单光子探测器及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种单光子探测器及其制作方法。所述制作方法中，在衬底正面形成第一电极后，移除所述衬底，再通过离子注入在外延层背面从所述外延层表面朝向所述外延层内部的第一预定深度内形成第二电极接触区，并形成与第二电极接触区电连接的第二电极。由于衬底被全部移除，外延层构成的基底层厚度均匀，外延层不同区域对光子的吸收能力以及光生载流子的传输距离较均匀，提升了单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性，并且，所述第二电极掺杂区的深度均匀且掺杂浓度容易控制和调节，使不同区域的第二电极的接触电阻均一，提升单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性和性能稳定性。所述单光子探测器可采用上述制作方法形成。成。成。

【技术实现步骤摘要】
单光子探测器及其制作方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，尤其涉及一种单光子探测器及其制作方法。

技术介绍

[0002]单光子雪崩二极管，简称SPAD(Single Photon Avalanche Diode)，是一种基于反向偏置电压超过PN结的击穿区来实现光电探测的固态光电探测器件。在单光子雪崩二极管中，PN结在高于击穿电压的电压下被反向偏置，在内部光电效应(当一种材料被光子撞击时，电子或另一种载流子的发射)的作用下，产生雪崩电流。利用单光子雪崩二极管可以检测到非常低的信号强度，例如低至单光子水平。基于单光子雪崩二极管的单光子探测器可用于高度敏感的光子捕获环境，例如在荧光寿命成像、3D成像等领域均有着广泛的应用。
[0003]目前基于半导体衬底形成的单光子雪崩二极管通常为垂直型二极管，即用于形成二极管的两个掺杂区沿衬底的垂向设置。对于垂直型二极管，其电极设置方式分为两种，一种是将二极管的两个电极都设置在衬底正面，另一种是将两个电极分别设置在衬底正面和背面。对于前一种设置方式，为了确保二极管的击穿主要发生在垂直方向，在衬底正面设置的两种电极接触区之间需要进行隔离或者留出足够的间距。但是，随着单光子探测器的发展，需要制作密度更大的像素阵列，在同样的窗口下需要对单个单光子雪崩二极管的面积进行微缩，而两个电极均设置在衬底正面的方式由于要保证两种电极接触区之间的间距，微缩难度大，相对而言，后一种设置方式(两个电极分别设置在衬底正面和背面)更容易实现密度更大的像素阵列。
[0004]然而，将两个电极分别设置在衬底正面和背面的方式，目前还存在器件性能不稳定的问题。

