雪崩光电探测器(变型)及其制造方法(变型)与流程

1.本发明涉及能够检测微弱光信号的雪崩光电探测器(apd)。这样的apd广泛用于lidar、通信系统、机器视觉、机器人、医学、生物学、环境监测等。


背景技术：

2.常规的雪崩光电探测器(apd)包括多个半导体材料层，所述多个半导体材料层一个接一个地放置在半导体晶片上。
3.一组半导体层形成光电转换器，在光电转换器中，信号光子被吸收以产生自由电荷载流子，即电子或电子空穴。这些光产生的电荷载流子然后进入另一组半导体层，即雪崩放大器，在雪崩放大器内部形成电场强度足够高以使电荷载流子雪崩式倍增的区域。
4.阈值灵敏度是apd的主要参数，并且取决于光电转换器和雪崩放大器两者的特性。
5.阈值灵敏度在很大程度上受到雪崩放大器的暗电流的限制，该暗电流主要是由光载流子的雪崩式倍增所需的高强度场引起的。
6.为了减小雪崩放大器的暗电流，从而提高apd的阈值灵敏度，可以使雪崩放大器所占的面积相对于光电转换器所占的面积更小。
7.可以例如在根据专利us 9,035,410和ru 2,641,620的雪崩光电探测器中看到这方面的例子，上述专利公开了这样的结构：包括两层(接触层和倍增层)的雪崩放大器和光电转换器两者彼此靠近地位于同一晶片上，并且光电转换器的面积大于放大器的面积。
8.在根据专利ru 2,641,620的apd中，倍增层由导电类型与信号光电转换器的导电类型相同的半导体材料制成，面向晶片并直接与自主光电转换器邻接，这允许减少由通过外部电路从光电转换器传输到雪崩放大器的光载流子引起的过度暗噪声(参见us 9,035,410)。
9.主要缺点是使倍增层独立于光电转换器阻碍了光电转换器层中产生的光载流子到达倍增层，从而导致成倍的光信号损失。这导致阈值灵敏度下降，该阈值灵敏度是光电探测器的基本参数。
10.本发明的目的是制造具有高阈值灵敏度的雪崩光电探测器(apd)，该apd将不受光载流子从光电转换器到雪崩放大器的低效传输的限制。此外，所提出的apd实施例之一将具有来自相邻区域的较少暗电流。最后，在多个这样的放大器用于同一apd的情况下，要求保护的apd设计产生来自相邻雪崩放大器的更少干扰噪声。
11.通过解决所有这些问题，将有可能提高作为apd的基本参数的阈值灵敏度。


技术实现要素：

12.要求保护的发明包括雪崩光电探测器(apd)以及用于制造该apd的方法，其允许通过将倍增层全部放置在导电晶片上方来使光载流子从光电转换器到雪崩放大器的传输更高效。至少一个雪崩放大器的接触层形成在倍增层的某一区域中。因此，接触层外部的倍增层作为光电转换器起作用。结果，已在光电转换器中被引发的光载流子将无阻碍地进入雪
崩放大器的倍增区域。雪崩光电探测器的第一电极和第二电极分别放置在接触层和晶片上。
13.为了减少apd的来自相邻晶片区域的暗电流，在倍增层表面上蚀刻封闭凹槽，封闭凹槽的深度大于或等于倍增层的厚度，但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且在由所述凹槽界定的区域内部形成光电探测器。凹槽填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅。
14.为了抑制来自相邻雪崩放大器的干扰噪声(当来自相邻雪崩放大器中的热电荷载流子的光子的寄生光电子进入倍增区域时产生的噪声)，雪崩放大器的所述区域被定位成高于光载流子产生区域。
15.为了实现这一点，光电转换器区域中的一些倍增层被蚀刻，蚀刻量小于层厚度。然后，将介电层放置在倍增层的蚀刻掉的表面上，介电层的厚度等于光电转换区域中的倍增层的蚀刻掉的量，并且将由透明材料制成的第一电极放置在雪崩放大器的接触层和介电层两者的表面上。
16.为了提高效率，半导体晶片应该由低电阻材料制成。
17.晶片和倍增层两者由相同的半导体材料制成是可行的。
18.晶片表面上的倍增层可以使用外延法制成，并且可以通过用形成具有相反导电性的层的掺杂剂掺杂倍增层来制成接触层。
19.封闭凹槽的宽度为1.5μm至2.0μm也是可行的。
20.还可以将高电阻层放置在雪崩放大器的接触层与第一电极之间。
附图说明
21.本发明的目的、特征和优点将在详细说明和附图中进一步指出。
22.图1是根据第一实施例的要求保护的apd的示意性横截面，该apd包括：半导体晶片101；覆盖半导体晶片的整个表面的倍增层102；覆盖倍增层的某一区域的接触层105，其中至少一个雪崩放大器103和位于雪崩放大器外部的光电转换器104被形成；第一电极106，形成在接触层105上；以及第二电极107，形成在半导体晶片101上。
