一种单光子雪崩二极管探测器结构及其制造方法与流程

本发明涉及探测器技术领域，更具体地，涉及一种单光子雪崩二极管探测器结构及其制造方法。

背景技术：

单光子探测是一种极微弱光的探测方法，它所探测到的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平(10-14W)还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。单光子探测在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。

目前应用于单光子探测的器件主要有：光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)、雪崩二极管(Avalanche Photoelectric Diode，APD)、超导单光子探测器(Superconducting Single Photo Detectors，SSPD)和超导转换边缘传感器(Superconducting Transition Edge Sensor，STES)等。

光电倍增管(PMT)是利用外光电效应来探测光信号的电真空器件。光电倍增管具有高增益、低噪声功率和低暗电流等优点；但其存在体积大、反向偏压高，抗外磁场能力差、使用维护复杂等缺点，这极大地限制了它的应用。

雪崩二极管(APD)是一种利用内光电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可以产生10～100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生很大的增益。雪崩二极管具有高探测灵敏度、高响应速度、高增益系数、对电离辐射和磁场不敏感、暗电流低、体积小、结构简单等优点。

超导单光子探测器(SSPD)是一种基于氮化铌(NbN)的超导体单光子探测技术。他的优点是超快速响应和几乎可以忽略的暗计数率，但它存在的低的量子效率(目前只有5％～10％左右，而PMT量子效率为30％，Si-APD量子效率为60％～80％，STES量子效率为90％以上)，价格昂贵，使用维护复杂，抗干扰能力差等缺点，使其在实际应用中受到了很大的限制。

超导转换边缘传感器(SETS)是采用超导材料作为光敏层，进行单光子探测的器件。它有着很高的量子效率和极低的暗计数率。但由于目前超导材料超导态与正常态之间转换的时间太长，导致传感器重复工作频率只有20KHz左右(PMT工作频率可达到1MHz，Si-APD工作频率可达到1MHz，SSPD工作频率可达到1000MHz)，极低的工作频率是STES目前无法得到广泛应用的主要原因。

单光子探测技术经过多年的发展，雪崩二极管由于具有高探测灵敏度、高响应速度、高增益系数、对电离辐射和磁场不敏感、暗电流低、体积小、结构简单等优点而得到广泛应用。

中国发明专利申请CN105810775A提出了一种基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管，由于其结构中采用了STI隔离工艺，因而不可避免地会引入由STI中缺陷引起的暗计数，使整体的暗计数增加。其虽然采取了版图技术来降低暗计数，但无法从根本上解决由STI中缺陷引起的暗计数。而要降低由STI中缺陷引起的暗计数，只有增大STI和倍增区之间的间距，这样就增大了整个单元的面积。另外，其单光子雪崩二极管结构沿结深方向有四个PN结，虽然可以提高时间分辨率和蓝光的响应，但实施工艺复杂，四个PN结的浓度梯度分布难以控制，在加工生产过程中器件的一致性和重复性很难保证。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种单光子雪崩二极管探测器结构及其制造方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种单光子雪崩二极管探测器结构，从下至上包括：

P型硅衬底；

并列形成于P型硅衬底中的深N阱和深P阱；

形成于深N阱和深P阱之间的第一深沟槽，所述第一深沟槽中填充有隔离材料，其作为单光子雪崩二极管区域和衬底电位引出区域之间的隔离；

所述深N阱中依次相连形成有N⁺区域和P⁺区域，所述N⁺区域和P⁺区域用于形成吸收光子的倍增区域；围绕倍增区域依次形成有环形的第二深沟槽、N阱区域，所述第二深沟槽中填充有隔离材料，其作为单光子雪崩二极管阳极区域和阴极区域之间的隔离，所述N阱区域用于形成单光子雪崩二极管结构；所述N阱区域中形成有雪崩二极管的阳极引出端，所述P⁺区域中形成有雪崩二极管的阴极引出端；

所述深P阱中形成有P阱区域，所述P阱区域中形成有衬底引出端；

覆盖于深N阱和深P阱表面的保护层。

优选地，所述第一深沟槽、第二深沟槽的下端低于深N阱和深P阱的下端。

优选地，所述P型硅衬底材料为P型外延硅片，其包括P型衬底层和P型外延层，所述深N阱和深P阱自P型外延硅片的表面向下形成于P型外延层中。

优选地，所述保护层上还覆盖有隔离层，所述隔离层、保护层中设有用于将阳极引出端、阴极引出端、衬底引出端与金属连线相连的接触孔。

优选地，所述深N阱、N阱区域为n^-注入区，所述N⁺区域、阳极引出端为n⁺注入区，所述深P阱、P阱区域为p^-注入区，所述P⁺区域、衬底引出端为p⁺注入区。

本发明还提供了一种上述的单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤S01：通过光刻和干法刻蚀方法，在P型硅衬底中形成第一深沟槽、第二深沟槽；

步骤S02：采用化学气相淀积方法，在第一深沟槽、第二深沟槽内填充隔离材料作为隔离；

步骤S03：通过光刻和离子注入方法，在P型硅衬底中形成深N阱和深P阱；

步骤S04：采用热氧化方法，在深N阱和深P阱表面的整个结构上生长保护层；

步骤S05：通过光刻和离子注入方法，在深N阱中形成用于吸收光子的倍增区域的N⁺区域和P⁺区域，P⁺区域中含有阴极引出端；形成雪崩二极管结构所需的N阱区域，以及形成N阱区域中的阳极引出端；

步骤S06：通过光刻和离子注入方法，在深P阱中形成P阱区域，以及在P阱区域中形成衬底引出端。

优选地，还包括：

步骤S07：采用化学气相淀积方法，在保护层上生长隔离层；

步骤S08：采用光刻和刻蚀方法，在隔离层、保护层上形成接触孔；

步骤S09：采用物理气相淀积方法，在隔离层上生长金属层，使金属层金属分别连接阳极引出端、阴极引出端和衬底引出端；

步骤S10：采用光刻和刻蚀方法，在金属层上定义和形成金属连线图形。

优选地，所述隔离材料为二氧化硅或多晶硅。

优选地，所述深N阱、N阱区域采用n^-注入，所述N⁺区域、阳极引出端采用n⁺注入，所述深P阱、P阱区域采用p^-注入，所述P⁺区域、衬底引出端采用p⁺注入。

优选地，所述P型硅衬底材料采用包括P型衬底层和P型外延层的P型外延硅片，进行离子注入时，使所述深N阱和深P阱自P型外延硅片的表面向下形成于P型外延层中。

本发明具有以下优点：

1)本发明的单光子雪崩二极管探测器结构简单，沿结深垂直方向只有两个PN结，且PN结的掺杂浓度梯度分布简单可控。

2)本发明的单光子雪崩二极管探测器结构中采用了深沟槽结构进行隔离，既能提高雪崩二极管抗边缘击穿能力，同时也可提高单光子雪崩二极管的工作电压，从而提高光子探测效率。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的一种单光子雪崩二极管探测器结构示意图；

图2-图9是本发明一较佳实施例的一种单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法工艺步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种单光子雪崩二极管探测器结构示意图。如图1所示，本发明的一种单光子雪崩二极管探测器结构，从下至上包括：P型硅衬底1和2；并列形成于P型硅衬底中的深N阱4和深P阱5；形成于深N阱4和深P阱5之间的第一深沟槽31，形成于深N阱4中的第二深沟槽32；覆盖于深N阱4和深P阱5表面的保护层6等主要器件部分。

请参阅图1。P型硅衬底1和2可采用P型外延硅片形成。P型外延硅片可包括位于下层的P型衬底层(Psub)1和位于P型衬底层上的P型外延层(p-Epi)2；深N阱4和深P阱5自P型外延硅片的表面向下形成于P型外延层2中。采用外延层可以避免因衬底掺杂浓度不均匀性导致的器件特性波动。

深N阱4和深P阱5之间采用一个深沟槽(第一深沟槽)31进行隔离，第一深沟槽31自P型外延层表面向下进入P型外延层2中，并可接近或直至P型衬底层1；第一深沟槽31中填充有隔离材料。第一深沟槽31作为单光子雪崩二极管区域和衬底电位引出区域之间的隔离结构，以替代传统的STI隔离结构。

深N阱4中，大致位于其中部位置自下而上依次形成有N⁺区域42和P⁺区域43；P⁺区域43自P型外延硅片的表面向下形成于深N阱4中，且P⁺区域43与N⁺区域42上下相连。N⁺区域42和P⁺区域43用于形成吸收光子的倍增区域(hv)。

围绕倍增区域并由内向外依次形成有环形的第二深沟槽32、N阱区域41。第二深沟槽32同样自P型外延层表面向下进入P型外延层2中，并可接近或直至P型衬底层1；第二深沟槽32中也填充有隔离材料。第二深沟槽32作为单光子雪崩二极管阳极区域和阴极区域之间的隔离。N阱区域41自P型外延硅片的表面向下形成于深N阱4中；N阱区域41用于形成单光子雪崩二极管结构。第二深沟槽32将倍增区域完全包围，并低于N⁺区域42的下端。第二深沟槽32将倍增区域(阴极区域)与阳极区域隔离开来。第一深沟槽31、第二深沟槽32的下端同时还低于深N阱4和深P阱5的下端，以起到良好的隔离效果。

请参阅图1。在N阱区域41中形成有雪崩二极管的阳极引出端44；在P⁺区域43中形成有雪崩二极管的阴极引出端(标记略)；阴极引出端含于P⁺区域43中。在深P阱5中形成有P阱区域51，P阱区域51自P型外延硅片的表面向下形成于深P阱5中；P阱区域51中形成有衬底引出端52。

请继续参阅图1。在保护层6上还可覆盖有隔离层7。保护层6和隔离层7可采用相同的介质例如二氧化硅来形成。在隔离层7、保护层6中可设有用于将阳极引出端44、阴极引出端、衬底引出端52与金属连线相连的接触孔8。接触孔8中分别引出有与金属连线相连的雪崩二极管的阳极9、雪崩二极管的阴极10以及衬底引出电极11。

上述的深N阱4、深P阱5、N阱区域41、N⁺区域42、P⁺区域43、阳极引出端44、P阱区域51、衬底引出端52等可采用离子注入方式来形成各自的区域。例如，深N阱4、N阱区域41可为n^-注入区；N⁺区域42、阳极引出端44可为n⁺注入区；深P阱5、P阱区域51可为p^-注入区；P⁺区域43、衬底引出端52为p⁺注入区等。

利用保护层6可以减少后续离子注入工艺对雪崩二极管的光子倍增区域表面的损伤。隔离层7用作雪崩二极管器件与金属连线之间的隔离。

上述本发明的单光子雪崩二极管探测器结构简单，其沿结深垂直方向只有两个PN结，且PN结的掺杂浓度梯度分布简单可控。并且，本发明的单光子雪崩二极管探测器结构中采用了深沟槽结构进行隔离，既能提高雪崩二极管抗边缘击穿能力，同时也可提高单光子雪崩二极管的工作电压，从而提高光子探测效率(Photon Detection Efficiency，PDE)。

以下通过具体实施方式及附图，对本发明一种上述的单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法作详细说明。

请参阅图2-图9，图2-图9是本发明一较佳实施例的一种单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法工艺步骤示意图。如图2-图9所示，本发明一种上述的单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法，可包括以下步骤：

步骤S01：通过光刻和干法刻蚀方法，在P型硅衬底中形成第一深沟槽、第二深沟槽。

请参阅图2。P型硅衬底1和2可采用P型外延硅片形成。P型外延硅片可包括位于下层的P型衬底层1和位于P型衬底层上的P型外延层2；其中，P型外延层2的厚度可为例如5微米。采用外延层可以避免因衬底掺杂浓度不均匀性导致的器件特性波动。

首先，可采用光刻和干法刻蚀的方法，自P型外延层2的表面向P型外延层中形成第一深沟槽31、第二深沟槽32。第一深沟槽31、第二深沟槽32的沟槽深度可为例如5微米。

步骤S02：采用化学气相淀积方法，在第一深沟槽、第二深沟槽内填充隔离材料作为隔离。

请参阅图2。然后，可采用化学气相淀积方法，在第一深沟槽31、第二深沟槽32内填充隔离材料作为隔离。第一深沟槽31、第二深沟槽32内填充的隔离材料可采用例如二氧化硅(SiO2)等材料。第二深沟槽32作为单光子雪崩二极管阳极区域和阴极区域的隔离；第一深沟槽31作为单光子雪崩二极管区域和衬底电位引出区域的隔离。

