CN114242826A - 单光子雪崩二极管及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单光子雪崩二极管及其形成方法。所述单光子雪崩二极管中，第一阱区和周围的衬底区域构成二极管结构，并且，在所述衬底内还形成有与所述第一阱区隔离的耗尽厚度调节区，所述耗尽厚度调节区与所述第一阱区的掺杂类型相同，且在所述衬底内的深度大于所述第一阱区的掺杂离子在所述衬底内的最大注入深度，当所述单光子雪崩二极管工作时，该二极管结构被反向偏置，耗尽层在第一阱区一侧的少子向下漂移，耗尽厚度调节区内的多子随着第一阱区下方的少子的漂移运动朝着第一阱区的方向漂移，使得耗尽层的厚度增加，有助于增强器件的光子探测效率，并且，对单光子雪崩二极管的电学性能的影响较小。

Description

单光子雪崩二极管及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种单光子雪崩二极管及其形成方法。
背景技术
单光子雪崩二极管，简称SPAD(Single Photon Avalanche Diode)，是一种基于反向偏置电压超过pn结的击穿区来实现光电探测的固态光电探测器。在单光子雪崩二极管中，pn结在高于击穿电压的电压下被反向偏置，在内部光电效应(当一种材料被光子撞击时，电子或另一种载流子的发射)的作用下，产生雪崩电流。利用单光子雪崩二极管可以检测到非常低的信号强度，例如低至单光子水平。基于单光子雪崩二极管的单光子探测器可用于高度敏感的光子捕获环境，例如在荧光寿命成像、3D成像等领域均有着广泛的应用。
光子探测效率是评判单光子雪崩二极管器件性能的重要参数，光子探测效率越高，器件性能越佳。光子探测效率与外部量子效率与雪崩发生概率相关，在一定的工作条件下(反向偏置电压、温度等)，光子探测效率正相关于外部量子效率，而外部量子效率与少数载流子(即少子)的扩散长度正相关，少子的扩散长度为耗尽层的厚度，因而，通过增大耗尽层的厚度，光子在耗尽层被吸收的概率增加，可有效地提高单光子雪崩二极管的光子探测效率，从而提升器件性能。
目前单光子雪崩二极管通常采用在p型半导体衬底中形成N阱(NW)来构造二极管结构的掺杂区，该二极管结构的耗尽层可以通过降低N阱或衬底中的离子注入浓度来增加厚度，但是，降低N阱或衬底中的离子注入浓度会使单光子雪崩二极管的电学性能受到影响(如击穿电压增大)。
因此，需要提供更有效的增大耗尽层厚度的方法，以提升单光子雪崩二极管的器件性能。
发明内容
本发明提供一种单光子雪崩二极管，可以在不改变构成二极管结构的离子掺杂浓度的情况下，获得较大的耗尽层厚度，使得器件的光子探测效率较高。本发明另外提供一种单光子雪崩二极管的形成方法。
一方面，本发明提供一种单光子雪崩二极管，包括：
衬底以及从所述衬底上表面延伸至所述衬底内部的第一阱区，所述衬底的上表面与下表面为相对的面，所述衬底的掺杂类型与所述第一阱区的掺杂类型相反，所述第一阱区和周围的衬底区域构成二极管结构；以及，
耗尽厚度调节区，形成于所述衬底内且在所述衬底内的深度大于所述第一阱区的掺杂离子在所述衬底内的最大注入深度，所述耗尽厚度调节区与所述第一阱区的掺杂类型相同且与所述第一阱区被所述衬底隔离。
可选的，所述耗尽厚度调节区在所述衬底上表面的正投影具有外轮廓与内轮廓，所述耗尽厚度调节区在所述衬底上表面的正投影的外轮廓与内轮廓之间为所述耗尽厚度调节区的掺杂区在所述衬底上表面的正投影，所述第一阱区在所述衬底上表面的正投影外轮廓位于所述耗尽厚度调节区的正投影外轮廓与内轮廓之间；所述耗尽厚度调节区的正投影内轮廓的最小横向尺寸大于所述耗尽厚度调节区中掺杂离子的扩散距离。
可选的，所述单光子雪崩二极管还包括第二阱区，所述第二阱区与所述衬底的掺杂类型相同，并且，在所述第一阱区远离所述衬底上表面一侧，所述第二阱区与所述第一阱区相邻而构成二极管结构，所述第一阱区在所述衬底上表面的正投影覆盖所述第二阱区在所述衬底上表面的正投影，所述耗尽厚度调节区与所述第二阱区被所述衬底隔离。
可选的，所述第二阱区在所述衬底上表面的正投影外轮廓位于所述耗尽厚度调节区在所述衬底上表面的正投影内轮廓内。