23.图1a示出将倍增层102放置在硅晶片101上的工艺。
24.图1b示出通过创建接触层105来形成雪崩放大器103区域的工艺。
25.图1c示出在接触层105上形成第一电极106的工艺。
26.图1d示出在半导体晶片101上形成第二电极107的工艺。
27.图2是根据第二实施例的要求保护的apd的示意性横截面，该apd包括：半导体晶片201；覆盖半导体晶片的整个表面的倍增层202；覆盖倍增层202的某一区域的接触层205，其中，至少一个雪崩放大器203区域和位于雪崩放大器外部的光电转换器204区域被形成；封闭凹槽208，封闭凹槽208的宽度为1.5μm至2.0μm，并且深度大于或等于倍增层厚度，但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且封闭凹槽208填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅，并环绕雪崩放大器和光电转换器；第一电极206，形成在接触层上；以及第二电极207，形成在半导体晶片上。凹槽208可以具有矩形轮廓，如图中所示，然而，其轮廓很大程度上取决于用于在硅中蚀刻凹槽的深蚀刻方法。
28.图2a示出将倍增层20放置在硅晶片201上的工艺。
29.图2b示出形成封闭凹槽208的工艺，该封闭凹槽208填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅，使得光电探测器可以形成在由所述凹槽界定的区域内部。
30.图2c示出通过创建接触层205来形成雪崩放大器203区域的工艺。
31.图2d示出在接触层205上形成第一电极206的工艺。
32.图2e示出在半导体晶片201上形成第二电极207的工艺。
33.图3是根据第三实施例的要求保护的apd的示意性横截面，该apd包括：半导体晶片301；覆盖半导体晶片的整个表面的倍增层302；覆盖倍增层302的某一区域的接触层305，其中至少一个雪崩放大器303区域和位于雪崩放大器外部的光电转换器304区域被形成；封闭凹槽308，封闭凹槽308的宽度为1.5μm至2.0μm，并且深度大于或等于倍增层厚度，但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且封闭凹槽308填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅，并环绕雪崩放大器和光电转换器；介电层309，部分填充已被蚀刻掉小于倍增层厚度的量的光电转换器304区域；高电阻层310，形成在雪崩放大器区域内的接触层305上；透明电极311，形成在高电阻层310和介电层309的表面上；以及第二电极307，形成在半导体晶片上。光电转换器304区域可以被蚀刻掉例如约1.5μm
‑
2.5μm。
34.图3a示出将倍增层302放置在硅晶片301上的工艺。
35.图3b示出形成封闭凹槽308的工艺，该封闭凹槽308填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅，使得光电探测器可以形成在由所述凹槽界定的区域内部。
36.图3c示出通过用相反导电类型的掺杂剂掺杂倍增层302而创建接触层305来形成一个或多个雪崩放大器303区域，并且因此形成雪崩放大器303外部的光电转换器304区域的工艺。
37.图3d示出将雪崩放大器303外部的光电转换器304的一些区域蚀刻掉小于倍增层302厚度的量的工艺。
38.图3e示出用介电层309填充光电转换器304的蚀刻掉的区域的工艺。
39.图3f示出在雪崩放大器303区域内的接触层305上形成高电阻层310的工艺。
40.图3g示出在高电阻层310和介电层309的表面上形成透明电极311的工艺。
41.图3h示出在半导体晶片301上形成第二电极307的工艺。
42.图4a和图4b分别是根据第二实施例的包括单个雪崩放大器或四个雪崩放大器的apd的示意性俯视图。
具体实施方式
43.在本公开和附图中使用的附图标记(除了编号100(入射光)之外)由三位数字组成，其中第一位数字是图编号，最后两位数字标记设计的特定元素。
44.例如，标记306指向图3中的元素编号06(参见下面的列表)。
