具有阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种具有阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器及制作方法，该二极管探测器沿竖直方向从下往上依次包括有源区、内层介质区、金属隔离介质区和顶部介质区；所述金属隔离介质区内设有第一金属互连区和阶梯光栅结构；所述顶部介质区内设有第二金属互连区；所述第一金属互连区和第二金属互连区在竖直方向上不遮挡所述阶梯光栅结构。本发明专利技术通过在金属隔离介质区中引入五级阶梯光栅结构，通过光的衍射效应，增加了有源区内的雪崩区的光子产生率，从而进一步提高器件的光子探测效率，有利于增强器件探测近红外光子的能力。上述探测器可由标准CMOS工艺制作，具有集成度高、功耗低、抗干扰能力强等优点。

Single Photon Avalanche Diode Detector with Step Grating Structure and Its Fabrication Method

The invention discloses a single photon avalanche diode detector with a step grating structure and its fabrication method, which comprises an active region, an inner dielectric region, a metal isolation dielectric region and a top dielectric region from bottom to top in vertical direction; the first metal interconnection region and a step grating structure are arranged in the metal isolation dielectric region; and the top dielectric region is provided with a first metal interconnection region and a step grating structure. The first metal interconnection area and the second metal interconnection area do not occlude the step grating structure in the vertical direction. By introducing a five-step grating structure in the metal isolation medium region, the photon generation rate in the avalanche region of the active region is increased through the diffraction effect of light, thereby further improving the photon detection efficiency of the device and enhancing the ability of the device to detect near-infrared photons. The detector can be fabricated by standard CMOS process, and has the advantages of high integration, low power consumption and strong anti-interference ability.

【技术实现步骤摘要】
具有阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器及制作方法
本专利技术涉及一种单光子雪崩二极管探测器及制作方法，尤其涉及一种具有阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器及制作方法。
技术介绍
单光子雪崩二极管(SPAD)探测器件具有探测效率高、响应速度快、功耗低等优点，已广泛应用于生物医学、军事和光通信等领域。基于CMOS工艺的SPAD探测器可以将SPAD器件和淬灭、计数以及读出等电路集成在一个芯片内，从而实现低成本、高集成度和高可靠性的阵列探测器。然而在距离测量、荧光寿命分析、光学层析成像和光纤通信等特定应用领域，为了避免SPAD探测器的激光光源对人眼的伤害，激光波长一般要求在1.5μm-2.5μm的红外波段，但是基于CMOS工艺的硅基雪崩二极管无法探测红外波段的光子。近红外波段激光虽然对人眼有一定的伤害，但伤害程度比蓝光有很大程度的降低。例如采用0.7μm-1.4μm的近红外激光，在测距或3D成像时可明显减小对人眼的伤害；在生物荧光寿命成像和光学层析成像时可以减少细胞损伤，并可深入组织中探测。然而传统的CMOSSPAD结构通过浅源/漏区与N阱之间或者P阱和深N阱之间形成雪崩区，由于雪崩区结深本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，沿竖直方向从下往上依次包括有源区、内层介质区(8)、金属隔离介质区(9)和顶部介质区(10)；所述金属隔离介质区(9)内设有第一金属互连区(6)和阶梯光栅结构；所述顶部介质区(10)内设有第二金属互连区(7)；所述第一金属互连区(6)和第二金属互连区(7)在竖直方向上不遮挡所述阶梯光栅结构。

【技术特征摘要】
1.一种单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，沿竖直方向从下往上依次包括有源区、内层介质区(8)、金属隔离介质区(9)和顶部介质区(10)；所述金属隔离介质区(9)内设有第一金属互连区(6)和阶梯光栅结构；所述顶部介质区(10)内设有第二金属互连区(7)；所述第一金属互连区(6)和第二金属互连区(7)在竖直方向上不遮挡所述阶梯光栅结构。2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述阶梯光栅结构和所述金属隔离介质区(9)的折射率不同。3.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述阶梯光栅结构的上端面与金属隔离介质区(9)的上表面齐平且横截面积随着从金属隔离介质区(9)的上表面垂直往下延伸的深度增加而呈阶梯状减小。4.根据权利要求3所述的单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述阶梯光栅结构在沿着从金属隔离介质区(9)的上表面垂直往下延伸的方向上依次包括级联的第一级阶梯介质区(1)、第二级阶梯介质区(2)、第三级阶梯介质区(3)、第四级阶梯介质区(4)和第五级阶梯介质区(5)；每一级阶梯介质区的横截面积为矩形，且第一级阶梯介质区(1)至第五级阶梯介质区(5)的边长依次减小。5.根据权利要求3所述的单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述透光孔的下端面与金属隔离介质区(9)的下表面齐平。6.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述顶部介质区(10)的上方还设有钝化层(11)。7.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述有源区位于衬底内部且包括N型有源区和设置于所述N型有源区内部上方中心位置的P型有源区，所述N型有源区的上表面包围所述P型有源区的上表面且与衬底的上表面齐平。8.一种单光子雪崩二极管探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：通过光刻和离子注入在...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙飞阳，徐跃，吴仲，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32