[发明专利]硅基雪崩光电探测器阵列及其制作方法

说明书

本发明提供了一种硅基雪崩光电探测器阵列及其制作方法，硅基雪崩光电探测器阵列的器件主体结构为在SiO₂/Si复合衬底上形成有外延Si层的晶片结构，该晶片结构是通过键合技术而形成的外延Si/SiO₂/Si材料结构，基于该晶片结构的硅基雪崩光电探测器阵列包括：SiO₂/Si复合衬底；雪崩光电探测器(APD)单元，其在SiO₂/Si复合衬底上呈阵列状排布；沟槽结构，其围绕APD单元形成；其中，沟槽结构的侧壁面和底部均淀积高反介质膜。由此，通过沟槽结构的高反介质膜阻挡邻近APD单元间的侧向光串扰，通过基于SiO₂/Si复合衬底的SiO₂键合界面阻挡二次光子经由衬底进入邻近APD，从而有效截断了APD单元间的串扰路径，不仅APD阵列的整体性能提升，而且有利于大面阵的APD阵列的紧凑集成而提高量产性。

技术领域

本发明涉及硅基雪崩光电探测器技术领域，尤其涉及一种基于键合技术而将外延Si层转移到SiO₂/Si复合衬底上的、消除了光电串扰的雪崩光电探测器阵列及其制作方法。

背景技术

雪崩光电探测器(Avalanche Photodiode，APD)因其具有灵敏度高、体积小、增益大等一系列优点，而实现了对微弱信号的高效探测，由此，已经广泛应用于光纤通信、激光测距、激光引信、光谱测量、遥感测量、医学影象诊断、环境监测和军事侦察等方面，是激光强度定向测距(Laser Intensity Direction and Ranging，LIDAR，即激光雷达)系统、3D激光扫描系统、核医学成像系统、高能物理系统等高新技术实践中的核心器件。相对于此，红外焦平面技术的发展比较成熟，大面阵的红外焦平面探测器也已经在激光雷达、激光测距等需要高清晰度成像的领域大量应用。然而，近年来伴随成像性能的提高而对核心成像器件的要求也随之而升，例如，对成像光电器件的响应度、带宽、增益等要素也提出了新的要求，这样一来，APD阵列会以大增益小体积的优势引导激光成像的未来发展趋势，无论是在线性工作还是盖革模式工作，会有着比红外焦平面探测器更广泛的应用前景。

另一方面，在APD阵列中APD单元呈阵列状排列，而邻近的APD单元之间的间隔不足以抑制这些邻近单元间的光电串扰，这样的光电串扰会使APD阵列系统的性能降低从而影响整个成像系统的响应度、线性度等特性。因而，为了消除上述的光电串扰的影响，本领域技术人员进行了各种实践，这些实践的结果体现在美国专利US7576371B1、US9395182B1以及欧洲专利申请EP3002794A1等现有技术的文献中，例如在APD结构中设置绝缘沟槽、反射镜等阻挡结构以防止光子(二次光子)经由特定光学效应而行进至邻近的APD单元，这些手段尽管在一定程度上减小了邻近单元间的光电串扰，但因为二次光子的形成主要是APD工作时，入射光子被吸收层吸收后，在倍增层发生离化碰撞从而实现光生载流子的倍增、且各载流子在PN结反向偏压下，均会以某概率发出二次光子，此二次光子会各向同性地从任何可能的通道进入邻近APD单元，而这些阻挡结构不能完全防止二次光子进入邻近单元，故如何有效彻底地防止APD阵列中邻近APD单元间的光电串扰仍然是本技术领域目前面临的一个课题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种硅基雪崩光电探测器阵列及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种硅基雪崩光电探测器阵列，包括：SiO₂/Si复合衬底；APD单元，其在SiO₂/Si复合衬底上呈阵列状排布；沟槽结构，其围绕APD单元形成；其中，沟槽结构的侧壁面和底部均淀积高反介质膜。

在本发明的某实施例中，沟槽结构的底部与SiO₂/Si复合衬底接触，沟槽结构在由高反介质膜构成的沟槽空间填充绝缘介质。