CN114038865A - 单光子雪崩二极管及单光子雪崩二极管阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单光子雪崩二极管，包括N型半导体埋层、主动区及N型堆栈层。主动区包括第一P型半导体井层、第一N型半导体井层、第二P型半导体井层、二个阳极及P型外延层。第一P型半导体井层配置于N型半导体埋层上，第一N型半导体井层配置于第一P型半导体井层上。第二P型半导体井层配置于第一N型半导体井层上，此二个阳极配置于第二P型半导体井层上的相对两侧。P型外延层连接第一P型半导体井层及第二P型半导体井层。N型堆栈层配置于主动区旁，且配置于N型半导体埋层上。一种单光子雪崩二极管阵列亦被提出。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电二极管(photodiode)及光电二极管阵列，且特别是涉及一种单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode,SPAD)及单光子雪崩二极管阵列。
背景技术
单光子雪崩二极管在受光照射后，使得电子与电洞分离而形成光电流。当与电洞分离的电子进入PN接面(p-n junction)处的电场加速区(即雪崩区(avalanche region))时，电子被电场大幅地加速而撞击其他原子，使其他原子游离出更多的电子，而形成崩溃电流(avalanche current)。崩溃电流的电流值远大于原始的光电流，进而能够有效提升感应灵敏度。
单光子雪崩二极管可应用于飞行时间测距装置(time-of-flight rangingdevice,ToF ranging device)或光雷达(LiDAR)，可借由感测光的飞行时间来计算出物体的距离。然而，在单光子雪崩二极管中，在雪崩区以外的中性区(neutral region)的载子所受到的电场较为微弱，使得载子漂移(drift)至雪崩区的时间会有所延迟，导致时序颤动(timing jitter)，这会对测量光的飞行时间的准确度造成影响。
另一方面，当随着光电技术的不断演进，产品朝小型化发展，单光子雪崩二极管也被做得更小。在此情况下，光电子更容易往雪崩区以外的位置漂移，而导致光子侦测机率(photon detection probability,PDP)的损失。
发明内容
本发明是针对一种单光子雪崩二极管及单光子雪崩二极管阵列，其可有效抑制时序颤动，且可有效降低光子侦测机率的损失。
本发明的一实施例提出一种单光子雪崩二极管，包括N型半导体埋层、主动区及N型堆栈层。主动区包括第一P型半导体井层、第一N型半导体井层、第二P型半导体井层、二个阳极及P型外延层。第一P型半导体井层配置于N型半导体埋层上，第一N型半导体井层配置于第一P型半导体井层上。第二P型半导体井层配置于第一N型半导体井层上，此二个阳极配置于第二P型半导体井层上。P型外延层连接第一P型半导体井层及第二P型半导体井层。N型堆栈层配置于主动区旁，且配置于N型半导体埋层上。
本发明的一实施例提出一种单光子雪崩二极管阵列，包括多个排成二维阵列的上述单光子雪崩二极管，其中每一单光子雪崩二极管的二个阳极排列于参考直线上，且相邻的任二个单光子雪崩二极管的二个参考直线彼此不平行。
在本发明的实施例的单光子雪崩二极管及单光子雪崩二极管阵列中，由于利用N型半导体埋层、第一P型半导体井层、第一N型半导体井层及第二P型半导体井层来形成三个PN接面(p-n junction)，也就是形成三个雪崩区，以增加光电子落于雪崩区的机会，因此能有效抑制时序颤动的问题，并可有效降低光子侦测机率的损失。此外，本发明的实施例的单光子雪崩二极管及单光子雪崩二极管阵列皆采用两个阳极，可以使第一P型半导体井层的电压准位比较平均。
另外，在本发明的实施例的单光子雪崩二极管阵列中，每一单光子雪崩二极管包括二个阳极且其排列于参考直线上，且相邻的任二个单光子雪崩二极管的二个参考直线彼此不平行。也就是说，相邻的单光子雪崩二极管的二个阳极是采用错开设置的方式，而相邻的单光子雪崩二极管中连接阳极的线路长度因而可以相同，能有效避免不同的单光子雪崩二极管有不同的电阻电容延迟。
附图说明
图1为本发明的一实施例的单光子雪崩二极管阵列的上视示意图。
图2为图1的单光子雪崩二极管阵列沿着I-I线的剖面示意图。
图3为图2中的单光子雪崩二极管的深度与电场分布的对照图。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
