阅读说明：本技术 一种双保护环结构的新型spad探测器 (Novel SPAD detector with double-protection-ring structure ) 是由 毛成 卜晓峰 孔祥顺 吴俊辉 于 2018-07-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双保护环结构的新型SPAD探测器,采用p+层和n-type层之间形成的pn结作为反应结,p+层四周设计pwell阱作为第一保护环；同时,pwell保护环上方设计一层poly层,与pn结阴极相连施加高电位,作为第二保护环。第一保护环和第二保护环共同作用,能有效降低边缘电场,减小暗计数。(The invention discloses a novel SPAD detector with a double-protection-ring structure, which adopts a pn junction formed between a p + layer and an n-type layer as a reaction junction, and designs a pwell well around the p + layer as a first protection ring; meanwhile, a poly layer is designed above the pwell guard ring, and a high potential is applied to the p-n junction cathode to be used as a second guard ring. The first protective ring and the second protective ring act together, so that the fringe electric field can be effectively reduced, and the dark count is reduced.)

一种双保护环结构的新型SPAD探测器

技术领域

本发明涉及一种双保护环结构的新型SPAD探测器，作为感光单元，属于光电探测领域，尤其是基于硅基半导体技术的单光子探测领域。

背景技术

单光子探测技术是一种基于单光子的探测技术，它可以检测极微弱光信号，是一项新兴探测技术。单光子探测技术应用极其广泛，包括医疗诊断、天文观测、光谱测量、量子通信等领域。单光子雪崩二极管（Single photon avalanche diode，SPAD）工作在盖革模式下，是一种最有前景的单光子探测器。

单光子雪崩二极管在盖革模式下，所施加的反偏电压高于雪崩电压，具有极高的电流增益，可用于单光子检测。具体工作原理为：当一个光子进入SPAD感光区，光子有一定概率被耗尽区吸收并产生电子-空穴对，该电子-空穴对在耗尽区强电场作用下能通过倍增效应迅速产生大量载流子，即触发一次雪崩击穿。

单光子雪崩二极管的结构设计是SPAD探测器的核心，设计时主要考虑的参数是pn结的深度、浓度、雪崩击穿点电压等基本参数，同时还需要考虑探测效率，占空比，暗计数等性能参数，对暗计数的性能优化一直以来都是重中之重。

目前，已有技术中，SPAD探测器的结构形式众多，采用的反应结形式多样，包括p+层与nwell层，pwell层与dnw层，以及一系列新型的创新结构，虽然基本所有机构设计时都会考虑到边缘击穿的抑制问题，但边缘击穿问题或多或少依然会出现，该问题是暗计数产生的根源。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种双保护环结构的新型SPAD探测器，可有效抑制暗计数的产生，将暗计数控制在一定范围内。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种双保护环结构的新型SPAD探测器，采用p+层和n-type层之间形成的pn结作为反应结，p+层四周由pwell阱作为第一保护环，pwell保护环上方设计一层poly层，作为第二保护环，所述poly层与pwell层交叠，与p+层不交叠。

采用dnw层将单个探测器与P-sub衬底分离，n+层作为接触孔将高电位传入dnw层，形成SPAD探测器的阴极，p+层作为SPAD探测器的阳极，接低电位。poly层与n+层直接连接，施加相同高电位，通过氧化层分压降低pwell与底部dnw层的电压差，有效降低p+边缘的电场强度，从而减少暗计数的产生。

有益效果：本发明提供的一种双保护环结构的SPAD探测器，相对于现有技术，具有明显优势，尤其是pwell阱和poly层的双保护环结构，能有效降低反应结边缘电场，从而降低SPAD探测器的暗计数。

附图说明

图1为本发明提供的一种双保护环结构的新型SPAD探测器的结构示意图；

图2为本发明提供的一种双保护环结构的新型SPAD探测器的平面版图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示是本发明提供的一种双保护环结构的新型SPAD探测器的结构示意图，从下到上分别是：1、p-sub层，表示晶圆本身的p型衬底，2、dnw层，表示注入深度较深的n型阱，3、n-type层，表示浓度相对dnw层较低的n型注入层，4、环形pwell，表示p型阱，其包围在p+层的四周，作为第一保护环，5、p+层，表示注入深度较浅，浓度较高的p型注入层，该p+层与正下方n-type层之间的结即为反应结，6、环形poly层，表示在硅片上方形成的多晶硅层，作为第二保护环，其作用包括：a）poly形成先于p+注入，故可以遮挡poly下方避免p+注入，一来使p+不会连接到杂质较多的STI区域，二来poly下方区域浓度止步于pwell的浓度，加高压时可降低边缘电场；b）工作时，poly与pn结阴极相连，施加高电位，故其经过分压后poly下方pwell上电压与n-type的电压差相对p+与n-type的电压差要小，边缘电场也会减小。图1结构中，硅片表面从中间到两边除了上述p+层和pwell层外，分别是：1、STI区域，表示浅沟隔离，主要用于隔离作用，2、n+层，表示注入深度较浅，浓度较高的n型注入层，主要用于接触孔连接，通过欧姆接触将高电位传入dnw层中。

如图2所示是本发明提供的一种双保护环结构的新型SPAD探测器的平面版图。图中，1与3之间形成的环是pwell层的区域，为第一保护环；圆2范围内是p+区域，所述p+区域***由pwell环包围；圆3范围内又是AA区域，即有源区域；2与3之间形成的环上方是poly层，为第二保护环；3与4之间形成的环是STI区域；4与5之间形成的环是n+区域；5与6之间形成的环是STI区域；圆6下方均为dnw区域。