CN117239000A - 一种雪崩光电二极管及其制作方法、单光子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种雪崩光电二极管及其制作方法、单光子探测器，涉及光电技术领域，所述雪崩光电二极管包括衬底、第一掺杂半导体层、第二掺杂半导体层、第一载流子注入结构和第二载流子注入结构；第一掺杂半导体层形成在衬底上，第一载流子注入结构和第二掺杂半导体层均形成在第一掺杂半导体层的表面，第二载流子注入结构形成在第二掺杂半导体层的表面，第一掺杂半导体层的掺杂类型和第二掺杂半导体层的掺杂类型不同。所述雪崩光电二极管可以提高雪崩光电二极管的光子探测波长，保证雪崩光电二极管的光子探测效率比较高，且具有较强的光谱响应度。

Description

一种雪崩光电二极管及其制作方法、单光子探测器

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种雪崩光电二极管及其制作方法、单光子探测器。

背景技术

雪崩光电二极管是一种利用半导体结构中载流子的碰撞电离和渡越时间两种物理效应而产生负阻的固体微波器件，其可以与互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS）技术集成，应用光学成像领域。

在相关技术中，基于传统硅基CMOS工艺制作的单光子雪崩光电二极管探测器的光子探测效率不高，存在噪声高等缺点。对雪崩光电二极管进行改良后，虽然单光子雪崩光电二极管探测器的光子探测效率和光谱响应有所提高，但是单光子雪崩光电二极管探测器对于近红外光的探测效果仍不佳。

发明内容

根据本公开的一方面，提供了一种雪崩光电二极管，包括：衬底、第一掺杂半导体层、第二掺杂半导体层、第一载流子注入结构和第二载流子注入结构；

所述第一掺杂半导体层形成在所述衬底上，所述第一载流子注入结构和所述第二掺杂半导体层均形成在所述第一掺杂半导体层背离所述衬底的表面，所述第二载流子注入结构形成在所述第二掺杂半导体层背离所述第一掺杂半导体层的表面，所述第一掺杂半导体层的掺杂类型和所述第二掺杂半导体层的掺杂类型不同。

根据本公开的另一方面，提供了一种雪崩光电二极管的制作方法，包括：

提供一衬底；

在所述衬底表面形成第一掺杂半导体层；

在所述第一掺杂半导体层背离所述衬底的表面形成第一载流子注入结构、第二掺杂半导体层，以及位于所述第二掺杂半导体层背离第一掺杂半导体层表面的第二载流子注入结构，所述第一掺杂半导体层的掺杂类型和所述第二掺杂半导体层的掺杂类型不同。

根据本公开的另一方面，提供了一种单光子探测器，包括本公开示例性实施例所述雪崩光电二极管。

本公开示例性实施例中提供的一个或多个技术方案中，第二掺杂半导体层形成在第一掺杂半导体层背离衬底的表面，而第二载流子注入结构形成在第二掺杂半导体层背离第一掺杂半导体层的表面，且第一掺杂半导体层的掺杂类型和第二掺杂半导体层的掺杂类型不同。此时，第一掺杂半导体层和第二掺杂半导体层之间可以形成PN结，而在相关技术中雪崩光电二极管包括的第一掺杂半导体层和第二载流子注入结构接触形成PN结，因此，本公开示例性实施例雪崩光电二极管的PN结深度相对于相关技术雪崩光电二极管的PN结深度较深，而雪崩光电二极管的PN结深度与光吸收波长正相关，因此，本公开示例性实施例的雪崩光电二极管对于近红外光子探测效率比较高。

可见，本公开示例性实施例的雪崩光电二极管通过在第一掺杂半导体层与第二载流子注入结构之间引入与第一掺杂半导体层掺杂类型不同的第二掺杂半导体层，从而加深雪崩光电二极管的PN结深度，提高雪崩光电二极管的光子探测波长，保证雪崩光电二极管的光子探测效率比较高，且具有较强的光谱响应度，因此，本公开示例性实施例的单光子探测器具有良好的成像效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本公开的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出了本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的一种结构示例示意图；

图2示出了本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的另一种结构示例示意图；

图3示出了本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的俯视示例示意图；

图4示出了本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的制作方法的流程示意图；

图5示出了本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的制作方法的流程细节示意图；

图6A~图6I示出了本公开以P型衬底为例的雪崩光电二极管的制作流程结构性示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。为了使本公开所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本公开进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本公开，并不用于限定本公开。

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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

单光子探测技术可以应用于社会的多个领域，比如显微镜、光谱学、生物医学成像、激光测距等领域，单光子探测器目前主要有光电倍增管、雪崩光电二极管、超导体单光子探测器等等。

在单光子成像领域，基于传统硅基互补金属氧化物半导体（Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS）工艺制作的单光子雪崩光电二极管探测器的光子探测效率、响应度和集成度方面相比于以往光电探测器有了明显的改善。

在相关技术中，单光子雪崩光电二极管探测器的雪崩倍增区主要是由一个重掺杂区域和一个轻掺杂区域构成，其所探测的入射光波长比较短，靠近紫外波段，因此，相关技术的单光子雪崩光电二极管探测器的探测效率低。对单光子雪崩光电二极管探测器中的雪崩光电二极管进行改良后，虽然单光子雪崩光电二极管探测器的光子探测效率和光谱响应有所提高，但是单光子雪崩光电二极管探测器对于近红外光的探测效果仍不佳。

针对上述问题，本公开示例性实施例提供一种单光子探测器，其可以包括本公开示例性实施例的雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管的光子探测波长比较长，可以保证单光子探测器的单光子探测效率比较高，且具有较强的光谱响应度，进而提升单光子探测器具有良好的成像效果。

图1示出了本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的一种结构示例示意图，图2示出了本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的另一种结构示例示意图。如图1和图2所示，本公开示例性实施例的雪崩光电二极管100可以包括：衬底101、第一掺杂半导体层102、第二掺杂半导体层103、第一载流子注入结构和第二载流子注入结构。

如图1和图2所示，本公开示例性实施例所涉及的各种掺杂相关结构，其所含有的杂质元素按照掺杂类型可以分为P杂质元素和N型杂质，P杂质元素可以为所在的掺杂结构提供大量空穴，使得该掺杂结构的多子为空穴，少子为电子，可以包括但不仅限于硼元素、镓元素、铟元素等至少一种，N型杂质可以为所在的掺杂结构提供大量电子，使得掺杂结构的多子为电子，少子为空穴，可以包括但不仅限于磷元素、砷元素、锑元素等至少一种。

如图1和图2所示，上述衬底101可以为掺杂型衬底，该掺杂型衬底包括的半导体材料可以包括硅类掺杂半导体材料、也可以为锗类半导体材料，还可以为其它半导体材料，该第一掺杂半导体层102形成在衬底101上，该第一掺杂半导体层102的掺杂类型可以与衬底101的掺杂类型不同。例如：当衬底101的掺杂类型为P型掺杂时，第一掺杂半导体层102的掺杂类型可以为N型掺杂。又例如：当衬底101的掺杂类型为N型掺杂时，第一掺杂半导体层102的掺杂类型可以为P型掺杂。

如图1和图2所示，上述第二掺杂半导体层103形成在第一掺杂半导体层102背离衬底101的表面，且第一掺杂半导体层102的掺杂类型和第二掺杂半导体层103的掺杂类型不同。此时，第二掺杂半导体层103可以与第一掺杂半导体层102之间形成PN结。例如：当第一掺杂半导体层102的掺杂类型为N型掺杂，第二掺杂半导体层103的掺杂类型为P型掺杂，又例如，当第一掺杂半导体层102的掺杂类型为P型掺杂，第二掺杂半导体层103的掺杂类型可以为N型掺杂。

如图1和图2所示，上述第一载流子注入结构可以形成在第一掺杂半导体层102背离衬底101的表面，其用于形成雪崩光电二极管100的第一电极连接结构，而第二载流子注入结构可以形成在第二掺杂半导体层103背离第一掺杂半导体层102的表面，其用于形成雪崩光电二极管100的第二电极连接结构。为了方便接入反向偏置电压，本公开示例性实施例可以在第一载流子注入结构上形成第一金属电极1081，在第二载流子注入结构上形成第二金属电极1082。

示例性的，如图1和图2所示，本公开示例性实施例的第一载流子注入结构可以包括第一掺杂阱结构1041和第一重掺杂结构1042，第一掺杂阱结构1041形成在第一掺杂半导体层102背离衬底101的表面，而第一重掺杂结构1042形成在第一掺杂阱结构1041背离第一掺杂半导体层102的表面。此处第一掺杂阱结构1041的掺杂类型和第一重掺杂结构1042的掺杂类型相同，且均与第一掺杂半导体层102的掺杂类型相同。基于此，可以通过第一载流子注入结构反向向第一掺杂半导体层102注入与第一掺杂半导体层102所含有的多子类型相反的载流子。

示例性的，如图1和图2所示，本公开示例性实施例的第二载流子注入结构可以包括第二掺杂阱结构1051和第二重掺杂结构1052，第二掺杂阱结构1051形成在第二掺杂半导体层103背离第一掺杂半导体层102的表面，而第二重掺杂结构1052形成在第二掺杂阱结构1051背离第二掺杂半导体层103的表面。此处第二掺杂阱结构1051的掺杂类型和第二重掺杂结构1052的掺杂类型相同，且均与第二掺杂半导体层103的掺杂类型相同。基于此，可以通过第二载流子注入结构反向向第二掺杂半导体层103注入与第二掺杂半导体层103所含有的多子类型相反的载流子。

如图1和图2所示，考虑到第一掺杂阱结构1041的掺杂类型和第一重掺杂结构1042的掺杂类型均与第一掺杂半导体层102的掺杂类型相同，第二掺杂阱结构1051的掺杂类型和第二重掺杂结构1052的掺杂类型均与第二掺杂半导体层103的掺杂类型相同，而第一掺杂半导体层102的掺杂类型和第二掺杂半导体层103的掺杂类型不同，因此，第一载流子注入结构和第二载流子注入结构注入的不同类型的载流子。

举例来说，如图1和图2所示，当第一掺杂半导体层102的掺杂类型为P型掺杂，第二掺杂半导体层103的掺杂类型为N型掺杂时，第一掺杂阱结构1041的掺杂类型和第一重掺杂结构1042的掺杂类型均为P型掺杂， 第二掺杂阱结构1051的掺杂类型和第二重掺杂结构1052的掺杂类型均为N型掺杂。此时，第一载流子注入结构接入阳极，用于注入的载流子为电子，第二载流子注入结构接入阴极，用于注入的载流子为空穴。

如图1和图2所示，当第一掺杂半导体层102的掺杂类型为N型掺杂，第二掺杂半导体层103的掺杂类型为P型掺杂时，第一掺杂阱结构1041的掺杂类型和第一重掺杂结构1042的掺杂类型均为N型掺杂，第二掺杂阱结构1051的掺杂类型和第二重掺杂结构1052的掺杂类型均为P型掺杂。此时，第一载流子注入结构接入阴极，用于注入的载流子为空穴，第二载流子注入结构接入阳极，用于注入的载流子为电子。

如图1和图2所示，在雪崩光电二极管100工作时，可以在第一电极连接结构和第二电极连接结构之间施加反向偏置电压，当反向偏置电压大于雪崩击穿大电压时，雪崩光电二极管100可以处于在盖革模式工作，雪崩光电二极管100处在反向击穿状态。此时，在光照条件下，光子可以触发雪崩光电二极管100发生雪崩效应，使得雪崩光电二极管100输出较大的光电流。而较大的光电流可以引起雪崩光电二极管100的雪崩淬灭，使得施加在雪崩光电二极管100的反向偏置电压下降，直到反向偏置电压小于雪崩击穿大电压。

如图1和图2所示，本公开示例性实施例雪崩光电二极管100中，通过在第二载流子注入结构和第一掺杂半导体层102之间引入与第一掺杂半导体层102的掺杂类型不同的第二掺杂半导体层103，从而加深雪崩光电二极管100的PN结深度，提高雪崩光电二极管100的光子探测波长，保证雪崩光电二极管100的光子探测效率比较高，且具有较强的光谱响应度、较宽的光谱感应范围和较高的光灵敏度，因此，本公开示例性实施例的单光子探测器具有良好的成像效果。而且，由于雪崩光电二极管100的PN结比较深，可以使得电场分布峰值远离器件材料的表面区域，减少载流子被雪崩光电二极管100的表面缺陷捕捉的可能性，从而降低暗电流产生概率和雪崩噪声，提升雪崩光电二极管100的光子响应强度。

示例性的，如图1所示，当本公开示例性实施例第二载流子注入结构包括第二掺杂阱结构1051和第二重掺杂结构1052时，第二掺杂阱结构1051、第二掺杂半导体层103和第一掺杂半导体层102可以形成类似P-I-N结构的宽耗尽区域和较深的PN结。

示例性的，如图1所示，第二掺杂半导体层103的杂质掺杂浓度与第二载流子注入结构的杂质掺杂浓度的差异越大，雪崩光电二极管100的耗尽区域宽度越宽。基于这一原理，可以通过调节第二掺杂半导体层103的杂质掺杂浓度与第二载流子注入结构的杂质掺杂浓度的差异，调节雪崩光电二极管100的耗尽区域宽度，进而调节雪崩光电二极管100的光电探测概率。

举例来说，如图2所示，当本公开示例性实施例的第二掺杂半导体层103的杂质掺杂浓度与第一掺杂半导体层102的杂质掺杂浓度相差2~3个数量级。此时，雪崩光电二极管的内部电场方向可以沿着图2所示的箭头方向E由第一掺杂半导体层102指向第二掺杂半导体层103，雪崩光电二极管100的雪崩区域的电场强度比较高，且还可以降低探测器击穿电压，有利于器件集成。

