TWM625342U - 單光子崩潰二極體 - Google Patents

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Abstract

一種單光子崩潰二極體包括N型半導體井層、P型半導體井層以及P型側摻雜層。P型半導體井層配置於N型半導體井層上。P型側摻雜層配置於N型半導體井層與P型半導體井層之間。P型側摻雜層的深度小於P型半導體井層的深度。P型側摻雜層的P型摻雜濃度大於P型半導體井層的P型摻雜濃度。

Description

單光子崩潰二極體
本新型創作是有關於一種光二極體（photodiode），且特別是有關於一種單光子崩潰二極體（single photon avalanche diode，SPAD）。
在半導體元件的製程中，會在半導體中摻入雜質原子，以形成P型或N型半導體區域。其中，離子植入法（ion implantation）是以電場加速離子化的雜質原子，將雜質原子打入半導體基板中，使雜質原子擴散進入半導體基板內部。
當光子照射在單光子崩潰二極體上，與電洞分離的電子進入PN接面（p-n junction）處之空乏區（depletion region）時，電子被空乏區內的電場大幅地加速而撞擊其他原子，使其他原子游離出更多的電子，而形成崩潰電流（avalanche current）。崩潰電流的電流值遠大於原始的光電流，進而能夠有效提升感應靈敏度。
在單光子崩潰二極體的元件製造過程中，為了製作出深的PN接面來吸收更多的光子，通常會進行多道離子植入。離子植入後的退火（annealing）程序，則是藉由加熱矽基板，修補離子植入過程中產生的晶格缺陷，並且可以讓植入的雜質原子擴散。如果加熱時間不夠長，植入的雜質原子就不會完全均勻擴散，而形成一些載子濃度較高的區域。在P型半導體區域中，這些載子濃度較高的區域會對電子形成能障，使得在表層產生的光電子易從側向流走，而不會到達崩潰區（即空乏區）產生崩潰訊號，造成光子偵測率（photon detection probability，PDP）的損失。
本新型創作提供一種單光子崩潰二極體，其可以提升光子偵測率。
在本新型創作的一實施例中，單光子崩潰二極體包括N型半導體井層、P型半導體井層以及P型側摻雜層。P型半導體井層配置於N型半導體井層上。P型側摻雜層配置於N型半導體井層與至少一部分的P型半導體井層之間。P型側摻雜層的深度小於P型半導體井層的深度。P型側摻雜層的P型摻雜濃度大於P型半導體井層的P型摻雜濃度。
基於上述，在本新型創作的實施例的單光子崩潰二極體中，由於P型側摻雜層配置於N型半導體井層與至少一部分的P型半導體井層之間，而且P型側摻雜層的P型摻雜濃度大於P型半導體井層的P型摻雜濃度，因此可以阻擋P型半導體井層中形成的光電子經由側邊進入N型半導體井層，使光電子有效地進入PN接面形成的崩潰區（即強電場區）而被加速，引發崩潰電流，提升光子偵測率。
圖1A是依照本新型創作一實施例的單光子崩潰二極體的剖面示意圖，圖1B是圖1A的單光子崩潰二極體的摻雜濃度分佈圖。請參照圖1A及圖1B。圖中的x是平行單光子崩潰二極體的表面的位置，y是垂直單光子崩潰二極體的表面的深度位置。圖1B左上角的數值是標示載子濃度，單位為cm -3，其中負值是代表P型摻雜，正值則是代表N型摻雜。單光子崩潰二極體100包括N型半導體井層110、P型半導體井層120以及P型側摻雜層130。P型半導體井層120配置於N型半導體井層110上。P型側摻雜層130配置於P型半導體井層的內部120內部，且靠近N型半導體井層110。P型側摻雜層130的深度d1小於P型半導體井層120的深度d2。在圖1A與圖1B的實施例中，P型側摻雜層130的深度d1約為2.5微米，P型半導體井層120的深度d2約為3微米。此外，P型側摻雜層130的P型摻雜濃度大於P型半導體井層120的P型摻雜濃度。
在本實施例中，P型半導體井層120與N型半導體井層110之間形成一PN接面J，且PN接面J形成一崩潰區R。P型側摻雜層130配置於PN接面J上方靠近N型半導體井層110的一側。詳細而言，在本實施例中，N型半導體井層110包括底部112以及側壁114，P型半導體井層120配置於底部112上，側壁114環繞P型半導體井層120，P型側摻雜層130配置於PN接面J上方靠近側壁114處，且順著側壁114的形狀延伸。
在本實施例中，P型半導體井層120具有至少一高濃度區域122，P型半導體井層120在至少一高濃度區域122的P型摻雜濃度大於P型半導體井層120在至少一高濃度區域122附近的P型摻雜濃度，至少一高濃度區域122的延伸方向不同於P型側摻雜層130的延伸方向。當P型半導體井層120中形成的光電子在P型半導體井層120中移動，高濃度區域122會對電子形成橫向的能障，使電子朝側向移動的機率變高。在本實施例中，因為將P型側摻雜層130配置於PN接面J上方靠近N型半導體井層110的側壁114的一側，可以對電子形成縱向的能障，降低電子經由側邊進入N型半導體井層110的機率，使電子有效地進入PN接面J形成的崩潰區R，崩潰區R具有較強的電場，而使電子被加速，撞擊其他的原子，進而導致更多的電子游離，引發崩潰電流，提升光子偵測率。
在本實施例中，P型半導體井層120的底部與P型側摻雜層130的底部位於不同水平面。在本實施例中，P型半導體井層120的底部與P型側摻雜層130的底部之間的間距h是落在0.5微米至2微米的範圍內。舉例而言，圖1A的P型半導體井層120的底部與P型側摻雜層130的底部之間的間距h大約是0.5微米。因為P型側摻雜層130沒有接觸PN接面J，因此可以避免光電子在P型側摻雜層130與PN接面J接觸的地方觸發崩潰。
