CN113078227A - 一种雪崩光电二极管探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雪崩光电二极管探测装置，其特征在于，所述雪崩光电二极管探测装置包括至少一个单光子雪崩二极管，所述光子雪崩二极管包括半导体衬底、有源区以及操作电路；所述单光子雪崩二极管还包括辅助区域和电子收集区域；其中所述有源区与所述操作电路电连接。通过本发明的结构，降低被俘获的载流子数，从而有效的降低后脉冲的产生概率，另外可以让被俘获的载流子在雪崩时间被释放，可以避免错误计数的产生，提高探测装置的精度和稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及雪崩光电二极管探测技术领域，特别涉及一种DTOF类型的距离信息获取系统中使用的雪崩光电二极管。
背景技术
近年来，随着半导体技术的进步，用于测量到物体的距离的测距模块的小型化已经取得了进展。因此，例如，已经实现了在诸如所谓的智能电话等移动终端中安装测距模块，所述智能电话是具有通信功能的小型信息处理装置随着科技的进步，在距离或者深度信息探测过程中，经常使用的方法为飞行时间测距法(Time of flight，TOF)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离，在TOF技术中直接对光飞行时间进行测量的技术被称为DTOF(direct-TOF)，直接飞行时间探测(Direct Time of flight，DTOF) 作为TOF的一种，DTOF技术通过计算光脉冲的发射和接收时间，直接获得目标距离，具有原理简单，信噪比好、灵敏度高、精确度高等优点，受到了越来越广泛的关注，尤其是在极端弱光条件的光学传感器可以将单个光子转换为可测量的电信号，这些传感器称为单光子检测器,可用于具有3D 成像和测距功能的视觉系统。
DTOF的测距原理也是比较简单明确的，光源发射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，脉冲激光经过探测目标反射返回处于包含雪崩状态 SPAD的阵列型接收模块，当在雪崩光电二极管SPAD在超过其击穿电压的情况下以已知的盖革尔(Geiger)模式工作时,可以制成雪崩光电二极管,以检测其中的单个入射光子可以触发无限大放大倍数的光电流。SPAD成像传感器是由在硅衬底上制造的SPAD区域阵列构成的半导体光敏器件。SPAD区域在被光子撞击时产生输出脉冲。SPAD区域具有在击穿电压之上反向偏置的pn结，使得单个光生载流子可以触发雪崩倍增过程，可以利用配套的电路检测对于由图像传感器接收的光子信号进行处理，以在时间窗口内对来自SPAD区域的输出脉冲进行计数，其中为了获得高可信度的结果可以发射数万次的激光脉冲，探测单元获得一个统计结果，这样通过对于统计结果的处理可以获得更精确的距离。
当光子被雪崩光电二极管吸收时，它们的能量释放出束缚的电荷载流子(电子和空穴)，然后成为自由载流子对。在存在电场的情况下(由于施加到光电二极管的偏压)，这些自由载流子被加速通过被称为“倍增区域”的雪崩光电二极管的区域。当自由载流子穿过倍增区时，它们与结合在半导体原子晶格中的其他载流子碰撞，从而通过称为“碰撞电离”的过程产生更多的自由载流子。这些新的自由载流子也被应用的电场加速并产生更多的自由载流子，这种雪崩事件可以快速和有效地发生，并且可以在不到一纳秒的时间内从单个吸收的光子产生数亿个自由载流子。对于已知的SPAD，光子检测效率的增加可以与暗计数率的增加和时间分辨率的降低中的至少一个相关联。因此，通常希望提供一种单光子雪崩二极管和一种操作单光子雪崩二极管的方法，其中，光子检测效率的增加对单光子雪崩二极管的暗计数率和时间分辨率只有很小的影响或者甚至没有影响。由于载流子的浓度很高，很容易被被结区杂质形成的缺陷中心俘获，当雪崩结束后，这些被俘获的载流子会逐渐释放。如果此时收到电场加速，这些载流子会再次触发雪崩，形成一次误计数。当时光源的误发也会导致再次雪崩。但是无论是否有光照，只要产生了雪崩效应，都有可能产生后脉冲效应，因此后脉冲增加了探测装置的暗计数。因此亟需提供一种SPAD探测装置缩短 SPAD的雪崩时间，降低被俘获的载流子数，从而有效的降低后脉冲的产生概率。另外可以让被俘获的载流子在雪崩时间被释放，可以避免错误计数的产生，提高系统的稳定性。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种雪崩光电二极管探测装置，以避免后脉冲的产生，避免错误计数的产生，提高雪崩光电二极管探测装置的精度和稳定性，对于器件的高探测效率和准确探测与高分辨率均提出了更高的要求。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
本申请实施例提供了一种雪崩光电二极管探测装置，其特征在于，所述雪崩光电二极管探测装置包括至少一个单光子雪崩二极管，所述光子雪崩二极管包括半导体衬底、有源区以及操作电路；所述单光子雪崩二极管还包括辅助区域和电子收集区域；其中所述有源区与所述操作电路电连接。
可选地，所述单光子雪崩二极管还包含传输场施加区域，所述传输场施加区域与所述辅助区域形成面内电场。
可选地，所述面内电场在所述单光子雪崩二极管淬灭和复位过程中的电场方向是相反的。
可选地，所述传输场施加区域与所述辅助区域同为第一导电类型的掺杂区域；所述电子收集区域为第二导电类型的掺杂区域。
可选地，所述操作电路还配置为对所述电子收集区域复位的复位电路。
可选地，所述单光子雪崩二极管还包括具有第二导电类型掺杂区域的阴极，所述阴极与所述辅助区域通过反相器连接。
可选地，所述单光子雪崩二极管探测装置还包括与所述辅助区域相连接的反馈模块，所述反馈模块配置为向与其相连接的三极管发送导通指令。
可选地，所述传输场施加区域配置为所述单光子雪崩二极管的阳极。
可选地，所述单光子雪崩二极管的阴极通过电容器与所述反相器的一端相连接。
可选地，所述操作电路还包括淬灭电路，所述淬灭电路为主动淬灭。
本申请的有益效果是：
本申请实施例提供的一种雪崩光电二极管探装置，其特征在于，所述雪崩光电二极管探测装置包括至少一个单光子雪崩二极管，所述光子雪崩二极管包括半导体衬底、有源区以及操作电路；所述单光子雪崩二极管还包括辅助区域和电子收集区域；其中所述有源区与所述操作电路电连接，如此可以实现降低被俘获的载流子数，从而有效的降低后脉冲的产生概率，另外可以让被俘获的载流子在雪崩时间被释放，可以避免错误计数的产生，提高探测装置的精度和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为现有技术提供的一种SPAD器件单元结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种类型的操作电路；
图3为本申请实施例提供的一种SPAD器件结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种SPAD器件示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种SPAD器件示意图；
图6a为本申请实施例提供的一种死去时间示意图；
图6b为本申请实施例提供的另一种死去时间意图；
图7为本申请实施例提供的一种SAPD器件结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种不同节点电压变化示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在DTOF测距中由于阵列传感器的像素单元为SPAD(单光子雪崩光电二极管)器件，其工作在盖格模式下，在盖革模式下，雪崩光电二极管吸收光子会产生电子-空穴对，在高反偏电压产生的强电场作用下电子-空穴对被加速，从而获得足够的能量，然后与晶格发生碰撞，形成连锁效应，结果形成大量的电子-空穴对，引发雪崩现象，电流成指数增长。此时SPAD的增益理论上是无穷的，单个光子就能够使SPAD的光电流达到饱和，因此 SPAD成为高性能单光子探测系统的首选。
测距原理实际非常简单，光源发射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，脉冲激光经过探测目标反射返回处于包含雪崩状态SPAD的阵列型接收模块，其中处于雪崩状态的探测单元可以接收返回的信号，经过处理模块的处理可以输出探测系统至探测目标之间的距离，从而完成探测，其中为了获得高可信度的结果可以发射数万次的激光脉冲，探测单元获得一个统计结果，这样通过对于统计结果的处理可以获得更精确的距离，本发明并不进行限定，光源可以以片状光源输出发射光，也可以以光点的形式输出发射光，光源模块可以采用VCSEL垂直腔面发射激光器或者其他类似光源模块，此处并不限定。
图1为现有技术中的一种SPAD器件结构示意图，如图1所示，SPAD器件100包括，SPAD的有源区域13和14；其中SPAD的有源区域可以是第一导电类型(例如，n掺杂区域或p掺杂区域)的掺杂区域，例如，高掺杂区域。如图1所示N-SPAD为N掺杂区域，P-SPAD为p掺杂区域。另外有源区域可以包括第一导电类型的掺杂阱，例如，n阱或p阱。此外，有源区域可以包括第一导电类型的深掺杂阱，深掺杂阱可以具有比掺杂阱更高的掺杂。
SPAD检测器还包传输场，用于将光生载流子(特别是光生少数载流子) 从半导体衬底的体区域传输到SPAD的有源区域。SPAD检测器还配置有被偏置高压的PN结结构，阴极电极连接着有源区的接触区，如图1中11所示，图1中12为阳极。如此当PN结感受到入射光光子时，由于PN结在高电压状态下，由于光子所激发的电子能在倍增区中触发雪崩倍增过程，由于SPAD 中的雪崩倍增过程产生的输出脉冲可以支持后续电路在器件的阴极中检测，从而获得脉冲信号。
半导体衬底如图1中15所示可以是外延半导体衬底。半导体衬底可以包括或由硅、锗、镓和其他半导体材料中的至少一种组成。半导体衬底可以是未掺杂半导体衬底或第二导电类型的掺杂半导体衬底，例如，轻掺杂半导体衬底。
如图1所示SPAD的阴极11和阳极12，连接到电路16，电路16向雪崩光电检测器施加工作电流/电压。
图2为本申请实施例提供的一种类型的操作电路；在一些实施方式中，这些电路通常可以通过电线连接到SPAD的阴极和阳极。如图2所示电路210 用于所谓的盖革操作模式和雪崩光电检测器的雪崩操作模式。在图2的电路 210中，雪崩光电检测器可用于检测产生电子-空穴对的单光子，其中电子或空穴由于自再生碰撞电离而在如图1中示例性示出的雪崩有源区域中触发击穿事件。这称为雪崩光电检测器的盖革操作模式。因此，在一些实施方式中，阴极和阳极被施加偏压超过雪崩光电检测器的击穿电压。电路210处理该偏置电压，对于该偏置电压，在一些实施方式中，通常施加高于击穿电压高达500mV至几伏的过电压。这可以通过例如淬灭电路21来实现，淬灭电路21允许或导致击穿后在雪崩光电检测器上出现电压降，这又导致击穿以下的有效偏置，使得自再生击穿淬灭。这种淬灭也可以通过本领域技术人员公知的更复杂的模拟/数字电路来实现。此外，提供了脉冲检测电路 23，用于检测击穿事件并生成数字信号，用于进一步数据处理。本申请实施例为了提高淬灭的速度采用的是主动淬灭的方式。
图3为本申请实施例提供的一种SPAD器件结构示意图；半导体衬底38 包括体区域，体区域具有正面和与正面相对的背面。体区域是有一定厚度的未掺杂外延半导体层。半导体衬底38还包括作为垂直平面传输场施加区域的垂直平面传输场施加层。垂直平面传输场施加层沿着体区域的背面延伸。垂直平面传输场施加区域是p掺杂层。N+掺杂区域35作为SPAD器件的阴极与电路39相连接。
SPAD具有作为有源区域的n掺杂区域36和P掺杂区域37。SPAD还具有p 掺杂的面内传输场施加区域32，作为面内传输场施加区域。p掺杂的面内传输场施加区域被成形为p掺杂阱。
SPAD还具有p掺杂辅助区域33，作为辅助区域。p掺杂辅助区域33被成形为p掺杂阱。p掺杂辅助区域33的垂直于体区域的正面的深度与p掺杂的面内传输场施加区域32的深度相同。操作电路39包括淬灭电路以及脉冲检测电路。
此外，面内传输场施加区域32连接到传输电压源，以施加恒定的传输电压。因此，产生面内电传输场，这导致从有源区域到辅助区域33的面内空穴电流。另一方面，光生电子通过面内电传输场向有源区域传输。
当SPAD器件处于等待光子吸收时刻，面内传输场施加区域32电压大于辅助区域33的电极电压，由传输场施加区域32流向辅助区域33的电流会形成一个电子漂移场，如图3所示，此时光生电子在辅助区域33作用下，由辅助区域33电极方向，向传输场施加区域32方向聚集。因辅助区域33作用提升光生载流子的运动速度，提高了载流子被倍增区吸收的吸收效率。
当SPAD器件因雪崩倍增处于复位阶段时，传输场施加区域42电压小于辅助区域43电极电压，电流形成的电子漂移场反向，如图3所示，此时光生电子在辅助区域43作用下，由传输场施加区域42方向，向辅助区域43方向聚集，进而被N+电子收集区域44收集。从而减少复位阶段的光电子及缺陷发射的电子进入雪崩区引起二次雪崩。
为方便N+电子收集区的电子排出，可以设置复位电路周期性对N+电子收集区54进行复位。如图5所示，使用复位电路510，对N+电子收集区54 进行周期性的复位。图5中所示的其他部分和图4所示功能一样这里就不再赘述。
如图3所示在盖革模式下阴极35与作为阳极的32之间的偏置电压高于其雪崩电压，具有极高的电流增益，当SPAD感应到单个光子时，光子在耗尽层被吸收并转化为电子-空穴对，光生电子-空穴对能够以一定的概率触发雪崩击穿，雪崩能够自我维持，使得电流迅速增加，在亚纳秒时间内雪崩电流能够迅速上升至毫安量级。在盖革模式下，雪崩击穿是一种自持的行为，雪崩电流需要及时的淬灭，否则持续的雪崩电流会产生过度的功耗，造成探测装置发热，并且无法进行下一次的检测。所以电路39包含淬灭电路，通过减小SPAD的反偏电压迅速将雪崩电流淬灭，并将SPAD复位至初始状态，进入新一轮的待测状态。如图6a所示SPAD器件发生雪崩到SPAD 复位至初始状态，进入新一轮的待测状态之间的这段时间成为死去时间 (dead time)。根据淬灭电路的设计不同，导致死去时间有很大的变化。本申请实施例中采用的是主动淬灭电路，提供的死去时间可以达到2～6ns。
由于偏置电压高于雪崩电压，例如通常设置的偏执电压为22V，雪崩电压为20V。在SPAD器件复位的过程中，当电压还没有恢复到偏执电压，但是已经达到雪崩电压时若有二次光子或缺陷发射的电子就会再次触发雪崩，使得SPAD器件的死去时间变长，如图6b所示。同样设计下二次触发导致的死去时间会延长至4-8ns。死去时间对探测结果的影响主要体现在光子计数分布的改变以及光子速率上限的减小上。死去时间太长，最大计数率低，限制了探测装置的动态范围和性能，使得SPAD的器件只适合对探测精度要求不高的场合，而且二次触发导致了SPAD中大电流持续时间长，不利于功耗和器件寿命。所以减小SAPD器件中的二次触发是亟需解决的问题。
图7为本申请实施例提供的一种器件结构图。如图7所示601为光电二极管的阳极，其等同于图3中的35节点，602为光电二极管的阳极其等同于图3 中的32节点。图7中的节点603等同于图3中的节点33。在图6中节点601与节点602之间有较高的偏置电压。MOS管605处于导通状态，601的初始电压为 VOV，其中Vov是大于SPAD雪崩电压的电压，例如SPAD的雪崩击穿电压为 20V，那么Vov可以设置为22V。当有光子到达的时候发生雪崩后601处的电压迅速降低到雪崩击穿电压，如图8所示，当节点601的电压降至雪崩击穿电压(Vbreak)的时候，雪崩过程结束，节点601的电路需要快速的恢复至Vov，以便检测下次光子的到来。节点602的电压保持稳定不变，节点602的电压主要是为了和节点601形成大于雪崩电压的偏置电压。节点602通常可以接地(0v)或者接稳定的负值电压，例如-2v。节点603的电压因为反向器件604的存在其变化趋势和节点601的变化趋势相反。当雪崩发生以后节点 601的电压下降，节点603的电压上升，在节点603的电压还小于节点602的电压的时候，电子向节点602方向聚集进入倍增区，当节点603的电压上升到大于节点602的电压时，此时缺陷发射的电子或二次光生电子向节点603 方向聚集进而被N+区收集。雪崩结束后在节点601的电压恢复至Vov的过程中时，节点603的电压是下降的过程，当节点603的电压还大于节点602的电压时，此时缺陷发射的电子或二次光生电子向节点603方向聚集进而被N+ 区收集。当节点603的电压下降至低于节点602的电压时，电子向节点602方向聚集进入倍增区。
图7中的三极管606的存在是为了和605并联使得605的电阻变小，使得节点601的电压在恢复至Vov的过程中加速节点601的电压恢复过程，提高 SPAD器件的使用效率。反馈模块607用来指示节点606的导通时刻，只有在节点601的电压恢复过程中节点606需要导通。
从上所述可以看出采用如图7所示的SAPD器件结构可以有效的减少缺陷发射的电子或二次光生电子产生的二次触发，提升SAPD器件的使用效率。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进。
Claims (10)
1.一种雪崩光电二极管探测装置，其特征在于，所述雪崩光电二极管探测装置包括至少一个单光子雪崩二极管，所述光子雪崩二极管包括半导体衬底、有源区以及操作电路；所述单光子雪崩二极管还包括辅助区域和电子收集区域；其中所述有源区与所述操作电路电连接。
2.如权利要求1所述的雪崩光电二极管探测装置，其特征在于，所述单光子雪崩二极管还包含传输场施加区域，所述传输场施加区域与所述辅助区域形成面内电场。
3.如权利要求2所述的雪崩光电二极管探测装置，其特征在于，所述面内电场在所述单光子雪崩二极管淬灭和复位过程中的电场方向是相反的。
4.如权利要求2所述的雪崩光电二极管探测装置，其特征在于，所述传输场施加区域与所述辅助区域同为第一导电类型的掺杂区域；所述电子收集区域为第二导电类型的掺杂区域。
5.如权利要求1所述的雪崩光电二极管探测装置，其特征在于，所述操作电路还配置为对所述电子收集区域复位的复位电路。
6.如权利要求1所述的雪崩光电二极管探测装置，其特征在于，所述单光子雪崩二极管还包括具有第二导电类型掺杂区域的阴极，所述阴极与所述辅助区域通过反相器连接。
7.如权利要求1所述的雪崩光电二极管探测装置，其特征在于，所述单光子雪崩二极管探测装置还包括与所述辅助区域相连接的反馈模块，所述反馈模块配置为向与其相连接的三极管发送导通指令。
8.如权利要求1所述的雪崩光电二极管探测装置，其特征在于，所述传输场施加区域配置为所述单光子雪崩二极管的阳极。
9.如权利要求5所述的雪崩光电二极管探测装置探测装置，其特征在于，所述单光子雪崩二极管的阴极通过电容器与所述反相器的一端相连接。
10.如权利要求1所述的雪崩光电二极管探测装置，其特征在于，所述操作电路还包括淬灭电路，所述淬灭电路为主动淬灭。
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| CN105185796A (zh) * | 2015-09-30 | 2015-12-23 | 南京邮电大学 | 一种高探测效率的单光子雪崩二极管探测器阵列单元 |
| CN109638092A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-04-16 | 天津大学 | 基于标准cmos工艺的高探测效率低暗计数的spad |
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2021
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