步骤S03：通过光刻和离子注入方法，在P型硅衬底中形成深N阱和深P阱。

请参阅图3。可通过光刻和离子注入方法，在衬底的P型外延层2中形成深N阱4和深P阱5，并使深N阱4和深P阱5自P型外延硅片的表面向下形成于P型外延层2中。其中，深N阱4的掺杂浓度可为例如10¹²个原子/cm³，深P阱5的掺杂浓度可为例如10¹²个原子/cm³。深N阱4和深P阱5之间以第一深沟槽31相隔离。

步骤S04：采用热氧化方法，在深N阱和深P阱表面的整个结构上生长保护层。

请参阅图4。可采用热氧化方法在上述整个结构上生长二氧化硅层作为保护层6，以减少后续离子注入工艺对雪崩二极管光子的倍增区域表面的损伤。二氧化硅层厚度可为0.2微米-0.5微米。

步骤S05：通过光刻和离子注入方法，在深N阱中形成用于吸收光子的倍增区域的N⁺区域和P⁺区域，P⁺区域中含有阴极引出端；形成雪崩二极管结构所需的N阱区域，以及形成N阱区域中的阳极引出端。

请参阅图5。可通过光刻和离子注入方法在深N阱4中形成雪崩二极管结构所需的N阱区域41，并形成吸收光子的倍增区域的N⁺区域42和P⁺区域43，以及形成N阱区域41中的阳极引出端44。在P⁺区域43中形成有阴极引出端(标记略)。

其中，N阱区域41的掺杂浓度可为例如10¹³个原子/cm³，形成吸收光子的倍增区域的N⁺区域42的掺杂浓度可为例如10¹⁵个原子/cm³，P⁺区域43的掺杂浓度可为例如10¹⁵个原子/cm³，作为阳极引出的阳极引出端44(n⁺)的掺杂浓度可为例如10¹⁵个原子/cm³。

其中，形成吸收光子的倍增区域的N⁺区域42相连位于P⁺区域43下方，并相互连接。

步骤S06：通过光刻和离子注入方法，在深P阱中形成P阱区域，以及在P阱区域中形成衬底引出端。

请参阅图6。可通过光刻和离子注入方法在深P阱5中形成P阱区域51，并在P阱区域51中形成衬底引出端52(P⁺)。其中，P阱区域51的掺杂浓度可为例如10¹³个原子/cm³，衬底引出端52区域的掺杂浓度可为例如10¹⁵个原子/cm³。此P⁺区域用来作为衬底的引出。

-

总而言之，进行离子注入时，可对深N阱4、N阱区域41采用n注入，对N⁺区域42、阳极引出端44采用n⁺注入，对深P阱5、P阱区域51采用p^-注入，对P⁺区域43、衬底引出端52采用p⁺注入。

步骤S07：采用化学气相淀积方法，在保护层上生长隔离层。

请参阅图7。接下来，可采用化学气相淀积方法生长二氧化硅作为雪崩二极管器件与金属连线之间的隔离层7。二氧化硅层的厚度可为2微米-5微米。

步骤S08：采用光刻和刻蚀方法，在隔离层、保护层上形成接触孔。

请参阅图8。接下来，可采用光刻和刻蚀方法在二氧化硅隔离层7、保护层6上形成接触孔8。

步骤S09：采用物理气相淀积方法，在隔离层上生长金属层，使金属层金属分别连接阳极引出端、阴极引出端和衬底引出端。

请参阅图8。接下来，可采用物理气相淀积方法在隔离层7上生长金属层，使金属层金属连接N阱区域41中的阳极引出端44作为雪崩二极管的阳极9，连接P+区域43中的阴极引出端作为雪崩二极管的阴极10，并用金属连接P阱区域51中的衬底引出端52作为衬底引出电极11。

步骤S10：采用光刻和刻蚀方法，在金属层上定义和形成金属连线图形。

请参阅图8。最后，可采用光刻和刻蚀方法在金属层上定义和形成金属连线图形。

请参阅图9，其为采用多晶硅(Poly)作为第一深沟槽31、第二深沟槽32内填充的隔离材料形成本发明单光子雪崩二极管探测器结构时的另一个实施例。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。