【技术实现步骤摘要】
(一)本专利技术涉及的是一种低噪声半导体探测器，属于光电探测。
技术介绍
0、(二)
技术介绍
1、雪崩光电二极管(avalanche photodiode，apd)是一种高性能光电探测器，与普通的光电探测器相比，apd具有更高的增益，因此在低光强水平下具有更高的灵敏度。它的工作原理是利用雪崩效应，即在电场的作用下，一个载流子碰撞产生的电子与晶格原子发生相互作用，产生出大量的电子-空穴对，使得载流子数量呈指数增加，最终产生一个可观测的雪崩电流。单光子雪崩光电二极管(single photon avalanche diode，spad)是一种工作在盖格模式下的雪崩光电二极管，其运行时承受的偏压大于击穿电压，旨在检测单个光子事件。它是一种极其灵敏的光电探测器，通常用于需要高灵敏度和高分辨率的应用领域，如量子通信、量子密钥分发、荧光寿命检测、单光子显微镜和光子计数等。
2、单光子探测器的暗计数是指在无外界光源作用下，由于内部噪声或其他因素引起的雪崩击穿事件的计数。暗计数对单光子雪崩光电二极管的性能和应用有着重要的影响。首先，暗计数会增加系统的背景噪声水平，导致信噪比降低，系统对真实光子信号的检测灵敏度降低，使得系统难以探测到极微弱的光信号，从而限制了其应用范围和性能。其次，暗计数会导致系统产生误报，即错误地将暗计数误认为是真实的光子信号，降低了系统的可靠性和准确性，尤其在需要高精度检测的任务中表现突出。此外，暗计数还会影响成像质量，导致图像背景增加，降低图像的对比度和清晰度，从而影响成像质量。为了弥补暗计数的影响
3、为了降低雪崩光电探测器的噪声，研究人员不断地优化器件结构，以降低暗计数率，提升探测器的信噪比。如veerappan等设计了一种垂直p-i-n二极管结构的cmos单光子雪崩二极管，在11v过偏压下暗计数率为1.5cps/μm2(veerappan,chockalingam,andedoardo charbon."a low dark count pin diode based spad in cmos technology."ieee transactions on electron devices 63.1(2015):65-71.)；abbas提出了第一个3d堆叠的背照式spad图像传感器，室温下过偏压1v时暗计数率低于200cps(al abbas,t.,etal."backside illuminated spad image sensor with 7.83μm pitch in 3d-stackedcmos technology."2016ieee international electron devices meeting(iedm).ieee,2016.)。此外，金湘亮等提出一种新型结构的spad，利用p+/lnw(light n-well doping)结探测光子,并通过低浓度的n型扩散圆形保护环抑制边缘击穿,当过偏电压为2v时,暗计数率为260hz(杨佳,et al."design and analysis of a novel low dark count ratespad."journal of infrared and millimeter waves 35.4(2016):394-397.)；徐跃采用多晶硅场板降低spad器件暗计数率，实验结果表明多晶硅场板的引入使得spad器件的暗计数率降低了一个数量级(dong,han,et al."reducing dark count of single-photonavalanche diode detector with polysilicon field plate."acta physica sinica69.14(2020).)。尽管通过优化现有模型的结构可以使单光子探测器的噪声在一定程度上降低，但是目前的暗计数率仍然达到几十至几百hz，并且很难进一步减小。这些设计的缺陷有：1.由于半导体材料本身的热激发效应暗载流子无法完全消除，并且受限于器件制造工艺暗电流无法进一步降低，这使得器件性能无法进一步提高；2.偏压增大器件内部场强随之增大，此时由于雪崩击穿概率增大光子探测效率会增加，但是暗载流子被触发雪崩的机率也会增大，因此暗计数率与光子探测效率需要折中选取，这极大影响了探测器的探测性能；3.器件内部载流子数量受环境温度影响，如温度升高击穿电压变大，这使得器件稳定性变差。
