CN112909033A - 半导体器件 - Google Patents

半导体器件 Download PDF

Info

Publication number
CN112909033A
CN112909033A CN202011337308.7A CN202011337308A CN112909033A CN 112909033 A CN112909033 A CN 112909033A CN 202011337308 A CN202011337308 A CN 202011337308A CN 112909033 A CN112909033 A CN 112909033A
Authority
CN
China
Prior art keywords
spad
substrate
light scattering
semiconductor device
single photon
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.)
Pending
Application number
CN202011337308.7A
Other languages
English (en)
Inventor
S·伯萨克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Components Industries LLC
Original Assignee
Semiconductor Components Industries LLC
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US16/948,100 external-priority patent/US11764314B2/en
Application filed by Semiconductor Components Industries LLC filed Critical Semiconductor Components Industries LLC
Publication of CN112909033A publication Critical patent/CN112909033A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

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
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/1461—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements characterised by the photosensitive area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices 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; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02016—Circuit arrangements of general character for the devices
    • H01L31/02019—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02027—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for devices working in avalanche mode
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/06—Simple or compound lenses with non-spherical faces with cylindrical or toric faces
    • 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
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H01L27/14605—Structural or functional details relating to the position of the pixel elements, e.g. smaller pixel elements in the center of the imager compared to pixel elements at the periphery
    • 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
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • 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
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14623—Optical shielding
    • 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
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • 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
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14629—Reflectors
    • 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
    • H01L27/1463—Pixel isolation 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
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14634—Assemblies, i.e. Hybrid 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
