CN108987421A - 一种背照单光子雪崩二极管图像传感器 - Google Patents
一种背照单光子雪崩二极管图像传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108987421A CN108987421A CN201810624663.9A CN201810624663A CN108987421A CN 108987421 A CN108987421 A CN 108987421A CN 201810624663 A CN201810624663 A CN 201810624663A CN 108987421 A CN108987421 A CN 108987421A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- anode
- photon
- photon avalanche
- avalanche diode
- illuminated single
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 10
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 9
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 8
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229930002875 chlorophyll Natural products 0.000 description 1
- 235000019804 chlorophyll Nutrition 0.000 description 1
- ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M chlorophyll a Chemical compound C1([C@@H](C(=O)OC)C(=O)C2=C3C)=C2N2C3=CC(C(CC)=C3C)=[N+]4C3=CC3=C(C=C)C(C)=C5N3[Mg-2]42[N+]2=C1[C@@H](CCC(=O)OC\C=C(/C)CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)[C@H](C)C2=C5 ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/1464—Back illuminated imager structures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种背照单光子雪崩二极管图像传感器，包括传感器晶片垂直堆叠在一个电路板，该传感器晶片包含一个或多个背照单光子雪崩二极管区域，每个区域包括阳极背照单光子雪崩二极管值梯度层，相邻的背照单光子雪崩二极管区前表面阴极区和阳极雪崩层放置在阴极区，每个背照单光子雪崩二极管区连接至电源和输出电路在电路板通过晶圆间的连接器，深槽隔离元件是用来提供背照单光子雪崩二极管区光电隔离。本发明能够解决现有技术中形成雪崩光电二极管阵列方法繁琐、噪声大及功率消耗大的问题。
Description
技术领域
本发明属于电子设备应用领域，具体涉及一种背照单光子雪崩二极管图像 传感器。
背景技术
现有图像传感器用于各种电子设备，如数码相机、移动电话、复印机、医 疗成像设备、安全系统和飞行时间照相机，现有单片集成图像传感器通常包括 叶绿素背照单光子雪崩二极管值和电路地区区域数组。然而，很难防止单片集 成的背照单光子雪崩二极管图像传感器的半导体晶片制造过程中所造成的污 染。金属和其他污染物可能对背照单光子雪崩二极管图像传感器的性能产生不 利影响，如增加图像传感器噪声的传播。
在某些情况下，一个较厚的半导体晶片可以提高背照单光子雪崩二极管区 域的光子探测效率，但较厚的半导体晶片可能减少背照单光子雪崩二极管地区 的时间分辨率和响应时间，因为电荷载体必须通过较厚的半导体晶片的传播， 另外，一个较厚的半导体晶片可以导致更高的击穿电压，从而提高背照单光子 雪崩二极管图像传感器的功耗。
发明内容
本发明目的是提供一种背照单光子雪崩二极管图像传感器，解决了现有技 术中的缺陷。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种背照单光子雪崩二极管图像传感器，其特征在于：包括
一个传感器晶片；
一个传播区域；
一个包含第一掺杂剂类型的阳极梯度层；
一个相邻的前表面包括背照单光子雪崩二极管区和第二掺杂型阴极区，且 位于所述阴极区上并包括所述第一掺杂剂类型的阳极雪崩层，其中所述阴极区 具有第一区域，所述阳极雪崩层具有小于第一区域的第二区域；
一个在所述阳极梯度层中第一掺杂剂类型的掺杂浓度在所述传感器晶片的 背面较高，并且在阳极梯度层的正面较低，以在所述阳极梯度层中产生掺杂浓 度梯度，并引导光子产生的电荷载体通过所述阳极梯度层到达所述阳极雪崩层；
一个放置在所述传感器晶片下面并附在晶片上的电路晶片，其中电路板包 括电源电压耦合到所述背照单光子雪崩二极管区，并通过第一晶圆间的连接器 和输出电路耦合到所述阴极区通过第二晶圆间连接。
可选的，背照单光子雪崩二极管图像传感器进一步包括相邻的背照单光子 雪崩二极管区的深沟槽隔离区。
本发明具有如下有益效果：
本发明的一种背照单光子雪崩二极管图像传感器，能够解决现有技术中形 成雪崩光电二极管阵列方法繁琐、噪声大及功率消耗大的问题。
附图说明
图1为本发明一种一个或多个SPAD图像传感器的示意图；
图2描绘了图1所示的检测器的一个示例的截面图；
图3a显示了背照式图像传感器的SPAD值的截面图；
图3b显示变化的背照SPAD图像传感器图3a的截面图；
图4为本发明的SPAD值区域的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
