單光子雪崩光電二極管及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開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環(huán)能夠承受的最大偏置電壓過低。本發(fā)明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+型半導體層，第一p+型半導體層外側(cè)摻雜p?阱層；p?阱層外周摻雜p?型半導體層；p?型半導體層外周摻雜n+型半導體層，n+型半導體層外周摻雜第二p+型半導體層；第一p+型半導體層和第二p+型半導體層外端均設(shè)置陽極電極，n+型半導體層外端設(shè)置陰極電極。本發(fā)明使雪崩光電二極管能夠承受的最大反向偏置電壓達到30.51V。
【專利說明】
單光子雪崩光電二極管及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于單光子探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及單光子雪崩光電二極管及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單光子探測技術(shù)是一種極微光探測傳感技術(shù)，在生物發(fā)光、量子通信、大氣污染檢測、放射探測、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(Aro)。在采用單光子雪崩光電二極管的單光子探測系統(tǒng)中，邊緣效應(yīng)是影響雪崩光電二極管進行單光子探測關(guān)鍵性因素，而保護環(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)，防止邊緣過早擊穿具有重要的意義和使用價值。
[0003]目前也有其它結(jié)構(gòu)的保護環(huán)被用來避免雪崩光電二極管的邊緣效應(yīng)，防止邊緣過早擊穿，但是其它結(jié)構(gòu)的保護環(huán)能夠承受的最大偏置電壓過低，在過高的反向偏置電壓下，容易發(fā)生邊緣過早擊穿的現(xiàn)象。這對一些反向偏置電壓擺幅過大的單光子探測系統(tǒng)來說，在高的偏置電壓下邊緣會發(fā)生邊緣效應(yīng)，從而影響雪崩光電二極管進行正常的光電探測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有單光子雪崩二極管的保護環(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)，防止邊緣過早擊穿，增加雪崩二極管能夠承受的最大反向偏置電壓。
[0005]本發(fā)明單光子雪崩光電二極管，包括深η阱層、P-襯底層、第一p+型半導體層、P-阱層、P-型半導體層、二氧化硅層、陽極電極和陰極電極、η+型半導體層和第二 ρ+型半導體層；所述的P-阱層、P-型半導體層、陽極電極、陰極電極、η+型半導體層和第二 ρ+型半導體層均為圓環(huán)形。深η阱層位于ρ-襯底層的中心摻雜區(qū)；ρ-阱層、ρ-型半導體層和η+型半導體層均位于深η阱層的外端面摻雜區(qū)，且ρ-型半導體層位于ρ-阱層的外周和η+型半導體層的內(nèi)周之間；P-阱層的內(nèi)周設(shè)置第一 P+型半導體層;第二 P+型半導體層位于P-襯底層的側(cè)部摻雜區(qū)。第一P+型半導體層和第二P+型半導體層的外端均設(shè)置陽極電極，η+型半導體層的外端設(shè)置陰極電極;二氧化硅層覆蓋P-阱層、P-型半導體層、η+型半導體層和第二 ρ+型半導體層的外端。
[0006]本發(fā)明單光子雪崩光電二極管的制作方法，具體如下:
[0007]步驟一、在硅基上采用硼離子進行均勻ρ-襯底摻雜，在ρ-襯底的中心摻雜區(qū)采用磷離子摻雜形成深η阱層，深η阱層和ρ-襯底形成ρη結(jié)；
[0008]步驟二、在深η阱層的外端中心采用硼離子摻雜第一ρ+型半導體層，第一 ρ+型半導體層和深η阱層之間形成耗盡層；
[0009]步驟三、在第一ρ+型半導體層的外側(cè)采用硼離子摻雜ρ-阱層;ρ-阱層位于深η阱層內(nèi)；
