CN117059694B - 单光子雪崩二极管、制备方法、光电检测装置和电子设备 - Google Patents

单光子雪崩二极管、制备方法、光电检测装置和电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种单光子雪崩二极管、制备方法、光电检测装置及电子设备。所述单光子雪崩二极管包括：半导体基材，其内形成有半导体类型不同的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区与第二掺杂区相互接触形成第一PN结，所述第二掺杂区与所述半导体基材相互接触形成第二PN结；第一电极，与所述半导体基材连接；第二电极，与所述第二掺杂区连接；其中，所述第一电极和第二电极用于被施加反向偏置电压以在所述第一PN结形成第一雪崩区；以及第三电极，其设置在所述半导体基材上的位置位于所述第二掺杂区与所述半导体基材的边缘之间，用于被施加电压以调节所述第二PN结上形成的电场以提高了单光子雪崩二极管的整体性能。

Description

单光子雪崩二极管、制备方法、光电检测装置和电子设备
技术领域
本发明属于半导体光电探测技术领域，具体涉及一种单光子雪崩二极管、制备方法、光电检测装置和电子设备。
背景技术
单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)可实现对单个光子信号的快速探测，并且具有增益高、速度快、功耗低等优点，逐渐成为了单光子探测器件的主流。单光子雪崩二极管在军用、民用、商用等众多领域都有广泛应用，尤其是近红外微弱光探测领域，如激光雷达、光通信、天文测距、荧光成像等。
随着单光子雪崩二极管的应用越发广泛，对于单光子雪崩二极管的整体性能，有着越来越高的要求。
发明内容
有鉴于此，本说明书多个实施例致力于提供一种单光子雪崩二极管、制备方法、光电检测装置和电子设备，以一定程度上提高单光子雪崩二极管的整体性能。
第一方面，本说明书中多个实施例提供一种单光子雪崩二极管，其包括：半导体基材，其内形成有半导体类型不同的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区与第二掺杂区相互接触形成第一PN结，所述第二掺杂区与所述半导体基材相互接触形成第二PN结；第一电极，与所述半导体基材连接；第二电极，与所述第二掺杂区连接；其中，所述第一电极和第二电极用于被施加反向偏置电压以在所述第一PN结形成第一雪崩区；以及，第三电极，所述第三电极设置在所述半导体基材上的位置位于所述第二掺杂区与所述半导体基材的边缘之间，所述第三电极用于被施加电压以调节所述第二PN结上形成的电场。
第二方面，本说明书多个实施例提供了一种制备单光子雪崩二极管的方法，其包括：提供半导体基材；在所述半导体基材内形成第一掺杂区和第二掺杂区，其中，所述第一掺杂区位于所述第二掺杂区和所述半导体基材之间；所述第二掺杂区具有面向所述第一掺杂区的底面，所述底面与所述第一掺杂区接触的区域形成第一PN结，所述第二掺杂区与半导体基材相接触的区域形成第二PN结；设置与所述半导体基材连接的第一电极、与所述第二掺杂区连接的第二电极以及位于所述第二掺杂区与半导体基材边缘之间的第三电极，所述第一电极与第二电极被配置对所述第一PN结施加反向偏置电压以在所述第一PN结的至少部分区域内形成第一雪崩区，所述第三电极被配置为通过施加电压以调节所述第二PN结上的电场以使得所述第二PN结的至少部分区域内形成第二雪崩区。
第三方面，本说明书多个实施例提供了一种光电检测装置，包括如第一方面任一实现方式所述的单光子雪崩二极管，所述光电检测装置通过感测所述单光子雪崩二极管接收光信号对应出产生的电信号来获取相关信息。
第四方面，本说明书多个实施例提供了一种电子设备，包括第三方面所述光电检测装置，所述电子设备用于根据所述光电检测装置感测电信号获取的相关信息来执行相应的功能。
本说明书提供的多个实施例，通过对单光子雪崩二极管中设置第三电极，并可以根据实际需求利用第三电极对在半导体基材施加电场，通过调节电场的强度，可以提升单光子雪崩二极管的光子探测效率，或者，提升单光子雪崩二极管的信噪比，从而提高了单光子雪崩二极管的整体性能。
附图说明
附图是用来提供对说明书实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施例一起用于解释本说明，但并不构成对本说明书实施例的限制。在附图中。
图1为本说明书的一个实施例提供的电子设备的功能模块示意图。
图2为本说明书的一个实施例提供的光电检测装置的功能模块示意图。
图3为本说明书的一个实施例提供的单光子雪崩二极管的剖面结构的示意图。
图4为本说明书的一个实施例提供的单光子雪崩二极管的剖面结构的示意图。
图5为本说明书的一个实施例提供的单光子雪崩二极管的剖面结构的示意图。
图6为本说明书的一个实施例提供的单光子雪崩二极管的结构俯视示意图。
图7为本说明书的一个实施例提供的制备单光子雪崩二极管方法的流程示意图。
具体实施例
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，下面结合附图及具体实施例，对依据本发明提出的一种单光子雪崩二极管、制备方法、光电检测装置和电子设备进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施例详细说明中即可清楚地呈现，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是，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。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物品或者设备中还存在另外的相同要素。
