一种单光子Si-APD探测器及其制造方法

摘要

本发明提出了一种单光子Si‑APD探测器，包括：吸收区、P+接触区、N+接触区、雪崩区、介质层，所述P型衬底表面中部设置吸收区，所述吸收区下方设置P+接触区，所述P+接触区下方设置有下电极；所述吸收区上部的两端位置设置有截止环；所述吸收区的上部的中间位置设置雪崩区，且雪崩区由P型杂质和N型杂质补偿掺杂形成；所述雪崩区之上设置N+接触区；所述雪崩区两侧各设有一个保护环，所述保护环上方设置有上电极；所述N+接触区上方设置介质层。该单光子Si‑APD探测器具有较宽的雪崩区且制造过程引入缺陷很少，可实现高探测效率低暗计数的器件性能。

权利要求

+ +

1.一种单光子Si‑APD探测器，包括：P型衬底、吸收区、P接触区、N接触区、雪崩区、介质+ +

层，其特征在于，所述P型衬底表面中部设置吸收区，所述吸收区下方设置P接触区，所述P接触区下方设置有下电极；所述吸收区上部的两端位置设置有截止环；所述吸收区的上部的中间位置设置雪崩区，且雪崩区由P型杂质和N型杂质补偿掺杂形成；所述雪崩区之上设+ +

置N接触区；所述雪崩区两侧各设有一个保护环，所述保护环上方设置有上电极；所述N 接触区上方设置介质层。

2.根据权利要求1所述的一种单光子Si‑APD探测器，其特征在于，补偿掺杂雪崩区的P型杂质和N型杂质通过离子注入和高温再扩散形成；P型杂质的注入剂量大于N型杂质的注入剂量，P型杂质的扩散深度大于N型杂质的扩散深度，形成一个峰值浓度在器件内部且净‑3 ‑3

掺杂浓度为P型的杂质峰，净掺杂峰值浓度范围为5E15cm ‑1E17cm ，净掺杂峰值深度范围为0.5μm‑3μm。

3.根据权利要求1所述的一种单光子Si‑APD探测器及其制造方法，其特征在于，所述吸‑3

收区采用本征或者P型轻掺杂，其体浓度≤5E15cm 。

4.根据权利要求1所述的一种单光子Si‑APD探测器，其特征在于，所述保护环通过N型‑3 ‑3

掺杂形成，其体浓度范围为5E15cm ‑5E17cm 。

5.根据权利要求1所述的一种单光子Si‑APD探测器，其特征在于，所述截止环通过P型‑3 ‑3

重掺杂形成，其体浓度范围为1E18cm ‑1E20cm 。

6.根据权利要求1所述的一种单光子Si‑APD探测器，其特征在于，所述P型杂质为硼元素和/或镓元素。

7.根据权利要求1所述的一种单光子Si‑APD探测器，其特征在于，所述N型杂质为磷元素和/或砷元素。

8.根据权利要求1所述的一种单光子Si‑APD探测器，其特征在于，所述P型衬底采用外延硅片或单晶硅片。

9.一种如权利要求1‑4任一所述的单光子Si‑APD探测器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用清洁的P型衬底，生长氧化介质层；

(2)通过光刻、刻蚀介质层，形成截止环图案，并将硼元素注入截止环图案中，形成截止环；

(3)通过光刻、刻蚀介质层，形成保护环图案，并将适量磷元素注入保护环图案中形成保护环；

(4)雪崩区P形杂质注入：通过光刻、刻蚀介质层，形成雪崩区图案，向雪崩区一侧注入适量硼元素和/或镓元素，再通过高温过程使硼元素和/或镓元素向硅片内部扩散；

(5)雪崩区N形杂质注入：向雪崩区另一侧注入适量磷元素和/或砷元素，再通过高温过程使磷元素和/或砷元素向硅片内部扩散，从而和硼元素互补掺杂；

+ +

(6)通过光刻、刻蚀介质层，形成N接触区图案，并通过注入磷元素形成N接触区；

(7)衬底上方淀积金属铝，并通过光刻、刻蚀形成上电极；

(8)衬底下方金属铝，形成下电极。

10.根据权利要求9所述的一种制造方法，其特征在于，所述P型衬底采用外延硅片，且P型外延硅片的衬底电阻率为0.01Ωcm‑0.05Ωcm，外延层电阻率≥100Ωcm。

