[发明专利]一种双结单光子雪崩二极管、探测器及制作方法

说明书

本发明公开了一种双结单光子雪崩二极管，该二极管的特点是在器件中形成双雪崩区，利用重掺杂n型埋层和高压p阱形成的PN结作为深雪崩区，高压p阱和n阱形成浅雪崩区。该双结二极管结构能够提高对近红外光子的探测效率，提高器件整体的光子探测效率，实现单光子的宽光谱响应，为实现低成本、高探测效率的激光测距、三维成像等提供可行的方案。本发明还公开一种双结单光子雪崩二极管探测器及制作方法。

技术领域

本发明涉及一种双结单光子雪崩二极管、探测器及制作方法，属于光电探测技术领域。

背景技术

单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）拥有雪崩增益大、响应速度快、探测效率高、体积小、质量轻、功耗低等优点，近年来成为制作单光子探测器的最优选。SPAD能够通过雪崩倍增放大光生信号，将微弱的光信号转化为可探测的电信号，实现对微弱光的有效探测。因此，SPAD被广泛应用于微弱光信号检测、激光测距和三维成像等领域。

现有的SPAD设计大多依赖于单一的浅结雪崩区进行单光子探测，使得器件的光谱响应在蓝光和绿光范围达到峰值，而长波光子在衬底深处被吸收，其产生的电子-空穴对难被探测，导致SPAD器件对近红外光子的探测效率很低。在SPAD的许多应用中，需要考虑发射激光光源对人眼的伤害，通常使用近红外短波激光作为发射激光光源。相比于蓝绿光，近红外光不仅对人眼伤害更小，且几乎不受外界的环境光影响，因而近红外单光子雪崩二极管成为高性能、高可靠性的探测器件的最佳选择之一，然而传统硅基SPAD器件对近红外光子的响应度很低，无法满足应用需求。因此，如何提高SPAD器件对近红外短波光子的高效率探测，从而实现宽光谱响应已成为硅基单光子探测器的主要发展方向之一。为了提高SPAD器件对近红外光子的探测效率，关键在于增加器件的结深，提高SPAD器件对近红外波段光子的探测效率。同时，也要提高对可见光的探测效率，实现宽光谱的单光子响应，满足不同应用领域的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对传统单光子雪崩二极管对近红外光子探测效率低的缺点，提出了一种双结单光子雪崩二极管、探测器及制作方法，能够在不影响对可见光的响应效率的同时，提高对近红外光子的探测效率。

一种双结单光子雪崩二极管，包括深雪崩区和浅雪崩区，所述深雪崩区包括p型衬底，所述p型衬底内设有p型埋层，所述p型埋层上方设有重掺杂n型埋层，所述重掺杂n型埋层上方设有高压p阱和轻掺杂p阱，所述轻掺杂p阱表面注入P+区，作为二极管的阳极，所述高压p阱外围设有高压n阱，所述高压n阱的表面注入重掺杂N+区，作为二极管的阴极；所述N+区和P+区之间设有浅沟槽隔离，所述高压p阱和重掺杂n型埋层的交界处形成深雪崩区；

所述浅雪崩区包括在所述轻掺杂p阱中设有n阱，所述n阱的表面设有N+区，作为二极管的阴极，所述高压n阱表面注入N+区，与n阱的表面设有N+区形成的阴极接同一电位，所述轻掺杂p阱表面注入P+区，作为二极管的阳极，在n阱和高压p阱的交界处形成浅雪崩区。

进一步地，所述p型衬底的上方还设有p型外延层。

进一步地，所述高压p阱和表面的P+区作为p型衬底的衬底电极。

进一步地，所述p型衬底采用硅、锗硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅和铟镓砷中的任意一种半导体材料。

进一步地，所述二极管形状为八边形、圆形和切角正方形中任意一种结构。

一种双结单光子雪崩二极管的探测器，包括上述任一所述的二极管。

进一步地，所述探测器包括：深雪崩区和浅雪崩区，所述深雪崩区包括p型衬底，所述p型衬底内设有p型埋层，所述p型埋层上方设有重掺杂n型埋层，所述重掺杂n型埋层上方设有高压p阱和轻掺杂p阱，所述轻掺杂p阱表面注入P+区，作为二极管的阳极，所述高压p阱外围设有高压n阱，所述高压n阱的表面注入重掺杂N+区，作为二极管的阴极；所述N+区和P+区之间设有浅沟槽隔离，所述高压p阱和重掺杂n型埋层的交界处形成深雪崩区；