    • 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
    • H01L27/14649—Infrared imagers
    • 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
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14685—Process for coatings or optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices 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; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices 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; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices 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; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/055—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means where light is absorbed and re-emitted at a different wavelength by the optical element directly associated or integrated with the PV cell, e.g. by using luminescent material, fluorescent concentrators or up-conversion arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices 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; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices 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; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices 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; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • 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
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/63—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to dark current

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本发明涉及半导体器件。本发明公开了一种成像设备，该成像设备可包括单光子雪崩二极管(SPAD)。为了改善该SPAD的灵敏度和信噪比，可在该半导体衬底中形成光散射结构以增加入射光穿过半导体衬底的路径长度。该光散射结构可包括形成在该半导体衬底中的沟槽中的低折射率材料。该光散射结构可具有不同的尺寸和/或每单位面积具有不均匀数量的结构的布局。SPAD器件还可包括围绕该SPAD的环中的隔离结构以防止串扰。该隔离结构可包括金属填充的深沟槽隔离结构。该金属填料可包含钨。

Description

半导体器件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月4日提交的临时专利申请号62/943,475和于2020年2月26日提交的临时专利申请号62/981,902的权益，这两个临时专利申请在此通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本发明整体涉及半导体器件，并且更具体地，涉及包括用于单光子检测的单光子雪崩二极管(SPAD)的成像系统。
背景技术
现代电子设备(诸如蜂窝电话、相机和计算机)常常使用数字图像传感器。图像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素的阵列形成。每个像素通常包括光敏元件诸如光电二极管，这些光敏元件接收入射光子(入射光)并把光子转变为电信号。每个像素还可包括将光重叠并聚焦到光敏元件上的微透镜。
常规图像传感器可以多种方式受到有限功能的影响。例如，一些常规图像传感器可能无法确定从图像传感器到正在成像的物体的距离。常规图像传感器也可具有低于期望的图像质量和分辨率。
为了提高对入射光的灵敏度，有时可在成像系统中使用单光子雪崩二极管(SPAD)。单光子雪崩二极管可能够进行单光子检测。然而，单光子雪崩二极管可具有低于期望的动态范围并且可易受串扰的影响。
本文所述的实施方案就是在这种背景下出现的。
发明内容
根据第一方面，本发明提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括：衬底；单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述衬底中；隔离结构，所述隔离结构围绕所述单光子雪崩二极管的周边形成；以及多个光散射结构，所述多个光散射结构形成在所述衬底中在所述单光子雪崩二极管上方。
