[發(fā)明專利]非接觸式保護(hù)環(huán)單光子雪崩二極管及制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711173696.8
• 申請(qǐng)日: 2017-11-22
• 公開（公告）號(hào): CN108039390A
• 公開（公告）日: 2018-05-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝生;吳佳駿;毛陸虹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L31/107
• 分類號(hào): H01L31/107;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 李林娟

本發(fā)明公開了一種非接觸式保護(hù)環(huán)單光子雪崩二極管及制備方法，由P+/深N阱組成的感光PN結(jié)、和環(huán)狀的P阱保護(hù)環(huán)組成，兩者相隔一定間距，并利用P阱在感光PN結(jié)周圍形成保護(hù)環(huán)抑制邊緣擊穿；P阱保護(hù)環(huán)起到分壓器的作用，抑制感光區(qū)域邊緣電場的增加；利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在P型輕摻雜硅襯底上形成輕摻雜的深N阱，以實(shí)現(xiàn)與其它電子器件的電學(xué)隔離，避免其相互影響；光刻出陰極、陽極和襯底的接觸通孔，并淀積一層鋁膜之后光刻出電極圖形；利用光刻、刻蝕及金屬化工藝制備高層互連金屬，用于將SPAD的電信號(hào)引出至接觸焊盤；在芯片上表面順序淀積氧化硅/氮化硅鈍化層，防止芯片劃傷和外界環(huán)境影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電檢測以及光電傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種與標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)工藝相兼容的單光子雪崩二極管(SPAD)結(jié)構(gòu)，以及利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的氧化、光刻、刻蝕、離子注入、金屬化等工藝實(shí)現(xiàn)的制備方法。

背景技術(shù)

作為一種極微弱光檢測技術(shù)，單光子探測由于具有巨大科研價(jià)值和戰(zhàn)略地位成為近年國際研究最活躍的領(lǐng)域之一，其在量子通信、天文測光、醫(yī)學(xué)成像和雷達(dá)探測等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，單光子探測器作為該技術(shù)的核心部分，決定了整個(gè)單光子探測系統(tǒng)的性能上限，因而設(shè)計(jì)高效、可靠的單光子探測器是單光子探測技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。

經(jīng)過多年的努力，科研人員已經(jīng)研制出多種類型的單光子探測器，其中以光電倍增管(PMT)和雪崩二極管(APD)最為典型。由于光電倍增管需要較高的工作電壓(800～1500V)，且容易受到外界磁場的影響，體積也比較笨重，因而無法大規(guī)模集成。雪崩二極管是一種建立在內(nèi)光電效應(yīng)基礎(chǔ)上的光電器件，工作于蓋革模式的雪崩二極管具有極高的增益，同樣可以實(shí)現(xiàn)單光子探測，并且具有靈敏度高、皮秒量級(jí)響應(yīng)速度、工作電壓低、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，工作在這種工作模式的APD被稱為單光子雪崩二極管(SPAD)。此外，平面結(jié)構(gòu)的SPAD可以與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝相兼容，采用CMOS的工藝設(shè)計(jì)規(guī)則來研制SPAD，可以使探測器向低成本、小型化、高集成度、高探測效率的方向發(fā)展。

邊緣擊穿問題是影響SPAD性能和壽命的一個(gè)重要因素。現(xiàn)有技術(shù)中期望SPAD器件在整個(gè)感光平面都具有一個(gè)均勻的電場以保證可靠的探測單光子信號(hào)。但是由于平面形SPAD存在邊緣曲率效應(yīng)，電場會(huì)在邊緣曲率較小的區(qū)域匯聚，使得器件的內(nèi)建電場尚未完全建立就提前發(fā)生擊穿。邊緣擊穿會(huì)使器件噪聲增加、探測效率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至不能正常工作。為了抑制邊緣擊穿，研究人員已經(jīng)提出了若干種不同的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，例如P阱保護(hù)環(huán)、N阱保護(hù)環(huán)和STI保護(hù)環(huán)。但是隨著CMOS工藝向深亞微米方向發(fā)展，這些保護(hù)環(huán)都開始顯露弊端：隨著器件尺寸的縮小，接觸式的P阱保護(hù)環(huán)出現(xiàn)了耗盡現(xiàn)象，可能使保護(hù)環(huán)失效；工藝中摻雜濃度的提高和熱預(yù)算的不足使N阱保護(hù)環(huán)出現(xiàn)了隧穿現(xiàn)象，降低了器件的可靠性；STI保護(hù)環(huán)則由于大量的界面缺陷，極大地增加了器件噪聲。此外，上述保護(hù)環(huán)的核心思想都是減小邊緣區(qū)域的電場強(qiáng)度或提高中心區(qū)域的擊穿電壓。由于雪崩電場集中在器件中心，感光區(qū)域均小于實(shí)際器件的有源區(qū)，若光子入射到光學(xué)窗口邊緣，則很難觸發(fā)雪崩，因而降低了器件的光子探測效率。綜上所述，目前迫切需要一種新的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)來解決這些問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了抑制SPAD邊緣擊穿效應(yīng)，同時(shí)提高器件感光面積，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種使用非接觸式保護(hù)環(huán)的新型SPAD結(jié)構(gòu)，并提出了基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的制備方案，結(jié)構(gòu)對(duì)于改善SPAD探測性能具有重要意義，詳見下文描述：

一種非接觸式保護(hù)環(huán)單光子雪崩二極管，所述非接觸式保護(hù)環(huán)單光子雪崩二極管與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，包括：襯底，

在襯底上設(shè)置有深N阱區(qū)，作為感光PN結(jié)的組成部分，也起到隔離作用；在深N阱區(qū)內(nèi)分別設(shè)置N阱區(qū)域、P阱區(qū)域和重?fù)诫sP型區(qū)域，N阱區(qū)域用于包圍深N阱；P阱區(qū)域用于作為單光子雪崩二極管的保護(hù)環(huán)；重?fù)诫sP型區(qū)域與深N阱區(qū)共同構(gòu)成P+/深N阱型感光PN結(jié)，PN結(jié)的耗盡區(qū)為雪崩倍增的主要發(fā)生區(qū)，同時(shí)重?fù)诫s的P型區(qū)域也作為光電探測器的陽極接觸區(qū)；