[發明專利]單光子雪崩二極管和光電探測器陣列

在審

• 申請號: 202111509995.0
• 申請日: 2021-12-10
• 公開（公告）號: CN114203852A
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 馬靜;蘭瀟健;劉超暉;馬四光
• 申請（專利權）人: 季華實驗室
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/0288
• 代理公司: 北京開陽星知識產權代理有限公司 11710
• 代理人: 姚金金

本公開涉及單光子雪崩二極管和光電探測器陣列，該單光子雪崩二極管包括：非平面PN結；所述非平面PN結由第一類型外延層和第二類型摻雜區銜接而成；所述第一類型外延層和所述第二類型摻雜區的銜接面為非平面；其中，所述第一類型和所述第二類型分別為P型和N型中的一種。由此，通過設置單光子雪崩二極管包括非平面PN結的結構，可利用該非平面PN結增大單光子雪崩二極管的光敏區的面積，使光致電子空穴對發生雪崩擊穿概率增大，光子探測效率提高；同時，利用非平面結構能夠實現對多個不同角度的入射光子的吸收，也能夠增大單光子雪崩二極管的光子探測效率。

技術領域

本公開涉及光電探測器件技術領域，尤其涉及一種單光子雪崩二極管和光電探測器陣列。

背景技術

單光子雪崩二極管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)，是一種工作在蓋革模式(工作電壓大于擊穿電壓)下的雪崩光電二極管。因其具有高時間分辨率、高探測靈敏度和低成本等優點，廣泛應用于激光雷達、醫學、分子成像和量子科學等領域。SPAD的工作原理是：在蓋革模式下，當SPAD吸收光子時，在雪崩區產生電子-空穴對，并在強電場作用下發生雪崩倍增效應，形成雪崩電流。

光子探測效率(Photon Detection Efficiency，PDE)指探測到的光子數量與入射光子數量的比值，用于衡量單光子雪崩二極管探測光功率的能力，是單光子雪崩二極管的一個重要特性。通過提高單光子雪崩二極管的光子探測效率，可以提供單光子雪崩二極管的性能。

通常，光敏區的面積與光子探測效率程正相關關系。通過增大光敏區的面積，能夠提升光子探測效率。但是，現有的單光子雪崩二極管中，通過摻雜形成的平面PN結結構，使得單光子雪崩二極管的光敏區面積受限，無法實現較大增加；同時，基于平面PN結結構的平面型單光子雪崩二極管器件對于非垂直入射的光子的吸收較少，也導致單光子雪崩二極管的光子探測效率較低。

發明內容

為了解決上述技術問題或者至少部分地解決上述技術問題，本公開提供了一種能夠提高光子探測效率的單光子雪崩二極管和光電探測器陣列。

第一方面，本公開提供了一種單光子雪崩二極管，包括：

非平面PN結；

所述非平面PN結由第一類型外延層和第二類型摻雜區銜接而成；

所述第一類型外延層和所述第二類型摻雜區的銜接面為非平面；

其中，所述第一類型和所述第二類型分別為P型和N型中的一種。

在一些實施例中，非平面包括半球形、橢球形、鋸齒形以及波浪形中的至少一種。

在一些實施例中，在所述銜接面處，中間區域的摻雜濃度大于周邊區域的摻雜濃度。

在一些實施例中，所述中間區域的摻雜濃度與所述周邊區域的摻雜濃度相差1～2個數量級。

在一些實施例中，沿所述中間區域指向所述周邊區域的方向，摻雜濃度逐漸減小。

在一些實施例中，還包括第二類型導電襯底；

所述第一類型外延層設置于所述第二類型導電襯底上；

所述第二類型摻雜區被所述第一類型外延層包裹；

在所述第二類型摻雜區內設置第二類型重摻雜區，所述第二類型重摻雜區連接第二電極；

在所述第一類型外延層內，環繞所述第二類型摻雜區設置第一類型重摻雜區，所述第一類型重摻雜區連接第一電極。

在一些實施例中，所述第二類型摻雜區的摻雜濃度低于所述第二類型重摻雜區的摻雜濃度。

第二方面，本公開還提供一種光電探測器陣列，包括第一方面任一種單光子雪崩二極管；