[发明专利]一种基于标准工艺的双PN结型单光子雪崩二极管结构

说明书

技术领域

本发明是一种双PN结型单光子雪崩二极管结构，并且具体在标准CMOS工艺中实现其制作方法。

背景技术

在微弱光成像、高速成像以及量子通信等领域，需要高效、低噪声的单光子探测器。现在通常使用的光电倍增管PMT需要高操纵电压，而且单元结构体积大，不能够大规模集成。硅雪崩光电二极管APD是工作在PN结的线性区域，工作电压低于雪崩电压，所以其增益一般不高于1000，不能够实现单光子探测。电子倍增CCD，即EM-CCD，其增益能够应用与微弱光探测，但是其工作频率较低，时间分辨率达不到光子计数的应用。

单光子雪崩二极管(SPAD)，即盖革模式雪崩光电二极管GM-APD，其基本结构为一个平面的PN结，工作电压位于PN结雪崩击穿电压之上。当平面PN结的工作电压逐渐逼近雪崩电压时，理论上雪崩倍增因子将趋于无穷大，而实际上，当工作电压小于雪崩电压时，倍增因子到1000左右时就会饱和。只有在盖革模式下，即工作电压高于雪崩击穿电压时，倍增因子才能大到足以捕捉单光子。

单光子雪崩二极管可以用多种结构来实现，每种结构最终追求的器件特性在于低暗噪声、高时间分辨率以及可集成度。同时，在保证器件良好性能的同时，其制作工艺也需要简单方便和经济，因此，可以用标准CMOS工艺来实现的单光子雪崩二极管就符合市场需求。

本发明提出的一种双PN结型单光子雪崩二极管结构，通过PN结的不同位置深度，实现对入射光波长的选择性探测，有效提高了光子探测效率。

发明内容

本发明提出了一种双PN结型单光子雪崩二极管结构，其基本结构构成为：P型硅衬底（4）上方设有深N阱（3），p型衬底通过重掺杂P型区域（1）以及p阱区域（2）连接电极（11），形成欧姆接触，深N阱（3）和P型衬底（4）之间形成一个PN结（13）；深N阱（3）内包含一个P阱区域（2），P阱（3）通过重掺杂P型区域（1）连接到电极（9）；深N阱（3）通过N阱（6）以及重掺杂N型区域（5）连接到电极（10），形成欧姆接触；深N阱（3）和其内部包含的P阱（2）形成一个PN结（12）。PN结（12）和（13）形成本发明提出的双PN结单光子雪崩二极管的两个感光区。在电极（9）、（10）和（11）上施加适当的电压，使PN结（12）和（13）工作在盖革模式下，从而形成单光子雪崩二极管的两个倍增区，实现对光子信号的探测。

本发明的有益效果是：（1）器件在纵向包含两个PN结，可实现对入射光的波长选择性探测，提高光子探测效率；（2）器件工艺与标准CMOS工艺完全兼容，有效降低生产成本，经济实用；（3）器件结构可伸缩性好，有利于器件的大规模集成。

附图说明

现将参照以下附图具体详细说明本发明的主题，并清楚地理解本发明的有关结构和实现方法以及其目的、特征和优势：

图1是光在硅中的穿透深度随波长的变化曲线；

图2是本发明的双PN结型单光子雪崩二极管结构示意图；

图3是本发明的双PN结型单光子雪崩二极管工作原理图。

具体实施方式

为了加深对本发明的全面了解，在以下的详细说明中，描述了特定的细节:如果半导体掺杂的类型相反（即N型掺杂替换P型掺杂），而电压、阳极和阴极等适当相反，则关于P型和N型材料给出的例子同等使用。本发明假设采用P型衬底，这是标准CMOS工艺中最标准使用的衬底类型。

入射光在硅中的入射深度随着波长的不同而有所不同，图1显示了入射光在硅中的穿透深度与波长的关系曲线图。由图1可见，波长越长，其在硅中穿透的深度就越深。因此，为了最大效率的探测入射光强信号，感光区在纵向也需要越深越好。但是，任何PN结都有其特定的耗尽区深度，因此，最大限度的扩大PN结的耗尽区以提高光子探测效率成为单光子雪崩二极管设计的一个根本思路。