單光子雪崩光電二極管及其制作方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了單光子雪崩光電二極管及其制作方法。現(xiàn)有單光子雪崩二極管的保護(hù)環(huán)能夠承受的最大偏置電壓過(guò)低。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)單光子雪崩光電二極管的制作方法：硅基上均勻摻雜p?襯底，p?襯底的中心摻雜深n阱層；深n阱層外端摻雜第一p+型半導(dǎo)體層，第一p+型半導(dǎo)體層外側(cè)摻雜p?阱層；p?阱層外周摻雜p?型半導(dǎo)體層；p?型半導(dǎo)體層外周摻雜n+型半導(dǎo)體層，n+型半導(dǎo)體層外周摻雜第二p+型半導(dǎo)體層；第一p+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層外端均設(shè)置陽(yáng)極電極，n+型半導(dǎo)體層外端設(shè)置陰極電極。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)使雪崩光電二極管能夠承受的最大反向偏置電壓達(dá)到30.51V。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)屬于單光子探測(cè)
，具體涉及單光子雪崩光電二極管及其制作方法。
技術(shù)介紹
單光子探測(cè)技術(shù)是一種極微光探測(cè)傳感技術(shù)，在生物發(fā)光、量子通信、大氣污染檢測(cè)、放射探測(cè)、天文研究、高靈敏度傳感器等領(lǐng)域有著比較廣泛的應(yīng)用。單光子探測(cè)技術(shù)采用的光電接收器件主要有光電倍增管(PTM)、單光子雪崩二極管(APD)。在采用單光子雪崩光電二極管的單光子探測(cè)系統(tǒng)中，邊緣效應(yīng)是影響雪崩光電二極管進(jìn)行單光子探測(cè)關(guān)鍵性因素，而保護(hù)環(huán)是避免邊緣效應(yīng)的重要手段。因此，如何避免雪崩光電二極管的邊緣效應(yīng)，防止邊緣過(guò)早擊穿具有重要的意義和使用價(jià)值。目前也有其它結(jié)構(gòu)的保護(hù)環(huán)被用來(lái)避免雪崩光電二極管的邊緣效應(yīng)，防止邊緣過(guò)早擊穿，但是其它結(jié)構(gòu)的保護(hù)環(huán)能夠承受的最大偏置電壓過(guò)低，在過(guò)高的反向偏置電壓下，容易發(fā)生邊緣過(guò)早擊穿的現(xiàn)象。這對(duì)一些反向偏置電壓擺幅過(guò)大的單光子探測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在高的偏置電壓下邊緣會(huì)發(fā)生邊緣效應(yīng)，從而影響雪崩光電二極管進(jìn)行正常的光電探測(cè)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于針對(duì)現(xiàn)有單光子雪崩二極管的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)存在的不足，提出一種單光子雪崩光電二極管及其制作方法，該單光子雪崩光電二極管的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)可避免雪崩光電二極管的邊緣效應(yīng)，防止邊緣過(guò)早擊穿，增加雪崩二極管能夠承受的最大反向偏置電壓。本專(zhuān)利技術(shù)單光子雪崩光電二極管，包括深n阱層、p-襯底層、第一p+型半導(dǎo)體層、p-阱層、p-型半導(dǎo)體層、二氧化硅層、陽(yáng)極電極和陰極電極、n+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層；所述的p-阱層、p-型半導(dǎo)體層、陽(yáng)極電極、陰極電極、n+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層均為圓環(huán)形。深n阱層位于p-襯底層的中心摻雜區(qū)；p-阱層、p-型半導(dǎo)體層和n+型半導(dǎo)體層均位于深n阱層的外端面摻雜區(qū)，且p-型半導(dǎo)體層位于p-阱層的外周和n+型半導(dǎo)體層的內(nèi)周之間；p-阱層的內(nèi)周設(shè)置第一p+型半導(dǎo)體層；第二p+型半導(dǎo)體層位于p-襯底層的側(cè)部摻雜區(qū)。第一p+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層的外端均設(shè)置陽(yáng)極電極，n+型半導(dǎo)體層的外端設(shè)置陰極電極；二氧化硅層覆蓋p-阱層、p-型半導(dǎo)體層、n+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層的外端。