一种针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管制造技术

本发明专利技术请求保护一种针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，具体结构是：在P型衬底上制作深N阱，然后在深N阱内制作P型重掺杂区，由P+层与深N阱构成PN结，作为雪崩倍增区，P+区周围环绕轻掺杂P阱作为保护环，入射光射入器件后在中等电场强度的深N阱区被吸收，产生的光生载流子向强电场区的雪崩倍增区移动。由于较长波段光产生的电子空穴在器件较深处形成，该发明专利技术深N阱可对这部分光信号进行有效探测。深N阱/P衬底作为屏蔽二极管，阻止衬底光生载流子扩散至PN结，从而减少了衬底慢光生载流子扩散对光电探测器响应速度的影响。本发明专利技术提高器件在长波段的吸收效率。

【技术实现步骤摘要】
一种针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管
本专利技术属于光电探测
，涉及到光电器件的结构，尤其涉及到一种针对长波段微弱光具有高探测效率的CMOSSPAD光电器件的设计。
技术介绍
长波长的光能减小细胞损伤并且能更加深入组织，因此对于提高探测器在红外与近红外波段灵敏度的研究，在改善生物荧光寿命成像和光学断层扫描的质量方面有重大意义。雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode，APD)是p-n结运行在反向偏压下的固态光电导器件，其偏压与内部增益有关，可实现对微弱光的探测并通过雪崩倍增放大光生信号。雪崩倍增原理即：入射光在反偏p-n结的耗尽区被吸收，并转化为电子空穴对，这些初级电子空穴对在强电场作用下作漂移运动，获得足够的能量后通过碰撞电离产生二级、三级新的电子空穴对，使电子空穴对数目呈指数倍增长。根据p-n结上偏压大小的不同可工作在两种不同模式下：线性模式与盖革模式。线性模式的APD偏压接近击穿电压，能通过高电场引起的电离放大光生信号，但由于定时精度的不足与相当大的非均匀性使其不能用于单光子计数；运行在盖革模式下的APD叫做单光子雪崩二极管(SinglePhotonAvalancheDiode，SPAD)，即工作偏压高于击穿电压，产生的强电场足够使单个光生载流子引起自持的雪崩过程，迅速产生较大的宏观电流，从而实现单光子探测。SPAD具备低功耗、小尺寸、高增益、受磁场影响小、工作电压低等优点，而且具有较高的光子探测效率和时间分辨率，目前作为一种理想的单光子探测器件成为热门研究对象，在临床影像学成像和光学层析成像上都具有重大的研究意义。防止器件发生过早边缘击穿的SPAD保护环结构一般可分为：P阱保护环、N阱保护环和STI保护环。STI保护环虽然有着相对较高填充因子，但由于APD的有源区与STI直接接触，自由载流子进入探测器的灵敏区导致暗计数率噪声较大，严重制约了探测器在微弱光探测领域的发展。P阱保护环结构的制作工艺比N阱保护环更简单，且带有P阱保护环的SPAD具有更好的吸收效率。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高器件对长波段光波的吸收效率的方法。本专利技术的技术方案如下：一种针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，包括P衬底层及深N阱层，所述深N阱层设置于P衬底层上，由P阱重掺杂区与深N阱构成PN结，作为雪崩倍增区，即作为工作二极管，P+区周围环绕轻掺杂P阱作为保护环；所述深N阱和P衬底之间的区域为屏蔽二极管区，阻止衬底光生载流子扩散至PN结，所述P衬底上还设置有电极Vcathode。进一步的，当入射光射入P+衬底层后在中等电场强度的深N阱区被吸收，产生的光生载流子向强电场区的雪崩倍增区移动。由于较长波段光产生的电子空穴在器件较深处形成，深N阱可对这部分较长波段光信号进行有效探测。根据权利要求1或2所述的针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，其特征在于，所述深N阱掺杂浓度比P衬底的掺杂浓度大。进一步的，所述P衬底层及深N阱层分别由硅材料构成，所述P阱重掺杂区由硅材料掺杂而成。本专利技术的优点及有益效果如下：传统的CMOSSPAD器件的有源区大多由浅的源/漏注入与N阱组成。该设计采用较深的P+层，提高了器件对长波段的灵敏度，并降低深N阱掺杂浓度，有效增大耗尽层厚度，从而提高器件对长波段光波的吸收效率。深N阱/P衬底可防止衬底少数载流子的扩散造成电荷串扰，提高器件的响应速度。本专利技术所提出的针对长波段微弱光具有高探测效率的CMOSSPAD光电器件的设计与性能如下：针对长波段微弱光具有高探测效率的CMOSSPAD光电器件的设计方法，其特征在于：采用P阱保护环可预防过早的边缘击穿效应，不仅能够增强器件的抗压性能，且使得APD器件拥有更好的吸收效率。