说明书

一种单光子Si‑APD探测器及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光电探测器芯片领域，具体涉及一种单光子Si‑APD探测器及其制造方法。

背景技术

[0002] 单光子探测作为一种极微弱光信号的检测技术，在量子通信、天文测光、医学成像和雷达探测等领域具有广阔的应用前景，鉴于其巨大的科研价值和战略地位，单光子探测
成为当前光电检测领域的热点之一。单光子探测器作为探测系统的核心部件，决定着整个
单光子探测系统的性能参数，因而设计高探测效率、低暗计数的单光子探测器是当前迫切
需要解决的关键问题之一。

[0003] 单光子硅雪崩二极管Si‑APD是一种工作在盖革模式下的特殊光电二极管，具有约6
10量级的内部增益，可实现单光子探测。探测效率和暗计数是单光子Si‑APD最重要的性能
指标。探测效率代表器件接受到一个光子时产生雪崩电流信号的概率，等于量子效率乘以
雪崩概率。暗计数表示器件在无光时产生雪崩电流信号的频率，主要受器件内部缺陷影响。
Si‑APD的雪崩区的结构及制备方法对探测效率和暗计数至关重要。传统的雪崩区制备方法
有扩散和高能注入两种。扩散方法制备的雪崩区宽度很窄，器件工作时要达到高雪崩概率
需要雪崩区具有更高的电场强度，如图5所示，而更高的电场强度将导致带间隧穿和缺陷辅
助隧穿，使暗计数变大。高能注入方法制备的雪崩区宽度更宽，雪崩区电场强度较低，如图6
所示，但是高能注入中高能杂质离子轰击硅片会损伤硅晶格，造成缺陷，同样会使暗计数变
大。

发明内容

[0004] 为了解决上述问题，本发明提供一种高探测效率低暗计数的单光子Si‑APD探测器及其制造方法。

[0005] 一种单光子Si‑APD探测器，包括：P型衬底、吸收区、P+接触区、N+接触区、雪崩区、介+ +
质层，所述P型衬底表面中部设置吸收区，所述吸收区下方设置P接触区，所述P接触区下方
设置有下电极；所述吸收区上部的两端位置设置有截止环；所述吸收区的上部的中间位置
+
设置雪崩区，且雪崩区由P型杂质和N型杂质补偿掺杂形成；所述雪崩区之上设置N接触区；
+
所述雪崩区两侧各设有一个保护环，所述保护环上方设置有上电极；所述N接触区上方设
置介质层。

[0006] 进一步的，补偿掺杂雪崩区的P型杂质和N型杂质通过离子注入和高温再扩散形成，P型杂质的注入剂量大于N型杂质的注入剂量，P型杂质的扩散深度大于N型杂质的扩散
深度，以此形成一个峰值浓度在器件内部，且净掺杂浓度为P型的杂质峰，净掺杂峰值浓度
‑3 ‑3
范围为5E15cm ‑1E17cm ，净掺杂峰值深度范围为0.5μm‑3μm。

[0007] 进一步的，所述吸收区的作用在于吸收入射光子产生载流，吸收区内是本征或者P‑3
型轻掺杂，其体浓度≤5E15cm 。

[0008] 进一步的，所述保护环通过N型掺杂形成，其体浓度范围为5E15cm‑3‑5E17cm‑3，且保护环的作用在于防止雪崩区提前边缘击穿。

[0009] 进一步的，所述截止环通过P型重掺杂形成，其体浓度范围为1E18cm‑3‑1E20cm‑3，且截止环的作用在于抑制器件的暗电流。

[0010] 进一步的，所述P型杂质为硼元素和/或镓元素。

[0011] 进一步的，所述N型杂质为磷元素和/或砷元素。

[0012] 进一步的，所述P型衬底采用外延硅片或单晶硅片。

[0013] 一种制造所述单光子Si‑APD探测器的方法，包括以下步骤：

[0014] (1)采用清洁的P型衬底，生长氧化介质层；

[0015] (2)通过光刻、刻蚀介质层，形成截止环图案，并将硼元素注入截止环图案中，形成截止环；

[0016] (3)通过光刻、刻蚀介质层，形成保护环图案，并将适量磷元素注入保护环图案中形成保护环；

[0017] (4)雪崩区P形杂质注入：通过光刻、刻蚀介质层，形成雪崩区图案，向雪崩区一侧注入适量硼元素和/或镓元素，再通过高温过程使硼元素和/或镓元素向硅片内部扩散；

[0018] (5)雪崩区N形杂质注入：向雪崩区另一侧注入适量磷元素和/或砷元素，再通过高温过程使磷元素和/或砷元素向硅片内部扩散，从而和硼元素互补掺杂；

[0019] (6)通过光刻、刻蚀介质层，形成N+接触区图案，并通过注入磷元素形成N+接触区；

[0020] (7)正面淀积金属铝，并通过光刻、刻蚀形成上电极；

[0021] (8)背面淀积金属铝，形成下电极。

[0022] 进一步的，所述P型外延硅片的衬底电阻率为0.01Ωcm‑0.05Ωcm，外延层电阻率≥100Ωcm。

[0023] 本发明的有益效果：

[0024] 1.本发明的单光子Si‑APD探测器结构新颖：本发明在P型衬底中设有吸收区、雪崩区、P+接触区、N+接触区、介质层、保护环和截止环，在结构上有很大的突破。

[0025] 2.本发明的单光子Si‑APD探测器探测效率高和低暗计数的优点；雪崩区通过P型杂质和N型杂质补偿掺杂形成，P型杂质和N型杂质通过离子注入和高温再扩散形成。其中，P
型杂质的注入剂量大于N型杂质的注入剂量，P型杂质的扩散深度大于N型杂质的扩散深度，
以此形成一个峰值浓度在器件内部，且净掺杂浓度为P型的杂质峰，净掺杂峰值浓度范围为
‑3 ‑3
5E15cm ～1E17cm ，净掺杂峰值深度范围为0.5μm～3μm。这样制作的单光子Si‑APD探测
器，其雪崩区宽度较宽，器件达到高雪崩概率所需的雪崩区电场强度相对较低，不会造成带
间隧穿和缺陷辅助隧穿，可以提高探测效率；并且，采用扩散工艺制作雪崩区而非高能注
入，不会损伤硅晶格造成缺陷。在243K的温度下，该器件光子探测效率超过70％，同时，暗计
数小于1kcps，属于国际一流水平。

附图说明

[0026] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

[0027] 图1是本发明实施例的单光子Si‑APD结构截面图；

[0028] 图2是本发明实施例的雪崩区杂质浓度分布图；

[0029] 图3是本发明实施例的一种单光子Si‑APD工艺制造流程图；

[0030] 图4是本发明实施例的另一种单光子Si‑APD工艺制造流程图；

[0031] 图5是一种现有的Si‑APD掺杂浓度和电场；

[0032] 图6是另一种现有的Si‑APD掺杂浓度和电场；

[0033] 图7是本发明实施例的雪崩区杂质浓度分布测试结果图；

[0034] 图8是是本发明实施例的单光子Si‑APD的探测效率和暗计数测试结果图。

具体实施方式

[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0036] 如图1所示，一种单光子Si‑APD探测器，包括：P型衬底、吸收区、P+接触区、N+接触+
区、雪崩区、介质层，所述P型衬底表面中部设置吸收区，所述吸收区下方设置P 接触区，所
+
述P 接触区下方设置有下电极；所述吸收区上部的两端位置设置有截止环；所述吸收区的
上部的中间位置设置雪崩区，且雪崩区由P型杂质和N型杂质补偿掺杂形成；所述雪崩区之
+
上设置N接触区；所述雪崩区两侧各设有一个保护环，所述保护环上方设置有上电极；所述
+
N接触区上方设置介质层。

[0037] 进一步的，所述雪崩区是通过P型杂质和N型杂质补偿掺杂形成的。P型杂质和N型杂质是通过离子注入和高温再扩散形成的。P型杂质的注入剂量大于N型杂质的注入剂量，P
型杂质的扩散深度大于N型杂质的扩散深度，以此形成一个峰值浓度在器件内部而非表面，
‑3 ‑3
且净掺杂浓度为P型的杂质峰，净掺杂峰值浓度范围为5E15cm ‑1E17cm ，净掺杂峰值深度
范围为0.5μm‑3μm，如图2所示。这样制作的单光子Si‑APD探测器，其雪崩区宽度较宽，器件
达到高雪崩概率所需的雪崩区电场强度相对较低，不会造成带间隧穿和缺陷辅助隧穿；并
且，采用扩散工艺制作雪崩区而非高能注入，不会损伤硅晶格造成缺陷。因此，该单光子Si‑
APD具有高探测效率和低暗计数的优点。

[0038] 进一步的，所述吸收区的作用在于吸收入射光子产生载流，吸收区内采用本征或‑3
者P型轻掺杂，其体浓度≤5E15cm 。

[0039] 进一步的，所述保护环的作用在于防止雪崩区提前边缘击穿，通过N型掺杂形成，‑3 ‑3
其体浓度范围为5E15cm ‑5E17cm 。

[0040] 进一步的，所述截止环的作用在于抑制器件的暗电流，通过P型重掺杂形成，其体‑3 ‑3
浓度范围为1E18cm ‑1E20cm 。

[0041] 进一步的，所述P型杂质为硼元素和/或镓元素。

[0042] 进一步的，所述N型杂质为磷元素和/或砷元素。

[0043] 进一步的，所述P型衬底采用外延硅片或单晶硅片。

[0044] 如图3所示，本发明的一个实施例中，单光子Si‑APD的具体制造工艺流程包括：

[0045] (1)准备清洁的P型外延硅片，其电阻率为0.01～0.05Ωcm，外延层电阻率为100～150Ωcm；

[0046] (2)生长氧化硅介质层；

[0047] (3)通过光刻、刻蚀介质层，形成截止环图案，将大剂量硼元素注入截止环图案中，‑2 ‑2
形成截止环，其中注入的硼元素的浓度为1E14cm ～1E15cm ；

[0048] (4)通过光刻、刻蚀介质层，形成保护环图案，通过适量磷元素注入保护环图案中‑2 ‑2
形成保护环，其中注入的磷元素的浓度为2E12cm ～2E13cm ；

[0049] (5)雪崩区P形杂质注入：通过光刻、刻蚀介质层，形成雪崩区图案，向雪崩区一侧注入适量硼元素和/或镓元素，再采用高温退火炉的高温过程使硼元素和/或镓元素向硅片
内部扩散；

[0050] (6)雪崩区N形杂质注入：向雪崩区另一侧注入适量磷元素和/或砷元素，再通过高温过程使磷元素和/或砷元素向硅片内部扩散，从而和硼元素互补掺杂；

[0051] (7)通过光刻、刻蚀介质层，形成N+接触区图案，并通过注入大剂量磷元素形成N+接‑2 ‑2
触区，注入的磷元素的浓度为1E14cm ～1E15cm ；

[0052] (8)通过溅射或热蒸发方法正面淀积金属铝，并通过光刻、刻蚀形成上电极；

[0053] (9)背面淀积金属铝，形成下电极。

[0054] 优选的，在本发明的实施例中，截止环体浓度范围为1E18cm‑3～1E20cm‑3。

[0055] 优选的，在本发明的实施例中，保护环体浓度范围为5E15cm‑3～5E17cm‑3。

[0056] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区P型杂质注入剂量为4E12～1E13cm‑2。

[0057] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区P型杂质注入能量为30～150KeV。

[0058] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区P型杂质扩散温度是1100～1200℃。

[0059] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区P型杂质扩散扩散时间是2～20小时。

[0060] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区N型杂质注入剂量是2E12～8E12cm‑2。

[0061] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区N型杂质注入能量是30～150KeV。

[0062] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区N型杂质扩散温度是1100～1200℃。

[0063] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区N型杂质扩散扩散时间是1～20小时。

[0064] 如图4所示，是本发明另一个实施例的单光子Si‑APD具体制造工艺流程，具体步骤包括：

[0065] (1)准备清洁的P型单晶硅片，其电阻率≥250Ωcm；

[0066] (2)生长氧化硅介质层；

[0067] (3)通过光刻、刻蚀介质层，形成截止环图案，并通过大剂量硼元素注入形成截止‑2 ‑2
环，其中注入的硼元素的浓度为1E14cm ～1E15cm ；

[0068] (4)通过光刻、刻蚀介质层，形成保护环图案，并通过适量磷元素注入形成保护环，‑2 ‑2
其中注入的磷元素的浓度为2E12cm ～2E13cm ；

[0069] (5)雪崩区P形杂质注入：通过光刻、刻蚀介质层，形成雪崩区图案，向雪崩区一侧注入适量硼元素和/或镓元素，再通过高温过程使硼元素和/或镓元素向硅片内部扩散；

[0070] (6)雪崩区N形杂质注入：向雪崩区另一侧注入适量磷元素和/或砷元素，再通过高温过程使磷元素和/或砷元素向硅片内部扩散，从而和硼元素和/或镓元素互补掺杂形成雪
崩区；

[0071] (7)通过光刻、刻蚀介质层，形成N+接触区图案，并通过大剂量磷元素注入形成N+接‑2 ‑2
触区，其中注入的磷元素浓度为1E14cm ～1E15cm ；

[0072] (8)正面淀积金属铝，并通过光刻、刻蚀形成上电极；

[0073] (9)使用机械研磨和湿法腐蚀从背面将P型单晶硅片减薄至设计厚度；

[0074] (10)在吸收区下方注入大剂量硼元素形成P+接触区，其中注入的硼元素的浓度为‑2 ‑2
1E14cm ～1E15cm ；

[0075] (11)在P+接触区下方通过溅射或热蒸发方法淀积金属铝，形成下电极。

[0076] 如图5所示，单纯的扩散方法制备的雪崩区宽度很窄，达到高光子探测效率时器件雪崩区的峰值电场强度极高，使价带电子直接跃迁至导带产生带间隧穿，使暗计数急剧增
大。

[0077] 如图6所示，高能注入方法制备的雪崩区，虽然宽度更宽，电场强度较低，但是高能注入中高能杂质离子轰击硅片会损伤硅晶格，造成缺陷，同样会使暗计数变大。

[0078] 如图7所示是另一个实施例中单光子Si‑APD雪崩区的扩散电阻法(Spreading resistance profile,SRP)的测量结果，其中，杂质峰值深度为2.6μm，杂质峰值浓度为
‑3
8E15cm 。该雪崩区是通过N型和P型杂质补偿掺杂，使用扩散工艺形成，降低了对硅材料的
损伤；同时，这样的杂质分布可以保证雪崩区宽度较宽，在高光子探测效率的情况下雪崩区
电场强度相对较低，不会造成带间隧穿。由此，便降低了器件的暗计数。

[0079] 图8是另一个实施例中单光子Si‑APD的在850nm波长下的探测效率与暗计数实测图。在243K的温度下，该器件光子探测效率超过70％同时，暗计数小于1kcps，属于国际一流
水平。

[0080] 优选的，在本发明的实施例中，截止环体浓度范围为1E18cm‑3～1E20cm‑3。

[0081] 优选的，在本发明的实施例中，保护环体浓度范围为5E15cm‑3～5E17cm‑3。

[0082] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区P型杂质注入剂量为4E12～1E13cm‑2。

[0083] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区P型杂质注入能量为30～150KeV。

[0084] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区P型杂质扩散温度是1100～1200℃。

[0085] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区P型杂质扩散扩散时间是2～20小时。

[0086] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区N型杂质注入剂量是2E12～8E12cm‑2。

[0087] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区N型杂质注入能量是30～150KeV。

[0088] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区N型杂质扩散温度是1100～1200℃。

[0089] 优选的，在本发明的实施例中，雪崩区N型杂质扩散扩散时间是1～20小时。

[0090] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。