本实施例披露涉及背照单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器，SPAD图像 传感器包括传感器芯片和一个单独的电路板是连接或焊接到传感器晶片前表 面，该传感器晶片包含一个或多个SPAD区，每个SPAD区包括感光半导体部分 和函数作为SPAD图像传感器，即一个像素单元，它接收到的光子产生的电流。 每个SPAD半导体部分配置为一个二极管，SPAD区能够通过反向偏置的二极管 部分进入雪崩区域检测，入射光子产生雪崩电流，电路板包括电路连接到SPAD 区和雪崩电流检测。在一些实施例中，每个SPAD区连接到至少一个电源电压通 过第一晶圆间的连接器和一个输出电路通过第二晶圆间的连接器。由于传感器 晶片主要包括SPAD区域，传感器的晶圆制造工艺可为SPAD地区生产的优化。 类似地，电路晶片的制造过程可以被优化为电路晶片中的电路。由于传感器芯 片中不包括电路，因此减少或消除了传感器晶片的污染。更全面的解释下，一 些SPAD地区包括表面配置为接收光阳极梯度层，用于引导光子产生的电荷载体 从阳极梯度层的侧边内的阳极梯度层。电荷载体然后引导向SPAD区阳极雪崩 层。在阳极雪崩层中，电荷载流子进一步产生电荷载体，它们与阴极区的相反 类型的电荷载体结合。其结果是一个电流脉冲进入SPAD区。在一个实施例中， SPAD区包括第一侧边的掺杂浓度梯度毗邻的SPAD区的第一侧边及一第二侧边 的掺杂浓度梯度毗邻的SPAD区侧边缘，另一个掺杂浓度梯度可能增加垂直内阳 极梯度层轻掺杂层的后表面的阳极梯度层或SPAD区。
图1显示系统包括一个或多个SPAD图像传感器的一个例子。系统100包括 发射器102、检测器104和目标106。发射器102和检测器104分别代表一个或 多个发射器和检测器。发射器102定位于向目标106发射光，检测器104位于 检测从场景和/或目标106反射的光。处理装置108连接到发射器102和检测 器104。当要检测到光时，处理装置108使发射器102向目标106发射光(箭 头110所表示的发射光)。然后，由检测器104(由箭头112表示的反射光) 检测从目标106反射的光。处理设备108接收来自检测器104的输出信号，并 处理输出信号以确定与反射光、目标106和/或场景相关联的一个或多个特性。
图2描绘了图1所示的检测器的一个示例的截面图。探测器200包括成像 阶段202，是光通信与SPAD图像传感器204。成像阶段202连接到外壳206的 探测器200位于SPAD图像传感器前面的204。成像级202可以包括诸如透镜、 滤波器、虹膜和快门的常规元件。成像阶段202指导，重点，或透过光线208 其视野内到SPAD图像传感器204。SPAD图像传感器204检测光通过将入射的光 子转化为电子信号。
图3a显示了背照式图像传感器的一个例子，SPAD值的截面图。背照SPAD 图像传感器300包括一个传感器晶片302垂直堆叠在一个电路板304。具体而 言，电路晶片304的背面连接或粘结到传感器晶片302的前表面，在接口306 上。尽管图3a仅描述一个电路晶片304，但其它实施例可以包括多个电路晶片。 阳极区和阴极区312之间的PN结反向偏置击穿电压以上时，SPAD区域308启 用光探测。当如此启用时，通过背面336进入阳极梯度层310的光量子光子通 过电子空穴产生产生光子产生的电荷载流子(例如电子)。光子产生的电荷载 流子被注入到阳极梯度层310的反向偏置放大的耗尽区中(例如，参见图4中 的耗尽层418)。这会触发一个自持雪崩引起的输出信号(如电流)在SPAD 308 区产量迅速上升。当前输出脉冲的前沿标志着检测到的光子的到达时间。电流 继续通过降低偏置电压降到或低于击穿电压，直到雪崩被淬灭。在一些实施例 中，在到达击穿电压之前，雪崩区域可以完全耗尽。(Hereinafter，一个“耗 尽”区域或层将被理解为“完全耗尽”)。SPAD 308区基本上是重置时，偏置 电压降低，或以下，击穿电压，或只是在某些实施方案。一段时间后，电压恢 复到一定程度，大于击穿电压和SPAD区308可以检测到另一个光子。一个SPAD 区308击穿电压可以至少部分地基于传感器晶片302的半导体材料，SPAD的区 域308的结构和温度。
图3b显示另一个实施例中，基于实例的背照式SPAD图像传感器图3A的横 截面图。微透镜阵列，可以设置在背面336SPAD图像传感器300。特别是，一 个微透镜338可放在每个SPAD区308。每个微透镜338指示灯(如光子)向各 自的SPAD区308中心。在其它实施例中可以省略微透镜阵列。
图4为SPAD值区域，适用于图像传感器的SPAD值示于图的一个例子。3a-b. 如前所述，SPAD 400区包括设置在背面406和阴极区404设置在前表面410阳 极区。阳极区域包括阳极梯度层402和位于阴极区域404上的阳极雪崩层408。 阳极梯度层402和阳极雪崩层408掺杂一种掺杂剂类型，阴极区域404掺杂不 同的第二掺杂剂类型。例如，在一个实施例中，阳极梯度层402和阳极雪崩层 408掺杂有p型掺杂剂和具有n型掺杂剂的阴极区404。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限 制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中 部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本 质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种背照单光子雪崩二极管图像传感器，其特征在于：包括
一个传感器晶片；
一个传播区域；
一个包含第一掺杂剂类型的阳极梯度层；
一个相邻的前表面包括背照单光子雪崩二极管区和第二掺杂型阴极区，且位于所述阴极区上并包括所述第一掺杂剂类型的阳极雪崩层，其中所述阴极区具有第一区域，所述阳极雪崩层具有小于第一区域的第二区域；
一个在所述阳极梯度层中第一掺杂剂类型的掺杂浓度在所述传感器晶片的背面较高，并且在阳极梯度层的正面较低，以在所述阳极梯度层中产生掺杂浓度梯度，并引导光子产生的电荷载体通过所述阳极梯度层到达所述阳极雪崩层；
一个放置在所述传感器晶片下面并附在晶片上的电路晶片，其中电路板包括电源电压耦合到所述背照单光子雪崩二极管区，并通过第一晶圆间的连接器和输出电路耦合到所述阴极区通过第二晶圆间连接。
2.根据权利要求1所述的一种背照单光子雪崩二极管图像传感器，其特征在于：背照单光子雪崩二极管图像传感器进一步包括相邻的背照单光子雪崩二极管区的深沟槽隔离区。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810624663.9A CN108987421A (zh) | 2018-06-16 | 2018-06-16 | 一种背照单光子雪崩二极管图像传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810624663.9A CN108987421A (zh) | 2018-06-16 | 2018-06-16 | 一种背照单光子雪崩二极管图像传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108987421A true CN108987421A (zh) | 2018-12-11 |
