一种集成有源淬灭器件的单光子雪崩二极管结构

本发明涉及半导体光电子，尤其涉及一种集成有源淬灭器件的单光子雪崩二极管结构，该二极管可工作于被动淬灭主动恢复模式。

背景技术：

0、技术背景

1、目前，响应于1550nm通讯波段的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。利用碰撞电离原理的雪崩二极管实现单光子探测功能时工作于击穿电压之上，该模式被称为盖革模式。被载流子触发自持雪崩的二极管需要在完成探测功能后及时淬灭，将二极管两端的电压降至击穿水平以下，并快速恢复至待探测状态，等待下一个光子再次触发雪崩。特别针对于激光雷达这种光子到达时间随机的弱光探测应用场景，单光子雪崩二极管需要工作在自由运行模式。

2、但是，现有的实现自由运行的方案存在以下缺陷:

3、1.被动淬灭恢复由于串联巨大电阻造成大短的时间常数，单光子雪崩二极管恢复时间长，导致器件的最大探测效率低下。

4、2.通过引线的方式连接淬灭恢复元件会引起大的寄生电容，从而导致器件工作时产生更大的雪崩电流，引起器件严重的后脉冲效应，产生的错误计数干扰器件的正常运行。

5、已有的研究报道：由于寄生电容的差异导致芯片互联主动淬灭恢复元器件的方案比分立器件连接的方式能实现更低的雪崩电流量。为了进一步地降低雪崩电荷量，直接将主动淬灭恢复元件以片上集成的方式与单光子雪崩二极管连接，能将寄生参数降至最低。为此，该发明从器件设计的角度发明一种新的器件结构，实现单光子雪崩二极管的被动淬灭主动恢复，并且将有源淬灭器件集成在单光子雪崩二极管的帽层来减少被动淬灭主动恢复时的寄生参数，能有效抑制后脉冲效应，提升雪崩二极管的单光子探测水平。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种集成有源淬灭器件的单光子雪崩二极管结构。

2、本发明的目的之一在于通过集成有源淬灭器件在ingaas/inp单光子雪崩二极管的帽层，最大程度降低了连接淬灭恢复元件的寄生参数，抑制大的雪崩电流带来的后脉冲效应，实现单光子雪崩二极管探测性能的优化。

3、本发明的目的之二在于实现ingaas/inp单光子雪崩二极管的被动淬灭主动恢复，能缩短盖革模式工作下期间的恢复时间，增大器件最大计数率，实现单光子雪崩二极管探测性能的优化。

4、本发明的目的之一采用如下技术方案实现:

5、设计一集成有源淬灭器件的单光子雪崩二极管结构，该结构包括器件衬底及外延层结构和集成有源器件的帽层。

6、进一步地，其特征在于：外延层自下而上包括inp缓冲层，ingaas吸收层，三层渐变摩尔组分的ingaasp渐变层，inp电荷层，集成有源器件的inp帽层。

7、进一步地，其特征在于：inp帽层从帽层向下方衬底开一垂直n槽，n槽穿过ingaas吸收层。

8、进一步地，帽层上部有一个由两步扩散工艺制作的台阶型p型掺杂区，和一个单步扩散形成的环形掺杂区，两步扩散p型掺杂区作为单光子雪崩二极管p极与集成有源晶体管共漏极，p掺杂外环形掺杂区作为集成有源晶体管的源极。

9、进一步地，在inp帽层设置一层绝缘介质层，在两个扩散区表面绝缘介质层开出电极接触通孔，并在接触孔表面沉积金属形成欧姆接触。

10、进一步地，绝缘介质层上设置一层金属，该金属区域被限制在两个扩散区与之间的介质层之上，在该金属层引出作为场效应晶体管的栅上金属。

11、进一步地，在n槽表面，两步扩散区表面，环形扩散区表面，金属层表面生长加厚电极，其中两个扩散区与金属表面加厚电极直接引出至焊盘。

12、本发明的目的之二采用如下技术方案实现:

13、所设计该结构二极管可实现被动淬灭主动恢复运行模式。

14、进一步地，集成的场效应晶体管用于实现单光子雪崩二极管的被动淬灭主动恢复。

15、进一步地，被动淬灭主动恢复运行方案为：在二极管p极与晶体管源极两端加直流偏置至晶体管击穿电压之上，场效应晶体管栅电压处于低电平，源漏几乎不导通，充当一个巨大的电阻。当雪崩发生时，源漏两端迅速分走二极管两端的电压使二极管迅速淬灭。经过一段时间后，待二极管陷阱捕获的载流子得到充分释放，场效应晶体管栅极电平设为高电平，源漏瞬时导通对二极管重新充电至可探测状态。

16、相比现有技术，本发明的有益效果在于:

17、1.将场效应晶体管集成在inp帽层，用作集成有源淬灭器件，实现器件的被动淬灭，主动恢复。

18、2.通过集成有源淬灭器件，最大程度消除电路引线引入的寄生参数，可降低单光子雪崩二极管的雪崩电流，抑制后脉冲效应，提升单光子雪崩二极管的探测性能。

19、3.该发明可基于标准ingaas/inp单光子雪崩二极管的工艺流程，仅增加一步光刻工艺便可实现该结构的制备。

技术特征：

1.一种集成有源淬灭器件的单光子雪崩二极管结构，包括：衬底、缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层和集成有源淬灭器件的帽层，其特征在于：该二极管为正照射型光电二极管，光敏面位于二极管帽层表面中心区域；衬底上层依次为inp缓冲层，ingaas吸收层，ingaasp渐变层，inp电荷层和集成晶体管的inp帽层；帽层上部中心位置设计一个两步台阶型p型掺杂区域，该区域外环设置一个单步环形p型掺杂区域，台阶型p型掺杂区上方引出二极管p电极，该台阶型p型扩散区作为二极管p极与集成晶体管的共用电极，单步环形p型掺杂区引出集成晶体管的源极，在帽层两个扩散区之间环形区域的上方生长介质膜，在介质膜上方生长金属作为集成晶体管的栅极，在inp帽层向下开一n槽，n槽穿过ingaas吸收层。

2.根据权利要求1所述的二极管结构二极管结构，其特征在于，将场效应晶体管作为有源淬灭器件集成在雪崩二极管帽层。

3.根据权利要求2所述的二极管结构，其特征在于，帽层的台阶型p型扩散区为所述晶体管源极与单光子雪崩二极管p电极共用一个扩散阱结构。

4.根据权利要求3所述的二极管结构，其特征在于，帽层中心的台阶型p型扩散区的外围有一环形p型扩散区，该环形p型扩散区的一部分作为场效应晶体管的漏极，同时该环形部分作为单光子雪崩二极管的保护环。

5.根据权利要求4所述的二极管结构，其特征在于，inp帽层在扩散后生长一层绝缘介质膜。

6.根据权利要求5所述的二极管结构，其特征在于，绝缘介质膜的表面生长一层金属，作为场效应晶体管的栅极金属材料，该金属膜的图形被限制在环形扩散区与台阶型区之间的位置，且不覆盖扩散区。

7.据权利要求6所述的二极管结构，其特征在于，场效应晶体管的栅极，源极，漏极表面生长加厚电极引出焊盘，在inp帽层的n槽表面生长加厚电极。

技术总结本发明公开了一种集成有源淬灭器件的单光子雪崩二极管结构，属于半导体光电子技术领域。所述结构包括InP衬底，InP缓冲层，InGaAs吸收层，InGaAsP渐变层，集成一有源淬灭器件的InP电荷层，InP帽层，SiN介质层，N电极，P电极。该器件为一正照射单光子雪崩二极管。其中InP帽层集成一金属‑绝缘‑半导体场效应晶体管(MISFET)，且场效应晶体管的漏极与InGaAs/InP单光子雪崩二极管P极共用一个扩散区。本发明将实现单光子雪崩二极管的被动淬灭主动恢复功能，并将有源淬灭器件集成在InP帽层上，减少了电路连接过程中引入的寄生参数，从而可以降低雪崩二极管的雪崩电荷，抑制后脉冲。并且该种集成方式可基于标准的单光子雪崩二极管的制造工艺，仅增加一步光刻步骤便能实现集成。技术研发人员：于春蕾,何一苇,李雪,刘大福受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/20