根据第二方面，本发明提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括：衬底；单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述衬底中；深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构围绕所述单光子雪崩二极管以环形延伸；以及多个光散射结构，所述多个光散射结构形成在所述衬底中在所述单光子雪崩二极管上方，其中，所述多个光散射结构包括具有第一宽度的第一光散射结构和具有不同于所述第一宽度的第二宽度的第二光散射结构。
根据第三方面，本发明提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括：衬底；单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述衬底中；前侧深沟槽隔离结构，所述前侧深沟槽隔离结构围绕所述单光子雪崩二极管以环形延伸；以及多个光散射结构，所述多个光散射结构形成在所述衬底中在所述单光子雪崩二极管上方，其中，所述多个光散射结构在所述单光子雪崩二极管上方每单位面积具有不均匀数量的光散射结构。
附图说明
图1为根据一个实施方案的示出示例性单光子雪崩二极管像素的电路图。
图2为根据一个实施方案的示例性硅光电倍增器的图示。
图3为根据一个实施方案的具有快速输出端子的示例性硅光电倍增器的示意图。
图4为包括微小区阵列的示例性硅光电倍增器的图示。
图5为根据实施方案的包括基于SPAD的半导体器件的示例性成像系统的示意图。
图6为根据一个实施方案的具有隔离结构和光散射结构的示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图。
图7A至图7G为根据一个实施方案的具有隔离结构的示例性基于SPAD的半导体器件的各种布置的顶视图。
图8为根据一个实施方案的示出形成具有隔离结构和光散射结构的基于SPAD的半导体器件的示例性方法的图示。
图9为根据一个实施方案的具有前侧深沟槽隔离结构和光散射结构的示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及包括单光子雪崩二极管(SPAD)的成像系统。
一些成像系统包括图像传感器，该图像传感器通过将撞击光子转换成在传感器阵列内的像素光电二极管中积聚的(收集的)电子或空穴来感测光。在完成积聚周期之后，收集到的电荷被转换成电压，该电压被提供给传感器的输出端子。在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素本身中完成，并且模拟像素电压通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟像素电压也可随后在片上被转换成数字等同物，并且在数字域中以各种方式进行处理。
另一方面，在单光子雪崩二极管(SPAD)器件(诸如结合图1至图4所述的器件)中，光子检测原理是不同的。光感测二极管偏置在高于其击穿点，并且当入射光子生成电子或空穴时，该载流子会通过正在生成的附加的载流子启动雪崩击穿。雪崩倍增可产生电流信号，该电流信号能够通过与SPAD相关联的读出电路被容易地检测。能够通过将二极管偏置降低于其击穿点来停止(或淬灭)雪崩过程。因此，每个SPAD可包括用于停止雪崩的被动和/或主动淬灭电路。
可以通过两种方法来使用此概念。首先，可只是对到达的光子进行计数(例如，在低光度应用中)。其次，SPAD像素可用于测量从同步光源到场景对象点再返回到传感器的光子飞行时间(ToF)，该光子飞行时间可用于获得场景的三维图像。
图1是示例性SPAD器件202的电路图。如图1所示，SPAD器件202包括与淬灭电路206串联耦接在第一电源电压端子210(例如，接地电源电压端子)和第二电源电压端子208(例如，正电源电压端子)之间的SPAD 204。具体地讲，SPAD器件202包括具有连接到电源电压端子210的阳极端子和直接连接到淬灭电路206的阴极端子的SPAD 204。包括与淬灭电阻器206串联连接的SPAD 204的SPAD器件202有时统称为光触发单元或“微小区”。在SPAD器件202的操作期间，电源电压端子208和210可用于将SPAD 204偏置到高于击穿电压的电压(例如，将偏置电压Vbias施加到端子208)。击穿电压是能够施加到SPAD 204的不会导致二极管中的泄漏电流呈指数级增加的最大反向电压。当SPAD 204以这种方式反向偏置在击穿电压之上时，单光子的吸收可通过碰撞电离触发短时间但是相对较大的雪崩电流。
淬灭电路206(有时称为淬灭元件206)可用于将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压的水平。将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压将停止雪崩过程和对应的雪崩电流。有多种方法来形成淬灭电路206。淬灭电路206可以是被动淬灭电路或主动淬灭电路。一旦雪崩启动，被动淬灭电路无需外部控制或监测即可自动淬灭雪崩电流。例如，图1示出了使用电阻器部件来形成淬灭电路206的示例。这是被动淬灭电路的一个示例。
被动淬灭电路的这个示例仅仅是示例性的。主动淬灭电路也可用在SPAD器件202中。主动淬灭电路可减少SPAD器件202复位所花费的时间。这可允许SPAD器件202以比使用被动淬灭电路时更快的速率检测入射光，从而改善SPAD器件的动态范围。主动淬灭电路可调节SPAD淬灭电阻。例如，在检测到光子之前，将淬灭电阻设置为较高的值，然后一旦检测到光子并且雪崩淬灭，就将淬灭电阻最小化以减少恢复时间。
SPAD器件202还可包括读出电路212。有多种方式形成读出电路212以从SPAD器件202获得信息。读出电路212可包括对到达的光子进行计数的脉冲计数电路。另选地或除此之外，读出电路212可包括用于测量光子飞行时间(ToF)的飞行时间电路。光子飞行时间信息可用于执行深度感测。在一个示例中，光子可由模拟计数器计算以形成作为对应像素电压的光强度信号。也可以通过将光子飞行时间转换为电压来获得ToF信号。包括在读出电路212中的模拟脉冲计数电路的示例仅是示例性的。如果需要，读出电路212可包括数字脉冲计数电路。如果需要，读出电路212还可包括放大电路。
图1中读出电路212耦接到二极管204和淬灭电路206之间的节点的示例仅是示例性的。读出电路212可耦接到端子208或SPAD器件的任何所需部分。在一些情况下，淬灭电路206可被认为与读出电路212成一整体。
