一种单光子雪崩二极管制造技术

本发明专利技术公开了一种单光子雪崩二极管，包括阵列排布的多个像素单元以及设置在相邻像素单元之间的共享阴极和隔离单元，其中，所述像素单元包括二极管有源区、纳米蛾眼减反结构和微透镜，所述纳米蛾眼减反结构设置在所述二极管有源区的上表面，所述微透镜设置在所述纳米蛾眼减反结构的上表面；所述共享阴极设置在每相邻四个所述像素单元的顶角围成的区域中；所述隔离单元设置在相邻两个所述像素单元之间，用于对相邻像素单元进行光学及电学隔离。本发明专利技术将纳米蛾眼减反微结构、微透镜与光电探测器件相结合，减少特定波段光的反射，增加了回波信号中光子的利用率，从而提高量子效率，并提高系统的探测效率。高系统的探测效率。高系统的探测效率。

【技术实现步骤摘要】
一种单光子雪崩二极管


[0001]本专利技术属于微电子光电器件
，具体涉及一种单光子雪崩二极管。

技术介绍

[0002]近年来，远距离主动成像能够提供探测目标的高分辨三维成像，在遥感和目标识别领域具有广阔的应用前景。作为实现远距离主动成像的重要手段，单光子激光雷达通过用激光束照射探测目标，并测量反射光信号的飞行时间(Time of Flight，ToF)，从而得到目标的距离信息，通过对探测物体进行二维扫描，就能得到三维的距离信息。
[0003]单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)由于具有几乎无限增益、高时间分辨率和单光子灵敏度等优点而成为远距离微光探测的最优候选器件之一。此外，由于具有高成本效益、量产能力和易于集成等特点，SPAD在CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺中的集成备受关注。许多先进的解决方案已经出现，包括最先进的技术节点、微透镜和3D集成。
[0004]然而，随着成像距离的不断增加，从目标返回的光子信号愈发稀少。因此，提高器件的探测效率变得尤为重要，探测效率理论上直接受限于探测概率和量子效率，而如何提高光子利用率是提高量子效率亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种单光子雪崩二极管。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]本专利技术提供了一种单光子雪崩二极管，包括阵列排布的多个像素单元以及设置在相邻像素单元之间的共享阴极和隔离单元，其中，
[0007]所述像素单元包括二极管有源区、纳米蛾眼减反结构和微透镜，所述纳米蛾眼减反结构设置在所述二极管有源区的上表面，所述微透镜设置在所述纳米蛾眼减反结构的上表面；
[0008]所述共享阴极设置在每相邻四个所述像素单元的顶角围成的区域中；所述隔离单元设置在相邻两个所述像素单元之间，用于对相邻像素单元进行光学及电学隔离。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，所述二极管有源区包括P型衬底层、P型外延层、N型埋层、p+有源层、有源区光子反射金属板、阳极电极以及布线层，其中，
[0010]所述布线层、所述P型外延层、所述N型埋层和所述P型衬底层自下而上层叠设置，所述纳米蛾眼减反结构设置在所述P型衬底层的上表面；
[0011]所述p+有源层设置在所述P型外延层的下表面中心；
[0012]所述阳极电极镶嵌在所述布线层的上表面且所述阳极电极的上表面与所述p+有源层的下表面接触，所述有源区光子反射金属板镶嵌在所述布线层的下表面。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述P型衬底层为掺杂有磷或锑的Si基衬底，厚度为3～10μm。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述隔离单元包括自上而下依次堆叠在相邻所述像素单元之间的深槽隔离区、隔离N阱和浅槽隔离层，其中，
[0015]所述浅槽隔离层镶嵌在所述P型外延层的下表面，所述隔离N阱设置在所述浅槽隔离层的上表面且与所述N型埋层的下表面接触；
[0016]所述深槽隔离区从所述P型衬底层的上表面延伸至所述隔离N阱的内部且能够间隔相邻所述像素单元的N型埋层。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，所述共享阴极包括自上而下依次层叠设置的深N阱、N+掺杂阱和阴极电极，其中，
[0018]所述深N阱和所述N+掺杂阱设置在所述P型外延层内部，所述阴极电极位于所述布线层内部，且所述深N阱的上表面与所述N型埋层的下表面接触。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，所述纳米蛾眼减反结构包括蛾眼减反微结构、增反膜以及平坦层，其中，
[0020]所述蛾眼减反微结构包括多个纳米蛾眼减反微结构，所述多个纳米蛾眼减反微结构的高度、密度及直径分别在平均高度、平均密度及平均直径左右呈随机分布且自下而上直径逐渐减小；
[0021]所述平坦层填充在所述多个纳米蛾眼减反微结构的间隙中，以形成平坦的上下表面，所述微透镜设置在所述平坦层上方；
[0022]所述增反膜位于相邻两个由所述蛾眼减反微结构和所述平坦层组成的结构之间。
[0023]在本专利技术的一个实施例中，所述蛾眼减反微结构和所述平坦层均为可生长在Si表面的薄膜材料，所述微透镜材料的折射率＜所述平坦层材料的折射率＜所述蛾眼减反微结构材料的折射率
[0024]在本专利技术的一个实施例中，所述增反膜为TiO2、ZrO2或者其组合。
[0025]在本专利技术的一个实施例中，所述蛾眼减反微结构为子弹状纳米结构、纳米圆台结构、抛物面状纳米结构、高斯面状纳米结构或纳米椎结构。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0027]1、本专利技术的单光子雪崩二极管，将纳米蛾眼减反微结构、微透镜与光电探测器件相结合，在传统光电探测器件上刻蚀或生长纳米蛾眼减反结构，并在像素单元之间利用增反结构增加无用光子的反射，最大限度地利用照射到探测芯片上的光子，并针对特定波长对微结构和微透镜尺寸进行优化，实现特定波段的高窗口透射率，提高量子效率从而提高探测效率。实现高效的远距离微光探测。
[0028]2、本专利技术的单光子雪崩二极管通过增加微透镜结构增加了器件的有效填充率，通过纳米蛾眼减反结构减少光的反射，增加了回波信号中光子的利用率，通过n+/P结构使得在高场吸收区范围内，主要由电子参与雪崩，电子雪崩电离率较高，可进一步提高量子效率，通过提高填充率、量子效率、光子利用率最终可以提高器件的探测效率。
[0029]以下将结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。
附图说明
[0030]图1是本专利技术实施例提供的一种单光子雪崩二极管的部分4
×
4阵列像素结构的顶视图；
[0031]图2是沿图1中的A
‑
A线截取的截面图；
[0032]图3是本专利技术实施例提供的一种位于器件边缘的像素单元的截面示意图；
[0033]图4是本专利技术实施例提供的一种共享阴极的截面示意图；
[0034]图5是本专利技术实施例提供的一种具有随机分布三角锥的蛾眼减反微结构的结构示意图；
[0035]图6是本专利技术实施例提供的一种平均直径为100nm、平均高度为400nm的随机分布蛾眼微结构的反射曲线图。
[0036]附图标记说明：
[0037]1‑
像素单元；11
‑
二极管有源区；111
‑
P型衬底层；112
‑
P型外延层；113
‑
N型埋层；114
‑
p+有源层；115
‑
有源区光子反射金属板；116
‑
阳极电极；117
‑
布线层；12
‑
蛾眼减反结构；121
‑
蛾眼减反微结构；122
‑
增反膜；123
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光子雪崩二极管，其特征在于，包括阵列排布的多个像素单元(1)以及设置在相邻像素单元(1)之间的共享阴极(2)和隔离单元(3)，其中，所述像素单元(1)包括二极管有源区(11)、纳米蛾眼减反结构(12)和微透镜(13)，所述纳米蛾眼减反结构(12)设置在所述二极管有源区(11)的上表面，所述微透镜(13)设置在所述纳米蛾眼减反结构(12)的上表面；所述共享阴极(2)设置在每相邻四个所述像素单元(1)的顶角围成的区域中；所述隔离单元(3)设置在相邻两个所述像素单元(1)之间，用于对相邻像素单元(1)进行光学及电学隔离。2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述二极管有源区(11)包括P型衬底层(111)、P型外延层(112)、N型埋层(113)、p+有源层(114)、有源区光子反射金属板(115)、阳极电极(116)以及布线层(117)，其中，所述布线层(117)、所述P型外延层(112)、所述N型埋层(113)和所述P型衬底层(111)自下而上层叠设置，所述纳米蛾眼减反结构(12)设置在所述P型衬底层(111)的上表面；所述p+有源层(114)设置在所述P型外延层(112)的下表面中心；所述阳极电极(116)镶嵌在所述布线层(117)的上表面且所述阳极电极(116)的上表面与所述p+有源层(116)的下表面接触，所述有源区光子反射金属板(115)镶嵌在所述布线层(117)的下表面。3.根据权利要求2所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述P型衬底层(111)为掺杂有磷或锑的Si基衬底，厚度为3～10μm。4.根据权利要求2所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述隔离单元(3)包括自上而下依次堆叠在相邻所述像素单元(1)之间的深槽隔离区(31)、隔离N阱(32)和浅槽隔离层(33)，其中，所述浅槽隔离层(33)镶嵌在所述P型外延层(112)的下表面，所述隔离N阱(32)设置在所述浅槽隔离层(33)的上...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡进，刘阳，平雨晗，马瑞，
申请(专利权)人：宁波芯辉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：