4、为了解决以上问题，本专利技术公开了一种集成暗像素的硅基雪崩光电二极管探测器，可用于等激光测距、荧光寿命检测、量子通信等极弱光的探测。本专利技术结构通过垂直堆叠集成两个半导体结构参数完全一样的雪崩光电二极管，底部作为暗像素，使其只能运行在无光条件下，提供暗噪声。暗环境下运行的雪崩二极管由于结构，大小以及工艺制造参数与所集成在一起的探测光信号模式下正常运行的雪崩二极管相同，会有着相同的暗计数率。两者的暗计数可以补偿抵消降低整个系统的噪声，理论上暗计数率可以降到接近于0，可以提高探测系统的灵敏度和准确性。所述半导体光电探测器中的用于进行光信号探测的雪崩二极管与运行在无光条件下的暗像素通过同一电极连接，工作在同一偏置电压下，因此有着相同(或相近)的工作温度以及性能，这使其降噪效果不会被雪崩光电探测器芯片温度的变化所影响。本专利技术可应用于单光子探测模式下的雪崩光电二极管，包括门控模式和自由运行模式，也可应用于工作在击穿电压以下的雪崩二极管，大幅提升了其应用范围。
技术实现思路
0、(三)
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种低噪声的半导体光电探测器，由正常接收光信号的雪崩光电二极管(1)、暗像素雪崩光电二极管(2)组成，正常接收光信号的雪崩光电二极管(1)在上，暗像素雪崩光电二极管(2)置于底部，两者堆叠集成为一体。其中正常接收光信号的雪崩光电二极管(1)从上到下依次为顶部电极(10)、顶部sio2层(11)、顶部外延层(12)、第一衬底(13)和公共电极(3)；暗像素雪崩光电二极管(2)从上到下依次为公共电极(3)、第二衬底(23)、底部外延层(22)、底部sio2层(21)、底部电极(20)；公共电极(3)属于雪崩光电二极管(1)与雪崩光电二极管(2)的共有区域。
2、本专利技术的目的是这样实现的：探测器整体可视为由上下两个雪崩光电二极管堆叠而成，顶部正常接收光信号的雪崩光电二极管(1)负责接收光照产生响本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种低噪声的半导体光电探测器。其特征是：探测器由正常接收光信号的雪崩光电二极管(1)、暗像素雪崩光电二极管(2)组成；所述探测器中正常接收光信号的雪崩光电二极管(1)包括依次层叠设置的顶部SiO2层(11)、顶部外延层(12)、第一衬底(13)、公共电极(3)；顶部外延层(12)靠近上方顶部SiO2层(11)一侧设有N+接触层(121)通过顶部电极(10)引出，N+接触层(121)外侧设有N-Well区(122)，下方中心区域设有Center-Nwell区(123)。暗像素雪崩光电二极管(2)包括公共电极(3)、第二衬底(23)、底部外延层(22)、底部SiO2层(21)；底部外延层(22)设有暗像素N+接触层(221)通过底部电极(20)引出，暗像素N+接触层(221)外侧设有暗像素N-Well区(222)，上方中心区域设有暗像素Center-Nwell区(222)。
2.根据权利要求1所述的低噪声的半导体光电探测器；其特征是：所述正常接收光信号的雪崩光电二极管(1)和暗像素雪崩光电二极管(2)通过垂直堆叠的方式在公共电极(3)上下两侧集成为一体。
4.根据权利要求1所述的低噪声的半导体光电探测器；其特征是：所述正常接收光信号的雪崩光电二极管(1)中的SiO2层(11)、顶部外延层(12)、第一衬底(13)、N+接触层(121)、N-Well区(122)、Center-Nwell区(123)与暗像素雪崩光电二极管(2)中的底部SiO2层(21)、底部外延层(22)、第二衬底(23)、暗像素N+接触层(221)、暗像素N-Well区(222)、暗像素Center-Nwell区(222)有相同的材料和掺杂浓度，形状关于公共电极(3)上下镜像对称，尺寸一致。
...【技术特征摘要】
1.一种低噪声的半导体光电探测器。其特征是：探测器由正常接收光信号的雪崩光电二极管(1)、暗像素雪崩光电二极管(2)组成；所述探测器中正常接收光信号的雪崩光电二极管(1)包括依次层叠设置的顶部sio2层(11)、顶部外延层(12)、第一衬底(13)、公共电极(3)；顶部外延层(12)靠近上方顶部sio2层(11)一侧设有n+接触层(121)通过顶部电极(10)引出，n+接触层(121)外侧设有n-well区(122)，下方中心区域设有center-nwell区(123)。暗像素雪崩光电二极管(2)包括公共电极(3)、第二衬底(23)、底部外延层(22)、底部sio2层(21)；底部外延层(22)设有暗像素n+接触层(221)通过底部电极(20)引出，暗像素n+接触层(221)外侧设有暗像素n-well区(222)，上方中心区域设有暗像素center-nwell区(222)。
2.根据权利要求1所述的低噪声的半导体光电探测器；其特征是：所述正常接收光信号的雪崩光电二极管(1)和暗像素雪崩光电二极管(2)通过垂直堆...
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