一种工作在可见光波段的高带宽CMOS APD光电器件制造技术

本发明专利技术请求保护一种工作在可见光波段的高带宽CMOS APD光电器件，包括P衬底，其还包括堆积于所述P衬底上的两个深N阱，所述深N阱上堆积有两个P阱层，在每个P阱层上分别堆积有一个N+层和P+层，将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱层形成PN结，即形成雪崩区，包括第一雪崩区和第二雪崩区，并设置两个光照窗口，当光源射入器件内部被光吸收区吸收时，产生光生载流子，光生载流子在电场作用下运动到第一雪崩区以及第二雪崩区参与倍增；还将所述所述P阱层的间隙两端加入STI保护环。该设计技术从PN结以及耗尽区尺寸两方面进行设计，降低器件的暗电流，提高其带宽。

A High Bandwidth CMOS APD Optoelectronic Device Working in Visible Waveband

【技术实现步骤摘要】
一种工作在可见光波段的高带宽CMOSAPD光电器件
本专利技术属于可见光探测
，涉及到APD光电器件的设计技术设计，尤其涉及一种具有高带宽的新设计技术CMOSAPD光电器件的设计。
技术介绍
雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode)是一种光电探测器，能够实现高灵敏度和高带宽。它具有通过利用雪崩击穿使耗尽层中的光信号吸收因此产生倍增的电子、空穴。CMOSAPD的基本设计技术类似于普通PN结的基本设计技术，但在设计过程中采用新的设计技术，可有效提高器件的工作带宽。工作在线性区的CMOSAPD以其低电压、低成本的特点被广泛运用于物联网、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)和蓝光光盘中。CMOSAPD的器件设计技术，可以按其PN的类型分为两大类。一种是电子注入型CMOSAPD设计技术，也就是将N+层作为光照面，其下方的P阱中的光生电子载流子向其漂移，这种类型的CMOSAPD器件的带宽普遍较高。另一种是空穴注入型CMOSAPD设计技术，这种设计技术的特点是P+层作为光照面，其下方的N阱中的光生空穴载流子向其漂移，但其光生空穴载流子的漂移速度低于光生电子载流子的漂移速度。这种设计技术的带宽要低很多。当然还有其他改良技术的优化可以提高带宽，不管采用何种类型的优化，都是为了增强PN结的光生载流子飘移速度，降低暗电流，进而提高带宽。在由工作在线性模式下的CMOSAPD器件所构成的高灵敏度传感器中，利用其光电效应和雪崩倍增效应实现光信号的探测和信号放大的器件。最近几年，针对CMOSAPD器件的的研究工作主要集中在采用不同的APD设计技术来设计实现高带宽的APD器件，以及大规模APD阵列及其信号处理电路研究。这两方面的努力都需要进一步优化CMOSAPD器件设计技术及性能，尽量提高器件的带宽。传统的APD器件设计技术仅在P+/N阱上优化，忽略光生电子载流子的飘移速度和STI保护环的合理运用，因此并不能达到高带宽，同时保持低暗电流。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种高带宽，同时保持低暗电流的工作在可见光波段的高带宽CMOSAPD光电器件。本专利技术的技术方案如下：一种工作在可见光波段的高带宽CMOSAPD光电器件，包括P衬底，其还包括堆积于所述P衬底上的一个深N阱，由于工艺的要求，故设置一个深N阱，所述深N阱上堆积有两个P阱层，在每个P阱层上分别堆积有一个N+层和P+层，P+层上连接阳极，N+层作为光接受窗口并连接阴极，将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱层形成PN结，即形成雪崩区，包括第一雪崩区和第二雪崩区，并设置两个光照窗口，当光源射入器件内部被光吸收区吸收时，产生光生载流子，光生载流子在电场作用下运动到第一雪崩区以及第二雪崩区参与倍增；还将所述所述P阱层的间隙两端加入STI(浅沟道隔离)保护环，STI保护环防止PN结过早击穿，并减少暗电流。进一步的，所述PN结为N+/P阱的重掺杂结，降低了耗尽区的宽度，减少了载流子的渡越距离。进一步的，所述PN结处的电场分布均匀且一致，最大电场强度达到6.51×105V/cm。进一步的，当入射光入射在P阱层处被吸收并产生光生载流子，PN结两侧所采用的是N+层与P阱层，由于P阱层向N+层的光生电子载流子漂移速度大于N阱层向P+层的光生电子载流子漂移速度。同时双窗口的设置使载流子在耗尽层的横向渡越(载流子在耗尽层中的漂移运动)距离减少，使器件的工作频率得到有效提高，且N+/P-well结可发生雪崩击穿，由于该PN结是重掺杂区域，耗尽区尺寸变窄，并且耗尽层的横线距离有所减少。进一步的，所述深N阱、N+层均采用不同浓度的掺杂五价杂质元素的半导体P衬底、、P+层、P阱层均采用不同浓度的掺杂三价杂质元素的半导体，重掺杂的N+层与轻掺杂P阱层分别采用的掺杂浓度的数量级是19和17。本专利技术的优点及有益效果如下：本专利技术提出了一种新型设计技术，用来设计高带宽CMOSAPD光电器件，并给出了其设计方法。常规的单窗口APD是由重掺杂的P+层与轻掺杂的N阱形成PN结，形成雪崩区。