【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及光電探測器領域，特別涉及一種光電倍增管及其制備方法。
技術介紹
1、硅光電倍增管(sipm)是一種具有光子數分辨能力的光電探測設備，具有高增益、高靈敏度、偏置電壓低、不受磁場干擾等特點，被廣泛應用于醫學成像、激光雷達測距、高能粒子探測等領域。如圖1所示，sipm的結構是由大量單光子雪崩二極管(spad)微元并聯而成的一個面陣列，每個微元由一個spad和一個大阻值淬滅電阻串聯而成。工作時，為sipm加上一個反向偏壓，該反向偏壓略大于spad二極管的擊穿電壓，此時在耗盡層內有很高的電場。若有光子入射到耗盡區，電子吸收光子能量躍遷到激發能級，形成電子或空穴，這些電子或空穴在電場的作用下加速，經過碰撞電離后形成更多的電子空穴對，最終發生雪崩。雪崩后每個微元中的電流會突然增大，降落在淬滅電阻上的電壓也會突然增大，微元中的電流瞬間變小，雪崩停止。這個激發-淬滅的過程形成了一個瞬時電流脈沖。由于sipm中每個微元的結構和淬滅電阻阻值完全相同，理論上每一個受光子激發的微元會輸出相同的脈沖，并聯陣列輸出的電流大小與受激發的微元數成正比，因此根據電流的峰值大小就能計算出入射的光子數。
2、現有的sipm結構中，大多數為垂直型結構，即陰極和陽極分別位于晶圓的正反兩面，如圖2所示。這種結構的高度定制化不利于與現有平面型的cmos工藝集成。
3、為此，提出本專利技術。
技術實現思路
1、本專利技術的主要目的在于提供一種光電倍增管及其制備方法，將深溝槽中的擋光金屬用作陰極
2、為了實現以上目的，本專利技術提供了以下技術方案。
3、本專利技術的第一方面提供了一種光電倍增管，其包括襯底以及設置在所述襯底上的多條溝槽；在所述襯底的上表面由下至上依次堆疊n型摻雜半導體層和p型摻雜半導體層；所述溝槽貫穿p型摻雜半導體層至與所述n型摻雜半導體層接觸，并且所述溝槽的側壁設有第一絕緣層，溝槽中心填充有導電金屬；所述多條溝槽相交形成網格狀；
4、所述p型摻雜半導體層的淺表層設有多個間隔分布的高濃度p型摻雜阱，并且相鄰的兩個所述高濃度p型摻雜阱由所述溝槽隔離；所述高濃度p型摻雜阱的摻雜濃度大于所述p型摻雜半導體層的摻雜濃度；每個所述高濃度p型摻雜阱的表面設有吸光區；
5、多個所述高濃度p型摻雜阱一一對應地連接至淬滅電阻；每組所述高濃度p型摻雜阱和所述淬滅電阻共同引出有一個陽極；所述溝槽內導電金屬的上端引出有陰極。
6、由此，本專利技術以n型摻雜半導體層、p型摻雜半導體層和高濃度p型摻雜阱的堆疊結構作為pin結構，與傳統的p+/n阱或n+/p阱結相比，由于p型摻雜半導體層和高濃度p型摻雜阱的低摻雜濃度，減小了隧道效應，使得暗計數率更低。
7、此外，本專利技術溝槽中的金屬具有多重作用，既可以擋光，又用作陰極引出電極，無需額外再制作引出電極，節省了芯片面積。
8、同時，本專利技術的陰極和陽極(即陰極和陽極)從同一側引出，可以與現有的cmos工藝兼容。
9、在此基礎上，光電倍增管的層結構或各層采用的材料還可以進一步改進，如下文列舉。
10、進一步地，所述襯底為p型硅襯底，其具有更快的集成速度。
11、進一步地，所述高濃度p型摻雜阱的淺表層為p型重摻雜區，p型重摻雜區的摻雜濃度大于高濃度p型摻雜阱的摻雜濃度，所述陽極與所述p型重摻雜區連接。p型重摻雜區的摻雜濃度更高，可以起到減小接觸電阻的作用。
