本發(fā)明涉及一種基于CMOS圖像傳感器工藝的NP型單光子雪崩二極管的結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：
單光子探測(cè)是一種極微弱光的探測(cè)方法，被廣泛應(yīng)用在天文學(xué)、生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域中。由于單個(gè)光子的能量極低，用通常的檢測(cè)方法很難直接把這種微弱的信號(hào)提取出來(lái)。要想觀測(cè)到物質(zhì)吸收單個(gè)光子后所引起的變化，必須存在相關(guān)的放大機(jī)制。利用光電效應(yīng)原理，可以采用基于光電倍增管（PMT）和雪崩光電二極管的單光子探測(cè)器。早期的單光子探測(cè)采用光電倍增管的方法。PMT作為單光子探測(cè)器具有高增益、光敏面大和暗計(jì)數(shù)低的優(yōu)點(diǎn)，但是它需要工作在高電壓下（通常在800到1500V之間），不能與信號(hào)處理電路進(jìn)行集成，且容易受到磁場(chǎng)的影響。雪崩光電二極管是一種建立在內(nèi)光電效應(yīng)基礎(chǔ)上的光電器件。雪崩光電二極管工作在反向偏壓下，反向偏壓越高，耗盡層中的電場(chǎng)強(qiáng)度也就越大。在單光子探測(cè)中，APD工作在蓋革模式下，反向偏置電壓大于其雪崩擊穿電壓，因此它也被稱(chēng)為蓋革模式雪崩光電二極管或者單光子雪崩二極管（SPAD）。SPAD具有單光子探測(cè)靈敏度、皮秒量級(jí)響應(yīng)速度、增益系數(shù)高、對(duì)電離輻射和磁場(chǎng)不敏感、工作電壓低、暗電流低、體積小、功耗低、過(guò)剩噪聲小、結(jié)構(gòu)緊湊、集成化高等優(yōu)點(diǎn)，在光場(chǎng)探測(cè)、光子學(xué)、激光測(cè)距等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。對(duì)于CMOSSPAD器件說(shuō)，它主要有兩種結(jié)構(gòu)：一種是PN型，另一種是NP型。PN型SPAD是在P型襯底上制作N阱，然后在N阱里制作重?fù)诫sP型區(qū)，由N阱和P+構(gòu)成PN結(jié)，形成倍增區(qū)。NP型的SPAD是在P型襯底上注入N阱，由P型襯底和N阱構(gòu)成PN結(jié)，形成倍增區(qū)。對(duì)于PN型的SPAD，短波長(zhǎng)的光觸發(fā)雪崩的概率要大，長(zhǎng)波長(zhǎng)的光觸發(fā)雪崩的概率要小，因此PN型SPAD對(duì)藍(lán)光比較敏感；同時(shí)，SiO2與Si界面的缺陷捕獲電子而產(chǎn)生空穴，即使在外加反向偏置電壓的情況下，這些空穴不會(huì)進(jìn)入倍增區(qū)而觸發(fā)雪崩。而NP型SPAD對(duì)綠光比較敏感；NP型SPAD可以使用重?fù)诫sN區(qū)域和P襯底構(gòu)成，其耗盡層相對(duì)較寬，可以獲得較大的探測(cè)效率；但是由于SiO2與Si界面的缺陷會(huì)捕獲電子，從而在界面產(chǎn)生空穴，這些空穴在外加反向偏壓的作用下向P型區(qū)域運(yùn)動(dòng)；當(dāng)反偏電壓大于擊穿電壓時(shí)，運(yùn)動(dòng)的空穴會(huì)觸發(fā)雪崩，從而使器件的暗計(jì)數(shù)增大。基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝研究單光子光電探測(cè)器件方面已經(jīng)開(kāi)展了很多的工作。傳統(tǒng)的CMOS單光子雪崩二極管使用P+/Nwell結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，NP型單光子雪崩二極管的應(yīng)用由于較差的噪聲特性而受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出一種基于CMOS圖像傳感器工藝的NP型單光子雪崩二極管(SPAD)，其基本結(jié)構(gòu)包括：P型硅襯底（100）上方設(shè)有深N阱（200）；P阱（301）形成于深N阱（200）上方并與深N阱（200）接觸；P阱（301）的周?chē)O(shè)有輕摻雜的保護(hù)環(huán)（401，402）；N+區(qū)域（601，602）形成于P阱（301）上方，并與輕摻雜的保護(hù)環(huán)（401，402）有一定的重疊；N+區(qū)域（601，602）和輕摻雜的保護(hù)環(huán)（401，402）的上方設(shè)有重?fù)诫s的P型區(qū)域（801，802，803），覆蓋了除陰極接觸和陽(yáng)極接觸以外的整個(gè)（601，602）和（401，402）的表面；輕摻雜的保護(hù)環(huán)（401，402）周?chē)O(shè)有P阱（302，303），P阱區(qū)域（302，303）通過(guò)P+區(qū)域（502，503）引出襯底電極；重?fù)诫s的P型區(qū)域（801，802，803）與P阱（302，303）連起來(lái)，具有相同的電勢(shì)；P+區(qū)域（502，503）與重?fù)诫s的P型區(qū)域（801，802，803）之間設(shè)置有淺結(jié)隔離STI（702，703）；STI（702，703）與重?fù)诫s的P型區(qū)域（801，802，803）之間設(shè)有一定的距離。N+區(qū)域（601，602）的底部與P阱（301）的頂部之間形成PN結(jié)（11），并通過(guò)N+區(qū)域（601）和P+區(qū)域（501）引出陰極電極和陽(yáng)極電極。本發(fā)明的技術(shù)效果在于：1）本發(fā)明的單光子雪崩二極管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在蓋革模式下發(fā)生雪崩擊穿，可以實(shí)現(xiàn)單光子的探測(cè)。2）本發(fā)明的單光子雪崩二極管沿結(jié)深方向有四個(gè)PN結(jié)，通過(guò)加合適的偏置電壓，使結(jié)（11）工作在蓋革模式，其他三個(gè)PN結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)，可以提高器件的時(shí)間分辨率；若使結(jié)（12）工作在蓋革模式，則可以增強(qiáng)器件對(duì)藍(lán)光的響應(yīng)。3）本發(fā)明的單光子雪崩二極...