一种提升单光子雪崩二极管光子探测效率的基于多孔洞型扩散的二极管结构

本技术涉及半导体光电子，尤其涉及一种提升单光子雪崩二极管光子探测效率的基于多孔洞型扩散的二极管结构。

背景技术：

1、目前，响应于近红外波段的ingaas单光子雪崩二极管在激光雷达探测，三维成像，激光通讯等领域有巨大的应用前景。单光子雪崩二极管利用碰撞电离原理实现微弱光信号到宏观电信号的光电转换，一个光子打进光敏面内并在吸收区被吸收产生一个电子空穴对，该空穴被电场驱动漂移进入倍增区并触发雪崩，输出一个雪崩脉冲并被鉴别为一个雪崩信号，该过程发生的概率为光子探测效率。而器件内在没有受到近红外光照时由于复合等因素产生的载流子所触发的雪崩计数为暗计数，提升单光子雪崩二极管性能的核心在于提升光子探测效率的同时降低暗计数。

2、目前基于双锌扩散的平面结ingaas/inp已成为主流的ingaas单光子雪崩二极管的设计，该结构的关键在于两步锌扩散，分为一次深扩散和一次浅扩散，通过调节两次扩散时间和温度来调控扩散深度，深扩散是通过透过一个较小的扩散圆孔形成一个较小面积的圆形扩散区域，浅扩散是通过透过一个与深扩散扩散孔同圆心的较大的扩散圆孔形成一个较大面积的圆形扩散区域。深扩散区域定义了单光子雪崩二极管的感光面，深扩散下帽层的inp材料区域被定义为倍增区，浅扩散用于防止由于扩散结形貌局域的曲率较大引起的器件边缘击穿。

3、理论上光敏面面积越大，倍增区的面积越大，伴随而来的是光子探测效率

4、与暗计数同时的提升，但是现在成熟的ingaas/inp的双锌扩散的设计下的器件却无法实现提升光敏面的同时提升光子探测效率，甚至由于暗计数的增大，需要恢复的死时间占空比增大，光子到达时刻器件处于可探测状态的概率降低，进而造成光子探测效率的降低。制约大光敏面器件光子探测效率进一步提升的原理是传统双锌扩散制造工艺下，像元中心的结面平坦，曲率小，导致像元中心区域的碰撞电离概率低于像元外环边缘结面曲率大的区域，实际有效光响应区域集中在深扩散与浅扩散结交界处的一个环形区域。

5、目前现有两个提升单光子雪崩二极管的光子探测效率的方案，第一是通过给器件增加光学结构，如微结构透镜等增强光学吸收，这种方案大大增加了器件的研制成本，并且对光学结构的设计也有极高的要求。第二种方案则是通过改进器件吸收层的设计，增厚吸收层来增大光子探测效率，但是由于吸收层的复合过程是暗计数的主要来源之一，这种设计在提升光子探测效率的同时也会大大增加器件的暗计数。于是，目前对于大光敏面单光子雪崩二极管的光子探测效率低下的问题尚无令人满意的解决方案。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种提升单光子雪崩二极管光子探测效率的基于多孔洞型扩散的二极管结构。该二极管可实现大感光面的单光子雪崩二极管的光子探测效率的提升。

2、本实用新型的目的在于通过设计基于多孔洞型扩散的雪崩二极管结构，有效提升大光敏面单光子雪崩二极管的像元中心区域的结面曲率，改善像元中心区域倍增区的碰撞电离概率，增大单光子雪崩二极管的光子探测效率，实现单光子雪崩二极管探测性能的优化。

3、本发现的目的采用如下技术方案实现：

4、一种提升单光子雪崩二极管光子探测效率的基于多孔洞型扩散的二极管结构，包括单光子雪崩二极管器件结构，该二极管为光电二极管，该二极管pn结为基于平面结的扩散结构；该扩散结构位于单光子雪崩二极管的帽层，帽层上部中心位置设置有一个由两次扩散生成的p型掺杂区域；第一次扩散通过多个圆孔型扩散孔约束形成蜂窝状扩散区域，第二次扩散通过一个单一圆孔型扩散孔形成一个单一圆形扩散区域。

5、进一步地，二级管的衬底为inp材料，衬底上层依次为inp缓冲层、ingaas吸收层、ingaasp渐变层、inp电荷层和设置了p型掺杂区域的inp帽层。

6、进一步地，第一次的蜂窝状扩散区域的深度深于第二次单一圆形扩散区域的深度。

7、进一步地，与第一次的蜂窝状扩散区域的最外环边界相切的圆形的尺寸定义为光电二极管的像元光敏面尺寸，第二次的单一圆形扩散区域为上述圆形的同心圆，单一圆形扩散区域的半径大于与蜂窝状扩散区域的最外环边界相切的圆形半径。

8、相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

9、1.相比现有的传统双锌扩散设计工艺，本实用新型的蜂窝状扩散结构能够有效提升光敏元中心下方结区的空间曲率，增大光敏元中心区域下倍增区的碰撞电离概率，优化单光子雪崩二极管的光子探测效率。

10、2.相比于传统的双锌扩散设计工艺，本实用新型的蜂窝状扩散结构仅通过改变光刻版图形即可实现。

11、本实用新型从器件扩散成结的设计的角度，实用新型一种基于多孔洞型扩散的二极管结构，增大大光敏面单光子雪崩二极管像元中心区域结面的曲率，进而增大像元中心区域的碰撞电离概率，实现单光子雪崩二极管光子探测效率的有效提升，推动近红外单光子探测技术向更高层次发展。

1.一种提升单光子雪崩二极管光子探测效率的基于多孔洞型扩散的二极管结构，包括单光子雪崩二极管器件结构，其特征在于：该二极管为光电二极管，该二极管pn结为基于平面结的扩散结构；该扩散结构位于单光子雪崩二极管的帽层，帽层上部中心位置设置有一个由两次扩散生成的p型掺杂区域；第一次扩散通过多个圆孔型扩散孔约束形成蜂窝状扩散区域，第二次扩散通过一个单一圆孔型扩散孔形成一个单一圆形扩散区域。

2.根据权利要求1所述的提升单光子雪崩二极管光子探测效率的基于多孔洞型扩散的二极管结构，其特征在于：二级管的衬底为inp材料，衬底上层依次为inp缓冲层、ingaas吸收层、ingaasp渐变层、inp电荷层和设置了p型掺杂区域的inp帽层。

3.根据权利要求2所述的提升单光子雪崩二极管光子探测效率的基于多孔洞型扩散的二极管结构，其特征在于：第一次的蜂窝状扩散区域的深度深于第二次单一圆形扩散区域的深度。

4.根据权利要求3所述的提升单光子雪崩二极管光子探测效率的基于多孔洞型扩散的二极管结构，其特征在于：与第一次的蜂窝状扩散区域的最外环边界相切的圆形的尺寸定义为光电二极管的像元光敏面尺寸，第二次的单一圆形扩散区域为上述圆形的同心圆，单一圆形扩散区域的半径大于与蜂窝状扩散区域的最外环边界相切的圆形半径。