12、進一步地，所述溝槽內導電金屬與所述n型摻雜半導體層之間通過金屬硅化物層連接。金屬硅化物層可以降低金屬與硅之間的接觸電阻。
13、進一步地，所述高濃度p型摻雜阱在所述吸光區的表面設有抗反射層。增加抗反射層可以提高光吸收率，提高光電探測效率和結果準確度。
14、進一步地，所述淬滅電阻圍繞其對應的高濃度p型摻雜阱的外周設置，并且具有相對的兩個自由端，一端與其對應的高濃度p型摻雜阱導電連接，另一端與所述陽極連接。淬滅電阻采用這樣的結構可以達到以下效果：通過其繞行高濃度p型摻雜阱的長度來調整電阻大小。
15、進一步地，還包括：在所述淬滅電阻上方由下至上依次堆疊的第二絕緣層，所述陽極通過貫穿所述第二絕緣層的接觸栓塞與所述淬滅電阻電連接，所述陰極通過貫穿所述第二絕緣層的接觸栓塞與所述溝槽內導電金屬的上端連接。以上設計既可以保護電極，又便于加工。
16、本專利技術的第二方面提供了第一方面的光電倍增管的制備方法，其包括：
17、提供半導體襯底；
18、在所述半導體襯底的上表面形成n型摻雜半導體層；
19、在n型摻雜半導體層的上表面形成p型摻雜半導體層；
20、在p型摻雜半導體層內刻蝕貫穿至n型摻雜半導體層的溝槽；
21、僅在溝槽的側壁形成第一絕緣層，中心填充導電金屬；
22、在p型摻雜半導體層的淺表層的多個區域繼續摻雜p型離子，形成多個高濃度p型摻雜阱，并且相鄰的兩個所述高濃度p型摻雜阱由所述溝槽隔離；
23、在每個所述高濃度p型摻雜阱的上方一一對應地形成淬滅電阻，作為像素單元，并且使每個所述高濃度p型摻雜阱的部分表面作為吸光區；
24、將每個像素單元中的所述高濃度p型摻雜阱和淬滅電阻互連，并共同引出陽極，以及將所述溝槽內導電金屬的上端引出陰極。
25、由此，本專利技術通過層層依次形成的方式制備出暗計數率低和集成度高的光電倍增管，整個流程簡單，所設計的步驟操作簡單，更容易推廣和大批量生產。
26、進一步地，在高濃度p型摻雜阱之后還包括：繼續在高濃度p型摻雜阱的淺表層進行p型摻雜，形成p型重摻雜區，并且所述陽極與所述p型重摻雜區連接。
27、進一步地，形成第一絕緣層的方法包括：
28、通過熱氧化生長法形成第一絕緣層，或者采用化學氣相沉積法形成第一絕緣層。
29、進一步地，在溝槽的側壁形成第一絕緣層之后和在溝槽的中心填充導電金屬之前還包括：
30、在溝槽底部形成金屬硅化物層。
31、進一步地，還包括：在所述高濃度p型摻雜阱的所述吸光區的表面形成抗反射層。
32、綜上，與現有技術相比，本專利技術達到了以下技術效果：
33、(1)采用與現有技術不同的pin結構，減小了隧道效應，使得暗計數率更低。
34、(2)微元之間采用溝槽隔離，向其中填充導電金屬，并通過金屬硅化物與n型埋層接觸，導電金屬一方面可作為擋光層阻止光學串擾，同時作為陰極引出電極，無需額外制作電極，可節省芯片面積。
35、(3)陰極和陽極從同一側引出，可以與現有的cmos工藝兼容。
36、(4)制備方法流程簡單。
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1.一種光電倍增管，其特征在于，包括襯底以及設置在所述襯底上的多條溝槽；在所述襯底的上表面由下至上依次堆疊N型摻雜半導體層和P型摻雜半導體層；所述溝槽貫穿P型摻雜半導體層至與所述N型摻雜半導體層接觸，并且所述溝槽的側壁設有第一絕緣層，溝槽中心填充有導電金屬；所述多條溝槽相交形成網格狀；
