一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块及其制造方法与流程

1.本发明属于光电探测领域，具体涉及一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块及其制造方法。


背景技术：

2.硅雪崩光电探测器模块主要由硅雪崩探测器芯片和前置放大电路组成，工作原理为：硅雪崩探测器芯片将脉冲光信号转换为脉冲电流信号，经前置放大电路转换为电压信号并放大输出，满足后续电路的处理，广泛应用于军用或民用激光测距、激光对抗系统以及激光雷达等领域。硅雪崩光电探测器模块作为激光测距的核心传感器件，测距系统测距能力与硅雪崩光电探测器模块的响应度息息相关，模块响应度由雪崩探测器芯片的光电转换能力决定，因此如何提高硅材料在近红外响应波段的响应度对激光测距系统的测距能力起关键作用。
3.硅材料响应波段为400～1100nm，用户应用的典型近红外响应波段1064nm已接近处于硅材料响应波段上截止波长，硅材料在该波段吸收效率偏低，光电转换响应度不足0.1a/w(由于雪崩探测器自带增益，响应度为10a/w)。而国外对应器件响应度典型值为0.36a/w，差距较大。


技术实现要素：

4.为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，该模块包括硅雪崩探测器芯片和前置放大电路，所述硅雪崩探测器芯片与所述前置放大电路连接，形成电学导通；所述硅雪崩探测器芯片自上向下依次包括正面钝化层1、n电极2、n
+
有源区3、p
‑
雪崩区4、p型衬底层5、p
+
光敏区6、背面钝化层7、增透层8以及p电极9，在p
+
光敏区6内设置有p
+
截止环10和n
+
保护环11；所述硅雪崩探测器芯片用于将脉冲光信号转换为脉冲电流信号，所述前置放大电路用于将脉冲电流信号进行放大输出。
5.优选的，p
+
截止环10和n
+
保护环11设置的位置为p
+
截止环10设置在正面p
‑
雪崩区4周围，n
+
保护环11设置在n
+
有源区3周围，且两个n
+
保护环11设置在硅雪崩探测器芯片的内侧，两个p
+
截止环10设置在硅雪崩探测器芯片的外侧。
6.优选的，硅雪崩探测器芯片的响应波长范围未400nm～1100nm。
7.优选的，硅雪崩探测器芯片的光敏面形状不限于圆形，可以为规则形状和不规则形状结构。
8.优选的，硅雪崩探测器芯片的光敏面像元不限于单象限，可以为二象限、四象限、八象限以及阵列结构。
9.优选的，前置放大电路包括跨组抗放大结构、电阻取样放大结构以及积分放大结构；跨组抗放大结构的输出端与电阻取样放大结构的输入端连接，电阻取样放大结构的输出端与积分放大结结构的输入端连接，构成了前置放大电路。
10.进一步的，前置放大器中的跨组抗放大结构包括：第一运算放大器、反馈电阻r
f
、
匹配电容c1、匹配电阻r1；所述匹配电容c1和匹配电阻r1并联后其输出端连接第一运算放大器的正极，输入端接地；反馈电阻r
f
的输入端连接第一运算放大器的负极，输出端连接第一运算放大器的输出端，构成跨组抗放大结构。
11.进一步的，前置放大器中的电阻取样放大结构包括：第二运算放大器、第一匹配电阻r2、第二匹配电阻r3以及反馈电阻r
f1
；所述第一匹配电阻r2的一端与接地线连接，另一端连接第二运算放大器的正极；所述第二匹配电阻r3的一端与接地线连接，另一端连接第二运算放大器的负极；所述反馈电阻r
f1
的一端连接第二运算放大器的负极，另一端连接第二运算放大器的输出端，构成电阻取样放大结构。
12.进一步的，前置放大器中的积分放大结构包括：第三运算放大器和反馈电容c
f
；所述第三运算放大器的正极接地，所述反馈电容c
f
的一端连接第三运算放大器负极，另一端连接第三运算放大器的输出端，得到积分放大结构。
13.一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块的制造方法，该方法包括：
14.s1：在p型高阻单晶硅衬底表面热氧化生长sio2钝化膜，形成正面钝化层；
15.s2：利用光刻工艺和离子注入工艺依次制作p
+
截止环10、n
+
保护环11、p
‑
雪崩区4、n
+
有源区3；
16.s3：对p型高阻单晶硅衬底背面进行减薄抛光处理；
17.s4：在p型高阻单晶硅衬底背面热氧化生长sio2钝化膜，形成背面钝化层；
18.s5：利用双面光刻工艺和离子注入工艺在p型高阻单晶硅衬底背面制作p
+
光敏区6；
19.s6：利用lpcvd工艺背面淀积氮化硅增透膜8；
20.s7：利用双面光刻工艺和干法刻蚀工艺分别制作p电极孔和n电极孔；
21.s8：利用双面光刻工艺或金属溅射工艺制作n电极2和p电极9；
22.s9：采用回流焊工艺将厚膜电路焊接在管座上；
23.s10：采用烧结压焊工艺完成前置放大电路制作；
24.s11：采用储能焊工艺将管帽和管座封焊在一起，形成模块。
25.本发明创造性地提出了在探测器芯片背面集成微结构以提高近红外响应度，优化高能注入工艺以降低芯片的偏压温度系数，同时突破性地提出了双保护环结构以提高芯片的可靠性；本发明提出的近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，使得器件的响应度从不足0.1a/w提高到0.3a/w。
附图说明
26.图1为本发明的硅雪崩探测器芯片的整体结构图；
27.图2为本发明的近红外响应增强型硅雪崩探测器模块电路结构示意图；
28.图3为本发明的跨阻抗放大结构示意图；
29.图4为本发明的电阻取样放大结构示意图；
30.图5为本发明的积分放大结构示意图；
31.图6为本发明的背面响应增强微结构的工艺流程图；
32.图7为本发明的硅雪崩探测器芯片离子注入剂量控制方法流程图；
33.图8为本发明的硅雪崩探测器芯片离子注入剂量修正原理图；
34.图9为本发明的硅雪崩探测器芯片的实物图；
35.图10为传统距离测量实现方式的波形示意图；
36.其中，1、正面钝化层，2、n电极，3、n
+
有源区，4、p
‑
雪崩区，5、p型衬底层，6、p
+
光敏区，7、背面钝化层，8、增透层，9、p电极，10、p
+
截止环，11、n
+
保护环。
具体实施方式
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，该模块包括硅雪崩探测器芯片和前置放大电路，硅雪崩探测器芯片用于将脉冲光信号转换为脉冲电流信号，前置放大电路用于将脉冲电流信号进行放大输出，且硅雪崩探测器芯片与前置放大电路实现电学导通。硅雪崩光电探测器模块具有响应速度快，灵敏度高，体积小等特点，可广泛应用于军用或民用激光测距、激光对抗系统以及激光雷达等领域。
39.如图1所示，一种硅雪崩探测器芯片的具体实施例，该芯片包括：硅雪崩探测器芯片和前置放大电路，所述硅雪崩探测器芯片与所述前置放大电路进行电学导通；所述硅雪崩探测器芯片自上向下依次包括正面钝化层1、n电极2、n
+
有源区3、p
‑
雪崩区4、p型衬底层5、p
+
光敏区6、背面钝化层7、增透层8以及p电极9，在p
+
光敏区6内设置有p
+
截止环10和n
+
保护环11；所述硅雪崩探测器芯片用于将脉冲光信号转换为脉冲电流信号，所述前置放大电路用于将脉冲电流信号进行放大输出。
40.p
+
截止环10和n
+
保护环11设置的位置为p
+
截止环10设置在正面p
‑
雪崩区4周围，n
+
保护环11设置在n
+
有源区3周围，且两个n
+
保护环11设置在硅雪崩探测器芯片的内侧，两个p
+
截止环10设置在硅雪崩探测器芯片的外侧。
41.可选的，硅雪崩光电探测器芯片响应波长涵盖400nm～1100nm。
42.可选的，硅雪崩光电探测器芯片光敏面形状不限于圆形，也包括长条形、正方形、异形、多边形等所有形状。
43.可选的，硅雪崩光电探测器芯片光敏面不限于单象限，也包括二象限、四象限、八象限、阵列等多像元结构。
44.可选的，硅雪崩光电探测器芯片结构包括正照和背照结构。
45.一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块电路结构的具体实施方式，该电路结构包括：3个电阻、3个电容、1个二级管、1个反馈电阻、1个三级管、运算放大器以及1个雪崩光电二极管apd；各个电路元件的具体连接关系如图2所示。
