[发明专利]一种单光子雪崩二极管探测器结构及其制造方法

说明书

本发明公开了一种单光子雪崩二极管探测器结构，包括：P型硅衬底，形成于P型硅衬底中的深N阱和深P阱，深N阱中形成有用于形成吸收光子的倍增区域的N⁺区域和P⁺区域，围绕倍增区域形成有用于形成雪崩二极管结构的第一P阱区域、N阱区域，N阱区域中形成有阳极引出端，P⁺区域中形成有阴极引出端，深P阱中形成有第二P阱区域，第二P阱区域中形成有衬底引出端，深N阱和深P阱表面覆盖有保护层。本发明结构简单，沿结深垂直方向只有两个PN结，在整个单元结构内全部采用PN结隔离形式，可完全消除由STI中缺陷引起的暗计数，大大降低单元面积，提高填充率。本发明还公开了上述单光子雪崩二极管探测器结构的制造方法。

技术领域

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。