[發明專利]一種基于CMOS圖像傳感器工藝的NP型單光子雪崩二極管

有效

• 申請號: 201410846149.1
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN105810775B
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發明（設計）人: 金湘亮;楊紅姣
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/0352
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于CMOS圖像傳感器工藝的NP型單光子雪崩二極管的結構。

背景技術

單光子探測是一種極微弱光的探測方法，被廣泛應用在天文學、生物化學和醫學診斷等領域中。由于單個光子的能量極低，用通常的檢測方法很難直接把這種微弱的信號提取出來。要想觀測到物質吸收單個光子后所引起的變化，必須存在相關的放大機制。利用光電效應原理，可以采用基于光電倍增管（PMT）和雪崩光電二極管的單光子探測器。

早期的單光子探測采用光電倍增管的方法。PMT作為單光子探測器具有高增益、光敏面大和暗計數低的優點，但是它需要工作在高電壓下（通常在800到1500V之間），不能與信號處理電路進行集成，且容易受到磁場的影響。

雪崩光電二極管是一種建立在內光電效應基礎上的光電器件。雪崩光電二極管工作在反向偏壓下，反向偏壓越高，耗盡層中的電場強度也就越大。在單光子探測中，APD工作在蓋革模式下，反向偏置電壓大于其雪崩擊穿電壓，因此它也被稱為蓋革模式雪崩光電二極管或者單光子雪崩二極管（SPAD）。SPAD具有單光子探測靈敏度、皮秒量級響應速度、增益系數高、對電離輻射和磁場不敏感、工作電壓低、暗電流低、體積小、功耗低、過剩噪聲小、結構緊湊、集成化高等優點，在光場探測、光子學、激光測距等領域得到了廣泛的應用和關注。

對于CMOS SPAD器件說，它主要有兩種結構：一種是PN型，另一種是NP型。PN型SPAD是在P型襯底上制作N阱，然后在N阱里制作重摻雜P型區，由N阱和P+構成PN結，形成倍增區。NP型的SPAD是在P型襯底上注入N阱，由P型襯底和N阱構成PN結，形成倍增區。對于PN型的SPAD，短波長的光觸發雪崩的概率要大，長波長的光觸發雪崩的概率要小，因此PN型SPAD對藍光比較敏感；同時，SiO₂與Si界面的缺陷捕獲電子而產生空穴，即使在外加反向偏置電壓的情況下，這些空穴不會進入倍增區而觸發雪崩。而NP型SPAD對綠光比較敏感；NP型SPAD可以使用重摻雜N區域和P襯底構成，其耗盡層相對較寬，可以獲得較大的探測效率；但是由于SiO₂與Si界面的缺陷會捕獲電子，從而在界面產生空穴，這些空穴在外加反向偏壓的作用下向P型區域運動；當反偏電壓大于擊穿電壓時，運動的空穴會觸發雪崩，從而使器件的暗計數增大?；跇藴蔆MOS工藝研究單光子光電探測器件方面已經開展了很多的工作。傳統的CMOS單光子雪崩二極管使用P+/Nwell結來實現，NP型單光子雪崩二極管的應用由于較差的噪聲特性而受到限制。

發明內容

針對以上現有技術中的不足，本發明提出一種基于CMOS圖像傳感器工藝的NP型單光子雪崩二極管(SPAD)，其基本結構包括：P型硅襯底（100）上方設有深N阱（200）；P阱（301）形成于深N阱（200）上方并與深N阱（200）接觸；P阱（301）的周圍設有輕摻雜的保護環（401，402）；N+區域（601，602）形成于P阱（301）上方，并與輕摻雜的保護環（401，402）有一定的重疊；N+區域（601，602）和輕摻雜的保護環（401，402）的上方設有重摻雜的P型區域（801，802，803），覆蓋了除陰極接觸和陽極接觸以外的整個（601，602）和（401，402）的表面；輕摻雜的保護環（401，402）周圍設有P阱（302，303），P阱區域（302，303）通過P+區域（502，503）引出襯底電極；重摻雜的P型區域（801，802，803）與P阱（302，303）連起來，具有相同的電勢；P+區域（502，503）與重摻雜的P型區域（801，802，803）之間設置有淺結隔離STI（702，703）；STI（702，703）與重摻雜的P型區域（801，802，803）之間設有一定的距離。N+區域（601，602）的底部與P阱（301）的頂部之間形成PN結（11），并通過N+區域（601）和P+區域（501）引出陰極電極和陽極電極。

本發明的技術效果在于：

1）本發明的單光子雪崩二極管，結構簡單，在蓋革模式下發生雪崩擊穿，可以實現單光子的探測。

2）本發明的單光子雪崩二極管沿結深方向有四個PN結，通過加合適的偏置電壓，使結（11）工作在蓋革模式，其他三個PN結都處于反向偏置狀態，可以提高器件的時間分辨率；若使結（12）工作在蓋革模式，則可以增強器件對藍光的響應。

3）本發明的單光子雪崩二極管，通過在N+區域表面制作重摻雜的P型區域，可以減小NP型SPAD器件的界面缺陷引起的暗計數，改善器件的噪聲特性。