基于弧形扩散区的雪崩光电探测器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于弧形扩散区的雪崩光电探测器及其制作方法。其中，雪崩光电探测器包括：一外延结构，该外延结构自下而上包含：N型衬底、吸收层、电荷层、以及本征倍增层；在该本征倍增层中形成有3D碗状开口并在此3D碗状开口下形成有P型高掺杂的弧形扩散区；一钝化层，形成于外延结构之上；一P型电极层，与P型高掺杂的弧形扩散区接触；一N型电极层，与N型衬底接触；以及一增透膜，作为光窗口，设置于该单电子雪崩光电探测器的正面或背面，该增透膜的中心与弧形扩散区的曲率中心的连线平行于外延方向，且该光窗口的光场中心区域与高场区在空间上重合。有效提高器件的光子探测效率，减小器件的暗计数，并降低后脉冲几率。

【技术实现步骤摘要】
基于弧形扩散区的雪崩光电探测器及其制作方法
本公开属于半导体器件
，涉及一种基于弧形扩散区的雪崩光电探测器及其制作方法。
技术介绍
雪崩光电探测器(APD，AvalanchePhoto-Detector)已经广泛应用于商业、军事和科学研究中，如量子信息、生物分子探测、激光雷达成像和天文探测等。通信波段高速、高探测效率、低暗记数的单光子APD在实际的量子密钥分发系统中，发挥了极其重要的作用。单光子雪崩光电探测器(SPAD，SinglePhotonAvalanche-Detector)由于其特殊的盖革工作方式，雪崩过程和雪崩电流密度对器件的探测效率和暗计数有很大影响，目前单光子雪崩光电探测器件的探测效率较低，高探测效率与高暗计数同时存在，对光子探测性能有很大影响。单光子雪崩光电探测器一般工作在高于击穿电压的偏置状态，在这种高偏置等待状态下，如果有一个光子首先产生了一个自由载流子，那么这个自由载流子就会在高电场作用下产生系列的碰撞电离，输出一个可以测量的脉冲信号，于是就产生一个光子计数；如果器件中缺陷首先释放了一个自由载流子，这个载流子同样可能引发一个可探测的电流脉冲信号，也会产生一个计数，为暗计数。目前单光子雪崩探测器通常采用刻蚀坑和平面结构，采用一次或者二次扩散的方式定义器件工作区域。这种结构的器件均存在一种现象，就是偏置在雪崩电压下，器件的载流子增益首先发生在器件的边沿，且边沿的电场往往比中心大几倍甚至超过一个量级，此时只有器件边沿产生的自由载流子才会大概率引发一次雪崩脉冲。而探测器的光照则大概率集中在器件的中心区域。这种由于光照和发生雪崩的空间区域存在的不一致性会导致单光子探测器在雪崩电压附近探测效率的降低，尤其是当器件的直径增加到30微米以上时。当加大几伏偏置电压后，增益区的电场才逐渐趋于均匀，此时的器件探测效率略有增高但暗计数陡增，器件整体性能下降。因此亟需提出一种方案，解决光入射中心与雪崩倍增区域不重合导致单光子探测效率低、暗计数高的问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种基于弧形扩散区的雪崩光电探测器及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种基于弧形扩散区的雪崩光电探测器，包括：一外延结构，该外延结构自下而上包含：N型衬底、吸收层、电荷层、以及本征倍增层；在该本征倍增层中形成有3D碗状开口并在此3D碗状开口下形成有P型高掺杂的弧形扩散区；一钝化层，形成于外延结构之上；一P型电极层，与P型高掺杂的弧形扩散区接触；一N型电极层，与N型衬底接触；以及一增透膜，作为光窗口，设置于该单电子雪崩光电探测器的正面或背面，该增透膜的中心与弧形扩散区的曲率中心的连线平行于外延方向，且该光窗口的光场中心区域与高场区在空间上重合。在本公开的一些实施例中，雪崩光电探测器，还包括：一填充层，形成于所述3D碗状开口内。在本公开的一些实施例中，N型衬底的材料为N型高掺InP；和/或，吸收层的材料为本征Ga0.47In0.53As；和/或，电荷层的材料为N型掺杂InP；和/或，本征倍增层的材料为本征InP；和/或，填充层的材料为多晶硅；和/或，增透膜的材料为SiNx；和/或，钝化层的材料为SiNx；和/或，P型电极层的材料为TiPtAu；和/或，N型电极层的材料为AuGeNi。在本公开的一些实施例中，P型高掺杂的弧形扩散区是在3D碗状开口下方通过P型注入或P型扩散而形成的，该3D碗状开口的曲率半径大于15μm，中心点切线水平，扩散的深宽比接近1。在本公开的一些实施例中，雪崩光电探测器为如下结构的雪崩光电探测器中的一种：单光子雪崩光电探测器、普通分离吸收电荷倍增结构雪崩光电探测器、分离吸收渐变电荷倍增结构雪崩光电探测器、以及谐振腔增强型结构雪崩光电探测器。根据本公开的另一个方面，提供了一种基于弧形扩散区的雪崩光电探测器的制作方法，包括：步骤S31：制作一外延结构，该外延结构自下而上包含：N型衬底、吸收层、电荷层、以及本征倍增层；步骤S32：采用灰度曝光技术和刻蚀技术在本征倍增层中制作一3D碗状开口，并在该3D碗状开口下方进行P型扩散或P型注入形成一P型高掺杂的弧形扩散区；步骤S34：在该雪崩光电探测器的正面或背面沉积一增透膜，该增透膜作为光窗口，使该增透膜的中心与弧形扩散区的曲率中心的连线平行于外延方向，且该光窗口的光场中心区域与高场区在空间上重合；步骤S35：制作一钝化层于外延结构之上；步骤S36：制作一P型电极层，该P型电极层与P型高掺杂的弧形扩散区接触；以及步骤S37：制作一N型电极层，该N型电极层与N型衬底接触。在本公开的一些实施例中，在步骤S32之后还包括：步骤S33：在3D碗状开口内制作一填充层。在本公开的一些实施例中，3D碗状开口的曲率半径大于15μm，中心点切线水平，P型扩散或P型注入的深宽比接近1。在本公开的一些实施例中，步骤S34包括：在该雪崩光电探测器的正面沉积第一增透膜作为光窗口，该第一增透膜覆盖于填充层之上，使得该第一增透膜的中心与P型掺杂的弧形扩散区的曲率中心的连线平行于外延方向，且该光窗口的光场中心区域与高场区在空间上重合；步骤S35包括：在本征倍增层表面上第一增透膜之外的区域制作钝化层；步骤S36包括：通过对钝化层覆盖于P型高掺杂的弧形扩散区的区域进行光刻和刻蚀，使得P型高掺杂的弧形扩散区的表面露出，并沉积一环形的P型电极层，使得该P型电极层与P型高掺杂的弧形扩散区的表面露出部分接触，并覆盖部分钝化层，使光窗口位于该P型电极层的中间，与该环形的P型电极层的中心重合。在本公开的一些实施例中，步骤S35包括：在本征倍增层表面上制作钝化层；步骤S36包括：通过对钝化层覆盖于P型高掺杂的弧形扩散区的区域进行光刻和刻蚀，使得P型高掺杂的弧形扩散区和填充层的表面露出，并沉积P型电极层，使得该P型电极层覆盖于P型高掺杂的弧形扩散区和填充层之上；步骤S34包括：在N型电极层上进行光刻和刻蚀过程，并在该雪崩光电探测器的背面沉积第二增透膜作为光窗口，使得该第二增透膜的中心与P型掺杂的弧形扩散区的曲率中心的连线平行于外延方向，且该光窗口的光场中心区域与高场区在空间上重合。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于弧形扩散区的雪崩光电探测器及其制作方法，具有以下有益效果：通过在本征倍增层中形成3D碗状开口并在此碗状开口进行P型高掺杂，使得中心部分未扩散的倍增层厚度最小，边沿厚度最大，以形成P型高掺杂的弧形扩散区，使得雪崩探测器倍增区的光场中心部分增益最强，倍增区的碰撞电离在横向更加均匀，减小边沿电场及因此产生的边沿击穿，使得器件在外加偏置逐渐增加时首先发生碰撞电离增益的区域处于器件中心，并向外逐渐扩展，保证器件中心光场与最强电场在空间上的重合。