硅基雪崩光电探测器阵列及其制作方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
硅基雪崩光电探测器阵列及其制作方法
本专利技术涉及硅基雪崩光电探测器
，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。
技术介绍
雪崩光电探测器(AvalanchePhotodiode，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(LaserIntensityDirectionandRanging，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
目前面临的一个课题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术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)技术方案根据本专利技术的一个方面，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。在本专利技术的某实施例中，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。在本专利技术的某实施例中，APD单元自下而上依次包括外延层、倍增层、N+型Si层、减反射膜层；外延层是π外延Si层，倍增层是P型Si层，电极接触层是N+型Si层。在本专利技术的某实施例中，在俯视观察的情况下，N+型Si层的面积大于P型Si层的倍增层面积，由此在N+型Si层的外围附近和P型Si层的外围附近形成有N型Si环的保护环。在本专利技术的某实施例中，在APD单元以与保护环具有间距的方式围绕保护环形成有P+截止环；在P+截止环上形成有P电极，在N+型Si层上以围着减反射膜层而向上延伸的方式形成有N电极。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种硅基雪崩光电探测器阵列的制作方法，该硅基雪崩光电探测器阵列包括APD单元和围绕APD单元形成的沟槽结构，APD单元呈阵列状排列，其中，包括以下步骤：准备SiO2/Si复合衬底的步骤A，该步骤A具有：子步骤A1，将至少单面抛光的第一硅衬底和第二硅衬底分别进行试剂清洗；子步骤A2，在第一硅衬底生长外延Si层；子步骤A3，对第二硅衬底、和在第一硅衬底生长的外延Si层同时进行热氧化，而分别在第二硅衬底形成SiO2层、在外延Si层形成SiO2层；子步骤A4，将基于第二硅衬底的SiO2层与在第一硅衬底的外延Si层所形成的SiO2层分别向内进行贴合，而后将贴合后的两衬底置于真空键合机内进行热处理，以完成SiO2层/SiO2层的键合；子步骤A5，对键合后的与所述外延Si层接触的所述第一硅衬底进行减薄而后进行腐蚀，以去掉所述第一硅衬底，由此得到在SiO2/Si复合衬底上形成有外延Si层的晶片结构；形成APD单元的步骤B，在外延Si层位于APD单元内的中央区域依次形成基于离子注入的P型倍增层、基于扩散的N+型Si层、基于蒸镀的减反射膜层，在外延Si层的表面以与N+型Si层具有间距的方式通过离子注入而形成P+截止环，在P+截止环上形成P电极，在N+Si层上以围着减反射膜层而向上延伸的方式形成N电极；形成沟槽结构的步骤C，以围绕APD单元的方式对外延Si层进行刻蚀而形成沟槽结构，在沟槽结构的侧壁和底部淀积高反介质膜后填充绝缘介质。在本专利技术的某实施例中，第一硅衬底为P+型Si衬底；外延Si层的厚度为10-30μm，外延Si层的电阻率为500～1000Ω·cm；P型倍增层为P型Si层，其掺杂浓度为3×1015～8×1016cm-3；N+型电极接触层为N+型Si层，其掺杂浓度大于5×1019cm-3；P+截止环的掺杂浓度为大于1×1019cm-3；沟槽结构的宽度为5～10μm；绝缘介质为二氧化硅或氮化硅；减反射膜层为SiO2层，该SiO2层的厚度为100～180nm。在本专利技术的某实施例中，可以使P型倍增层在1100～1300℃的温度进行3～6小时的退火处理。