本发明涉及一种近红外宽光谱的cmos单光子雪崩光电二极管探测器，属于光电技术领域。
背景技术：
单光子雪崩二极管(spad)探测器件具有探测效率高、响应速度快、功耗低等优点，已广泛应用于生物医学、军事和光通信等领域。基于cmos工艺的spad探测器可以将spad器件和淬灭、计数以及读出等电路集成在一个芯片内，从而实现低成本、高集成度和高可靠性的阵列探测器。然而在距离测量、荧光寿命分析、光学层析成像和光纤通信等特定应用领域，为了避免spad探测器的激光光源对人眼的伤害，激光波长一般要求在1.5μm-2.5μm的红外波段，但是基于cmos工艺的硅基雪崩二极管无法探测红外波段的光子。近红外波段激光虽然对人眼有一定的伤害，但伤害程度比蓝光有很大程度的降低。例如采用0.7μm-1.4μm的近红外激光，在测距或3d成像时可明显减小对人眼的伤害；在生物荧光寿命成像和光学层析成像时可以减少细胞损伤，并可深入组织中探测。然而传统的cmosspad结构通过浅源/漏区与n阱之间或者p阱和深n阱之间形成雪崩区，由于雪崩区结深较浅，只能对蓝光和绿光进行响应，对于近红外短波光子探测效率非常低。为了实现对近红外短波光子的探测，非常迫切需要一种深结的高灵敏度的cmos单光子雪崩二极管探测器。
技术实现要素：
本发明旨在针对传统cmosspad探测器不能探测近红外短波光子的问题，提出了一种近红外宽光谱的cmos单光子雪崩二极管探测器。该探测器通过p-外延层区与深n阱区之间形成的pn结作为主雪崩区，可实现对近红外短波光子的探测。而且探测器的雪崩区面积较大，雪崩电场强，可实现高的光子探测效率。
技术方案：
一种近红外宽光谱的cmos单光子雪崩二极管探测器，包括同轴设置的呈圆柱形的p型衬底、p外延区、深n阱区、中心n阱区、n+区以及圆环形的第一p阱区、侧n阱区、第二p阱区和p+区；
所述p-外延层区设置在所述p型衬底的上方，在所述p型衬底与所述p-外延层区之间的中间设置有p+埋层区；所述深n阱区设置在所述p-外延层的中间位置位于所述p+埋层区上端，所述深n阱区与所述p+埋层区之间设有间隙；所述中心n阱区设置在所述深n阱区上部中间位置，所述第一p阱区设置在所述中心n阱区外侧，所述侧n阱区设置在所述第一p阱区外侧，所述侧n阱区的外径小于所述深n阱区的直径，所述侧n阱区、第一p阱区和中心n阱区的上下端面平齐；在所述深n阱区表面设置有n+区，所述n+区的下端面与所述侧n阱区、第一p阱区、中心n阱区均接触，所述n+区的直径大于所述深n阱区的直径；在所述p-外延层上部位于所述深n阱区外侧设置有第二p阱区，在所述第二p阱区表面设置有p+区，所述第二p阱区的上端面与所述n阱区的上端面平齐，所述p+区的上端面与所述n+区的上端面平齐；在所述p+区内外侧上均设置有浅沟槽隔离区，所述浅沟槽隔离区的上端面与所述p+区的上端面平齐，所述浅沟槽隔离区的下端面深于所述p+区的下端面；在所述p+区上端引出阳极，在所述p阱区的上端引出阴极。
所述p+埋层区的形状为圆柱形或椭球形。
所述cmos单光子雪崩二极管探测器长26μm，深11μm；其中p+埋层区长9μm，深n阱区长10μm，中心n阱区长2μm，第一p阱区长3μm，侧n阱区长1μm，n+区长11μm，第二p阱区长2μm，p+区长1μm，p+区左右侧的浅沟槽隔离区长分别为0.5μm、1.5μm，阳极长0.5μm，阴极长0.5μm；所述长度为所述探测器横截面横向长度。
所述第二p阱区与所述深n阱区之间的距离为3-5μm。
一种cmos单光子雪崩二极管探测器的制作方法，包括步骤：
1)、在硅晶圆上离子注入p型杂质形成p型衬底；
2)、在p型衬底表面涂光刻胶，刻蚀掉p+埋层区所在位置的光刻胶后离子注入p型杂质形成p+埋层区，并去除表面光刻胶；
3)、向上外延p型杂质形成p-外延层；
4)、在所述p-外延层表面涂上光刻胶并去除p+区两侧位置上的光刻胶，刻蚀掉该位置的p-外延层并用sio2填充分别形成浅沟槽隔离区，去除所有光刻胶；
5)、在所述p-外延层表面涂上光刻胶并刻蚀掉深n阱区4所在位置的光刻胶，离子注入n型杂质并退火，形成深n阱区，去除所有光刻胶；
6)、在步骤5)形成的结构表面涂上光刻胶，并刻蚀掉中心n阱区和侧n阱区所在位置的光刻胶，离子注入n型杂质分别形成中心n阱区和侧n阱区，去除所有光刻胶；
7)、在步骤6)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第一p阱区和第二p阱区所在位置的光刻胶，离子注入p型杂质，高温退火，分别形成第一p阱区和第二p阱区；去除所有光刻胶；
8)、在步骤7)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉n+区所在位置的光刻胶，离子注入n型杂质，形成n+区，去除所有光刻胶；
9)、在步骤8)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉p+区所在位置的光刻胶，离子注入p型杂质，形成p+区，去除所有光刻胶；
10)、在步骤9)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第一p阱区和第二p阱区区域的光刻胶，淀积铝，形成金属区，即为阴极和阳极，去除所有光刻胶。
有益效果：
1、本发明提出的spad探测器在深n阱与p-外延层之间形成深的主雪崩区，可探测近红外短波光子；同时深n阱内部有两个浅的次雪崩环区，可探测短波光子，从而实现从蓝光到近红外短波的宽光谱光子探测。
2、本发明提出的spad探测器在深n阱与p-外延层之间形成主雪崩区，该雪崩区很厚；且主雪崩区下方设置有重掺杂的p+埋层区，可以减小器件的串联电阻并有效增强主雪崩区的电场，因此可获得高的光子探测效率。
3、本发明提出的spad探测器可在标准cmos工艺制作，具有集成度高、功耗低、抗干扰能力强等优点。
附图说明
图1为本发明的单光子雪崩二极管探测器结构俯视示意图。
标识说明：1，p型衬底；2，p+埋层；3，p-外延层；4，深n阱区；5，浅沟槽隔离(sti)区；6，p+区；7，浅沟槽隔离区；8，n+区；9，侧n阱区；10，第一p阱区；11，中心n阱区；12，第二p阱区；13，阳极；14，阴极。
图2是本发明的单光子雪崩二极管探测器横截面结构示意图。
图3为本发明单光子雪崩二极管基于0.18μmcmos工艺的仿真电场分布图。
标识说明：1-次雪崩环区1；2-次雪崩环区2；3-主雪崩区。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的单光子雪崩二极管探测器结构俯视示意图。图2为spad探测器沿着图1中ab方向的剖面结构示意图。如图1、图2所示，本发明的spad探测器结构为：包括同轴设置的呈圆柱形的p型衬底1、p外延区3、深n阱区4、中心n阱区11、n+区8以及圆环形的第一p阱区10、侧n阱区9、第二p阱区12、p+区6、浅沟槽隔离区5和浅沟槽隔离区7；在所述p型衬底1的上方设置有低掺杂的p-外延层区3，在所述p型衬底1与所述p-外延层区3之间的中间设置有重掺杂的p+埋层区2，在本发明中，p+埋层区2的形状为圆柱形或椭球形；在p-外延层3的中间位置位于所述p+埋层区2上端设有深n阱区4，所述深n阱区4与所述p+埋层区2之间设有间隙；在所述深n阱区4内设有侧n阱区9、第一p阱区10、中心n阱区11，n阱区11设置在深n阱区4上部中间位置，第一p阱区10设置在中心n阱区11外侧，侧n阱区9设置在第一p阱区10外侧，所述侧n阱区9、第一p阱区10和中心n阱区11的上下端面平齐，在深n阱区4表面设置有重掺杂的n+区8，所述n+区8的下端面与所述侧n阱区9、第一p阱区10、中心n阱区11均接触，所述n+区8的直径大于所述深n阱区4的直径；在p-外延层3上部位于所述深n阱区4外侧设置有第二p阱区12，在第二p阱区12表面设置有重掺杂的p+区6，所述第二p阱区12的上端面与所述侧n阱区9的上端面平齐，所述p+区6的上端面与所述n+区8的上端面平齐；在p+区6内外侧上均设置有浅沟槽隔离(sti)区5、7，所述浅沟槽隔离(sti)区5、7的上端面与所述p+区6的上端面平齐，所述浅沟槽隔离(sti)区5、7的下端面深于所述p+区6的下端面；所述浅沟道隔离(sti)区5用于隔离p+区6与深n阱区4，浅沟道隔离(sti)区7用于p+区6和外围器件隔离；在所述第二p阱区12上端引出阳极13，在深n阱4中第一p阱区10的上端引出阴极14。
本发明spad探测器的主雪崩区为p-外延层区3与深n阱区4形成的深pn结，可探测近红外短波光子。当单光子雪崩二极管工作在盖革模式下，p-外延层区3与深n阱区4交界处形成的主雪崩区具有很高的电场，且雪崩区面积较大，具有高的光子探测效率。
本发明除了p-外延层区3与深n阱区4形成的主雪崩区外，还形成两个环状的次雪崩区，即为深n阱区4内的两个对称环状雪崩区，分别由深n阱区4表面重掺杂的n+区8与中心n阱区11外侧的第一p阱区10、中心n阱区11外侧的第一p阱区10与深n阱区4上方外侧的侧n阱区9、中心n阱区11外侧的第一p阱区10与深n阱区4上方中间的中心n阱区11、中心n阱区11外侧的第一p阱区10与深n阱区4形成的4个pn结构成。这两个对称的次雪崩环区由于结深浅，可实现对短波光子的探测，从而扩展了光子波长的探测范围。
本发明采用了p-外延层区3，外侧的第二p阱区12横向扩散严重，为了防止外侧的第二p阱区12与中间深n阱区4在高场下边缘击穿，需要将外侧第二p阱区12与中间深n阱区4距离适当加大。
本发明使用的p+埋层区2主要是为了提高深n阱区4下方区域的掺杂浓度，使得雪崩电流能流到深n阱的下方，减小探测器的串联电阻，同时加强深n阱区4与p-外延层区3之间主雪崩区的电场，提高对近红外短波光子的探测效率。
具体实施例1：
给出本发明spad探测器具体尺寸：整体spad器件长26μm，深11μm。其中p型衬底1正上方和p-外延层区3之间局部的重掺杂p+埋层区2长9μm，p-外延层3的上方中间的深n阱区4长10μm，深n阱区4上方中间的中心n阱区11长2μm，中心n阱区11外侧的第一p阱区10长3μm，深n阱区4上方外侧的侧n阱区9长1μm，深n阱区4表面的重掺杂的n+区8长11μm，p-外延层上方外侧的第二p阱区12长2μm，第二p阱区12表面的重掺杂的p+区6长1μm，p+区6两侧的浅沟槽隔离(sti)区5、7长分别为0.5μm、1.5μm，第二p阱区12上端引出的阳极13长0.5μm，深n阱4中第一p阱10上端引出的阴极14长0.5μm。(上述长度都为此探测器横截面横向长度)。图3为具体实施例1在0.18μmcmos工艺下仿真的电场分布图。图中各个区域包括：两个对称的次雪崩环区1、2，主雪崩区3。从图3中可以看出：本发明的深n阱下端与p-外延层之间形成主雪崩区，该主雪崩区3很厚，有利于探测近红外光；深n阱内部有两个对称的次雪崩环区1、2，有利于探测低波长的光，从而实现宽光谱探测。
在本发明中，具体的外侧第二p阱区12与中间深n阱区4距离为3-5μm。
通过cmos工艺实现本发明的spad结构的工艺流程：
1)、在硅晶圆上离子注入p型杂质形成p型衬底1；
2)、在p型衬底1表面涂光刻胶，刻蚀掉p型衬底1中间上部的位置(即p+埋层区2所在位置)的光刻胶后离子注入p型杂质形成p+埋层区2，并去除表面光刻胶；
3)、向上外延p型杂质形成p-外延层；
4)、在所述p-外延层3表面涂上光刻胶并去除所述p+区6两侧位置上的光刻胶，刻蚀掉该位置的p-外延层3并用sio2填充形成浅沟槽隔离区5、7，去除所有光刻胶；
5)、在所述p-外延层3表面涂上光刻胶并刻蚀掉深n阱区4所在位置的光刻胶，离子注入n型杂质并退火，形成深n阱区4，去除所有光刻胶；
6)、在步骤5)形成的结构表面涂上光刻胶，并刻蚀掉中心n阱区11和侧n阱区9所在位置的光刻胶，离子注入n型杂质分别形成中心n阱区11和侧n阱区9，去除所有光刻胶；
7)、在步骤6)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第一p阱区10和第二p阱区12所在位置的光刻胶，离子注入p型杂质，高温退火，分别形成第一p阱区10和第二p阱区12；去除所有光刻胶；
8)、在步骤7)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉n+区8所在位置的光刻胶，离子注入n型杂质，形成n+区8，去除所有光刻胶；
9)、在步骤8)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉p+区6所在位置的光刻胶，离子注入p型杂质，形成p+区6，去除所有光刻胶；
10)、在步骤9)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第一p阱区10和第二p阱区12区域的光刻胶，淀积铝，形成金属区，即为阴极和阳极，去除所有光刻胶。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。