请参阅图1。电子设备10包括光电检测装置100。所述光电检测装置100可以对检测范围内的外部对象进行检测，以获得外部对象的三维信息。所述检测范围可定义为光电检测装置100能够有效地进行三维信息检测的立体空间范围，也可以称之为光电检测装置100的视场角。所述三维信息例如为但不限于外部对象的接近信息、外部对象表面的深度信息、外部对象的距离信息及外部对象的空间坐标信息中的一种或多种。
所述电子设备10可以包括应用模块500，所述应用模块500被配置为根据所述光电检测装置100的检测结果执行预设的操作或实现相应的功能。例如但不限于：可以根据外部对象的接近信息判断是否有外部对象出现在电子设备10前方预设的检测范围内；或者，可以根据外部对象的距离信息控制电子设备10的运动进行避障；或者，可以根据外部对象表面的深度信息实现3D建模、人脸识别、机器视觉等。所述电子设备10还可以包括存储介质300，所述存储介质300可为所述光电检测装置100在运行过程中的存储需求提供支持，一个或多个处理器400执行以控制相关部件来实现对应的功能。
可选地，在一些实施例中，所述光电检测装置100可以为基于直接飞行时间(direct Time of Flight , dToF)原理进行三维信息感测的dToF测量装置。
在另外一些实施例中，所述光电检测装置100也可以为基于间接飞行时间(indirect Time of Flight , iToF)测量原理进行三维信息感测的iToF测量装置。所述iToF测量装置通过比较感测光束发射时与被反射回来接收时的相位差来获得外部对象的三维信息。
在本申请下面的实施例中，主要以所述光电检测装置100作为测量距离装置为例进行说明。
请参阅图2。所述光电检测装置100可以包括发射组件140、接收组件130以及处理模块110。发射组件140包括驱动器141、光源142和发射光学器件143。处理模块110可以耦接电子设备的处理器，发射组件140和接收组件130分别耦接处理模块110。
发射组件140被配置为向测量场景发射感测光信号以对测量场景内的外部对象进行三维检测。其中，部分感测光信号会被测量场景中的外部对象反射而返回，反射回来的感测光信号携带有所述外部对象的三维信息。而其中的一部分反射回来的感测光信号可以被所述接收组件130感测以用于获得外部对象的三维信息。
接收组件130被配置为感测来自测量场景的光信号并输出相应的光感应信号，通过分析所述光感应信号可实现对测量场景内的外部对象的距离检测。可以理解的是，接收组件130所感测的光信号可以为光子。例如，接收组件130感测的光子可以包括被测量场景中的外部对象反射回来的感测光信号的光子以及测量场景的环境光的光子。所述处理模块110被配置为分析处理所述光感应信号以获得感测光信号被接收组件130感测到的时刻，并根据所述感测光信号的发射时刻与反射回来被感测时刻的时间差异来获得所述外部对象的三维信息。
该接收组件130可以包括光电传感器132和接收光学器件131。可选地，光电传感器132可以包括单个感光像素或多个感光像素。感光像素用于接收来自测量场景的光信号并输出相应的光感应信号。一个感光像素包括至少一个光电探测器件。所述光电探测器件被配置为感测接收到的光信号并转换为相应的电信号作为所述光感应信号输出。所述光电探测器件可以是单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）。
该SPAD是一种固态光电探测器件，其工作电压在击穿电压以上，属于盖革模式下的雪崩光电二极管。不同于传统的光电探测器件，SPAD具有对于单个光子的分辨检测能力。单个光子入射便可能在一定概率下诱发SPAD产生雪崩行为，进而产生明显的雪崩电流，通过与读出电路相互配合，便可实现对光子的检测。在SPAD中，光子被吸收后产生的光生载流子会有一部分进入雪崩区产生雪崩电流，使得被吸收的光子数量，会影响光电探测效率。
综上所述，对于单光子雪崩二极管而言，如何提高该单光雪崩二极管的对于光子的探测效率，即在极微弱光照射到单光子雪崩二极管时也能产生雪崩电流，成为一个亟需解决的技术问题。
基于上述技术问题，本申请的一个实施例提供一种单光子雪崩二极管，包括：半导体基材，其内形成有半导体类型不同的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区与第二掺杂区相互接触形成第一PN结，所述第二掺杂区与所述半导体基材相互接触形成第二PN结；第一电极，与所述半导体基材连接；第二电极，与所述第二掺杂区连接；其中，所述第一电极和第二电极用于被施加反向偏置电压以在所述第一PN结形成第一雪崩区；以及第三电极，所述第三电极设置在所述半导体基材上的位置位于所述第二掺杂区与所述半导体基材的边缘之间，所述第三电极用于被施加电压以调节所述第二PN结上形成的电场，有助于提高单光子雪崩二极管的整体性能。
可选地，在一些实施例中，所述第二掺杂区具有面向所述第一掺杂区的底面，所述第一雪崩区形成在所述底面与所述第一掺杂区接触的区域，所述第二掺杂区具有与所述底面邻接的侧面，所述侧面与所述半导体基材相接触，所述第三电极被施加电压以调节所述侧面与所述半导体基材相接触部分的所述第二PN结上的电场，使得所述第二PN结内能够形成第二雪崩区以提升光电探测效率。