因为SPAD器件可检测单个入射光子，所以SPAD器件可有效地成像具有低光水平的场景。每个SPAD可检测在给定时间段内接收的光子的数量(例如，使用包括计数电路的读出电路)。然而，如上所述，每当接收到光子并且开始雪崩电流时，必须在准备好检测另一个光子之前对SPAD器件进行淬灭和复位。当入射光水平增加时，复位时间变得限制于SPAD器件的动态范围(例如，一旦入射光水平超过给定水平，则在复位时立即触发SPAD器件)。
可将多个SPAD器件分组在一起以帮助增加动态范围。图2是SPAD器件202的示例性组220的电路图。SPAD器件的组或阵列有时可被称为硅光电倍增器(SiPM)。如图2所示，硅光电倍增器220可包括在第一电源电压端子208和第二电源电压端子210之间并联耦接的多个SPAD器件。图2示出了并联耦接的N个SPAD器件202(例如，SPAD器件202-1，SPAD器件202-2，SPAD器件202-3，SPAD器件202-4，......，SPAD器件202-N)。在给定的硅光电倍增器220中可包括多于两个的SPAD器件，多于十个的SPAD器件，多于一百个的SPAD器件，多于一千个的SPAD器件等。
每个SPAD器件202在本文中有时可被称为SPAD像素202。尽管未在图2中明确示出，用于硅光电倍增器220的读出电路可测量来自硅光电倍增器中全部SPAD像素的组合输出电流。以此方式配置，可增加包括SPAD像素的成像系统的动态范围。当接收到入射光子时，不保证每个SPAD像素具有触发的雪崩电流。SPAD像素可具有在接收到入射光子时触发雪崩电流的相关联概率。存在在光子到达二极管时产生电子的第一概率，然后是电子触发雪崩电流的第二概率。光子触发雪崩电流的总概率可称为SPAD的光子检测效率(PDE)。因此，在硅光电倍增器中将多个SPAD像素分组在一起允许更准确地测量传入的入射光。例如，如果单个SPAD像素的PDE为50％并且在某个时间段内接收到一个光子，则不会检测到光子的可能性为50％。利用图2的硅光电倍增器220，四个SPAD像素中的两个可能将检测光子，从而改善所提供的时间段的图像数据。
图2的示例仅是示例性的，其中所述多个SPAD像素202共享硅光电倍增器220中的公共输出。就包括具有用于所有SPAD像素的公共输出的硅光电倍增器的成像系统而言，成像系统在成像场景时可能不具有任何分辨率(例如，硅光电倍增器可仅检测单个点处的光子通量)。可能有利的是使用SPAD像素在阵列上获得图像数据，以允许成像场景的更高分辨率的再现。在诸如这些情况下，单成像系统中的SPAD像素可具有逐个像素读出能力。另选地，可在成像系统中包括硅光电倍增器的阵列(每个硅光电倍增器包括多于一个的SPAD像素)。来自每个像素或来自每个硅光电倍增器的输出可用于生成成像场景的图像数据。该阵列可能够在线阵列(例如，具有单行多列或单列多行的阵列)或具有多于十个、多于一百个或多于一千个的行和/或列的阵列中进行独立检测(无论是在硅光电倍增器中使用单个SPAD像素还是多个SPAD像素)。
如上所述，虽然SPAD像素有多个可能的用例，但是用于检测入射光的基础技术是相同的。使用SPAD像素的器件的所有上述示例统称为基于SPAD的半导体器件。包括具有共同输出的多个SPAD像素的硅光电倍增器可被称为基于SPAD的半导体器件。具有逐个像素读出能力的SPAD像素阵列可被称为基于SPAD的半导体器件。具有逐个硅光电倍增器读出能力的硅光电倍增器阵列可被称为基于SPAD的半导体器件。
图3示出了硅光电倍增器30。如图3所示，SiPM 30具有电容耦接到每个阴极端子31的第三端子35，以便提供来自SPAD 33的雪崩信号的快速读出。当SPAD 33发射电流脉冲时，在阴极31处产生的电压变化的一部分将经由互电容耦接到第三(“快速”)输出端子35中。使用第三端子35进行读出避免了由于与偏置淬灭电阻器的顶部端子的偏置电路相关联的相对较大的RC时间常数而导致的受损瞬态性能。
本领域的技术人员应当理解，硅光电倍增器包括如图4所示的主总线44和次总线45。次总线45可直接连接到每个单独的微小区25。然后将次总线45耦接到主总线44，所述主总线连接到与端子37和35相关联的接合焊盘。通常，次总线45在微小区25的列之间竖直延伸，而主总线44邻近微小区25的外行水平地延伸。
图5示出了具有基于SPAD的半导体器件的成像系统10。成像系统10可以是电子设备，诸如数字相机、计算机、蜂窝电话、医疗设备或其它电子设备。成像系统10可以是车辆上的成像系统(有时称为车载成像系统)。成像系统10可用于LIDAR应用。成像系统10有时可被称为基于SPAD的成像系统。
成像系统10可包括一个或多个基于SPAD的半导体器件14(有时称为半导体器件14、器件14、基于SPAD的图像传感器14或图像传感器14)。一个或多个透镜28可任选地覆盖每个半导体器件14。在操作期间，透镜28(有时称为光学器件28)可将光聚焦到基于SPAD的半导体器件14上。基于SPAD的半导体器件14可包括将光转换成数字数据的SPAD像素。基于SPAD的半导体器件可具有任意数量的SPAD像素(例如，数百、数千、数百万或更多)。在一些基于SPAD的半导体器件中，每个SPAD像素可由相应的滤色器元件和/或微透镜覆盖。
基于SPAD的半导体器件14可包括诸如控制电路50的电路。用于基于SPAD的半导体器件的控制电路可形成在芯片上(例如，在与SPAD器件相同的半导体衬底上)或芯片外(例如，在与SPAD器件不同的半导体衬底上)。控制电路可控制基于SPAD的半导体器件的操作。例如，控制电路可操作基于SPAD的半导体器件内的主动淬灭电路，可控制提供给每个SPAD的偏置电压供应端子208的偏置电压，可控制/监测耦接到SPAD器件的读出电路等。
基于SPAD的半导体器件14可任选地包括附加电路，诸如逻辑门、数字计数器、时间数字转换器、偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字(ADC)转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、地址电路等。上述电路中的任何电路都可被认为是图5的控制电路50的一部分。
可将来自基于SPAD的半导体器件14的图像数据提供给图像处理电路16。图像处理电路16可用于执行图像处理功能，诸如自动聚焦功能、深度感测、数据格式化、调整白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。例如，在自动聚焦操作期间，图像处理电路16可处理由SPAD像素采集的数据，以确定将感兴趣的对象聚焦所需的透镜移动(例如，透镜28的移动)的幅度和方向。图像处理电路16可以处理由SPAD像素采集的数据，以确定场景的深度图。在一些情况下，控制电路50中的一些或全部可与图像处理电路16整体地形成。