2.根據權利要求1所述的光電倍增管，其特征在于，所述襯底為P型硅襯底。
3.根據權利要求1所述的光電倍增管，其特征在于，所述高濃度P型摻雜阱的淺表層為P型重摻雜區，P型重摻雜區的摻雜濃度大于高濃度P型摻雜阱的摻雜濃度，所述陽極與所述P型重摻雜區連接。
4.根據權利要求1所述的光電倍增管，其特征在于，所述溝槽內導電金屬與所述N型摻雜半導體層之間通過金屬硅化物層連接。
5.根據權利要求1-4任一項所述的光電倍增管，其特征在于，所述高濃度P型摻雜阱在所述吸光區的表面設有抗反射層。
6.根據權利要求1-4任一項所述的光電倍增管，其特征在于，所述淬滅電阻圍繞其對應的高濃度P型摻雜阱的外周設置，并且具有相對的兩個自由端，一端與其對應的高濃度P型摻雜阱
7.根據權利要求1-4任一項所述的光電倍增管，其特征在于，還包括：在所述淬滅電阻上方由下至上依次堆疊的第二絕緣層，所述陽極通過貫穿所述第二絕緣層的接觸栓塞與所述淬滅電阻電連接，所述陰極通過貫穿所述第二絕緣層的接觸栓塞與所述溝槽內導電金屬的上端連接。
8.權利要求1所述的光電倍增管的制備方法，其特征在于，包括：
9.根據權利要求8所述的光電倍增管的制備方法，其特征在于，在高濃度P型摻雜阱之后還包括：繼續在高濃度P型摻雜阱的淺表層進行P型摻雜，形成P型重摻雜區，并且所述陽極與所述P型重摻雜區連接。
10.根據權利要求8所述的光電倍增管的制備方法，其特征在于，形成第一絕緣層的方法包括：
11.根據權利要求8所述的光電倍增管的制備方法，其特征在于，在溝槽的側壁形成第一絕緣層之后和在溝槽的中心填充導電金屬之前還包括：
12.根據權利要求8所述的光電倍增管的制備方法，其特征在于，還包括：在所述高濃度P型摻雜阱的所述吸光區的表面形成抗反射層。
...【技術特征摘要】
1.一種光電倍增管，其特征在于，包括襯底以及設置在所述襯底上的多條溝槽；在所述襯底的上表面由下至上依次堆疊n型摻雜半導體層和p型摻雜半導體層；所述溝槽貫穿p型摻雜半導體層至與所述n型摻雜半導體層接觸，并且所述溝槽的側壁設有第一絕緣層，溝槽中心填充有導電金屬；所述多條溝槽相交形成網格狀；
2.根據權利要求1所述的光電倍增管，其特征在于，所述襯底為p型硅襯底。
3.根據權利要求1所述的光電倍增管，其特征在于，所述高濃度p型摻雜阱的淺表層為p型重摻雜區，p型重摻雜區的摻雜濃度大于高濃度p型摻雜阱的摻雜濃度，所述陽極與所述p型重摻雜區連接。
4.根據權利要求1所述的光電倍增管，其特征在于，所述溝槽內導電金屬與所述n型摻雜半導體層之間通過金屬硅化物層連接。
5.根據權利要求1-4任一項所述的光電倍增管，其特征在于，所述高濃度p型摻雜阱在所述吸光區的表面設有抗反射層。
6.根據權利要求1-4任一項所述的光電倍增管，其特征在于，所述淬滅電阻圍繞其對應的高濃度p型摻雜阱的外周設置，并且具有相對的兩個自由端，一端與...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王崗，肖韓，王榮，
申請(專利權)人：浙江省北大信息技術高等研究院，
類型：發明
國別省市：
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