[发明专利]一种高探测效率的单光子雪崩二极管及其制作方法

说明书

本发明公开了一种高探测效率的单光子雪崩二极管及其制作方法。传统单光子雪崩光电二极管的倍增区比较薄，进而导致探测灵敏度和光子探测效率普遍较低。本发明高探测效率的单光子雪崩二极管，包括同轴设置的p‑衬底层、p外延层、n+埋层、n型电荷层、反型深n阱、p型电荷层、p‑型半导体层、n阱层、浅沟槽隔离层、p型半导体层、n+型半导体层、p+型光吸收层、二氧化硅抗反射膜、氮化硅抗反射膜、阳极电极和阴极电极。本发明采用p+型光吸收层、p型半导体层以及p型电荷层组合形成P+/P/P型电荷层结构，有利于电流先横向扩展然后再流向雪崩倍增区，增大光谱响应，有效地提高其对光波长的吸收。

技术领域

本发明属于单光子探测技术领域，具体涉及一种高探测效率的单光子雪崩二极管及其制作方法。

背景技术

单光子探测技术是一种极微光探测传感技术，在当代生活中应用范围不断扩展，比如：在生物发光、量子通信、天文研究、高灵敏度传感器等方面。基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管作为单光子探测的核心器件，愈加受到了研究人员的关注和重视。其中，光子探测效率(Photon Detection Efficiency,PDE)是衡量雪崩光电二极管单光子探测能力的关键性因素。因此，设计具有高的光子探测效率的器件结构具有重要的意义和使用价值。

传统的单光子雪崩光电二极管结构都是由一个平面单结组成的，一般为浅结结构，PN结为突变结，雪崩倍增区电场强度高，但倍增区比较薄，进而导致探测灵敏度和光子探测效率普遍较低。其中雪崩倍增区的厚度和发生雪崩时的载流子数目都是衡量雪崩倍增大小的标准，而这些都与探测灵敏度和光子探测效率有密切的联系。因而具有高光子探测效率的雪崩二极管需要有较宽的雪崩倍增区，同时雪崩倍增区要处于高电场，在雪崩发生时，可以有更多的载流子发生碰撞。所以，研究一种具有高PDE、较高灵敏度的平面器件结构显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有单光子雪崩光电二极管结构存在的上述不足，提出一种新的高探测效率的单光子雪崩光电二极管结构及其制作方法，使器件在可见光、近红外波段较宽范围内都具有较高的光子探测效率。本发明采用单结吸收倍增分离的结构，通过p外延形成的虚拟保护环以及p型扩散保护环共同作用防止边缘击穿，通过控制加在其上的偏置电压的大小实现其在不同波段的探测，另一方面，通过在窗口覆盖双层抗反射膜进一步增强在各波段的光子吸收效率。

本发明高探测效率的单光子雪崩二极管，包括同轴设置的p-衬底层、p外延层、n+埋层、n型电荷层、反型深n阱、p型电荷层、p-型半导体层、n阱层、浅沟槽隔离层、p型半导体层、n+型半导体层、p+型光吸收层、二氧化硅抗反射膜、氮化硅抗反射膜、阳极电极和阴极电极。所述的p-衬底层设置在p外延层的底部。p外延层的内部设置有呈圆盘形的n+埋层。n+埋层与p外延层的外端面之间设置有n型电荷层、反型深n阱、p型电荷层、p-型半导体层和n阱层。n型电荷层、反型深n阱、p型电荷层由内向外依次排列设置。呈圆环形的p-型半导体层环住反型深n阱的外侧及p型电荷层，且与反型深n阱及p型电荷层均接触。p-型半导体层的外端面与p外延层的外端面平齐。n型电荷层及n阱层的内端均与n+埋层接触。n阱层的外端面与p外延层的外端面平齐。

所述的p型半导体层设置在p外延层的外端面上。呈圆环形的n+型半导体层设置在p型半导体层上。n+型半导体层的两端端面与p型半导体层的两端端面分别平齐。n+型半导体层的内端面与n阱层接触，外端面上固定有阴极电极。

呈圆环形的两个浅沟槽隔离层均贯穿p型半导体层。其中一个浅沟槽隔离层的外径等于n+型半导体层的内径。另一个浅沟槽隔离层的内径等于n+型半导体层的外径。

所述的p+型光吸收层设置在p型半导体层外端的中部。p+型光吸收层的外端面与p型半导体层的外端面平齐。p+型光吸收层的外端面上设置有二氧化硅抗反射膜。所述二氧化硅抗反射膜的外侧面上设置有氮化硅抗反射膜。所述阳极电极穿过二氧化硅抗反射膜及氮化硅抗反射膜的中部的通孔，与p+型光吸收层的外端面固定。