该设计方法是将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱形成PN结，设置两个光照窗口并且在其周围注入STI形成保护环。与常规的CMOSAPD器件相比，本专利技术所设计和优化后的器件明显地降低暗电流，提高带宽。本专利技术所提出的工作在可见光波段的高带宽CMOSAPD的设计技术及优化方法如下：1.本专利技术所设计的APD器件为N+/P阱/深N阱/P衬底的平面设计技术。其核心是找出影响载流子渡越时间的关键因素，有针对性的通过对器件的结构设计，减小光生载流子在器件内的最大渡越时间，进而有效提高器件的工作频率。其器件设计技术特征在于：考虑到N+/P阱结构的器件，在重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱，并设置两个光照窗口。在保证探测面积不变的情况下，设置两个光照窗口可有效减小横向渡越距离；采用重掺杂的雪崩结来降低耗尽区的纵向宽度，同时减小光照面积降低耗尽层横向宽度，减少载流子的渡越距离，从本质上优化器件的带宽。此时的雪崩结为N+/P阱，当PN结发生雪崩击穿时，载流子进行成倍地增加，但该PN结并不是常规的单边突变结，所以该设计技术的耗尽区中的能带较陡峭，大多数载流子不易发生带间隧穿，这样就从本质上减少了载流子的渡越距离，达到提高带宽的目的。2.工作在可见光波段的高带宽CMOSAPD光电器件的结构，其特征在于：该设计技术从保护环的设计以及探测窗口的合理设置。在PN结两侧注入STI环，由于无保护环的耗尽层易在其边沿处发生边缘击穿且击穿电场呈不均匀分布，因此STI的设置可使耗尽层电场均匀分布。同时只设置三个STI保护环，有效减小其器件结构的复杂度，并且有利于光电流的形成。此结构既避免了PN结过早地边缘击穿，进一步降低暗电流，并且在探测面积不变的情况下，进一步提高带宽。3.P阱的浓度、厚度、N+厚度是可调的。通过工艺或电脑仿真调节P阱的浓度、厚度、N+厚度，得到最优的带宽特性曲线。与此同时，还可以通过增加载流子的速度以及减少扩散电流来优化带宽。附图说明图1是本专利技术提供优选实施例常规CMOSAPD设计技术图图2常规CMOSAPD雪崩区光生载流子渡越图图3新型CMOSAPD设计技术图图4新型CMOSAPD雪崩区光生载流子渡越图图5新型CMOSAPD电场分布图图6新型CMOSAPDI-V特性图图7新型CMOSAPD带宽特性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：如图1所示为常规的CMOSAPD光电器件的设计技术图。由图可知，在该设计技术中PN结由重掺杂的P+层与轻掺杂的N阱组成，雪崩区(对应图中的1-1区域)位于PN结处，雪崩区下方的P阱是主要的光吸收区(对应图中的1-2区域)。PN结两侧的P+作为保护环，避免器件过早边缘击穿。该APD光电器件的工作原理是入射光射入器件被光吸收区(对应图中的1-2区域)吸收时，器件内部产生光生载流子，光生载流子在高电场(PN结反向偏压)的作用下漂移运动到雪崩区(对应图中的1-1区域)，进入雪崩区后，载流子由于碰撞电离进行成倍的增加，从而在器件的输出端形成非常大的带宽。图2为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工作在可见光波段的高带宽CMOS APD光电器件，包括P衬底，其特征在于，还包括堆积于所述P衬底上的一个深N阱，所述深N阱上堆积有两个P阱层，在每个P阱层上分别堆积有一个N+层和P+层，P+层上连接阳极，N+层作为光接受窗口并连接阴极，将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱层形成PN结，即形成雪崩区，包括第一雪崩区和第二雪崩区，并设置两个光照窗口，当光源射入器件内部被光吸收区吸收时，产生光生载流子，光生载流子在电场作用下运动到第一雪崩区以及第二雪崩区参与倍增；还将所述所述P阱层的间隙两端加入STI浅沟道隔离保护环，STI保护环防止PN结过早击穿，并减少暗电流。

【技术特征摘要】
1.一种工作在可见光波段的高带宽CMOSAPD光电器件，包括P衬底，其特征在于，还包括堆积于所述P衬底上的一个深N阱，所述深N阱上堆积有两个P阱层，在每个P阱层上分别堆积有一个N+层和P+层，P+层上连接阳极，N+层作为光接受窗口并连接阴极，将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱层形成PN结，即形成雪崩区，包括第一雪崩区和第二雪崩区，并设置两个光照窗口，当光源射入器件内部被光吸收区吸收时，产生光生载流子，光生载流子在电场作用下运动到第一雪崩区以及第二雪崩区参与倍增；还将所述所述P阱层的间隙两端加入STI浅沟道隔离保护环，STI保护环防止PN结过早击穿，并减少暗电流。2.根据权利要求1所述的一种工作在可见光波段的高带宽CMOSAPD光电器件，其特征在于，所述PN结为N+/P阱的重掺杂结，降低了耗尽区的宽度，减少了载流子的渡越距离。3.根据权利要求1所述的一种工作在可见光波段的高带宽CMOSAPD光电器件，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王巍，曾虹谙，赵元遥，毛鼎昌，王冠宇，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50