[发明专利]一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管及其制作方法

说明书

本发明提供了一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管及其制作方法，二极管的雪崩区由中心深N阱401和深P阱5构成，可以形成较宽的雪崩倍增区，可以有效提高短波近红外波段的光子吸收，增大光谱响应，SPAD的保护环由未掺杂的P衬底构成虚拟保护环。由深P阱与保护环构成6构成的附加结电场小于雪崩区电场，可实现平整倍增主结区边缘电场，提高光子探测效率。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管及其制作方法。

背景技术

单光子探测技术在国防军事、科学研究及民用生活等范畴具有广泛的应用前景,例如量子通信中的密钥分配、天文学中的激光测距以及医学中的荧光寿命成像等。单光子雪崩二极管(SPADs)器件凭借其高速、优越的时间分辨率及卓越的光学灵敏度特性，能对单光子量级的微弱光信号进行有效探测，成为制作单光子探测器的理想器件。

传统的单光子雪崩二极管由P+N突变结形成，一般为浅结，倍增区比较浅，并且厚度较薄，一般只有在较短的波段(450-600nm)具有较高的探测效率，在其它波段探测效率大幅下降。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管及其制作方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供一种硅基短波近红外单光子雪崩二极管包括：P型衬底1、P型外延层2、N型埋层3、中心深N阱401、外侧深N阱402、深P阱5、虚拟外延保护环6、中心P阱701、衬底P阱702、阳极P+层11、N+层9、浅槽隔离层10、衬底P+层8、阳极电极12、阴极电极13以及衬底电极14，所述P型衬底1位于所述P型外延层2底部，与所述P型外延层2相接触，所述N型埋层3在垂直方向上位于P型衬底1之上，位于衬底1及P型外延层2交界位置，所述中心深N阱401位于所述N型埋层3的中间位置，所述外侧深N阱402位于所述N型埋层3两侧，所述N型埋层3包围所述外侧深N阱402，其外径略小于所述外侧深N阱402的外径，两者外径差距在预设范围内，所述深P阱5位于所述中心深N阱401之上，所述外侧深N阱402包围所述深P阱5，所述外侧深N阱402与深P阱5中间未填充的区域为虚拟外延保护环6，所述中心P阱701位于所述深P阱5上方，在所述中心P阱701垂直方向上位设置有阳极P+层11，所述中心P阱701与阳极P+层11中心重合，外径一致，所述深P阱5与所述中心P阱701、阳极P+层11的中心重合，所述外侧P阱702包围外侧深N阱402，所述N+层9与中心深N阱402中心重合，所述N+层9与所述阳极P+层11中间填充有浅槽隔离层10，所述阳极P+层11位于所述中心P阱701中间位置，所述阳极电极12位于所述阳极P+层11边缘，在垂直方向上与所述阳极P+层11上端面接触，所述阴极电极13位于所述N+层9垂直方向上的中心位置，与所述N+层9上端面接触，所述衬底电极14位于衬底P+层8垂直方向上的中心位置，与所述衬底P+层8上端面接触，所述阳极P+层11内端面与中心P阱701接触，外端面与阳极电极12的内端面接触，所述N+层9内端面与外侧深N阱402接触，外端面与阴极电极13的内端面接触，所述衬底P+层8内端面与外侧P阱702接触，外端面与衬底电极14的内端面接触。

可选的，所述中心深N阱401、所述中心P阱701、深P阱5、N型埋层3以及阳极P+层11的形状为圆形、矩形、圆角矩形或正多边形，外侧深N阱402、虚拟外延保护环6、衬底P阱702、N+层9、浅槽隔离层10、衬底P+层8、阳极电极12、阴极电极13以及衬底电极14的形状为圆环、矩形环、圆角矩形环或者正多边形环。

可选的，所述深P阱5的外径略大于所述中心P阱701的外径以及所述中心N阱401外径。

可选的，所述衬底P+层11与所述阳极P+层8在同种工艺中掺杂浓度和结深度一致，所述中心P阱701与所述衬底P阱702在同种工艺中掺杂浓度和结深度一致，所述中心深N阱401与所述外侧深N阱402在同种工艺中掺杂浓度和结深度一致。