CN220474635U - 一种单光子雪崩二极管单元及探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种单光子雪崩二极管单元及探测器，SPAD单元在纵截面上包括：衬底，设置在所述衬底上表面的外延层及设置在所述外延层中的第一阱区，通过在第一阱区上下表面设置正向第二阱区、反向第二阱区，从而形成两个雪崩倍增区域来提高SPAD对不同波长的探测效率，其中接近表面的雪崩区域对短波长响应更灵敏，第一阱区与两个相邻的正向第二阱区、反向第二阱区形成的雪崩倍增区域碰撞电离强度大，提高了SPAD的探测效率，通过在纵向上设计叠加的PN结，充分地利用了SPAD的面积，为宽光谱响应，高探测效率，和小型化的SPAD阵列提供了新思路。
Description
技术领域
本申请涉及激光雷达测距领域，特别涉及一种单光子雪崩二极管单元及探测器。
背景技术
在光电技术研究中，探测是半导体光电子学重要组成部分，单光子雪崩二极管具有响应速度快，雪崩增益大，重量轻，功耗低以及光谱范围广等特点。SPAD探测器成为实现光信号探测的重要手段，并能够对目标进行动态成像，适用于激光成像。
单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)，是一种工作在盖革模式(即工作电压大于击穿电压)下的雪崩光电二极管，当透射进入SPAD的光子能量大于硅的禁带宽度时，有一部分电子吸收光子能量跃迁至导带，形成光生电子。在工作状态下，SPAD的阴极(N+)和阳极(P+)两端会施加一定的反向偏压，在耗尽区外P区产生的光生电子称为少数载流子，由于浓度差的存在会向耗尽区扩散，在耗尽区内产生和扩散进耗尽区的光生电子和光生空穴直接被电场分开，分别进入阴极和阳极，从而实现光谱探测，传统的SPAD对蓝绿光具有较高的响应效率，而对消费类电子，激光雷达等成像所需波段的光子探测效率较低，在一定程度上制约着SPAD的大规模应用。因此，提高近红外波段的光子探测效率是热门方向。针对上述问题，本实用新型提出一种具有多个雪崩区域的SPAD结构，实现宽光谱响应和高探测效率的需求。
实用新型内容
为此，本实用新型提供了一种单光子雪崩二极管单元及探测器，用于解决常规单光子雪崩二极管结构光子探测效率(PDE)较低，响应光谱范围窄等难度较大的技术问题。本实用新型提供的单光子雪崩二极管单元结构结合了第一阱区与上方的正向第二阱区以及下方反向第二阱区之间的两个雪崩倍增区，由于雪崩区域的深度不同，对应不同区域的吸收效果也不同，提高了SPAD单元对不同波段范围光子的响应效率。同时形成多个并联的雪崩倍增区域，第一高压阱区和第二高压阱区相当于连通电路，将雪崩区域连通到阳极和阴极，在不增加芯片面积的情况下，提高单元探测效率。
第一方面，本申请实施例提供一种单光子雪崩二极管单元，所述单光子雪崩二极管单元包括多个单光子雪崩二极管单元，每一所述单光子雪崩二极管单元在纵截面上包括：衬底；设置在所述衬底上表面的外延层，在所述外延层中设置有第一阱区；分别位于所述第一阱区上表面、所述第一阱区下表面的正向第二阱区、反向第二阱区；其中，所述第一阱区、所述正向第二阱区、所述反向第二阱区的第一侧纵向齐平；所述第一阱区与所述正向第二阱区、所述反向第二阱区之间分别形成PN结结构；在所述第一阱区的第二侧、自所述第一阱区下表面沿纵向延伸至所述外延层上表面的第一高压阱区；在所述第一高压阱区顶部设置有第一电极接触；在所述反向第二阱区的第一侧、自所述反向第二阱区下表面沿纵向延伸至所述外延层上表面的第二高压阱区；在所述第二高压阱区顶部设置有第二电极接触。
在一些实施例中，所述正向第二阱区与所述反向第二阱区的掺杂类型相同，所述第一阱区的掺杂类型与所述正向第二阱区、所述反向第二阱区均相反；所述第一高压阱区的掺杂类型与第一阱区相同，所述第二高压阱区的掺杂类型与所述正向第二阱区、所述反向第二阱区相同。
在一些实施例中，所述正向第二阱区与所述反向第二阱区的横向宽度均小于所述第一阱区。
在一些实施例中，所述衬底为硅、锗硅、砷化镓、氮化镓或铟砷化镓中的任意一种半导体衬底。
在一些实施例中，所述单光子雪崩二极管单元还包括：位于每一所述单光子雪崩二极管单元四周的深隔离槽结构，所述深隔离槽结构贯穿所述外延层及所述衬底设置。