45.以下标记用于指向设计的特定元素：
46.01
‑
晶片，
47.02
‑
倍增层，
48.03
‑
雪崩放大器，
49.04
‑
光电转换器，
50.05
‑
接触层，
51.06
‑
第一电极，
52.07
‑
第二电极，
53.08
‑
封闭凹槽，
54.09
‑
介电层，
55.10
‑
高电阻材料层，
56.11
‑
透明电极。
57.图1示出了根据第一实施例的要求保护的apd的示意性横截面，该apd包括：半导体晶片101；覆盖半导体晶片的整个表面的倍增层102；覆盖倍增层的某一区域的接触层105，其中至少一个雪崩放大器103区域和位于雪崩放大器外部的光电转换器104被形成；第一电极106，形成在接触层上；以及第二电极107，形成在半导体晶片101上。
58.用于制造图1所示的apd的方法进一步由图1a、图1b、图1c、图1d示出，并且包括以下顺序的步骤：
59.将导电类型与晶片的导电类型相同的倍增层102放置在硅晶片101上(见图1a)。
60.通过用相反导电类型的掺杂剂掺杂倍增层102，在倍增层的顶部上形成一个或多个雪崩放大器103区域(见图1b)。
61.在接触层上形成第一电极106(见图1c)。
62.在半导体晶片101上形成第二电极107(见图1d)。
63.可以使用涉及通过外延法形成倍增层102的方法来制造根据图1的示例性apd，倍增层102具有5μm
‑
7μm的宽度，并且在掺杂浓度高于10
18
cm
‑3的p 型硅晶片101上由掺杂浓度为10
15
cm
‑3‑
10
17
cm
‑3的p型硅制成。雪崩放大器103是通过将接触层105置于倍增层102上而制成的，其中通过将浓度大于10
18
cm
‑3的n型掺杂剂扩散至0.5μm
‑
1.0μm的深度来形成接触层105。第一电极106形成在接触层105的顶部，第二电极107形成在晶片101的底表面上。两个电极均由厚度约为0.5μm
‑
1.0μm的铝箔制成。
64.如图1所示的apd以如下方式起作用：
65.相对于电极107向电极106施加正电压，以足以触发雪崩放大器103的倍增层102中的碰撞电离，从而导致自由电荷载流子倍增。
66.落在光电转换器104区域的表面上的信号光100被吸收，产生自由电荷载流子，即电子和电子空穴。在光电转换器104区域中的已由光导致的自由电子被从雪崩放大器103渗出(seeping)的场捕获，然后向雪崩倍增区域102漂移以在那里进行倍增，产生apd的输出信号，同时空穴进入晶片101。在光电转换器104的非耗尽区域中的已由光导致的光电子通过由光电转换器中的自由电子浓度梯度引起的扩散而聚集在光电转换器的耗尽区域中。雪崩放大器中的光载流子的漂移扩散收集的过程非常高效，因为放大器的倍增区域和光电转换器区域都是覆盖晶片的相同倍增层的部分。
67.为了提高apd的性能，光电转换器宽度主要小于10μm，以减少扩散地收集的光载流子的占比。
68.图2示出了根据第二实施例的要求保护的apd的示意性横截面，该apd包括：半导体晶片201；覆盖半导体晶片的整个表面的倍增层202；覆盖倍增层202的某一区域的接触层205，其中，至少一个雪崩放大器203区域和位于雪崩放大器外部的光电转换器204区域被形成；封闭凹槽208，封闭凹槽208的宽度为1.5μm至2.0μm，并且深度大于或等于倍增层厚度，
但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且封闭凹槽208填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅，并环绕雪崩放大器和光电转换器；第一电极206，形成在接触层上；以及第二电极207，形成在半导体晶片上。封闭凹槽208可以具有如图所示的矩形轮廓，然而，其轮廓很大程度上取决于用于在硅中蚀刻凹槽的深蚀刻方法。
69.用于制造图2所示的apd的方法进一步由图2a、图2b、图2c、图2d、图2e所示，并且包括以下顺序的步骤：
70.将导电类型与晶片的导电类型相同的倍增层202放置在硅晶片201上(见图2a)。
71.在倍增层202的表面上蚀刻封闭凹槽208，该封闭凹槽208的深度大于或等于倍增层厚度，但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且该封闭凹槽208填充有导电类型与倍增层202的导电类型相同的高掺杂多晶硅(见图2b)，使得可以在由所述凹槽界定的区域内部形成光电探测器。
