[发明专利]一种近红外宽光谱的CMOS单光子雪崩二极管探测器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种近红外宽光谱的CMOS单光子雪崩二极管探测器，包括同轴设置的呈圆柱形的P型衬底、P外延区、深N阱区、中心N阱区、N+区以及圆环形的第一P阱区、侧N阱区、第二P阱区和P+区。本发明提出的SPAD探测器在深N阱与P‑外延层之间形成深的主雪崩区，可探测近红外短波光子；同时深N阱内部有两个浅的次雪崩环区，可探测短波光子，从而实现从蓝光到近红外短波的宽光谱光子探测。本发明可在标准CMOS工艺制作，具有集成度高、功耗低、抗干扰能力强等优点。

技术领域

本发明涉及一种近红外宽光谱的CMOS单光子雪崩光电二极管探测器及其制作方法，属于光电技术领域。

背景技术

单光子雪崩二极管(SPAD)探测器件具有探测效率高、响应速度快、功耗低等优点，已广泛应用于生物医学、军事和光通信等领域。基于CMOS工艺的SPAD探测器可以将SPAD器件和淬灭、计数以及读出等电路集成在一个芯片内，从而实现低成本、高集成度和高可靠性的阵列探测器。然而在距离测量、荧光寿命分析、光学层析成像和光纤通信等特定应用领域，为了避免SPAD探测器的激光光源对人眼的伤害，激光波长一般要求在1.5μm-2.5μm的红外波段，但是基于CMOS工艺的硅基雪崩二极管无法探测红外波段的光子。近红外波段激光虽然对人眼有一定的伤害，但伤害程度比蓝光有很大程度的降低。例如采用0.7μm-1.4μm的近红外激光，在测距或3D成像时可明显减小对人眼的伤害；在生物荧光寿命成像和光学层析成像时可以减少细胞损伤，并可深入组织中探测。然而传统的CMOS SPAD结构通过浅源/漏区与N阱之间或者P阱和深N阱之间形成雪崩区，由于雪崩区结深较浅，只能对蓝光和绿光进行响应，对于近红外短波光子探测效率非常低。为了实现对近红外短波光子的探测，非常迫切需要一种深结的高灵敏度的CMOS单光子雪崩二极管探测器。

发明内容

本发明旨在针对传统CMOS SPAD探测器不能探测近红外短波光子的问题，提出了一种近红外宽光谱的CMOS单光子雪崩二极管探测器及其制作方法。该探测器通过P-外延层区与深N阱区之间形成的PN结作为主雪崩区，可实现对近红外短波光子的探测。而且探测器的雪崩区面积较大，雪崩电场强，可实现高的光子探测效率。

技术方案：

一种近红外宽光谱的CMOS单光子雪崩二极管探测器，包括同轴设置的呈圆柱形的P型衬底、P外延区、深N阱区、中心N阱区、N+区以及圆环形的第一P阱区、侧N阱区、第二P阱区和P+区；

所述P-外延层区设置在所述P型衬底的上方，在所述P型衬底与所述P-外延层区之间的中间设置有P+埋层区；所述深N阱区设置在所述P-外延层的中间位置位于所述P+埋层区上端，所述深N阱区与所述P+埋层区之间设有间隙；所述中心N阱区设置在所述深N阱区上部中间位置，所述第一P阱区设置在所述中心N阱区外侧，所述侧N阱区设置在所述第一P阱区外侧，所述侧N阱区的外径小于所述深N阱区的直径，所述侧N阱区、第一P阱区和中心N阱区的上下端面平齐；在所述深N阱区表面设置有N+区，所述N+区的下端面与所述侧N阱区、第一P阱区、中心N阱区均接触，所述N+区的直径大于所述深N阱区的直径；在所述P-外延层上部位于所述深N阱区外侧设置有第二P阱区，在所述第二P阱区表面设置有P+区，所述第二P阱区的上端面与所述N阱区的上端面平齐，所述P+区的上端面与所述N+区的上端面平齐；在所述P+区内外侧上均设置有浅沟槽隔离区，所述浅沟槽隔离区的上端面与所述P+区的上端面平齐，所述浅沟槽隔离区的下端面深于所述P+区的下端面；在所述P+区上端引出阳极，在所述P阱区的上端引出阴极。

所述P+埋层区的形状为圆柱形或椭球形。

所述CMOS单光子雪崩二极管探测器长26μm，深11μm；其中P+埋层区长9μm，深N阱区长10μm，中心N阱区长2μm，第一P阱区长3μm，侧N阱区长1μm，N+区长11μm，第二P阱区长2μm，P+区长1μm，P+区左右侧的浅沟槽隔离区长分别为0.5μm、1.5μm，阳极长0.5μm，阴极长0.5μm；所述长度为所述探测器横截面横向长度。