一种单光子雪崩二极管及其制备方法技术

本发明专利技术公开的一种单光子雪崩二极管，包括P型衬底，位于P型衬底上的高压N阱以及高压N阱之间的P型隔离区；位于高压N阱中的N型注入扩散层和P型注入扩散层；位于N型注入扩散层和P型注入扩散层周围的P型保护环和N型接触端；位于P型隔离区上方的浅沟槽隔离；位于浅沟槽隔离和P型保护环之间的环状P型浮置区，当N型接触端施加工作电压时，P型浮置区的耗尽区和浅沟槽隔离的耗尽区部分重合；且P型浮置区的耗尽区和P型保护环的耗尽区不重合；以及覆盖在高压N阱和浅沟槽隔离上方的介质层。本发明专利技术提供的一种单电子单光子雪崩二极管及其制备方法，可以增加二极管中感光面积，进而有效提高单电子单光子雪崩二极管的探测效率。

A single photon avalanche diode and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种单光子雪崩二极管及其制备方法
本专利技术涉及二极管领域，具体涉及一种单光子雪崩二极管及其制备方法。
技术介绍
单光子探测是一种极微弱光的探测方法，它所探测到的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平(10-14W)还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。单光子探测在高分辨率的光谱测量、非破坏型物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。典型的单光子雪崩二极管(SinglePhotonAvalancheDiode，SPAD)由源区P+/N结，高压区，及高压区与高压区之间的隔离三部分组成，这三个组成部分由内到外依次排列；如源区的直径为8微米，高压区大致为6～8微米，高压区与高压区之间的隔离需要8～10微米，感光面积占器件面积的比例大约只有11％左右，大部分都面积由于器件间的隔离。现有技术中SPAD结构如附图1所述，包括P型衬底12，位于P型衬底12上的高压N阱13以及高压N阱之间的P型隔离区14；位于高压N阱13中的N型注入扩散层11和P型注入扩散层7；位于N型注入扩散层11和P型注入扩散层7周围的P型保护环6和N型接触端5；位于P型隔离区14上方的浅沟槽隔离19；以及覆盖在高压N阱13和浅沟槽隔离19上方的介质层21；该结构在工作过程中的耗尽区示意图如附图2所示；上述SPAD在工作过程中，电极接在N型接触端5上，工作电压V0至少大于20V，在入射光波长较长和光子吸收效率高时需要更高的电压，可以到40V，甚至100V以上；工作电压V0完全加在P型隔离区14与高压N阱13上。由于工作电压较大，自然需要高压N阱13和P型隔离区14之间的距离较大，如此一来，二极管中感光面积的比例较小，使得单电子单光子雪崩二极管的探测效率较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种单电子单光子雪崩二极管及其制备方法，通过耗尽区的叠加，使得高压N阱和P型隔离区之间的距离缩小，从而增加二极管中感光面积，进而有效提高单电子单光子雪崩二极管的探测效率。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种单光子雪崩二极管，包括P型衬底，位于所述P型衬底上的高压N阱以及高压N阱之间的P型隔离区；位于所述高压N阱中的N型注入扩散层和P型注入扩散层；位于所述N型注入扩散层和P型注入扩散层周围的P型保护环和N型接触端；位于所述P型隔离区上方的浅沟槽隔离，所述浅沟槽隔离延伸至高压N阱内部；位于所述浅沟槽隔离和P型保护环之间的环状P型浮置区，当所述N型接触端施加工作电压时，所述P型浮置区与高压N阱形成的耗尽区和浅沟槽隔离在高压N阱中形成的耗尽区部分重合；且所述P型浮置区与高压N阱形成的耗尽区和P型保护环与高压N阱形成的耗尽区不重合；以及覆盖在所述高压N阱和浅沟槽隔离上方的介质层。进一步地，所述P型浮置区为垂直分布的M个P型浮置环，当所述N型接触端施加工作电压时，相邻的两个P型浮置环与高压N阱形成的耗尽区部分重合，且最下方的P型浮置环与高压N阱形成的耗尽区和P型衬底与高压N阱形成的耗尽区部分重合；M为大于0的正整数。进一步地，所述P型隔离区中包含P型掺杂区，且所述P型掺杂区位于所述P型隔离区的中心位置。进一步地，所述环状P型浮置区延伸至所述浅沟槽隔离的下方。进一步地，所述P型浮置区与高压N阱形成的耗尽区和P型衬底与高压N阱形成的耗尽区部分重合。进一步地，所述环状P型浮置区的注入能量大于200KeV；所述环状P型浮置区的注入总剂量大于1×1012/cm2。一种制备单光子雪崩二极管的方法，包括如下步骤：S01：通过光刻和离子注入方法在P型衬底上形成P型隔离区；并在P型衬底上P型隔离区中形成高压N阱；S02：通过离子注入工艺在所述高压N阱中形成P型保护环；S03：在P型隔离区上形成浅沟槽隔离；S04：进行外围电路P阱、N阱注入；S05：在所述P型保护环的内部形成N型注入扩散层；S06：通过离子注入工艺在所述浅沟槽隔离和P型保护环之间形成环状P型浮置区；S07：通过离子注入工艺在所述N型注入扩散层上方形成P型注入扩散层，作为单光子二极管的阳极；形成单光子雪崩二极管外围电路MOS器件的侧墙和源漏区；利用NMOS器件的源漏注入，在高压N阱内部紧靠浅沟槽隔离的位置形成单光子二极管的N型接触端；退火之后形成单光子二极管。进一步地，所述步骤S02还包括：在所述P型隔离区的中心位置注入P型掺杂区，且所述P型掺杂区的注入剂量小于2×1013/cm2。进一步地，所述步骤S06包括：通过离子注入工艺在所述浅沟槽隔离和P型保护环之间形成M个P型浮置环；当所述N型接触端施加工作电压时，相邻两个P型浮置环与高压N阱形成的耗尽区部分重合，且最下方的P型浮置环与高压N阱形成的耗尽区和P型衬底的耗尽区部分重合；M为大于0的正整数。本专利技术的有益效果为：通过在浅沟槽隔离和P型保护环之间设置环状P型浮置区，且当N型接触端施加工作电压时，P型浮置区与高压N阱形成的耗尽区和P型保护环与高压N阱形成的耗尽区不重合，使得工作电压可以完整地传输到N型注入扩散层；同时P型浮置区与高压N阱形成的耗尽区和浅沟槽隔离在高压N阱形成的耗尽区重合，使得传输到的工作电压降低，进而使得高压N阱和P型隔离区之间的距离缩小，从而增加二极管中感光面积，进而有效提高单电子单光子雪崩二极管的探测效率。附图说明附图1为现有技术中单光子雪崩二极管的剖面图；附图2为现有技术中单光子雪崩二极管P型保护环外侧耗尽区示意图；附图3为本专利技术中单光子雪崩二极管的剖面图；附图4为本专利技术中单光子雪崩二极管P型保护环外侧耗尽区示意图；附图5为实施例1中单光子雪崩二极管的剖面图；附图6为实施例1中单光子雪崩二极管P型保护环外侧耗尽区示意图；附图7为实施例2中单光子雪崩二极管的剖面图；附图8为实施例2中单光子雪崩二极管P型保护环外侧耗尽区示意图；附图9为本专利技术中电压传递的TCDA模拟结果。图中：1P型浮置区，2P型浮置环，5N型接触端，6P型保护环，7P型注入扩散层，11N型注入扩散层，12P型衬底，13高压N阱，14P型隔离区，16P型掺杂区，19浅沟槽隔离，21介质层。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步的详细说明。请参阅附图3，本专利技术提供的一种单光子雪崩二极管，包括P型衬底12，位于P型衬底上的高压N阱13以及高压N阱之间的P型隔离区14；位于高压N阱13中的N型注入扩散层11和P型注入扩散层7；位于N型注入扩散层11和P型注入扩散层7周围的P型保护环6和N型接触端5；其中，P型保护环是为了防止P型注入扩散区7和高压N阱之间提前击穿；由于P型注入扩散层7较薄，圆角半径较小本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单光子雪崩二极管，其特征在于，包括/nP型衬底，/n位于所述P型衬底上的高压N阱以及高压N阱之间的P型隔离区；/n位于所述高压N阱中的N型注入扩散层和P型注入扩散层；/n位于所述N型注入扩散层和P型注入扩散层周围的P型保护环和N型接触端；/n位于所述P型隔离区上方的浅沟槽隔离，所述浅沟槽隔离延伸至高压N阱内部；/n位于所述浅沟槽隔离和P型保护环之间的环状P型浮置区，当所述N型接触端施加工作电压时，所述P型浮置区与高压N阱形成的耗尽区和浅沟槽隔离在高压N阱中形成的耗尽区部分重合；且所述P型浮置区与高压N阱形成的耗尽区和P型保护环与高压N阱形成的耗尽区不重合；/n以及覆盖在所述高压N阱和浅沟槽隔离上方的介质层。/n