72.通过用相反导电类型的掺杂剂掺杂倍增层202而创建接触层205，在倍增层202的顶部和由封闭凹槽208界定的区域内形成一个或多个雪崩放大器203区域，并且因此在雪崩放大器203外部形成光电转换器204区域(见图2c)。
73.在接触层上形成第一电极206(见图2d)。
74.在半导体晶片201上形成第二电极207(见图2e)。
75.可以使用涉及通过外延法形成倍增层202的方法来制造根据图2的示例性apd，倍增层202具有5μm
‑
7μm的宽度，并且在掺杂浓度高于10
18
cm
‑3的p 型硅晶片201上由掺杂浓度为10
15
cm
‑3‑
10
17
cm
‑3的p型硅制成。然后，在倍增层202表面上蚀刻封闭凹槽208，该封闭凹槽208的宽度为1.5μm至2.0μm，并且深度大于或等于倍增层厚度但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且该封闭凹槽208填充有导电类型与倍增层202的导电类型相同的高掺杂多晶硅，使得可以在由所述凹槽界定的区域内部形成光电探测器。通过将接触层205置于倍增层202上来制成雪崩放大器203，其中通过将浓度大于10
18
cm
‑3的n型掺杂剂扩散至0.5μm
‑
1.0μm的深度来形成接触层205。第一电极206形成在接触层205的顶部上，第二电极207形成在晶片201的底表面上。两个电极均由厚度为0.5μm
‑
1.0μm的铝箔制成。
76.如图2所示的apd(即具有沿倍增层边缘延伸的封闭凹槽)的特征在于，它允许抑制从相邻区域进入雪崩放大器的寄生电荷载流子(暗和亮(light))的流入。为了有效地抑制这种寄生电流，深度大于倍增层厚度的凹槽将填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅。apd中的较少的暗电流导致阈值灵敏度的附加提高。
77.否则，该apd实施例以与图1所示的方式相同的方式起作用。
78.图3示出了根据第三实施例的要求保护的apd的示意性横截面，该apd包括：半导体晶片301；覆盖半导体晶片的整个表面的倍增层302；覆盖倍增层302的某一区域的接触层305，其中至少一个雪崩放大器303区域和位于雪崩放大器外部的光电转换器304区域被形成；封闭凹槽308，封闭凹槽308的宽度为1.5μm至2.0μm，并且深度大于或等于倍增层厚度，但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且封闭凹槽308填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅，并环绕雪崩放大器和光电转换器；介电层309，部分填充已被蚀刻掉小于倍增层厚度的量的光电转换器304区域；高电阻层310，形成在雪崩放大器区域内的接触层305上；透明电极311，形成在高电阻层310和介电层309的表面上；以及第二电极307，形成在半导体晶片上。与上述实施例一样，凹槽308可以具有矩形轮廓，如图所示，但
是，其轮廓很大程度上取决于用于在硅中蚀刻凹槽的深蚀刻方法。
79.用于制造图3所示的apd的方法进一步由图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f、图3g、图3h示出，并且包括以下顺序的步骤：
80.将导电类型与晶片的导电类型相同的倍增层302放置在硅晶片301上(见图3a)。
81.在倍增层302的表面上蚀刻封闭凹槽308，该封闭凹槽308的深度大于或等于倍增层厚度，但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且该封闭凹槽308填充有导电类型与倍增层302的导电类型相同的高掺杂多晶硅(见图3b)，使得可以在由所述凹槽界定的区域内部形成光电探测器。
82.通过用相反导电类型的掺杂剂掺杂倍增层302而创建接触层305，在倍增层302的顶部表面上形成一个或多个雪崩放大器303区域，并且因此在雪崩放大器303外部形成光电转换器304区域(见图3c)。
83.将雪崩放大器303区域外部的光电转换器304区域蚀刻至0.5μm至2.5μm的深度，但小于倍增层302的厚度(见图3d)。在光电转换器304区域的蚀刻掉的区域上沉积介电层，使得它填充光电转换器304的已被蚀刻掉的整个区域(见图3e)。
