[发明专利]一种P阱/逆掺杂深N阱的CMOS SPAD光电器件

说明书

本发明请求保护一种P阱/逆掺杂深N阱的CMOS SPAD光电器件，该器件为P+/P阱/逆掺杂深N阱/P衬底的平面结构，与常规的SPAD器件相比，在暗计数率和光子探测效率这两方面都有所提高。该器件采用的并不是传统的P+层作为阳极，而是用P阱层作为阳极；P阱和逆掺杂深N阱的接触处构成器件的主要工作区域用于探测光子；与此同时逆掺杂深N阱作为器件的虚拟保护环和光子吸收区。其次，逆掺杂深N阱作为器件的主要光子吸收区，使得大多数入射光子能够被器件所利用形成光电流，从而提高器件的光子探测效率。本文从改变器件PN结类型和增加器件光子吸收区厚度两方面入手来设计一种低暗计数率、高光子探测效率的单光子雪崩二极管。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体为单光子探测技术领域，涉及到APD 光电器件的结构设计，尤其涉及一种具有P阱/逆掺杂深N阱的新结构CMOS SPAD 光电器件的设计。

背景技术

单光子雪崩二极管是一种工作在雪崩击穿电压之上的PN结，在这种工作模式下，电子-空穴对受到空间电荷区域内高电场的作用而发生碰撞电离，从而在器件的输出端口形成可检测的电流脉冲信号。正是由于这一特性，单光子雪崩二极管被广泛地应用于3D成像、生物光子学、荧光寿命成像等技术领域。

CMOSSPAD通常采用专用CMOS工艺设计及制造，以实现良好控制的特性，例如结深度，击穿电压，定时分辨率和光子探测效率。也有采用标准CMOS工艺进行设计的，不过受到的约束条件较多，只是设计及制作成本可大幅降低。另一方面，对于特定应用的读出电路通常采用更传统的集成电路工艺设计及制造。近年来，为了在同一衬底上实现这些功能(即SPAD探测器和读出电路)，一些学者提出了SPAD器件与读出电路进行单片集成的设计方案。虽然CMOS SPAD主要降低了高灵敏光子探测的成本，但一个值得注意的优点是它们将允许系统进一步的小型化。例如，研究人员目前正在开发用于远程检测或即时使用的便携式生物传感器。为了使这些微型系统成为现实，在CMOS SPAD的设计中必须克服几个障碍。例如，PN结边缘处电场值过大会引发过早击穿；在CMOS技术中，由掺杂原子的高能注入以及表面处的悬空键引起的受损晶格位点都引入了缺陷 (陷阱)，增加了暗计数发生的概率。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高器件对入射光子的利用率、降低了器件的暗计数率同时还提高了器件的光子探测效率的P阱/逆掺杂深N阱的CMOSSPAD光电器件。本发明的技术方案如下：

一种P阱/逆掺杂深N阱的CMOS SPAD光电器件，包括：P型衬底、P阱层、 P+、N阱、雪崩区、深N阱，所述P型衬底设置在底面上，所述P型衬底从上至上设置有深N阱、雪崩区、P阱及P+，所述N阱左右对称的设置在深N阱上，所述P阱层作为阳极，N阱作为阴极，所述深N阱是逆掺杂深N阱，所述P阱层与逆掺杂深N阱构成器件的PN结即雪崩结，光生载流子雪崩结区域内受到强电场的作用而发生碰撞电离，载流子成倍地增加，从而在器件输出端口形成一个可见电流脉冲信号。逆掺杂深N阱在PN结边缘提供一个虚拟保护环。

进一步的，所述逆掺杂深N阱两侧都是轻掺杂，即离器件表面越近深N阱的掺杂浓度越低，离器件表面越远深N阱的掺杂浓度越高，即在PN结边缘形成一个虚拟保护环。

进一步的，所述逆掺杂深N阱还设置了一个厚度范围为2.5um-4um的光子吸收区，使得大多数光子能够被P阱/逆掺杂深N阱结所利用形成光电流，只有一少部分光子会穿透深N阱被P衬底所吸收。

进一步的，所述P+层的浓度、厚度、P阱的浓度、厚度以及逆掺杂深N阱的厚度是可调的，通过工艺调节P阱的浓度、厚度、逆掺杂深N阱的厚度得到最优的暗计数特性曲线和光子探测效率特性曲线。

本发明的优点及有益效果如下：