在一些实施例中，所述单光子雪崩二极管单元的横截面形状是方形，圆形，或多边形。
第二方面，本申请实施例提供一种单光子雪崩二极管探测器，包括若干个如上所述的单光子雪崩二极管单元，若干个所述单光子雪崩二极管单元呈阵列分布。
在一些实施例中，所述单光子雪崩二极管探测器中的单光子雪崩二极管探单元数量为4个，4个所述单光子雪崩二极管探单元呈2×2阵列分布。
第三方面，本申请实施例提供一种单光子雪崩二极管单元的制备方法，所述方法包括：在衬底上沉积形成外延层，在所述外延层中注入第一阱区；分别在所述第一阱区的上表面和下表面注入正向第二阱区和反向第二阱区，使得所述第一阱区的第一侧和第三侧与所述正向第二阱区、反向第二阱区齐平；自所述第一阱区的下表面沿纵向注入第一高压阱区至所述外延层的上表面，所述第一高压阱区围绕所述第一阱区第二侧和第四侧；自所述反向第二阱区下表面沿纵向注入第二高压阱区至所述外延层的上表面，所述第二高压阱区围绕所述正向第二阱区、第一阱区及反向第二阱区的第一侧和第三侧；分别在所述第一高压阱区、所述第二高压阱区的顶部设置第一电极接触、第二电极接触。
第四方面，本申请实施例提供一种单光子雪崩二极管探测器的制备方法，其中，所述单光子雪崩二极管探测器包括多个采用如上述的制备方法得到的单光子雪崩二极管单元，所述方法包括：刻蚀每一所述单光子雪崩二极管单元的四周，形成贯穿外延层及衬底的深隔离槽结构。
本实用新型提供的单光子雪崩二极管单元结构结合了第一阱区与上方的正向第二阱区以及下方反向第二阱区之间的两个雪崩倍增区，由于雪崩区域的深度不同，对应不同区域的吸收效果也不同，提高了SPAD单元对不同波段范围光子的响应效率。并且在不增加单元面积的情况下，提供了更多的雪崩面积，提高了SPAD单元对近红外光子的探测效率。正向第二阱区、反向第二阱区与第一阱区之间的两个雪崩倍增区离单元的表面较远，减小了工艺过程中因为硅表面缺陷和离子杂质对雪崩倍增区的影响，有效地改善了单元的暗计数。正向第二阱区和反向第二阱区通过共用一个第二高压阱区连接到第二电极，连通到外部电路，有效地减小了大规模阵列集成的面积，提高芯片产品的集成度。此外，本实用新型提供的SPAD单元的制备工艺与COMS(互补金属氧化物半导体，Complementary Metal OxideSemiconductor)工艺兼容，为大规模量产和应用提供可能。
附图说明
图1为本申请实施例1中提供的单光子雪崩二极管单元的纵截面结构示意图；
图2A-图2B为本申请实施例1中提供的单光子雪崩二极管单元的横截面结构示意图；
图3为本申请实施例2提供的单光子雪崩二极管探测器的横截面结构示意图；
图4至图8为本申请实施例3提供的单光子雪崩二极管单元的制备方法过程中的纵截面结构示意图；
图9为本申请实施例4提供的单光子雪崩二极管探测器的制备方法过程中的纵截面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本实用新型的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
实施例1
本申请实施例1提供了一种单光子雪崩二极管单元，图1为本申请实施例1中提供的单光子雪崩二极管单元100的纵截面结构示意图，如图1所示，单光子雪崩二极管单元100在纵截面上包括：
衬底101；设置在所述衬底101上表面的外延层102，在所述外延层102中设置有第一阱区103；这里，衬底101可以为P型衬底或N型衬底，衬底101可以为硅、锗硅、砷化镓、氮化镓或铟砷化镓中的任意一种半导体衬底，对应的，衬底101上表面的外延层102可以为P型外延层或N型外延层。第一阱区103位于外延层中间，远离外延层的上下表面，沿横向X方向延伸，其掺杂类型可以是P型或N型。