可选地，在一些实施例中，还包括：氧化物层，所述氧化物层设置于所述半导体基材形成有所述第二掺杂区的一侧表面；其中，所述第一电极贯穿所述氧化物层与所述半导体基材电连接，所述第二电极贯穿所述氧化物层与所述第二掺杂区电连接，所述第三电极设置于所述氧化物层远离所述半导体基材一侧的表面。
可选地，在一些实施例中，所述半导体基材内形成有深阱结构，所述深阱结构的半导体类型与所述半导体基材的半导体类型相同，所述深阱结构的掺杂浓度高于所述半导体基材的掺杂浓度，所述深阱结构为围绕所述第一掺杂区和第二掺杂区的环形结构，所述第一电极与所述深阱结构电连接。
可选地，在一些实施例中，所述深阱结构内还形成有第一重掺杂区，所述第一重掺杂区的半导体类型与所述半导体基材的半导体类型相同，所述第一重掺杂区的掺杂浓度高于所述半导体基材的掺杂浓度，所述第一电极电连接至所述第一重掺杂区。
可选地，在一些实施例中，所述第一掺杂区为P型半导体，所述第二掺杂区为N型半导体，所述半导体基材为P型半导体，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于所述半导体基材的掺杂浓度，所述第一电极用于被施加第一电压，所述第二电极用于被施加第二电压，所述第三电极用于被施加第三电压，其中，所述第一电压小于所述第二电压以在所述第一PN结上施加反向偏置电压形成所述第一雪崩区，所述第三电压小于或等于所述第一电压以调节所述第二PN结上的电场使得所述第二PN结上形成第二雪崩区来提升所述单光子雪崩二极管的光电探测效率。
可选地，在一些实施例中，所述第一掺杂区为N型半导体，所述第二掺杂区为P型半导体，所述半导体基材为N型半导体，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于所述半导体基材的掺杂浓度，所述第一电极用于被施加第一电压，所述第二电极用于被施加第二电压，所述第三电极用于被施加第三电压，其中，所述第一电压大于所述第二电压以在所述第一PN结上施加反向偏置电压形成所述第一雪崩区，所述第三电压大于或等于所述第一电压以调节所述第二PN结上的电场使得所述第二PN结上形成第二雪崩区来提升所述单光子雪崩二极管的光电探测效率。
可选地，在一些实施例中，所述第一掺杂区为P型半导体，所述第二掺杂区为N型半导体，所述半导体基材为P型半导体，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于所述半导体基材的掺杂浓度，所述第一电极用于被施加第一电压，所述第二电极用于被施加第二电压，所述第三电极用于被施加第三电压，其中，所述第一电压小于所述第二电压以在所述第一PN结上施加反向偏置电压形成所述第一雪崩区，所述第三电压大于所述第一电压以减少所述单光子雪崩二极管的暗计数。
可选地，在一些实施例中，所述第一掺杂区为N型半导体，所述第二掺杂区为P型半导体，所述半导体基材为N型半导体，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于所述半导体基材的掺杂浓度，所述第一电极用于被施加第一电压，所述第二电极用于被施加第二电压，所述第三电极用于被施加第三电压，其中，所述第一电压大于所述第二电压以在所述第一PN结上施加反向偏置电压形成所述第一雪崩区，所述第三电压小于所述第一电压以减少所述单光子雪崩二极管的暗计数。
本说明书主要是以基于雪崩效应的单光子雪崩二极管为例进行描述。
请参阅图3。本说明书的一个实施例提供一种单光子雪崩二极管200，单光子雪崩二极管200可以包括半导体衬底210、半导体外延层220、第一电极231、第二电极232、第三电极233，以及设置于所述半导体外延层220中具有不同半导体类型的第一掺杂区221和第二掺杂区222。
其中，该半导体衬底210可以是硅基衬底，也可以是锗基衬底，或者也可以是三五族衬底，如InP衬底。该半导体衬底210可以是高纯度衬底，也可以是掺杂衬底，如该半导体衬底210可以是通过掺杂形成的N型半导体衬底或P型半导体衬底。半导体衬底210的掺杂浓度可以有多种，如该半导体衬底210可以是掺杂浓度相对较低的轻掺杂半导体衬底（如P-半导体衬底，N-半导体衬底），也可以是掺杂浓度中等的中掺杂半导体衬底（如P半导体衬底，N半导体衬底），或者也可以是掺杂浓度相对较高的重掺杂半导体衬底（如P+半导体衬底，N+半导体衬底）。其中，+、-表示半导体衬底的掺杂浓度。
半导体外延层220可以形成在半导体衬底210上。半导体衬底210作为生长半导体外延层220的基底，半导体衬底210与在其上生长的半导体外延层220的晶格相匹配。例如，对于重掺杂的半导体衬底，可以在重掺杂层上再生长一层轻掺杂的外延层，使得该外延层和重掺杂层共同形成半导体衬底，所以应理解的是，半导体衬底210与其生长出来的外延层220之间没有严格的区别，可以统称为半导体衬底210或半导体基材260，作为半导体外延层220生长基础的基底与其生长外延层220一侧相背的表面，可视为整个半导体衬底210或半导体基材260的下表面201。生长出来的外延层220远离或背向基底的一侧表面，可视为整个半导体衬底210或半导体基材260的上表面202。
第一掺杂区221和第二掺杂区222可以形成在半导体衬底210或其半导体外延层220上。在一些实施例中，可以通过离子注入或者热扩散等方式将对应类型的杂质掺入半导体外延层220，以在半导体外延层220内部形成第一掺杂区221和第二掺杂区222。第二掺杂区222形成在半导体外延层220背向半导体衬底210的上表面202上，第一掺杂区221形成在第二掺杂区222面向半导体衬底210的表面，即第一掺杂区221位于第二掺杂区222与半导体衬底210之间。第一掺杂区221可以为N型掺杂区或P型掺杂区，第二掺杂区222可以对应为P型掺杂区或N型掺杂区，第一掺杂区221与第二掺杂区222具有不同的掺杂类型。在一些实施例中，第一掺杂区221的掺杂浓度大于半导体外延层220掺杂浓度，从而使第一掺杂区221的导电能力比半导体外延层220的导电能力大。
第一电极231与半导体外延层220连接，形成在半导体外延层220的上表面202上。第二电极232与第二掺杂区222连接，形成在半导体外延层220上表面202上形成有第二掺杂区222的位置。第三电极233设置在半导体外延层220背向半导体衬底210的上表面202上，第三电极233在半导体衬底210的上表面202上的位置位于第二掺杂区222与半导体外延层220的边缘之间。
半导体外延层220中位于半导体衬底210与第一掺杂区221之间的区域可作为吸光区224。光子进入吸光区224内存在一定概率被吸收并转换为光生电子和光生空穴以作为光生载流子。第一掺杂区221与第二掺杂区222相互接触形成第一PN结226，在其界面处的一定距离范围内形成耗尽层，通过在第一电极231和第二电极232对第一PN结226施加反向偏置电压，该反向偏置电压达到反向击穿电压时，在第一PN结226中电场强度满足一定范围的区域形成第一雪崩区227，光生载流子进入第一雪崩区227存在一定概率引发雪崩效应从而输出雪崩电流。
第二掺杂区222与半导体外延层220相接触形成第二PN结225。可选地，可通过第三电极233施加电压来调节第二PN结225上形成的电场，使得第二PN结225中部分区域的电场强度也能满足一定范围成为第二雪崩区228，由此可以增加单光子雪崩二极管200整体上的雪崩区的面积，提高光电探测的效率和灵敏度。
在一些实施例中，第二掺杂区222具有面向所述第一掺杂区221的底面2222和与该底面2222相邻的侧面2221。该侧面2221与半导体外延层220相接触的区域形成第二PN结225。
请参阅图4和图6。在一些实施例中，单光子雪崩二极管200还可以包括深阱结构223。所述深阱结构223形成在半导体衬底210或其半导体外延层220的上表面202设置有第一电极231的位置，并由所述上表面202向着半导体衬底210或其半导体外延层220的内部延伸预设的深度。深阱结构223和半导体外延层220掺杂有相同类型的杂质，从而使深阱结构223的半导体类型和半导体外延层220的半导体类型相同。具体的，例如，该杂质的类型可以是P类型杂质，也可以是N类型的杂质。所述深阱结构223的掺杂浓度高于与其接触的半导体外延层220的掺杂浓度。
深阱结构223可以为围绕所述第一掺杂区221和第二掺杂区222形成的环形结构。第一电极231与所述深阱结构223电连接，可以减少第一电极231的导通电阻。
第一电极231与深阱结构223相连接，第二电极232与第二掺杂区222相连接，第一电极231被施加第一电压，第二电极232被施加第二电压。通过设置深阱结构223、第一电极231、第二电极232，可以对第一PN结226两端施加反向偏置电压，当偏置电压超过一定阈值后，第一PN结226发生反向击穿形成第一雪崩区227。
请参阅图4。在一些实施例中，所述单光子雪崩二极管200还可以包括在所述深阱结构223内形成的一个或多个第一重掺杂区1。第一重掺杂区1的半导体类型与半导体外延层220和深阱结构223的半导体类型相同，可以是P型半导体或N型半导体。第一重掺杂区1的掺杂浓度比该深阱结构223的掺杂浓度高，同时也比半导体外延层220的掺杂浓度高。第一重掺杂区1的电子传导能力高于半导体外延层220的电子传导能力。具体的，例如，P型的第一重掺杂区1形成在P型的深阱结构内，可以围绕着整个第一掺杂区221和第二掺杂区222所形成的第一PN结226的环形区域。所述第一电极231可以由所述第一重掺杂区1内引出，以进一步减少第一电极231的导通电阻。具体的，例如，N型的第一重掺杂区1内引出的第一电极231可以作为单光子雪崩二极管200的阴极。或者，P型的第一重掺杂区1内引出的第一电极231可以作为单光子雪崩二极管200的阳极。
可选地，在一些实施例中，单光子雪崩二极管200还可以包括形成在第二掺杂区222上形成的一个或多个第二重掺杂区2，所述第二重掺杂区2具有与第二掺杂区222相同的半导体类型，比第二掺杂区222更高的掺杂浓度。具体的，例如，第二重掺杂区2为N型的重掺杂区，形成在N型的第二掺杂区222内。
可选地，所述第二重掺杂区2可以为围绕第二掺杂区222中心形成的环形区域。所述第二电极232可以由第二重掺杂区2内引出作为单光子雪崩二极管200上对应类型的电极，以进一步减少第二电极232的导通电阻。具体的，例如，P型的第二重掺杂区2内引出的第二电极232可以是作为单光子雪崩二极管200的阴极。或者，N型的第二重掺杂区2内引出的第二电极232可以作为单光子雪崩二极管200的阳极。
例如，第一掺杂区221为P型半导体，第二掺杂区222为N型半导体，半导体外延层220为P型半导体，光子进入吸光区224后，激发半导体外延层220中的P型半导体产生光生载流子。光生载流子从吸光区224进入第一PN结226中的第一雪崩区227，产生雪崩电流，完成光信号到电信号的转化，实现光电探测。
