一種高集成度的單光子雪崩二極管探測(cè)器陣列單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高集成度的單光子雪崩二極管探測(cè)器陣列單元，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]單光子雪崩二極管(即:SPAD)以其雪崩增益大、響應(yīng)速度快、探測(cè)效率高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低等特點(diǎn)成為制作單光子探測(cè)器的最佳器件。陣列集成的SPAD探測(cè)器，還能夠獲得光子信號(hào)的時(shí)間和空間信息，因而在弱光信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，并逐漸成為國(guó)內(nèi)外研宄的熱點(diǎn)。
[0003]在傳統(tǒng)技術(shù)中一般采用大尺寸的單光子雪崩二極管(即:SPAD)，其有源區(qū)直徑在15μπι?30μπι之間。同時(shí)，為了減少其邊緣效應(yīng)并提高光子探測(cè)效率又引入了各種保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步增大了單光子雪崩二極管(即:SPAD)器件的面積。在0.18μπι CMOS工藝下制作的SPAD已經(jīng)超過(guò)了 30 μπιΧ30 μπι。以這樣的規(guī)模做參考，再加上要集成相應(yīng)的外圍信號(hào)處理電路，并留出足夠的面積給行列選擇輸出，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)探測(cè)器陣列的集成度不高。因此，如何在一塊單片芯片上集成包含有信號(hào)處理電路的高密度、大規(guī)模的單光子雪崩二極管(即:SPAD)陣列探測(cè)器已成為SPAD陣列探測(cè)器的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。若為了提高SPAD陣列探測(cè)器的集成度，一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是要減小SPAD器件的尺寸，提高SPAD器件在像素單元中的占空比。在SPAD器件小型化的同時(shí)還要確保其性能不受影響。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于針對(duì)傳統(tǒng)單光子雪崩二極管(即:SPAD)陣列結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，提出了一種高集成度的單光子雪崩二極管探測(cè)器陣列單元，該陣列單元是共用深η阱的新型陣列單元結(jié)構(gòu)，即:采用四個(gè)基本SPAD單元共用一個(gè)深η阱，并采用蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，能夠在不影響SPAD器件性能的前提下，縮小每個(gè)SPAD器件尺寸。該陣列單元結(jié)構(gòu)能極大得提高SPAD器件的占空比，為高密度全集成的SPAD陣列提供了可能。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是:一種高集成度的單光子雪崩二極管探測(cè)器陣列單元，該陣列單元的有源區(qū)包括P+區(qū)1、P阱2、N+區(qū)3、深η阱4、P型硅襯底5和淺溝槽隔離區(qū)6。所述的深η阱4位于P型硅襯底5內(nèi)，每個(gè)深η阱4內(nèi)有四個(gè)重?fù)诫sP+區(qū)I。每個(gè)P+區(qū)I呈正八邊形，作為SPAD器件的陽(yáng)極，其周圍被輕摻雜P阱2包裹。P阱2的外側(cè)為重?fù)诫sN+區(qū)3，作為SPAD器件的陰極。四個(gè)P+區(qū)I呈蜂窩狀排列。N+區(qū)3連接在一起形成共用的SPAD器件陰極。P+區(qū)I和N+區(qū)3之間以及深η阱4邊緣和N+區(qū)3之間設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)6。四個(gè)P+區(qū)I和N+區(qū)3之間形成四個(gè)SPAD器件，它們共同制作在同一個(gè)深η阱4內(nèi)。
[0006]本發(fā)明所述的深η阱4位于P型硅襯底5的上方，兩個(gè)重?fù)诫sP+區(qū)I位于深η阱4的頂部，構(gòu)成SPAD器件的陽(yáng)極。P+區(qū)I被輕摻雜P阱2包裹，兩個(gè)P+區(qū)I之間和2個(gè)P+區(qū)的外側(cè)各設(shè)有N+區(qū)3，N+區(qū)3位于深η阱4的頂部。P+區(qū)I和N+區(qū)3之間設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)6。兩個(gè)P+區(qū)I分別作為兩個(gè)基本SPAD器件的陽(yáng)極，N+區(qū)3作為SPAD器件公共的陰極，接同一個(gè)電位。
