[发明专利]单光子雪崩二极管和光电探测器阵列

说明书

本公开涉及单光子雪崩二极管和光电探测器阵列，该单光子雪崩二极管包括：非平面PN结；所述非平面PN结由第一类型外延层和第二类型掺杂区衔接而成；所述第一类型外延层和所述第二类型掺杂区的衔接面为非平面；其中，所述第一类型和所述第二类型分别为P型和N型中的一种。由此，通过设置单光子雪崩二极管包括非平面PN结的结构，可利用该非平面PN结增大单光子雪崩二极管的光敏区的面积，使光致电子空穴对发生雪崩击穿概率增大，光子探测效率提高；同时，利用非平面结构能够实现对多个不同角度的入射光子的吸收，也能够增大单光子雪崩二极管的光子探测效率。

技术领域

本公开涉及光电探测器件技术领域，尤其涉及一种单光子雪崩二极管和光电探测器阵列。

背景技术

单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)，是一种工作在盖革模式(工作电压大于击穿电压)下的雪崩光电二极管。因其具有高时间分辨率、高探测灵敏度和低成本等优点，广泛应用于激光雷达、医学、分子成像和量子科学等领域。SPAD的工作原理是：在盖革模式下，当SPAD吸收光子时，在雪崩区产生电子-空穴对，并在强电场作用下发生雪崩倍增效应，形成雪崩电流。

光子探测效率(Photon Detection Efficiency，PDE)指探测到的光子数量与入射光子数量的比值，用于衡量单光子雪崩二极管探测光功率的能力，是单光子雪崩二极管的一个重要特性。通过提高单光子雪崩二极管的光子探测效率，可以提供单光子雪崩二极管的性能。

通常，光敏区的面积与光子探测效率程正相关关系。通过增大光敏区的面积，能够提升光子探测效率。但是，现有的单光子雪崩二极管中，通过掺杂形成的平面PN结结构，使得单光子雪崩二极管的光敏区面积受限，无法实现较大增加；同时，基于平面PN结结构的平面型单光子雪崩二极管器件对于非垂直入射的光子的吸收较少，也导致单光子雪崩二极管的光子探测效率较低。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种能够提高光子探测效率的单光子雪崩二极管和光电探测器阵列。

第一方面，本公开提供了一种单光子雪崩二极管，包括：

非平面PN结；

所述非平面PN结由第一类型外延层和第二类型掺杂区衔接而成；

所述第一类型外延层和所述第二类型掺杂区的衔接面为非平面；

其中，所述第一类型和所述第二类型分别为P型和N型中的一种。

在一些实施例中，非平面包括半球形、椭球形、锯齿形以及波浪形中的至少一种。

在一些实施例中，在所述衔接面处，中间区域的掺杂浓度大于周边区域的掺杂浓度。

在一些实施例中，所述中间区域的掺杂浓度与所述周边区域的掺杂浓度相差1～2个数量级。

在一些实施例中，沿所述中间区域指向所述周边区域的方向，掺杂浓度逐渐减小。

在一些实施例中，还包括第二类型导电衬底；

所述第一类型外延层设置于所述第二类型导电衬底上；

所述第二类型掺杂区被所述第一类型外延层包裹；

在所述第二类型掺杂区内设置第二类型重掺杂区，所述第二类型重掺杂区连接第二电极；

在所述第一类型外延层内，环绕所述第二类型掺杂区设置第一类型重掺杂区，所述第一类型重掺杂区连接第一电极。

在一些实施例中，所述第二类型掺杂区的掺杂浓度低于所述第二类型重掺杂区的掺杂浓度。

第二方面，本公开还提供一种光电探测器阵列，包括第一方面任一种单光子雪崩二极管；