在本實施例中，P型半導體井層120的P型摻雜濃度是落在10 17cm -3至5×10 18cm -3的範圍內，且P型側摻雜層130的P型摻雜濃度是落在10 17cm -3至5×10 18cm -3的範圍內。舉例而言，在圖1A的實施例中，P型半導體井層120的P型摻雜濃度大約是2×10 17cm -3，P型側摻雜層130的P型摻雜濃度大約是6×10 17cm -3。在本實施例中，因為P型側摻雜層130的P型摻雜濃度大於P型半導體井層120的P型摻雜濃度，所以P型側摻雜層130會對P型半導體井層120中的光電子形成較高的能障，阻擋光電子經由P型側摻雜層130分部的區域進入N型半導體井層110。
在圖1A與圖1B的實施例中，單光子崩潰二極體100還包括P型重摻雜層140以及N型重摻雜層150。P型重摻雜層140配置於P型半導體井層120上。N型重摻雜層150配置於N型半導體井層110上。在本實施例中，P型側摻雜層130配置於P型重摻雜層140與N型重摻雜層150之間。在本實施例中，P型重摻雜層140的P型摻雜濃度大於P型側摻雜層130的P型摻雜濃度，且N型重摻雜層150的N型摻雜濃度大於N型半導體井層110的N型摻雜濃度。詳細而言，在本實施例中，N型半導體井層110包括底部112以及側壁114，P型半導體井層120配置於底部112上，側壁114環繞P型半導體井層120，N型重摻雜層150配置於側壁114的頂部。
圖2是圖1A的單光子崩潰二極體在同一剖面上的電流密度分佈圖。請參照圖2。相同地，圖中的x是平行單光子崩潰二極體的表面的位置，y是垂直單光子崩潰二極體的表面的深度位置。圖中左上角的數值是標示電流密度，單位為A‧cm -2。由圖中可看出，在P型半導體井層120中，靠近P型半導體井層120與N型半導體井層110的側壁114的界面處的區域，電流密度較低；靠近P型半導體井層120與N型半導體井層110的底部112的界面處的區域，也就是靠近PN接面J所形成的崩潰區R的區域，電流密度較高。此一現象代表光電子朝側邊移動的機率較小，朝下方崩潰區R移動的機率較大。因此，本實施例的單光子崩潰二極體100可使光電子有效地朝崩潰區R移動，提升光子偵測率。
圖3是一比較例的單光子崩潰二極體的剖面示意圖。在圖3的單光子崩潰二極體100’中，沒有配置P型側摻雜層130。圖4是圖3的單光子崩潰二極體在同一剖面上的電流密度分佈圖。由圖4中可看出，在P型半導體井層120’中，高濃度區域122’之間，靠近P型半導體井層120’與N型半導體井層110’的側壁114的界面處的區域，有電流密度較高的渠道，形成側向電子流I；在高濃度區域122’內，從P型重摻雜層140’往PN接面J’所形成的崩潰區R’的路徑上，有電流密度較低的區域。此一現象是P型半導體井層120’中橫向分佈的高濃度區域122’，對P型半導體井層120’中移動的光電子形成能障，導致光電子朝側邊移動的機率增加，朝側邊移動的光電子便無法進入到崩潰區R’，進而引發崩潰電流，因此降低了光子偵測率。在圖1A的單光子崩潰二極體中，元件的光子偵測率提升至2.1%，而在圖3的單光子崩潰二極體中，元件的光子偵測率是1.4%。
圖5繪示圖1A的單光子崩潰二極體與圖3的單光子崩潰二極體的光子偵測率與施加電壓的關係圖。圖5中的數據點反映出，在單光子崩潰二極體100元件中設置P型側摻雜層130，對於元件的光子偵測率PDP之影響。從圖5中可以看出，隨著施加電壓V ex的調變，圖1A的單光子崩潰二極體100的光子偵測率PDP（在圖5中標示為正方型數據點）總是大於圖3的單光子崩潰二極體100’的光子偵測率PDP（在圖5中標示為三角型數據點）。由此可知，依照本新型創作的實施例，在單光子崩潰二極體100元件中設置P型側摻雜層130，能夠有效地提升元件的光子偵測率。
在本實施例中，N型半導體井層110的材料例如為摻雜有磷、砷、銻或其組合的矽。P型半導體井層120的材料例如為摻雜有硼、銦或其組合的矽。P型側摻雜層130的材料例如為摻雜有硼、銦或其組合的矽。P型重摻雜層140的材料例如為摻雜有硼、銦或其組合的矽。N型重摻雜層150的材料例如為摻雜有磷、砷或其組合的矽。然而，本新型創作並不以上述材料為限。
綜上所述，在本新型創作的實施例的單光子崩潰二極體中，由於P型側摻雜層配置於PN接面上方靠近N型半導體井層的一側，而且P型側摻雜層的P型摻雜濃度大於P型半導體井層的P型摻雜濃度，因此可以阻擋P型半導體井層中形成的光電子經由側邊進入N型半導體井層，使光電子有效地進入PN接面形成的崩潰區而被加速，引發崩潰電流，提升光子偵測率。
100、100’:單光子崩潰二極體 110、110’:N型半導體井層 112:底部 114、114’:側壁 120、120’:P型半導體井層 122、122’:高濃度區域 130:P型側摻雜層 140、140’:P型重摻雜層 150:N型重摻雜層 d1、d2:深度 h:間距 I:側向電子流 J、J’:PN接面 R、R’:崩潰區 V ex:施加電壓 PDP:光子偵測率 x:位置 y:位置
圖1A是依照本新型創作一實施例的單光子崩潰二極體的剖面示意圖。 圖1B是圖1A的單光子崩潰二極體的摻雜濃度分佈圖。 圖2是圖1A的單光子崩潰二極體在同一剖面上的電流密度分佈圖。 圖3是一比較例的單光子崩潰二極體的剖面示意圖。 圖4是圖3的單光子崩潰二極體在同一剖面上的電流密度分佈圖。 圖5繪示圖1A的單光子崩潰二極體與圖3的單光子崩潰二極體的光子偵測率與施加電壓的關係圖。
100:單光子崩潰二極體
110:N型半導體井層
112:底部
114:側壁
120:P型半導體井層
122:高濃度區域
130:P型側摻雜層
140:P型重摻雜層
150:N型重摻雜層
d1、d2:深度
h:間距
J:PN接面
R:崩潰區

