[发明专利]SPAD器件结构、SPAD探测器及SPAD器件结构制备方法

说明书

本发明提供一种SPAD器件结构、SPAD探测器及SPAD器件结构制备方法，主要利用P阱与深N阱、高压P阱与N+埋层之间形成两个的雪崩倍增区来提高器件对不同波段光子的响应效率，其中高压P阱与N+埋层之间的雪崩倍增区可以更好地响应较长波段的光子，P阱与深N阱之间的雪崩倍增区可以响应较短波段的光子，提高了器件的光子探测效率，而且在器件之间可以共用埋层与阴极，极大地减小阵列的面积，提高阵列的填充因子。为宽光谱响应、高密度集成的SPAD阵列设计提供了新思路。

技术领域

本发明涉及一种SPAD器件结构、SPAD探测器及SPAD器件结构制备方法，属于光电探测技术领域。

背景技术

处于盖革模式下的单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）具有响应速度快、雪崩增益大、体积小、重量轻、功耗低等特点，因此它成为了制作单光子探测器的最佳选择。SPAD探测器能够响应单光子量级的微弱光，采集大量携带被探测物体信息的光子，能够对目标物体进行高质量成像，因此它在天文探测、生物波导、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射和量子密钥分配系统等领域都有着广泛地应用，并逐渐成为国内外研究的热点。

然而传统的SPAD器件只有一个雪崩倍增区，仅对特定波段的光子具有较高的响应效率，很难实现宽光谱的高效率响应。例如，传统P+/N阱结构只有一个浅的雪崩倍增区，只对蓝绿光具有较高的响应效率，而对近红外波段光子的探测效率较低，光子探测应用往往需要探测器对能够响应较长波段的近红外光，因此增加SPAD器件的光谱响应范围，提高对近红外波段光子的探测效率成为研究SPAD器件的主要方向。另一方面，传统结构的SPAD器件为了避免边缘提前被击穿，阴极与阳极之间需要保持一定的距离，而且为了防止串扰的发生，器件之间也需要加入起隔离作用的保护环，这些因素使器件的面积进一步增大，导致器件的填充因子不高，影响了阵列的集成度，而且SPAD器件通常以阵列形式应用于探测器中，这种器件大规模的阵列集成会消耗很大的面积，成为设计便携，小型化探测器的阻碍，因此，减小SPAD阵列的面积消耗也成为需要突破的重要问题。针对以上问题，本发明提出了一种具有多个雪崩倍增区且利于减小阵列面积的SPAD结构，能够满足宽光谱响应和高阵列集成度的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中单光子雪崩二极管探测器探测波长范围窄、阵列集成度不高的不足，提供一种SPAD器件结构、SPAD探测器及SPAD器件结构制备方法，主要利用集成电路工艺中的P阱与深N阱、高压P阱与N+埋层形成多个雪崩倍增区，而且N+埋层的引入使器件之间的阴极共享成为可能，可以在不影响阵列规模的前提下极大地提高阵列的填充因子，为宽光谱响应、高密度集成的SPAD阵列设计提供了新思路。

为解决现有技术问题，本发明公开了一种SPAD器件结构，包括：P型衬底、外延层、N-埋层、N+埋层、深N阱、P阱、高压P阱、高压N阱、N+区、P+区和浅沟槽隔离区；所述P型衬底顶部设有凹槽，所述N-埋层设于凹槽内，所述N-埋层上方设有N+埋层；所述N+埋层上方设有高压P阱，所述高压P阱的外围设有深N阱，所述深N阱的外围设有高压N阱，所述高压P阱与深N阱之间、所述深N阱与高压N阱之间以及所述高压N阱的外围分别设有外延层；所述高压P阱、深N阱以及高压N阱的底部与N+埋层相接触，阱深度可到达外延层底部；所述高压P阱的顶部设有用作阳极的P+区，所述P+区两侧被P阱环绕，所述P阱的下部位于深N阱的上方，并环绕所述高压P阱，所述高压N阱的顶部设有用作阴极的N+区，所述N+区与P阱之间以及所述N+区的外围分别设有浅沟槽隔离区。

进一步地，所述N-埋层的厚度较大，N+埋层的厚度较小。

进一步地，所述P型衬底采用硅、锗硅、砷化镓、氮化镓或铟砷化镓中的任意一种半导体材料。

进一步地，所述SPAD器件形状不仅限于正方形切角，还可以制造成圆形，八边形等多种形状。

相应地，一种SPAD探测器，包括若干个上述的SPAD器件结构，若干个SPAD器件结构呈阵列分布。