本发明涉及一种多结的近红外单光子雪崩二极管及制备方法,该二极管包括第一P+区、第一N阱、高压P阱、P型外延层、N+区、第二N阱、高压N阱、第一N埋层、第二N埋层、第一沟槽隔离区、第二沟槽隔离区、第二P+区、P型衬底、阳极、阴极和接地电极。该二极管包含三个PN结:第一P+区和第一N阱之间形成PN结以用作雪崩区,第一N埋层和高压P阱之间形成PN结以用作雪崩区和漂移区,P型外延层和第二N埋层之间形成PN结以用作漂移区;两个雪崩区用于倍增光生载流子,两个漂移区用于输运其内的光生载流子至雪崩区;雪崩区和漂移区的互动作用,使二极管在可见光和近红外波段的探测效率都有明显提升。
本发明中近红外单光子雪崩二极管包括P型衬底13、第二N埋层10、第一N埋层9、高压P阱4、第一N阱3、第一P+区1、P型外延层5、高压N阱8、第二N阱7、N+区6、第一沟槽隔离区(STI)11a、第二沟槽隔离区(STI)11b、第二P+区12、阳极16、阴极17和接地电极18。其中,高压P阱4是指在高电压条件下形成的P阱区,其制备电压大于P阱的制备电压,即在5V以上;高压N阱8中是指在高电压条件下形成的N阱区,其制备电压大于N阱的制备电压,即在5V以上。
近几年不断有人尝试各种方法来提高硅基单光子雪崩二极管的红外敏感探测效率。有学者使用红外敏感的材料作为吸收区域,比如Ge和InGaAs等材料,但是由于晶格不匹配,器件的暗计数率和噪声非常高。还有研究者通过增加吸收层厚度提高吸收效率,也就是所谓的穿通结构的硅基单光子雪崩二极管,但是这种方法通常使用分立器件的结构设计,无法与CMOS电路集成;同时过大的吸收区域会使得载流子运动距离增加,导致器件响应时间增大,同时还会导致噪声和击穿电压的增加,所以这种方法有待改进。还有研究者使用光陷阱结构提高近红外敏感的探测效率,但是这种结构的器件体积较大,不利于阵列设计,并且制作难度大、成本高。因此,近红外单光子雪崩二极管及制备方法,可以有效解决此类问题。
本发明的单光子雪崩二极管中雪崩区和漂移区的互动作用使二极管短波长和近红外探测效率都有明显提升,使得单光子雪崩二极管具有探测效率高、可探测光谱范围宽的优点。
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