CN113838879B - 单光子雪崩二极管装置、图像感测装置及激光雷达系统 - Google Patents

单光子雪崩二极管装置、图像感测装置及激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种单光子雪崩二极管装置、图像感测装置及激光雷达系统，其中，单光子雪崩二极管装置包括第一半导体区、第二半导体区、微透镜和反射器阵列，第二半导体区覆盖第一半导体区，微透镜覆盖第二半导体区。第二半导体区包括第一隔离结构、第二隔离结构和吸收区；第二隔离结构在第一方向上相对于第一隔离结构对准；吸收区覆盖第一半导体区。反射器阵列包括第一反射器组和第二反射器组，第一反射器组和第二反射器组均包括多个反射器；第一反射器组位于第一半导体区，且第一反射器组位于第二反射器组和吸收区之间。本申请可有效提升单光子雪崩二极管装置性能，提升SPAD传感器的检测性能。

Description

单光子雪崩二极管装置、图像感测装置及激光雷达系统
技术领域
本申请涉及集成微电子技术领域，特别是涉及一种单光子雪崩二极管装置、图像感测装置及激光雷达系统。
背景技术
随着集成微电子技术的快速发展及独特优势，其被广泛应用于传感器装置中，诸如应用于光电二极管中。光电二极管是p-n结或PIN结构，当具有足够能量的光子撞击二极管时，会产生电子空穴对。这种机制也称为内光电效应。如果吸收发生在结的耗尽区，或发生在离耗尽区的一个扩散长度处，这些载流子会被耗尽区的内置电场从结中扫出。因此，当空穴向阳极移动，或电子向阴极移动时，就会产生光电流。通过光电二极管的总电流包括暗电流和光电流，暗电流是指光电二极管在没有光的情况下所产生的电流，为了最大限度的光电二极管的灵敏度，暗电流必须降至最小。
雪崩光电二极管为p-n结型的光电二极管，在以硅或锗为材料制成的光电二极管的p-n结上加上反向偏压后，射入的光被p-n结吸收后会形成光电流，加大反向偏压会产生“雪崩”现象，也即光电流成倍地激增的现象。这使得每个光生载流子能够因雪崩击穿而加倍，从而在光电二极管内产生内部增益，有利于提高光电二极管的灵敏度。其中，SPAD(SINGLE PHOTON AVALANCE DIODE DEVICE，单光子雪崩二极管装置)因其独特优势被广泛应用各种需要光电传感器件的设备中，例如电子产品、汽车和激光雷达系统等。
SPAD传感器是由多个SPAD作为一个个像素点构成的传感器阵列，例如SPAD传感器阵列可由m×n个SPAD构成，m和n通常大于100。SPAD的p-n结可使用掺杂硅材料实施，诸如用CMOS工艺制造，该材料有时会被光子穿透，而不是被照射使得能够进行光子检测。并且，这些光子除了避开它们穿透的p-n结的检测之外，还可能入射至SPAD传感器阵列的其他SPAD中，并触发由不同p-n结进行光电检测。可见，现有的SPAD对其接收到的光子没有足够灵敏度，信噪比低；SPAD传感器由于存在串扰导致其性能不佳，错误率较大。
鉴于此，如何提升单光子雪崩二极管装置性能，进而提升SPAD传感器检测性能，是所属领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种单光子雪崩二极管装置、图像感测装置及激光雷达系统，可有效提升单光子雪崩二极管装置性能，提升SPAD传感器的检测性能。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：
本发明实施例一方面提供了一种单光子雪崩二极管装置，包括第一半导体区、第二半导体区、微透镜和反射器阵列；
所述第二半导体区覆盖所述第一半导体区，所述微透镜覆盖所述第二半导体区；
所述第二半导体区包括第一隔离结构、第二隔离结构和吸收区；所述第二隔离结构在第一方向上相对于所述第一隔离结构对准；
所述吸收区覆盖所述第一半导体区；
所述反射器阵列包括第一反射器组和第二反射器组，所述第一反射器组和所述第二反射器组均包括多个反射器；所述第一反射器组位于所述第一半导体区，且所述第一反射器组位于所述第二反射器组和所述吸收区之间。
可选的，所述第一反射器组的各反射器之间的间隔距离大于等于0.14μm且小于等于1μm；
所述第一反射器组的各反射器的宽度大于等于0.3μm且小于等于1μm。
可选的，所述第二反射器组的各反射器之间的间隔距离大于等于0.1μm且小于等于4μm；
所述第二反射器组的各反射器宽度大于等于1μm且小于等于4μm；或者是所述第二反射器组的各反射器宽度大于等于4μm且小于等于8μm。
可选的，还包括第三隔离结构和第四隔离结构；
所述第三隔离结构在第二方向上相对于所述第一隔离结构对准；
所述第四隔离结构在所述第二方向上相对应所述第二隔离结构相对准；
所述第一隔离结构和所述第二隔离结构包括深沟槽隔离结构；所述第三隔离结构和所述第四隔离结构包括浅沟槽隔离结构。可选的，还包括设置在所述第三隔离结构和/或所述第四隔离结构周围的多个接触孔。
可选的，所述第一隔离结构包括绝缘结构和填充结构；所述填充结构包括金属材料、半导体材料、绝缘材料或气隙。
可选的，所述微透镜包括平面侧和凸面侧，所述装置还包括覆盖所述第二半导体区的钝化区；
所述钝化区与所述微透镜的平面侧相紧贴。
本发明实施例另一方面提供了一种图像感测装置，包括控制电路、存储器和单光子雪崩二极管装置阵列；所述单光子雪崩二极管装置阵列分别与所述控制电路和所述存储器相连；所述存储器用于存储图像数据；
