一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管及其制作方法

1.本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管及其制作方法。


背景技术：

2.单光子探测技术在国防军事、科学研究及民用生活等范畴具有广泛的应用前景,例如量子通信中的密钥分配、天文学中的激光测距以及医学中的荧光寿命成像等。单光子雪崩二极管(spads)器件凭借其高速、优越的时间分辨率及卓越的光学灵敏度特性，能对单光子量级的微弱光信号进行有效探测，成为制作单光子探测器的理想器件。
3.传统的单光子雪崩二极管由p+n突变结形成，一般为浅结，倍增区比较浅，并且厚度较薄，一般只有在较短的波段(450-600nm)具有较高的探测效率，在其它波段探测效率大幅下降。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管及其制作方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.第一方面，本发明提供一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管包括：p型衬底1、p型外延层2、n型埋层3、中心深n阱401、外侧深n阱402、深p阱5、虚拟外延保护环6、中心p阱701、衬底p阱702、阳极p+层11、n+层9、浅槽隔离层10、衬底p+层8、阳极电极12、阴极电极13以及衬底电极14，所述p型衬底1位于所述p型外延层2底部，与所述p型外延层2相接触，所述n型埋层3在垂直方向上位于p型衬底1之上，位于衬底1及p型外延层2交界位置，所述中心深n阱401位于所述n型埋层3的中间位置，所述外侧深n阱402位于所述n型埋层3两侧，所述n型埋层3包围所述外侧深n阱402，其外径略小于所述外侧深n阱402的外径，两者外径差距在预设范围内，所述深p阱5位于所述中心深n阱401之上，所述外侧深n阱402包围所述深p阱5，所述外侧深n阱402与深p阱5中间未填充的区域为虚拟外延保护环6，所述中心p阱701位于所述深p阱5上方，在所述中心p阱701垂直方向上位设置有阳极p+层11，所述中心p阱701与阳极p+层11中心重合，外径一致，所述深p阱5与所述中心p阱701、阳极p+层11的中心重合，所述外侧p阱702包围外侧深n阱402，所述n+层9与中心深n阱402中心重合，所述n+层9与所述阳极p+层11中间填充有浅槽隔离层10，所述阳极p+层11位于所述中心p阱701中间位置，所述阳极电极12位于所述阳极p+层11边缘，在垂直方向上与所述阳极p+层11上端面接触，所述阴极电极13位于所述n+层9垂直方向上的中心位置，与所述n+层9上端面接触，所述衬底电极14位于衬底p+层8垂直方向上的中心位置，与所述衬底p+层8上端面接触，所述阳极p+层11内端面与中心p阱701接触，外端面与阳极电极12的内端面接触，所述n+层9内端面与外侧深n阱402接触，外端面与阴极电极13的内端面接触，所述衬底p+层8内端面与外侧p阱702接触，外端面与衬底电极14的内端面接触。
6.可选的，所述中心深n阱401、所述中心p阱701、深p阱5、n型埋层3以及阳极p+层11
的形状为圆形、矩形、圆角矩形或正多边形，外侧深n阱402、虚拟外延保护环6、衬底p阱702、n+层9、浅槽隔离层10、衬底p+层8、阳极电极12、阴极电极13以及衬底电极14的形状为圆环、矩形环、圆角矩形环或者正多边形环。
7.可选的，所述深p阱5的外径略大于所述中心p阱701的外径以及所述中心n阱401外径。
8.可选的，所述衬底p+层11与所述阳极p+层8在同种工艺中掺杂浓度和结深度一致，所述中心p阱701与所述衬底p阱702在同种工艺中掺杂浓度和结深度一致，所述中心深n阱401与所述外侧深n阱402在同种工艺中掺杂浓度和结深度一致。
9.第二方面，本发明提供的一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管的制作方法包括：
10.步骤一：选取p型裸片作为衬底；
11.步骤二：通过清洗、生长二氧化硅、离子注入、光刻后在衬底上生长n型薄外延作为n埋层；
12.步骤三：在衬底上通过清洗、生长二氧化硅、离子注入、光刻后，在所述衬底上生长p型外延；
13.步骤四：通过生长迁至氧化层，淀积si3n4、sion层、光刻，有源区刻蚀，保留器件的有源区，形成有源区图形；
14.步骤五：通过清洗，sti热氧化、淀积厚sio2、刻蚀、平坦化等工艺利用氧化硅填充沟槽，形成sti隔离；
15.步骤六：通过光刻和离子注入工艺形成中央深n阱和外侧深n阱；
16.步骤七：通过光刻和离子注入工艺形成p阱；
17.步骤八：通过光刻和离子注入工艺形成p+层；
18.步骤九：通过光刻和离子注入工艺形成n+层；
19.步骤十：通过淀积和清洗等工艺在第一层金属和半导体材料之间形成介质，形成电性隔离；
20.步骤十一：形成接触孔并填充金属，构成电极。
21.本发明提供的一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管及其制作方法，二极管的雪崩区由中心深n阱401和深p阱5构成，可以形成较宽的雪崩倍增区，可以有效提高短波近红外波段的光子吸收，增大光谱响应，spad的保护环由未掺杂的p衬底构成虚拟保护环，无法构成结。由深p阱与保护环构成6构成的附加结电场小于雪崩区电场，平整倍增主结区边缘电场，提高光子探测效率。
22.本发明提供的一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管，spad深p阱外径略大于深n阱，是为了降低边缘效应，平整倍增主结电场强度，防止边缘提前击穿。
23.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
24.图1是本发明实施例提供的一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管的截面示意图；
25.图2是本发明实施例提供的一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管的顶视图；
26.图3是本发明实施例提供的一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管制作方法的流程图。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
28.实施例一
29.结合图1以及图2，本发明提供的一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管包括：p型衬底1、p型外延层2、n型埋层3、中心深n阱401、外侧深n阱402、深p阱5、虚拟外延保护环6、中心p阱701、衬底p阱702、阳极p+层11、n+层9、浅槽隔离层10、衬底p+层8、阳极电极12、阴极电极13以及衬底电极14，所述p型衬底1位于所述p型外延层2底部，与所述p型外延层2相接触，所述n型埋层3在垂直方向上位于p型衬底1之上，位于衬底1及p型外延层2交界位置，所述中心深n阱401位于所述n型埋层3的中间位置，所述外侧深n阱402位于所述n型埋层3两侧，所述n型埋层3包围所述外侧深n阱402，其外径略小于所述外侧深n阱402的外径，两者外径差距在预设范围内，所述深p阱5位于所述中心深n阱401之上，所述外侧深n阱402包围所述深p阱5，所述外侧深n阱402与深p阱5中间未填充的区域为虚拟外延保护环6，所述中心p阱701位于所述深p阱5上方，在所述中心p阱701垂直方向上位设置有阳极p+层11，所述中心p阱701与阳极p+层11中心重合，外径一致，所述深p阱5与所述中心p阱701、阳极p+层11的中心重合，所述外侧p阱702包围外侧深n阱402，所述n+层9与中心深n阱402中心重合，所述n+层9与所述阳极p+层11中间填充有浅槽隔离层10，所述阳极p+层11位于所述中心p阱701中间位置，所述阳极电极12位于所述阳极p+层11边缘，在垂直方向上与所述阳极p+层11上端面接触，所述阴极电极13位于所述n+层9垂直方向上的中心位置，与所述n+层9上端面接触，所述衬底电极14位于衬底p+层8垂直方向上的中心位置，与所述衬底p+层8上端面接触，所述阳极p+层11内端面与中心p阱701接触，外端面与阳极电极12的内端面接触，所述n+层9内端面与外侧深n阱402接触，外端面与阴极电极13的内端面接触，所述衬底p+层8内端面与外侧p阱702接触，外端面与衬底电极14的内端面接触。
30.其中，预设范围是根据器件的设计要求设定的，可以根据实际情况变更大小。
31.本发明提供的一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管及其制作方法，二极管的雪崩区由中心深n阱401和深p阱5构成，可以形成较宽的雪崩倍增区，可以有效提高短波近红外波段的光子吸收，增大光谱响应，spad的保护环由未掺杂的p衬底构成虚拟保护环。由深p阱与保护环构成6构成的附加结电场小于雪崩区电场，可实现平整倍增主结区边缘电场，提高光子探测效率。
32.实施例二
33.作为本发明一种可选的实施例，所述中心深n阱401、所述中心p阱701、深p阱5、n型埋层3以及阳极p+层11的形状为圆形、矩形、圆角矩形或正多边形，外侧深n阱402、虚拟外延保护环6、衬底p阱702、n+层9、浅槽隔离层10、衬底p+层8、阳极电极12、阴极电极13以及衬底电极14的形状为圆环、矩形环、圆角矩形环或者正多边形环。
34.可以理解，当中心区域与外侧区域的形状一一对应，示例性的，当中心区域中的中心深n阱401为圆形，则外围区域中的外侧深n阱402为圆形。其余部分不再一一列举。
35.实施例三
36.作为本发明一种可选的实施例，所述深p阱5的外径略大于所述中心p阱701的外径以及所述中心n阱401外径。
37.可以理解，spad深p阱外径略大于深n阱，是为了降低边缘效应，平整倍增主结电场强度，防止边缘提前击穿。
38.实施例四
39.作为本发明一种可选的实施例，所述衬底p+层11与所述阳极p+层8在同种工艺中掺杂浓度和结深度一致，所述中心p阱701与所述衬底p阱702在同种工艺中掺杂浓度和结深度一致，所述中心深n阱401与所述外侧深n阱402在同种工艺中掺杂浓度和结深度一致。
40.实施例五
41.如图3所示，本发明提供的一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管的制作方法包括：
42.s1：选取p型裸片作为衬底；
43.s2：通过清洗、生长二氧化硅、离子注入、光刻后在衬底上生长n型薄外延作为n埋层；
44.s3：在衬底上通过清洗、生长二氧化硅、离子注入、光刻后，在所述衬底上生长p型外延；
45.s4：通过生长迁至氧化层，淀积si3n4、sion层、光刻，有源区刻蚀，保留器件的有源区，形成有源区图形；
46.s5：通过清洗，sti热氧化、淀积厚sio2、刻蚀、平坦化等工艺利用氧化硅填充沟槽，形成sti隔离；
47.s6：通过光刻和离子注入工艺形成中央深n阱和外侧深n阱；
48.s7：通过光刻和离子注入工艺形成p阱；
49.s8：通过光刻和离子注入工艺形成p+层；
50.s9：通过光刻和离子注入工艺形成n+层；
51.s10：通过淀积和清洗等工艺在第一层金属和半导体材料之间形成介质，形成电性隔离；
52.s11：形成接触孔并填充金属，构成电极。
53.本发明提供的一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管的制作方法，通过该制作方法制作的硅基短波近红外单光子雪崩二极管，可以形成较宽的雪崩倍增区，可以有效提高短波近红外波段的光子吸收，增大光谱响应，spad的保护环由未掺杂的p衬底构成虚拟保护环。由深p阱与保护环构成6构成的附加结电场小于雪崩区电场，可实现平整倍增主结区边缘电场，提高光子探测效率。
54.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。