分别位于所述第一阱区103上表面、所述第一阱区103下表面的正向第二阱区114、反向第二阱区124；其中，所述第一阱区103、所述正向第二阱区114、所述反向第二阱区124的第一侧S1纵向齐平；所述第一阱区103与所述正向第二阱区114、所述反向第二阱区124之间分别形成PN结结构；在本实施例中，正向第二阱区114与反向第二阱区124的宽度均小于所述第一阱区103的宽度，也就是说，第一阱区103与正向第二阱区114、反向第二阱区124在第一侧S1纵向对齐，第一阱区103在第二侧S2突出正向第二阱区114和反向第二阱区124设置。所述正向第二阱区114和所述反向第二阱区124的掺杂类型相同，且均与第一阱区103的掺杂类型相反，因此，在正向第二阱区114与第一阱区103之间形成PN结结构，并且在第一阱区103与反向第二阱区124之间形成PN结结构，如此，在本实施例提供的单光子雪崩二极管单元结构中，结合了第一阱区103与上方的正向第二阱区114以及下方的反向第二阱区124之间的两个雪崩倍增区，由于雪崩区域的深度不同，对应不同区域的吸收效果也不同，提高了SPAD单元对不同波段范围光子的响应效率。此外，由于第一阱区103与正向第二阱区、反向第二阱区之间的该两个雪崩倍增区离单元的表面较远，减小了工艺过程中因为硅表面缺陷和离子杂质对雪崩倍增区的影响，有效地改善了单元的暗计数。
在所述第一阱区103的第二侧S2、自所述第一阱区103下表面沿纵向延伸至所述外延层102上表面的第一高压阱区105；在所述第一高压阱区105顶部设置有第一电极接触107，用于将第一阱区103的电信号引出，第一高压阱区105的掺杂类型与第一阱区相同，例如，第一阱区和第一高压阱区的掺杂类型均为N型，此时第一电极接触为阴极接触。在所述反向第二阱区124的第一侧S1、自所述反向第二阱区124下表面沿纵向延伸至所述外延层102上表面的第二高压阱区106；在所述第二高压阱区106顶部设置有第二电极接触108，用于将正向第二阱区114和反向第二阱区124的电信号引出，第二高压阱区106的掺杂类型与正向第二阱区、反向第二阱区相同，例如，第二高压阱区的掺杂类型为P型，此时，第二电极接触为阳极接触。示例性地，第一电极接触107、第二电极接触108的上表面与外延层102上表面齐平。
在本实施例中，第一高压阱区105沿Z方向延伸，在Z方向的深度远大于第一阱区103在Z方向的深度，而第一阱区103在X方向的宽度远大于第一高压阱区105；同样，第二高压阱区106沿Z方向延伸，其在Z方向的深度远大于正向第二阱区114、反向第二阱区124，而正向第二阱区114、反向第二阱区124沿X方向的宽度远大于第二高压阱区106。第一高压阱区105的掺杂类型与第一阱区103相同，且掺杂浓度大于第一阱区103，第二高压阱区106的掺杂类型与正向第二阱区、反向第二阱区相同，且掺杂浓度大于正向第二阱区、反向第二阱区。第一阱区103与上方的正向第二阱区114以及下方的反向第二阱区124之间形成两个雪崩倍增区，且正向第二阱区114和反向第二阱区124共用一个第二高压阱区106连接到第二电极接触108，连通到外部电路，有效地减小了大规模阵列集成的面积，提高芯片产品的集成度。
图2A为本申请实施例1提供的光子雪崩二极管单元顶表面的横截面结构示意图，图2B为本申请实施例1提供的光子雪崩二极管单元沿A-A面的横截面结构示意图，其中，114’为正向第二阱区114在103上表面的位置关系，参考图1至图2B可知，本实施例中的SPAD单元的横截面为方形，在空间中，第一电极接触107四周被第一高压阱区105环绕，第二电极接触108四周被第二高压阱区106环绕。第一高压阱区105包括第二侧S2和第四侧S4两部分构成的V型结构，相应地，第二高压阱区106包括第一侧S1和第三侧S3两部分构成的V型结构，且第一高压阱区105与第二高压阱区106在空间结构上无接触。第一阱区103的横截面积大于正向第一阱区114与反向第二阱区124，既，第一阱区103在第一侧S1和第三侧S3与正向第二阱区114和反向第二阱区124对齐，第一阱区103在第二侧S2和第四侧S4突出正向第二阱区114和反向第二阱区124设置，使得第一高压阱区105在第二侧S2和第四侧S4均直接连接第一阱区103，而正向第二阱区114和反向第二阱区124在第一侧S1和第三侧S3共用第二高压阱区106。