Family
ID=64541428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810624663.9A Withdrawn CN108987421A (zh) | 2018-06-16 | 2018-06-16 | 一种背照单光子雪崩二极管图像传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108987421A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109659377A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-04-19 | 深圳市灵明光子科技有限公司 | 单光子雪崩二极管及制作方法、探测器阵列、图像传感器 |
| CN113838879A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-12-24 | 深圳市灵明光子科技有限公司 | 单光子雪崩二极管装置、图像感测装置及激光雷达系统 |
| WO2022170570A1 (en) * | 2021-02-10 | 2022-08-18 | Diensens Technology | Dual charge-focusing single photon avalanche diode (spad) image sensor |
| CN116449337A (zh) * | 2023-01-12 | 2023-07-18 | 深圳阜时科技有限公司 | 像素电路、光电传感器、ToF装置及电子设备 |
-
2018
- 2018-06-16 CN CN201810624663.9A patent/CN108987421A/zh not_active Withdrawn
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109659377A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-04-19 | 深圳市灵明光子科技有限公司 | 单光子雪崩二极管及制作方法、探测器阵列、图像传感器 |
| CN109659377B (zh) * | 2018-12-13 | 2024-04-16 | 深圳市灵明光子科技有限公司 | 单光子雪崩二极管及制作方法、探测器阵列、图像传感器 |
| CN113838879A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-12-24 | 深圳市灵明光子科技有限公司 | 单光子雪崩二极管装置、图像感测装置及激光雷达系统 |
| CN113838879B (zh) * | 2020-09-25 | 2022-11-11 | 深圳市灵明光子科技有限公司 | 单光子雪崩二极管装置、图像感测装置及激光雷达系统 |
| WO2022170570A1 (en) * | 2021-02-10 | 2022-08-18 | Diensens Technology | Dual charge-focusing single photon avalanche diode (spad) image sensor |
| CN116449337A (zh) * | 2023-01-12 | 2023-07-18 | 深圳阜时科技有限公司 | 像素电路、光电传感器、ToF装置及电子设备 |
| CN116449337B (zh) * | 2023-01-12 | 2024-05-24 | 深圳阜时科技有限公司 | 像素电路、光电传感器、ToF装置及电子设备 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108987421A (zh) | 一种背照单光子雪崩二极管图像传感器 | |
| CN111682039B (zh) | 堆叠式背面照明spad阵列 | |
| US10056416B2 (en) | Majority current assisted radiation detector device | |
| KR102394088B1 (ko) | 3차원 센서, 시스템, 및 관련 방법 | |
| US20100327387A1 (en) | Avalanche Photodiode | |
| CN105810775A (zh) | 一种基于cmos图像传感器工艺的np型单光子雪崩二极管 | |
| CN104979365B (zh) | 图像传感器像素及图像传感器 | |
| CN104779259A (zh) | 用于互补金属氧化物半导体堆叠式芯片应用的单光子雪崩二极管成像传感器 | |
| US11791433B2 (en) | Single photon avalanche diode | |
| CN103904092A (zh) | 一种硅基cmos图像传感器及其提高电子转移效率的方法 | |
| CN112397542A (zh) | 图像传感模组及时间飞行器件、电子设备 | |
| US8294107B2 (en) | Low-luminance imaging device using silicon photomultiplier | |
| US20230011366A1 (en) | Semiconductor device and electronic apparatus | |
| US20230065873A1 (en) | Single-photon detection device, single-photon detector, and single-photon detector array | |
| Padullaparthi | Appendix J: Photodetectors | |
| US20240047489A1 (en) | Single photon avalanche diode | |
| CN109599408A (zh) | 一种cmos图像传感器像素结构及其制备、使用方法 | |
| David et al. | Back-illuminated CMOS APS with low crosstalk level |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20181211 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |