[发明专利]基于弧形扩散区的雪崩光电探测器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种基于弧形扩散区的雪崩光电探测器及其制作方法。其中，雪崩光电探测器包括：一外延结构，该外延结构自下而上包含：N型衬底、吸收层、电荷层、以及本征倍增层；在该本征倍增层中形成有3D碗状开口并在此3D碗状开口下形成有P型高掺杂的弧形扩散区；一钝化层，形成于外延结构之上；一P型电极层，与P型高掺杂的弧形扩散区接触；一N型电极层，与N型衬底接触；以及一增透膜，作为光窗口，设置于该单电子雪崩光电探测器的正面或背面，该增透膜的中心与弧形扩散区的曲率中心的连线平行于外延方向，且该光窗口的光场中心区域与高场区在空间上重合。有效提高器件的光子探测效率，减小器件的暗计数，并降低后脉冲几率。

技术领域

本公开属于半导体器件技术领域，涉及一种基于弧形扩散区的雪崩光电探测器及其制作方法。

背景技术

雪崩光电探测器(APD，Avalanche Photo-Detector)已经广泛应用于商业、军事和科学研究中，如量子信息、生物分子探测、激光雷达成像和天文探测等。通信波段高速、高探测效率、低暗记数的单光子APD在实际的量子密钥分发系统中，发挥了极其重要的作用。单光子雪崩光电探测器(SPAD，Single Photon Avalanche-Detector)由于其特殊的盖革工作方式，雪崩过程和雪崩电流密度对器件的探测效率和暗计数有很大影响，目前单光子雪崩光电探测器件的探测效率较低，高探测效率与高暗计数同时存在，对光子探测性能有很大影响。

单光子雪崩光电探测器一般工作在高于击穿电压的偏置状态，在这种高偏置等待状态下，如果有一个光子首先产生了一个自由载流子，那么这个自由载流子就会在高电场作用下产生系列的碰撞电离，输出一个可以测量的脉冲信号，于是就产生一个光子计数；如果器件中缺陷首先释放了一个自由载流子，这个载流子同样可能引发一个可探测的电流脉冲信号，也会产生一个计数，为暗计数。目前单光子雪崩探测器通常采用刻蚀坑和平面结构，采用一次或者二次扩散的方式定义器件工作区域。这种结构的器件均存在一种现象，就是偏置在雪崩电压下，器件的载流子增益首先发生在器件的边沿，且边沿的电场往往比中心大几倍甚至超过一个量级，此时只有器件边沿产生的自由载流子才会大概率引发一次雪崩脉冲。而探测器的光照则大概率集中在器件的中心区域。这种由于光照和发生雪崩的空间区域存在的不一致性会导致单光子探测器在雪崩电压附近探测效率的降低，尤其是当器件的直径增加到30微米以上时。当加大几伏偏置电压后，增益区的电场才逐渐趋于均匀，此时的器件探测效率略有增高但暗计数陡增，器件整体性能下降。因此亟需提出一种方案，解决光入射中心与雪崩倍增区域不重合导致单光子探测效率低、暗计数高的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于弧形扩散区的雪崩光电探测器及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于弧形扩散区的雪崩光电探测器，包括：一外延结构，该外延结构自下而上包含：N型衬底、吸收层、电荷层、以及本征倍增层；在该本征倍增层中形成有3D碗状开口并在此3D碗状开口下形成有P型高掺杂的弧形扩散区；一钝化层，形成于外延结构之上；一P型电极层，与P型高掺杂的弧形扩散区接触；一N型电极层，与N型衬底接触；以及一增透膜，作为光窗口，设置于该雪崩光电探测器的正面或背面，该增透膜的中心与弧形扩散区的曲率中心的连线平行于外延方向，且该光窗口的光场中心区域与高场区在空间上重合。

在本公开的一些实施例中，雪崩光电探测器，还包括：一填充层，形成于所述3D碗状开口内。