技术实现思路

[0005]参照图1，现有将两个电极分别设置在衬底正面和背面的单光子雪崩二极管通常采用重掺杂(如P型)的衬底10作为背面电极20的接触区，用于形成耗尽层31的二极管掺杂区(如P阱(PW)和N阱(NW))设置在衬底10正面一侧的外延层30中，但是，由于衬底10通过常规的研磨工艺进行了减薄，厚度均一性差(示例的，目标厚度为1μm，但实际厚度在1.6μm～0.4μm内变化)，导致背面电极20的接触电阻不均匀，而且，衬底10的厚度不均也会导致工作过程中不同区域的光生载流子扩散到耗尽层30的距离不一致，进而使得单光子雪崩二极管以及单光子探测器的均一性差，性能不稳定。
[0006]为了提高单光子雪崩二极管和单光子探测器的均一性和性能稳定性，本专利技术提供一种单光子探测器及其制作方法。
[0007]一方面，本专利技术提供一种单光子探测器的制作方法，包括：
[0008]提供半导体基底，所述半导体基底包括衬底和形成于所述衬底表面的外延层，所述外延层具有第一掺杂类型；
[0009]在所述外延层中形成彼此邻接的二极管掺杂区，并在所述外延层正面形成第一电
极，所述第一电极与所述彼此邻接的二极管掺杂区中的一个二极管掺杂区电连接；
[0010]移除所述衬底；
[0011]对所述外延层的背面进行第一掺杂类型离子注入，以在所述外延层背面从所述外延层表面朝向所述外延层内部的第一预定深度内形成第二电极接触区；以及
[0012]在所述第二电极接触区形成第二电极，所述第二电极与所述第二电极接触区电连接。
[0013]可选的，移除所述衬底包括：
[0014]利用化学机械研磨减薄所述衬底，并保留部分厚度的所述衬底；以及
[0015]利用湿法蚀刻去除剩余的所述衬底，其中，所述衬底的第一掺杂类型浓度大于所述外延层的第一掺杂类型浓度，所述湿法蚀刻以所述外延层作为蚀刻停止层。
[0016]可选的，在形成所述第二电极之前，所述制作方法还包括：
[0017]从所述外延层背面刻蚀所述外延层，在所述二极管掺杂区的外围形成沟槽；
[0018]对所述沟槽的侧壁进行第一掺杂类型离子注入，以从所述沟槽的侧壁朝向所述外延层内部的第二预定深度内形成第一掺杂区；以及
[0019]在所述沟槽内填充隔离材料，形成沟槽隔离结构。
[0020]可选的，所述第一掺杂类型为P型；对所述沟槽的侧壁和对所述外延层的背面进行的第一掺杂类型离子注入为同步离子注入。
[0021]可选的，对所述沟槽的侧壁和对所述外延层的背面进行第一掺杂类型离子注入后，利用激光激活注入离子。
[0022]可选的，在所述第二电极接触区形成第二电极包括：
[0023]在所述第二电极接触区形成至少一个开口；
[0024]在所述第二电极接触区远离所述外延层正面的一侧沉积导电材料，所述导电材料填充所述开口并覆盖所述第二电极接触区；以及
[0025]对所述导电材料进行图形化处理，形成所述第二电极。
[0026]可选的，所述开口的深度小于所述第一预设深度。
[0027]一方面，本专利技术提供一种单光子探测器，所述单光子探测器包括至少一个单光子雪崩二极管，每个所述单光子雪崩二极管包括：
[0028]外延层，具有第一掺杂类型，且包括相对的正面和背面；
[0029]二极管掺杂区，形成于所述外延层中且彼此邻接；
[0030]第二电极接触区，形成于所述外延层的背面从所述外延层表面朝向所述外延层内部的第一预定深度内，所述第二电极接触区与所述外延层的离子掺杂类型相同且所述第二电极接触区的掺杂浓度大于所述外延层的掺杂浓度；以及
[0031]第一电极和第二电极，分别设置于所述外延层的正面和背面，所述第一电极与一个所述二极管掺杂区电连接，所述第二电极形成于所述第二电极接触区且与所述第二电极接触区电连接。
[0032]可选的，所述二极管掺杂区包括在所述外延层内垂向堆叠的第二掺杂类型阱和第一掺杂类型阱，所述第二掺杂类型阱从所述外延层内延伸至所述外延层的正面以与所述第一电极电连接，所述第一掺杂类型阱与所述第二掺杂类型阱远离所述第一电极的一侧邻接；所述第二电极接触区与所述第一掺杂类型阱之间的垂向间距大于0。
[0033]可选的，所述单光子探测器包括多个所述单光子雪崩二极管，相邻两个所述单光子雪崩二极管之间形成有沟槽隔离结构，所述沟槽隔离结构具有沿厚度方向贯穿所述外延层的沟槽，所述沟槽内填充隔离材料，并且，从所述沟槽的侧壁朝向所述外延层内部的第二预定深度内形成有第一掺杂区。
[0034]本专利技术提供的单光子探测器的制作方法具有如下技术效果：
[0035](1)分别在所述外延层的正面和背面形成第一电极和第二电极，相对于电极都设置在一侧，减少了对正面面积的占用，便于单光子雪崩二极管进一步微缩，提升单光子探测器的像素密度；
[0036](2)将第二电极形成在外延层背面，有助于使单光子雪崩二极管在微缩的同时保持较高的填充因子，避免器件的光子探测效率降低；
[0037](3)将衬底全部移除使外延层构成的基底层厚度更均匀，不同区域的外延层对光子的吸收能力以及光生载流子从外延层的不同区域移动到耗尽层的传输时间更均匀，有助于提升器件的均一性和性能稳定性；
[0038本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光子探测器的制作方法，其特征在于，包括：提供半导体基底，所述半导体基底包括衬底和形成于所述衬底表面的外延层，所述外延层具有第一掺杂类型；在所述外延层中形成彼此邻接的二极管掺杂区，并在所述外延层正面形成第一电极，所述第一电极与所述彼此邻接的二极管掺杂区中的一个二极管掺杂区电连接；移除所述衬底；对所述外延层的背面进行第一掺杂类型离子注入，以在所述外延层背面从所述外延层表面朝向所述外延层内部的第一预定深度内形成第二电极接触区；以及在所述第二电极接触区形成第二电极，所述第二电极与所述第二电极接触区电连接。2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，移除所述衬底包括：利用化学机械研磨减薄所述衬底，并保留部分厚度的所述衬底；以及利用湿法蚀刻去除剩余的所述衬底，其中，所述衬底的第一掺杂类型浓度大于所述外延层的第一掺杂类型浓度，所述湿法蚀刻以所述外延层作为蚀刻停止层。3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在形成所述第二电极之前，所述制作方法还包括：从所述外延层背面刻蚀所述外延层，在所述二极管掺杂区的外围形成沟槽；对所述沟槽的侧壁进行第一掺杂类型离子注入，以从所述沟槽的侧壁朝向所述外延层内部的第二预定深度内形成第一掺杂区；以及在所述沟槽内填充隔离材料，形成沟槽隔离结构。4.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述第一掺杂类型为P型；对所述沟槽的侧壁和对所述外延层的背面进行的第一掺杂类型离子注入为同步离子注入。5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，对所述沟槽的侧壁和对所述外延层的背面进行第一掺杂类型离子注入后，利用激光激活注入离子。6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述第二电极接触区形成第二电极包括：在所述第二电极接触区形成至...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏丹清，
申请(专利权)人：武汉新芯集成电路制造有限公司，
类型：发明
国别省市：