[发明专利]一种集成化硅基宽光谱单光子雪崩二极管及制作方法

说明书

本发明提供了一种集成化硅基宽光谱单光子雪崩二极管及其制作方法，二极管的阳极电极延长至浅槽隔离层10，增大了平面结拐点的曲率半径，将电场极值引入到STI区，可平整结边缘电场，使结平面电场更加均匀，且雪崩区由中心深N阱401和中心P阱601构成，可以形成较宽的雪崩倍增区，有效提高短波近红外波段的光子吸收，增大光谱响应。二极管的保护环由未掺杂的P衬底构成虚拟保护环，由中心P阱与保护环6构成的附加结电场小于雪崩区电场，可实现平整倍增主结区边缘电场，提高光子探测效率。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种集成化硅基宽光谱单光子雪崩二极管及制作方法。

背景技术

在光探测成像技术中，光电探测器性能的好坏会直接影响到探测成像系统的质量。基于CMOS工艺的单光子雪崩光电二极管(SPADs)因工作在盖革模式下通过雪崩倍增效应原理工作而受到关注。当其他光电探测器无法识别噪声和信号之间的差异时，SPAD已成为首选的探测器。SPAD可以检测到低至单光子水平的信号强度，并且可以确定单光子到达皮秒级的程度。

传统的单光子雪崩二极管由P+N突变结形成，一般为浅结，倍增区比较浅，并且厚度较薄，一般只有在较短的波段(450-600nm)具有较高的探测效率，在其它波段探测效率大幅下降。并且，在倍增结的边缘处，由于曲率效应导致的电场突然增大会降低器件的探测效率。传统做法是在P+区域周围增加P阱保护环，由于保护环掺杂浓度较低，因此降低边界处的电场。但是受设计规则影响，增加的P阱区域会增大器件所占面积，对于大规模SPAD阵列来说，会降低有源区的填充率。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种集成化硅基宽光谱单光子雪崩二极管及制作方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供的一种集成化硅基宽光谱单光子雪崩二极管包括：P型衬底1、P型外延层2、N型埋层3、中心深N阱401、外侧深N阱402、虚拟外延保护环5、中心P阱601、外侧P阱602、阳极P+层7、衬底P+层8、 N+层9、浅槽隔离层10、阳极场板11、阴极电极12以及衬底电极13，P型衬底1位于P型外延层2底部，与P型外延层2相接触，N型埋层3在垂直方向上位于P型衬底1之上，位于P型衬底1和P型外延层2交界的位置，中心深N阱401 位于N型埋层3之上，与N型埋层3相接触，外侧深N阱402分别位于中心深N 阱401两侧，外侧深N阱402底部与N型埋层3上边沿接触，N型埋层3包围外侧深N阱402，其外径略小于所述外侧深N阱402的外径，两者外径差值在预设范围内，外侧深N阱402包围中心P阱401，外侧深N阱402与中心P阱601中间未填充的区域生成虚拟外延保护环5，阳极P+层7位于二极管中心位置，中心P阱601在垂直方向上位于阳极P+层7下方，中心P阱601与阳极P+7层中心重合，外径大于阳极P+层7，中心深N阱401与阳极P+7层中心重合，外径一致，外侧P阱602包围外侧深N阱402，衬底P+层位于外侧P阱602的中间位置，衬底P+层8位于中心P阱701中间位置，N+层9位于外侧深N阱402中间位置，N+层9与阳极P+层7中间填充有浅槽隔离层10，阳极P+层7内端面与中心P阱601接触，外端面与阳极电极11接触，阳极电极11呈Z字型结构，一部分与阳极P+层7接触，一部分延长到浅槽隔离层10形成场板，N+层9内端面与外侧深N阱402接触，外端面与呈环形的阴极电极12固定，衬底P+层11内端面与P阱7接触，外端面与衬底电极13固定，阳极电极12为环状，位于阳极P+层8边缘，在垂直方向上与阳极P+层8上端面接触，阴极电极13位于N+ 层9中心，在垂直方向上与N+层9上端面接触。

可选的，中心深N阱401、中心P阱601、阳极P+层7及N型埋层3的形状为圆形、矩形、圆角矩形或正多边形，所述外侧深N阱402、虚拟外延保护环5、外侧P阱602、衬底P+层8、N+层9、浅槽隔离层10、阳极场板11、阴极电极12以及衬底电极13的形状为圆环、矩形环、圆角矩形环或者正多边形环。