【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于雪崩阵列传感器，尤其涉及一种沟槽电极单光子雪崩阵列、传感器及制备方法。
技术介绍
1、硅光电倍增管特别适用于弱光的探测。弱光探测器技术在光学探测、高能物理、天体物理和核医学成像领域等一直具有非常重要的应用。目前被最广泛应用的弱光传感器主要是光电倍增管(pmt)。但由于pmt体积大、工作电压高，功耗高、易损坏、同时受光阴极限制探测效率较低、对磁场变化敏感以及不适合制作大规模探测阵列等缺点的影响，限制了它在许多方面的应用。工作在盖革模式下的spad(single photon avalanche diode，单光子雪崩二极管)可以用来探测光子，因此基于spad的面阵传感器所以广泛应用在激光测距，激光雷达成像，三维深度飞行时间成像等技术中，它受到了弱光探测领域研究人员的高度关注，并在现在已经成为弱光探测器
的一个研究热点。
2、spad阵列光电转换传感器的单个元胞基本结构如图1所示，其中包括晶圆衬底n+区101，外延层n-区102，光线入射端p+区103，保护环p-区104，阳极引出端106，和阴极引出端108。spad加上反向偏压(一般是十几伏到几十伏)后，每个像素单元的spad耗尽层有很高的电场。光子进入spad后发生康普顿散射，将半导体的价电子激发为自由电子，产生的自由电子在电场中加速，打出大量的次级电子，即通过雪崩放电实现电子倍增。此时，每个微元电路中电流突然变大，进而在输出端形成电信号。单个spad输出的电荷量q。不反映入射光子数的多少，仅与像素点的电容与过阈电压有关；但由于每个像素点的面积很
3、它主要被用于弱光探测，射线的测量和探测、工业上的自动控制以及光度计量等；当它被用在红外波段时，它主要用于导弹的制导、红外热成像仪以及红外遥感等方面。此外，还可以应用在量子通信的单光子信息载体接收端，以及获得真随机数实现量子保密通信安全密钥分发。
4、spad的主要性能指标为：探测效率和暗计数率。其中探测效率直接影响单光子探测性能。spad的光子探测效率(pde)主要由三个因子构成：量子探测效率(qe)，入光口的填充因子(ff)以及光生载流子触发雪崩概率(pt)，可以表示为：
5、pde＝qe×ff×pt
6、其中，光生载流子触发雪崩概率(pt)受器件结构影响；而入光口的填充因子(ff)主要受淬灭电阻(rq)、顶部引出电极以及像素隔离结构的布局影响，很难达到100％。而且入光口的填充因子(ff)随着单位面积像素个数的增多而减少，从而影响量子探测效率。
7、spad的暗计数(dcr)分为初级暗计数和次级暗计数，产生初级暗计数的原因包括中性区载流子的扩散、耗尽区热载流子的产生与带间隧穿，次级暗计数则主要由后脉冲现象引起。随着cmos工艺尺寸的减小，spad耗尽层变薄，电场强度也相应增大。由带间隧穿产生的载流子可能会以一定的概率触发雪崩，因此带间隧穿是产生暗计数的主要原因。而带间隧穿过程中的载流子产生率(cgr)与spad的有源区(pn结雪崩区)面积成正比关系。
8、spad性能的提升，需要提高探测效率的同时降低暗计数率，但目前spad传感器器件结构的有效探测效率与暗计数率一般成正比关系，所以如何优化设计spad的器件结构非常关键。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种沟槽电极单光子雪崩阵列、传感器及制备方法，该单光子雪崩阵列在沟槽结构两侧通过离子角度注入形成有源区，有源区面积小、且布置在元胞四周，可以在保证光子探测效率的同时，降低暗计数率，减少器件在流片工艺中的光刻板数量，简化工艺流程，提高传感器的整体可靠性，可应用在红外辐射探测或弱光探测中。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供了一种沟槽电极单光子雪崩阵列，包括外延层，所述外延层一侧表面横纵设置若干沟槽结构，将外延层划分为多个元胞结构；所述沟槽结构的两侧分别通过离子角度注入形成靠近沟槽结构侧壁面的第一重掺杂区、远离沟槽结构侧壁面的雪崩注入区，所述沟槽结构内填充钝化物；所述第一重掺杂区从沟槽结构开口处引出第一电极；所述外延层设置沟槽结构的一侧还包括第二重掺杂区，所述第二重掺杂区引出第二电极。
3、进一步地，所述外延层、雪崩注入区、第二重掺杂区为n型，所述第一重掺杂区为p型；或者所述外延层、雪崩注入区、第二重掺杂区为p型，所述第一重掺杂区为n型；
4、所述沟槽结构内填充钝化物为二氧化硅或氮化硅；
5、所述第一电极、第二电极为金属或者重掺杂多晶硅。
6、进一步地，所述外延层电阻率在0.01～10ω·cm之间，厚度在1～400μm之间；
7、所述沟槽结构深度在1～350μm之间，宽度在0.5～10μm之间；
8、所述沟槽结构内钝化物的上表面距离阵列结构表面距离在0.1～5μm之间；
9、所述雪崩注入区距离沟槽结构侧壁面深度为0.5～3μm之间，峰值掺杂浓度范围为1×1016/cm3～1×1018/cm3；
10、所述第一重掺杂区距离深沟槽结构侧壁面深度为0.2～1μm之间，峰值掺杂浓度范围1×1018/cm3～1×1020/cm3；
11、所述第二掺杂区峰值掺杂浓度范围1×1018/cm3～1×1020/cm3。
12、本专利技术还提供了一种沟槽电极单光子雪崩阵列的传感器，还包括读出电子学芯片，所述沟槽电极单光子雪崩阵列包括电极的表面设置钝化层，所述读出电子学芯片倒置封装在钝化层上，所述第一电极与读出电子学芯片的信号处理电路连接，信号处理电路通过电极引出线引出；所述第二电极通过电极引出线直接引出；所述外延层远离沟槽结构的一侧表面生长抗反射层。
13、进一步地，所述钝化层为二氧化硅或氮化硅，厚度范围为0.1～0.5μm，所述抗反射层为二氧化硅或者氮化硅，厚度在0.05～0.2μm之间；所述读出电子学芯片厚度范围为200～400μm。
14、本专利技术又提供了一种沟槽电极单光子雪崩阵列的硅光电倍增管传感器，还包括多晶硅淬灭电阻，所述沟槽电极单光子雪崩阵列包括电极的表面设置钝化层，所述沟槽结构上方设置多晶硅淬灭电阻，所述沟槽结构在器件边缘引出共用第一电极，每个元胞的多晶硅淬灭电阻互联后在传感器的边缘位置引出第二电极。
15、本专利技术提供了一种沟槽电极单光子雪崩阵列的制备方法，包括如下步骤
16、s1、在外延片上生长氮化硅层，采用光刻标记沟槽刻蚀区域，采用干法刻蚀制备沟槽结构，在沟槽结构中生长钝化物、并通过回刻蚀保留第一沟槽深度，沟槽结构内壁热氧化形成薄氧化层；
17、s2、在沟槽结构的两侧通过两次离子角度注入、退火，形成靠近沟槽结构壁面的第一重掺杂区、以及远离沟槽结构壁面的雪崩注入区；
18、s3、在沟槽结构中生长钝化物、并通过回刻蚀保留第二本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种沟槽电极单光子雪崩阵列，其特征在于，包括外延层，所述外延层一侧表面横纵设置若干沟槽结构，将外延层划分为多个元胞结构；所述沟槽结构的两侧分别通过离子角度注入形成靠近沟槽结构侧壁面的第一重掺杂区、远离沟槽结构侧壁面的雪崩注入区，所述沟槽结构内填充钝化物；所述第一重掺杂区从沟槽结构开口处引出第一电极；所述外延层设置沟槽结构的一侧还包括第二重掺杂区，所述第二重掺杂区引出第二电极。
2.如权利要求1所述的沟槽电极单光子雪崩阵列，其特征在于，所述外延层、雪崩注入区、第二重掺杂区为N型，所述第一重掺杂区为P型；或者所述外延层、雪崩注入区、第二重掺杂区为P型，所述第一重掺杂区为N型；
3.如权利要求2所述的沟槽电极单光子雪崩阵列，其特征在于，所述外延层电阻率在0.01～10Ω·cm之间，厚度在1～400μm之间；
4.一种根据权利要求1～3中任一项所述的沟槽电极单光子雪崩阵列的传感器，其特征在于，还包括读出电子学芯片，所述沟槽电极单光子雪崩阵列包括电极的表面设置钝化层，所述读出电子学芯片倒置封装在钝化层上，所述第一电极与读出电子学芯片的信号处理电路连接
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述钝化层为二氧化硅或氮化硅，厚度范围为0.1～0.5μm，所述抗反射层为二氧化硅或者氮化硅，厚度在0.05～0.2μm之间；所述读出电子学芯片厚度范围为200～400μm。
6.一种根据权利要求1～3中任一项所述的沟槽电极单光子雪崩阵列的硅光电倍增管传感器，其特征在于，还包括多晶硅淬灭电阻，所述沟槽电极单光子雪崩阵列包括电极的表面设置钝化层，所述沟槽结构上方设置多晶硅淬灭电阻，所述沟槽结构在器件边缘引出共用第一电极，每个元胞的多晶硅淬灭电阻互联后在传感器的边缘位置引出第二电极。
7.一种沟槽电极单光子雪崩阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述外延片包括衬底和外延层；所述外延层、雪崩注入区、第二重掺杂区为N型，所述第一重掺杂区为P型；或者所述外延层、雪崩注入区、第二重掺杂区为P型，所述第一重掺杂区为N型；
9.一种根据权利要求7、8中任一项所述的传感器制备方法，其特征在于，还包括如下步骤
10.一种根据权利要求7、8中任一项所述的硅光电倍增管传感器制备方法，其特征在于，还包括如下步骤
...【技术特征摘要】
1.一种沟槽电极单光子雪崩阵列，其特征在于，包括外延层，所述外延层一侧表面横纵设置若干沟槽结构，将外延层划分为多个元胞结构；所述沟槽结构的两侧分别通过离子角度注入形成靠近沟槽结构侧壁面的第一重掺杂区、远离沟槽结构侧壁面的雪崩注入区，所述沟槽结构内填充钝化物；所述第一重掺杂区从沟槽结构开口处引出第一电极；所述外延层设置沟槽结构的一侧还包括第二重掺杂区，所述第二重掺杂区引出第二电极。
2.如权利要求1所述的沟槽电极单光子雪崩阵列，其特征在于，所述外延层、雪崩注入区、第二重掺杂区为n型，所述第一重掺杂区为p型；或者所述外延层、雪崩注入区、第二重掺杂区为p型，所述第一重掺杂区为n型；
3.如权利要求2所述的沟槽电极单光子雪崩阵列，其特征在于，所述外延层电阻率在0.01～10ω·cm之间，厚度在1～400μm之间；
4.一种根据权利要求1～3中任一项所述的沟槽电极单光子雪崩阵列的传感器，其特征在于，还包括读出电子学芯片，所述沟槽电极单光子雪崩阵列包括电极的表面设置钝化层，所述读出电子学芯片倒置封装在钝化层上，所述第一电极与读出电子学芯片的信号处理电路连接，信号处理电路通过电极引出线引出；所述第二电极通过电极引出线直接引出；所述外延层远离沟槽结构的...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡海帆，杨静琦，姜来，马喆，周洁，王志斌，
申请(专利权)人：航天科工集团智能科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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