一種基于標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝的單光子級(jí)分辨率傳感器單元結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的單光子級(jí)分辨率傳感器單元結(jié)構(gòu)，該傳感器單元結(jié)構(gòu)使用一種單光子雪崩二極管(SPAD)，其基本結(jié)構(gòu)包括：P型硅襯底(4)上方設(shè)有深N阱(3)；P阱區(qū)域(2)形成于深N阱(3)上方并且被深N阱(3)包??；陽極接觸(9)通過重?fù)诫s的P型區(qū)域(1)連接到P阱區(qū)域(2)；陰極接觸(10)通過重?fù)诫s的N型區(qū)域(5)連接到N阱區(qū)域(6)以及深N阱(3)；淺溝道隔離區(qū)域(7)位于P阱區(qū)域(2)和N阱區(qū)域(6)之間，將P阱與N阱隔離開；淺溝道隔離區(qū)域(7)一周設(shè)有P型摻雜的保護(hù)環(huán)(8)，以遏制淺溝道隔離中由于缺陷產(chǎn)生的暗噪聲；在P阱區(qū)域(2)的底部與深N阱(3)之間的PN結(jié)(11)，當(dāng)在陰極與陽極之間施加適當(dāng)偏置電壓時(shí)PN結(jié)產(chǎn)生高壓區(qū)，形成SPAD倍增區(qū)域，以此來探測(cè)光子，并且通過控制深N阱(3)的濃度梯度使得PN結(jié)的邊緣擊穿電壓高于SPAD的平面倍增區(qū)域的擊穿電壓。
【專利說明】一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的單光子級(jí)分辨率傳感器單元結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種單光子級(jí)分辨率傳感器的單元結(jié)構(gòu)，并且具體在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中實(shí)現(xiàn)其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在微弱光成像、高速成像以及量子通信等領(lǐng)域，需要高效、低噪聲的單光子探測(cè)器。現(xiàn)在通常使用的光電倍增管(PMT)需要高操縱電壓，而且單元結(jié)構(gòu)體積大，不能夠大規(guī)模集成。硅雪崩光電二極管(APD)是工作在PN結(jié)的線性區(qū)域，工作電壓低于雪崩電壓，所以其增益一般不高于1000，不能夠?qū)崿F(xiàn)單光子探測(cè)。電子倍增CXD(EM-CXD)其增益能夠應(yīng)用與微弱光探測(cè)，但是其工作頻率較低，時(shí)間分辨率達(dá)不到光子計(jì)數(shù)的應(yīng)用。
[0003]單光子雪崩二極管(SPAD)，即蓋革模式雪崩光電二極管(GM-APD)，其基本結(jié)構(gòu)為一個(gè)平面的PN結(jié),工作電壓位于PN結(jié)雪崩擊穿電壓之上。當(dāng)平面PN結(jié)的工作電壓逐漸逼近雪崩電壓時(shí)，理論上雪崩倍增因子將趨于無窮大，而實(shí)際上，當(dāng)工作電壓小于雪崩電壓時(shí)，倍增因子到1000左右時(shí)就會(huì)飽和。只有在蓋革模式下，即工作電壓高于雪崩擊穿電壓時(shí)，倍增因子才能大到足以捕捉單光子。
[0004]單光子雪崩二極管可以用多種結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，每種結(jié)構(gòu)最終追求的器件特性在于低暗噪聲、高時(shí)間分辨率以及可集成度。同時(shí)，在保證器件良好性能的同時(shí)，其制作工藝也需要簡(jiǎn)單方便和經(jīng)濟(jì)，因此，可以用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝來實(shí)現(xiàn)的單光子雪崩二極管就符合市場(chǎng)需求。
[0005]本發(fā)明提出的單光子級(jí)分辨率傳感器單元結(jié)構(gòu)，在保證器件優(yōu)良性能的同時(shí)，完全基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)，因此可以方便的進(jìn)行大規(guī)模集成，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的難點(diǎn)利問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的單光子級(jí)分辨率傳感器單元結(jié)構(gòu)，該傳感器單元結(jié)構(gòu)使用一種單光子雪崩二極管(SPAD)，其基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成為:P型硅襯底(4)上方設(shè)有深N阱(3) ;P阱區(qū)域⑵形成于深N阱(3)上方并且被深N阱(3)包??；陽極接觸(9)通過重?fù)诫s的P型區(qū)域(I)連接到P阱區(qū)域(2);陰極接觸(10)通過重?fù)诫s的N型區(qū)域
(5)連接到N阱區(qū)域(6)以及深N阱(3);淺溝道隔離區(qū)域(7)位于P阱區(qū)域⑵和N阱區(qū)域(6)之間，將P阱與N阱隔離開；淺溝道隔離區(qū)域(7) —周設(shè)有P型摻雜的保護(hù)環(huán)(8)，以遏制淺溝道隔離中由于缺陷產(chǎn)生的暗噪聲；在？阱區(qū)域(2)的底部與深N阱(3)之間的PN結(jié)(11)，當(dāng)在陰極與陽極之間施加適當(dāng)?shù)钠秒妷?，使PN結(jié)工作在蓋革模式下，PN結(jié)產(chǎn)生高壓區(qū)，形成SPAD倍增區(qū)域，以此來探測(cè)光子，并且通過控制深N阱(3)的濃度梯度使得PN結(jié)的邊緣擊穿電壓高于SPAD的平面倍增區(qū)域的擊穿電壓，從而保證器件正常工作在蓋革模式，進(jìn)行光子的探測(cè)。[0007]本發(fā)明的有益效果是:(1)器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作工藝同標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；(2)通過淺溝道隔離及P型摻雜保護(hù)環(huán)，有效的降低了器件的暗噪聲；(3)器件可伸縮性好，利于提高器件的大規(guī)模集成性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]現(xiàn)將參照以下附圖具體詳細(xì)說明本發(fā)明的主題，并清楚地理解本發(fā)明的有關(guān)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法以及其目的、特征和優(yōu)勢(shì):
[0009]圖1是本發(fā)明基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的單光子級(jí)分辨率傳感器單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是本發(fā)明單光子級(jí)分辨率傳感器工作電壓模式圖。
[0011]圖3是本發(fā)明單光子級(jí)分辨率傳感器工作原理圖。
[0012]圖4是雪崩倍增原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]在以下的詳細(xì)說明中，描述了特定的細(xì)節(jié)以便提供對(duì)發(fā)明全面的理解，如前文所述，將理解如果半導(dǎo)體摻雜的類型相反(即N型摻雜替換P型摻雜)，而電壓、陽極和陰極等適當(dāng)相反，則關(guān)于P型和N型材料給出的例子同等使用。本發(fā)明假設(shè)采用P型襯底，這是標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中最標(biāo)準(zhǔn)使用的襯底類型。
[0014]圖1是本發(fā)明基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的單光子級(jí)分辨率傳感器單元結(jié)構(gòu)示意圖，所述的單光子級(jí)分辨率傳感器單元結(jié)構(gòu)的構(gòu)成是:p型硅襯底(4)上方設(shè)有深N阱(3) ；P阱區(qū)域(2)形成于深N阱(3)上方并且被深N阱(3)包??；陽極接觸(9)通過重?fù)诫s的P型區(qū)域⑴連接到P阱區(qū)域⑵；陰極接觸(10)通過重?fù)诫s的N型區(qū)域(5)連接到N阱區(qū)域
(6)以及深N阱(3);淺溝道隔離區(qū)域(7)位于P阱區(qū)域⑵和N阱區(qū)域(6)之間，將P阱與N阱隔離開；淺溝道隔離區(qū)域(7) —周設(shè)有P型摻雜的保護(hù)環(huán)(8)，以遏制淺溝道隔離中由于缺陷產(chǎn)生的暗噪聲；在P阱區(qū)域(2)的底部與深N阱(3)之間的PN結(jié)(11)，當(dāng)在陰極與陽極之間施加適當(dāng)偏置電壓時(shí)PN結(jié)產(chǎn)生高壓區(qū)，形成SPAD倍增區(qū)域，以此來探測(cè)光子，并且通過控制深N阱(3)的濃度梯度使得PN結(jié)的邊緣擊穿電壓高于SPAD的平面倍增區(qū)域的擊穿電壓。
[0015]所述的基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的單光子級(jí)分辨率傳感器的工作機(jī)理和過程如下:
[0016]如圖2所示，傳感器的陽極和陰極之間施加適當(dāng)?shù)钠秒妷?，使其電壓差保證器件的平面倍增區(qū)PN結(jié)(11)處于蓋革模式模式下，即工作電壓比PN結(jié)的擊穿電壓高。在此電壓差下，PN結(jié)(11)處產(chǎn)生一個(gè)耗盡區(qū)，如圖3所示，此耗盡區(qū)內(nèi)存在一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，該電場(chǎng)足夠保證在此區(qū)域內(nèi)的載流子能夠獲得足夠的能量通過碰撞離化效應(yīng)產(chǎn)生雪崩，從而產(chǎn)生一個(gè)大的雪崩電流。
