单光子雪崩光电二极管及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种单光子雪崩光电二极管及其制造方法，所述单光子雪崩光电二极管包括单光子雪崩光电二极管结构及自适应电阻结构。在单光子雪崩光电二极管结构上集成一个具有第一电阻状态和第二电阻状态的自适应电阻结构，可通过自适应电阻结构两端施加的偏置电压在第一电阻状态和第二电阻状态两者之间来回切换，在单光子雪崩光电二极管结构放电时使自适应电阻结构呈现电阻较大的第一电阻状态，有利于快速淬灭单光子雪崩光电二极管结构的雪崩电流，在单光子雪崩光电二极管结构充电时使自适应电阻结构呈现电阻较小的第二电阻状态，能大幅度缩短复位时间，有利于提高自由运行模式单光子雪崩光电二极管结构的最大计数速率。单光子雪崩光电二极管结构的最大计数速率。单光子雪崩光电二极管结构的最大计数速率。

【技术实现步骤摘要】
单光子雪崩光电二极管及其制造方法


[0001]本专利技术涉及探测器芯片制造
，特别是涉及一种单光子雪崩光电二极管及其制造方法。

技术介绍

[0002]基于半导体p
–
n结的单光子雪崩二极管(SPAD)作为一种紧凑、高效、室温的技术，在包括使用飞行时间方法的三维成像和测距(如自动驾驶的激光雷达、姿态识别、三维扫描、量子通信和医疗荧光监测)的应用中具有较强的吸引力。这类应用中SPAD在自由运行模式下工作，偏置电压一直保持在击穿电压之上的盖革状态，能够实现对到达时间未知的光子进行探测。一旦检测到光子信号随即触发雪崩，然而雪崩过程是一个自我持续过程，不会主动熄灭。为防止温度上升烧毁SPAD，需要一个淬灭电路来终止雪崩倍增过程并重置器件偏置电压。
[0003]采用被动猝灭是最简单的方法，通过集成一个足够大的电阻器与SPAD串联，实现雪崩电流快速猝灭，而现有技术一般采用较大固定电阻值的电阻器(如CrSi、NiCr、a
‑
Si等材料)，由于SPAD耗尽电容充电的RC延时，造成长复位时间，通常在1～10微秒范围。虽然可以通过减小探测器的光学传感面积来减小结电容，进而减小RC延时的时间常数，但它会降低灵敏度且效果不明显。
[0004]因此，目前亟需一种在保持被动淬灭简单结构的同时，缩短复位时间，提高自由运行模式下的单光子雪崩光电二极管计数速率的技术方案。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种集成自适应电阻的单光子雪崩光电二极管技术方案，以解决上述技术问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供的技术方案如下。
[0007]一种单光子雪崩光电二极管，包括：
[0008]单光子雪崩光电二极管结构，其包括相对设置的背面和正面，其背面引出第一电极和入射光窗，其正面引出第二电极，其正面上还设置有第三电极；
[0009]自适应电阻结构，设置在所述单光子雪崩光电二极管结构的正面上，且其一端与所述第二电极连接，其另一端与所述第三电极连接；
[0010]其中，所述自适应电阻结构具有第一电阻状态和第二电阻状态，所述第一电阻状态的电阻大于所述第二电阻状态的电阻，在所述单光子雪崩光电二极管结构放电时所述自适应电阻结构呈现第一电阻状态，在所述单光子雪崩光电二极管结构充电时所述自适应电阻结构呈现第二电阻状态。
[0011]可选地，所述单光子雪崩光电二极管结构包括：
[0012]衬底，其包括相对设置的背面和正面；
[0013]缓冲层，设置在所述衬底的正面上；
[0014]倍增层，设置在所述缓冲层上；
[0015]电荷层，设置在所述倍增层上；
[0016]渐变层，设置在所述电荷层上；
[0017]吸收层，设置在所述渐变层上；
[0018]帽层，设置在所述吸收层上；
[0019]接触层，设置在所述帽层上；
[0020]钝化层，填充设置在凹槽中且与所述接触层齐平，所述凹槽依次穿过所述接触层、所述帽层、所述吸收层、所述渐变层、所述电荷层、所述倍增层及所述缓冲层到所述衬底；
[0021]介质层，设置在所述接触层及所述钝化层上；
[0022]所述入射光窗，设置在所述衬底的背面；
[0023]所述第一电极，设置在所述衬底的背面；
[0024]所述第二电极，穿过所述介质层与所述接触层连接；
[0025]所述第三电极，设置在所述介质层上。
[0026]可选地，所述第一电极为环形电极，所述第一电极环绕所述入射光窗设置，所述入射光窗上设有增透膜。
[0027]可选地，所述自适应电阻结构包括：
[0028]惰性金属层，设置在所述介质层上且与所述第二电极连接；
[0029]金属氧化物层，设置在所述惰性金属层上；
[0030]扩散金属层，设置在所述金属氧化物层上且与所述第三电极连接。
[0031]可选地，所述惰性金属层的材料至少包括钛和铂，所述金属氧化层的材料至少包括氧化铪、五氧化二钽及氧化铜，所述扩散金属层的材料至少包括钽、银及金。
[0032]可选地，所述惰性金属层的厚度为10～100nm，所述金属氧化物层的厚度为5～10nm，所述扩散金属层的厚度为10～100nm。
[0033]可选地，所述第一电阻状态的电阻取值范围为500kΩ～5000MΩ，所述第二电阻状态的电阻取值范围为100Ω～30kΩ。
[0034]一种单光子雪崩光电二极管的制造方法，包括：
[0035]形成单光子雪崩光电二极管结构，所述单光子雪崩光电二极管结构包括相对设置的背面和正面，所述单光子雪崩光电二极管结构的背面引出第一电极和入射光窗，所述单光子雪崩光电二极管结构的正面引出第二电极，所述单光子雪崩光电二极管结构的正面上还设置有第三电极；
[0036]在所述单光子雪崩光电二极管结构的正面上形成自适应电阻结构，所述自适应电阻结构的一端与所述第二电极连接，所述自适应电阻结构的另一端与所述第三电极连接；
[0037]其中，所述自适应电阻结构具有第一电阻状态和第二电阻状态，所述第一电阻状态的电阻大于所述第二电阻状态的电阻，在所述单光子雪崩光电二极管结构放电时所述自适应电阻结构呈现第一电阻状态，在所述单光子雪崩光电二极管结构充电时所述自适应电阻结构呈现第二电阻状态。
[0038]可选地，所述形成单光子雪崩光电二极管结构的步骤，包括：
[0039]提供衬底，所述衬底包括相对设置的背面和正面；
[0040]在所述衬底的正面上依次形成缓冲层、倍增层、电荷层、渐变层、吸收层、帽层、接
触层；
[0041]形成凹槽，所述凹槽依次穿过所述接触层、所述帽层、所述吸收层、所述渐变层、所述电荷层、所述倍增层及所述缓冲层到所述衬底；
[0042]形成钝化层，所述钝化层填充在所述凹槽中，且所述钝化层与所述接触层齐平；
[0043]形成介质层，所述介质层覆盖所述钝化层与所述接触层；
[0044]形成所述第二电极与所述第三电极，所述第二电极穿过所述介质层与所述接触层连接，所述第三电极设置在所述介质层上；
[0045]从背面减薄所述衬底；
[0046]在所述衬底背面的入射光窗位置上形成增透膜；
[0047]在所述衬底的背面上形成第一电极，所述第一电极环绕所述增透膜设置。
[0048]可选地，所述在所述单光子雪崩光电二极管结构的正面上形成自适应电阻结构的步骤，包括：
[0049]在所述介质层上形成惰性金属层，所述惰性金属层与所述第二电极连接；
[0050]在所述惰性金属层上形成金属氧化物层；
[0051]在所述金属氧化物层上形成扩散金属层，所述扩散金属层与所述第三电极连接。
[0052]如上所述，本专利技术提供的单光子雪崩光电二极管及其制造方法，至少具有以下有益效果：
[0053]与单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光子雪崩光电二极管，其特征在于，包括：单光子雪崩光电二极管结构，其包括相对设置的背面和正面，其背面引出第一电极和入射光窗，其正面引出第二电极，其正面上还设置有第三电极；自适应电阻结构，设置在所述单光子雪崩光电二极管结构的正面上，且其一端与所述第二电极连接，其另一端与所述第三电极连接；其中，所述自适应电阻结构具有第一电阻状态和第二电阻状态，所述第一电阻状态的电阻大于所述第二电阻状态的电阻，在所述单光子雪崩光电二极管结构放电时所述自适应电阻结构呈现第一电阻状态，在所述单光子雪崩光电二极管结构充电时所述自适应电阻结构呈现第二电阻状态。2.根据权利要求1所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于，所述单光子雪崩光电二极管结构包括：衬底，其包括相对设置的背面和正面；缓冲层，设置在所述衬底的正面上；倍增层，设置在所述缓冲层上；电荷层，设置在所述倍增层上；渐变层，设置在所述电荷层上；吸收层，设置在所述渐变层上；帽层，设置在所述吸收层上；接触层，设置在所述帽层上；钝化层，填充设置在凹槽中且与所述接触层齐平，所述凹槽依次穿过所述接触层、所述帽层、所述吸收层、所述渐变层、所述电荷层、所述倍增层及所述缓冲层到所述衬底；介质层，设置在所述接触层及所述钝化层上；所述入射光窗，设置在所述衬底的背面；所述第一电极，设置在所述衬底的背面；所述第二电极，穿过所述介质层与所述接触层连接；所述第三电极，设置在所述介质层上。3.根据权利要求2所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于，所述第一电极为环形电极，所述第一电极环绕所述入射光窗设置，所述入射光窗上设有增透膜。4.根据权利要求1或3所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于，所述自适应电阻结构包括：惰性金属层，设置在所述介质层上且与所述第二电极连接；金属氧化物层，设置在所述惰性金属层上；扩散金属层，设置在所述金属氧化物层上且与所述第三电极连接。5.根据权利要求4所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于，所述惰性金属层的材料至少包括钛和铂，所述金属氧化层的材料至少包括氧化铪、五氧化二钽及氧化铜，所述扩散金属层的材料至少包括钽、银及金。6.根据权利要求4所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于，所述惰性金属层的厚度为10～100nm，所述金属氧化物层的厚度为5～10nm，所述扩散金属层的厚度为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：张承，崔大健，黄晓峰，柳聪，张圆圆，曹一，田明波，赵江林，陈伟，敖天宏，迟殿鑫，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十四研究所，
类型：发明
国别省市：