当雪崩光电探测器偏置在邻近雪崩击穿器的工作状态时，这种重合一方面可以大几率提高器件的光子探测效率，减小器件的暗计数，另一方面还可以策略性降低偏置电压，减小每次雪崩脉冲包含的载流子数目，降低后脉冲几率。附图说明图1为根据本公开第一实施例所示的正面入射的基于弧形扩散区的单电子雪崩光电探测器的侧向剖面结构示意图。图2A为根据本公开第一实施例所示的基于弧形扩散区的单电子雪崩光电探测器在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于弧形扩散区的雪崩光电探测器，包括：一外延结构，该外延结构自下而上包含：N型衬底、吸收层、电荷层、以及本征倍增层；在该本征倍增层中形成有3D碗状开口并在此3D碗状开口下形成有P型高掺杂的弧形扩散区；一钝化层，形成于外延结构之上；一P型电极层，与P型高掺杂的弧形扩散区接触；一N型电极层，与N型衬底接触；以及一增透膜，作为光窗口，设置于该单电子雪崩光电探测器的正面或背面，该增透膜的中心与弧形扩散区的曲率中心的连线平行于外延方向，且该光窗口的光场中心区域与高场区在空间上重合。

【技术特征摘要】
1.一种基于弧形扩散区的雪崩光电探测器，包括：一外延结构，该外延结构自下而上包含：N型衬底、吸收层、电荷层、以及本征倍增层；在该本征倍增层中形成有3D碗状开口并在此3D碗状开口下形成有P型高掺杂的弧形扩散区；一钝化层，形成于外延结构之上；一P型电极层，与P型高掺杂的弧形扩散区接触；一N型电极层，与N型衬底接触；以及一增透膜，作为光窗口，设置于该单电子雪崩光电探测器的正面或背面，该增透膜的中心与弧形扩散区的曲率中心的连线平行于外延方向，且该光窗口的光场中心区域与高场区在空间上重合。2.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，还包括：一填充层，形成于所述3D碗状开口内。3.根据权利要求2所述的雪崩光电探测器，其中，所述N型衬底的材料为N型高掺InP；和/或，所述吸收层的材料为本征Ga0.47In0.53As；和/或，所述电荷层的材料为N型掺杂InP；和/或，所述本征倍增层的材料为本征InP；和/或，所述填充层的材料为多晶硅；和/或，所述增透膜的材料为SiNx；和/或，所述钝化层的材料为SiNx；和/或，所述P型电极层的材料为TiPtAu；和/或，所述N型电极层的材料为AuGeNi。4.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其中，所述P型高掺杂的弧形扩散区是在3D碗状开口下方通过P型注入或P型扩散而形成的，该3D碗状开口的曲率半径大于15μm，中心点切线水平，扩散的深宽比接近1。5.根据权利要求1至4中任一项所述的雪崩光电探测器，其中，所述雪崩光电探测器为如下结构的雪崩光电探测器中的一种：单光子雪崩光电探测器、普通分离吸收电荷倍增结构雪崩光电探测器、分离吸收渐变电荷倍增结构雪崩光电探测器、以及谐振腔增强型结构雪崩光电探测器。6.一种基于弧形扩散区的雪崩光电探测器的制作方法，包括：步骤S31：制作一外延结构，该外延结构自下而上包含：N型衬底、吸收层、电荷层、以及本征倍增层；步骤S32：采用灰度曝光技术和刻蚀技术在本征倍增层中制作一3D碗状开口，并在该3D碗状开口下方进行P型扩散或P型注入形成一P型高掺杂的弧形扩散区...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓红，王晖，何婷婷，刘凯宝，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，弦海上海量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11