可选的，所述耗尽厚度调节区在所述衬底上表面的正投影外轮廓与内轮廓均为圆形或多边形。
可选的，所述耗尽厚度调节区与所述第一阱区下表面的纵向垂直距离为0.5μm～3μm。
可选的，所述耗尽厚度调节区的多子掺杂浓度小于所述第一阱区。
可选的，所述衬底为p型掺杂，所述第一阱区为n型掺杂。
一方面，本发明提供一种单光子雪崩二极管的形成方法，用于形成上述的单光子雪崩二极管，所述形成方法包括：
提供衬底，所述衬底中形成有隔离结构以及通过所述隔离结构限定出的有源区，所述有源区具有第一掺杂类型；
进行第二掺杂类型的离子注入，在所述有源区的设定深度范围内形成第一离子注入区，所述第二掺杂类型与所述第一掺杂类型相反；
再次进行第二掺杂类型的离子注入，在所述有源区内形成第二离子注入区，所述第二离子注入区浅于所述第一离子注入区且与所述第一离子注入区被所述衬底隔离，所述第二离子注入区从所述有源区内延伸至所述衬底上表面；以及，
进行热退火，以使所述第一离子注入区和所述第二离子注入区的离子激活并稳定，由所述第一离子注入区得到所述耗尽厚度调节区，由所述第二离子注入区得到所述第一阱区。
可选的，在形成所述第一离子注入区之后且形成所述第二离子注入区之前，所述单光子雪崩二极管的形成方法还包括：进行第一掺杂类型的离子注入，在所述有源区内形成第三离子注入区，所述第三离子注入区，所述第三离子注入区浅于所述第一离子注入区，并且，所述第三离子注入区的最大注入深度大于所述第二离子注入区的最大注入深度，所述第三离子注入区用于在进行所述热退火后得到第二阱区，所述第二阱区位于所述第一阱区远离所述衬底上表面一侧，所述第二阱区与所述第一阱区相邻而构成二极管结构。
本发明提供的单光子雪崩二极管中，第一阱区和周围的衬底区域构成二极管结构，并且，在所述衬底内还形成有与所述第一阱区隔离的耗尽厚度调节区，所述耗尽厚度调节区与所述第一阱区的掺杂类型相同，且在所述衬底内的深度大于所述第一阱区的掺杂离子在所述衬底内的最大注入深度，当所述单光子雪崩二极管工作时，该二极管结构被反向偏置，耗尽层的内建电场增强，即少子漂移运动加强，耗尽层在第一阱区一侧的少子(例如是空穴)向下方漂移，而耗尽层在另一侧的少子(例如是电子)向第一阱区漂移，并且，在反向偏置作用下，耗尽厚度调节区内的多子随着所述第一阱区下方的少子的漂移运动朝着第一阱区的方向漂移，直到外加电场与内建电场的强度相等，相对于未设置耗尽厚度调节区的情况，耗尽厚度调节区的设置使构建内建电场的电荷量增多，因而在外加电场与内建电场的强度相等时，耗尽层的厚度增加，有助于增强器件的光子探测效率，并且，所述单光子雪崩二极管不需要调整第一阱区和衬底整体的离子掺杂浓度，对单光子雪崩二极管的电学性能如击穿电压的影响较小。本发明提供的单光子雪崩二极管的形成方法可用于制作上述本发明的单光子雪崩二极管。
附图说明
图1是本发明一实施例的单光子雪崩二极管的截面示意图。
图2是本发明另一实施例的单光子雪崩二极管的截面示意图。
图3是图2所示的单光子雪崩二极管的平面示意图。
图4是图2所示的二极管结构在未设置耗尽厚度调节区和设置耗尽厚度调节区时耗尽层的模拟结果。
图5是本发明一实施例的单光子雪崩二极管的形成方法的流程示意图。
附图标记说明：
10、20-单光子雪崩二极管；100-衬底；101-隔离结构；110-第一阱区；120-耗尽厚度调节区；130-第二阱区。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的单光子雪崩二极管及其形成方法作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。应当理解，说明书的附图均采用了非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明的是，下文中的术语“第一”、“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够不同于本文所述的或所示的其它顺序来操作。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是执行这些步骤的唯一顺序，一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其它步骤可被添加到该方法。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的结构被倒置或者以其它不同方式定位(如旋转)，示例性术语“在……上”也可以包括“在……下”和其它方位关系。除非特别说明，同一功能结构采用相同的附图标记。
在一定的工作条件下(反向偏置电压、温度等)，单光子雪崩二极管器件的外部量子效率(以η(λ)表示)与耗尽层厚度之间的关系可以用如下关系式表示：
η(λ)＝1-e-α(λ)W，其中W为耗尽层厚度，α(λ)为衬底材料(如硅)的吸收系数，λ为入射光的波长。
从该关系式可以看出，单光子雪崩二极管器件的外部量子效率η(λ)与耗尽层厚度W正相关，也即，耗尽层厚度W越大，外部量子效率η(λ)越高。另外，由于单光子雪崩二极管器件的光子探测效率与外部量子效率η(λ)正相关，因而，耗尽层厚度W越大，光子探测效率越高，说明在不影响电学性能的基础上增加耗尽层厚度有助于提升单光子雪崩二极管的器件性能。
图1是本发明一实施例的单光子雪崩二极管的截面示意图。参照图1，本发明实施例涉及一种单光子雪崩二极管10，所述单光子雪崩二极管10包括衬底100以及在衬底100中形成的第一阱区110和耗尽厚度调节区120。第一阱区110从衬底100的上表面延伸至衬底100内部(以第一阱区110从衬底100表面延伸至衬底100内部的一侧表面为衬底100上表面)，衬底100的上表面与下表面为相对的面。所述衬底100的掺杂类型与所述第一阱区110的掺杂类型相反，所述第一阱区110和周围的衬底区域构成二极管结构。耗尽厚度调节区120形成于所述衬底100内且在所述衬底100内的深度(可理解为耗尽厚度调节区120朝向衬底100上表面的一侧表面在衬底100内的深度)大于所述第一阱区110的掺杂离子在所述衬底100内的最大注入深度，并且耗尽厚度调节区120与第一阱区110的掺杂类型相同且被衬底100隔离，因此，耗尽厚度调节区120整***于第一阱区110下方的衬底区域内。
具体的，衬底100和第一阱区110的掺杂类型可以从p型和n型中选择，作为示例，所述衬底100为p型(例如掺杂有硼B或二氟化硼BF2)，而第一阱区110与之相反，为n型(例如掺杂有磷P或砷As)。因此，在第一阱区110和周围的衬底区域所构成的二极管结构中，第一阱区110为二极管结构的n型掺杂区，而位于第一阱区110周围的p型的衬底区域为二极管结构的p型掺杂区。然而，所述二极管结构也可以以第一阱区作为p型掺杂区，以第一阱区周围的n型衬底区域作为n型掺杂区。在后一情形中，需将导电类型反转并在工作时适当调整二极管结构上的偏压。
本实施例中，衬底100可包括硅衬底和设置于硅衬底上的外延层。所述硅衬底为p型掺杂时，所述外延层例如具有p型掺杂(p-表示)，所述外延层的p型离子的掺杂浓度例如为5×1016/cm3以上至5×1018/cm3以下。所述外延层中p型离子的掺杂浓度例如较下方的硅衬底低。第一阱区110的范围例如是从衬底100的上表面延伸到衬底100内(具体为外延层内)一定深度，第一阱区110的侧面和下表面均被p型掺杂的衬底区域包围。
本发明实施例主要对单个单光子雪崩二极管进行说明，可以理解，同一衬底100上可以集成有不止一个的单光子雪崩二极管，也可以形成有其它器件。为了对同一衬底100上集成的不同器件进行隔离，如图1所示，可通过在衬底100中设置隔离结构101来限定出设置单光子雪崩二极管的有源区，单个的单光子雪崩二极管可在隔离结构101限定出的一个有源区形成。所述隔离结构101可以是浅沟槽隔离(STI)或者深沟槽隔离(DTI)，优选是深沟槽隔离。本发明实施例主要以每个有源区为p型掺杂为例进行说明。
图2是本发明另一实施例的单光子雪崩二极管的截面示意图。参照图2，另一实施例中涉及的单光子雪崩二极管20相对于图1所示的单光子雪崩二极管10，主要区别在于在衬底100中另外设置了一第二阱区130，第二阱区130与衬底100的掺杂类型相同(表示为PW)，并且，在第一阱区110远离衬底100上表面一侧，第二阱区130与第一阱区110相邻而构成二极管结构。本实施例中，第一阱区110在衬底100上表面的正投影覆盖第二阱区130在衬底100上表面的正投影，耗尽厚度调节区120与第二阱区130被衬底100隔离。示例的，衬底100为p型掺杂，第二阱区130亦为p型掺杂，第二阱区130的p型离子掺杂浓度可高于衬底100的p型离子掺杂浓度。可以看出，第二阱区130在所述第一阱区110和周围的衬底区域构成的二极管结构中位于p型掺杂区内。如图2所示，第一阱区110的连接侧边的部分下表面未被第二阱区130覆盖，即第二阱区130露出了第一阱区110的下边角，这样设置的目的是使所述二极管结构的耗尽区在p型掺杂区的边界在第一阱区110的边角处朝远离第一阱区110的方向发散，这样，与图1所示的二极管结构相比，图2的二极管结构通过第二阱区130的设置可以进一步限定反向击穿的位置。第二阱区130的侧边与第一阱区110的侧边之间的横向最短垂直距离约0.1μm～0.3μm。此处“横向最短垂直距离”指的是在平行于衬底100上表面的平面内，图2中第二阱区130最右侧边与第一阱区110最右侧边的垂直间距。
本实施例中，所述耗尽厚度调节区120用于调节所述第一阱区110和周围的衬底区域构成的二极管结构的耗尽层的厚度，更具体的，目的是相对于不设置耗尽厚度调节区120的情形，使单光子雪崩二极管10或单光子雪崩二极管20在相同的反向偏置电压下，耗尽层的厚度增加。所述耗尽厚度调节区120并不是第一阱区110的延伸，而是与第一阱区110相互隔离，如图1或图2所示，p型的衬底区域不仅包围第一阱区110，还包围耗尽厚度调节区120，也即第一阱区110和耗尽厚度调节区120通过衬底隔离。在所述二极管结构中，耗尽厚度调节区120设置于第一阱区110的相反掺杂区域(即p型掺杂的衬底区域)内，从而在二极管结构被反向偏置时，耗尽厚度调节区120受该相反掺杂区域的影响而形成电荷漂移，更具体的，单光子雪崩二极管在反向偏置时，耗尽厚度调节区120内的多子随着所述第一阱区110下方的少子的漂移运动向朝着第一阱区110的方向漂移。
为了在单光子雪崩二极管反向偏置时，便于耗尽厚度调节区120内的多子漂移，在设置耗尽厚度调节区120的位置时，优选使其位于未设置所述耗尽厚度调节区120时二极管结构反向偏置下形成的耗尽层内或者靠近该耗尽层。例如，可设置耗尽厚度调节区120的上表面与第一阱区110下表面的纵向垂直距离在0.5μm～3μm范围内。对于设置有第二阱区130的单光子雪崩二极管20(见图2)，其中耗尽厚度调节区120的上表面与第二阱区130下表面的纵向垂直距离在0.5μm～2.5μm范围内。此处“纵向垂直距离”指的是在衬底100的厚度方向上耗尽厚度调节区120的上表面与第二阱区130下表面的垂直间距。
在设置有第二阱区130的实施例中，耗尽厚度调节区120还与第二阱区130相互隔离(被衬底100隔离)，以避免第二阱区130内的多子(例如空穴)扩散到耗尽厚度调节区120内而中和所述耗尽厚度调节区120中的多子(例如电子)，导致耗尽厚度调节区120的多子掺杂浓度下降，影响其耗尽层厚度调节性能。另外，通过使耗尽厚度调节区120与第二阱区130隔离，也可以避免耗尽厚度调节区120与第二阱区130和第一阱区110形成三极管结构，而影响调节耗尽层厚度的效果。为此，进一步的，耗尽厚度调节区120优选设置于第二阱区130的下方且从横向上看靠近第一阱区130的侧面，如图1和图2所示。
图3是图2所示的单光子雪崩二极管的平面示意图。参照图3(第二阱区130未示出)，耗尽厚度调节区120在所述衬底100上表面的正投影可与第一阱区110在所述衬底100上表面的正投影在第一阱区110的侧边附近重叠。耗尽厚度调节区120的掺杂离子优选不扩散至第一阱区110的中心区下方，避免影响调节耗尽层厚度的效果。如图2和图3所示，耗尽厚度调节区120可以沿第一阱区110的侧边附近延伸一周，即耗尽厚度调节区120围着衬底100的一部分p型区域。环状的耗尽厚度调节区120优选具有均匀的宽度，这样有助于使单光子雪崩二极管的耗尽层在第一阱区110的侧边附近厚度均匀。
一实施例中，耗尽厚度调节区120在衬底100上表面的正投影具有外轮廓与内轮廓，耗尽厚度调节区120在衬底100上表面的正投影(简称为耗尽厚度调节区120的正投影)的外轮廓与内轮廓之间为所述耗尽厚度调节区120的掺杂区在衬底100上表面的正投影。第一阱区110在衬底100上表面的正投影(简称为第一阱区110的正投影)外轮廓至少位于所述耗尽厚度调节区120的正投影外轮廓内，优选地，第一阱区110在衬底100上表面的正投影外轮廓位于耗尽厚度调节区120的正投影外轮廓与内轮廓之间。所述耗尽厚度调节区120的正投影内轮廓的最小横向尺寸大于所述耗尽厚度调节区中掺杂离子的扩散距离。此处，“所述耗尽厚度调节区120的正投影内轮廓的最小横向尺寸”指所述耗尽厚度调节区120的正投影内轮廓最窄处的宽度。上述第二阱区130在所述衬底100上表面的正投影外轮廓可位于所述耗尽厚度调节区120在所述衬底100上表面的正投影内轮廓内。虽然图3中第一阱区110的正投影外轮廓与耗尽厚度调节区120的正投影外轮廓和内轮廓均为矩形，但不限于此，在另一些实施例中，第一阱区110的正投影外轮廓和耗尽厚度调节区120的正投影外轮廓与内轮廓也可以采用其它形状，如圆形或其它多边形。所述耗尽厚度调节区120在所述衬底100上表面的正投影外轮廓与内轮廓也可以均是圆形或者多边形，所述耗尽厚度调节区120在所述衬底100上表面的正投影外轮廓与内轮廓均是圆形时，所述耗尽厚度调节区120成环状。
本发明实施例的单光子雪崩二极管中，可以根据调节耗尽层厚度的需要，设置一个或者两个以上的如上所述的耗尽厚度调节区120，其中，不同的耗尽厚度调节区120均位于第一阱区110周围的衬底区域内，并且不同的耗尽厚度调节区120之间被衬底100以及衬底100内的隔离结构101隔离。
图4是图2所示的二极管结构在未设置耗尽厚度调节区和设置耗尽厚度调节区时耗尽层的模拟结果，其中，左图为未设置耗尽厚度调节区的情况，右图为设置耗尽厚度调节区的情况，箭头指示的白色线条为二极管结构的耗尽层边界，本实施例位于上方的是n型掺杂区的边界，位于下方的是p型掺杂区的边界，横穿左图和右图的虚线用以比较耗尽层的位置。图4所示结果表明，对于设置有耗尽厚度调节区120的单光子雪崩二极管20，在反向偏置状态下，耗尽层的厚度有所增加，尤其在设置有耗尽厚度调节区120的第一阱区110边缘区域，耗尽层的下边界被大幅度地下拉，从而耗尽厚度增加。
本发明提供的单光子雪崩二极管中，衬底100中形成的第一阱区110和周围的衬底区域构成二极管结构，并且，在衬底100内还形成有与第一阱区110隔离的耗尽厚度调节区120，所述耗尽厚度调节区120与所述第一阱区110的掺杂类型相同，且在衬底100内的深度大于第一阱区110的掺杂离子在衬底100内的最大注入深度。当所述单光子雪崩二极管工作时，该二极管结构被反向偏置，耗尽层的内建电场增强，即少子漂移运动加强，耗尽层在第一阱区110一侧的少子(例如是空穴)向下方漂移，而所述耗尽层在另一侧的少子(例如是电子)向第一阱区110漂移，并且，在反向偏置作用下，耗尽厚度调节区120内的多子也会随着所述第一阱区110下方的少子的漂移运动朝着第一阱区110的方向漂移，直到外加电场与内建电场的强度相等，相对于未设置耗尽厚度调节区120的情形，耗尽厚度调节区120的设置使构建内建电场的电荷量增多，因而在外加电场与内建电场的强度相等时，耗尽层的厚度增加，有助于增强器件的光子探测效率，并且，所述单光子雪崩二极管不需要调整第一阱区和衬底整体的离子掺杂浓度，对单光子雪崩二极管的电学性能如击穿电压的影响较小。
本发明实施例还涉及一种单光子雪崩二极管的形成方法，该方法可用于形成上述实施例描述的单光子雪崩二极管。应当理解，上述实施例描述的单光子雪崩二极管的制作并不限于以下描述的方法。
图5是本发明一实施例的单光子雪崩二极管的形成方法的流程示意图。参照图1至图5，本发明一实施例中，单光子雪崩二极管的形成方法包括如下步骤：
第一步骤S1：提供衬底100，所述衬底100中形成有隔离结构101以及通过所述隔离结构101限定出的有源区，所述有源区具有第一掺杂类型；
第二步骤S2：进行第二掺杂类型的离子注入，在所述有源区的设定深度范围内形成第一离子注入区，所述第二掺杂类型与所述第一掺杂类型相反；
第三步骤S3：再次进行第二掺杂类型的离子注入，在所述有源区内形成第二离子注入区，所述第二离子注入区浅于所述第一离子注入区且与所述第一离子注入区被所述衬底100隔离，所述第二离子注入区从所述有源区内延伸至所述衬底100上表面；
第四步骤S4：进行热退火，以使所述第一离子注入区和所述第二离子注入区的离子激活并稳定，由所述第一离子注入区得到上述耗尽厚度调节区120，由所述第二离子注入区得到上述第一阱区110。
所述第一步骤S1中，在衬底100中形成的隔离结构例如是深沟槽隔离(DTI)，以使相邻有源区内形成的单光子雪崩二极管之间的串扰尽可能降低。所述衬底100例如具有p型掺杂，即所述第一掺杂类型为p型，所述第二掺杂类型为n型，每个有源区均为p型掺杂。但在另外一些实施例中，所述第一掺杂类型也可以为n型，从而第二掺杂类型为p型。
本实施例按照从深到浅的顺序依次进行离子注入，具体分别利用第二步骤S2和第三步骤S3在衬底100中形成第一离子注入区和第二离子注入区。第一离子注入区和第二离子注入区的注入类型均为与第一掺杂类型相反的第二掺杂类型。在进行第二步骤S2和第三步骤S3的离子注入时，可以先在衬底100表面涂敷一层光阻，然后通过曝光及显影定义出需要进行第二掺杂类型注入的区域，接着根据要注入的深度，进行离子注入工艺，最后将光阻去除。作为示例，所述第一离子注入区为位于衬底100内的环形注入区，该环形注入区的注入宽度例如在0.5μm～1μm的范围。所述第一离子注入区可采用高能离子注入在衬底100内部形成。第一离子注入区的第二掺杂类型离子的浓度可小于所述第二离子注入区的第二掺杂类型离子的浓度，以使得后续形成的耗尽厚度调节区120的n型掺杂浓度小于第一阱区110的掺杂浓度，在单光子雪崩二极管工作时，耗尽厚度调节区120对第一阱区110处的二极管结构的正向电场影响较小。
第四步骤S4中，通过热退火同时使第二步骤S2形成的第一离子注入区和第三步骤S3形成的第二离子注入区的离子活化(激活)并稳定下来，从而由所述第一离子注入区得到耗尽厚度调节区120，由所述第二离子注入区得到所述第一阱区110，即可以得到如图1所示的单光子雪崩二极管10。
一实施例中，要制作如图2所示的单光子雪崩二极管20，则可以在上述步骤的基础上，在第二步骤S2注入形成上述第一离子注入区之后且第三步骤S3注入形成上述第二离子注入区之前，***一第一掺杂类型的离子注入工艺，使得在同一有源区内形成第三离子注入区，所述第三离子注入区在第四步骤S4的热退火后用于形成上述第二阱区130。在形成所述第三离子注入区之后，再进行上述第三步骤S3来形成上述第二离子注入区，所述第三离子注入区的最大注入深度大于上述第二离子注入区的最大注入深度，因而所述第三离子注入区的下表面低于第二离子注入区的下表面。所述第二离子注入区位于衬底100上表面的注入面可覆盖并大于所述第三离子注入区的注入面，也即，第二离子注入区在衬底100上表面的正投影覆盖第三离子注入区在衬底100上表面的正投影，从而，所述第二离子注入区的下边角未被第三离子注入区覆盖。在完成第四步骤S4后，由所述第三离子注入区得到上述第二阱区130，第一阱区110位于第二阱区130上方。此外，上述第一离子注入区的注入深度优选较所述第三离子注入区大0.5μm以上，以避免后续形成的耗尽厚度调节区120与第二阱区130接触。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同和相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的结构相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见结构部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种单光子雪崩二极管，其特征在于，包括：
