[發明專利]一種單光子雪崩二極管探測器結構及其制造方法

有效

• 申請號: 201711446764.3
• 申請日: 2017-12-27
• 公開（公告）號: CN108231947B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 楊冰;周偉;孫德明
• 申請（專利權）人: 上海集成電路研發中心有限公司;成都微光集電科技有限公司
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/18
• 代理公司: 31275 上海天辰知識產權代理事務所(特殊普通合伙)
• 代理人: 吳世華;陳慧弘

本發明公開了一種單光子雪崩二極管探測器結構，包括：P型硅襯底；形成于P型硅襯底中的深N阱和深P阱，形成于深N阱和深P阱之間的第一深溝槽；形成于深N阱中的N⁺區域和P⁺區域，圍繞倍增區域形成有第二深溝槽、N阱區域；N阱區域中形成有雪崩二極管的陽極引出端，P⁺區域中形成有雪崩二極管的陰極引出端；深P阱中形成有P阱區域，P阱區域中形成有襯底引出端；深N阱和深P阱表面覆蓋有保護層。本發明結構簡單，沿結深垂直方向只有兩個PN結，并采用深溝槽結構進行隔離，既能提高雪崩二極管抗邊緣擊穿能力，也可提高單光子雪崩二極管的工作電壓，從而提高光子探測效率。本發明還公開了上述單光子雪崩二極管探測器結構的制造方法。

技術領域

本發明涉及探測器技術領域，更具體地，涉及一種單光子雪崩二極管探測器結構及其制造方法。

背景技術

單光子探測是一種極微弱光的探測方法，它所探測到的光的光電流強度比光電檢測器本身在室溫下的熱噪聲水平(10-14W)還要低，用通常的直流檢測方法不能把這種湮沒在噪聲中的信號提取出來。單光子探測在高分辨率的光譜測量、非破壞性物質分析、高速現象檢測、精密分析、大氣測污、生物發光、放射探測、高能物理、天文測光、光時域反射、量子密鑰分發系統等領域有著廣泛的應用。

目前應用于單光子探測的器件主要有：光電倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)、雪崩二極管(Avalanche Photoelectric Diode，APD)、超導單光子探測器(Superconducting Single Photo Detectors，SSPD)和超導轉換邊緣傳感器(Superconducting Transition Edge Sensor，STES)等。

光電倍增管(PMT)是利用外光電效應來探測光信號的電真空器件。光電倍增管具有高增益、低噪聲功率和低暗電流等優點；但其存在體積大、反向偏壓高，抗外磁場能力差、使用維護復雜等缺點，這極大地限制了它的應用。

雪崩二極管(APD)是一種利用內光電效應基礎上的光電器件。雪崩光電二極管具有內部增益和放大的作用，一個光子可以產生10～100對光生電子空穴對，從而能夠在器件內部產生很大的增益。雪崩二極管具有高探測靈敏度、高響應速度、高增益系數、對電離輻射和磁場不敏感、暗電流低、體積小、結構簡單等優點。

超導單光子探測器(SSPD)是一種基于氮化鈮(NbN)的超導體單光子探測技術。他的優點是超快速響應和幾乎可以忽略的暗計數率，但它存在的低的量子效率(目前只有5％～10％左右，而PMT量子效率為30％，Si-APD量子效率為60％～80％，STES量子效率為90％以上)，價格昂貴，使用維護復雜，抗干擾能力差等缺點，使其在實際應用中受到了很大的限制。

超導轉換邊緣傳感器(SETS)是采用超導材料作為光敏層，進行單光子探測的器件。它有著很高的量子效率和極低的暗計數率。但由于目前超導材料超導態與正常態之間轉換的時間太長，導致傳感器重復工作頻率只有20KHz左右(PMT工作頻率可達到1MHz，Si-APD工作頻率可達到1MHz，SSPD工作頻率可達到1000MHz)，極低的工作頻率是STES目前無法得到廣泛應用的主要原因。

單光子探測技術經過多年的發展，雪崩二極管由于具有高探測靈敏度、高響應速度、高增益系數、對電離輻射和磁場不敏感、暗電流低、體積小、結構簡單等優點而得到廣泛應用。