[0017]當(dāng)有光入射到耗盡區(qū)中時(shí)，入射光子的能量被半導(dǎo)體硅吸收，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，如圖4所示。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生的電子向上加速運(yùn)動(dòng)，從而獲得足夠的能量，當(dāng)此電子與娃晶格原子發(fā)生碰撞時(shí)，能把價(jià)鍵上的電子碰撞出來，成為導(dǎo)電電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴，于是一個(gè)載流子變成三個(gè)載流子。同理，產(chǎn)生的電子和空穴還會(huì)繼續(xù)發(fā)生碰撞，如此繼續(xù)下去，載流子就大量增加，產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。從其最終結(jié)果來看，傳感器將一個(gè)入射光子轉(zhuǎn)換成了無數(shù)個(gè)載流子，從而在陰極和陽極之間產(chǎn)生一個(gè)大的可觀測(cè)電流，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)光子的探測(cè)。
[0018]單光子級(jí)分辨率傳感器的一個(gè)重要性能就是其暗噪聲，即傳感器本身內(nèi)部的載流子所引起的雪崩效應(yīng)。如果暗噪聲很高，就會(huì)掩蓋弱光信號(hào)，將光信號(hào)與暗噪聲混淆而分不消楚是否有光子入射。因此，抑制暗噪聲是極其重要的。本發(fā)明中，在淺溝道隔離區(qū)的一周存在一個(gè)P型摻雜的保護(hù)環(huán)，這個(gè)保護(hù)環(huán)有效的抑制了淺溝道隔離中存在的大量缺陷對(duì)器件暗噪聲的貢獻(xiàn)，從而顯著的降低了傳感器的暗噪聲，提高了傳感器的工作性能。
[0019]綜上所述，本發(fā)明基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一種單光子級(jí)分辨率傳感器單元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱光甚至是單個(gè)光子的探測(cè)，簡(jiǎn)化了單光子級(jí)分辨率傳感器的生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本，提高了探測(cè)效率。因此如前文所述，將理解如果半導(dǎo)體摻雜的類型相反(即N型摻雜替換P型摻雜)，而電壓、陽極和陰極等適當(dāng)相反，則關(guān)于P型和N型材料給出的例子同等使用，不超過本發(fā)明所述的器件結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)涵。本發(fā)明假設(shè)采用P型襯底，這是標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中最標(biāo)準(zhǔn)使用的襯底類型。
【權(quán)利要求】
1.一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的單光子級(jí)分辨率傳感器單元結(jié)構(gòu)，該傳感器單元結(jié)構(gòu)使用一種單光子雪崩二極管(SPAD)，所述SPAD結(jié)構(gòu)特征是:P型硅襯底(4)上方設(shè)有深N阱(3);P阱區(qū)域(2)形成于深N阱(3)上方并且被深N阱(3)包??；陽極接觸(9)通過重?fù)诫s的P型區(qū)域⑴連接到P阱區(qū)域(2);陰極接觸(10)通過重?fù)诫s的N型區(qū)域(5)連接到N阱區(qū)域(6)以及深N講(3);淺溝道隔離區(qū)域(7)位于P阱區(qū)域(2)和N阱區(qū)域(6)之間，將P阱與N阱隔離開；淺溝道隔離區(qū)域(7) —周設(shè)有P型摻雜的保護(hù)環(huán)(8)，以遏制淺溝道隔離中由于缺陷產(chǎn)生的暗噪聲；在P阱區(qū)域⑵的底部與深N阱⑶之間的PN結(jié)(11)，當(dāng)在陰極與陽極之間施加適當(dāng)?shù)钠秒妷?，使PN結(jié)工作在蓋革模式下，PN結(jié)產(chǎn)生高壓區(qū)，形成SPAD倍增區(qū)域，以此來探測(cè)光子，并且通過控制深N阱(3)的濃度梯度使得PN結(jié)的邊緣擊穿電壓高于SPAD的平面倍增區(qū)域的擊穿電壓，從而保證器件正常工作在蓋革模式，進(jìn)行光子的探測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SPAD，其中所述的淺溝道隔離區(qū)域(7)，其特征在于，將P阱區(qū)域⑵與N阱區(qū)域(6)有效的隔離開。
3.根據(jù)權(quán)利要求所述的SPAD，其中所述的P型摻雜的保護(hù)環(huán)(8)，其特征在于，位于淺溝道隔離區(qū)域(7)四周，將淺溝道隔離區(qū)域中的缺陷產(chǎn)生的載流子隔離于PN結(jié)(11)倍增區(qū)域之外。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3所述的SPAD，其特征在于，在陰極與陽極之間施加適當(dāng)?shù)钠秒妷?，使PN結(jié)(11)工作在蓋革模式下，以此對(duì)入射光進(jìn)行探測(cè)。
【文檔編號(hào)】H01L31/107GK103779437SQ201410051972
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月17日
【發(fā)明者】卜曉峰, 朱小茅, 吳俊輝 申請(qǐng)人:蘇州超銳微電子有限公司