请参照图1至图3，本实施例的单光子雪崩二极管阵列100包括多个排成二维阵列的单光子雪崩二极管200，每一单光子雪崩二极管200包括N型半导体埋层(n-typesemiconductor buried layer)210、主动区300及N型堆栈层400。主动区300包括第一P型半导体井层(first p-type semiconductor well layer)310、第一N型半导体井层320、第二P型半导体井层330、二个阳极340及P型外延层350。
第一P型半导体井层310配置于N型半导体埋层210上，第一N型半导体井层320配置于第一P型半导体井层310上。第二P型半导体井层330配置于第一N型半导体井层320上，此二个阳极340配置于第二P型半导体井层330上，例如是分别配置于第二P型半导体井层330上的相对两侧。P型外延层350连接第一P型半导体井层310及第二P型半导体井层330。N型堆栈层400配置于主动区300旁，且配置于N型半导体埋层210上。在本实施例中，单光子雪崩二极管200还包括基板220，而N型半导体埋层210配置于基板220上，其中基板220例如为P型半导体基板。
在本实施例中，第一P型半导体井层310与N型半导体埋层210之间形成第一PN接面J1，第一P型半导体井层310与第一N型半导体井层320之间形成第二PN接面J2，第一N型半导体井层320与第二P型半导体井层330之间形成第三PN接面J3，且第一、第二、第三PN接面J1、J2及J3形成三个雪崩区R1、R2、R3，即电场加速区。如图3所绘示，在雪崩区R1、R2、R3中有较强的电场，能够大幅加速光电子，以使光电子撞击其他原子，使其他原子游离出更多的电子，而形成崩溃电流。
在本实施例的单光子雪崩二极管200及单光子雪崩二极管阵列100中，由于利用N型半导体埋层210、第一P型半导体井层310、第一N型半导体井层320及第二P型半导体井层330来形成第一、第二及第三PN接面J1、J2及J3，也就是形成三个雪崩区R1、R2及R3，以增加光电子落于雪崩区R1、R2、R3的机会，因此能有效抑制时序颤动的问题，并可有效降低光子侦测机率的损失。此外，本实施例的单光子雪崩二极管200及单光子雪崩二极管阵列100皆采用两个阳极340，可以使第一P型半导体井层310的电压准位比较平均。
具体而言，当来自外界的光子50照射于曝光区Z1时(如图2与图3所绘示)，会在曝光区Z1中产生光电子。在本实施例中，曝光区Z1为两个阳极340之间的收光区域，在平行于第二P型半导体井层330的方向上(即图2与图3中的水平方向上)，曝光区Z1的范围小于主动区300的范围。此外，曝光区Z1涵盖雪崩区R1、R2及R3。相对于习知单光子雪崩二极管采用单一一个雪崩区，本实施例的单光子雪崩二极管200采用三个雪崩区R1、R2、R3，大幅提升了光电子落入雪崩区R1、R2、R3的机会，因此减少了光电子在雪崩区R1、R2、R3外受到较微弱的电场作用而导致时间延迟的问题，也可有效减少光电子横向地往N型堆栈层400漂移的机会。故能有效抑制时序颤动的问题，并可有效降低光子侦测机率的损失。此外，即使单光子雪崩二极管200的尺寸越做越小，数量提升及涵盖范围比例变大的雪崩区R1、R2、R3可有效减少光电子横向地往N型堆栈层400漂移或往其他位置漂移的机会，因此即便尺寸缩小仍可有效降低光子侦测机率的损失。
此外，在本实施例的单光子雪崩二极管200及单光子雪崩二极管阵列100中，此二个阳极340配置于第二P型半导体井层330上的相对两侧，且P型外延层350连接第一P型半导体井层310及第二P型半导体井层330，而在本实施例中此二个阳极340更可以配置于P型外延层350上。因此，此二个阳极340可透过P型外延层350而达到与第一P型半导体井层310良好的电性连接，而配置于相对两侧340的二个阳极340更可使第一P型半导体井层310处的电场较为均匀，进而帮助崩溃电流的有效形成。
在本实施例中，P型外延层350沿着第一N型半导体井层320的侧边从第一P型半导体井层310延伸至第二P型半导体井层330。在图2中，P型外延层350是沿着第一N型半导体井层320的相对两侧边从第一P型半导体井层310延伸至第二P型半导体井层330。
在本实施例中，主动区300还包括二个P型重掺杂层360，分别连接二个阳极340与第二P型半导体井层330，且在本实施例中亦可分别连接二个阳极340与P型外延层350。此二个P型重掺杂层360可提升此二个阳极340与第一P型半导体井层310及第二P型半导体井层330的导电效果。在本实施例中，P型重掺杂层360的P型掺杂浓度大于第一P型半导体井层310的P型掺杂浓度，且大于第二P型半导体井层330的P型掺杂浓度。