所述单光子雪崩二极管装置阵列用于基于接收到的光信号生成所述图像数据，其包括多个单光子雪崩二极管装置，每个单光子雪崩二极管装置作为图像感测装置的一个像素点；
所述单光子雪崩二极管装置阵列包括作为第一像素点的第一SPAD和作为第二像素点的第二SPAD；所述第一SPAD包括第一像素隔离结构和第二像素隔离结构，所述第二SPAD包括所述第二像素隔离结构和第三像素隔离结构；所述第一SPAD和所述第二SPAD均包括氧化物区和覆盖所述氧化物区的吸收区；所述氧化物区包括反射器阵列，所述反射器阵列包括均由多个反射器组成的第一反射器组和第二反射器组，所述第一反射器组位于所述吸收区和所述第二反射器组之间。
可选的，所述第一SPAD还包括相对于所述第一像素隔离结构和所述第二像素隔离结构对准的微透镜。
可选的，还包括电接触点，所述电接触点耦合至所述控制电路和/或所述存储器。
本发明实施例最后还提供了一种激光雷达系统，包括光源、控制电路、存储器和单光子雪崩二极管装置阵列；
所述光源用于向所述单光子雪崩二极管装置阵列出射预设波长的光信号，所述单光子雪崩二极管装置阵列用于基于接收到的光信号生成图像数据；所述单光子雪崩二极管装置阵列分别与所述控制电路和所述存储器相连；所述存储器用于存储图像数据；
所述单光子雪崩二极管装置阵列包括多个单光子雪崩二极管装置，每个单光子雪崩二极管装置作为一个像素点；各单光子雪崩二极管装置均包括第一隔离结构、第二隔离结构、氧化物区和覆盖所述氧化物区的吸收区；所述氧化物区包括反射器阵列，所述反射器阵列包括均由多个反射器组成的第一反射器组和第二反射器组，所述第一反射器组位于所述吸收区和所述第二反射器组之间。
可选的，所述单光子雪崩二极管装置还包括第三隔离结构和第四隔离结构；
所述第三隔离结构相对于所述第一隔离结构对准；所述第四隔离结构相对应所述第二隔离结构对准。
本申请提供的技术方案的优点在于，通过配置隔离元件如第一隔离结构、第二隔离结构和反射器阵列提高了入射光信号被目标单光子雪崩二极管装置检测到的概率，提高单光子雪崩二极管装置对光信号的灵敏度，提升单光子雪崩二极管装置的信噪比，同时还降低了光子被非目标单光子雪崩二极管装置检测到的概率，从而可有效降低相邻单光子雪崩二极管装置之间的串扰，大幅降低错误率，有利于提升SPAD传感器性能。
此外，本发明实施例还针对单光子雪崩二极管装置提供了图像感测装置及激光雷达系统，进一步使得所述单光子雪崩二极管装置更具有实用性，所述图像感测装置及所述激光雷达系统具有相应的优点。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例提供的单光子雪崩二极管装置的一种具体实施方式中的在侧视视角下的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的单光子雪崩二极管装置的一种具体实施方式中的在俯视视角下的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第一隔离结构在一种具体实施方式下的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的反射器在一种具体实施方式下的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的单光子雪崩二极管装置的另一种具体实施方式中的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的单光子雪崩二极管装置阵列的一种具体实施方式中的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的单光子雪崩二极管装置的另一种具体实施方式中的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的单光子雪崩二极管装置的再一种具体实施方式中的在侧视视角下的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的单光子雪崩二极管装置的在一种具体实施方式中的在俯视视角下的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的现有技术中的单光子雪崩二极管装置在一个示意性应用场景中的光电场示意图；
图11为本发明实施例提供的本申请的单光子雪崩二极管装置在一个示意性应用场景中的光电场示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。
本申请的说明书中出于便利性目的使用了标注左侧、右侧、前面、后面、顶部、底部、正向、反向、顺时针和逆时针的用词，并非意在暗示只能是这样的特定的固定方向。实际上，它们只是用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
下述各实施例可结合现有系统和工艺来实施。例如，根据本发明实施例的SPAD可以使用现有半导体工艺制造。此外，本文描述的SPAD、图像感测装置和激光雷达系统可在广泛范围的应用中使用，并且各种实施方案与现有技术兼容。下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。
首先参见图1及图2，图1及图2为本发明实施例提供的单光子雪崩二极管装置在一种具体实施方式下的于不同视角中的结构示意图，本发明实施例可包括以下内容：