【技术特征摘要】
1.一种单光子雪崩二极管，其特征在于，包括
P型衬底，
位于所述P型衬底上的高压N阱以及高压N阱之间的P型隔离区；
位于所述高压N阱中的N型注入扩散层和P型注入扩散层；
位于所述N型注入扩散层和P型注入扩散层周围的P型保护环和N型接触端；
位于所述P型隔离区上方的浅沟槽隔离，所述浅沟槽隔离延伸至高压N阱内部；
位于所述浅沟槽隔离和P型保护环之间的环状P型浮置区，当所述N型接触端施加工作电压时，所述P型浮置区与高压N阱形成的耗尽区和浅沟槽隔离在高压N阱中形成的耗尽区部分重合；且所述P型浮置区与高压N阱形成的耗尽区和P型保护环与高压N阱形成的耗尽区不重合；
以及覆盖在所述高压N阱和浅沟槽隔离上方的介质层。


2.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩二极管，其特征在于，所述P型浮置区为垂直分布的M个P型浮置环，当所述N型接触端施加工作电压时，相邻的两个P型浮置环与高压N阱形成的耗尽区部分重合，且最下方的P型浮置环与高压N阱形成的耗尽区和P型衬底与高压N阱形成的耗尽区部分重合；M为大于0的正整数。


3.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩二极管，其特征在于，所述P型隔离区中包含P型掺杂区，且所述P型掺杂区位于所述P型隔离区的中心位置。


4.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩二极管，其特征在于，所述环状P型浮置区延伸至所述浅沟槽隔离的下方。


5.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩二极管，其特征在于，所述P型浮置区与高压N阱形成的耗尽区和P型衬底与高压N阱形成的耗尽区部分重合。


6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙德明，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31