CN109690792B - Spad光电二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SPAD光电二极管(200)，包括：具有正面和背面的第一导电类型的半导体衬底(201)；和第二导电类型的第一半导体区域(203)，其从其正面并在其背面的方向上延伸进入衬底(201)，第一区域(203)的侧面与衬底(201)接触，并且第一区域(203)的侧面和衬底(201)之间的结限定了光电二极管的雪崩区。

Description

SPAD光电二极管
本专利申请要求法国专利申请FR16/58513的优先权权益，所述申请通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及用于检测单光子的雪崩光电二极管(也被称为SPAD(单光子雪崩二极管)光电二极管)的领域。
背景技术
SPAD光电二极管本质上由处于大于其雪崩阈值的电压处的反向偏置的PN结形成。当PN结的耗尽区或空间电荷区中不存在电荷时，光电二极管处于非导电伪稳态。当光生(photogenerated)电荷注入到耗尽区时，如果耗尽区中该电荷的位移速度足够高，即，如果耗尽区中的电场足够强，则光电二极管能够进行雪崩。因此，单光子能够生成可测量的电信号，并且其具有非常短的响应时间。SPAD光电二极管能够检测到极低光强度的辐射，并且其特别地用于单光子检测和光子计数。
将期望的是至少部分地改善已知SPAD光电二极管的某些方面。
发明内容
因此，实施例提供了一种SPAD类型的光电二极管，包括：具有正面正面和背面的第一导电类型的半导体衬底；和第二导电类型的第一半导体区域，其在衬底中从衬底正面并朝向衬底背面延伸，第一区域的侧面与衬底接触并且第一区域的侧面和衬底之间的结限定了光电二极管的雪崩区。
根据实施例，光电二极管还包括：位于衬底的正面上的用于偏置衬底的第一金属化物；和位于第一区域的正面上的用于偏置第一区域的第二金属化物。
根据实施例，第一区域包括在衬底中延伸的第二导电类型的多个半导体棒或半导体管。
根据实施例，第一区域的两个相邻棒或管之间的横截面距离小于或等于3μm。
根据实施例，第一区域在衬底中向下延伸5至25μm范围内的深度。
根据实施例，光电二极管还包括涂覆衬底的背面的第一半导体层，第一区域完全穿过衬底并中止在第一层中，第一层被掺杂为第一导电类型并具有低于衬底的掺杂水平的掺杂水平，或者第一层被掺杂为第二导电类型并具有低于第一区域的掺杂水平的掺杂水平。
根据实施例，光电二极管还包括涂覆衬底的正面的第二半导体层，第一区域完全穿过第二层，第二层被掺杂为第一导电类型并具有低于衬底的掺杂水平的掺杂水平。
根据实施例，光电二极管还包括第二导电类型的局部掺杂区域，其具有低于第一区域的掺杂水平的掺杂水平，在衬底中从衬底的上表面延伸并横向围绕第一区域。
根据实施例，衬底由硅制成，第一区域通过用具有与衬底的导电类型相反的导电类型的多晶硅填充在衬底中形成的沟槽而形成。
根据实施例，衬底以其背面搁置(rest on)在绝缘层上，并且第一区域完全穿过衬底并且中止在绝缘层的正面上。
根据实施例，第一区域通过用具有与衬底的导电类型相反的导电类型的多晶硅部分填充在衬底中形成的沟槽而形成，然后用绝缘材料填充沟槽以获得将绝缘层的正面连接到衬底的正面的绝缘壁。
附图说明
在下面结合附图对特定实施例的非限制性描述中将详细讨论前述和其他特征和优点，在附图中：
图1是SPAD光电二极管的示例的局部简化横截面视图；
图2是SPAD光电二极管的实施例的局部简化横截面视图；
图2bis是SPAD光电二极管的可替换实施例的局部简化横截面视图；
图2ter是SPAD光电二极管的另一可替换实施例的局部简化横截面视图；
图3是SPAD光电二极管的另一实施例的局部简化横截面视图；
图4是SPAD光电二极管的另一实施例的局部简化横截面视图；并且
图5、6、7和8是示出了根据实施例的SPAD光电二极管的示例的局部简化横截面视图。
具体实施方式
在不同的图中，相同的元件已经用相同的附图标记指定，并且此外，各个图未按比例绘制。为清楚起见，仅示出了并且详述了对理解所述实施例有用的那些元件。特别地，SPAD类型的光电二极管大致包括：次级电路，特别是用于将其PN结偏置到大于其雪崩阈值的电压的电路；读出电路，其能够检测到光电二极管的雪崩已经被触发；以及猝息电路，其具有在光电二极管已经被触发时中断光电二极管的雪崩的功能。这些次级电路未在附图中示出并且将不再详述，所述实施例与配备已知SPAD光电二极管的次级电路兼容。在以下描述中，当引用限定绝对位置的术语(例如术语“前面”、“后面”、“顶部”、“底部”、“左边”、“右边”等)，或者相对位置(例如术语“上面”，“下面”，“较高”，“较低”等)，或限定方向的术语(例如术语“水平”、“垂直”、“横向”等)时，其是指图1、2、3或4的截面视图的定向，要理解的是，在实践中，所述光电二极管可以被不同地定向。术语“近似地”“基本上”和“大约”在本文中用于指定所讨论的值的正负10％，优选地正负5％的公差，或者当它们涉及角度或绝对角度或相对角度定向时，指定所讨论的值的正负10度，优选地正负5度的公差。
在已知的SPAD中提出的问题在于对在衬底中在远离光电二极管的雪崩区(即电场对于由单个电荷触发雪崩来说足够强的光电二极管耗尽区的部分)的距离处的深处光生成的电荷的收集。实际上，在距离PN结一定距离之外，由PN结的反向偏置产生的电场变为零或强烈衰减，并且不再能够将光生电荷驱动到雪崩区。然后，只有衬底中的随机扩散能够将光生电荷驱动到雪崩区，其具有光生电荷永远不会到达雪崩区或者以显著的延迟到达雪崩区的不可忽略的概率。当在高波长的发光辐射(例如在硅中具有750到1200nm范围内的波长的辐射)的作用下光生成的电荷被期望收集时，尤其会出现这个问题。
图1是SPAD 100的示例的局部简化截面视图。光电二极管100包括例如由硅制成的半导体衬底101。在所示的示例中，衬底101是P型掺杂的(P-)。光电二极管100还包括：在衬底101的上部从衬底的上表面延伸的N型掺杂区域103(N+)；和在区域103下方具有大于衬底101的掺杂水平的掺杂水平的从区域103的下表面延伸的P型掺杂区域105(P+)。在顶视图中，区域105具有低于区域103的表面并且位于与区域103的中心部分103a相反的位置。因此，区域103的环形周边区域103b横向延伸超出区域105的周边区域。区域103的中心区域103a的下表面与区域105的上表面接触，并且区域103的外围区域103b的下表面和侧面与衬底101接触。因此，光电二极管100的PN结包括在区域105和区域103的中心部分103a之间形成的中心部分，以及在衬底101和区域103的周边部分103b之间形成的外围部分。在所示的示例中，光电二极管100还包括例如由氧化硅制成的钝化层107，其在光电二极管周边的水平处涂覆衬底101的上表面。此外，在该示例中，光电二极管100包括在衬底101的下部的P型掺杂区109(P+)，其具有低于衬底的掺杂水平的掺杂水平，在衬底101中从其下表面基本上延伸光电二极管的整个表面。
作为示例，区域103和105的厚度在几十纳米到几百纳米的范围内，并且位于区域105下面(即在所示示例中，在区域105的下表面和层109的上表面之间)的衬底101的厚度在几微米到几百微米的范围内。
在操作中，形成光电二极管阴极的区域103被偏置到正电势V+，并且形成光电二极管阳极的区域105被偏置到负电势V-，使得光电二极管的阴极-阳极电压大于其雪崩电压。在图1的示例中，没有详述能够偏置光电二极管的接触端子。作为示例，光电二极管的阳极经由区域109偏置。光电二极管的阴极可以经由位于区域103的正面上的接触金属化物来偏置。
