CN115911183A - 一种雪崩光电二极管器件及其制备方法 - Google Patents

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徐航
杨雅芬
朱颢
张卫
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Fudan University
Hubei Jiangcheng Laboratory
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Fudan University
Hubei Jiangcheng Laboratory
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Abstract

本发明公开一种雪崩光电二极管器件及其制备方法。该雪崩光电二极管器件包括：硅衬底；在硅衬底中形成有倒分布的深P阱，在其上方形成有P‑区；在P‑区上部的一侧形成P+区，在P‑区上部的另一侧形成有N+区，以及邻接N+区且位于P+区和N+区间的P区；源极和漏极，分别形成在硅衬底的P+区和N+区上方，并与之相接触；氧化层，覆盖源极和漏极外的硅衬底表面。与CMOS工艺兼容，可检测低强度光，适用于ToF测距传感器。

Description

一种雪崩光电二极管器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种雪崩光电二极管器件及其制备方法。
背景技术
在自动驾驶汽车等需要精确捕获和处理信息数据的系统中，深度信息的获取是必不可少的。传统的二维成像技术已经不能满足快速发展的自动驾驶系统的要求，而三维图像不仅可以提供二维图像平面上的强度信息，还可以提供深度方向上的距离信息。
飞行时间(time-of-flight,ToF)测量方法是指通过测量粒子或波飞行一段距离所需的时间，从而理解粒子或波的某些性质。ToF可分为直接法(D-ToF)和间接法(I-ToF)。在D-ToF测量中，通常需要一个雪崩光电二极管(APD)来接收反射光。而在I-ToF测量系统中通常需要一个光电二极管(PD)模块来接收反射光，通过发射光与反射光的相位差来测量范围。但PD的响应度较低，因此检测距离相对较短。此外，PD不稳定的光电流(反射光)也降低了ToF测量的准确性。
APD是一种光电转换装置，它利用载流子的雪崩倍增效应来改善光电流信号，提高检测的灵敏度。当耗尽区电场足够大时，光生载流子被加速到非常高的速度，并在传输过程中与晶格中的原子发生碰撞。这将产生额外的电子-空穴对，这些电子-空穴对也被加速，导致新的碰撞，因此，产生更多的电子-空穴对。
APD通常采用二维平面结构，将离子注入衬底形成p-n结。在这种结构中，由于曲率效应，p-n结边缘存在较大的电场，进而导致边缘击穿，降低了APD的稳定性。
发明内容
本发明提出了一种现有硅工艺相兼容，应用于I-ToF模块的线性模式雪崩光电二极管结构(APD)，该结构具有具有高响应和低击穿电压的特点，结构简单、精度高，可检测低强度光，适合先进的成像和传感技术应用。
本发明的雪崩光电二极管器件包括：硅衬底；在硅衬底中形成有倒分布的深P阱，在其上方形成有P-区；在P-区上部的一侧形成P+区，在P-区上部的另一侧形成有N+区，以及邻接N+区且位于P+区和N+区间的P区；源极和漏极，分别形成在硅衬底的P+区和N+区上方，并与之相接触；氧化层，覆盖源极和漏极外的硅衬底表面。
本发明的雪崩光电二极管器件中，优选为，所述倒分布的深P阱的厚度为100nm～2000nm。
本发明的雪崩光电二极管器件中，优选为，所述P-区的掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1017cm-3。
本发明的雪崩光电二极管器件中，优选为，P+区的掺杂浓度为1.2×1019cm-3～4.2×1019cm-3，N+区的掺杂浓度为5×1019cm-3～9×1019cm-3。
本发明的雪崩光电二极管器件中，优选为，所述P区的掺杂浓度为5×1017cm-3～9×1017cm-3。
本发明还公开一种雪崩光电二极管器件制备方法包括以下步骤：在硅衬底中进行离子注入形成倒分布的深P阱；进行离子注入在倒分布的深P阱上方形成P-区；进行离子注入在P-区上部的一侧形成P+区；进行离子注入在P-区上部的另一侧形成N+区，进行离子注入在P+区和N+区之间，邻接N+区形成P区；在顶层硅表面覆盖氧化层；光刻定义源漏区域，刻蚀去除源漏区域上的氧化层，随后沉积金属电极，使之分别与硅衬底的P+区和N+区相接触。
本发明的雪崩光电二极管器件制备方法中，优选为，所述P-区的掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1017cm-3。
本发明的雪崩光电二极管器件制备方法中，优选为，P+区的掺杂浓度为1.2×1019cm-3～4.2×1019cm-3，N+区的掺杂浓度为5×1019cm-3～9×1019cm-3。
本发明的雪崩光电二极管器件制备方法中，优选为，所述P区的掺杂浓度为5×1017cm-3～9×1017cm-3。
本发明的雪崩光电二极管器件制备方法中，优选为，所述倒分布的深P阱的厚度为100nm～2000nm。
附图说明
图1是雪崩光电二极管器件制备方法的流程图。
图2是雪崩光电二极管器件的示意图。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
图1是雪崩光电二极管器件制备方法的流程图。如图1所示，雪崩光电二极管器件制备方法包括以下步骤：
步骤S1，在硅衬底100中，通过离子注入形成一个倒分布的深P阱(DPW)。DPW可以抑制光子在衬底中的扩散，减小损耗区体积，从而提高响应时间。
步骤S2，进行离子注入在倒分布的深P阱上方的硅衬底中形成掺杂浓度为1×1017cm-3的P-区。
步骤S3，进行离子注入，在硅衬底P-区上部的一侧形成高掺杂浅P+区，另一侧形成高掺杂浅N+区，掺杂浓度分别为2.7×1019cm-3和7.5×1019cm-3。然后在P+区和N+区之间且邻接N+区处离子注入形成掺杂浓度为7×1017cm-3的P区。
上述离子注入，P型掺杂剂主要包括硼等，N型掺杂剂主要包括磷，砷等。
步骤S4，随后在硅衬底100表面沉积氧化层101，以提高响应性，主要包括氧化硅等。
步骤S5，通过光刻定义源漏区域，将源漏区域上的氧化层刻蚀，随后沉积金属电极102,103，形成最终的器件，如图2所示。图2中示意性的标注了器件各部分的尺寸，P+区的长度L1为150nm，P+区和N+区的间距L2为200nm，器件整体长度L3为500nm，P区的长度L4为50nm。硅衬底的厚度W1为1000nm，P-阱区的厚度W2为200nm，倒分布的深P阱的厚度W3为100nm。
本发明通过离子注入形成一个倒分布的深P阱(DPW)和两个高掺杂浅区(P+和N+)，然后在N+区附近进行另一个P型注入，以缓解边缘击穿，确保雪崩倍增主要发生在PN+结。并且与CMOS工艺兼容，可检测低强度光，特别适用于ToF测距传感器。对APD施加略低于击穿电压的电压，能够确保了器件的高响应性和低响应时间，同时排除暗计数(出现在盖革模式下)对测距精度的影响。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，例如，P-区的掺杂浓度可以是5×1016cm-3～1×1017cm-3，P+区的掺杂浓度可以是1.2×1019cm-3～4.2×1019cm-3，N+区的掺杂浓度可以是5×1019cm-3～9×1019cm-3，P区的掺杂浓度可以是5×1017cm-3～9×1017cm-3，倒分布的深P阱的厚度可以是100nm～2000nm。此外，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种雪崩光电二极管器件，其特征在于，
包括：
硅衬底；
在硅衬底中形成有倒分布的深P阱，在其上方形成有P-区；
在P-区上部的一侧形成P+区，在P-区上部的另一侧形成有N+区，以及邻接N+区且位于P+区和N+区间的P区；
源极和漏极，分别形成在硅衬底的P+区和N+区上方，并与之相接触；
氧化层，覆盖源极和漏极外的硅衬底表面。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管器件，其特征在于，
所述倒分布的深P阱的厚度为100nm～2000nm。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管器件，其特征在于，
所述P-区的掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1017cm-3。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管器件，其特征在于，
P+区的掺杂浓度为1.2×1019cm-3～4.2×1019cm-3，N+区的掺杂浓度为5×1019cm-3～9×1019cm-3。
5.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管器件，其特征在于，
所述P区的掺杂浓度为5×1017cm-3～9×1017cm-3。
6.一种雪崩光电二极管器件制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
在硅衬底中进行离子注入形成倒分布的深P阱；
进行离子注入在倒分布的深P阱上方形成P-区；
进行离子注入在P-区上部的一侧形成P+区；
进行离子注入在P-区上部的另一侧形成N+区，
进行离子注入在P+区和N+区之间，邻接N+区形成P区；
在顶层硅表面覆盖氧化层；
光刻定义源漏区域，刻蚀去除源漏区域上的氧化层，随后沉积金属电极，使之分别与硅衬底的P+区和N+区相接触。
7.根据权利要求6所述的雪崩光电二极管器件制备方法，其特征在于，
所述P-区的掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1017cm-3。
8.根据权利要求6所述的雪崩光电二极管器件制备方法，其特征在于，
P+区的掺杂浓度为1.2×1019cm-3～4.2×1019cm-3，N+区的掺杂浓度为5×1019cm-3～9×1019cm-3。
9.根据权利要求6所述的雪崩光电二极管器件制备方法，其特征在于，
所述P区的掺杂浓度为5×1017cm-3～9×1017cm-3。
10.根据权利要求6所述的雪崩光电二极管器件制备方法，其特征在于，
所述倒分布的深P阱的厚度为100nm～2000nm。
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