在本实施例中，N型堆栈层400环绕主动区300。具体而言，在本实施例中，N型堆栈层400包括第二N型半导体井层410及阴极420。第二N型半导体井层410配置于N型半导体埋层上210，而阴极420配置于第二N型半导体井层410上。在本实施例中，N型堆栈层400还包括高电压N型半导体井层(high voltage n-type semiconductor well layer)430及N型重掺杂层440。高电压N型半导体井层430配置于N型半导体埋层210与第二N型半导体井层410之间，N型重掺杂层440配置于第二N型半导体井层410与阴极420之间。N型重掺杂层440可增进阴极420与第二N型半导体井层410之间的电性连接。在本实施例中，N型重掺杂层440的N型掺杂浓度大于第二N型半导体井层410的N型掺杂浓度。
在本实施例中，第一P型半导体井层310的P型掺杂浓度是落在1017cm-3至5×1018cm-3的范围内，第一N型半导体井层320的N型掺杂浓度是落在1017cm-3至5×1018cm-3的范围内，且第二P型半导体井层330的P型掺杂浓度是落在1017cm-3至5×1018cm-3的范围内。在本实施例中，P型外延层350的P型掺杂浓度小于第一P型半导体井层310的P型掺杂浓度，且小于第二P型半导体井层330的P型掺杂浓度。此外，在本实施例中，第一P型半导体井层310与第二P型半导体井层330之间的间距是落在1微米至2微米的范围内。
在本实施例中，如图1所示，每一单光子雪崩二极管200的二个阳极340排列于参考直线L1上，且相邻的任二个单光子雪崩二极管200的二个参考直线L1彼此不平行。在本实施例中，相邻的任二个单光子雪崩二极管200的二个参考直线L1彼此垂直。也就是说，相邻的单光子雪崩二极管200的二个阳极340是采用错开设置的方式，而在平行于单光子雪崩二极管阵列100的中心线F1的方向上排列的相邻的单光子雪崩二极管200中连接阳极的阳极线路110长度因而可以相同，能有效避免不同的单光子雪崩二极管200有不同的电阻电容延迟。
在本实施例中，单光子雪崩二极管阵列100，还包括多个阳极线路110，每一阳极线路110具有二个分支线路112，分别连接至一个单光子雪崩二极管200的二个阳极340。
在本实施例中，在以单光子雪崩二极管阵列100的中心线F1为对称轴的任两镜像对称位置上的二个单光子雪崩二极管200(例如单光子雪崩二极管200a与200b)上的阳极线路110的线路走向不同，但线路长度相等。如此可以使单光子雪崩二极管阵列100有较为对称的感测效果。此外，在本实施例中，在平行于单光子雪崩二极管阵列100的中心线F1的方向上排列的相邻二个单光子雪崩二极管200(例如单光子雪崩二极管200c与200d)上的阳极线路110的长度相等。
在本实施例中，N型半导体埋层210的材料例如为掺杂有磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或其组合的硅。第一P型半导体井层310的材料例如为掺杂有硼(B)、铟(In)或其组合的硅。第一N型半导体井层320的材料例如为掺杂有磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或其组合的硅。第二P型半导体井层330的材料例如为掺杂有硼(B)、铟(In)或其组合的硅。阳极340的材料例如为铜(Cu)、钨(W)、铝(Al)或其组合。P型外延层350的材料可为具有P型掺杂的硅，例如为掺杂有硼(B)、铟(In)或其组合的硅。P型重掺杂层360的材料例如为掺杂有硼(B)、铟(In)或其组合的硅。第二N型半导体井层410的材料例如为掺杂有磷(P)、砷(As)或其组合的硅。阴极420的材料例如为铜(Cu)、钨(W)、铝(Al)或其组合。高电压N型半导体井层430的材料例如为掺杂有磷(P)、砷(As)或其组合的硅。N型重掺杂层440的材料例如为掺杂有磷(P)、砷(As)或其组合的硅。阳极线路110的材料例如为铜(Cu)、钨(W)、铝(Al)或其组合。基板220的材料例如为硅(Si)。然而，本发明并不以上述材料为限。
综上所述，在本发明的实施例的单光子雪崩二极管及单光子雪崩二极管阵列中，由于利用N型半导体埋层、第一P型半导体井层、第一N型半导体井层及第二P型半导体井层来形成三个PN接面(p-n junction)，也就是形成三个雪崩区，以增加光电子落于雪崩区的机会，因此能有效抑制时序颤动的问题，并可有效降低光子侦测机率的损失。此外，本发明的实施例的单光子雪崩二极管及单光子雪崩二极管阵列采用两个阳极，可以使第一P型半导体井层的电压准位比较平均。
