段代表衬底电极的I-V曲线。
参照图3所示，示出了向阴极113施加不同电压时第一阳极111、第二阳极112以及衬底电极的电流变化。如图3所示，在向阴极113施加25伏特的电压时，第二阳极112上的电流出现拐点，证明了第二雪崩结构已经被击穿。在向阴极113施加至27伏特的电压时，第一阳极111上的电流出现了拐点，证明了第一雪崩结构已经被击穿。在向阴极113施加33伏特的电压时，衬底电极上的电流才出现拐点，说明在向阴极113施加33伏特的电压前，本技术方案所设计的双结型单光子雪崩二极管1的保护环结构能够很好的防止第一雪崩结构或第二雪崩结构产生边缘击穿。
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种光电探测器阵列，该光电探测器阵列包括上述实施方式中的任一种双结型单光子雪崩二极管1。
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 (9)
1.双结型单光子雪崩二极管，其特征在于，所述双结型单光子雪崩二极管包括：
设置在不同深度的第一雪崩结构和第二雪崩结构，所述第一雪崩结构和第二雪崩结构分别包括单独的耗尽层；
各个耗尽层周边还单独设置有保护环结构，各个所述保护环结构的掺杂浓度使得第一雪崩结构和第二雪崩结构之间的电流密度增加幅度在第一预设阈值之内；
所述双结型单光子雪崩二极管包括：
第一类型衬底；
第二类型外延层，设置于所述第一类型衬底的一侧；
在所述第二类型外延层背离所述第一类型衬底的一侧形成凹坑，在凹坑内沿所述第一类型衬底指向所述第二类型外延层的方向依序设置有第二类型深轻掺杂层、第二类型深掺杂层、第二类型深重掺杂层、第一类型掺杂层、第一类型重掺杂层、第二类型浅轻掺杂层、第二类型浅掺杂层和第二类型浅重掺杂层；
其中，第二类型深掺杂层环绕第二类型深重掺杂层，第二类型深轻掺杂层环绕第二类型深掺杂层；第二类型浅掺杂层环绕第二类型浅重掺杂层，第二类型浅轻掺杂层环绕第二类型浅掺杂层；
其中，第一类型掺杂层位于第二类型浅轻掺杂层和第二类型深重掺杂层之间，并环绕第二类型浅轻掺杂层，第一类型重掺杂层位于第二类型浅轻掺杂层和第一类型掺杂层的交界内被第二类型浅轻掺杂层和第一类型掺杂层环绕；
其中，第二类型浅掺杂层、第二类型浅轻掺杂层和第一类型重掺杂层构成第一雪崩结构，第二类型浅轻掺杂层和第一类型重掺杂层构成第一雪崩结构的耗尽层；第一类型重掺杂层、第一类型掺杂层和第二类型深重掺杂层构成第二雪崩结构，第一类型掺杂层和第二类型深重掺杂层构成第二雪崩结构的耗尽层；
其中，第一类型重掺杂层环周的第二类型浅轻掺杂层形成第一保护环结构，第二类型深重掺杂层环周的第二类型深掺杂层形成第二保护环结构；
其中，第一类型和第二类型分别为电子型和空穴型中的一种。
2.根据权利要求1所述的双结型单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一预设阈值为1.5倍。
3.根据权利要求1所述的双结型单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一雪崩结构和第二雪崩结构的击穿电压的差值在第二预设阈值之内。
4.根据权利要求3所述的双结型单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第二预设阈值为8伏特。
5.根据权利要求1所述的双结型单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一类型为空穴型，第二类型为电子型，所述双结型单光子雪崩二极管还包括第一阳极、第二阳极、阴极和衬底电极，所述第一阳极与第二类型浅重掺杂层接触，所述阴极与包围所述第二类型浅轻掺杂层的第一类型掺杂层在相对两侧电接触，所述第二阳极与第二类型外延层在相对两侧电接触，所述衬底电极与第一类型衬底电接触。
6.根据权利要求5所述的双结型单光子雪崩二极管，其特征在于，第一阳极、第二阳极、衬底电极接于同一对外端口。
7.根据权利要求1所述的双结型单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一雪崩结构的深度在1-2μm。
8.根据权利要求1所述的双结型单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第二雪崩结构的深度在3μm。
9.光电探测器阵列，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的双结型单光子雪崩二极管。
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