[发明专利]一种背面照射的单光子雪崩二极管及其制作方法

说明书

本发明公开了一种背面照射的单光子雪崩二极管及其制作方法，属于单光子探测技术领域。该背面照射的单光子雪崩二极管，包括P型外延层，在所述的P型外延层的内部设置P+重掺杂区，在所述的P+重掺杂区的外围同轴设置P‑低掺杂区，在所述的P‑低掺杂区的下方同轴设置P型雪崩掺杂区，在所述的P+重掺杂区的两侧设置N+重掺杂区，在所述的N+重掺杂区的下方同轴设置N阱区，在所述的P型雪崩掺杂区下方间隔设置N型雪崩掺杂区，在所述的N型雪崩掺杂区的下方设置N‑低掺杂区。本发明采用光从背面照射的方式，优化器件结构，将器件的外围电路集成在器件的下方。提高了器件的探测效率。P型雪崩掺杂区、P型外延层中心区与N型雪崩掺杂区形成雪崩结，采用次结构显著降低器件的暗计数率。

技术领域

本发明属于单光子探测技术领域，具体涉及一种背面照射的低暗计数率单光子雪崩二极管及其制作方法。

背景技术

单光子探测技术在国防建设、工业和民用生活领域具有广泛的应用前景，比如:量子密钥分发、激光雷达、荧光寿命成像和三维视觉系统等。基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管(single photon avalanche photodiode,记为SPAD)作为单光子探测的一类核心器件，愈加受到研究人员的关注和重视。盖革模式下的单光子雪崩二极管是一种能探测极微弱光信号的探测器，它具有内部增益大、灵敏度高、响应速度快、探测效率高、噪声低、体积小、结构坚固以及易于集成等优点。随着单光子探测应用领域的不断扩展，对SPAD的性能要求也越来越高，暗计数率特性是判断SPAD器件性能的核心参数之一。暗计数较小的器件，能更好的排除噪声信号的干扰，准确的探测到信号光。

传统的单光子雪崩二极管暗计数率较高，而且目前研究较多的为光正面照射的单光子雪崩二极管，这种结构的单光子雪崩二极管与淬灭电路和读出电路集成时，电路被制造在单光子雪崩二极管的周围，单光子雪崩二极管的感光区域只占整个像素的一小部分，使得其探测效率很低。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有单光子雪崩二极管结构存在的不足，提出一种背面照射的单光子雪崩二极管及其制作方法，使器件在常温下具有更低的暗计数率和更高的探测效率。本发明采用P型雪崩掺杂区、P型外延层中心区与N型雪崩掺杂区，可得到较低的雪崩区电场，避免隧穿效应的产生，从而降低器件的暗计数率。采用光从器件背面照射的方式，将电路集成在器件的下方，可以有效提高器件的探测效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

背面照射的单光子雪崩二极管，包括P型外延层，在所述的P型外延层的内部设置P+重掺杂区，在所述的P+重掺杂区的外围同轴设置P-低掺杂区，在所述的P-低掺杂区的下方同轴设置P型雪崩掺杂区，在所述的P+重掺杂区的两侧设置N+重掺杂区，在所述的N+重掺杂区的下方同轴设置N阱区，在所述的P型雪崩掺杂区下方间隔设置N型雪崩掺杂区，在所述的N型雪崩掺杂区的下方设置N-低掺杂区。

进一步地，所述的P+重掺杂区被包含在P-低掺杂区的内部。

进一步地，所述的P型雪崩掺杂区与P-低掺杂区、N型雪崩掺杂区与N-低掺杂区均有部分重叠。

进一步地，所述的P型外延层中心区为P型外延层的一部分。

进一步地，所述的P型雪崩掺杂区与N型雪崩掺杂区中间被外延层中心区间隔开。

进一步地，在所述的N+重掺杂区上端引出阴极；在所述的P+重掺杂区上端引出阳极。

进一步地，所述的背面照射的单光子雪崩二极管的制作方法，包括以下步骤：

1)用外延工艺生长出P型外延层；

2)在P型外延层(1)上端面热生长二氧化硅层；

3)在二氧化硅层上旋涂光刻胶，通过掩模版选择性曝光和显影，暴露出P+重掺杂区(2)所在区域的二氧化硅层；