达到增强探测效率的目的。与传统的浅结CMOSAPD器件相比，较深的P+层厚度可提高器件在长波段的灵敏度，低掺杂深N阱能增大耗尽层厚度，提升器件探测效率。可实现器件在长波段区域也具有较为乐观的探测效率及响应度特性等。深N阱与衬底间的较大浓度差有利于提高载流子扩散速度，缩短器件的响应时间。深N阱与衬底形成的PN结可有效隔离衬底，降低衬底噪声。通过工艺调整P+层厚度、深N阱浓度和深度，可调整器件的掺杂浓度、耗尽层厚度等基本参数，从而得到实现目标性能指标的器件结构。附图说明图1是本专利技术提供优选实施例中的CMOSSPAD结构图图2本专利技术中SPAD的浓度分布图和电场分布图图3本专利技术中SPAD电子与空穴的雪崩产生率示意图图4本专利技术中SPAD的量子效率图图5本专利技术中SPAD的光子探测效率图。.具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：本文提出一种基于CMOS工艺技术的PN型单光子雪崩二极管(SPAD)结构，该结构SPAD在响应度、探测效率方面具有明显优势，并可对近红外波段的微弱光信号实现良好探测。传统的CMOSSPAD采用浅的P+/N阱结，其光谱响应度峰值主要集中在蓝绿光区，而对长波段光的探测灵敏度不理想。本文中提出一种P+/深N阱双二极管结构可有效解决这些问题，并在不损害量子效率的前提下大大减小光电探测器的响应时间，具体结构是：在P型衬底上制作深N阱，然后在深N阱内制作P型重掺杂区，由P+层与深N阱构成PN结，作为雪崩倍增区，P+区周围环绕轻掺杂P阱作为保护环，如摘要附图所示。入射光射入器件后在中等电场强度的深N阱区被吸收，产生的光生载流子向强电场区的雪崩倍增区移动。由于较长波段光产生的电子空穴在器件较深处形成，该专利技术深N阱可对这部分光信号进行有效探测。深N阱/P衬底作为屏蔽二极管，阻止衬底光生载流子扩散至PN结，从而减少了衬底慢光生载流子扩散对光电探测器响应速度的影响。本专利技术单光子雪崩二极管，通过在深N阱中制作较厚的重掺杂P型区域，可提高器件对较长光波的灵敏度，同时适当降低深N阱掺杂浓度，可增大耗尽层厚度，提高器件在长波段的吸收效率。如图1所示为本专利技术中的CMOSSPAD光电器件的结构图。从图中可以看出，该专利技术采用P+/深N阱双二极管结构，其中区域1的P+/深N阱结作为工作二极管，形成高场倍增区，区域2的深N阱/P衬底结作为屏蔽二极管，阻止光生载流子扩散至PN结，减少衬底慢光生载流子扩散对光电探测器响应速度的影响。图2所示为SPAD的浓度分布图和电场分布图，从图中可以清楚的看出该器件的掺杂浓度分布和电场分布，在深度为2.1um附近，掺杂浓度急剧升高，在2.7um附近，掺杂浓度又急剧下降。掺杂浓度的非均匀分布，导致了器件中电场分布的非均匀性。该区域中的大部分区域的电场强度超过了发生雪崩击穿所需的临界电场强度，该区域为SPAD器件的雪崩倍增区，入射光子在此区域产生光生载流子并发生雪崩放大效应，对应图1中的区域1。当SPAD的反向偏置电压高于击穿电压时，产生的强电场使得单个的光生载流子发生自持的雪崩过程，形成可被CMOS逻辑电路直接探测到的宏观电流，实现单光子探测。雪崩产生率为盖革模式下单个载流子进入放大区后导致一次雪崩的概率，主要由电场强度和带电载流子的初始位置决定。图3所示为对SPAD的纵向(x＝15u本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，包括P衬底层及深N阱层，所述深N阱层设置于P衬底层上，其特征在于，由P阱重掺杂区与深N阱构成PN结，作为雪崩倍增区，即作为工作二极管，P+区周围环绕轻掺杂P阱作为保护环；所述深N阱和P衬底之间的区域为屏蔽二极管区，阻止衬底光生载流子扩散至PN结，所述P衬底上还设置有电极Vcathode，Vcathode是指给这个电极加负电压，Vanode是加正电压。

【技术特征摘要】
1.一种针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，包括P衬底层及深N阱层，所述深N阱层设置于P衬底层上，其特征在于，由P阱重掺杂区与深N阱构成PN结，作为雪崩倍增区，即作为工作二极管，P+区周围环绕轻掺杂P阱作为保护环；所述深N阱和P衬底之间的区域为屏蔽二极管区，阻止衬底光生载流子扩散至PN结，所述P衬底上还设置有电极Vcathode，Vcathode是指给这个电极加负电压，Vanode是加正电压。2.根据权利要求1所述的针对长波段微弱光的CMOS单光子雪崩二极管，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王巍，陈婷，李俊峰，杨皓，徐媛媛，李双巧，王广，王冠宇，袁军，杨正琳，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50