[发明专利]一种针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管

说明书

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及到光电器件的结构，尤其涉及到一种针对长波段微弱光具有高探测效率的CMOS SPAD光电器件的设计。

背景技术

长波长的光能减小细胞损伤并且能更加深入组织，因此对于提高探测器在红外与近红外波段灵敏度的研究，在改善生物荧光寿命成像和光学断层扫描的质量方面有重大意义。

雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode，APD)是p-n结运行在反向偏压下的固态光电导器件，其偏压与内部增益有关，可实现对微弱光的探测并通过雪崩倍增放大光生信号。雪崩倍增原理即：入射光在反偏p-n结的耗尽区被吸收，并转化为电子空穴对，这些初级电子空穴对在强电场作用下作漂移运动，获得足够的能量后通过碰撞电离产生二级、三级新的电子空穴对，使电子空穴对数目呈指数倍增长。

根据p-n结上偏压大小的不同可工作在两种不同模式下：线性模式与盖革模式。线性模式的APD偏压接近击穿电压，能通过高电场引起的电离放大光生信号，但由于定时精度的不足与相当大的非均匀性使其不能用于单光子计数；运行在盖革模式下的APD叫做单光子雪崩二极管(SinglePhotonAvalanche Diode，SPAD)，即工作偏压高于击穿电压，产生的强电场足够使单个光生载流子引起自持的雪崩过程，迅速产生较大的宏观电流，从而实现单光子探测。SPAD 具备低功耗、小尺寸、高增益、受磁场影响小、工作电压低等优点，而且具有较高的光子探测效率和时间分辨率，目前作为一种理想的单光子探测器件成为热门研究对象，在临床影像学成像和光学层析成像上都具有重大的研究意义。

防止器件发生过早边缘击穿的SPAD保护环结构一般可分为：P阱保护环、N 阱保护环和STI保护环。STI保护环虽然有着相对较高填充因子，但由于APD的有源区与STI直接接触，自由载流子进入探测器的灵敏区导致暗计数率噪声较大，严重制约了探测器在微弱光探测领域的发展。P阱保护环结构的制作工艺比 N阱保护环更简单，且带有P阱保护环的SPAD具有更好的吸收效率。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高器件对长波段光波的吸收效率的方法。本发明的技术方案如下：

一种针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，包括P衬底层及深N阱层，所述深N阱层设置于P衬底层上，由P阱重掺杂区与深N阱构成PN结，作为雪崩倍增区，即作为工作二极管，P+区周围环绕轻掺杂P阱作为保护环；所述深N阱和P衬底之间的区域为屏蔽二极管区，阻止衬底光生载流子扩散至PN 结，所述P衬底上还设置有电极Vcathode。

进一步的，当入射光射入P+衬底层后在中等电场强度的深N阱区被吸收，产生的光生载流子向强电场区的雪崩倍增区移动。由于较长波段光产生的电子空穴在器件较深处形成，深N阱可对这部分较长波段光信号进行有效探测。

根据权利要求1或2所述的针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，其特征在于，所述深N阱掺杂浓度比P衬底的掺杂浓度大。

进一步的，所述P衬底层及深N阱层分别由硅材料构成，所述P阱重掺杂区由硅材料掺杂而成。

本发明的优点及有益效果如下：

传统的CMOS SPAD器件的有源区大多由浅的源/漏注入与N阱组成。该设计采用较深的P+层，提高了器件对长波段的灵敏度，并降低深N阱掺杂浓度，有效增大耗尽层厚度，从而提高器件对长波段光波的吸收效率。深N阱/P衬底可防止衬底少数载流子的扩散造成电荷串扰，提高器件的响应速度。

本发明所提出的针对长波段微弱光具有高探测效率的CMOS SPAD光电器件的设计与性能如下：

针对长波段微弱光具有高探测效率的CMOS SPAD光电器件的设计方法，其特征在于：采用P阱保护环可预防过早的边缘击穿效应，不仅能够增强器件的抗压性能，且使得APD器件拥有更好的吸收效率。达到增强探测效率的目的。

与传统的浅结CMOS APD器件相比，较深的P+层厚度可提高器件在长波段的灵敏度，低掺杂深N阱能增大耗尽层厚度，提升器件探测效率。可实现器件在长波段区域也具有较为乐观的探测效率及响应度特性等。

深N阱与衬底间的较大浓度差有利于提高载流子扩散速度，缩短器件的响应时间。深N阱与衬底形成的PN结可有效隔离衬底，降低衬底噪声。

通过工艺调整P+层厚度、深N阱浓度和深度，可调整器件的掺杂浓度、耗尽层厚度等基本参数，从而得到实现目标性能指标的器件结构。

附图说明