在一些实施例中，所述单光子雪崩二极管单元100还包括：位于每一所述单光子雪崩二极管单元100四周的深隔离槽结构(DTI)109，所述深隔离槽结构109贯穿所述外延层102及所述衬底101设置。DTI用于在SPAD之间起屏蔽作用，阻止一个SPAD中的信号进入相邻的SPAD，以减少串扰。应当理解的是，本实施例中DTI将由其边缘的任一侧的SPAD沿着给定边缘进行共享，即，在DTI的一侧的外延层为该侧SPAD的一部分，而在DTI的另一侧的外延层为另一侧SPAD的部分。
在一些实施例中，单光子雪崩二极管单元的横截面形状还可以是圆形，多边形等多种形状中的一种。
本申请实施例提供的单光子雪崩二极管单元结构结合了第一阱区与上方的正向第二阱区以及下方反向第二阱区之间的两个雪崩倍增区，由于雪崩区域的深度不同，对应不同区域的吸收效果也不同，提高了SPAD单元对不同波段范围光子的响应效率。并且在不增加单元面积的情况下，提供了更多的雪崩面积，提高了SPAD单元对近红外光子的探测效率。正向第二阱区、反向第二阱区与第一阱区之间的两个雪崩倍增区离单元的表面较远，减小了工艺过程中因为硅表面缺陷和离子杂质对雪崩倍增区的影响，有效地改善了单元的暗计数。正向第二阱区和反向第二阱区通过共用一个第二高压阱区连接到第二电极，连通到外部电路，有效地减小了大规模阵列集成的面积，提高芯片产品的集成度。此外，本申请实施例提供的SPAD单元的制备工艺与COMS工艺兼容，为大规模量产和应用提供可能。
实施例2
本申请实施例提供一种单光子雪崩二极管探测器，图3为实施例2提供的单光子雪崩二极管探测器的横截面结构示意图，参考图3，单光子雪崩二极管探测器200中包括若干个如上所述的单光子雪崩二极管单元100，若干个所述单光子雪崩二极管单元100呈阵列分布，在本实施例中，单光子雪崩二极管单元100的结构与实施例1相同，单光子雪崩二极管探测器200中包括4个SPAD单元100，且4个SPAD单元呈2×2阵列分布，在一些实施例中，SPAD单元的个数可以是其他数量，例如6个、8个、10个等，在此不做限制。
实施例3
本申请实施例3提供一种单光子雪崩二极管单元的制备方法，图4至图9为本申请实施例3提供的单光子雪崩二极管单元100的制备方法过程中的结构示意图，所述制备方法包括：
步骤S1、如图4所示，在衬底上沉积形成外延层，在所述外延层中注入第一阱区。衬底101可以为P型衬底或N型衬底，衬底101可以为硅、锗硅、砷化镓、氮化镓或铟砷化镓中的任意一种半导体衬底，在衬底101上沉积形成的外延层102可以为与衬底110的掺杂类型一致的P型或N型外延层。通过离子注入在外延层201中形成第一阱区，这里第一阱区位于外延层中间，远离外延层上下表面，沿横向X方向延伸，第一阱区的掺杂类型可以为P型或N型，在此不做限制。
步骤S2、分别在所述第一阱区的上表面和下表面注入正向第二阱区和反向第二阱区，使得所述第一阱区的第一侧和第三侧与所述正向第二阱区、反向第二阱区齐平；参见图5，分别在第一阱区103的上表面和下表面通过离子注入形成正向第二阱区114和反向第二阱区124。这里，第一阱区103的横向宽度大于正向第二阱区114和反向第二阱区124，且在X-Z平面内，第一阱区103的第一侧与正向第二阱区114反向第二阱区124齐平，应当理解的是，在空间中，第一侧S1与第二侧S2相对，第三侧S3与第四侧S4相对，也就是说，在空间中，第一阱区10与正向第二阱区114、反向第二阱区124在第一侧和第三侧齐平设置，而在第二侧和第四侧突出正向第二阱区114、反向第二阱区124设置。
步骤S3、自所述第一阱区的下表面沿纵向注入第一高压阱区至所述外延层的上表面，所述第一高压阱区围绕所述第一阱区第二侧和第四侧；参见图6，通过离子注入在第一阱区103的第二侧S2和第四侧形成围绕第一阱区103的第一高压阱区105。第一高压阱区105的下表面与第一阱区103的下表面齐平，沿纵向Z延伸至外延层102的上表面，其纵向深度远大于横向宽度。第一高压阱区105的掺杂类型和第一阱区103相同，掺杂浓度大于第一阱区103。
步骤S4、自所述反向第二阱区下表面沿纵向注入第二高压阱区至所述外延层的上表面，所述第二高压阱区围绕所述正向第二阱区、第一阱区及反向第二阱区的第一侧和第三侧；参见图7，通过离子注入在正向第二阱区114、反向第二阱区124的第一侧S1和第三侧形成围绕述正向第二阱区、第一阱区及反向第二阱区的第二高压阱区106。第二高压阱区106的下表面与反向第二阱区124的下表面齐平，沿纵向延伸至外延层102的上表面，其纵向深度远大于横向宽度，第二高压阱区106的掺杂类型与正向第二阱区、反向第二阱区相同，掺杂浓度高于正向第二阱区、反向第二阱区。