成像系统10可为用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为了实现这些功能，成像系统可包括输入输出设备22，诸如小键盘、按钮、输入输出端口、操纵杆和显示器。附加的存储和处理电路，诸如易失性和非易失性存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器等)、微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路和/或其它处理电路，也可包括在成像系统中。
输入输出设备22可包括与基于SPAD的半导体器件结合工作的输出设备。例如，发光部件52可包括在成像系统中以发射光(例如，红外线或任何其他期望类型的光)。发光部件52可为激光器、发光二极管或任何其他期望类型的发光部件。半导体器件14可测量从对象的光反射，以在LIDAR(光检测和测距)方案中测量到对象的距离。用于控制基于SPAD的半导体器件的操作的控制电路50也可任选地用于控制发光部件52的操作。图像处理电路16可在处理来自基于SPAD的半导体器件的数据时使用来自发光部件的光脉冲的已知时间(或已知图案)。
图6为具有隔离结构和散射结构的示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图。基于SPAD的半导体器件14包括与相应SPAD(例如，图6中的SPAD 204-2和SPAD 204-3)相邻的SPAD 204-1。每个SPAD可以被认为是相应SPAD器件、SPAD像素或微小区(例如，图1中的微小区202)的一部分。图6中的基于SPAD的半导体器件14为背侧照明式(BSI)器件(例如，入射光穿过背表面)。SPAD 204-1可通过隔离结构252与相邻的SPAD隔离。隔离结构可包括深沟槽隔离(DTI)，该深沟槽隔离包括金属填充的沟槽。
具体地，可在衬底254(例如，由诸如硅的材料形成的半导体衬底)中形成从背表面256延伸到前表面258的沟槽。因此，用于隔离结构252的沟槽完全延伸穿过半导体衬底254。可从衬底的背侧(例如，从表面256朝向表面258)蚀刻沟槽，并且该沟槽因此可被称为背侧深沟槽隔离(BDTI)。将沟槽形成为背侧深沟槽隔离(如图6所示)可降低制造的复杂性和成本。然而，如果需要，沟槽可另选地形成为前侧深沟槽隔离(从表面258延伸到表面256)。
隔离结构252的沟槽可填充有金属填料260(例如，钨或任何其他期望的金属)。金属填料将SPAD 204-1与相邻的SPAD隔离。
可在衬底254和金属填料260之间的沟槽中形成高介电常数涂层262。高介电常数涂层262(有时称为高k涂层262或钝化层262)可减小暗电流。作为一个示例，钝化涂层可以是氧化物涂层(例如，氧化铝、氧化铪、氧化钽等)。可在钝化涂层262和金属填料260之间形成缓冲层264。缓冲层264可由二氧化硅或另一种期望的材料(例如，与钝化涂层和金属填料两者兼容的材料)形成。
除了隔离结构之外，可在衬底中形成散射结构270。散射结构270可被配置为(例如，使用填充衬底254中的沟槽的低折射率材料)散射入射光，从而增加光穿过半导体衬底的路径长度并增加入射光被半导体吸收的概率。(使用折射和/或衍射)散射入射光以增加路径长度可尤其有助于较高波长的入射光(例如，近红外光)。
可由背侧沟槽(例如，从表面256朝向表面258延伸的沟槽)形成散射结构。可由与隔离结构252相同的钝化涂层262和缓冲层264填充背侧沟槽。如图所示，钝化涂层262具有隔离结构252的沟槽中的部分和散射结构270的沟槽中的部分。如果需要，这使得能够在制造期间在同一沉积步骤中形成隔离结构252和散射结构270两者中的钝化层。钝化涂层262的厚度在隔离结构252和散射结构270中可以是均匀的，或者在隔离结构252和散射结构270中可以是不同的。
填充光散射结构270的沟槽(例如，缓冲层264和钝化层262)的材料可具有比衬底254低的折射率(例如，低0.1以上、低0.2以上、低0.3以上、低0.5以上、低1.0以上等的折射率)。沟槽中的低折射率材料引起入射光的折射散射。
如图6所示，缓冲层264具有隔离结构252的沟槽中的部分和散射结构270的沟槽中的部分。如果需要，这使得能够在制造期间在同一沉积步骤中形成隔离结构252和散射结构270两者中的缓冲层264。缓冲层264的厚度在隔离结构252和散射结构270中可以是均匀的，或者在隔离结构252和散射结构270中可以是不同的。如图6所示，缓冲层264可填充用于散射结构270的沟槽并且在表面256的平面上方延伸。缓冲层264的上表面可与金属填料260的上表面共面。
散射结构270散射入射光，从而增加了光穿过半导体衬底的路径长度，并增加了入射光被半导体吸收的概率。隔离结构252防止散射光到达相邻的SPAD并引起串扰。
可选择散射结构270的布置以优化入射光的转换。如图6所示，SPAD 204-1的区域可不包括衬底254的整体。如图所示，SPAD可包括具有第一宽度402的第一部分422和具有不同于第一部分的第二宽度404的第二部分424。在图6中，宽度404小于宽度402。因此，可在SPAD 204-1的任一侧上围绕SPAD部分424形成半导体254的死区(其并非SPAD 204-1的一部分)。可选择散射结构270的布置，以将入射光引导至SPAD 204-1而不是死区。
前侧反射器406可任选地形成在SPAD 204-1的前侧处。如图所示，前侧反射器406与半导体衬底254的前表面258相邻。前侧反射器406可具有宽度408，该宽度408大约等于SPAD 204-1的部分424的宽度404。以这种方式，反射器406可能不太可能将光重定向到死区。SPAD器件(微小区)的总宽度410可在隔离结构252之间延伸。反射器的宽度408小于宽度410。宽度408可小于宽度410的90％、小于宽度410的80％、小于宽度410的60％、小于宽度410的50％、小于宽度410的40％、介于宽度410的20％和90％之间等。
每个光散射结构270具有相应的宽度412和深度414。散射结构可具有不同的宽度和不同的深度，如图6所示。可在单个蚀刻步骤期间以单个蚀刻时间形成散射结构，使得具有较大宽度的结构也具有较大深度。在图6的示例中，散射结构270具有竖直侧壁(例如，与表面256正交的侧壁)。该示例仅为示例性的，并且如果需要，散射结构可具有倾斜侧壁。例如，在另一个可能的实施方案中，散射结构可为金字塔形散射结构。