84.在雪崩放大器303区域的接触层305中形成高电阻层310(见图3f)。
85.在高电阻层310和介电层309的顶部上形成透明电极311(见图3g)。
86.在半导体晶片301的顶部上形成第二电极307(见图3h)。
87.可以使用涉及通过外延形成倍增层302的方法来制造根据图3的示例性apd，倍增层302具有5μm
‑
7μm的宽度，并且在掺杂浓度高于10
18
cm
‑3的p 型硅晶片301上由掺杂浓度为10
15
cm
‑3‑
10
17
cm
‑3的p型硅制成。然后，在倍增层302表面上蚀刻封闭凹槽308，该封闭凹槽308的宽度为1.5μm至2.0μm，并且深度大于或等于倍增层厚度但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且该封闭凹槽308填充有导电类型与倍增层302的导电类型相同的高掺杂多晶硅，使得可以在由所述凹槽界定的区域内部形成光电探测器。通过将接触层305置于倍增层302上来制成雪崩放大器303，通过将浓度大于10
18
cm
‑3的n型掺杂剂扩散至0.5μm
‑
1.0μm的深度来形成接触层305。将雪崩放大器303外部的光电转换器层304蚀刻至小于倍增层302厚度的深度，并且光电转换器层的蚀刻掉的区域填充有介电层309，使得其外边缘与接触层305的外边缘对齐。光电转换器304区域可以被蚀刻掉例如约1.5μm
‑
2.5μm。高电阻层310以约100nm厚的高电阻多晶硅膜的形式形成在接触层305的表面上，然后在高电阻层和介电层的整个外表面上沉积透明电极311，透明电极311为100nm
‑
200nm厚的ggo或azo膜。最后，将厚度为0.5μm
‑
1.0μm的铝箔的第二电极307沉积在晶片301的底表面上。
88.在如图3所示的apd中，相对于电极307向透明电极311施加的正电压在雪崩放大器的倍增区域302中产生具有足够强度的电场以触发所述区域中的碰撞电离，从而导致自由电荷载流子倍增。同时，在光电转换器304区域中出现的光电子受电场叠加的驱动向倍增区域302漂移，其中电场之一从雪崩放大器渗出，并且另一电场形成在放置在介电层309上的透明电极311下方，从而使信号光载流子高效地传输到雪崩放大器，并且因此实现仪器的高阈值灵敏度。
89.同时，倍增区域302和光载流子产生区域304在不同水平上的定位减少了寄生光学通信，即，使得在放大器中的雪崩倍增期间由热电荷载流子产生的光子触发相邻放大器中的雪崩倍增的可能性降低。通过从位于雪崩放大器之间的介电层309的边界反射寄生光子，
来附加地降低由该效应引起的过度噪声，所述过度噪声降低了具有多个雪崩放大器的apd的阈值灵敏度。
90.当雪崩被形成时，位于雪崩放大器的接触层305的顶部上的高电阻层310提供负反馈，从而允许实现更高的倍增系数，特别是当以所谓的“盖革(geiger)”模式操作时。
91.为了提高apd的阈值灵敏度而如图3所示应用于apd的所有设计和技术步骤具体产生了一种具有多通道放大的仪器，该仪器具有独特的工作参数集——重要的是，阈值灵敏度是常规apd的灵敏度的数倍，尤其是在过度背景照明的情况下，过度背景照明是车载lidar的典型情况。在以下发明人合著的文章中提供了对要求保护的解决方案的优点的详细描述：d.a.shushakov,s.v.bogdanov,n.a.kolobov,e.v.levin,y.i.pozdnyakov,t.v.shpakovskiy,v.e.shubin,k.y.sitarsky,r.a torgovnikov,“the new
‑
type silicon photomultiplier for tof lidar and other pulse detecting applications,”proc.spie 10817,optoelectronic imaging and multimedia technology v,108170j(8november 2018)；doi:10.1117/12.2505120(https://www.researchgate.net/publication/328836757 the new
‑
type silicon photomultiplier for tof lidar and other pulse detecting applications)。