用于SPAD的接触层及其制备方法，以及一种SPAD及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于单光子雪崩光电二极管SPAD的接触层，其为由外延晶圆的阻挡层上表面、从两侧向中间逐级向下凹陷形成的N级同轴对称台阶结构。本发明专利技术还涉及一种用于SPAD的接触层的制备方法，其包括：对外延晶圆的阻挡层进行N次刻蚀得到接触层。本发明专利技术提供的接触层的厚度从两侧向中间逐渐减小，使得SPAD在完成pn结的制备过程中，只需要一次锌扩散就能够得到有源区边缘扩散深度小于中间区域且曲率半径更大的锌扩散形貌，从而实现在有效防止边缘预先击穿的同时，增强横向电场分量，减少电荷持续效应对SPAD的单光子性能的影响。此外，本发明专利技术还涉及一种SPAD及其制备方法。发明专利技术还涉及一种SPAD及其制备方法。发明专利技术还涉及一种SPAD及其制备方法。

【技术实现步骤摘要】
用于SPAD的接触层及其制备方法，以及一种SPAD及其制备方法


[0001]本专利技术属于光电二极管
，具体涉及一种用于单光子雪崩光电二极管的接触层及其制备方法，以及一种单光子雪崩光电二极管及其制备方法。

技术介绍

[0002]单光子雪崩光电二极管SPAD目前在量子保密通信、量子成像、激光雷达、生物医疗及集成电路检测等领域有广泛的应用。当SPAD进入盖革模式，即外部电路提供反向偏压V
r
高于器件的击穿电压V
br
，此时器件对极微弱光的瞬时响应电流可达到mA级别，即SPAD具备单光子探测能力。单光子探测效率PDE是表征SPAD探测能力的重要参数，通常可以通过提高施加在器件两端的过偏压来实现PDE的提高。然而，在热激发、带间隧穿和缺陷辅助隧穿等效应的作用下，暗载流子所引发可自持雪崩所形成的暗计数同样随着过偏压的升高而增大。对于SPAD而言，满足一定PDE前提下的暗计数率是单光子性能核心指标，它决定着单光子雪崩信号的可提取程度。因此，降低暗计数率是实现高性能SPAD的关键技术。
[0003]通常平面型SPAD或其他雪崩光电二极管APD，由于晶圆外延的表面(即接触层)为平坦形貌，通常只能通过传统的二次锌扩散工艺来完成pn结的制备，即在晶圆外延表面，在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次锌扩散，得到面积较大的浅扩散，防止有源区周边的扩散区前端边缘形貌陡变以改善扩散最终边缘曲率从而避免边缘预先击穿；在第二光刻掩膜的作用下，进行第二次锌扩散，得到面积较小的深扩散，以对于光敏面有源区面积及倍增层厚度进行定义，此二参数决定了器件最终的直流光电特性(开启电压、击穿电压以及暗电流等)。然而，二次锌扩散工艺存在以下缺点：
[0004](1)二次锌扩散工艺仍然存在防止边缘击穿效果不佳的情况，且在实际工艺中发现，有源区边缘扩散深度较中心更深(边缘增强效应)，在盖革模式下仍可能存在中心区域雪崩概率小于边缘区域，导致器件达到满足应用的PDE需要加载更大的过偏压的情况，使得SPAD的暗计数率增大。
[0005](2)二次扩散工艺难以实现进一步的边缘曲率优化调控，在有源区周边区域存在非理想的光吸收产生空穴情况下，无法通过增强吸收层内横向电场分量来降低电荷持续效应，进而降低暗计数率。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术解决的技术问题为：提供一种用于SPAD的接触层及其制备方法、以及一种SPAD及其制备方法，能够在有效防止边缘预先击穿的同时，增强吸收层内横向电场分量，减少电荷持续效应，降低暗计数率，得到高性能的SPAD。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种用于单光子雪崩光电二极管SPAD的接触层，所述接触层为由外延晶圆的阻挡层上表面、从两侧向中间逐级向下凹陷形成的N级同轴对称台阶结构；其中，N≥1。
[0008]第二方面，本专利技术还提供一种用于SPAD的接触层的制备方法，所述制备方法包括：对外延晶圆的阻挡层进行N次刻蚀得到接触层；其中，N≥1。
[0009]优选的，所述制备方法具体包括如下步骤：
[0010]在阻挡层表面制作掩膜窗口，以对阻挡层进行刻蚀，形成含有一级同轴对称台阶的接触层；
[0011]将每次所得接触层作为阻挡层，重复上述步骤制作掩膜窗口并刻蚀，直至形成含有N级同轴对称台阶的接触层；
[0012]其中，后一次掩膜窗口的直径小于前一次掩膜窗口的直径。
[0013]优选的，所述阻挡层的材料为In1‑
x
Ga
x
As
y
P1‑
y
；其中0≤x≤1，0≤y≤1。
[0014]优选的，所述阻挡层的材料为由多种不同组成的In1‑
x
Ga
x
As
y
P1‑
y
上下层叠形成的复合材料；其中，y值从上至下逐渐减小，相邻两层的y值之差≥0.2；0≤x≤1，0≤y≤1。
[0015]优选的，所述制作掩膜窗口的具体步骤包括：在阻挡层的表面沉积一层介质膜，通过光刻、反应离子刻蚀制作掩膜窗口；所述对阻挡层进行刻蚀的具体步骤包括：对阻挡层进行干法刻蚀。
[0016]优选的，所述制作掩膜窗口的具体步骤包括：在阻挡层的表面直接利用光刻定义掩膜窗口；所述对阻挡层进行刻蚀的具体步骤包括：利用H2SO4、H2O2和去离子水混合的腐蚀液对阻挡层进行湿法刻蚀。
[0017]第三方面，本专利技术还提供一种SPAD，所述SPAD包含盖层，以及设置在所述盖层上方的接触层。
[0018]第四方面，本专利技术还提供一种SPAD的制备方法，所述制备方法包括：
[0019]对外延晶圆的阻挡层进行N次刻蚀得到接触层；
[0020]在所述接触层表面制作掩膜扩散窗口，进行锌扩散至目标深度，去除掩膜。
[0021]优选的，在所述接触层表面制作掩膜扩散窗口的具体步骤包括：在接触层表面沉积一层介质膜，通过光刻、反应离子刻蚀制作掩膜扩散窗口，所述掩膜扩散窗口的直径大于等于对阻挡层进行第一次刻蚀前制作的掩膜窗口的直径。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0023](1)本专利技术提供的用于SPAD的接触层具有同轴台阶对称结构，其厚度从两侧向中间逐渐减小，使得平面型SPAD在完成pn结的制备过程中，只需要一次锌扩散就能够得到有源区边缘扩散深度小于中间区域且曲率半径更大的锌扩散形貌，从而实现在有效防止边缘预先击穿的同时，增强横向电场分量，减少电荷持续效应，降低暗计数率，得到高性能的SPAD。
[0024](2)本专利技术提供的用于SPAD的接触层的制备方法通过对阻挡层的上表面进行多次刻蚀来得到包含有N级同轴对称台阶结构的接触层，使得平面型SPAD在完成pn结的制备过程中，只需要一次锌扩散就能够得到有源区边缘扩散深度小于中间区域，且曲率半径更大的锌扩散形貌，从而实现在有效的防止边缘预先击穿的同时，增强横向电场分量，减少电荷持续效应，降低暗计数率，得到高性能的SPAD；而且，上述制备方法工艺简单，操作便捷，能够更容易的获得P型电极的欧姆接触，得到高性能、高寿命的SPAD。
[0025](3)本专利技术提供的SPAD具有有源区边缘扩散深度小于中间区域，且曲率半径更大的锌扩散形貌，与采用传统二次锌扩散工艺制得的SPAD相比，在倍增层厚度相同的条件下，
横向电场水平方向上电场分量峰值增大约40
‑
80％，从而减少电荷持续效应，降低暗计数率，提高SPAD的性能。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1为本专利技术实施例的接触层的结构示意图；
[0028]图2为本专利技术一种实施例的制备接触层的工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于单光子雪崩光电二极管SPAD的接触层，其特征在于，所述接触层为由外延晶圆的阻挡层上表面、从两侧向中间逐级向下凹陷形成的N级同轴对称台阶结构；其中，N≥1。2.一种如权利要求1所述的用于SPAD的接触层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：对外延晶圆的阻挡层进行N次刻蚀得到接触层；其中，N≥1。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：在阻挡层表面制作掩膜窗口，以对阻挡层进行刻蚀，形成含有一级同轴对称台阶的接触层；将每次所得接触层作为阻挡层，重复上述步骤制作掩膜窗口并刻蚀，直至形成含有N级同轴对称台阶的接触层；其中，后一次掩膜窗口的直径小于前一次掩膜窗口的直径。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述阻挡层的材料为In1‑
x
Ga
x
As
y
P1‑
y
；其中0≤x≤1，0≤y≤1。5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述阻挡层的材料为由多种不同组成的In1‑
x
Ga
x
As
y
P1‑
y
上...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊祎灵，曾磊，
申请(专利权)人：武汉光谷量子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：