可在衬底的背侧上方形成附加绝缘层272。绝缘层272可确保金属填料260与衬底的背侧表面上的附加金属结构(例如，接合焊盘、接地结构等)隔离。
如果需要，隔离结构252的金属填料260可耦接到偏置电压源端子。例如，可将金属填料保持在地电压或另一个期望电压。施加到金属填料260的电压可为恒定的或可随时间推移而变化。
图7A至图7E为示出隔离结构和散射结构的各种布置的示例性SPAD器件的顶视图。在图7A至图7E中的每幅图中，隔离结构252围绕微小区202的周边延伸。换句话讲，隔离结构是环形的。微小区202的SPAD(例如，SPAD 204-1)可被隔离结构252完全横向包围。
散射结构270的各种布置是可能的。图7A中示出了散射结构被布置成均匀网格的示例。五个沟槽跨二极管成列延伸，并且五个沟槽跨二极管成行延伸。图7B为密度比图7A中更低的均匀网格的示例。在图7B中，三个沟槽跨二极管成列延伸，并且三个沟槽跨二极管成行延伸。一般来讲，跨微小区的散射结构的密度(例如，每单位面积的散射结构的数量)可为恒定的或可变化。
沟槽的宽度可变化。图7C示出具有宽度小于图7B中的沟槽的散射结构270的示例。如图7D所示，散射结构还可具有跨二极管的不均匀布局。在图7D中，在二极管内存在两种不同宽度的散射结构。在图7E中，在二极管内存在三种不同宽度的散射结构。
散射结构的布置可优化由底层SPAD接收的光的图案。图7F示出了SPAD 204-1的部分422和424的顶视图。如图所示，散射结构270可仅形成在SPAD的中心上方，使得散射结构不延伸超过二极管的部分424的覆盖区。换句话讲，所有散射结构270都与二极管的部分424直接重叠。散射结构270不存在不与二极管的部分424直接重叠的部分。
图7F示出了散射结构270在SPAD 204-1上方的选择性定位的示例。光散射结构270跨SPAD 204-1不均匀地分布(例如，每单位面积的光散射结构的数量跨SPAD是不一致的)。
在图7F中，光散射结构在SPAD的中间的密度高于在SPAD的周边的密度。光散射结构在SPAD的中间的宽度也高于在SPAD的周边的宽度。这个示例仅仅为示例性的。在另选的实施方案中，光散射结构270可在周边具有比在SPAD的中心更高的密度。例如，光散射结构可仅与二极管部分422重叠而不与二极管部分424重叠。
在图7D和图7E的非均匀布局中，微小区202的中心处的散射结构比SPAD的周边处的散射结构更窄(并且因此更浅)。这个示例仅仅为示例性的。在图7G中，微小区202的中心处的散射结构270-2(例如，重叠部分424)可比附加散射结构270-1(其与部分422重叠但不与部分424重叠)更宽(并且因此更深)。
基于SPAD的半导体器件中的每个SPAD器件可具有相同的光散射结构布置，或者不同的SPAD器件可具有不同的光散射结构布置。
一般来讲，每个散射结构的深度可为小于5微米、小于3微米、小于2微米、小于1微米、小于0.5微米、大于0.1微米、大于0.5微米、大于1微米、介于1和2微米之间、介于0.5和3微米之间等。每个散射结构的宽度可为小于3微米、小于2微米、小于1微米、小于0.5微米、小于0.2微米、小于0.1微米、大于0.1微米、大于0.5微米、大于1微米、介于0.1和2微米之间等。半导体衬底的厚度可为大于4微米、大于6微米、大于8微米、大于10微米、大于12微米、小于12微米、介于4和10微米之间、介于5和20微米之间、小于10微米、小于6微米、小于4微米、小于2微米、大于1微米等。
图8为示出用于形成具有图6所示类型的隔离结构和散射结构的SPAD的方法步骤的图示。在步骤300处，该过程从半导体衬底254(在一个示例中，其可为外延硅)开始。如果需要，可在二氧化硅层274上形成半导体衬底254。
在步骤302处，可在衬底254的背侧中形成用于散射结构270的沟槽。可在同一蚀刻步骤中将沟槽形成为具有不同的宽度和深度。一般来讲，在单个蚀刻步骤中，具有较大宽度的沟槽也将具有较大深度。这可用于在单次蚀刻中形成不同深度和宽度的沟槽。
在步骤304处，可完全穿过衬底形成用于隔离结构252的背侧沟槽。在步骤306处，可在用于隔离结构252和散射结构270两者的沟槽中形成钝化涂层262。在步骤308处，可在用于隔离结构252和散射结构270两者的沟槽中形成缓冲层264(例如，二氧化硅)。缓冲层264可完全填充用于散射结构270的沟槽。缓冲层264未完全填充用于隔离结构252的沟槽。在步骤310处，在衬底上方形成金属材料(例如，钨)。金属材料260可填充隔离结构252的沟槽并且可覆盖衬底的剩余部分。
在步骤312处，可在化学机械平面化(CMP)步骤中去除过量的金属填料(例如，隔离结构252中未包含的金属)。在步骤314处，可在衬底上方形成附加涂层272以覆盖金属填料260的暴露部分。在后续处理步骤中，可另外形成用于基于SPAD的半导体器件的接地结构、屏蔽结构和/或接合焊盘结构。
由背侧深沟槽隔离形成隔离结构252的示例仅仅是示例性的。图9为示出隔离结构可如何为前侧深沟槽隔离结构的示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图。如图所示，沟槽可从前表面258朝向后表面256延伸。沟槽可填充有类似于如图6所示的钝化层262、缓冲层264和金属填料260。在图9中可使用结合图6所讨论的相同材料，因此不再重复。
图9还示出了隔离结构252的深度432可如何小于半导体衬底434的总体厚度。深度432可小于厚度434的90％、小于厚度434的80％、小于厚度434的60％、小于厚度434的50％、小于厚度434的40％、介于厚度434的20％和90％之间等。另选地，FDTI可完全延伸穿过衬底(类似于图6的BDTI)。
在图9中，中心散射结构270-1(在SPAD 204-1的中心处)具有比散射结构270-2更大的深度和宽度。散射结构270-3(其比散射结构270-2更远离器件中心)具有比散射结构270-2更小的深度和宽度。这示出了图7G所示类型的示例(其中光散射结构的宽度随着与SPAD器件的中心的距离增加而减小)。这仅仅是示例性的，并且在图9中可使用任何其他可能的光散射结构布置。
根据一个实施方案，一种半导体器件可包括：衬底；单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管形成在衬底中；隔离结构，该隔离结构围绕单光子雪崩二极管的周边形成；以及多个光散射结构，该多个光散射结构形成在衬底中在单光子雪崩二极管上方。
根据另一个实施方案，隔离结构可包括前侧深沟槽隔离结构。
根据另一个实施方案，衬底可具有一定厚度，前侧深沟槽隔离结构可包括沟槽中的材料，并且沟槽可具有小于该厚度的深度。
根据另一个实施方案，衬底可具有相对的第一表面和第二表面，并且前侧深沟槽隔离结构可从第一表面到第二表面完全延伸穿过衬底。
根据另一个实施方案，隔离结构可包括背侧深沟槽隔离结构。
根据另一个实施方案，衬底可具有相对的第一表面和第二表面，并且背侧深沟槽隔离结构可从第一表面到第二表面完全延伸穿过衬底。
根据另一个实施方案，背侧深沟槽隔离结构可包括沟槽中的金属填料。
根据另一个实施方案，金属填料可包含钨。
根据另一个实施方案，半导体器件还可包括沟槽中的钝化层，该钝化层被插置在金属填料和衬底之间。
根据另一个实施方案，半导体器件还可包括沟槽中的缓冲层，该缓冲层被插置在金属填料和钝化层之间。
根据另一个实施方案，多个光散射结构中的每一个光散射结构可包括形成在相应沟槽中的钝化层的一部分。
根据另一个实施方案，多个光散射结构中的每一个光散射结构可包括缓冲层在其相应沟槽中的一部分。
根据另一个实施方案，衬底可包括相对的第一侧和第二侧，多个光散射结构可形成在衬底的第一侧中，并且半导体器件还可包括与衬底的第二侧相邻的反射器。
根据另一个实施方案，单光子雪崩二极管可具有第一宽度，并且反射器可具有小于第一宽度的第二宽度。
根据另一个实施方案，多个光散射结构中的每一个光散射结构可包括沟槽和形成在沟槽中的折射率低于衬底的材料。
根据另一个实施方案，多个光散射结构可在单光子雪崩二极管上具有不均匀的密度。
根据另一个实施方案，多个光散射结构可包括具有第一宽度的第一光散射结构和具有不同于第一宽度的第二宽度的第二光散射结构。
根据一个实施方案，一种半导体器件可包括：衬底；单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管形成在衬底中；深沟槽隔离结构，该深沟槽隔离结构围绕单光子雪崩二极管以环形延伸；以及多个光散射结构，该多个光散射结构形成在衬底中在单光子雪崩二极管上方。多个光散射结构可包括具有第一宽度的第一光散射结构和具有不同于第一宽度的第二宽度的第二光散射结构。
根据另一个实施方案，单光子雪崩二极管可包括具有第三宽度的第一部分和具有第四宽度的第二部分，第一部分和第二部分可重叠，第四宽度可小于第三宽度，第一光散射结构可仅与第一部分重叠，并且第二光散射结构可与第一部分和第二部分两者重叠。
根据一个实施方案，一种半导体器件可包括：衬底；单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管形成在衬底中；前侧深沟槽隔离结构，该前侧深沟槽隔离结构围绕单光子雪崩二极管以环形延伸；以及多个光散射结构，该多个光散射结构形成在衬底中在单光子雪崩二极管上方。多个光散射结构可在单光子雪崩二极管上方每单位面积具有不均匀数量的光散射结构。
前述内容仅仅是对本发明原理的例示性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种半导体器件，所述半导体器件包括：
衬底；
单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述衬底中；
隔离结构，所述隔离结构围绕所述单光子雪崩二极管的周边形成；以及
多个光散射结构，所述多个光散射结构形成在所述衬底中在所述单光子雪崩二极管上方。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述隔离结构包括前侧深沟槽隔离结构。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述隔离结构包括背侧深沟槽隔离结构，其中，所述衬底具有相对的第一表面和第二表面，其中，所述背侧深沟槽隔离结构从所述第一表面到所述第二表面完全延伸穿过所述衬底，其中，所述背侧深沟槽隔离结构包括沟槽中的金属填料，并且其中，所述金属填料包含钨。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，所述半导体器件还包括：
所述沟槽中的钝化层，所述钝化层被插置在所述金属填料和所述衬底之间；以及
所述沟槽中的缓冲层，所述缓冲层被插置在所述金属填料和所述钝化层之间，其中，所述多个光散射结构中的每一个光散射结构包括形成在相应沟槽中的所述钝化层的一部分，并且其中，所述多个光散射结构中的每一个光散射结构包括在相应沟槽中的所述缓冲层的一部分。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述衬底包括相对的第一侧和第二侧，其中，所述多个光散射结构形成在所述衬底的所述第一侧中，其中，所述半导体器件还包括与所述衬底的所述第二侧相邻的反射器，并且其中，所述单光子雪崩二极管具有第一宽度并且所述反射器具有小于所述第一宽度的第二宽度。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述多个光散射结构中的每一个光散射结构包括沟槽和形成在所述沟槽中的折射率低于所述衬底的材料。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述多个光散射结构在所述单光子雪崩二极管上方具有不均匀的密度。
8.一种半导体器件，所述半导体器件包括：
衬底；
单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述衬底中；
深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构围绕所述单光子雪崩二极管以环形延伸；以及
多个光散射结构，所述多个光散射结构形成在所述衬底中在所述单光子雪崩二极管上方，其中，所述多个光散射结构包括具有第一宽度的第一光散射结构和具有不同于所述第一宽度的第二宽度的第二光散射结构。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，其中，所述单光子雪崩二极管包括具有第三宽度的第一部分和具有第四宽度的第二部分，其中，所述第一部分和所述第二部分重叠，其中，所述第四宽度小于所述第三宽度，其中，所述第一光散射结构仅与所述第一部分重叠，并且其中，所述第二光散射结构与所述第一部分和所述第二部分两者重叠。
10.一种半导体器件，所述半导体器件包括：
衬底；
单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述衬底中；
前侧深沟槽隔离结构，所述前侧深沟槽隔离结构围绕所述单光子雪崩二极管以环形延伸；以及
多个光散射结构，所述多个光散射结构形成在所述衬底中在所述单光子雪崩二极管上方，其中，所述多个光散射结构在所述单光子雪崩二极管上方每单位面积具有不均匀数量的光散射结构。
CN202011337308.7A 2019-12-04 2020-11-25 半导体器件 Pending CN112909033A (zh)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962943475P 2019-12-04 2019-12-04
US62/943,475 2019-12-04
US202062981902P 2020-02-26 2020-02-26
US62/981,902 2020-02-26
US16/948,100 US11764314B2 (en) 2019-12-04 2020-09-03 Scattering structures for single-photon avalanche diodes
US16/948,100 2020-09-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112909033A true CN112909033A (zh) 2021-06-04

Family

ID=76111342

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011337308.7A Pending CN112909033A (zh) 2019-12-04 2020-11-25 半导体器件

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20230387332A1 (zh)
CN (1) CN112909033A (zh)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11652176B2 (en) * 2019-12-04 2023-05-16 Semiconductor Components Industries, Llc Semiconductor devices with single-photon avalanche diodes and light scattering structures with different densities

Also Published As

Publication number Publication date
US20230387332A1 (en) 2023-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11764314B2 (en) Scattering structures for single-photon avalanche diodes
CN213716903U (zh) 半导体器件及硅光电倍增管
US11943542B2 (en) Imaging devices with single-photon avalanche diodes having sub-exposures for high dynamic range
CN111697014A (zh) 用于具有单光子雪崩二极管像素的半导体器件的改进微透镜
US20240105753A1 (en) Semiconductor devices with single-photon avalanche diodes and light spreading lenses
US20230154959A1 (en) Microlens structures for semiconductor device with single-photon avalanche diode pixels
US20240105748A1 (en) Semiconductor packages with an array of single-photon avalanche diodes split between multiple semiconductor dice
US20230253513A1 (en) Semiconductor Devices with Single-Photon Avalanche Diodes and Light Scattering Structures
CN212693089U (zh) 半导体器件及硅光电倍增器
US11646335B2 (en) Semiconductor devices with single-photon avalanche diodes and rectangular microlenses
US20230387332A1 (en) Scattering structures for single-photon avalanche diodes
US20240055537A1 (en) Semiconductor Devices with Single-Photon Avalanche Diodes, Light Scattering Structures, and Multiple Isolation Structures
US20220367534A1 (en) Semiconductor devices with single-photon avalanche diodes and isolation structures
US11984519B2 (en) Semiconductor devices with single-photon avalanche diodes and hybrid isolation structures
US11870000B2 (en) Semiconductor packages with single-photon avalanche diodes and prisms
US20230197750A1 (en) Single-photon avalanche diode covered by multiple microlenses
CN117995854A (zh) 具有单光子雪崩二极管像素的半导体器件的改善的密封件

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination