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單光子雪崩二極管的制造工藝解析

更新時(shí)間:2024-03-13

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  單光子雪崩二極管(SPAD)的制造工藝涉及將傳統(tǒng)的雪崩光電二極管(APD)技術(shù)與先進(jìn)的半導(dǎo)體加工技術(shù)相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)對單個(gè)光子的高靈敏度檢測。
  以下是單光子雪崩二極管制造過程中的一些關(guān)鍵步驟和考慮因素:
  1.材料選擇:SPAD通常使用硅或其他半導(dǎo)體材料制造,這些材料能夠有效地吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對。
  2.雪崩擊穿:SPAD工作在所謂的蓋革模式,即反向偏置電壓高于其雪崩擊穿電壓。在這種模式下,光生電子-空穴對會在高電場中加速并獲得足夠的能量,以至于它們能夠通過碰撞電離產(chǎn)生更多的載流子,從而形成雪崩效應(yīng)。
  3.保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu):為了防止邊緣擊穿和提高器件的穩(wěn)定性,SPAD的設(shè)計(jì)中通常會包含一個(gè)保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有助于確保雪崩效應(yīng)均勻地發(fā)生在器件的有源區(qū)域,而不是在邊緣區(qū)域。
  4.深N阱和P型植入物:為了提高電場的均勻性和光子收集效率,一些設(shè)計(jì)采用了深N阱保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)和輔助的P型植入物。這些結(jié)構(gòu)有助于優(yōu)化電場分布,從而提高單光子探測效率。
  5.陣列化:通過結(jié)合互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù),SPAD可以制成陣列式成像探測器。這種陣列化可以提高空間分辨率和信噪比,使得SPAD在天文學(xué)、量子計(jì)算等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
  6.工藝優(yōu)化:為了提高性能,降低噪聲(如暗計(jì)數(shù)),并提高對低強(qiáng)度光信號的檢測能力,SPAD的制造工藝需要不斷優(yōu)化。這包括對影響SPAD性能的主要因素進(jìn)行詳細(xì)研究,并基于現(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)出新的SPAD結(jié)構(gòu)。
  7.電荷載流子擴(kuò)散:在制造過程中,還需要考慮電荷載流子的擴(kuò)散問題,因?yàn)檫@會影響SPAD的時(shí)間抖動。深層的有效吸收可能會導(dǎo)致電荷載流子擴(kuò)散距離增加,從而影響器件的時(shí)間響應(yīng)特性。
 

單光子雪崩二極管

 

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