单光子雪崩二极管装置100可包括第一半导体区、第二半导体区、微透镜102和反射器阵列。
其中，第一半导体区为使用第一半导体材料如氧化物材料制备的区域，其可称为氧化物区，氧化物材料例如可为氧化硅，第一半导体区设置在衬底上方，衬底中配置有电互联件，图中均并未示出。第二半导体区为使用第二半导体材料如硅制备的区域，例如可为图1所示的硅区105。第二半导体区覆盖于第一半导体区。微透镜覆盖第二半导体区，为了更好接收光信号，使得更多光信号透射至系统，可对与微透镜102连接的第二半导体区的上表面进行平面化处理。
为了使进入单光子雪崩二极管装置100的光信号不溢出至相邻元器件，同时将接收的光信号投射至吸收区，本实施例在第二半导体区内配置有隔离结构，作为单光子雪崩二极管装置100的边界。具体的，第二半导体区可包括第一隔离结构103和第二隔离结构104，第二隔离结构104在第一方向如x-y轴上相对于第一隔离结构103对准。第一隔离结构103和第二隔离结构104包括有利于光子散射和反射的哑光表面，也即可将更多的光信号散射和反射到吸收区108上。例如，图2示出形成单光子雪崩二极管装置的四个“壁”的四个隔离结构。在示例中，第一隔离结构103和第二隔离结构104可包括绝缘结构和填充结构；填充结构可由填充材料和/或气隙形成，填充材料可包括金属材料、半导体材料和绝缘材料，绝缘结构由设置在填充材料周围的绝缘材料如氧化物材料或氮化物材料，以及设置在填充材料周围的电荷材料如高K电介质材料形成。
作为一种可选的实施方式，第一隔离结构103和第二隔离结构104可均包括DTI(deep trench isolation，深沟槽隔离结构)，如图3所示，其可通过蚀刻和填充工艺形成。如图3所示，第一隔离结构103和第二隔离结构104的填充材料可包括金属材料、半导体材料、绝缘材料如氧化物材料等。在优选示例中，填充材料是防止串扰的金属材料，也即避免进入当前单光子雪崩二极管装置100的光信号行进到相邻单光子雪崩二极管装置。在各种实施例中，隔离结构103可包括绝缘材料121和填充材料122，绝缘材料121可以包含与硅区105连接的氧化物材料。从侧视图看，隔离结构103包括顶部部分103a和底部部分103b。作为一种可选的实施方式，顶部部分103a与底部部分103b可形成夹角，这些夹角可有助于捕获单光子雪崩二极管装置100内的光子信号。应注意，顶部部分103a相比底部部分103b更宽，且由顶部向底部逐渐变细，从而形成倾斜侧壁。倾斜侧壁可优化光子反射性能，可将接收的光信号引导至吸收区，从而可将串扰降至最低。可选的，该侧壁的角度可以是5度到10度。由于哑光表面可使得入射至其上的光子在单光子雪崩二极管装置100内部散射，为了进一步优化光反射，有利于吸收区捕获更多的光信号，还可对该侧壁的表面经过哑光表面处理。在本实施例中，配置在深沟槽隔离结构处的电荷材料具有负电荷，例如可通过原子层沉积技术将Al2O3等高K电介质材料在SiO2/Al2O3界面区形成负电荷，这些负电荷产生正平带电压偏移，这使得深沟槽隔离结构的侧壁附近的半导体表面层形成累积层而非耗尽层。此外，深沟槽隔离结构的侧壁界面在空间上位于耗尽区之外，可降低界面缺陷漂移到雪崩区的几率。因此，可以降低单光子雪崩二极管装置100的噪声或减小暗电流，提升单光子雪崩二极管装置100灵敏度。
为了进一步提高单光子雪崩二极管装置100性能，基于上述实施例，除了第一隔离结构103和第二隔离结构104之外，本实施例还可包括第三隔离结构106和第四隔离结构107，第三隔离结构106在第二方向上如x-z轴相对于第一隔离结构103对准，第四隔离结构107在第二方向上如x-z轴相对于第二隔离结构104对准。可选的，第三隔离结构106和第四隔离结构107可利用现有CMOS STI工艺制造，例如可通过刻蚀工艺形成沟槽，随后进行氧化并进行氧化物填充。也即第三隔离结构106和第四隔离结构107均包括STI(shallow trenchisolation，浅沟槽隔离结构)，且可采用氧化物材料作为填充物。
可有理解的是，上述隔离结构不仅可作为单光子雪崩二极管装置100的边界，还可防止单光子雪崩二极管装置100和其相邻单光子雪崩二极管装置之间出现串扰现象，为了进一步降低串扰，提高单光子雪崩二极管装置的光信号捕获能力，还可在第一隔离结构和/或第二隔离结构和/或第三隔离结构和/或第四隔离结构的周围设置多个接触孔，如图1中的109a、109b、109c和109d。可选的，接触孔可为0.9μm×0.9μm的圆心孔。应理解，如图所示的接触孔109a至109d不一定提供接触例如电接触，之所以称为接触孔，是因为接触孔是基于半导体制造工艺形成的。由于钨材料化学性质稳定且电阻率低，对红外光信号具有高吸收率，所以本实施例可采用钨材料制备接触孔。
在本实施例中，单光子雪崩二极管装置100的第二半导体区还设置有吸收区108，吸收区108覆盖第一半导体区。吸收区108用于检测入射至单光子雪崩二极管装置的光信号，吸收区108例如可由光电二极管构成。可选的，吸收区108可由注入的p型材料和n型材料形成，注入的p型材料和注入的n型材料可配置在单光子雪崩二极管装置的半导体衬底附近或键合区附近，p型材料如可配置在n型材料109之上。硅区105包括p型材料，并且在硅区105中的p型材料和n型材料109之间形成p-n结。在各种实施例中，吸收区108还可包括外延生长的材料。在示例中，注入的p型材料可为硼材料，硼材料的浓度密度在1015个原子/cm3至1018原子/cm3之间。在示例中，注入的n型材料可为磷实体或砷实体，磷实体或砷实体的浓度密度在1017个原子/cm3至1019原子/cm3之间。当然，吸收区108还可采用其他结构，本申请对此不作任何限定。可选的，为了进一步提高吸收区108的光子捕获能力，吸收区108还可耦合金属触点，进一步地，吸收区108还可包含配置在吸收区108和第一半导体区或称为氧化物区之间的界面附近的纳米结构。在示例中，可通过纳米结构将入射的光子耦合到横向波导模中来工作，这会增加吸收长度。可选的，可通过使用含硅材料的干蚀刻或选择性湿蚀刻制成的周期性图案形成纳米结构或是其他形式的纳米结构。举例来说，含硅材料的干蚀刻能够形成矩形或圆形或六角形或其它形状的孔或开口，纳米结构的周期可以在650至850nm的范围内，纳米孔或开口的直径可以在400至600nm的范围内。在一种示例中，为了与CMOS STI工艺兼容，纳米结构的深度可以在300至450nm的范围内，但也可以在其它范围内。干蚀刻后，对纳米孔进行氧化并用氧化物填充材料进行填充处理。当然，也可通过选择性湿蚀刻工艺制造纳米结构，选择性湿蚀刻可产生倒金字塔形式的孔或开口，倒金字塔的周期可以在700至900nm的范围内。由于金字塔的固定角度由晶体方向决定，故倒金字塔的深度取决于金字塔的周期。湿蚀刻后，同样可对金字塔孔进行氧化并用氧化物填充材料进行填充。
在本实施例中，微透镜102用于将入射至单光子雪崩二极管装置100的光信号聚焦至吸收区108，不仅可降低光学串扰现象的发生，还可提高吸收区108的吸收性能。微透镜102可使用晶圆级光学器件WLO来制造。微透镜102可包含平面侧和凸面侧，平面侧与单光子雪崩二极管装置100的顶侧相连接，凸面侧配置有基于吸收区108的大小和距离所优化的特定曲率。举例来说，在图1中，光路101a、101b和101c相对于单光子雪崩二极管装置100及其吸收区108呈基本上垂直的角度。在不借助于微透镜102的情况下，图1中的光路101a或101c很可能不会透射至吸收区108，借助于微透镜102，照射微透镜102的凸形表面可将光路101a或101c的光子朝向吸收区108准直。在实际使用中，附带光路可基本上呈钝角，并且微透镜102不能将此类路径上的光子重新引导到吸收区108。即使微透镜102改变光路101d中的光子的行进方向，这些光子仍然不会按照期望到达吸收区108。应了解，未到达吸收区108例如行进穿过光路径101d的光子可由配置在单光子雪崩二极管装置100的反射器阵列进行反射。
可以理解的是，本实施例需要将入射至单光子雪崩二极管装置100的光信号均引导至吸收区108，为了实现对光信号的引导，本实施例除了通过微透镜102和/或隔离结构之外，还可通过反射器阵列或微透镜102、隔离结构和反射阵列的任意组合。隔离结构为第一隔离结构103和/或第二隔离结构104和/或第三隔离结构106和/或第四隔离结构107。具体地，配置在单光子雪崩二极管装置100顶部的微透镜102将入射至单光子雪崩二极管装置100的光信号聚焦到吸收区108上。第一隔离结构103、第二隔离结构104进一步地将没有投射至吸收区108的其他光信号反射至吸收区108，第三隔离结构106和第四隔离结构107将单光子雪崩二极管装置100边界的光信号反射回单光子雪崩二极管装置100内部，以防止其进入相邻的单光子雪崩二极管装置中。反射器阵列可将穿透吸收区108而未被检测到的光信号再次反射回吸收区108。
在本实施例中，反射器阵列可包括第一反射器组和第二反射器组，第一反射器组和第二反射器组均包括多个反射器，第一反射器组如图1所示的110a至110f，第二反射器组如图1所示的112a至112f。第一反射器组位于第一半导体区，且第一反射器组位于第二反射器组和吸收区之间。第一反射器组包括反射器110a至110f，如图1所示。例如，反射器110a至110f相对于第一平面(例如，x-y所形成平面)对准，反射器112a至112e相对于第二平面(例如，x-y所形成平面)对准。应注意的是，本实施例可将两个反射器阵列之间的“贯穿间隙”降至最小。例如，反射器110b和110c之间的间隙可由反射器112b覆盖。当反射器112b和反射器112c之间存在间隙时，可将反射器110c和110d之间的间隙降至最小。反射器110c至110d之间的间隙基本上被反射器112c覆盖，但第二反射器阵列不覆盖110b至110c之间的间隙。通过对第一反射器组和第二反射器组中的各反射器之间的相对位置进行优化，可最大限度地提高光子被反射到吸收区108的概率。
本实施例采用两层结构的反射器阵列，且可通过为各反射器之间设置合适的间隔距离来提高单光子雪崩二极管装置性能。也就是说，可以改变反射器阵列中各反射器的大小和位置以最大限度地提高吸收区108的光子捕获能力。本实施例可基于衍射光栅效应，基于入射光波长为各反射器的位置和间距进行合理布置，更好地提升单光子雪崩二极管装置100性能。举例来说，对于入射至单光子雪崩二极管装置100的光信号，光波长范围如可在850至1000nm，若反射器的宽度或各反射器的间隔小于等于接收到的光信号的波长，单光子雪崩二极管装置100的光子捕获性能更优。作为一种可选的实施方式，第一反射器组的各反射器之间的间隔距离大于等于0.14μm且小于等于1μm、宽度大于等于0.3μm且小于等于1μm。第二反射器组的各反射器之间的间隔距离大于等于0.1μm且小于等于4μm。第二反射器组的各反射器宽度大于等于1μm且小于等于4μm；或者是大于等于4μm且小于等于8μm。应注意，位于单光子雪崩二极管装置100边界处的反射器与之相邻的反射器之间的间隔距离可不受上述范围限制，以图1为例，反射器110a和110b之间的间隔可不在0.14μm～1μm之间，反射器112a和112b之间的间隔可不在0.1μm～4μm之间。举例来说，第一反射器组内的各反射器如110a至110f的宽度可为1000nm，且彼此间距可设置为300nm，第二反射器组内的各反射器如112a至112e的宽度可为4000nm，且彼此间距可设置为500nm。在另一实施例中，第一反射器组内的各反射器如110a至110f的宽度可为300nm，且彼此间距可设置为1000nm。
在本实施例中，各反射器可由金属材料诸如铜材料、铝材料、金属/氧化物材料或半导体材料等所制成。可选的，由于铜对红外光信号或者是波长在900nm的光信号具有高反射性，可使用铜材料制备各反射器。反射器阵列中的各反射器的形状可为矩形，为了最大程度将透射出吸收区108的光信号再次反射回吸收区108，各反射器可呈不规则形状以最大程度地进行反射，如图4所示出的反射器110a的形状，在本实施例中，反射器110a包含非平坦顶表面和倾斜侧壁，且非平坦顶表面和倾斜侧壁均经过优化能进行光反射。进一步的，反射器110a还可包含通过半导体制造技术增加光反射和散射性能的哑光表面。此外，各反射器还可设置有圆角以增加朝向吸收区108的光反射能力。
在本发明实施例提供的技术方案中，通过配置隔离元件如第一隔离结构、第二隔离结构和反射器阵列提高了光子被目标单光子雪崩二极管装置检测到的概率，提高单光子雪崩二极管装置对光信号的灵敏度，提升单光子雪崩二极管装置的信噪比，同时还降低了光子被非目标单光子雪崩二极管装置检测到的概率，从而可有效降低相邻单光子雪崩二极管装置之间的串扰，大幅降低错误率，有利于提升SPAD传感器性能。
作为一种可选的实施方式，为了更好地提升单光子雪崩二极管装置性能，还可为单光子雪崩二极管装置设置钝化区，钝化区可覆盖第二半导体区。微透镜102包括平面侧和凸面侧，若设置钝化区，则是微透镜102的平面侧与钝化区相紧贴，也即钝化区设置在第二半导体区和微透镜之间，且其设置在第二半导体所在面为与微透镜相贴的上表面。钝化区是指金属表面所生成的起保护作用且性质稳定的氧化膜区域，具有致密性和密着性的特征。钝化区由钝化材料形成，钝化材料可为氧化物材料、高K电介质材料、氮化物材料或聚酰亚胺材料的任意一项或者是任意组合，钝化层可为多层钝化材料所形成，也可为一层钝化材料所形成，这均不影响本申请的实现。举例来说，单光子雪崩二极管装置的钝化层中的每层钝化材料可为外延生长的硅材料，诸如可利用高温生长技术进行生长。外延材料是基本上无缺陷的单晶硅材料。外延生长的硅材料可以使用硅基前体气体通过外延反应器形成。外延材料的厚度可基于实际需求进行灵活选择。进一步的，单光子雪崩二极管装置还可包含位于第二半导体区内并与微透镜102连接的抗反射材料层，抗反射层可以是任何光学材料，例如可为氧化物、氮化物或金属氧化物的任意一种或任意组合。
最后，为了使所属领域人员更加清楚明白本申请的技术方案，本申请还结合附图1和图2阐述单光子雪崩二极管装置100的结构及各元器件之间的关系，结合图5阐述单光子雪崩二极管装置对光信号的处理方式。图1是本发明实施例的单光子雪崩二极管装置100的简化侧视图，图2是本发明实施例的单光子雪崩二极管装置100的简化俯视图。从俯视图即从x-y平面看，单光子雪崩二极管装置100呈方形结构，其边界由多个隔离结构即位于顶部的120、位于底部的122、左侧的103、右侧的104构成。从侧视图即从x-z平面看，只能看见作为单光子雪崩二极管装置100的左边界和右边界的第一隔离结构103和第二隔离结构104，但隔离结构120和122也即单光子雪崩二极管装置100的顶部边界和底部边界在图1中未示出。隔离结构103、104、120和121可均为DTI结构。微透镜102围绕边界区配置，覆盖图1中的硅区105即第二半导体区。隔离结构106和107分别配置在隔离结构103和104下方，因此在俯视图中不可见。然而，隔离结构106和107周围的接触孔在图2中可见。例如，第四隔离结构107周围的接触孔109c和109d在图2中示出；它们位于接触孔阵列中，从侧视图即图1一次只能看到两个。第一反射器组和第二反射器组在图2中示为二维阵列，如图所示的第一反射器组为四乘四阵列，第一行中的反射器包含110b至110e；图2中未示出位于隔离结构附近的反射器110a和110b。第一反射器组位于图1中的吸收区108和第二反射器组之间，第二反射器组为三乘三阵列，即反射器112b至112d。图2中未示出位于隔离结构附近的反射器112a和112b。如图1及图2可知，第二反射器组的反射器比第一反射器组的反射器的尺寸大得多。图5示出本发明实施例的单光子雪崩二极管装置200的简化结构图，一旦光子进入单光子雪崩二极管装置200，至少三个结构会最大限度地将这些进入单光子雪崩二极管装置内部的光子引导至吸收区，提高吸收区捕获光信号性能。由图可知，沿着光路260a的光子很可能直接到达吸收区(图3中未示出)进行检测，但如果光子穿过吸收区而未被检测到，则其很可能会被反射器208a至208f所构成的第一反射器组或由反射器209a至209e所构成的第二反射器组反射回吸收区。沿着光路260b的光子在被吸收区检测到之前可能会反弹几次。光子可能被隔离结构202反射并沿着光路260c和260d进入硅区205。应了解，在没有隔离结构202的情况下，沿着光路260b行进的光子可能会行进到相邻的单光子雪崩二极管装置，从而发生串扰现象。如果光子穿过吸收区而未被检测到，则其被反射器208c反射为光路260e再次进入吸收区。应注意，尽管反射器208a至208f之中存在间隔，但第一反射器组在反射光子方面比覆盖相同区域的单件式反射器更有效。第二反射器组的反射器209a至209e具有与反射器208a至208f不同的区域和间隔。基于光栅、色散、干涉等光学知识可知上述反射器阵列的有效性。沿着光路260e行进的光子可能被吸收区检测到，但如果未被检测到，它将继续沿着光路260f投射至隔离结构204的表面，隔离结构205可将光子重新引导到光路260g，通过在单光子雪崩二极管装置内部的多次反射最终将光信号引导进入吸收区，以被吸收区检测到。
此外，基于上述实施例，本申请还提供了一种图像感测装置，该装置可包括控制电路、存储器和单光子雪崩二极管装置阵列。单光子雪崩二极管装置阵列分别与控制电路和存储器相连；控制电路可用于控制单光子雪崩二极管装置阵列的读取速率并将读取数据存储到存储器中，存储器用于存储图像数据。
在本实施例中，单光子雪崩二极管装置阵列可用于基于接收到的光信号生成图像数据，其包括多个单光子雪崩二极管装置，每个单光子雪崩二极管装置作为图像感测装置的一个像素点。单光子雪崩二极管装置阵列中的每个单光子雪崩二极管装置被其他单光子雪崩二极管装置包围。单光子雪崩二极管装置阵列包括作为第一像素点的第一SPAD和作为第二像素点的第二SPAD。为了与上述实施例进行区别，本实施例对于限定在第一SPAD和第二SPAD的隔离结构称为像素隔离结构，相应的，第一SPAD包括第一像素隔离结构和第二像素隔离结构，第二SPAD包括第二像素隔离结构和第三像素隔离结构；第一SPAD和第二SPAD均包括氧化物区和覆盖氧化物区的吸收区；氧化物区包括反射器阵列，反射器阵列包括均由多个反射器组成的第一反射器组和第二反射器组，第一反射器组位于吸收区和第二反射器组之间。本实施例的氧化物区即为上述实施例的第一半导体区，各单光子雪崩二极管装置可参阅上述单光子雪崩二极管装置实施例所记载的内容，此处，便不再赘述。
图6和图7是本发明实施例示出的单光子雪崩二极管装置阵列300的光路结构的简化图。此图仅为示例，而不应不恰当地限制权利要求书的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替代方案和修改。图6中的第一反射器组中的反射器308a、反射器308b、反射器308d、反射器308e的宽度基本相同，且都小于第二反射器组中的反射器309b、反射器309c、反射器309d的宽度。图7中的第一反射器组组中的反射器308a、反射器308I、反射器308f、反射器308m的宽度不同，反射器308a和反射器308f小于第二反射器组中的反射器309a、反射器309b、反射器309c、反射器309d的宽度，而反射器308I和反射器308m大于第二反射器组中的反射器309a、反射器309b、反射器309c、反射器309d的宽度。为了便于描述，本实施例以单光子雪崩二极管装置阵列300包含两个SPAD为例进行阐述：左侧上的第一个SPAD位于像素隔离结构302和303之间，右侧上的第二个SPAD位于像素隔离结构303和304之间。若进入第一SPAD的光子行进到第二SPAD时，即发生光子串扰现象。例如，光信号沿光路360进入单光子雪崩二极管装置阵列的第一SPAD，但光路361a或光路362a的光子可能被反射到第二SPAD中：沿着光路361a的光子可能从像素隔离结构302反射出来，然后由反射器308e再次反射(如果未被吸收区检测到)到光路361c。虽然不希望此光子进入相邻的第二SPAD，但光路361c也有可能将光子引向像素隔离结构304，光子就不会被此相邻的第二SPAD的吸收区检测到。作为另一示例，沿着光路362a的光子从反射器308f反弹并沿着光路362b行进，虽然不希望左侧SPAD检测不到此光子，但右侧SPAD不太可能错误地检测到此光子，因为光子很可能通过光路362b离开右侧SPAD。也就是说，由于像素隔离结构和反射器阵列的配置，即使第一SPAD的光子行进到第二SPAD，此光子也不太可能被第二SPAD的吸收区检测到，从而有利于降低错误率。
作为一种可选实施方式，为了进一步提高图像感测器性能，第一SPAD还包括相对于第一像素隔离结构和第二像素隔离结构对准的微透镜，将进入的光信号最大限度的引导至吸收区。进一步的，为了提高图像感测器的寿命，还可设置一个或多个电接触点(Electrical contact)，电接触点可耦合至控制电路和/或存储器中。
上述装置内的各元器件之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明实施例中的叙述，此处，便不再赘述。
由上可知，本发明实施例可有效提升单光子雪崩二极管装置性能，提升图像感测器的检测性能。
最后，本申请还提供了一种激光雷达系统，该系统可包括光源、控制电路、存储器和单光子雪崩二极管装置阵列。
其中，光源用于向单光子雪崩二极管装置阵列出射预设波长的光信号，预设波长是指单光子雪崩二极管装置阵列可检测到的光波长。单光子雪崩二极管装置阵列用于基于接收到的光信号生成图像数据；单光子雪崩二极管装置阵列分别与控制电路和存储器相连；存储器用于存储图像数据。单光子雪崩二极管装置阵列可包括多个单光子雪崩二极管装置，单光子雪崩二极管装置阵列、控制电路和存储器可组成激光雷达系统中的图像传感器，每个单光子雪崩二极管装置作为图像传感器的一个像素点。举例来说，单光子雪崩二极管装置阵列可包含m×n个像素，m和n为大于30的整数。也即单光子雪崩二极管装置阵列由m×n个单光子雪崩二极管装置构成，每个单光子雪崩二极管装置单光子雪崩二极管装置即为由单光子雪崩二极管装置阵列所构成的图像传感器的一个像素点。在激光雷达系统或其它类型的成像系统中，成像分辨率取决于像素数量和这些像素对光信号的灵敏度。目前，m和n均为小几百，但在未来m和n可能会达到数千甚至数百万。对于给定尺寸的图像传感器，高像素数意味着更小像素区域。图像传感器设计的一个重要方面是在像素区域减小时仍能保持像素灵敏度。单光子雪崩二极管装置阵列是激光雷达系统的一部分，其连接到控制电路和存储器，它们一起形成激光雷达系统的图像传感器。控制电路可用于控制单光子雪崩二极管装置阵列的读取速率并将读取数据存储到存储器中。
在本实施例中，单光子雪崩二极管装置阵列的各单光子雪崩二极管装置均包括第一隔离结构、第二隔离结构、氧化物区和覆盖氧化物区的吸收区；氧化物区包括反射器阵列，反射器阵列包括第一反射器组和第二反射器组，第一反射器组和第二反射器组均包括多个反射器，第一反射器组位于吸收区和第二反射器组之间。为了进一步提高单光子雪崩二极管装置性能，单光子雪崩二极管装置还可包括第三隔离结构；第三隔离结构与第一隔离结构相对准。本实施例的氧化物区即为上述实施例的第一半导体区，各单光子雪崩二极管装置可参阅上述单光子雪崩二极管装置实施例所记载的内容，此处，便不再赘述。
图8和图9示出单光子雪崩二极管装置400的简化侧视图和简化俯视图。此图仅为示例，而不应不恰当地限制权利要求书的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替代方案和修改。单光子雪崩二极管装置400可包含用作边界的隔离结构402和404，隔离结构402和404可对单光子雪崩二极管装置内部的光信号进行多次反射以防止这些光子行进到相邻的SPAD中。可选的，隔离结构402和404可为DTI结构。为了进一步提高单光子雪崩二极管装置性能，还可设置隔离结构406和408，隔离结构406相对于隔离结构402对准，隔离结构408相对于隔离结构404对准。隔离结构406和408例如可包括STI结构。在各种实施例中，这些隔离结构位于单光子雪崩二极管装置400的硅区也即第二半导体区414内。单光子雪崩二极管装置400还包含第一半导体区416，第一半导体区416可为氧化硅材料所形成的氧化物区416。两个反射器组所形成的反射器阵列可配置在氧化物区416内。第一反射器组包括反射器410a至410f，如图所示。第二反射器组包括反射器412a、412b和412c。在各种实施例中，反射器410a至410f的宽度约为300nm，且这些反射器之间的间隔约为1μm。反射器410a至410f可由金属材料制成，且均设置有通过高水平光散射产生的哑光表面处理的顶部表面。如上文所述，应了解，第一反射器组即包含反射器410a至410f在反射光子和防止光子串扰方面比占据相同区域的单件式反射器更有效，如对于入射光为波长约为800至1000nm的红外光。第二反射器组配置在第一反射器组下方。第二反射器组的反射器412b的尺寸大于第一反射器组的各个反射器的尺寸，可选的，反射器412b的可配置成大于反射器410b至410e所占据的空间，例如，反射器412b的宽度大于等于5μm。如俯视图9所示，单光子雪崩二极管装置400由隔离结构(包含隔离结构404)定界。反射器412b是第二反射器组的一部分，并且在反射器412b的区域内配置四乘四反射器组(包含如图所示的反射器410d)。反射器412b可将未被吸收区检测到、且未被第一反射器组反射的光子反射回单光子雪崩二极管装置400的吸收区内，提升光子捕获性能。
此外，本申请还提供了入射光信号的光路对整个单光子雪崩二极管装置的吸收性能的影响，对比图10及图11可知，不同于现有技术的单光子雪崩二极管装置，图11的单光子雪崩二极管装置也即本申请所提供的技术方案采用了第一反射器组和第二反射器组引导光信号，其光路的线性化程度更大，也即光路在单光子雪崩二极管装置内部绕道更多，入射至单光子雪崩二极管装置的光信号被吸收区检测到的概率也就越大，单光子雪崩二极管装置的光子捕获能力也就越强，基于此，本申请可基于光路布设单光子雪崩二极管装置中各元器件即各隔离结构、吸收区和反射器阵列的位置。
本实施例的光源可为激光光源，激光光源出射单光子雪崩二极管装置阵列可以检测到波长的光信号，如红外光。相应的，控制电路还可用于控制光源，例如控制光信号的调制和出射。在各种实施方案中，激光雷达系统能够使用飞行时间信息生成深度图。
上述装置内的各单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明实施例中的叙述，此处，便不再赘述。
由上可知，本发明实施例可有效提升单光子雪崩二极管装置性能，提升激光雷达系统的检测性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上对本申请所提供的一种单光子雪崩二极管装置、图像感测装置及激光雷达系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种单光子雪崩二极管装置，其特征在于，包括第一半导体区、第二半导体区、微透镜和反射器阵列；
所述第二半导体区覆盖所述第一半导体区，所述微透镜覆盖所述第二半导体区；
所述第二半导体区包括第一隔离结构、第二隔离结构和吸收区；所述第二隔离结构在第一方向上相对于所述第一隔离结构对准；所述吸收区覆盖所述第一半导体区；
所述反射器阵列包括第一反射器组和第二反射器组，所述第一反射器组和所述第二反射器组均包括多个反射器；所述第一反射器组位于所述第一半导体区，且所述第一反射器组位于所述第二反射器组和所述吸收区之间；除位于单光子雪崩二极管装置边界处的反射器与之相邻的反射器之外，其余各反射器与之相邻的反射器之间的间隔距离为：
所述第一反射器组的各反射器之间的间隔距离大于等于0.14μm且小于等于1μm；所述第二反射器组的各反射器之间的间隔距离大于等于0.1μm且小于等于4μm。
2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管装置，其特征在于，所述第一反射器组的各反射器的宽度大于等于0.3μm且小于等于1μm。
3.根据权利要求2所述的单光子雪崩二极管装置，其特征在于，所述第二反射器组的各反射器宽度大于等于1μm且小于等于4μm；或者是所述第二反射器组的各反射器宽度大于等于4μm且小于等于8μm。
4.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管装置，其特征在于，还包括第三隔离结构和第四隔离结构；
所述第三隔离结构在第二方向上相对于所述第一隔离结构对准；
所述第四隔离结构在所述第二方向上相对应所述第二隔离结构相对准；
所述第一隔离结构和所述第二隔离结构包括深沟槽隔离结构；所述第三隔离结构和所述第四隔离结构包括浅沟槽隔离结构。
5.根据权利要求4所述的单光子雪崩二极管装置，其特征在于，还包括设置在所述第三隔离结构和/或所述第四隔离结构周围的多个接触孔。
6.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管装置，其特征在于，所述第一隔离结构包括绝缘结构和填充结构；
所述填充结构包括金属材料、半导体材料、绝缘材料或气隙。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的单光子雪崩二极管装置，其特征在于，所述微透镜包括平面侧和凸面侧，所述装置还包括覆盖所述第二半导体区的钝化区；
所述钝化区与所述微透镜的平面侧相紧贴。
8.一种图像感测装置，其特征在于，包括控制电路、存储器和单光子雪崩二极管装置阵列；所述单光子雪崩二极管装置阵列分别与所述控制电路和所述存储器相连；所述存储器用于存储图像数据；
所述单光子雪崩二极管装置阵列用于基于接收到的光信号生成所述图像数据，其包括多个单光子雪崩二极管装置，每个单光子雪崩二极管装置作为图像感测装置的一个像素点；
所述单光子雪崩二极管装置阵列包括作为第一像素点的第一SPAD和作为第二像素点的第二SPAD；所述第一SPAD包括第一像素隔离结构和第二像素隔离结构，所述第二SPAD包括所述第二像素隔离结构和第三像素隔离结构；所述第一SPAD和所述第二SPAD均包括氧化物区和覆盖所述氧化物区的吸收区；所述氧化物区包括反射器阵列，所述反射器阵列包括均由多个反射器组成的第一反射器组和第二反射器组，所述第一反射器组位于所述吸收区和所述第二反射器组之间；除位于单光子雪崩二极管装置边界处的反射器与之相邻的反射器之外，其余各反射器与之相邻的反射器之间的间隔距离为：
所述第一反射器组的各反射器之间的间隔距离大于等于0.14μm且小于等于1μm；所述第二反射器组的各反射器之间的间隔距离大于等于0.1μm且小于等于4μm。
9.根据权利要求8所述的图像感测装置，其特征在于，所述第一SPAD还包括相对于所述第一像素隔离结构和所述第二像素隔离结构对准的微透镜。
10.根据权利要求9所述的图像感测装置，其特征在于，还包括电接触点，所述电接触点耦合至所述控制电路和/或所述存储器。
11.一种激光雷达系统，其特征在于，包括光源、控制电路、存储器和单光子雪崩二极管装置阵列；
所述光源用于向所述单光子雪崩二极管装置阵列出射预设波长的光信号，所述单光子雪崩二极管装置阵列用于基于接收到的光信号生成图像数据；所述单光子雪崩二极管装置阵列分别与所述控制电路和所述存储器相连；所述存储器用于存储所述图像数据；
所述单光子雪崩二极管装置阵列包括多个单光子雪崩二极管装置，每个单光子雪崩二极管装置作为一个像素点；各单光子雪崩二极管装置均包括第一隔离结构、第二隔离结构、氧化物区和覆盖所述氧化物区的吸收区；所述氧化物区包括反射器阵列，所述反射器阵列包括均由多个反射器组成的第一反射器组和第二反射器组，所述第一反射器组位于所述吸收区和所述第二反射器组之间。
12.根据权利要求11所述的激光雷达系统，其特征在于，所述单光子雪崩二极管装置还包括第三隔离结构和第四隔离结构；
所述第三隔离结构相对于所述第一隔离结构对准；所述第四隔离结构相对应所述第二隔离结构对准。
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