Claims (9)

  1. 一種單光子崩潰二極體，包括： 一N型半導體井層； 一P型半導體井層，配置於該N型半導體井層上； 一P型側摻雜層，配置於該P型半導體井層的內部，且靠近該N型半導體井層，該P型側摻雜層的深度小於該P型半導體井層的深度，該P型側摻雜層的P型摻雜濃度大於該P型半導體井層的P型摻雜濃度； 一P型重摻雜層，配置於該P型半導體井層上；以及 一N型重摻雜層，配置於該N型半導體井層上， 其中，該P型半導體井層與該N型半導體井層之間形成一PN接面，且該PN接面形成一崩潰區，該P型側摻雜層配置於該PN接面上方靠近該N型半導體井層的一側。
  2. 如請求項1所述的單光子崩潰二極體，其中該N型半導體井層包括： 一底部，其中該P型半導體井層配置於該底部上；以及 一側壁，環繞該P型半導體井層，該P型側摻雜層配置於該PN接面上方靠近該側壁處，且順著該側壁的形狀延伸。
  3. 如請求項1所述的單光子崩潰二極體，其中該P型半導體井層的底部與該P型側摻雜層的底部位於不同水平面。
  4. 如請求項3所述的單光子崩潰二極體，其中該P型半導體井層的底部與該P型側摻雜層的底部之間的間距是落在0.5微米至2微米的範圍內。
  5. 如請求項1所述的單光子崩潰二極體，其中該P型半導體井層的P型摻雜濃度是落在10 17cm -3至5×10 18cm -3的範圍內，且該P型側摻雜層的P型摻雜濃度是落在10 17cm -3至5×10 18cm -3的範圍內。
  6. 如請求項1所述的單光子崩潰二極體，其中該P型側摻雜層配置於該P型重摻雜層與該N型重摻雜層之間。
  7. 如請求項1所述的單光子崩潰二極體，其中該P型重摻雜層的P型摻雜濃度大於該P型側摻雜層的P型摻雜濃度。
  8. 如請求項1所述的單光子崩潰二極體，其中該N型半導體井層包括： 一底部，其中該P型半導體井層配置於該底部上；以及 一側壁，環繞該P型半導體井層，該N型重摻雜層配置於該側壁的頂部。
  9. 如請求項1所述的單光子崩潰二極體，其中該P型半導體井層具有至少一高濃度區域，該P型半導體井層在該至少一高濃度區域的P型摻雜濃度大於該P型半導體井層在該至少一高濃度區域附近的P型摻雜濃度，該至少一高濃度區域的延伸方向不同於該P型側摻雜層的延伸方向。
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