[0010]步驟四、在P-阱層的外周采用硼離子摻雜P-型半導體層;P-阱層的外周與P-型半導體層的內(nèi)周間距為2?3μπι;ρ-型半導體層位于深η阱層內(nèi)；
[0011]步驟五、在ρ-型半導體層外周采用磷離子摻雜η+型半導體層，并在η+型半導體層外周采用硼離子摻雜第二P+型半導體層;η+型半導體層位于深η阱層內(nèi)，第二ρ+型半導體層位于P-襯底上。
[0012]步驟六、第一ρ+型半導體層和第二 ρ+型半導體層的外端均設(shè)置陽極電極，η+型半導體層的外端設(shè)置陰極電極；
[0013]步驟七、二氧化硅層覆蓋ρ-阱層、ρ-型半導體層、η+型半導體層和第二ρ+型半導體層的外端。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015]本發(fā)明具有避免單光子雪崩光電二極管邊緣效應(yīng)、防止邊緣過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到30.51V。利用ρ-阱層形成的中心接觸保護環(huán)，增加了第一 ρ+型半導體層的曲率半徑，減小了第一 ρ+型半導體層邊緣區(qū)域的電場強度，避免了邊緣效應(yīng)，利用P-型半導體層形成了浮動保護環(huán)，其主要作用是一個分壓保護環(huán)，對P-阱層的外邊緣進行保護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。當在陰極電極和陽極電極施加反向偏置電壓時，P-阱層對第一P+型半導體層的邊緣進行保護作用，而P-型半導體層對P-阱層的外邊沿進行分壓保護作用，從而達到在避免邊緣效應(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。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明單光子雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0018]參照圖1，單光子雪崩光電二極管，包括深η阱層1、ρ_襯底層2、第一ρ+型半導體層
3、ρ_講層4、ρ-型半導體層5、二氧化娃層6、陽極電極7和陰極電極8、η+型半導體層9和第二ρ+型半導體層10; ρ-講層4、ρ-型半導體層5、陽極電極7、陰極電極8、η+型半導體層9和第二ρ+型半導體層10均為圓環(huán)形。深η阱層I位于ρ-襯底層2的中心摻雜區(qū)；ρ-阱層4、ρ-型半導體層5和η+型半導體層9均位于深η講層的外端面摻雜區(qū)，且ρ-型半導體層5位于ρ-講層的外周和η+型半導體層9的內(nèi)周之間；ρ-阱層的內(nèi)周設(shè)置第一 ρ+型半導體層3;第二 ρ+型半導體層10位于P-襯底層的側(cè)部摻雜區(qū)。第一 P+型半導體層3和第二 ρ+型半導體層10的外端均設(shè)置陽極電極7，η+型半導體層9的外端設(shè)置陰極電極8; 二氧化硅層6覆蓋ρ-阱層4、ρ-型半導體層
5、η+型半導體層9和第二 ρ+型半導體層10的外端。
[0019]該單光子雪崩光電二極管的制作方法，具體如下:
[0020]步驟一、在硅基上采用硼離子進行均勻ρ-襯底摻雜，在ρ-襯底的中心摻雜區(qū)采用磷離子摻雜形成深η講層，深η講層和ρ-襯底形成ρη結(jié)，深η講層和ρ-襯底形成的ρη結(jié)能夠有效地減少后脈沖的作用；
[0021]步驟二、在深η阱層的外端中心采用硼離子摻雜第一ρ+型半導體層，第一 ρ+型半導體層和深η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區(qū)域，中心活動區(qū)域在反向偏置電壓下，對到達的單光子發(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別，使得雪崩二極管具有探測單光子的能力，可以對單光子事件進行探測；
[0022]步驟三、在第一ρ+型半導體層的外側(cè)采用硼離子摻雜ρ-阱層，形成中心接觸保護環(huán)，增加了第一 P+型半導體層邊緣的曲率半徑，減小了第一 P+型半導體層邊緣區(qū)域的電場強度，避免了邊緣效應(yīng)，防止了第一 P+型半導體層邊緣的過早擊穿，對第一 P+型半導體層的邊緣進行保護;P-阱層位于深η阱層內(nèi)；
[0023]步驟四、在ρ-阱層的外周采用硼離子摻雜ρ-型半導體層，形成ρ-阱層的浮動保護環(huán)，其主要作用是一個分壓保護，對P-阱層的外邊緣進行保護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-型半導體層的內(nèi)周間距(1 = 2μπι;ρ-型半導體層位于深η阱層內(nèi)；
[0024]步驟五、在ρ-型半導體層外周采用磷離子摻雜η+型半導體層9，并在η+型半導體層9外周采用硼離子摻雜第二ρ+型半導體層10;η+型半導體層9位于深η阱層內(nèi)，第二ρ+型半導體層1位于P-襯底上。
[0025]步驟六、第一ρ+型半導體層3和第二 ρ+型半導體層10的外端均設(shè)置陽極電極7，η+型半導體層9的外端設(shè)置陰極電極8，陰極電極和陽極電極提供外部施加反向偏置電壓，使得在單光子到來時，雪崩光電二極管發(fā)生雪崩效應(yīng)，產(chǎn)生雪崩電流，對所探測的單光子事件進行電流放大的作用，方便讀出電路對單光子事件發(fā)生的計數(shù)。
[0026]步驟七、二氧化硅層6覆蓋ρ-阱層4、ρ_型半導體層5、η+型半導體層9和第二ρ+型半導體層10的外端。
【主權(quán)項】
1.單光子雪崩光電二極管，包括深η阱層、P-襯底層、第一P+型半導體層、P-阱層、P-型半導體層、二氧化硅層、陽極電極和陰極電極、η+型半導體層和第二 ρ+型半導體層，其特征在于:所述的P-講層、P-型半導體層、陽極電極、陰極電極、η+型半導體層和第二 P+型半導體層均為圓環(huán)形;深η阱層位于ρ-襯底層的中心摻雜區(qū)；ρ-阱層、ρ-型半導體層和η+型半導體層均位于深η阱層的外端面摻雜區(qū)，且ρ-型半導體層位于ρ-阱層的外周和η+型半導體層的內(nèi)周之間；P-阱層的內(nèi)周設(shè)置第一 P+型半導體層;第二 P+型半導體層位于P-襯底層的側(cè)部摻雜區(qū)；第一 P+型半導體層和第二 P+型半導體層的外端均設(shè)置陽極電極，η+型半導體層的外端設(shè)置陰極電極;二氧化硅層覆蓋P-阱層、P-型半導體層、η+型半導體層和第二 ρ+型半導體層的外端。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、在硅基上采用硼離子進行均勻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η講層，深η講層和ρ-襯底形成ρη結(jié)； 步驟二、在深η阱層的外端中心采用硼離子摻雜第一 ρ+型半導體層，第一 ρ+型半導體層和深η阱層之間形成耗盡層； 步驟三、在第一 P+型半導體層的外側(cè)采用硼離子摻雜P-阱層;P-阱層位于深η阱層內(nèi)；步驟四、在P-阱層的外周采用硼離子摻雜P-型半導體層;P-阱層的外周與P-型半導體層的內(nèi)周間距為2?3μηι；ρ_型半導體層位于深η講層內(nèi)； 步驟五、在P-型半導體層外周采用磷離子摻雜η+型半導體層，并在η+型半導體層外周采用硼離子摻雜第二P+型半導體層;η+型半導體層位于深η阱層內(nèi)，第二ρ+型半導體層位于P-襯底上； 步驟六、第一 P+型半導體層和第二 P+型半導體層的外端均設(shè)置陽極電極，η+型半導體層的外端設(shè)置陰極電極； 步驟七、二氧化硅層覆蓋P-阱層、P-型半導體層、η+型半導體層和第二 ρ+型半導體層的外端。
【文檔編號】H01L31/107GK106057958SQ201610648715
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月8日 公開號201610648715.7, CN 106057958 A, CN 106057958A, CN 201610648715, CN-A-106057958, CN106057958 A, CN106057958A, CN201610648715, CN201610648715.7
【發(fā)明人】王偉, 張鈺, 衛(wèi)振奇
【申請人】杭州電子科技大學