衬底以及从所述衬底上表面延伸至所述衬底内部的第一阱区，所述衬底的上表面与下表面为相对的面，所述衬底的掺杂类型与所述第一阱区的掺杂类型相反，所述第一阱区和周围的衬底区域构成二极管结构；以及，
耗尽厚度调节区，形成于所述衬底内且在所述衬底内的深度大于所述第一阱区的掺杂离子在所述衬底内的最大注入深度，所述耗尽厚度调节区与所述第一阱区的掺杂类型相同且与所述第一阱区被所述衬底隔离。
2.如权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述耗尽厚度调节区在所述衬底上表面的正投影具有外轮廓与内轮廓，所述耗尽厚度调节区在所述衬底上表面的正投影的外轮廓与内轮廓之间为所述耗尽厚度调节区的掺杂区在所述衬底上表面的正投影，所述第一阱区在所述衬底上表面的正投影外轮廓位于所述耗尽厚度调节区的正投影外轮廓与内轮廓之间；所述耗尽厚度调节区的正投影内轮廓的最小横向尺寸大于所述耗尽厚度调节区中掺杂离子的扩散距离。
3.如权利要求2所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，还包括：
第二阱区，所述第二阱区与所述衬底的掺杂类型相同，并且，在所述第一阱区远离所述衬底上表面一侧，所述第二阱区与所述第一阱区相邻而构成二极管结构，所述第一阱区在所述衬底上表面的正投影覆盖所述第二阱区在所述衬底上表面的正投影，所述耗尽厚度调节区与所述第二阱区被所述衬底隔离。
4.如权利要求3所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第二阱区在所述衬底上表面的正投影外轮廓位于所述耗尽厚度调节区在所述衬底上表面的正投影内轮廓内。
5.如权利要求2所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述耗尽厚度调节区在所述衬底上表面的正投影外轮廓与内轮廓均为圆形或多边形。
6.如权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述耗尽厚度调节区与所述第一阱区下表面的纵向垂直距离为0.5μm～3μm。
7.如权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述耗尽厚度调节区的多子掺杂浓度小于所述第一阱区。
8.如权利要求1至7任一项所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述衬底为p型掺杂，所述第一阱区为n型掺杂。
9.一种单光子雪崩二极管的形成方法，其特征在于，用于形成如权利要求1至8任一项所述的单光子雪崩二极管，所述形成方法包括：
提供衬底，所述衬底中形成有隔离结构以及通过所述隔离结构限定出的有源区，所述有源区具有第一掺杂类型；
进行第二掺杂类型的离子注入，在所述有源区的设定深度范围内形成第一离子注入区，所述第二掺杂类型与所述第一掺杂类型相反；
再次进行第二掺杂类型的离子注入，在所述有源区内形成第二离子注入区，所述第二离子注入区浅于所述第一离子注入区且与所述第一离子注入区被所述衬底隔离，所述第二离子注入区从所述有源区内延伸至所述衬底上表面；以及，
进行热退火，以使所述第一离子注入区和所述第二离子注入区的离子激活并稳定，由所述第一离子注入区得到所述耗尽厚度调节区，由所述第二离子注入区得到所述第一阱区。
10.如权利要求9所述的形成方法，其特征在于，在形成所述第一离子注入区之后且形成所述第二离子注入区之前，还包括：
进行第一掺杂类型的离子注入，在所述有源区内形成第三离子注入区，所述第三离子注入区，所述第三离子注入区浅于所述第一离子注入区，并且，所述第三离子注入区的最大注入深度大于所述第二离子注入区的最大注入深度，所述第三离子注入区用于在进行所述热退火后得到第二阱区，所述第二阱区位于所述第一阱区远离所述衬底上表面一侧，所述第二阱区与所述第一阱区相邻而构成二极管结构。
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