当光电二极管100被反向偏置时，在光电二极管的PN结处出现电场。图1以虚线示出了当光电二极管100被反向偏置时衬底101中的等势线。光电二极管中的电场(未示出)与等势线正交，并且随着等势线彼此接近而更加强。PN结的空间电荷区域和由PN结的反向偏置产生的电场随着光电二极管的反向偏置电压高并且随着遇到的掺杂水平低而延伸到衬底101中更深。对于给定的偏置电压，PN结处生成的电场随着形成结的P型和N型区域的掺杂水平高而更加强。
实际上，区域103和105以及衬底101的掺杂水平和光电二极管偏置电压被选择为使得PN结的中心部分处(在区域105和区域103的中心部分103a之间的界面处)的电场对于由单个光生电荷触发雪崩来说足够强，并且使得PN结的外围部分处在衬底101和区域103的外围部分103b之间的界面处)的电场(对于单个光生电荷不触发雪崩来说足够低。这使得能够降低由于PN结的外围处的边缘效应引起的雪崩的虚假触发的风险。
为了能够收集在衬底101的深处(即在区域105下)光生成的电荷，解决方案是使用具有非常低(例如，低于5×1014原子/cm3)的掺杂水平的衬底101。作为示例，衬底101可以是非故意掺杂的半导体衬底，即，具有仅由杂质在其制造时的偶然污染引起的P型掺杂的衬底。这使得由光电二极管的反向偏置生成的电场能够在衬底的深处延伸。在该电场的作用下，在衬底中光生成的电荷(在相关的情况下是电子)沿着平行于电场的轨迹被驱向PN结。作为变型，还可以利用具有较高掺杂水平的衬底(其被设置为显著增加光电二极管的反向偏置电压)获得穿过衬底厚度的电场的延伸。
能够收集在衬底的深处光生成的电荷的另一种解决方案(未示出)是将光电二极管的PN结(即图1中的区域103和105)深埋在衬底中，以缩短在深处光生成的电荷应该行进到达雪崩区的路径。在这种情况下，光生电荷朝向雪崩区的收集可能由于电荷在衬底中的随机扩散而不是由于电场辅助而造成。
实施例的目的是提供一种作为上面提到的解决方案的替代方案的解决方案，其能够高效地收集在半导体衬底深处或表面处光生成的电荷。
图2是SPAD光电二极管200的实施例的局部简化横截面视图。
光电二极管200包括例如由硅制成的在图2的方向上具有基本水平的上表面和下表面的半导体衬底201。在该示例中，衬底201是P型掺杂的(P)。此外，在该示例中，衬底201顶部有P型掺杂层205(P-)，P型掺杂层205具有低于衬底的掺杂水平的掺杂水平并且使其下表面与衬底的上表面接触。在所示的示例中，衬底还搁置在P型掺杂层207(P-)上，P型掺杂层207具有低于衬底的掺杂水平的掺杂水平并且使其上表面与衬底的下表面接触。在该示例中，层207本身搁置在P型掺杂层209上，P型掺杂层209具有大于层207的掺杂水平的掺杂水平并且使其上表面与层207的下表面接触。作为示例，层209可以是支撑衬底，具有层207，并且然后是衬底201，并且然后是在衬底201的上表面上通过外延形成的层205。作为示例，衬底201的厚度在1至25μm的范围内，并且层205和207各自具有在50nm至1μm的范围内的厚度。
光电二极管200还包括局部N型掺杂区域203(N)，其在衬底201中从衬底的上表面延伸到仅光电二极管表面的部分。区域203在衬底201中相对较深地延伸，通常下降到多个微米的深度，例如，下降到5到25μm范围内的深度。在所示的示例中，区域203从层205的上表面延伸，完全穿过层205和衬底201，并中止在层207中。因此，在区域203的上部203a中，区域203的侧面与层205接触，在区域203的中心部分203b中，区域203的侧面与衬底201接触，并且在区域203的下部203c中，区域203的侧面和下表面与层207接触。
衬底201形成光电二极管200的阳极，并且区域203形成光电二极管200的阴极。根据图2的实施例的方面，在区域203的侧面和衬底201之间形成的PN结限定了光电二极管200的雪崩区。换句话说，在图2的实施例中，光电二极管200的PN结的有源部分(即，可以由单个光生电荷触发雪崩的PN结的部分)沿着不平行于衬底201的上表面的平面(例如，基本与衬底201的上表面正交的平面)延伸。这是关于图1的示例的差异，其中PN结的有源部分是水平的，即，平行于衬底的上表面和下表面。
区域203例如包括一个或多个N型掺杂硅指状物，其在衬底201中从其上表面(例如沿着基本垂直的方向)延伸。作为变型，区域203可以具有管的形状，该管具有基本垂直的中心轴，在衬底201中从其上表面延伸。
作为示例，为了形成区域203，首先例如通过刻蚀包括层209和207、衬底201以及层205的叠层(stack)的上表面来形成沟槽，沟槽穿过层205和衬底201并中止在层207中，之后用N型掺杂多晶硅填充沟槽以形成区域203。
作为变型，形成区域203的N型掺杂多晶硅沉积在沟槽的侧壁和底部上，以仅部分地填充沟槽。然后，例如通过保形沉积方法(conformal deposition method)，例如通过化学气相沉积(CVD)，在沟槽的侧壁和底部沉积对待检测的辐射不透明的材料，例如金属或金属合金，例如钨-硅合金。然后可以用电绝缘材料(例如，通过保形沉积方法(例如，通过SACVD型(亚大气压化学气相沉积)或HARP型(高纵横比工艺)方法)沉积的氧化物)填充沟槽。
这种变化的优点在于它能够使限定光电二极管的阴极区203的沟槽不透明。实际上，当光电二极管雪崩时，雪崩区会发射光子，并且存在光子致使器件的另一相邻光电二极管中发生雪崩的风险。提供不透明的沟槽限制了这种风险。
图2的光电二极管200还包括阳极接触金属化物211，其被布置在衬底201的上表面上方并且电耦合到衬底201。在所示的示例中，具有高于或等于衬底201的掺杂水平的掺杂水平的局部P型掺杂接触区213(P+)在层205中从层205的上表面延伸并且一直延续到衬底201的上表面。金属化物211被布置在接触区213的顶部并与接触区213接触。
图2的光电二极管200还包括阴极接触金属化物215，其被布置在区域203的上表面上方并且电耦合到区域203。在所示的示例中，金属化物215被布置在区域203的上表面的顶部上并与区域203的上表面接触。可以在区域203的上部设置具有高于区域203的掺杂水平的掺杂水平的N型掺杂接触区(未示出)，然后将金属化物215布置在接触区的上表面的顶部并与接触区的上表面接触。
在操作中，形成光电二极管阴极的区域203经由接触金属化物215被偏置到正电势V+，并且形成光电二极管阳极的衬底201经由接触金属化物211被偏置到负电势V-，使得光电二极管的阴极-阳极电压大于其雪崩电压。
如在图1的示例中，当光电二极管200被反向偏置时，在光电二极管的PN结处出现电场。图2以虚线示出了当光电二极管200被反向偏置时半导体结构中的等势线。如图所示，由于层205和207的掺杂水平低于衬底201的掺杂水平的事实，因此等势线在光电二极管的PN结的上部(在层205和区域203的上部203a之间的界面处)和下部(在层207和区域203的下部203c之间的界面处)的水平处比在PN结的中心部分(在衬底201和区域203的中心部分203b之间的界面处)的水平处彼此更远。因此，在PN结的上部和下部的水平处生成的电场不如在PN结的中心部分的水平处生成的电场强。
衬底201、层205和207以及区域203的掺杂水平和二极管偏置电压优选地被选择为使得PN结的中心部分的水平处的电场对于单个光生电荷触发雪崩来说足够强(例如，沿着与PN结正交的方向在100至500nm的距离上大于300kV/cm)，并且使得在PN结的上部的水平处和下部的水平处的电场对于单个光生电荷不触发雪崩来说足够低(例如，小于300kV/cm)。作为示例，光电二极管的反向击穿电压(或雪崩电压)在10到50V的范围内，并且光电二极管的反向偏置电压比其击穿电压大0.5到10V范围内的值。衬底201的掺杂水平例如在5×1016至7×1017原子/cm3的范围内。区域203的掺杂水平例如在1×1017至1×1019原子/cm3的范围内。层205和207的掺杂水平例如低于5×1016原子/cm3。
当在衬底201中在PN结周围的几微米半径内光生成电荷并且下降到大约区域203的深度的深度时，电荷横向扩散到衬底中并且存在该电荷到达光电二极管的雪崩区并引起触发雪崩的显著概率。因此，图2的光电二极管使得能够高效地收集在衬底深处光生成的电荷，如在衬底的上部中光生成的电荷。特别地，在图2的光电二极管中，衬底201中的电荷的光生成与光电二极管的雪崩区中的电荷的收集之间经过的平均时间基本上与电荷已经在衬底中光生成所处的深度无关。
应该注意的是，图2的光电二极管能够在衬底201的正面上或衬底201的背面上被照明。在该后一种情况下，可能会提供减薄的或甚至是完全去除的下层209。图2的光电二极管的优点在于，当从其正面照明时，阳极接触金属化物211不位于光路上，且因此不会降低光电二极管灵敏度。
在图2的示例中，具有比衬底201的掺杂水平低的掺杂水平的上层205和下层207能够降低由于PN结的端部处的边缘效应引起的雪崩的虚假触发的风险。然而，这些层是可选的，并且可以提供其他解决方案以控制由于场效应而引起的虚假触发的风险：例如，通过改变区域203的上端和下端的形状或者通过降低区域203的上端和下端处的N型掺杂水平。此外，通过用具有低于区域203的掺杂水平的掺杂水平的N型层替换下面的P型层207，可以获得虚假触发风险降低的类似效果。
图2bis是示出了图2的SPAD光电二极管200的可替换实施例的局部简化横截面视图，其中下层207是具有低于区域203的掺杂水平的掺杂水平的N型层。
这种配置的优点在于，通过在衬底201和层207之间形成的水平PN结创建的垂直电场，在光电二极管的下部(即在与层207的界面附近的衬底201中，或在层207中，或者也在层209中)生成的电子被推回到衬底201下面。因此，这样的电子不能上升回到光电二极管的雪崩区。这使得能够限制串扰现象(即，通过相邻光电二极管中光生成的电子的虚假触发现象)，当层207为类型P时，电子可以在区域203下通过扩散传播。
此外，这使得能够使光生成电荷的平均收集时间最小化，这是因为仅衬底201中、区域203之间生成的电荷能够触发雪崩。
还应该注意的是，在背面照射结构(即，旨在在其背面照射的结构)的情况下，支撑衬底209可以变薄或甚至完全去除。那么，提供N型层207是特别有利的。实际上，这使得由层207或209的下表面侧处的缺陷生成的可能的虚假电子能够保持限制在层207中，并且因此不会触发雪崩。换句话说，层207使光电二极管的下表面钝化。然后，其特别地可以被设置为例如通过沉积一个或多个抗反射层，或者还通过形成表面结构来光学地处理光电二极管的下表面，以有利于光穿透进入衬底201，而不担心增加虚假触发(并因此增加噪音)的风险。
图2ter是示出了图2的SPAD光电二极管200的另一可替换实施例的局部简化横截面视图，其中下层207是具有与区域203的掺杂水平基本相同的掺杂水平的N型层。
在该示例中，光电二极管的雪崩区不仅包括在区域203的侧面和衬底201之间形成的垂直PN结，还包括在层207和衬底201之间形成的水平PN结。
与图2bis的配置相比，差异在于，在与层207的界面附近的衬底201的下部中光生成的电子现在导致雪崩(而不是在不触发雪崩的情况下朝向层207放电)并因此通过SPAD光电二极管被检测到。类似地，在层207中光生成的空穴穿过结到达衬底201，这里再次导致雪崩。这使得能够增加设备的灵敏度。
应该注意的是，在背面照射结构的情况下或者在由上面与图4有关描述的类型的SOI型衬底形成的结构的情况下，层207或209的下表面水平处的界面缺陷可以生成虚假空穴。这种虚假空穴能够穿过层207和衬底201之间的水平PN结，从而生成虚假的触发现象。为了限制这种现象，层207或209应该在其下表面处相对重掺杂。作为示例，层207可以在其下表面和其上表面之间具有降低的掺杂水平梯度。层207和衬底201之间的PN结的击穿电压可以通过一个或多个扩散退火被调节为基本上等于区域203和衬底201之间的垂直结的击穿电压。
对于剩余部分，图2ter的结构具有与图2bis的结构基本上相同的优点。
应注意的是，在图2bis和2ter的示例中，支撑衬底209是P型。然而，衬底209可以是N型掺杂的。在这种情况下，层207和衬底209可能会混淆。
在图2、2bis和2ter的结构中，在衬底201和区域203之间形成的PN结优选地重复多次，以增加捕获在衬底中光生成的电荷的机会。在图5、6和7中示出了多次重复区域203的SPAD光电二极管的示例。
图5、6、7和8是沿着穿过衬底201的水平截面X-X(图2)的关于图2、2bis和2ter描述的类型的SPAD光电二极管的横截面视图。
图5示出了SPAD光电二极管的示例，其中区域203包括多个基本上垂直的N型棒，其具有圆形截面，在顶视图图中，跨光电二极管的表面规则地分布。每个棒可以顶部设有接触棒的阴极接触金属化物215(图5中未示出)。加顶不同棒的金属化物215可以互连。阳极接触金属化物211(图5中未示出)可以是例如被布置在光电二极管的中心部分中的单个金属化物，或是包括规则地分布在光电二极管的上表面上方的多个互连部分的分布式金属化物。
图6示出了SPAD光电二极管的另一示例，其与图5的示例的不同主要在于，在图6的示例中，区域203的N型棒具有十字形横截面。
图7示出了SPAD光电二极管的另一示例，其中区域203包括多个N型管，其具有基本上垂直的轴线，在顶视图中跨光电二极管表面规则地分布。在所示的示例中，在横截面中，每个N型管具有带圆角的方形形状。区域203的每个N型管可以顶部设有接触管的上表面的阴极接触金属化物215(图5中未示出)，例如，环形金属化物。此外，位于区域203的每个N型管内部的衬底部分201可以顶部设有接触衬底部分的上表面的阳极接触金属化物211(图5中未示出)。加顶不同N型管状区域的阴极接触金属化物215可以连接在一起。此外，加顶被包含在不同N型管状区域中的衬底部分201的阳极接触金属化物211可以互连。
图8示出了图7的SPAD光电二极管的可替换实施例。图8对应于下文关于图4描述的类型的结构的简化顶视图。在该示例中，不同的N型管状区域仅通过垂直绝缘区域801(例如，对于待检测的辐射不透明的区域)彼此分开。例如，区域801对应于图4的结构的绝缘壁403。
在图5、6、7和8的示例中，或者更一般地，当光电二极管的区域203重复多次时，加顶不同区域203的阴极接触金属化物215可以通过多个相邻区域203的群组互连，以获得共享相同电连接的更宽检测区域。实际上，光检测区域例如被限制于每个区域203周围的几微米。通过在相同电连接上聚集多个相邻区域203，获得具有更大尺寸的检测像素。
此外，当光电二极管的区域203重复多次以增加光生成电荷收集表面面积时，两个相邻区域203之间(在横截面中)的距离可以被选择为保持对于在结构的两个相邻区域203之间的相等距离处光生成的电荷的合理收集时间。作为示例，结构的两个相邻区域203之间的距离短于3μm。
图3是SPAD 300的另一实施例的局部简化横截面视图。图3的SPAD 300包括与图2的SPAD 200共同的许多结构和功能特征。这种共同特征在下文中不再描述。下文中，将仅详细说明与图2的SPAD光电二极管200的差异。
SPAD光电二极管300与SPAD光电二极管200的不同主要在于它不包括比衬底201更轻掺杂的加顶衬底201的P型上层205。
然而，SPAD光电二极管300在区域203的上部203a的水平处包括局部N型掺杂区域301(N-)，其具有比区域203的掺杂水平更低的掺杂水平，在衬底201中从衬底的上表面延伸并横向围绕区域203。例如，区域301在衬底201中向下延伸到50至500nm范围内的深度。在区域203的上部203a的水平处，区域203的侧面与区域301接触。因此，光电二极管的PN结的上部对应于区域301和衬底201之间的界面。由于区域301的N型掺杂水平低于区域203的N型掺杂水平的事实，因此在PN结的上部水平处生成的电场强度小于在PN结的中心部分的水平处生成的电场。因此，区域301能够限制由于区域203的上端处的边缘效应而引起的光电二极管的虚假触发的风险。作为变型，区域301可以具有横向掺杂水平梯度，使得其N型掺杂水平随着到区域203的距离增加而逐渐降低。
应注意的是，图3的变型可以与图2bis或2ter的变型组合。
图4是SPAD 400的另一实施例的局部简化横截面视图。图4的SPAD光电二极管400包括与图2的SPAD光电二极管200共同的许多结构和功能特征。这种共同特征在下文中不再描述。在下文中，将仅详细说明关于图2的SPAD光电二极管200的差异。
在图4的示例中，光电二极管400由绝缘衬底上的硅(SOI)形成。层209对应于SOI叠层的支撑衬底。例如由氧化硅制成的绝缘层401(BOX)被布置在层209的上表面的顶部上并与之接触。绝缘层401本身顶部设有层207、201和205的叠层。在所示的示例中，下层207是具有比区域203的掺杂水平更低的掺杂水平的N型层，并且上层205是具有比衬底201的掺杂水平更低的掺杂水平的P型层。
在图4的示例中，区域203位于从层205的上表面延伸的沟槽的外围，其完全穿过层205、衬底201和层207，并且出现在绝缘层401的上表面上。在形成沟槽后，N型掺杂多晶硅沉积在沟槽的侧壁上以部分地填充沟槽。可以从沟槽的底部去除多晶硅。然后用绝缘材料(例如，氧化硅)填充沟槽，以形成将层401连接到层205的上表面的绝缘壁403。
图4的配置在区域203是管状(例如，图7中所示的类型)的情况下特别有利。实际上，在这种情况下，位于N型管203内的衬底201的P型部分通过绝缘层401和外围绝缘壁403与衬底201的剩余部分完全绝缘。这使得能够包含衬底201的高电压偏置。这特别简化了将其他部件(未示出)集成在与SPAD光电二极管相同的衬底201的内部和顶部上。
应注意的是，图4的变型可以与图2或2ter和/或图3的变型组合。
已经描述了特定实施例。本领域技术人员将想到各种改变、修改和改进。特别地，所述实施例不限于说明书中提到的尺寸和掺杂水平的数值示例。
此外，通过反转关于与图2至图8有关描述的示例的所有导电类型可以获得上述优点。

Claims (13)

1.一种SPAD型光电二极管(200；300；400)，包括：
具有正面和背面的第一导电类型的半导体衬底(201)；
第二导电类型的第一半导体区域(203)，其在所述衬底(201)中从所述衬底(201)的正面并朝向所述衬底(201)的背面延伸，第一区域(203)的侧面与所述衬底(201)接触，并且所述第一区域(203)的侧面和所述衬底(201)之间的结限定了光电二极管的雪崩区；以及
涂覆所述衬底(201)的背面的第一半导体层(207)，所述第一区域(203)完全穿过所述衬底(201)并中止在第一层(207)中，所述第一层(207)被掺杂为所述第二导电类型。
2.根据权利要求1所述的光电二极管(200；300；400)，其中所述第一层具有比所述第一区域(203)的掺杂水平更低的掺杂水平。
3.根据权利要求1所述的光电二极管(200；300；400)，其中所述第一层具有与所述第一区域基本相同的掺杂水平，并且其中所述第一层与所述衬底之间的结限定了所述光电二极管的附加雪崩区。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光电二极管(200；300；400)，还包括：位于所述衬底(201)的正面上的用于偏置所述衬底(201)的第一金属化物(211)，和位于所述第一区域(203)的正面上的用于偏置所述第一区域(203)的第二金属化物(215)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电二极管(200；300；400)，其中所述第一区域(203)包括在所述衬底(201)中延伸的所述第二导电类型的多个半导体棒或半导体管。
6.根据权利要求5所述的光电二极管(200；300；400)，其中所述第一区域(203)的两个相邻棒或管之间的横截面距离小于或等于3μm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光电二极管(200；300；400)，其中所述第一区域(203)在所述衬底中向下延伸5至25μm范围内的深度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光电二极管(200；400)，还包括涂覆所述衬底(201)的正面的第二半导体层(205)，所述第一区域(203)完全穿过第二层(205)，所述第二层(205)被掺杂为所述第一导电类型并且具有比所述衬底的掺杂水平更低的掺杂水平。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的光电二极管(300)，还包括被掺杂为所述第二导电类型的局部区域(301)，其具有比所述第一区域(203)的掺杂水平更低的掺杂水平，在所述衬底(201)中从其上表面延伸并横向围绕所述第一区域(203)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光电二极管(200；300；400)，其中所述衬底(201)由硅制成，所述第一区域(203)通过用多晶硅填充在所述衬底(201)中形成的沟槽而形成，所述多晶硅具有与所述衬底的导电类型相反的导电类型。
11.根据权利要求10所述的光电二极管，其中所述第一区域(203)通过用多晶硅来部分填充在所述衬底(201)中形成的沟槽而形成，所述多晶硅具有与所述衬底的导电类型相反的导电类型，所述沟槽还包括确保填充所述沟槽的绝缘材料和涂覆所述多晶硅的不透明材料的层。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光电二极管(400)，其中所述衬底以其背面搁置在绝缘层(401)上，并且其中所述第一区域(203)完全穿过所述衬底(201)并中止在所述绝缘层(401)的正面上。
13.根据权利要求12所述的光电二极管(400)，其中所述第一区域(203)通过用多晶硅来部分填充在所述衬底(201)中形成的沟槽而形成，所述多晶硅具有与所述衬底的导电类型相反的导电类型，然后用绝缘材料填充所述沟槽以获得绝缘壁(403)，所述绝缘壁(403)将所述绝缘层(401)的正面连接到所述衬底(201)的正面。
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