[發明專利]可降低電學串擾的單光子探測器陣列及制備方法

有效

• 申請號: 201910197797.1
• 申請日: 2019-03-15
• 公開（公告）號: CN109935639B
• 公開（公告）日: 2021-01-08
• 發明（設計）人: 劉凱寶;楊曉紅;王暉;何婷婷;李志鵬
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L31/0216
• 分類號: H01L31/0216;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 劉歌

一種可降低電學串擾的單光子探測器陣列及制備方法。該單光子探測器陣列包括外延片和形成在外延片正面上的鈍化層；其中，鈍化層上設有若干像元P電極窗口和若干隔離區電極窗口，所述隔離區電極窗口位于相鄰的兩個所述像元P電極窗口之間；每個像元P電極窗口內均設有像元P電極，每個隔離區電極窗口內均設有隔離區電極；外延片上與所述鈍化層相鄰一側形成有有源擴散區和擴散隔離區，其中有源擴散區與像元P電極相鄰，擴散隔離區與隔離區電極相鄰。本發明的單光子探測器陣列可有效實現對近紅外波段微弱光的探測，降低SPAD陣列像元之間的串擾，可完全避免電學串擾，實現SPAD陣列像元之間的高度隔離。

技術領域

本發明涉及單光子探測器陣列的設計與制備技術領域，具體涉及一種單光子探測器陣列及其制備方法。

背景技術

針對近紅外弱光探測領域，利用內光電效應進行單光子探測的雪崩光電二極管具有量子效率高、響應速度快、體積小、功耗低等特點，在制作單光子探測器陣列方面比光電倍增管(Photomultiplier tube，PMT)更具優勢。近年來單光子雪崩光電二極管(SPAD)的設計水平和制造工藝發展非常迅速，同時，先進的專用集成電路技術(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)和高效的數字讀出方式的出現也使得SPAD陣列的讀出電路變得簡單可靠，并最終具備了進入實用階段的條件。SPAD陣列除了兼具單光子信號探測和皮秒量級的時間分辨率這兩大優點，還可以在探測光子信號的同時獲得其時間和空間信息，實現對目標的三維成像探測。目前的實驗室研究中，已經實現的集成度最高的探測陣列是128X128的規模。為了追求大的填充因子，相鄰SPAD陣列像元之間的距離很小，SPAD陣列像元雪崩產生大量載流子容易通過擴散的方式進入相鄰探測SPAD陣列像元，從而引發較大電學串擾。隨著陣列填充因子的增大，這種串擾成為誤計數的重要來源。

因此解決SPAD陣列像元之間的電學串擾問題，成為進一步提高SPAD陣列集成度，增大填充因子提高成像質量的關鍵。

發明內容

有鑒于此，本發明的主要目的之一在于提出一種近紅外單光子探測器陣列，以期至少部分地解決上述技術問題中的至少之一。

為了實現上述目的，作為本發明的一個方面，提供了一種單光子探測器陣列，其特征在于，包括外延片和形成在外延片正面上的鈍化層2；其中，

所述鈍化層2上設有若干像元P電極窗口201和若干隔離區電極窗口203，所述隔離區電極窗口203位于相鄰的兩個所述像元P電極窗口201之間；每個像元P電極窗口201內均設有像元P電極202，每個隔離區電極窗口203內均設有隔離區電極204；

所述外延片上與所述鈍化層2相鄰一側形成有有源擴散區302和擴散隔離區304，其中所述有源擴散區302與所述像元P電極202相鄰，所述擴散隔離區304與所述隔離區電極204相鄰；

所述外延片背面設有N電極4和透光裝置。

作為本發明的另一個方面，還提供了一種如上所述的單光子探測器陣列的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)生長外延片；

2)在外延片正面根據仿真軟件預先對像元的電學性能進行的模擬結果來生長擴散掩膜3，并開出像元擴散窗口301和擴散隔離區窗口303，形成有源擴散區302和擴散隔離區304；

3)去掉步驟2)中的擴散掩膜3，生長鈍化層2并在鈍化層2上開像元P電極窗口201和隔離區電極窗口203，在像元P電極窗口201內設置像元P電極202，在隔離區電極窗口203內設置隔離區電極204；

4)在外延片背面設置透光裝置和N電極4。

作為本發明的再一個方面，還提供了一種三維光電子計數成像設備，內含有如上所述的單光子探測器陣列，或者如上所述的制備方法獲得的單光子探測器陣列。