46.一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块的电路结构包括跨组抗放大结构、电阻取样放大结构以及积分放大结构；跨组抗放大结构的输出端与电阻取样放大结构的输入端连接，电阻取样放大结构的输出端与积分放大结结构的输入端连接，构成了前置放大电路。
47.如图3所示，跨组抗放大结构第一运算放大器、反馈电阻r
f
、匹配电容c1、匹配电阻r1；所述匹配电容c1和匹配电阻r1并联后其输出端连接第一运算放大器的正极，输入端接地；反馈电阻r
f
的输入端连接第一运算放大器的负极，输出端连接第一运算放大器的输出
端，构成跨组抗放大结构。跨组抗放大结构的计算表达式为：
48.u
o
＝i
p
*r
f
49.其中，u
o
表示输出电压，ip表示输入电流，r
f
表示反馈电阻。
50.如图4所示，前置放大器中的电阻取样放大结构包括：第二运算放大器、第一匹配电阻r2、第二匹配电阻r3以及反馈电阻r
f1
；所述第一匹配电阻r2的一端与接地线连接，另一端连接第二运算放大器的正极；所述第二匹配电阻r3的一端与接地线连接，另一端连接第二运算放大器的负极；所述反馈电阻r
f1
的一端连接第二运算放大器的负极，另一端连接第二运算放大器的输出端，构成电阻取样放大结构。电阻取样放大结构的计算表达式为：
51.u
o
＝i
p
*r2*av
52.av＝r
f1
/r353.其中，i
p
表示输入电流，r2表示第一匹配电阻，av表示放大倍数，r
f1
表示反馈电阻，r3表示第二匹配电阻。
54.如图5所示，前置放大器中的积分放大结构包括：第三运算放大器和反馈电容c
f
；所述第三运算放大器的正极接地，所述反馈电容c
f
的一端连接第三运算放大器负极，另一端连接第三运算放大器的输出端，得到积分放大结构。积分放大结构的计算表达式为：
55.u
o
＝1/c
f
∫i
p
dt
56.其中，u
o
表示输出电压，ip表示输入电流，c
f
表示反馈电容，t表示时间，∫表示积分运算。
57.一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块的制造方法的具体实施方式，如图6所示，该方法包括：
58.s1：在p型高阻单晶硅衬底表面热氧化生长sio2钝化膜，形成正面钝化层；
59.s2：利用光刻工艺和离子注入工艺依次制作p
+
截止环10、n
+
保护环11、p
‑
雪崩区4、n
+
有源区3；
60.s3：对p型高阻单晶硅衬底背面进行减薄抛光处理；
61.s4：在p型高阻单晶硅衬底背面热氧化生长sio2钝化膜，形成背面钝化层；
62.s5：利用双面光刻工艺和离子注入工艺在p型高阻单晶硅衬底背面制作p
+
光敏区6；
63.s6：利用lpcvd工艺背面淀积氮化硅增透膜8；
64.s7：利用双面光刻工艺和干法刻蚀工艺分别制作p电极孔和n电极孔；
65.s8：利用双面光刻工艺或金属溅射工艺制作n电极2和p电极9；
66.s9：采用回流焊工艺将厚膜电路焊接在管座上；
67.s10：采用烧结压焊工艺完成前置放大电路制作；
68.s11：采用储能焊工艺将管帽和管座封焊在一起，形成模块。
69.得到硅雪崩探测器芯片的过程包括：对硅雪崩探测器芯片的背面进行减薄抛光处理；将减薄抛光后的硅雪崩探测器芯片进行光刻微结构图形处理；根据光刻的微结构图对硅雪崩探测器芯片进行光刻胶热熔处理；对处理好的芯片中的图形进行转移，并采用湿法对芯片腐蚀修饰形貌；将修饰形貌后的芯片进行背面离子注入，注入离子后进行背面金属化，得到硅雪崩探测器芯片。
70.如图7所示，对硅雪崩探测器芯片进行离子注入的具体过程包括：对雪崩区进行离
子注入；将雪崩区分为正式片和先行片；在先行片中先对先行片的光敏区进行离子注入；注入离子浓度后对先行片设置接触孔以及电极，并对先行片的背面进行减薄抛光处理；对经过减薄抛光处理后的先行片进行击穿电压测试，判断击穿电压是否满足测试要，若不满足要求，则调整离子注入条件，重新对先行片的光敏区进行离子注入；若满足要求，则根据先行片的离子注入条件对正式片的光敏区进行离子注入，得到注入离子后的硅雪崩探测器芯片。
71.如图8所示，硅雪崩探测器芯片离子注入剂量的杂质浓度随着注入离子位置距离芯片表面距离成正态分布。对于反型杂志分布中，其注入离子的杂质浓度首先随着位置距离表面的距离增大而上升，上升到一定程度后立刻下降。对于p区(雪崩区)的杂质分布中，p区注入离子的杂质浓度随着注入位置的距离先上升，当上升到一定的程度后下降。p区的最大杂质浓度比反型杂质的最大浓度低。
72.如图9所示，一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，该探测器模块包括apd探测器、厚膜电路、管座以及管帽；所述apd探测器中设置有硅雪崩探测器芯片，且apd探测器设置在厚膜电路中；所述厚膜电路为前置放大电路，所述厚膜电路设置在管座上，并通过引针与厚膜电路的输出端进行连接引出；采用管帽对近红外响应增强型硅雪崩探测器模块进行气密性封装。
73.可选的，厚膜电路为矩形结构，厚膜电路的正中心设置有凸起结构，所述apd探测器设置在凸起结构上。
74.可选的，进行气密性封装包括金属管壳气密封装，封装形式包括to圆形封装、蝶形封装等等。
75.在激光测距应用中，激光测距系统主要有两个核心指标，一是测量距离，另外一个是测距精度。传统距离测量实现方式如图10波形所示，第一个脉冲(主波)的前沿时刻为t
start
，第二个脉冲的前沿时刻为t
stop
，通过两个前沿时刻差得出距离信息，计算距离的公式为：
[0076][0077]
其中，t
stop2
表示第二个脉冲的前沿时刻，t
start1
表示第一个脉冲的前沿时刻，c表示光速。
[0078]
而在激光测距系统中，前沿时刻传统获得方式为通过ad采样实现，ad按时钟频率对脉冲信号进行间隔采样，脉冲波形前沿越抖(上升时间越小)，ad采样的前沿时刻越精确，因此测距精度越高；因此影响激光测距系统的探测器模块关键参数为上升时间，基于本专利提出方法研制的雪崩探测器模块具有响应速度快的特点，响应速度与上升时间正相关，模块的上升时间为2ns，为高精度测距提供了解决方案。
[0079]
进一步的，激光测距系统的测量距离是指激光发射出去到达测距目标后，反射回来的激光强度探测器模块能否分辨。考虑环境因数、测距目标特性、接收天线参数等因数，激光回波功率p
r
的计算公式为：
[0080][0081]
其中，p
i
表示激光脉冲的总功率，β表示大气对激光的衰减系数，l表示距离，θ
i
表示
激光束发射角，θ
r
表示激光束反射角，t1表示发射天线的透射率，t2表示接收天线的透射率，γ表示目标的反射率，s
e
表示测距目标的反射面积，s
d
表示接收天线的接收天线面积。
[0082]
根据激光回波功率p
r
的计算公式可知回波功率与距离成反比，距离越远，回波功率越低。因此，影响激光测距系统的测量距离的关键探测器模块参数为灵敏度，灵敏度越高，测量距离越远。基于本专利提出方法研制的雪崩探测器模块具有高灵敏度的特点，该模块灵敏度≤10nw，处于国内领先水平，与进口apd模块参数相当，为远距离测距提供了解决方案。
[0083]
进一步的，在激光雷达应用中，主要包括扫地机器人、agv小车、自动驾驶激光雷达以及无人机等。扫地机器人和agv小车采用单点apd模块，也适用于本专利。自动驾驶激光雷达、无人机采用多个雪崩探测器模块形成阵列，通过多个探测器模块接收回波信号获得目标形貌特征，可以根据本专利的提出方案研制阵列探测器芯片以及读出电路来实现，还可以使用基于本专利研制模块来拼接为阵列来实现，因此本专利提出方法也是适用的。
[0084]
进一步的，在激光引信、激光制导应用中，目前服役的为常规pin探测器模块。不过随着技术进步，系统对作用距离要求更高，本专利提出的方案为新一代激光引信和激光制导提供了解决方案。由于基于本专利研制的雪崩探测器芯片具有内雪崩增益100倍，比传统的pin探测模块灵敏度高两个数量级，因此作用距离也可以提高两个数量级。
[0085]
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。