步骤S5、分别在所述第一高压阱区、所述第二高压阱区的顶部设置第一电极接触、第二电极接触。参见图8，在第一高压阱区105的顶部设置第一电极接触107，第一电极接触107的四周围绕第一高压阱区107，用于将第一阱区103的电信号引出。在第二高压阱区106的顶部设置第二电极接触108，第二电极接触108的四周围绕第二高压阱区106，用于将正向第二阱区114和反向第二阱区124的电信号引出。
实施例4
本申请实施例4提供一种单光子雪崩二极管探测器的制备方法，其中，所述单光子雪崩二极管探测器200中包括多个采用如实施例3的制备方法得到的单光子雪崩二极管单元100，参见图9，方法包括：
刻蚀每一所述单光子雪崩二极管单元100的四周，形成贯穿外延层102及衬底101的深隔离槽109结构。
以上所述仅是本实用新型的优选实施例而已，并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种单光子雪崩二极管单元，其特征在于，所述单光子雪崩二极管单元在纵截面上包括：
衬底；
设置在所述衬底上表面的外延层，在所述外延层中设置有第一阱区；
分别位于所述第一阱区上表面、所述第一阱区下表面的正向第二阱区、反向第二阱区；其中，所述第一阱区、所述正向第二阱区、所述反向第二阱区的第一侧纵向齐平；所述第一阱区与所述正向第二阱区、所述反向第二阱区之间分别形成PN结结构；
在所述第一阱区的第二侧、自所述第一阱区下表面沿纵向延伸至所述外延层上表面的第一高压阱区；在所述第一高压阱区顶部设置有第一电极接触；
在所述反向第二阱区的第一侧、自所述反向第二阱区下表面沿纵向延伸至所述外延层上表面的第二高压阱区；在所述第二高压阱区顶部设置有第二电极接触。
2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管单元，其特征在于：
所述正向第二阱区与所述反向第二阱区的掺杂类型相同，所述第一阱区的掺杂类型与所述正向第二阱区、所述反向第二阱区均相反；
所述第一高压阱区的掺杂类型与第一阱区相同，所述第二高压阱区的掺杂类型与所述正向第二阱区、所述反向第二阱区相同。
3.根据权利要求2所述的单光子雪崩二极管单元，其特征在于，所述正向第二阱区与所述反向第二阱区的横向宽度均小于所述第一阱区。
4.根据权利要求3所述的单光子雪崩二极管单元，其特征在于，所述衬底为硅、锗硅、砷化镓、氮化镓或铟砷化镓中的任意一种半导体衬底。
5.根据权利要求4所述的单光子雪崩二极管单元，其特征在于，所述单光子雪崩二极管单元还包括：位于每一所述单光子雪崩二极管单元四周的深隔离槽结构，所述深隔离槽结构贯穿所述外延层及所述衬底设置。
6.根据权利要求5所述的单光子雪崩二极管单元，其特征在于，所述单光子雪崩二极管单元的横截面形状是方形，圆形或多边形。
7.一种单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述单光子雪崩二极管探测器中包括若干个如权利要求1所述的单光子雪崩二极管单元，若干个所述单光子雪崩二极管单元呈阵列分布。
8.根据权利要求7所述的单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述单光子雪崩二极管探测器中的单光子雪崩二极管探单元数量为4个，4个所述单光子雪崩二极管探单元呈2×2阵列分布。
Priority Applications (1)
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| CN202321821796.8U CN220474635U (zh) | 2023-07-12 | 2023-07-12 | 一种单光子雪崩二极管单元及探测器 |
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