单光子雪崩光电二极管及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了单光子雪崩光电二极管及其制作方法。现有单光子雪崩二极管的保护环能够承受的最大偏置电压过低。本发明单光子雪崩光电二极管的制作方法：硅基上均匀掺杂p?衬底，p?衬底的中心掺杂深n阱层；深n阱层外端掺杂第一p+型半导体层，第一p+型半导体层外侧掺杂p?阱层；p?阱层外周掺杂p?型半导体层；p?型半导体层外周掺杂n+型半导体层，n+型半导体层外周掺杂第二p+型半导体层；第一p+型半导体层和第二p+型半导体层外端均设置阳极电极，n+型半导体层外端设置阴极电极。本发明使雪崩光电二极管能够承受的最大反向偏置电压达到30.51V。
【专利说明】
单光子雪崩光电二极管及其制作方法
技术领域
[0001]本发明属于单光子探测技术领域，具体涉及单光子雪崩光电二极管及其制作方法。
【背景技术】
[0002]单光子探测技术是一种极微光探测传感技术，在生物发光、量子通信、大气污染检测、放射探测、天文研究、高灵敏度传感器等领域有着比较广泛的应用。单光子探测技术采用的光电接收器件主要有光电倍增管(PTM)、单光子雪崩二极管(Aro)。在采用单光子雪崩光电二极管的单光子探测系统中，边缘效应是影响雪崩光电二极管进行单光子探测关键性因素，而保护环是避免边缘效应的重要手段。因此，如何避免雪崩光电二极管的边缘效应，防止边缘过早击穿具有重要的意义和使用价值。
[0003]目前也有其它结构的保护环被用来避免雪崩光电二极管的边缘效应，防止边缘过早击穿，但是其它结构的保护环能够承受的最大偏置电压过低，在过高的反向偏置电压下，容易发生边缘过早击穿的现象。这对一些反向偏置电压摆幅过大的单光子探测系统来说，在高的偏置电压下边缘会发生边缘效应，从而影响雪崩光电二极管进行正常的光电探测。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有单光子雪崩二极管的保护环结构存在的不足，提出一种单光子雪崩光电二极管及其制作方法，该单光子雪崩光电二极管的保护环结构可避免雪崩光电二极管的边缘效应，防止边缘过早击穿，增加雪崩二极管能够承受的最大反向偏置电压。
[0005]本发明单光子雪崩光电二极管，包括深η阱层、P-衬底层、第一p+型半导体层、P-阱层、P-型半导体层、二氧化硅层、阳极电极和阴极电极、η+型半导体层和第二 ρ+型半导体层；所述的P-阱层、P-型半导体层、阳极电极、阴极电极、η+型半导体层和第二 ρ+型半导体层均为圆环形。深η阱层位于ρ-衬底层的中心掺杂区；ρ-阱层、ρ-型半导体层和η+型半导体层均位于深η阱层的外端面掺杂区，且ρ-型半导体层位于ρ-阱层的外周和η+型半导体层的内周之间；P-阱层的内周设置第一 P+型半导体层;第二 P+型半导体层位于P-衬底层的侧部掺杂区。第一P+型半导体层和第二P+型半导体层的外端均设置阳极电极，η+型半导体层的外端设置阴极电极;二氧化硅层覆盖P-阱层、P-型半导体层、η+型半导体层和第二 ρ+型半导体层的外端。
[0006]本发明单光子雪崩光电二极管的制作方法，具体如下:
[0007]步骤一、在硅基上采用硼离子进行均匀ρ-衬底掺杂，在ρ-衬底的中心掺杂区采用磷离子掺杂形成深η阱层，深η阱层和ρ-衬底形成ρη结；
[0008]步骤二、在深η阱层的外端中心采用硼离子掺杂第一ρ+型半导体层，第一 ρ+型半导体层和深η阱层之间形成耗尽层；
[0009]步骤三、在第一ρ+型半导体层的外侧采用硼离子掺杂ρ-阱层;ρ-阱层位于深η阱层内；
[0010]步骤四、在P-阱层的外周采用硼离子掺杂P-型半导体层;P-阱层的外周与P-型半导体层的内周间距为2?3μπι;ρ-型半导体层位于深η阱层内；
