一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块及其制造方法技术

本发明专利技术属于光电探测领域，具体涉及一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块及其制造方法，该模块包括硅雪崩探测器芯片和前置放大电路，硅雪崩探测器芯片与前置放大电路连接；所述硅雪崩探测器芯片自上向下依次包括正面钝化层、N电极、N

【技术实现步骤摘要】
一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块及其制造方法


[0001]本专利技术属于光电探测领域，具体涉及一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块及其制造方法。

技术介绍

[0002]硅雪崩光电探测器模块主要由硅雪崩探测器芯片和前置放大电路组成，工作原理为：硅雪崩探测器芯片将脉冲光信号转换为脉冲电流信号，经前置放大电路转换为电压信号并放大输出，满足后续电路的处理，广泛应用于军用或民用激光测距、激光对抗系统以及激光雷达等领域。硅雪崩光电探测器模块作为激光测距的核心传感器件，测距系统测距能力与硅雪崩光电探测器模块的响应度息息相关，模块响应度由雪崩探测器芯片的光电转换能力决定，因此如何提高硅材料在近红外响应波段的响应度对激光测距系统的测距能力起关键作用。
[0003]硅材料响应波段为400～1100nm，用户应用的典型近红外响应波段1064nm已接近处于硅材料响应波段上截止波长，硅材料在该波段吸收效率偏低，光电转换响应度不足0.1A/W(由于雪崩探测器自带增益，响应度为10A/W)。而国外对应器件响应度典型值为0.36A/W，差距较大。

