CN109314153B - 基于雪崩光电二极管的图像感测器 - Google Patents
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Abstract
本文公开这样的装置，其包括：雪崩光电二极管(APD)阵列，APD中的每个包括吸收区和放大区；其中吸收区配置成从吸收区所吸收的光子产生载流子；其中放大区包括结，在该结中具有电场；其中电场处于足以导致进入放大区的载流子雪崩但不足以使雪崩自持的值；其中APD的结是离散的。
Description
【技术领域】
本文的公开涉及图像感测器，特别涉及基于雪崩二极管的图像感测器。
【背景技术】
图像感测器或成像感测器是可以检测辐射的空间强度分布的感测器。图像感测器通常通过电信号表示检测的图像。基于半导体器件的图像感测器可分为若干类型，其包括半导体电荷藕合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、N型金属氧化物半导体(NMOS)。CMOS图像感测器是使用CMOS半导体工艺制成的一类有源像素感测器。CMOS图像感测器中的像素上入射的光被转换成电压。电压数字化为代表该像素上入射的光的强度的离散值。有源像素感测器(APS)是图像感测器，其包括具有光电检测器和有源放大器的像素。CCD图像感测器包括像素中的电容器。当光入射在像素上时，光产生电荷并且这些电荷存储在电容器中。存储的电荷转换成电压并且电压数字化为代表该像素上入射的光的强度的离散值。
【发明内容】
本文公开这样的装置，其包括：雪崩光电二极管(APD)阵列，APD中的每个包括吸收区和放大区；其中吸收区配置成从吸收区所吸收的光子产生载流子；其中放大区包括结，在该结中具有电场；其中电场处于足以导致进入放大区的载流子雪崩但不足以使雪崩自持的值；其中APD的结是离散的。
根据实施例，光子是软X射线光子。
根据实施例，吸收区对于软X射线具有至少80％的吸收率。
根据实施例，吸收区具有10微米或以上的厚度。
根据实施例，吸收区包括硅。
根据实施例，吸收区中的电场未高到足以在吸收区中导致雪崩效应。
根据实施例，吸收区是本征半导体或具有小于1012掺杂剂/cm3的掺杂水准的半导体。
根据实施例，APD中的至少一些的吸收区接合在一起。
根据实施例，装置包括在吸收区的相对侧上的两个放大区。
根据实施例，APD的放大区是离散的。
根据实施例，结是p-n结或异质结。
根据实施例，结包括第一层和第二层，其中该第一层是掺杂半导体并且第二层是重掺杂半导体。
根据实施例，第一层具有1013至1017掺杂剂/cm3的掺杂水准。
根据实施例，APD中的至少一些的第一层接合在一起。
根据实施例，装置进一步包括分别与APD的第二层电接触的电极。
根据实施例，装置进一步包括钝化材料，其配置成使吸收区的表面钝化。
根据实施例，装置进一步包括电连接到吸收区的共用电极。
根据实施例，结通过吸收区的材料、第一或第二层的材料、绝缘体材料或掺杂半导体的保护环而与相邻结的结分离。
根据实施例，保护环是具有与第二层相同掺杂类型的掺杂半导体并且保护环不是重掺杂的。
根据实施例，结进一步包括夹在第一与第二层之间的第三层；其中该第三层包括本征半导体。
根据实施例，APD中的至少一些的第三层接合在一起。
本文公开这样的系统，其包括上文的装置中的任一个和X射线源，其中配置该系统使得装置使用来自X射线源的穿过物体的X射线形成该物体的图像。
根据实施例，系统组态成实施胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影、牙齿X射线放射摄影或乳房摄影。
根据实施例，系统组态成实施电脑断层摄影。
根据实施例，系统是显微镜。
【附图说明】
图1示意示出在APD采用线性模式时APD中的电流关于APD上入射的光的强度的函数和在APD采用Geiger模式时APD中的电流关于APD上入射的光的强度的函数。
图2A、图2B和图2C示意示出根据实施例的APD的操作。
图3A示意示出基于APD阵列的图像感测器的横截面。
图3B示出图3A的图像感测器的变化形式。
图3C示出图3A的图像感测器的变化形式。
图3D示出图3A的图像感测器的变化形式。
图4A-图4G示意示出制作图像感测器的方法。
图5示意示出系统，其包括本文描述的图像感测器。
图6示意示出X射线电脑断层摄影(X射线CT)系统。
图7示意示出X射线显微镜。
【具体实施方式】
雪崩光电二极管(APD)是使用雪崩效应在暴露于光时产生电流的光电二极管。雪崩效应是这样的过程，其中材料中的自由载流子经受电场的强加速并且随后与材料的其他原子相碰由此使它们电离(碰撞电离)并且释放加速且与另外的原子相碰的额外载流子，从而释放更多载流子-连锁反应。碰撞电离是材料中一个高能载流子可以通过创建其他载流子而失去能量所凭藉的过程。例如，在半导体中，具有足够动能的电子(或空穴)可以将束缚电子撞出它的束缚态(在价带中)并且使它提升到处于导带中的状态，从而创建电子-空穴对。
APD可采用Geiger模式或线性模式工作。当APD采用Geiger模式工作时，它可叫作单光子雪崩二极管(SPAD)(也称为Geiger模式APD或G-APD)。SPAD是在高于击穿电压的反向偏压下工作的APD。在这里单词“高于”意指反向偏压的绝对值大于击穿电压的绝对值。SPAD可用于检测低强度光(例如，下至单个光子)并且信号传递具有几十微微秒抖动的光子的达到时间。SPAD在高于p-n结的击穿电压的反向偏压(即，p-n结的p型区在比n型区还低的电势偏置)下采用p-n结的形式。p-n结的击穿电压是这样的反向偏压，p-n结中的电流出现高于该反向偏压的指数增加。因为APD中的电流与APD上入射的光的强度成比例，在低于击穿电压的反向偏压工作的APD采用线性模式操作。
图1示意示出在APD采用线性模式操作时APD中的电流关于APD上入射的光的强度的函数112和在APD采用Geiger模式操作时(即，在APD是SPAD时)APD中的电流关于APD上入射的光的强度的函数111。在Geiger模式中，电流示出随著光强度非常急剧增加并且然后饱和。在线性模式中，电流基本上与光的强度成比例。
图2A、图2B和图2C示意示出根据实施例的APD的操作。图2A示出在光子(例如，X射线光子)被吸收区210吸收时，可产生多个(对于X射线光子，100至10000个)电子-空穴对。吸收区210具有足够厚度并且从而对于入射光子具有足够吸收率(例如，>80％或>90％)。对于软X射线光子，吸收区210可以是具有10微米或以上厚度的硅层。吸收区210中的电场未高到足以在吸收区210中导致雪崩效应。图2B示出在与吸收区210相对方向上的电子和空穴漂移。图2C示出在电子(或空穴)进入放大区220时在放大区220中出现雪崩效应，由此产生更多电子和空穴。放大区220中的电场高到足以导致进入放大区220的载流子雪崩但并未高到导致雪崩效应自持。自持雪崩是在外部触发(例如APD上入射的光子或漂移到APD内的载流子)消失后继续存在的雪崩。放大区220中的电场可以是放大区220中的掺杂分布的结果。例如，放大区220可包括p-n结或异质结，其在它的耗尽区中具有电场。对于雪崩效应的阈值电场(即，高于该阈值电场出现雪崩效应并且低于该阈值电场则不出现雪崩效应)是放大区220的材料的性质。放大区220可以在吸收区210的一个或两个相对侧上。
图3A示意示出基于APD 350的阵列的图像感测器300的横截面。作为图2A、图2B和图2C中示出的示例，APD 350中的每个可具有吸收区310和放大区320。图像感测器300中的APD 350中的至少一些或全部可使它们的吸收区310接合在一起。即，图像感测器300可具有采用在APD 350中的至少一些或全部之间共用的吸收层311的形式的接合吸收区310。APD350的放大区320是离散区。即，APD 350的放大区320未接合在一起。在实施例中，吸收层311可采用半导体晶圆的形式，例如硅晶圆。吸收区310可以是本征半导体或极轻掺杂半导体(例如，<1012掺杂剂/cm3、<1011掺杂剂/cm3、<1010掺杂剂/cm3、<109掺杂剂/cm3)，其具有足够厚度并且从而对于感兴趣的入射光子(例如，X射线光子)具有足够吸收率(例如，>80％或>90％)。放大区320可具有由至少两个层312和313形成的结315。结315可以是p-n结的异质结。在实施例中，层312是p型半导体(例如，硅)并且层313是重掺杂n型层(例如，硅)。短语“重掺杂”不是程度术语。重掺杂半导体具有与金属相当的电导率并且展现基本上线性正导热系数。在重掺杂半导体中，掺杂剂能量水准并入能带。重掺杂半导体也叫作简并半导体。层312可具有1013至1017掺杂剂/cm3的掺杂水准。层313可具有1018掺杂剂/cm3或以上的掺杂水准。层312和313可通过外延生长、掺杂剂注入或掺杂剂扩散来形成。可以选择层312和313的带结构和掺杂水准使得结315的耗尽区电场大于层312和313的材料中电子(或空穴)的雪崩效应的阈值电场，但未高到导致自持雪崩。即，结315的耗尽区电场应在吸收区310中存在入射光子时导致雪崩但雪崩在吸收区310中没有另外的入射光子的情况下应停止。
图像感测器300可进一步包括分别与APD 350的层313电接触的电极304。电极304配置成收集流过APD 350的电流。
图像感测器300可进一步包括钝化材料303，其配置成使APD 350的吸收区310和层313的表面钝化以减少在这些表面处的重组。
图像感测器300可进一步包括设置在与放大区320相对的吸收区310上的重掺杂层302，和在该重掺杂层302上的共用电极301。APD 350中的至少一些或全部的共用电极310可接合在一起。APD 350中的至少一些或全部的重掺杂层302可接合在一起。
当光子入射在图像感测器300上时，它可被APD 350中的一个的吸收区310吸收，并且可因此在吸收区310中产生载流子。一个类型的载流子(电子或空穴)朝那一个APD的放大区320漂移。当载流子进入放大区320时，出现雪崩效应并且导致载流子放大。可以通过那一个APD的电极304收集放大载流子，作为电流。当那一个APD采用线性模式时，电流与每单位时间吸收区310中入射光子的数量成比例(即，与那一个APD处的光强度成比例)。APD处的电流可编译成代表光的空间强度分布，即图像。放大载流子可备选地通过那一个APD的电极304收集，并且可从载流子确定光子数量(例如，通过使用电流的时间特性)。
APD 350的结315应是离散的，即APD中的一个的结315不应与APD中的另一个的结315接合。在APD 350的结315中的一个处放大的载流子不应与结351中的另一个共用。APD中一个的结315可通过缠绕结的吸收区的材料、通过缠绕结的层312或313的材料、通过缠绕结的绝缘体材料或通过掺杂半导体的保护环而与相邻APD的结315分离。如在图3A中示出的，APD 350中的每个的层312可是离散的，即未与APD中的另一个的层312接合；APD350中的每个的层313可是离散的，即未与APD中的另一个的层313接合。图3B示出图像感测器300的变化形式，其中APD中的一些或全部的层312接合在一起。图3C示出图像感测器300的变化形式，其中结315被保护环316环绕。保护环316可以是绝缘体材料或掺杂半导体。例如，当层313是重掺杂n型半导体时，保护环316可以是具有与层313相同材料但未重掺杂的n型半导体。在图3A或图3B中示出的图像感测器300中可存在保护环316。图3D示出图像感测器300的变化形式，其中结315具有夹在层312与313之间的本征半导体层317。APD 350中的每个中的本征半导体层317可是离散的，即未与另一个APD的其他本征半导体层317接合。APD 350中的一些或全部的本征半导体层317可接合在一起。
图4A-图4G示意示出制作图像感测器300的方法。该方法以获得半导体衬底411开始。半导体衬底411可以是硅衬底。半导体衬底411是本征半导体或极轻掺杂半导体(例如，<1012掺杂剂/cm3、<1011掺杂剂/cm3、<1010掺杂剂/cm3、<109掺杂剂/cm3)，其具有足够厚度并且从而对于感兴趣的入射光子(例如，X射线光子)具有足够吸收率(例如，>80％或>90％)。重掺杂层402在半导体衬底411的一侧上形成。可形成该重掺杂层402(即，重掺杂p型层)用于使合适的掺杂剂扩散进入或注入衬底411。掺杂层412在与重掺杂层402相对的半导体411的侧上形成。层412可具有1013至1017掺杂剂/cm3的掺杂水准。层412可以是与重掺杂层402相同的掺杂类型(即，如果层402是p型则层412是p型并且如果层402是n型则层412是n型)。层412可通过使合适的掺杂剂扩散进入或注入衬底411或通过外延生长而形成。层412可以是连续层或可具有离散区域。可在层412上形成可选层417。层417可通过层412而与衬底411的材料完全分离。即，如果层412具有离散区，层417具有离散区。层417是本征半导体。层417可通过外延生长形成。层313在如层417存在的话则在其上形成，或如层417不存在则在层412上形成。层412可通过层412或层417而与衬底411的材料完全分离。层413可具有离散区域。层413是具有与层412的掺杂剂相反类型的重掺杂半导体(即，如果层412是p型则层413是n型；如果层412是n型则层413是p型)。层413可具有1018掺杂剂/cm3或以上的掺杂水准。层413可通过使合适的掺杂剂扩散进入或注入衬底411或通过外延生长而形成。层413、层412和层417(如存在的话)形成离散结415(例如，p-n结、p-i-n结、异质结)。可在结415周围形成可选的保护环416。保护环416可以是具有与层413相同掺杂类型但未重掺杂的半导体。可施加钝化材料403来使衬底411、层412和413的表面钝化。可形成电极404并且它们通过层413电连接到结415。可在重掺杂层402上形成共用电极401用于电连接于此。
图5示意示出这样的系统，其包括本文描述的图像感测器300。该系统包括X射线源501。从X射线源501发射的X射线穿过物体510(例如，钻石、组织样品、人体部位(例如乳房))、由于物体510的不同结构而衰减不同程度并且被投射到图像感测器300。图像感测器300通过检测X射线的强度分布来形成图像。系统图可用于医学成像，例如胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影、牙齿X射线放射摄影、乳房摄影等。系统可用于工业CT，例如钻石缺陷检测、扫描树来使年周期和细胞结构视觉化、扫描建筑材料(像载入后的混凝土)等。
图6示意示出X射线电脑断层摄影(X射线CT)系统。X射线CT系统使用电脑处理的X射线来产生被扫描物体的特定区域的断层摄影图像(虚拟“切片”)。断层摄影图像在各种医学学科中可用于诊断和治疗目的，或用于缺陷检测、失效分析、计量、元件分析和逆向工程。X射线CT系统包括本文描述的图像感测器300和X射线源601。图像感测器300和X射线源601可配置成沿一个或多个圆形或螺旋形路径同步旋转。
图7示意示出X射线显微镜或X射线显微CT 700。X射线显微镜或X射线显微CT 700可包括X射线源701、聚焦光学器件704和本文描述的图像感测器300，用于检测样品702的X射线图像。
尽管本文公开各种方面和实施例，其他方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求指示。
Claims (24)
1.一种装置，其包括：
雪崩光电二极管阵列，即APD阵列，所述APD阵列中的每个APD包括吸收区和放大区；
其中所述吸收区配置成从所述吸收区所吸收的光子产生载流子；
其中所述放大区包括结，在所述结中具有电场；
其中所述电场处于足以导致进入所述放大区的载流子雪崩但不足以使雪崩自持的值；
其中所述APD的结是离散的；
其还包括：在所述吸收区的相对侧上的另一个放大区。
2.如权利要求第1项的装置，其中所述光子是软X射线光子。
3.如权利要求第1项的装置，其中所述吸收区对于软X射线具有至少80％的吸收率。
4.如权利要求第1项的装置，其中所述吸收区具有10微米或以上的厚度。
5.如权利要求第1项的装置，其中所述吸收区包括硅。
6.如权利要求第1项的装置，其中所述吸收区中的电场未高到足以在所述吸收区中导致雪崩效应。
7.如权利要求第1项的装置，其中所述吸收区是本征半导体或具有小于1012掺杂剂/cm3的掺杂水准的半导体。
8.如权利要求第1项的装置，其中所述APD中的至少一些的吸收区接合在一起。
9.如权利要求第1项的装置，其中所述APD的放大区是离散的。
10.如权利要求第1项的装置，其中所述结是p-n结或异质结。
11.如权利要求第1项的装置，其中所述结包括第一层和第二层，其中所述第一层是掺杂半导体并且所述第二层是重掺杂半导体。
12.如权利要求第11项的装置，其中所述第一层具有1013至1017掺杂剂/cm3的掺杂水准。
13.如权利要求第11项的装置，其中所述APD中的至少一些的第一层接合在一起。
14.如权利要求第11项的装置，其进一步包括分别与所述APD的第二层电接触的电极。
15.如权利要求第1项的装置，其进一步包括钝化材料，所述钝化材料配置成使所述吸收区的表面钝化。
16.如权利要求第1项的装置，其进一步包括电连接到所述吸收区的共用电极。
17.如权利要求第11项的装置，其中所述结通过所述吸收区的材料、所述第一或第二层的材料、绝缘体材料或掺杂半导体的保护环而与相邻结的结分离。
18.如权利要求第17项的装置，其中所述保护环是具有与所述第二层相同掺杂类型的掺杂半导体并且所述保护环不是重掺杂的。
19.如权利要求第11项的装置，其中所述结进一步包括夹在所述第一与第二层之间的第三层；其中所述第三层包括本征半导体。
20.如权利要求第19项的装置，其中所述APD中的至少一些的第三层接合在一起。
21.一种系统，其包括如权利要求第1项的装置和X射线源，其中配置所述系统使得如权利要求第1项的装置使用来自所述X射线源的穿过物体的X射线形成所述物体的图像。
22.如权利要求第21项的系统，其中所述系统组态成实施胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影、牙齿X射线放射摄影或乳房摄影。
23.如权利要求第21项的系统，其中所述系统组态成实施电脑断层摄影。
24.如权利要求第21项的系统，其中所述系统是显微镜。
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