[0011]步骤五、在ρ-型半导体层外周采用磷离子掺杂η+型半导体层，并在η+型半导体层外周采用硼离子掺杂第二P+型半导体层;η+型半导体层位于深η阱层内，第二ρ+型半导体层位于P-衬底上。
[0012]步骤六、第一ρ+型半导体层和第二 ρ+型半导体层的外端均设置阳极电极，η+型半导体层的外端设置阴极电极；
[0013]步骤七、二氧化硅层覆盖ρ-阱层、ρ-型半导体层、η+型半导体层和第二ρ+型半导体层的外端。
[0014]本发明的有益效果:
[0015]本发明具有避免单光子雪崩光电二极管边缘效应、防止边缘过早击穿和增加单光子雪崩光电二极管能够承受的最大反向偏置电压功能，使雪崩光电二极管能够承受的最大反向偏置电压达到30.51V。利用ρ-阱层形成的中心接触保护环，增加了第一 ρ+型半导体层的曲率半径，减小了第一 ρ+型半导体层边缘区域的电场强度，避免了边缘效应，利用P-型半导体层形成了浮动保护环，其主要作用是一个分压保护环，对P-阱层的外边缘进行保护和增加单光子雪崩光电二极管能够承受的最大反向偏置电压。当在阴极电极和阳极电极施加反向偏置电压时，P-阱层对第一P+型半导体层的边缘进行保护作用，而P-型半导体层对P-阱层的外边沿进行分压保护作用，从而达到在避免边缘效应的基础上增了单光子雪崩光电二极管能够承受的最大反向偏置电压的功效。
【附图说明】
[0016]图1为本发明单光子雪崩光电二极管的结构框图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0018]参照图1，单光子雪崩光电二极管，包括深η阱层1、ρ_衬底层2、第一ρ+型半导体层
3、ρ_讲层4、ρ-型半导体层5、二氧化娃层6、阳极电极7和阴极电极8、η+型半导体层9和第二ρ+型半导体层10; ρ-讲层4、ρ-型半导体层5、阳极电极7、阴极电极8、η+型半导体层9和第二ρ+型半导体层10均为圆环形。深η阱层I位于ρ-衬底层2的中心掺杂区；ρ-阱层4、ρ-型半导体层5和η+型半导体层9均位于深η讲层的外端面掺杂区，且ρ-型半导体层5位于ρ-讲层的外周和η+型半导体层9的内周之间；ρ-阱层的内周设置第一 ρ+型半导体层3;第二 ρ+型半导体层10位于P-衬底层的侧部掺杂区。第一 P+型半导体层3和第二 ρ+型半导体层10的外端均设置阳极电极7，η+型半导体层9的外端设置阴极电极8; 二氧化硅层6覆盖ρ-阱层4、ρ-型半导体层
5、η+型半导体层9和第二 ρ+型半导体层10的外端。
[0019]该单光子雪崩光电二极管的制作方法，具体如下:
[0020]步骤一、在硅基上采用硼离子进行均匀ρ-衬底掺杂，在ρ-衬底的中心掺杂区采用磷离子掺杂形成深η讲层，深η讲层和ρ-衬底形成ρη结，深η讲层和ρ-衬底形成的ρη结能够有效地减少后脉冲的作用；
[0021]步骤二、在深η阱层的外端中心采用硼离子掺杂第一ρ+型半导体层，第一 ρ+型半导体层和深η阱层之间形成耗尽层11，即单光子雪崩光电二极管的中心活动区域，中心活动区域在反向偏置电压下，对到达的单光子发生雪崩效应，形成大的雪崩电流，以便于外围读出电路的识别，使得雪崩二极管具有探测单光子的能力，可以对单光子事件进行探测；
[0022]步骤三、在第一ρ+型半导体层的外侧采用硼离子掺杂ρ-阱层，形成中心接触保护环，增加了第一 P+型半导体层边缘的曲率半径，减小了第一 P+型半导体层边缘区域的电场强度，避免了边缘效应，防止了第一 P+型半导体层边缘的过早击穿，对第一 P+型半导体层的边缘进行保护;P-阱层位于深η阱层内；
[0023]步骤四、在ρ-阱层的外周采用硼离子掺杂ρ-型半导体层，形成ρ-阱层的浮动保护环，其主要作用是一个分压保护，对P-阱层的外边缘进行保护和增加雪崩光电二极管能够承受的最大反向偏置电压，P-阱层的外周与P-型半导体层的内周间距(1 = 2μπι;ρ-型半导体层位于深η阱层内；
[0024]步骤五、在ρ-型半导体层外周采用磷离子掺杂η+型半导体层9，并在η+型半导体层9外周采用硼离子掺杂第二ρ+型半导体层10;η+型半导体层9位于深η阱层内，第二ρ+型半导体层1位于P-衬底上。
[0025]步骤六、第一ρ+型半导体层3和第二 ρ+型半导体层10的外端均设置阳极电极7，η+型半导体层9的外端设置阴极电极8，阴极电极和阳极电极提供外部施加反向偏置电压，使得在单光子到来时，雪崩光电二极管发生雪崩效应，产生雪崩电流，对所探测的单光子事件进行电流放大的作用，方便读出电路对单光子事件发生的计数。
[0026]步骤七、二氧化硅层6覆盖ρ-阱层4、ρ_型半导体层5、η+型半导体层9和第二ρ+型半导体层10的外端。
【主权项】
1.单光子雪崩光电二极管，包括深η阱层、P-衬底层、第一P+型半导体层、P-阱层、P-型半导体层、二氧化硅层、阳极电极和阴极电极、η+型半导体层和第二 ρ+型半导体层，其特征在于:所述的P-讲层、P-型半导体层、阳极电极、阴极电极、η+型半导体层和第二 P+型半导体层均为圆环形;深η阱层位于ρ-衬底层的中心掺杂区；ρ-阱层、ρ-型半导体层和η+型半导体层均位于深η阱层的外端面掺杂区，且ρ-型半导体层位于ρ-阱层的外周和η+型半导体层的内周之间；P-阱层的内周设置第一 P+型半导体层;第二 P+型半导体层位于P-衬底层的侧部掺杂区；第一 P+型半导体层和第二 P+型半导体层的外端均设置阳极电极，η+型半导体层的外端设置阴极电极;二氧化硅层覆盖P-阱层、P-型半导体层、η+型半导体层和第二 ρ+型半导体层的外端。2.如权利要求1所述单光子雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于:该方法具体如下: 步骤一、在硅基上采用硼离子进行均匀P-衬底掺杂，在P-衬底的中心掺杂区采用磷离子掺杂形成深η讲层，深η讲层和ρ-衬底形成ρη结； 步骤二、在深η阱层的外端中心采用硼离子掺杂第一 ρ+型半导体层，第一 ρ+型半导体层和深η阱层之间形成耗尽层； 步骤三、在第一 P+型半导体层的外侧采用硼离子掺杂P-阱层;P-阱层位于深η阱层内；步骤四、在P-阱层的外周采用硼离子掺杂P-型半导体层;P-阱层的外周与P-型半导体层的内周间距为2?3μηι；ρ_型半导体层位于深η讲层内； 步骤五、在P-型半导体层外周采用磷离子掺杂η+型半导体层，并在η+型半导体层外周采用硼离子掺杂第二P+型半导体层;η+型半导体层位于深η阱层内，第二ρ+型半导体层位于P-衬底上； 步骤六、第一 P+型半导体层和第二 P+型半导体层的外端均设置阳极电极，η+型半导体层的外端设置阴极电极； 步骤七、二氧化硅层覆盖P-阱层、P-型半导体层、η+型半导体层和第二 ρ+型半导体层的外端。
【文档编号】H01L31/107GK106057958SQ201610648715
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月8日 公开号201610648715.7, CN 106057958 A, CN 106057958A, CN 201610648715, CN-A-106057958, CN106057958 A, CN106057958A, CN201610648715, CN201610648715.7
【发明人】王伟, 张钰, 卫振奇
【申请人】杭州电子科技大学