CN117525091A - G-apd单元增益一致性高的硅光电倍增管及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的G‑APD单元增益一致性高的硅光电倍增管及制造方法，包括若干G‑APD单元阵列而成的硅光电倍增管本体，硅光电倍增管本体顶部位于G‑APD单元光敏区的间隔区域沉积有金属网格。本发明的G‑APD单元增益一致性高的硅光电倍增管，通过在硅光电倍增管高浓度离子掺杂层表面，G‑APD单元的间隔区域布满金属网格，使得位于中央区域的G‑APD单元与边缘区域的单元两端有一致的偏压，提高了单元间的增益一致性，进一步可提高硅光电倍增管的光子数分辩能力；本发明的制造方法工艺简单，适用于工业化批量生产。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电探测芯片技术领域，具体涉及G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管。本发明还涉及G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法。
背景技术
硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，SiPM)是一种具有优秀光子数分辨能力的新型微弱光探测器。SiPM是将大量的工作在盖革模式的雪崩光电二极管(Geiger-ModeAvalanche Photo-diode，G-APD)单元阵列化集成在同一个单晶硅片上构成的固态光电探测器件。光子数分辨能力是SiPM的一个重要特性，是用于衡量SiPM微弱光探测能力的重要参数之一。光子数分辨谱的峰谷比(即光电子峰的峰值计数和低谷计数的比值)则是衡量一个SiPM单元增益一致性的重要标准。G-APD单元之间增益一致性越好，峰谷比就越好，适当增加光强，能够分辨的光电子峰的数目就越多，这有利于准确地进行光子计数。目前对于提高光子数分辨能力大部分都是通过调节电路来实现。Eraerds等人(ERAERDS P,M,ROCHAS A,et al.SiPM for fast photon-counting and multiphoton detection,(2007))采用了高通滤波器滤除SiPM雪崩脉冲信号的低频部分实现其高速的光子数可分辨探测，但是该方法无法保证雪崩信号的完整性，致使探测效率仅有16％，远远低于未滤波情况下的探测效率。日本Akiba等人(AKIBAM,INAGAKI K,TSUJINO K.Photon numberresolving SiPM detector with 1GHz count rate,(2012))使用高频电路以及基线校正对输出信号进行处理，实现了～1GHz的工作速度以及平均2.6个光子的光子数可分辨探测。孙颖等人将门控信号加载在SiPM上，利用门控信号控制APD单元两端的偏置电压以实现光子数可分辨探测的有效淬灭和恢复(孙颖,梁焰.高速MPPC的光子数可分辨探测,(2022))。然而目前通过SiPM器件结构的改进来提高其内部G-APD单元之间的增益一致性，进而提高其光子数分辨能力则鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管，解决了现有G-APD单元增益一致性低的问题。
本发明的另一目的在于提供G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法，适用于工业化批量生产。
本发明所采用的第一种技术方案是：G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管，包括若干G-APD单元阵列而成的硅光电倍增管本体，硅光电倍增管本体顶部位于G-APD单元光敏区的间隔区域沉积有金属网格。
本发明第一种技术方案的特点还在于，
G-APD单元包括自下而上依次设置的N+区域、衬底、N-外延层、N enrich区以及P++掺杂层，各G-APD单元的P++掺杂层相互连通且与各G-APD单元的N enrich区构成PN结。
N-外延层的顶部沉积有SiO2层，SiO2层正对P++掺杂层的位置开设有接触孔。
SiO2层上位于接触孔以外的位置沉积有金属层。
N+区域的底部沉积有金属层。
N enrich区为圆形。
本发明所采用的第二种技术方案是：G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法，包括以下步骤：
步骤1、在硅光电倍增管本体的P++掺杂层正面沉积SiO2做绝缘膜；
步骤2、通过光刻、刻蚀SiO2绝缘膜，开接触孔；
步骤3、正面沉积金属膜；
步骤4、通过光刻反刻出金属电极与金属网格图形，金属网格图形窗口对准G-APD单元光敏区；
步骤5、腐蚀裸露的金属膜，得到金属网格与上电极；
步骤6、背面沉积金属膜，形成下电极。
本发明第二种技术方案的特点还在于，步骤1中硅光电倍增管本体的制造方法包括以下步骤：
步骤1.1、准备清洁的硅外延片，包括衬底和N-外延层；
步骤1.2、在N-外延层的顶部沉积表面SiO2绝缘介质层；
步骤1.3、光刻、刻蚀SiO2绝缘介质层开阵列窗口；
步骤1.4、通过阵列窗口在N-外延层表面注入磷元素形成N enrich区；
步骤1.5、光刻、刻蚀SiO2绝缘介质层开离子注入窗口；
步骤1.6、通过离子注入窗口在N-外延层表面注入硼元素形成P++掺杂层；
步骤1.7、在衬底背面注入磷元素形成N+区域。
本发明的有益效果是：本发明的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管，通过在硅光电倍增管高浓度离子掺杂层表面，G-APD单元的间隔区域布满金属网格，使得位于中央区域的G-APD单元与边缘区域的单元两端有一致的偏压，提高了单元间的增益一致性，进一步可提高硅光电倍增管的光子数分辩能力；本发明的制造方法工艺简单，适用于工业化批量生产。
附图说明
图1是本发明的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的结构示意图(隐藏P++掺杂层)；
图2是本发明的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法流程示意图；
图3是本发明的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法中步骤1采用的硅光电倍增管本体结构示意图；
图4是本发明的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法中步骤1所得结构示意图；
图5是本发明的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法中步骤2所得结构示意图；
图6是本发明的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法中步骤3所得结构示意图；
图7是本发明的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法中步骤4所得结构示意图；
图8是本发明的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法中步骤5所得结构示意图；
图9是本发明的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法中步骤6所得结构示意图。
图中，1.金属网格，2.N enrich区，3.SiO2层，4.金属层。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明提供了G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管，如图1所示，包括若干G-APD单元阵列而成的硅光电倍增管本体，硅光电倍增管本体顶部位于G-APD单元光敏区的间隔区域沉积有金属网格1。
G-APD单元包括自下而上依次设置的N+区域、衬底、N-外延层、圆形光敏区Nenrich区2以及P++掺杂层，各G-APD单元的P++掺杂层相互连通且与各G-APD单元的Nenrich区2构成PN结。N-外延层的顶部沉积有SiO2层3，SiO2层3正对P++掺杂层的位置开设有接触孔。SiO2层3上位于接触孔以外的位置沉积有金属层4作为阳极，N+区域的底部沉积有金属层4作为阴极。
本发明的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管采用了新型的硅光电倍增管结构，原理如下：现有SiPM器件通常由于形成PN结和传输雪崩电流的表面高浓度杂质原子掺杂层厚度很薄，电阻不可忽略，在距离表面金属电极较远的地方，雪崩电流通过时产生的电压降也较大，造成实际加在不同位置G-APD两端的实际电压不均匀，即SiPM中部区域距离表面电极较远的G-APD单元两端所加的实际电压较小，位置不同的G-APD单元的过偏压(Vbias-Vb)就会不一样。根据增益公式(1)：
Gain＝Qpixel＝Cpixel(Vbias-Vb)/e (1)
式(1)中，Qpixel为单元雪崩放电的电量，e为基本电荷电量，Cpixel为单元的结电容，Vbias为给SiPM所加的工作偏压，Vb为击穿电压，Vbias-Vb称为过偏压。
由式(1)可知不同的过偏压会导致不同区域G-APD单元之间的增益不一样。这样以来，不同单元的雪崩脉冲叠加后，不再是严格的整倍数关系，而是有一定的偏差，从而造成了光子数分辨谱峰谷比变差，进一步导致光子数分辩能力变差。针对该问题，本发明提出在SiPM高浓度杂质原子掺杂层表面，G-APD单元的间隔区域布满金属网格结构。利用金属的超低电阻率特性可以避免高掺杂层自身电阻的分压作用，使得硅光电倍增管中部区域的G-APD单元两端所加的偏压与边缘区域一致。可以提高SiPM中G-APD单元增益一致性，进而提高SiPM的光子数分辨能力。
实施例2
本发明提供了G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤1、采用如图3所示的硅光电倍增管本体，如图4所示，在P++掺杂层正面沉积SiO2做绝缘膜，加厚SiO2厚度；
步骤2、如图5所示，通过光刻、刻蚀SiO2绝缘膜，开通接触孔；
步骤3、如图6所示，正面沉积金属膜用以形成金属网格；
步骤4、如图7所示，通过光刻反刻出金属电极与金属网格图形，图形窗口对准G-APD单元光敏区；
步骤5、如图8所示，腐蚀裸露的金属膜，即得到所述的金属网格与上电极；
步骤6、如图9所示，背面沉积金属膜，形成下电极。
实施例3
本发明提供了硅光电倍增管本体的制造方法，包括如下步骤：步骤1.1、准备清洁的硅外延片，外延层为N-型；
步骤1.2、在N-型外延层的顶部沉积表面绝缘介质层；
步骤1.3、通过光刻、刻蚀SiO2为圆形单元阵列开窗口；
步骤1.4、在外延层表面通过磷元素注入形成N enrich区；
步骤1.5、通过光刻、刻蚀SiO2开大面积离子注入窗口；
步骤1.6、在外延层表面通过大剂量硼元素注入形成P++掺杂层；步骤1.7、在硅外延片背面通过大剂量磷元素注入形成N+区域。
Claims (8)
1.G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管，其特征在于，包括若干G-APD单元阵列而成的硅光电倍增管本体，硅光电倍增管本体顶部位于G-APD单元光敏区的间隔区域沉积有金属网格(1)。
2.如权利要求1所述的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管，其特征在于，所述G-APD单元包括自下而上依次设置的N+区域、衬底、N-外延层、N enrich区(2)以及P++掺杂层，各G-APD单元的P++掺杂层相互连通且与各G-APD单元的N enrich区(2)构成PN结。
3.如权利要求2所述的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管，其特征在于，所述N-外延层的顶部沉积有SiO2层(3)，SiO2层(3)正对P++掺杂层的位置开设有接触孔。
4.如权利要求3所述的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管，其特征在于，所述SiO2层(3)上位于接触孔以外的位置沉积有金属层(4)。
5.如权利要求2所述的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管，其特征在于，所述N+区域的底部沉积有金属层(4)。
6.如权利要求2所述的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管，其特征在于，所述Nenrich区(2)为圆形。
7.如权利要求1-6任一项所述的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在硅光电倍增管本体的P++掺杂层正面沉积SiO2做绝缘膜；
步骤2、通过光刻、刻蚀SiO2绝缘膜，开接触孔；
步骤3、正面沉积金属膜；
步骤4、通过光刻反刻出金属电极与金属网格图形，金属网格图形窗口对准G-APD单元光敏区；
步骤5、腐蚀裸露的金属膜，得到金属网格与上电极；
步骤6、背面沉积金属膜，形成下电极。
8.如权利要求7所述的G-APD单元增益一致性高的硅光电倍增管的制造方法，其特征在于，所述步骤1中硅光电倍增管本体的制造方法包括以下步骤：
步骤1.1、准备清洁的硅外延片，包括衬底和N-外延层；
步骤1.2、在N-外延层的顶部沉积表面SiO2绝缘介质层；
步骤1.3、光刻、刻蚀SiO2绝缘介质层开阵列窗口；
步骤1.4、通过阵列窗口在N-外延层表面注入磷元素形成N enrich区；
步骤1.5、光刻、刻蚀SiO2绝缘介质层开离子注入窗口；
步骤1.6、通过离子注入窗口在N-外延层表面注入硼元素形成P++掺杂层；
步骤1.7、在衬底背面注入磷元素形成N+区域。
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