在本专利技术的某实施例中，对于深沟槽的刻蚀，首先通过采用传统深沟槽隔离工艺，即ICP干法刻蚀在刻蚀气体SF6/C4H8的合理配比下解决侧向钻蚀问题等，而实现深硅刻蚀；然后通过采用SF6各向同性刻蚀，而使沟槽开口处宽度略大于底部，以有利于后述的介质膜的淀积。对各向同性刻蚀后的深沟槽内淀积高反介质膜，因深沟槽开口处宽度大于其底部则易以在深沟槽侧壁及其底部淀积介质膜，由此，在高反介质膜的淀积厚度达到1.3～1.9μm时开始对由高反介质膜构成的沟槽空间填充绝缘SiO2或氮化硅材料，从而实现深沟槽的无空洞填充直至填满。填满后，进行化学机械抛光而使其平坦化。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术硅基雪崩光电探测器阵列及其制作方法，至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：(1)通过键合技术而形成的外延Si/SiO2/Si材料结构(即在SiO2/Si复合衬底上形成有外延Si层的晶片结构)，从根本上消除了通过衬底耦合带来的探测器阵列之间的串扰，使硅基雪崩光电探测器性能提升，由此，基于SiO2/Si复合衬底的硅基雪崩光电探测器阵列会对于大面阵的APD阵列具有强的实用性。(2)沟槽结构及其填充物(高反射率薄膜和绝缘介质)，将APD单元内产生的二次光子进行反射，使二次光子在其寿命时间范围内停留在其产生的APD单元(被吸收)而不会进入邻近APD单元，由此，有效防止了侧向光电串扰。这样，通过基于键合的外延Si/SiO2/Si材料结构中的SiO2/Si复合衬底与沟槽结构(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅基雪崩光电探测器阵列，包括：SiO2/Si复合衬底；APD单元，其在所述SiO2/Si复合衬底上呈阵列状排布；沟槽结构，其围绕所述APD单元形成；其中，所述沟槽结构的侧壁面和底部均淀积高反介质膜。

【技术特征摘要】
1.一种硅基雪崩光电探测器阵列，包括：SiO2/Si复合衬底；APD单元，其在所述SiO2/Si复合衬底上呈阵列状排布；沟槽结构，其围绕所述APD单元形成；其中，所述沟槽结构的侧壁面和底部均淀积高反介质膜。2.根据权利要求1所述的硅基雪崩光电探测器阵列，其中，所述沟槽结构的底部与所述SiO2/Si复合衬底接触。3.根据权利要求2所述的硅基雪崩光电探测器阵列，其中，所述沟槽结构在由所述高反介质膜构成的沟槽空间填充有绝缘介质。4.根据权利要求2所述的硅基雪崩光电探测器阵列，其中，所述APD单元包括自下而上形成的吸收层、倍增层、高掺杂电极接触层、减反射膜层。5.根据权利要求4所述的硅基雪崩光电探测器阵列，其中，所述吸收层是本征π外延Si层，所述倍增层是P型Si层，所述高掺杂电极接触层是N+型Si层。6.根据权利要求5所述的硅基雪崩光电探测器阵列，其中，所述N+型Si层的面积在俯视观察时大于所述P型Si层的倍增层面积，由此在所述N+型Si层的外围附近和所述P型Si层的外围附近形成有N型Si的保护环。7.根据权利要求6所述的硅基雪崩光电探测器阵列，其中，在所述APD单元以与所述保护环具有间距的方式围绕所述保护环形成有P+截止环。8.根据权利要求7所述的硅基雪崩光电探测器阵列，其中，在所述P+截止环上形成有P电极，在所述N+型Si层上以围着所述减反射膜层而向上延伸的方式形成有N电极。9.一种硅基雪崩光电探测器阵列的制作方法，该硅基雪崩光电探测器阵列包括APD单元和围绕APD单元形成的沟槽结构，所述APD单元呈阵列状排列，其中，包括以下步骤：准备SiO2/Si复合衬底的步骤A，该步骤A具有：子步骤A1，将至少单面抛光的第一硅衬底和第二硅衬底分别进行试剂清洗；子步骤A2，在所述第一硅衬底生长外延Si层；子步骤A3，对所述第二硅衬底、和在所述第一硅衬底生长的所述外延Si层同时进行热氧化，而分别在所述第二硅衬底形成SiO2层、在所述外延Si层形成SiO2层；子步骤A4，将基于所述第二硅衬底的SiO2层与在所述第一硅衬底的所述外延Si层所形成的SiO2层分别向内进行贴合，而后将贴合后的两衬底置于真空键合机内进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑婉华，彭红玲，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11