本專(zhuān)利技術(shù)單光子雪崩光電二極管的制作方法，具體如下：步驟一、在硅基上采用硼離子進(jìn)行均勻p-襯底摻雜，在p-襯底的中心摻雜區(qū)采用磷離子摻雜形成深n阱層，深n阱層和p-襯底形成pn結(jié)；步驟二、在深n阱層的外端中心采用硼離子摻雜第一p+型半導(dǎo)體層，第一p+型半導(dǎo)體層和深n阱層之間形成耗盡層；步驟三、在第一p+型半導(dǎo)體層的外側(cè)采用硼離子摻雜p-阱層；p-阱層位于深n阱層內(nèi)；步驟四、在p-阱層的外周采用硼離子摻雜p-型半導(dǎo)體層；p-阱層的外周與p-型半導(dǎo)體層的內(nèi)周間距為2～3μm；p-型半導(dǎo)體層位于深n阱層內(nèi)；步驟五、在p-型半導(dǎo)體層外周采用磷離子摻雜n+型半導(dǎo)體層，并在n+型半導(dǎo)體層外周采用硼離子摻雜第二p+型半導(dǎo)體層；n+型半導(dǎo)體層位于深n阱層內(nèi)，第二p+型半導(dǎo)體層位于p-襯底上。步驟六、第一p+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層的外端均設(shè)置陽(yáng)極電極，n+型半導(dǎo)體層的外端設(shè)置陰極電極；步驟七、二氧化硅層覆蓋p-阱層、p-型半導(dǎo)體層、n+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層的外端。本專(zhuān)利技術(shù)的有益效果：本專(zhuān)利技術(shù)具有避免單光子雪崩光電二極管邊緣效應(yīng)、防止邊緣過(guò)早擊穿和增加單光子雪崩光電二極管能夠承受的最大反向偏置電壓功能，使雪崩光電二極管能夠承受的最大反向偏置電壓達(dá)到30.51V。利用p-阱層形成的中心接觸保護(hù)環(huán)，增加了第一p+型半導(dǎo)體層的曲率半徑，減小了第一p+型半導(dǎo)體層邊緣區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度，避免了邊緣效應(yīng)，利用p-型半導(dǎo)體層形成了浮動(dòng)保護(hù)環(huán)，其主要作用是一個(gè)分壓保護(hù)環(huán)，對(duì)p-阱層的外邊緣進(jìn)行保護(hù)和增加單光子雪崩光電二極管能夠承受的最大反向偏置電壓。當(dāng)在陰極電極和陽(yáng)極電極施加反向偏置電壓時(shí)，p-阱層對(duì)第一p+型半導(dǎo)體層的邊緣進(jìn)行保護(hù)作用，而p-型半導(dǎo)體層對(duì)p-阱層的外邊沿進(jìn)行分壓保護(hù)作用，從而達(dá)到在避免邊緣效應(yīng)的基礎(chǔ)上增了單光子雪崩光電二極管能夠承受的最大反向偏置電壓的功效。附圖說(shuō)明圖1為本專(zhuān)利技術(shù)單光子雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)框圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)做進(jìn)一步說(shuō)明。參照?qǐng)D1，單光子雪崩光電二極管，包括深n阱層1、p-襯底層2、第一p+型半導(dǎo)體層3、p-阱層4、p-型半導(dǎo)體層5、二氧化硅層6、陽(yáng)極電極7和陰極電極8、n+型半導(dǎo)體層9和第二p+型半導(dǎo)體層10；p-阱層4、p-型半導(dǎo)體層5、陽(yáng)極電極7、陰極電極8、n+型半導(dǎo)體層9和第二p+型半導(dǎo)體層10均為圓環(huán)形。深n阱層1位于p-襯底層2的中心摻雜區(qū)；p-阱層4、p-型半導(dǎo)體層5和n+型半導(dǎo)體層9均位于深n阱層的外端面摻雜區(qū)，且p-型半導(dǎo)體層5位于p-阱層的外周和n+型半導(dǎo)體層9的內(nèi)周之間；p-阱層的內(nèi)周設(shè)置第一p+型半導(dǎo)體層3；第二p+型半導(dǎo)體層10位于p-襯底層的側(cè)部摻雜區(qū)。第一p+型半導(dǎo)體層3和第二p+型半導(dǎo)體層10的外端均設(shè)置陽(yáng)極電極7，n+型半導(dǎo)體層9的外端設(shè)置陰極電極8；二氧化硅層6覆蓋p-阱層4、p-型半導(dǎo)體層5、n+型半導(dǎo)體層9和第二p+型半導(dǎo)體層10的外端。該單光子雪崩光電二極管的制作方法，具體如下：步驟一、在硅基上采用硼離子進(jìn)行均勻p-襯底摻雜，在p-襯底的中心摻雜區(qū)采用磷離子摻雜形成深n阱層，深n阱層和p-襯底形成pn結(jié)，深n阱層和p-襯底形成的pn結(jié)能夠有效地減少后脈沖的作用；步驟二、在深n阱層的外端中心采用硼離子摻雜第一p+型半導(dǎo)體層，第一p+型半導(dǎo)體層和深n阱層之間形成耗盡層11，即單光子雪崩光電二極管的中心活動(dòng)區(qū)域，中心活動(dòng)區(qū)域在反向偏置電壓下，對(duì)到達(dá)的單光子發(fā)生雪崩效應(yīng)，形成大的雪崩電流，以便于外圍讀出電路的識(shí)別，使得雪崩二極管具有探測(cè)單光子的能力，可以對(duì)單光子事件進(jìn)行探測(cè)；步驟三、在第一p+型半導(dǎo)體層的外側(cè)采用硼離子摻雜p-阱層，形成中心接觸保護(hù)環(huán)，增加了第一p+型半導(dǎo)體層邊緣的曲率半徑，減小了第一p+型半導(dǎo)體層邊緣區