若半导体外延层220为P型半导体，则深阱结构223为掺杂浓度更高的P型半导体，深阱结构223中的空穴浓度大于半导体外延层220中的空穴浓度。若半导体外延层220为N型半导体，则深阱结构223为掺杂浓度更高的N型半导体，深阱结构223中的电子浓度大于半导体外延层220中的电子浓度。亦即，深阱结构223为与半导体外延层220相同类型的半导体结构，深阱结构223的掺杂浓度高于半导体外延层220的掺杂浓度，使得深阱结构223的载流子浓度较高。深阱结构223中较高的载流子浓度有助于电荷的传导和迁移，从而使得第一PN结226和第二PN结225在反向偏置电压下，较容易发生雪崩击穿，产生雪崩电流。
在一些实施例中，半导体外延层220和第一掺杂区221为P型半导体，第二掺杂区222为N型半导体，第一电极231被施加的第一电压小于第二电极232被施加的第二电压，以在第一PN结226上形成反向偏置电压，使吸光区224产生的光生电子流向第一雪崩区227。或者，在其他一些实施例中，半导体外延层220和第一掺杂区221为N型半导体，第二掺杂区222为P型半导体，此时，第一电极231被施加的第一电压大于第二电极232被施加的第二电压来在第一PN结226上形成反向偏置电压。
在一些实施例中，第三电极233用于被施加电压，以调节在第二PN结225处所形成电场的强度。第三电极233设置在半导体外延层220背对半导体衬底210的一侧。例如，第三电极233可以设置在半导体外延层220的上表面202。具体的，第三电极233在半导体外延层220上表面202的位置位于第二掺杂区222与半导体外延层220的边缘之间。可选地，第三电极233在半导体外延层220的上表面202的位置可以与第二掺杂区222形成在半导体外延层220上表面202上的位置相互邻接，亦即二者之间的边缘对齐。如此，第二掺杂区222的侧面2221与半导体外延层220接触而形成的第二PN结225处于第三电极233被施加第三电压所形成的电场内。如此，通过调节第三电极233的第三电压可以增强所述第二PN结225处的电场强度，以在侧面2221与半导体外延层220接触的部分形成第二雪崩区228。使得，单光子雪崩二极管200可以具有第一雪崩区227和第二雪崩区228，扩大了雪崩区的面积，能够一定程度上提升光电探测效率。
可选的，第一电极231被施加的第一电压小于第二电极232被施加的第二电压，第三电极233被施加的第三电压小于或等于第一电极231被施加的第一电压，以增强所述第二PN结225上的电场以形成第二雪崩区228，使得所述单光子雪崩二极管的光电探测效率得到提高。进一步的，在一些实施例中，第三电极233还可以与第一电极231电性连接。如此，第三电极233被施加的第三电压与第一电极231被施加的第一电压相同。
具体的，例如，半导体外延层220和第一掺杂区221均为P型半导体，第二掺杂区222为N型半导体。通过第一电极231向半导体外延层220和第一掺杂区221施加第一电压，通过第二电极232向第二掺杂区222施加第二电压。第一电压可以为0V，第二电压可以为20V。在工作状态下，在半导体外延层220中的吸光区224被吸收的光子转换成光生载流子，光生载流子可以通过扩散漂移等方式进入第一PN结226中的第一雪崩区227，产生雪崩电流。光生载流子漂移的方向会具有一定的随机性，会有一些光生载流子没有进入第一PN结226的第一雪崩区227，而直接从第二PN结225进入第二掺杂区222，在没有第三电极233来施加第三电压的情况下，第二PN结225处耗尽层的内建电场强度不足以使得经过的光生载流子引发雪崩。可选地，若通过第三电极233施加比第一电压更低的第三电压，例如：第三电压为-2V，增强了第二PN结225处的电场强度，可以使其足够让从第二PN结225经过的光生载流子引发雪崩。如此，在第二PN结225内形成了第二雪崩区228，即在第二掺杂区222与半导体外延层220相接触的区域也能形成雪崩区，增加了光生载流子引发雪崩的几率，从而提高了单光子雪崩二极管200的光电探测效率。
可选的，在一些实施例中，第一电极231被施加的第一电压大于第二电极232被施加的第二电压，并在第三电极233施加的第三电压大于或等于第一电压，以增强所述第二PN结225上的电场以形成第二雪崩区228，使得所述单光子雪崩二极管的光电探测效率得到提高。进一步的，在一些实施例中，第三电极233还可以与第一电极231电性连接。如此，第三电极被施加的第三电压与第一电极231被施加的第一电压相同。
具体的，例如，半导体外延层220和第一掺杂区221均为N型半导体，第二掺杂区222为P型半导体。假设，第一电极231向半导体外延层220和第一掺杂区221施加的第一电压可以为20V，第二电极232向第二掺杂区222施加的第二电压可以为0V。在工作状态下，在第一PN结226上形成反向偏置电压，并在第一掺杂区221和第二掺杂区222之间形成第一雪崩区227。在半导体外延层220中的吸光区224被吸收的光子转换成光生载流子，光生载流子可以通过扩散漂移等方式进入第一PN结226中的第一雪崩区227，产生雪崩电流。光生载流子漂移的方向会具有一定的随机性，会有一些光生载流子没有进入第一PN结226的第一雪崩区227，而直接从第二PN结225进入第二掺杂区222，在没有第三电极233来施加第三电压的情况下，第二PN结225处耗尽层的内建电场强度不足以使得经过的光生载流子引发雪崩。可选地，若通过第三电极233施加比第一电压更高的第三电压，例如：第三电压为26V，增强了第二PN结225处的电场强度，可以使其足够让从第二PN结225经过的光生载流子引发雪崩。如此，在第二PN结225内形成了第二雪崩区228，即在第二掺杂区222与半导体外延层220相接触的区域也能形成雪崩区，增加了光生载流子引发雪崩的几率，从而提高了单光子雪崩二极管200的光电探测效率。
在一些情况下，单光子雪崩二极管200在工作过程中会存在噪声信号。具体的，例如，单光子雪崩二极管200因材料和工艺等原因，使得半导体外延层220中会存在非光生载流子。这些非光生载流子在半导体外延层220中会处于一种随机的漂移状态。一旦非光生载流子进入第一雪崩区227会引发雪崩效应，此时会使得单光子雪崩二极管200的计数增加。这种由非光生载流子引发的计数增加被称为暗计数。因为暗计数的存在，会导致单光子雪崩二极管200测量结果的准确性降低，因此需要抑制暗计数。
由此，为了抑制暗计数，可以通过第三电极233施加电压来调节半导体外延层220中与第三电极233位置对应处的电势，从而可以降低从较高掺杂浓度的深阱结构223处产生的非光生载流子进入第一雪崩区227的概率，减少单光子雪崩二极管200的暗计数，提升单光子雪崩二极管200的信噪比。
可选的，可以通过设置第一电极231被施加的第一电压小于第二电极232被施加的第二电压，而第三电极233被施加的第三电压大于第一电极231被施加的第一电压来降低单光子雪崩二极管200的暗计数。进一步地，在一些实施例中，第三电极233也可以与第二电极232电性连接，第三电极233被施加的第三电压等于第二电极232被施加的第二电压。
具体的，例如，半导体外延层220和第一掺杂区221均为P型半导体，第二掺杂区222为N型半导体。第一电极231向半导体外延层220和第一掺杂区221施加的第一电压，第二电极232向第二掺杂区222施加的第二电压，第一电压小于第二电压以实现向第一PN结226施加反向偏置电压。此时，第三电极233被施加大于第一电压的第三电压，第三电压引入的电势分布不会加强第二PN结225的电场使其达到能够发生雪崩击穿的强度，反而使得非光生载流子由原来的随机漂移，变为在电场力的作用下有序运动。具体的，例如，第三电压在第三电极233处形成的电势高于第一电压在第一电极231处形成的电势，所以深阱结构223处因掺杂缺陷而可能形成的非光生载流子在第三电极233引入的电势作用下减少了向第一PN结226运动的可能性，从而减少了非光生载流子引发雪崩效应的情况，进而降低了暗计数，提升了单光子雪崩二极管200的信噪比。
可选的，可以通过设置第一电极231被施加的第一电压大于第二电极232被施加的第二电压，而第三电极233被施加的第三电压小于第一电极231被施加的第一电压来降低单光子雪崩二极管200的暗计数。进一步地，在一些实施例中，第三电极233也可以与第二电极232电性连接，第三电极233被施加的第三电压等于第二电极232被施加的第二电压。
具体的，例如，半导体外延层220和第一掺杂区221均为N型半导体，第二掺杂区222为P型半导体。第一电极231向半导体外延层220和第一掺杂区221施加的第一电压，第二电极232向第二掺杂区222施加的第二电压，第一电压小于第二电压以实现向第一PN结226施加反向偏置电压。第三电压形成的电势分布，不会加强第二PN结225的电场使其达到能够发生雪崩击穿的强度。反而使得原本在半导体外延层220中随机漂移的非光生载流子，运动轨迹会变得有一定的规律性。具体的，使得非光生载流子由原来的随机漂移，变为在电场力的作用下有序运动。所以深阱结构223处因掺杂缺陷而可能形成的非光生载流子在第三电极233引入的第三电压作用下减少了向第一PN结226运动的可能性，从而，减少了非光生载流子引发雪崩效应的情况，进而降低了暗计数。进而提升了单光子雪崩二极管200的信噪比。
请参阅图5，在一些实施例中，单光子雪崩二极管200还可以包括氧化物层240。该氧化物层240设置于半导体外延层220背向所述半导体衬底210的一侧。例如，氧化物层240可以设置于半导体外延层220的上表面202。
氧化物层240可以是绝缘层，如此，氧化物层240可以避免第一电极231与第二电极232之间发生短路。再者，通过设置氧化物层240可以一定程度上保护半导体外延层220和第二掺杂区222。
第一电极231从氧化物层240远离半导体基材260的一侧，贯穿所述氧化物层240，并与半导体基材260电连接。第二电极232从氧化物层240远离半导体基材260的一侧，贯穿所述氧化物层240，并与第二掺杂区222电连接。第三电极233可以设置于氧化物层240背向所述半导体基材260一侧的表面。
在一些实施例中，第三电极233的形状和尺寸，可以依照单光子雪崩二极管200的实际情况进行设置。
在此基础上，本说明书的一个实施例提供一种光电检测装置，其包括如上任一所述单光子雪崩二极管200，所述光电检测装置通过感测所述单光子雪崩二极管200接收光信号对应出产生的电信号来获取相关信息。例如，该光电检测装置可以包括发射组件、接收组件以及处理模块，发射组件向测量场景中发射感测光信号，接收组件包括所述单光子雪崩二极管以感测经外部对象反射回来的感测光信号并输出相应的电信号，处理模块通过处理分析输出的电信号以获得外部对象的距离信息。该光电检测装置可以包括阵列排布的多个单光子雪崩二极管。该光电检测装置可以为感测芯片或感测电路。例如，该光电感测装置可以为接近传感器、飞行时间（Time of Flight ，TOF）传感器、激光雷达等。
在此基础上，本说明书的一个实施例提供一种电子设备，其包括上所述的光电检测装置，所述电子设备用于根据所述光电检测装置感测电信号获取的相关信息来执行相应的功能。
所述相应功能包括但不限于识别使用者身份后解锁、支付、启动预设的应用程序、避障、识别使用者脸部表情后利用深度学习技术判断使用者的情绪和健康情况中的任一或多种。
该电子设备可以是消费性电子产品、居家式电子产品、智能移动工具、金融终端产品的合适类型的电子产品。其中，消费性电子产品可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、桌面显示器、电脑一体机等。家居式电子产品可以是智能门锁、电视、冰箱、穿戴式设备等。智能移动工具可以是汽车、机器人、无人送货小车等。金融终端产品可以是自动取款机、自助办理业务的终端等。
请参阅图7。本说明书的一个实施例提供一种制备上述单光子雪崩二极管的方法。所述方法包括如下步骤：
S120：提供半导体基材。
应理解的是，所述半导体基材可以包括半导体衬底及半导体外延层。其中，该半导体衬底可以是硅基衬底，也可以是锗基衬底，或者也可以是三五族衬底，如InP衬底。该半导体衬底可以是高纯度衬底，也可以是掺杂衬底，如该半导体衬底可以是通过掺杂形成的N型半导体衬底或P型半导体衬底。半导体衬底的掺杂浓度可以有多种，如该半导体衬底可以是掺杂浓度相对较低的轻掺杂半导体衬底（如P-半导体衬底，N-半导体衬底），也可以是掺杂浓度中等的中掺杂半导体衬底（如P半导体衬底，N半导体衬底），或者也可以是掺杂浓度相对较高的重掺杂半导体衬底（如P+半导体衬底，N+半导体衬底）。其中，+、-表示半导体衬底的掺杂浓度。
半导体外延层形成在半导体衬底上。半导体衬底作为生长半导体外延层的基底，半导体衬底与在其上生长的半导体外延层的晶格相匹配。例如，对于重掺杂的半导体衬底，可以在重掺杂层上再生长一层轻掺杂的外延层，使得该外延层和重掺杂层共同形成半导体衬底。由此，半导体衬底与其生长出来的外延层之间没有严格的区别，可以统称为半导体衬底或半导体基材，作为半导体外延层生长基础的基底与其生长外延层一侧相背的表面，可视为整个半导体衬底或半导体基材的下表面。生长出来的外延层远离或背向基底的一侧表面，可视为整个半导体衬底或半导体基材的上表面。
S130：在半导体基材内形成第一掺杂区和第二掺杂区；其中，第一掺杂区位于第二掺杂区和半导体基材之间，第二掺杂区具有面向第一掺杂区的底面，底面与第一掺杂区接触的区域形成第一PN结，所述第二掺杂区与半导体基材相接触的区域形成第二PN结。
S140：设置与所述半导体基材连接的第一电极、与第二掺杂区连接的第二电极以及位于所述第二掺杂区与半导体基材边缘之间的第三电极；其中，所述第一电极与第二电极被配置对所述第一PN结施加反向偏置电压以在所述第一PN结的至少部分区域内形成第一雪崩区，所述第三电极被配置为通过施加电压以调节所述第二PN结上的电场以使得所述第二PN结的至少部分区域内形成第二雪崩区。
可选地，在一些实施例中，所述第三电极可以与第一电极电连接。
可选地，在一些实施例中，所述第三电极可以与第二电极电连接。
可选地，在一些实施例中，在步骤S140之前，还包括步骤S134：在所述半导体基材形成有所述第二掺杂区的一侧表面上形成氧化物层；其中，所述第一电极贯穿所述氧化物层与所述半导体基材连接，所述第二电极贯穿所述氧化物层与所述第二掺杂区连接，所述第三电极设置于所述氧化物层背向半导体基材一侧的表面上。
在本实施例中，半导体衬底一般为硅半导体衬底。通过外延生长技术在硅半导体衬底上生长半导体外延层。通过离子注入技术，制备第一掺杂区和第二掺杂区。通过化学气相沉积法在半导体外延层远离半导体衬底的一侧沉积氧化物层。在氧化物层远离半导体外延层的一侧沉积第一电极，在第二电极和第三电极处，通过刻蚀氧化物层形成通孔，填充金属于通孔中，并在通孔上沉积第二电极和第三电极。半导体外延层、第一半导体、第二半导体可以为硅材料。氧化物层可以为氧化硅材料。电极可以为铜或铝或多晶硅。
以上所述，仅为本说明书的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本说明书揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本说明书的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种单光子雪崩二极管，其特征在于，包括：
半导体基材，其内形成有半导体类型不同的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区与第二掺杂区相互接触形成第一PN结，所述第二掺杂区与所述半导体基材相互接触形成第二PN结；
第一电极，与所述半导体基材连接；
第二电极，与所述第二掺杂区连接；
其中，所述第一电极和第二电极用于被施加反向偏置电压以在所述第一PN结形成第一雪崩区；以及
第三电极，所述第三电极设置在所述半导体基材上的位置位于所述第二掺杂区与所述半导体基材的边缘之间，所述第三电极用于被施加电压以调节所述第二PN结上形成的电场；
其中，所述第二掺杂区具有面向所述第一掺杂区的底面，所述第一雪崩区形成在所述底面与所述第一掺杂区接触的区域，所述第二掺杂区具有与所述底面邻接的侧面，所述侧面与所述半导体基材相接触，所述第三电极被施加电压以调节所述侧面与所述半导体基材相接触部分的所述第二PN结上的电场，使得所述第二PN结内能够形成第二雪崩区以提升光电探测效率。
2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，还包括：
氧化物层，所述氧化物层设置于所述半导体基材形成有所述第二掺杂区的一侧表面；
其中，所述第一电极贯穿所述氧化物层与所述半导体基材电连接，所述第二电极贯穿所述氧化物层与所述第二掺杂区电连接，所述第三电极设置于所述氧化物层远离所述半导体基材一侧的表面。
3.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述半导体基材内形成有深阱结构，所述深阱结构的半导体类型与所述半导体基材的半导体类型相同，所述深阱结构的掺杂浓度高于所述半导体基材的掺杂浓度，所述深阱结构为围绕所述第一掺杂区和第二掺杂区的环形结构，所述第一电极与所述深阱结构电连接。
4.根据权利要求3所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述深阱结构内还形成有第一重掺杂区，所述第一重掺杂区的半导体类型与所述半导体基材的半导体类型相同，所述第一重掺杂区的掺杂浓度高于所述半导体基材的掺杂浓度，所述第一电极电连接至所述第一重掺杂区。
5.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一掺杂区为P型半导体，所述第二掺杂区为N型半导体，所述半导体基材为P型半导体，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于所述半导体基材的掺杂浓度，所述第一电极用于被施加第一电压，所述第二电极用于被施加第二电压，所述第三电极用于被施加第三电压，其中，所述第一电压小于所述第二电压以在所述第一PN结上施加反向偏置电压形成所述第一雪崩区，所述第三电压小于或等于所述第一电压以调节所述第二PN结上的电场使得所述第二PN结上形成第二雪崩区来提升所述单光子雪崩二极管的光电探测效率。
6.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一掺杂区为N型半导体，所述第二掺杂区为P型半导体，所述半导体基材为N型半导体，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于所述半导体基材的掺杂浓度，所述第一电极用于被施加第一电压，所述第二电极用于被施加第二电压，所述第三电极用于被施加第三电压，其中，所述第一电压大于所述第二电压以在所述第一PN结上施加反向偏置电压形成所述第一雪崩区，所述第三电压大于或等于所述第一电压以调节所述第二PN结上的电场使得所述第二PN结上形成第二雪崩区来提升所述单光子雪崩二极管的光电探测效率。
7.根据权利要求1中所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一掺杂区为P型半导体，所述第二掺杂区为N型半导体，所述半导体基材为P型半导体，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于所述半导体基材的掺杂浓度，所述第一电极用于被施加第一电压，所述第二电极用于被施加第二电压，所述第三电极用于被施加第三电压，其中，所述第一电压小于所述第二电压以在所述第一PN结上施加反向偏置电压形成所述第一雪崩区，所述第三电压大于所述第一电压以减少所述单光子雪崩二极管的暗计数。
8.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一掺杂区为N型半导体，所述第二掺杂区为P型半导体，所述半导体基材为N型半导体，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于所述半导体基材的掺杂浓度，所述第一电极用于被施加第一电压，所述第二电极用于被施加第二电压，所述第三电极用于被施加第三电压，其中，所述第一电压大于所述第二电压以在所述第一PN结上施加反向偏置电压形成所述第一雪崩区，所述第三电压小于所述第一电压以减少所述单光子雪崩二极管的暗计数。
9.一种制备单光子雪崩二极管的方法，其特征在于，包括：
提供半导体基材；
在所述半导体基材内形成第一掺杂区和第二掺杂区，其中，所述第一掺杂区位于所述第二掺杂区和所述半导体基材之间；所述第二掺杂区具有面向所述第一掺杂区的底面，所述底面与所述第一掺杂区接触的区域形成第一PN结，所述第二掺杂区与半导体基材相接触的区域形成第二PN结；
设置与所述半导体基材连接的第一电极、与所述第二掺杂区连接的第二电极以及位于所述第二掺杂区与半导体基材边缘之间的第三电极，所述第一电极与第二电极被配置对所述第一PN结施加反向偏置电压以在所述第一PN结的至少部分区域内形成第一雪崩区，所述第三电极被配置为通过施加电压以调节所述第二PN结上的电场以使得所述第二PN结的至少部分区域内形成第二雪崩区。
10.一种光电检测装置，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一所述单光子雪崩二极管，所述光电检测装置通过感测所述单光子雪崩二极管接收光信号对应出产生的电信号来获取相关信息。
11.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求10所述光电检测装置，所述电子设备用于根据所述光电检测装置感测电信号获取的相关信息来执行相应的功能。
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