[0007]本發(fā)明所述的SPAD器件陽(yáng)極P+區(qū)I設(shè)計(jì)為正八邊形結(jié)構(gòu)，能夠有效地減弱邊角處電場(chǎng)的集中程度，提高擊穿電壓。P+區(qū)I被N+區(qū)3所均勻包裹，保證了每個(gè)SPAD雪崩時(shí)電場(chǎng)下的增益均勻性。每個(gè)基本SPAD采用呈蜂窩狀進(jìn)行排列，提高了電位面積的利用率。本發(fā)明器件的雪崩區(qū)由輕摻雜P阱2和深η阱4形成的PN結(jié)構(gòu)成，可以避免重?fù)诫s引起的帶-帶隧穿，減少暗計(jì)數(shù)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)在淺P+區(qū)I下擴(kuò)散一層較深的P阱2，拉低了耗盡層的位置，增加了雪崩區(qū)的深度，有助于吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子，提高光子的探測(cè)效率。P阱2和淺溝槽隔離區(qū)6之間的深η阱4構(gòu)成虛擬保護(hù)環(huán)，8卩:在雪崩擊穿區(qū)的邊緣利用輕摻雜的材料形成較寬的一層耗盡層作為保護(hù)環(huán)，可以有效地抑制耗盡層的邊緣電場(chǎng)。相鄰的兩個(gè)SPAD之間利用淺溝槽隔離區(qū)6和深η阱4進(jìn)行隔離，這樣可以有效避免和解決由于共用深η阱4結(jié)構(gòu)的引入相鄰兩個(gè)SPAD之間的串?dāng)_問(wèn)題。
[0008]有益效果:
[0009]1、本發(fā)明的器件制造成本低；制作小尺寸的SPAD器件更有利于降低器件制造的成本。
[0010]2、本發(fā)明的芯片利用率高；蜂窩狀的陣列結(jié)構(gòu)排列更加緊密，有助于提高芯片的利用率。
[0011]3、本發(fā)明的探測(cè)精度高；單個(gè)SPAD的面積若變小了，在有限大小的芯片上，能夠排列更多數(shù)目的SPAD，從而大大提高了器件的探測(cè)精度。
[0012]4、本發(fā)明的集成度高；共用深η阱和共用陰極的結(jié)構(gòu)可以有效地減小SPAD器件的面積，在不影響SPAD器件性能的前提下，能大幅度提高SPAD成像器件的集成度。為大規(guī)模高密度陣列的設(shè)計(jì)提供可能。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明單光子雪崩二極管陣列單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]標(biāo)識(shí)說(shuō)明:1-Ρ+區(qū)；2-ρ阱；3-Ν+區(qū)；4_深η阱；5_Ρ型硅襯底；6_淺溝槽隔離區(qū)。
[0015]圖2為單光子雪崩二極管陣列單元的橫截面示意圖。
[0016]標(biāo)識(shí)說(shuō)明:1-Ρ+區(qū)；2-ρ阱；3-Ν+區(qū)；4_深η阱；5_Ρ型硅襯底；6_淺溝槽隔離區(qū)。
[0017]圖3為單光子雪崩二極管陣列單元進(jìn)行蜂窩狀排列后的4X4陣列示意圖。
[0018]標(biāo)識(shí)說(shuō)明:5-Ρ型硅襯底；7_SPAD陣列單元；8_淬滅電路。
[0019]圖4為按照?qǐng)D2陣列單元仿真得到的二維工藝仿真結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖5為按照?qǐng)D4結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維器件仿真得到的電流-電壓特性曲線。
[0021]圖6為按照?qǐng)D4結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維器件仿真得到的電場(chǎng)分布圖。
[0022]圖7為按照?qǐng)D1所示單光子雪崩二極管陣列單元設(shè)計(jì)得到的陣列版圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明提出了一種高集成度的單光子雪崩二極管探測(cè)器陣列單元，該陣列單元的有源區(qū)包括P+區(qū)1、P阱2、N+區(qū)3、深η阱4、P型硅襯底5和淺溝槽隔離區(qū)
6。所述的深η阱4位于P型硅襯底5內(nèi)，每個(gè)深η阱4內(nèi)有4個(gè)重?fù)诫sP+區(qū)I。每個(gè)P+區(qū)I呈正八邊形，作為SPAD器件的陽(yáng)極，其周圍被輕摻雜P阱2包裹。P阱2的外側(cè)為重?fù)诫sN+區(qū)3，作為SPAD器件的陰極。四個(gè)P+區(qū)I呈蜂窩狀排列。N+區(qū)3連接在一起形成共用的SPAD器件陰極。P+區(qū)I和N+區(qū)3之間以及深η阱4邊緣和N+區(qū)3之間設(shè)有淺溝槽隔離區(qū)6。四個(gè)P+區(qū)I和N+區(qū)3之間形成四個(gè)SPAD器件，它們共同制作在同一個(gè)深η阱4內(nèi)。
[0025]如圖1所示的SPAD陣列單元沿著ΑΑ’或ΒΒ’方向的橫截面如圖2所示。深η阱4位于P型硅襯底5的上方，