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度，避免了邊緣效應(yīng)，防止了第一p+型半導(dǎo)體層邊緣的過(guò)早擊穿，對(duì)第一p+型半導(dǎo)體層的邊緣進(jìn)行保護(hù)；p-阱層位于深n阱層內(nèi)；步驟四、在p-阱層的外周采用硼離子摻雜p-型半導(dǎo)體層，形成p-阱層的浮動(dòng)保護(hù)環(huán)，其主要作用是一個(gè)分壓保護(hù)，對(duì)p-阱層的外邊緣進(jìn)行保護(hù)和增加雪崩光電二極管能夠承受的最大反向偏置電壓，p-阱層的外周與p-型半導(dǎo)體層的內(nèi)周間距d＝2μm；p-型半導(dǎo)體層位于深n阱層內(nèi)；步驟五、在p-型半導(dǎo)體層外周采用磷離子摻雜n+型半導(dǎo)體層9，并在n+型半導(dǎo)體層9外周采用硼離子摻雜第二p+型半導(dǎo)體層10；n+型半導(dǎo)體層9位于深n阱層內(nèi)，第二p+型半導(dǎo)體層10位于p-襯底上。步驟六、第一p+型半導(dǎo)體層3和第二p+型半導(dǎo)體層10的外端均設(shè)置陽(yáng)極電極7，n+型半導(dǎo)體層9的外端設(shè)置陰極電極8，陰極電極和陽(yáng)極電極提供外部施加反向偏置電壓，使得在單光子到來(lái)時(shí)，雪崩光電二極管發(fā)生雪崩效應(yīng)，產(chǎn)生雪崩電流，對(duì)所探測(cè)的單光子事件進(jìn)行電流放大的作用，方便讀出電路對(duì)單光子事件發(fā)生的計(jì)數(shù)。步驟七、二氧化硅層6覆蓋p-阱層4、p-型半導(dǎo)體層5、n+型半導(dǎo)體層9和第二p+型半導(dǎo)體層10的外端。本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
單光子雪崩光電二極管，包括深n阱層、p?襯底層、第一p+型半導(dǎo)體層、p?阱層、p?型半導(dǎo)體層、二氧化硅層、陽(yáng)極電極和陰極電極、n+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層，其特征在于：所述的p?阱層、p?型半導(dǎo)體層、陽(yáng)極電極、陰極電極、n+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層均為圓環(huán)形；深n阱層位于p?襯底層的中心摻雜區(qū)；p?阱層、p?型半導(dǎo)體層和n+型半導(dǎo)體層均位于深n阱層的外端面摻雜區(qū)，且p?型半導(dǎo)體層位于p?阱層的外周和n+型半導(dǎo)體層的內(nèi)周之間；p?阱層的內(nèi)周設(shè)置第一p+型半導(dǎo)體層；第二p+型半導(dǎo)體層位于p?襯底層的側(cè)部摻雜區(qū)；第一p+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層的外端均設(shè)置陽(yáng)極電極，n+型半導(dǎo)體層的外端設(shè)置陰極電極；二氧化硅層覆蓋p?阱層、p?型半導(dǎo)體層、n+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層的外端。

【技術(shù)特征摘要】
1.單光子雪崩光電二極管，包括深n阱層、p-襯底層、第一p+型半導(dǎo)體層、p-阱層、p-型半導(dǎo)體層、二氧化硅層、陽(yáng)極電極和陰極電極、n+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層，其特征在于：所述的p-阱層、p-型半導(dǎo)體層、陽(yáng)極電極、陰極電極、n+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層均為圓環(huán)形；深n阱層位于p-襯底層的中心摻雜區(qū)；p-阱層、p-型半導(dǎo)體層和n+型半導(dǎo)體層均位于深n阱層的外端面摻雜區(qū)，且p-型半導(dǎo)體層位于p-阱層的外周和n+型半導(dǎo)體層的內(nèi)周之間；p-阱層的內(nèi)周設(shè)置第一p+型半導(dǎo)體層；第二p+型半導(dǎo)體層位于p-襯底層的側(cè)部摻雜區(qū)；第一p+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層的外端均設(shè)置陽(yáng)極電極，n+型半導(dǎo)體層的外端設(shè)置陰極電極；二氧化硅層覆蓋p-阱層、p-型半導(dǎo)體層、n+型半導(dǎo)體層和第二p+型半導(dǎo)體層的外端。2.如權(quán)利要求1所述單光子雪崩光電二極管的制作方法，其特征在于：該方法具體如下：步驟一、在硅基上采用...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王偉，張鈺，衛(wèi)振奇，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：杭州電子科技大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：浙江;33