本公开示例性实施例的第二掺杂半导体层103的杂质掺杂浓度小于或等于第二载流子注入结构的杂质掺杂浓度。例如：如图2所示，当本公开示例性实施例第二掺杂半导体层103的杂质掺杂浓度与第一掺杂半导体层102的杂质掺杂浓度相同时，本公开示例性实施例的第二掺杂半导体层103可以与第一掺杂半导体层102构成雪崩光电二极管100的耗尽区域。这种情况下，雪崩光电二极管100的雪崩区的电场强度比较高，且还可以降低探测器击穿电压，有利于器件集成。

示例性的，本公开示例性实施例的第二掺杂半导体层103可以是如图1所示通过外延工艺形成的掺杂外延层，还可以是如图2所示通过其他工艺形成的掺杂半导体层，只要保证第二掺杂半导体层103的杂质掺杂浓度小于第一掺杂半导体层102的杂质掺杂浓度，且第二掺杂半导体层103的杂质掺杂浓度小于第二掺杂阱结构1051的杂质掺杂浓度。这里的其他工艺可以包括沉积、掺杂工艺等，但不仅限于此。

如图1和图2所示，当本公开示例性实施例的第二载流子注入结构可以包括第二掺杂阱结构1051和第二重掺杂结构1052，第二掺杂半导体层103的杂质掺杂浓度可以等于与第二掺杂阱结构1051的杂质掺杂浓度。考虑到第二掺杂半导体层103的掺杂类型和第二掺杂阱结构1051的掺杂类型相同，因此，本公开示例性实施例的第二掺杂半导体层103和第二掺杂阱结构1051在同一工艺中形成，从而缩短雪崩光电二极管100的制作流程。

在一种可能的实现方式中，如图1和图2所示，本公开示例性实施例的第二掺杂半导体层103的杂质掺杂浓度小于第一掺杂半导体层102的杂质掺杂浓度。此时，雪崩光电二极管的内部电场方向可以由第一掺杂半导体层102指向第二掺杂半导体层103。

示例性的，如图1所示，本公开示例性实施例第二掺杂半导体层103的杂质掺杂浓度小于第二载流子注入结构的杂质掺杂浓度时，第二载流子注入结构、第二掺杂半导体层103和第一掺杂半导体层102可以形成类似垂直P-I-N结构的宽耗尽区域和较深的PN结。基于此，本公开示例性实施例的雪崩光电二极管100工作在盖革模式下时，雪崩光电二极管的内部电场方向可以沿着图1所示的箭头方向E由第一掺杂半导体层102指向第二掺杂半导体层103，入射光很容易进入材料内部被充分吸收，产生大量电子-空穴对，从而大幅度提高雪崩光电二极管100的量子效率和光子探测效率，因此，本公开示例性实施例的雪崩光电二极管100的灵敏度比较高，且具有较宽的光谱响应范围，进而提升雪崩光电二极管100为基础的单光子探测器对近红外光子的检测概率。

如图1所示，以第一掺杂半导体层102的掺杂类型为N型掺杂，第二掺杂半导体层103的掺杂类型为P型掺杂时，在光照条件下，雪崩光电二极管100光子探测器工作在盖革模式时，阳极接地，阴极接高电压，第二掺杂阱结构1051、第二掺杂半导体层103、第一掺杂半导体层102可以构成比较宽的耗尽区域。

当施加光照后，光子达到耗尽区产生光生载流子，光生电子和光生空穴在电场的作用下被加速，获得很高的能量，进而与晶格发生碰撞，使晶格中的电子电离形成新的电子-空穴对。

在一种可能的实现方式中，如图1所示，上述第二掺杂半导体层103可以包括第一低掺杂外延层。本公开示例性实施例的第二掺杂半导体层103实质是通过外延工艺形成在第一掺杂半导体层102背离衬底101的表面。

如图1所示，通过外延工艺形成的第二掺杂半导体层103的晶格缺陷比较少，可以减少第二掺杂半导体层103内低能级缺陷的数量，因此，本公开示例性实施例的第二掺杂半导体层103通过外延工艺形成时，在盖革模式下载流子被第二掺杂半导体层103内低能级缺陷捕获的可能性比较低，因此，本公开示例性实施例的雪崩光电二极管100所输出的光电流相对比较大，可以减少雪崩噪声对光电检测效率的影响，保证雪崩光电二极管100具有较高的响应率和光子探测效率。

如图1所示，当雪崩光电二极管100再次进入盖革模式发生雪崩效应时，由于第二掺杂半导体层103内底层级缺陷数量比较低，因此，雪崩光电二极管100不会或者极少出现低能级缺陷所捕获的载流子吸收能量挣脱陷阱束缚触发雪崩。基于此，本公开示例性实施例雪崩光电二极管100可以减少因为低能级缺陷捕获载流子所产生的后脉冲效应，从而在没有光子到达时减少暗计数次数。

在一种可能的实现方式中，如图1和图2所示，本公开雪崩光电二极管100还可以包括雪崩光电二极管100还包括保护环结构106。该保护环结构106形成在第一掺杂半导体层102背离衬底101的表面，保护环结构106位于第一载流子注入结构和第二载流子注入结构之间，第二掺杂半导体层103和第二载流子注入结构位于保护环结构106的环内区域。此时，第二掺杂半导体层103和第二载流子注入结构被保护环结构106包围。而由于第二掺杂半导体层103形成在第一掺杂半导体层102背离所述衬底101的表面，第二载流子注入结构形成在第二掺杂半导体层103背离第一掺杂半导体层102的表面，因此，当第二掺杂半导体层103和第二载流子注入结构位于保护环结构106的环内区域时，第二掺杂半导体层103和第二载流子注入结构是以层叠方式形成在保护环结构106的环内区域，这可以减少雪崩光电二极管100的PN结边缘提前发生雪崩击穿。

为了进一步减少暗电流产生，如图1和图2所示，本公开示例性实施例雪崩晶体管100还可以包括第三重掺杂结构107，第三重掺杂结构107形成在保护环结构106接触第一载流子注入结构的部位，且第三重掺杂结构107的上表面与第一载流子注入结构的上表面平齐，第三重掺杂结构107的掺杂类型与载流子注入结构的掺杂类型不同。

考虑到第一掺杂半导体材料的杂质掺杂浓度和第二掺杂半导体层103的杂质掺杂浓度的差异，使得雪崩光电二极管100的耗尽区域主要集中在载流子注入结构的下方。而雪崩光电二极管100工作在盖革模式时，第二掺杂半导体层103的载流子扩散流大于反向漂移流。基于此，当第三重掺杂结构107的掺杂类型与载流子注入结构的掺杂类型不同时，第三重掺杂结构107形成在保护环结构106接触所述第一载流子注入结构的部位，使得载流子注入结构的多子扩散到第三重掺杂结构107的表面。此时，第三重掺杂结构107所含有的多子可以与载流子注入结构的多子复合，从而阻挡载流子注入结构的多子的扩散，减小了雪崩光电二极管100的材料表面陷阱捕获载流子的概率，降低材料表面陷阱对性能的影响，使得保护环的雪崩区宽度和电场强度降低，减小带带隧穿（Band-To-Band Tunneling，BTBT）机制的暗载流子产生率，从而降低器件噪声。

如图1和图2所示，本公开示例性实施例的保护环结构106可以包括第二低掺杂外延层，第一低掺杂外延层和第二低掺杂外延层为一体式结构。此时，保护环结构106的材料实质为掺杂杂质的半导体材料，且该第二低掺杂外延层的杂质掺杂浓度与第二掺杂半导体层103的杂质掺杂浓度相同。考虑到保护环结构106具有防止PN结边缘提前发生雪崩击穿的作用，在第一低掺杂外延层和第二低掺杂外延层为一体式结构的情况下，第一低掺杂外延层的杂质掺杂浓度和第二低掺杂外延层的杂质掺杂浓度均与第一掺杂半导体层102的杂质掺杂浓度相差4~5个数量级。这种情况下，保护环结构106可以起到防止PN结边缘提前发生雪崩击穿的作用。

在一种可能的实现方式中，本公开示例性实施例的第一载流子注入结构和第二载流子注入结构可以为环形流子注入结构，保护环结构106和第三重掺杂结构107均可以为环形结构。这种情况下，第二载流子注入结构、第三重掺杂结构107、保护环结构106以及第一载流子注入结构同心，从而增加雪崩光电二极管100的感光面积。

图3示出了本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的俯视示例示意图。如图3所示，本公开示例性实施例的第二重掺杂结构1052为圆形结构，第二掺杂阱结构1051、第三重掺杂结构107、保护环结构106、第一重掺杂结构1042和第一掺杂阱结构1041均为环形结构，且第二重掺杂结构1052、第二掺杂阱结构1051、第三重掺杂结构107、保护环结构106、第一重掺杂结构1042和第一掺杂阱结构1041同心。

从图3可以看出，第二重掺杂结构1052可以位于雪崩光电二极管100的中心，第二重掺杂结构1052位于第二掺杂阱结构1051的环内区域，第二掺杂阱结构1051位于第三重掺杂结构107的环内区域，且第三重掺杂结构107的环内壁与第二掺杂阱结构1051的环外壁接触，第三重掺杂结构107位于保护环结构106的环内区域，保护环结构106位于第一掺杂阱结构1041的环内区域，第一重掺杂结构1042嵌入保护环结构106内。这种圆形同心环形状，可以增大雪崩光电二极管的感光面积，提高雪崩光电二极管的感光效率。

本公开示例性实施例还可以提供一种雪崩光电二极管的制作方法，其可以用于制作本公开示例性实施例的雪崩光电二极管。

图4示出了本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的制作方法的流程示意图。如图4所示，本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的制作方法可以包括：

步骤401：提供一衬底。该衬底可以为P型衬底，也可以为N型衬底，具体可以参考前文。

步骤402：在衬底表面形成第一掺杂半导体层。该第一掺杂半导体层可以是通过光刻和成膜和掺杂工艺形成第一掺杂半导体层。

步骤403：在第一掺杂半导体层背离衬底的表面形成第一载流子注入结构、第二掺杂半导体层，以及位于第二掺杂半导体层背离第一掺杂半导体层表面的第二载流子注入结构。第一掺杂半导体层的掺杂类型和第二掺杂半导体层的掺杂类型不同。

在一种可选方式中，图5示出了本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的制作方法的流程细节示意图。如图5所示，本公开示例性实施例在第一掺杂半导体层背离衬底的表面形成第一载流子注入结构、第二掺杂半导体层，以及位于第二掺杂半导体层背离第一掺杂半导体层表面的第二载流子注入结构，可以包括：

步骤501：在衬底和第一掺杂半导体层背离衬底的表面形成外延掺杂材料层。该外延掺杂材料层的掺杂类型可以与第一掺杂半导体层的掺杂类型不同，且外延掺杂材料层的杂质掺杂浓度小于第一掺杂半导体层的杂质掺杂浓度。

步骤502：在外延掺杂材料层上形成第一载流子注入结构，第一载流子注入结构沿着外延掺杂材料层的厚度方向贯穿外延掺杂材料层。例如：可以在外延掺杂材料层上通过蚀刻工艺形成过孔，该过孔在衬底表面的正投影位于第一掺杂半导体层在衬底表面的正投影内，然后在该过孔内形成与第一掺杂半导体层的掺杂类型相同的第一掺杂半导体材料层，接着对第一掺杂半导体材料层背离第一掺杂半导体层的表面进行局部重掺杂，从而获得第一掺杂阱结构和第一重掺杂结构，第一掺杂阱结构可以认为是第一掺杂半导体材料层中没有经过重掺杂的区域，第一重掺杂结构可以认为是第一掺杂半导体材料层中经过重掺杂的区域。

步骤503：在外延掺杂材料层上形成与第一载流子注入结构间隔的第二掺杂半导体层。当第二掺杂半导体层为外延工艺形成的第一低掺杂外延层时，可以通过蚀刻工艺对外延掺杂材料层进行局部蚀刻，直到所形成的凹槽下方的外延掺杂材料厚度达到第一低掺杂外延层的厚度要求，从而获得第二掺杂半导体层。此时凹槽位于第一低掺杂外延层的上方，凹槽在衬底表面的正投影位于第一掺杂半导体层在衬底表面的正投影内。

考虑到外延掺杂材料层位于第一载流子注入结构和第二载流子注入结构之间的部位为保护环结构，可以将该保护环结构定义为第二低掺杂外延层。这种情况下，因此，当第二掺杂半导体层为外延工艺形成的第一低掺杂外延层时，第一低掺杂外延层和第二低掺杂外延层可以一体形成。

同时，考虑到保护环结构减少PN结边缘的提前雪崩击穿，第一低掺杂外延层的掺杂浓度和第二低掺杂外延层的掺杂浓度比较低。例如：第一低掺杂外延层的杂质掺杂浓度和所述第二低掺杂外延层的杂质掺杂浓度均与第一掺杂半导体层的杂质掺杂浓度相差4~5个数量级。当第二掺杂半导体层的掺杂浓度比较高时，可以对第二低掺杂外延层进行杂质掺杂，以提高其中的杂质浓度。

步骤504：在第二掺杂半导体层背离第一掺杂半导体层的表面形成第二载流子注入结构。

示例性的，可以先在第二掺杂半导体层背离第一掺杂半导体层的表面，也就是在凹槽内形成第二掺杂半导体材料层，然后对第一掺杂半导体材料层背离第二掺杂半导体结构的表面局部进行局部重掺杂，从而获得第二掺杂阱结构和第二重掺杂结构，第二掺杂阱结构可以认为是第二掺杂半导体材料中没有经过重掺杂的区域，第二重掺杂结构可以认为是第二掺杂半导体材料层中经过重掺杂的区域。

为了降低暗电流，减少材料表面的陷阱捕获载流子的概率，本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的制作方法还可以包括：在保护环结构朝向第一载流子注入结构的一侧形成第三重掺杂结构，第三重掺杂结构的掺杂类型与第一载流子注入结构的掺杂类型不同，重掺杂结构的上表面与第一载流子注入结构的上表面平齐。

此处由于重掺杂结构的掺杂类型与第二载流子注入结构的掺杂类型不同，而第一载流子注入结构重掺杂结构的掺杂类型与第二载流子注入结构的掺杂类型不同，因此，第三重掺杂结构的掺杂类型和第一载流子注入结构重掺杂结构的掺杂类型相同，因此，本公开示例性实施例可以对第一掺杂半导体材料的局部区域进行重掺杂时，同时对保护环结构靠近第二掺杂阱结构的区域进行重掺杂。

本公开示例性实施例的雪崩光电二极管的制作方法可以通过圆形同心形状，用于增大感光面积，而且，所制作的雪崩光电二极管也不会违反版图设计基本规则，可以基于标准高压BCD工艺制作雪崩光电二极管，从而有效提高单光子探测器在近红外光处工作时的量子效率、光子探测概率，降低暗计数率，提高器件性能。

为了方便理解本公开示例性实施例雪崩光电二极管的制作方法，图6A~图6I示出了本公开以P型衬底为例的雪崩光电二极管的制作流程结构性示意图。应理解，下文举例仅用于说明，不作为限定。

在如图6A所示的P型衬底601的表面通过光刻方式定义圆形区域，然后在圆形区域内形成如图6B所示的圆形N埋层602，用以形成第一掺杂半导体层。

如图6C所示，在形成圆形N埋层602后，可以在P型衬底601以及圆形N埋层602的上表面通过外延生长方式形成P型外延层603。

如图6D所示，通过蚀刻工艺在如图6C所示的P型外延层603上形成环形过孔a和圆形凹槽b，该圆形凹槽b位于环形过孔a内，且二者共轴。P型外延层603位于环形过孔a与圆形凹槽b之间的部位为环形过孔a与圆形凹槽b之间的间隔，用以形成保护环结构604，环形过孔a和圆形凹槽b在P型衬底表面601的正投影位于圆形N埋层602在P型衬底601表面的正投影内。

如图6E所示，采用沉积工艺在图6D所示的环形过孔a内形成N型材料层605，然后通过N型重掺杂方式在N型材料层605的局部区域以及保护环结构604靠近圆形凹槽b的区域形成如图6F所示的第一重掺杂结构和第三重掺杂结构，二者均为N型重掺杂结构，因此，可以定义第一重掺杂结构为第一N型重掺杂结构6052，第三重掺杂结构为第二N型重掺杂结构606。N型材料层605没有进行N型重掺杂的区域可以形成环形结构的N型阱结构6051。

如图6F所示，如果P型外延层603位于圆形凹槽b下方的区域用于形成第二掺杂半导体层，那么第二掺杂半导体层为P型轻掺杂半导体层607。此时，P型轻掺杂半导体层607的形状为圆形。同时还可以通过圆形中压P阱注入区工艺，增加P型轻掺杂半导体层607的杂质掺杂浓度，使得P型轻掺杂半导体层607变为掺杂浓度较高的P型掺杂半导体层。此时，第二掺杂半导体层为P型掺杂半导体层，该P型掺杂半导体层可以与圆形N埋层602形成耗尽区域。

接着，采用沉积工艺在图6F所示的圆形凹槽b内形成如图6G所示的P型材料层608，然后通过P型重掺杂方式在P型材料层608的局部区域形成如图6H所示的第二重掺杂结构。此时，P型材料层没有进行P型重掺杂的区域可以形成P型阱结构6081，第二重掺杂结构可以为P型重掺杂结构6082。

如图6I所示，采用溅射工艺在第一N型重掺杂结构6052形成阴极6091，采用溅射工艺在P型重掺杂结构6082形成阳极6092。阴极6091和阳极6092的材料可以为铜、铝等材料。

本公开示例性实施例中提供的一个或多个技术方案中，第二掺杂半导体层形成在第一掺杂半导体层背离衬底的表面，而第二载流子注入结构形成在第二掺杂半导体层背离第一掺杂半导体层的表面，且第一掺杂半导体层的掺杂类型和第二掺杂半导体层的掺杂类型不同。此时，第一掺杂半导体层和第二掺杂半导体层之间可以形成PN结，而在相关技术中雪崩光电二极管包括的第一掺杂半导体层和第二载流子注入结构接触形成PN结，因此，本公开示例性实施例雪崩光电二极管的PN结深度相对于相关技术雪崩光电二极管的PN结深度较深，而雪崩光电二极管的PN结深度与光吸收波长正相关，因此，本公开示例性实施例的雪崩光电二极管对于近红外光子探测效率比较高。

可见，本公开示例性实施例的雪崩光电二极管通过在第一掺杂半导体层与第二载流子注入结构之间引入与第一掺杂半导体层掺杂类型不同的第二掺杂半导体层，从而加深雪崩光电二极管的PN结深度，提高雪崩光电二极管的光子探测波长，保证雪崩光电二极管的光子探测效率比较高，且具有较强的光谱响应度，因此，本公开示例性实施例的单光子探测器具有良好的成像效果。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (12)

1.一种雪崩光电二极管，其特征在于，包括：衬底、第一掺杂半导体层、第二掺杂半导体层、第一载流子注入结构和第二载流子注入结构；

所述第一掺杂半导体层形成在所述衬底上，所述第一载流子注入结构和所述第二掺杂半导体层均形成在所述第一掺杂半导体层背离所述衬底的表面，所述第二载流子注入结构形成在所述第二掺杂半导体层背离所述第一掺杂半导体层的表面，所述第一掺杂半导体层的掺杂类型和所述第二掺杂半导体层的掺杂类型不同。

2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述第二掺杂半导体层的杂质掺杂浓度小于所述第一掺杂半导体层的杂质掺杂浓度；和/或，

所述第二掺杂半导体层的杂质掺杂浓度小于或等于所述第二载流子注入结构的杂质掺杂浓度。

3.根据权利要求2所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述第二掺杂半导体层的杂质掺杂浓度与所述第一掺杂半导体层的杂质掺杂浓度相差2~3个数量级。

4.根据权利要求2所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述第二掺杂半导体层包括第一低掺杂外延层。

5.根据权利要求1~4任一项所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管还包括保护环结构，所述保护环结构形成在所述第一掺杂半导体层背离所述衬底的表面，所述保护环结构位于所述第一载流子注入结构和所述第二载流子注入结构之间，所述第二掺杂半导体层和所述第二载流子注入结构位于所述保护环结构的环内区域。

6.根据权利要求5所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管还包括重掺杂结构，所述重掺杂结构形成在所述保护环结构接触所述第一载流子注入结构的部位，所述重掺杂结构的上表面与所述第一载流子注入结构的上表面平齐，所述重掺杂结构的掺杂类型与所述第二载流子注入结构的掺杂类型不同。

7.根据权利要求5所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述保护环结构包括第二低掺杂外延层，所述第二掺杂半导体层和所述第二低掺杂外延层为一体式结构，所述第二掺杂半导体层的杂质掺杂浓度和所述第二低掺杂外延层的杂质掺杂浓度均与所述第一掺杂半导体层的杂质掺杂浓度相差4~5个数量级。

8.一种雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于，包括：

提供一衬底；

在所述衬底表面形成第一掺杂半导体层；

在所述第一掺杂半导体层背离所述衬底的表面形成第一载流子注入结构、第二掺杂半导体层，以及位于所述第二掺杂半导体层背离第一掺杂半导体层表面的第二载流子注入结构，所述第一掺杂半导体层的掺杂类型和所述第二掺杂半导体层的掺杂类型不同。

9.根据权利要求8所述的雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于，所述在所述第一掺杂半导体层背离所述衬底的表面形成第一载流子注入结构、第二掺杂半导体层，以及位于所述第二掺杂半导体层背离第一掺杂半导体层表面的第二载流子注入结构，包括：

在所述衬底和所述第一掺杂半导体层背离所述衬底的表面形成外延掺杂材料层，所述外延掺杂材料层的掺杂类型与所述第一掺杂半导体层的掺杂类型不同，所述外延掺杂材料层的杂质掺杂浓度小于所述第一掺杂半导体层的杂质掺杂浓度；

在所述外延掺杂材料层上形成所述第一载流子注入结构，所述第一载流子注入结构沿着所述外延掺杂材料层的厚度方向贯穿所述外延掺杂材料层；

在所述外延掺杂材料层上形成与所述第一载流子注入结构间隔的所述第二掺杂半导体层，所述第一载流子注入结构和所述第二掺杂半导体层间隔分布在所述外延掺杂材料层上；

在所述第二掺杂半导体层背离所述第一掺杂半导体层的表面形成所述第二载流子注入结构。

10.根据权利要求9所述的雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于，所述在所述外延掺杂材料层上形成与所述第一载流子注入结构间隔的所述第二掺杂半导体层，包括：

在所述外延掺杂材料层形成凹槽；

对所述外延掺杂材料层对应凹槽的部位进行掺杂，获得所述第二掺杂半导体层。

11.根据权利要求9所述的雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于，所述外延掺杂材料层位于所述第一载流子注入结构和所述第二载流子注入结构之间的部位为保护环结构，所述雪崩光电二极管的制作方法还包括：

在所述保护环结构朝向所述第一载流子注入结构的一侧形成重掺杂结构，所述重掺杂结构的掺杂类型与所述第二载流子注入结构的掺杂类型不同。

12.一种单光子探测器，其特征在于，包括权利要求1~7任一项所述雪崩光电二极管。