[发明专利]非接触式保护环单光子雪崩二极管及制备方法

说明书

本发明公开了一种非接触式保护环单光子雪崩二极管及制备方法，由P+/深N阱组成的感光PN结、和环状的P阱保护环组成，两者相隔一定间距，并利用P阱在感光PN结周围形成保护环抑制边缘击穿；P阱保护环起到分压器的作用，抑制感光区域边缘电场的增加；利用标准CMOS工艺在P型轻掺杂硅衬底上形成轻掺杂的深N阱，以实现与其它电子器件的电学隔离，避免其相互影响；光刻出阴极、阳极和衬底的接触通孔，并淀积一层铝膜之后光刻出电极图形；利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备高层互连金属，用于将SPAD的电信号引出至接触焊盘；在芯片上表面顺序淀积氧化硅/氮化硅钝化层，防止芯片划伤和外界环境影响。

技术领域

本发明涉及光电检测以及光电传感器领域，尤其涉及一种与标准互补金属-氧化物-半导体(CMOS)工艺相兼容的单光子雪崩二极管(SPAD)结构，以及利用标准CMOS工艺中的氧化、光刻、刻蚀、离子注入、金属化等工艺实现的制备方法。

背景技术

作为一种极微弱光检测技术，单光子探测由于具有巨大科研价值和战略地位成为近年国际研究最活跃的领域之一，其在量子通信、天文测光、医学成像和雷达探测等方面都具有广阔的应用前景。其中，单光子探测器作为该技术的核心部分，决定了整个单光子探测系统的性能上限，因而设计高效、可靠的单光子探测器是单光子探测技术的关键问题之一。

经过多年的努力，科研人员已经研制出多种类型的单光子探测器，其中以光电倍增管(PMT)和雪崩二极管(APD)最为典型。由于光电倍增管需要较高的工作电压(800～1500V)，且容易受到外界磁场的影响，体积也比较笨重，因而无法大规模集成。雪崩二极管是一种建立在内光电效应基础上的光电器件，工作于盖革模式的雪崩二极管具有极高的增益，同样可以实现单光子探测，并且具有灵敏度高、皮秒量级响应速度、工作电压低、体积小、功耗低等优点，工作在这种工作模式的APD被称为单光子雪崩二极管(SPAD)。此外，平面结构的SPAD可以与标准CMOS工艺相兼容，采用CMOS的工艺设计规则来研制SPAD，可以使探测器向低成本、小型化、高集成度、高探测效率的方向发展。

边缘击穿问题是影响SPAD性能和寿命的一个重要因素。现有技术中期望SPAD器件在整个感光平面都具有一个均匀的电场以保证可靠的探测单光子信号。但是由于平面形SPAD存在边缘曲率效应，电场会在边缘曲率较小的区域汇聚，使得器件的内建电场尚未完全建立就提前发生击穿。边缘击穿会使器件噪声增加、探测效率下降，严重时甚至不能正常工作。为了抑制边缘击穿，研究人员已经提出了若干种不同的保护环结构，例如P阱保护环、N阱保护环和STI保护环。但是随着CMOS工艺向深亚微米方向发展，这些保护环都开始显露弊端：随着器件尺寸的缩小，接触式的P阱保护环出现了耗尽现象，可能使保护环失效；工艺中掺杂浓度的提高和热预算的不足使N阱保护环出现了隧穿现象，降低了器件的可靠性；STI保护环则由于大量的界面缺陷，极大地增加了器件噪声。此外，上述保护环的核心思想都是减小边缘区域的电场强度或提高中心区域的击穿电压。由于雪崩电场集中在器件中心，感光区域均小于实际器件的有源区，若光子入射到光学窗口边缘，则很难触发雪崩，因而降低了器件的光子探测效率。综上所述，目前迫切需要一种新的保护环结构来解决这些问题。

发明内容

为了抑制SPAD边缘击穿效应，同时提高器件感光面积，本发明设计了一种使用非接触式保护环的新型SPAD结构，并提出了基于标准CMOS工艺的制备方案，结构对于改善SPAD探测性能具有重要意义，详见下文描述：

一种非接触式保护环单光子雪崩二极管，所述非接触式保护环单光子雪崩二极管与标准CMOS工艺兼容，包括：衬底，

在衬底上设置有深N阱区，作为感光PN结的组成部分，也起到隔离作用；在深N阱区内分别设置N阱区域、P阱区域和重掺杂P型区域，N阱区域用于包围深N阱；P阱区域用于作为单光子雪崩二极管的保护环；重掺杂P型区域与深N阱区共同构成P+/深N阱型感光PN结，PN结的耗尽区为雪崩倍增的主要发生区，同时重掺杂的P型区域也作为光电探测器的阳极接触区；