[发明专利]硅基近红外单光子雪崩二极管探测器及其制作方法

说明书

本发明公开了硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，属于光电探测技术领域，该单光子雪崩二极管探测器包括设置在P型衬底的上方的P型外延层，在P型衬底与P型外延层之间设置N+埋层区，在N+埋层区上对称设置深N阱区，在N+埋层区上的中心位置设置深P阱区，深P阱区与N+埋层区之间形成雪崩区。本发明的单光子雪崩二极管探测器在深P阱与N+埋层之间形成深的雪崩区，同时利用低掺杂且分布均匀的P型外延层作为虚拟保护环来提高近红外光子探测效率，缩小器件尺寸和减小暗计数噪声；本发明的制作方法可基于标准硅基工艺制作，具有低成本、高集成度、低功耗和近红外探测能力等优点。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及硅基近红外单光子雪崩二极管探测器及其制作方法。

背景技术

单光子雪崩光电二极管（即：single photon avalanche diodes，SPAD）具有响应速度快、雪崩增益大、探测效率高、体积小、质量轻、功耗低等特点已成为制作单光子探测器的最佳器件。

SPAD探测器可以探测非常微弱的光子（达到单光子的量级），并对成像目标的光场在时间和空间上进行采样和计算，最后得到所需要的高质量成像结果，因此它在量子通讯、天文探测、生物波导、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射和量子密钥分配系统等领域显示出广泛的应用前景。基于硅基工艺制作的SPAD探测器具有低成本、高集成度、低功耗的特性已成为了国内外研究的热点。

然而基于硅基工艺的SPAD探测器对近红外波段的光子探测效率很低，很难满足具有人眼安全的工作要求。影响硅基SPAD探测器光子探测效率的因素有以下两方面：（1）雪崩区结深较浅不利于吸收近红外长波光子；（2）雪崩区的面积较小。

传统SPAD结构通过P+/N阱之间或者P阱/深N阱之间形成雪崩区，雪崩区较浅且面积较小，导致对于900nm近红外短波光子探测效率小于5%。尽管深N阱/P型外延层器件结构提供了结深较深的雪崩区，且雪崩区较宽，虽然提高了近红外光子的探测效率，但器件外延层必须接地，器件不能自隔离，导致探测器不能实现大规模集成。此外，在保证SPAD探测器的光子探测效率增长的同时，还要确保SPAD探测器串扰率、暗计数率等其他性能不受影响。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，针对传统硅基集成单光子雪崩二极管探测器对近红外光子探测效率低的问题，利用硅基集成电路工艺的N+埋层和深P阱之间形成的深PN结作为器件的雪崩区，并利用低掺杂且分布均匀的P型外延层作为虚拟保护环来提高对近红外光子的探测效率，缩小器件尺寸和降低暗计数噪声。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，包括设置在P型衬底的上方的P型外延层，在所述的P型衬底与P型外延层之间设置N+埋层区，在所述的N+埋层区上对称设置深N阱区，在N+埋层区上的中心位置设置深P阱区，所述的深P阱区与N+埋层区之间形成雪崩区。

进一步地，所述的深P阱区与两侧的深N阱区间隔设置，在深P阱区于深N阱区之间保留P型外延层，作为虚拟保护环区域。

进一步地，所述的深P阱区与深N阱区的上下端面平齐。

进一步地，在所述的深P阱区中间位置设置中心浅P阱区，在所述的中心浅P阱区中间位置设置中心P+区。

进一步地，在所述的深N阱区中间位置均设置浅N阱区，在所述的浅N阱区中间位置均设置N+区，在所述的N+区的两侧均设置浅沟槽隔离区；在所述的深N阱区的外侧均设置侧面浅P阱区；在所述的侧面浅P阱区中间位置均设置侧面P+区。