技术实现思路

[0004]为解决以上现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，该模块包括硅雪崩探测器芯片和前置放大电路，所述硅雪崩探测器芯片与所述前置放大电路连接，形成电学导通；所述硅雪崩探测器芯片自上向下依次包括正面钝化层1、N电极2、N
+
有源区3、P
‑
雪崩区4、P型衬底层5、P
+
光敏区6、背面钝化层7、增透层8以及P电极9，在P
+
光敏区6内设置有P
+
截止环10和N
+
保护环11；所述硅雪崩探测器芯片用于将脉冲光信号转换为脉冲电流信号，所述前置放大电路用于将脉冲电流信号进行放大输出。
[0005]优选的，P
+
截止环10和N
+
保护环11设置的位置为P
+
截止环10设置在正面P
‑
雪崩区4周围，N
+
保护环11设置在N
+
有源区3周围，且两个N
+
保护环11设置在硅雪崩探测器芯片的内侧，两个P
+
截止环10设置在硅雪崩探测器芯片的外侧。
[0006]优选的，硅雪崩探测器芯片的响应波长范围未400nm～1100nm。
[0007]优选的，硅雪崩探测器芯片的光敏面形状不限于圆形，可以为规则形状和不规则形状结构。
[0008]优选的，硅雪崩探测器芯片的光敏面像元不限于单象限，可以为二象限、四象限、八象限以及阵列结构。
[0009]优选的，前置放大电路包括跨组抗放大结构、电阻取样放大结构以及积分放大结构；跨组抗放大结构的输出端与电阻取样放大结构的输入端连接，电阻取样放大结构的输出端与积分放大结结构的输入端连接，构成了前置放大电路。
[0010]进一步的，前置放大器中的跨组抗放大结构包括：第一运算放大器、反馈电阻R
f
、
匹配电容C1、匹配电阻R1；所述匹配电容C1和匹配电阻R1并联后其输出端连接第一运算放大器的正极，输入端接地；反馈电阻R
f
的输入端连接第一运算放大器的负极，输出端连接第一运算放大器的输出端，构成跨组抗放大结构。
[0011]进一步的，前置放大器中的电阻取样放大结构包括：第二运算放大器、第一匹配电阻R2、第二匹配电阻R3以及反馈电阻R
f1
；所述第一匹配电阻R2的一端与接地线连接，另一端连接第二运算放大器的正极；所述第二匹配电阻R3的一端与接地线连接，另一端连接第二运算放大器的负极；所述反馈电阻R
f1
的一端连接第二运算放大器的负极，另一端连接第二运算放大器的输出端，构成电阻取样放大结构。
[0012]进一步的，前置放大器中的积分放大结构包括：第三运算放大器和反馈电容C
f
；所述第三运算放大器的正极接地，所述反馈电容C
f
的一端连接第三运算放大器负极，另一端连接第三运算放大器的输出端，得到积分放大结构。
[0013]一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块的制造方法，该方法包括：
[0014]S1：在P型高阻单晶硅衬底表面热氧化生长SiO2钝化膜，形成正面钝化层；
[0015]S2：利用光刻工艺和离子注入工艺依次制作P
+
截止环10、N
+
保护环11、P
‑
雪崩区4、N
+
有源区3；
[0016]S3：对P型高阻单晶硅衬底背面进行减薄抛光处理；
[0017]S4：在P型高阻单晶硅衬底背面热氧化生长SiO2钝化膜，形成背面钝化层；
[0018]S5：利用双面光刻工艺和离子注入工艺在P型高阻单晶硅衬底背面制作P
+
光敏区6；
[0019]S6：利用LPCVD工艺背面淀积氮化硅增透膜8；
[0020]S7：利用双面光刻工艺和干法刻蚀工艺分别制作P电极孔和N电极孔；
[0021]S8：利用双面光刻工艺或金属溅射工艺制作N电极2和P电极9；
[0022]S9：采用回流焊工艺将厚膜电路焊接在管座上；
[0023]S10：采用烧结压焊工艺完成前置放大电路制作；
[0024]S11：采用储能焊工艺将管帽和管座封焊在一起，形成模块。
[0025]本专利技术创造性地提出了在探测器芯片背面集成微结构以提高近红外响应度，优化高能注入工艺以降低芯片的偏压温度系数，同时突破性地提出了双保护环结构以提高芯片的可靠性；本专利技术提出的近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，使得器件的响应度从不足0.1A/W提高到0.3A/W。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的硅雪崩探测器芯片的整体结构图；
[0027]图2为本专利技术的近红外响应增强型硅雪崩探测器模块电路结构示意图；
[0028]图3为本专利技术的跨阻抗放大结构示意图；
[0029]图4为本专利技术的电阻取样放大结构示意图；
[0030]图5为本专利技术的积分放大结构示意图；
[0031]图6为本专利技术的背面响应增强微结构的工艺流程图；
[0032]图7为本专利技术的硅雪崩探测器芯片离子注入剂量控制方法流程图；
[0033]图8为本专利技术的硅雪崩探测器芯片离子注入剂量修正原理图；
[0034]图9为本专利技术的硅雪崩探测器芯片的实物图；
[0035]图10为传统距离测量实现方式的波形示意图；
[0036]其中，1、正面钝化层，2、N电极，3、N
+
有源区，4、P
‑
雪崩区，5、P型衬底层，6、P
+
光敏区，7、背面钝化层，8、增透层，9、P电极，10、P
+
截止环，11、N
+
保护环。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，该模块包括硅雪崩探测器芯片和前置放大电路，所述硅雪崩探测器芯片与所述前置放大电路进行连接，形成电学导通；其特征在于，所述硅雪崩探测器芯片自上向下依次包括正面钝化层(1)、N电极(2)、N
+
有源区(3)、P
‑
雪崩区(4)、P型衬底层(5)、P
+
光敏区(6)、背面钝化层(7)、增透层(8)以及P电极(9)，在P
+
光敏区(6)内设置有P
+
截止环(10)和N
+
保护环(11)；所述硅雪崩探测器芯片用于将脉冲光信号转换为脉冲电流信号，所述前置放大电路用于将脉冲电流信号进行放大输出。2.根据权利要求1所述的一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，其特征在于，P
+
截止环(10)和N
+
保护环(11)设置的位置为P
+
截止环(10)设置在正面P
‑
雪崩区(4)周围，N
+
保护环(11)设置在N
+
有源区(3)周围，且两个N
+
保护环(11)设置在硅雪崩探测器芯片的内侧，两个P
+
截止环(10)设置在硅雪崩探测器芯片的外侧。3.根据权利要求1所述的一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，其特征在于，硅雪崩探测器芯片的响应波长范围未400nm～1100nm。4.根据权利要求1所述的一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，其特征在于，硅雪崩探测器芯片的光敏面形状不限于圆形，可以为规则形状和不规则形状结构。5.根据权利要求1所述的一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，其特征在于，硅雪崩探测器芯片的光敏面像元不限于单象限，可以为二象限、四象限、八象限以及阵列结构。6.根据权利要求1所述的一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，其特征在于，所述前置放大电路包括跨组抗放大结构、电阻取样放大结构以及积分放大结构；跨组抗放大结构的输出端与电阻取样放大结构的输入端连接，电阻取样放大结构的输出端与积分放大结结构的输入端连接，构成了前置放大电路。7.根据权利要求6所述的一种近红外响应增强型硅雪崩探测器模块，其特征在于，前置放大器中的跨组抗放大结构包括：第一运算放...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，高传顺，景媛媛，黄建，冉建，黄烈云，黄绍春，向勇军，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十四研究所，
类型：发明
国别省市：