另外，在本发明的实施例的单光子雪崩二极管阵列中，每一单光子雪崩二极管包括二个阳极且其排列于参考直线上，且相邻的任二个单光子雪崩二极管的二个参考直线彼此不平行。也就是说，相邻的单光子雪崩二极管的二个阳极是采用错开设置的方式，而相邻的单光子雪崩二极管中连接阳极的线路长度因而可以相同，能有效避免不同的单光子雪崩二极管有不同的电阻电容延迟。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (18)
1.一种单光子雪崩二极管，其特征在于，包括：
N型半导体埋层；
主动区，包括：
第一P型半导体井层，配置于所述N型半导体埋层上；
第一N型半导体井层，配置于所述第一P型半导体井层上；
第二P型半导体井层，配置于所述第一N型半导体井层上；
二个阳极，配置于所述第二P型半导体井层上；以及
P型外延层，连接所述第一P型半导体井层及所述第二P型半导体井层；以及
N型堆栈层，配置于所述主动区旁，且配置于所述N型半导体埋层上。
2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一P型半导体井层与所述N型半导体埋层之间形成第一PN接面，所述第一P型半导体井层与所述第一N型半导体井层之间形成第二PN接面，所述第一N型半导体井层与所述第二P型半导体井层之间形成第三PN接面，且所述第一、第二、第三PN接面形成三个雪崩区。
3.根据权利要求2所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述单光子雪崩二极管在所述二个阳极之间的收光区域为曝光区，所述曝光区涵盖所述三个雪崩区。
4.根据权利要求3所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，在平行于所述第二P型半导体井层的方向上，所述曝光区的范围小于所述主动区的范围。
5.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述P型外延层沿着所述第一N型半导体井层的侧边从所述第一P型半导体井层延伸至所述第二P型半导体井层。
6.根据权利要求5所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述P型外延层沿着所述第一N型半导体井层的相对两侧边从所述第一P型半导体井层延伸至所述第二P型半导体井层。
7.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述N型堆栈层环绕所述主动区。
8.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述主动区还包括二个P型重掺杂层，分别连接所述二个阳极与所述第二P型半导体井层。
9.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述N型堆栈层包括：
第二N型半导体井层，配置于所述N型半导体埋层上；以及
阴极，配置于所述第二N型半导体井层上。
10.根据权利要求9所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述N型堆栈层还包括：
高电压N型半导体井层，配置于所述N型半导体埋层与所述第二N型半导体井层之间；以及
N型重掺杂层，配置于所述第二N型半导体井层与所述阴极之间。
11.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一P型半导体井层的P型掺杂浓度是落在1017cm-3至5×1018cm-3的范围内，所述第一N型半导体井层的N型掺杂浓度是落在1017cm-3至5×1018cm-3的范围内，且所述第二P型半导体井层的P型掺杂浓度是落在1017cm-3至5×1018cm-3的范围内。
12.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一P型半导体井层与所述第二P型半导体井层之间的间距是落在1微米至2微米的范围内。
13.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述二个阳极分别配置于所述第二P型半导体井层上的相对两侧。
14.一种单光子雪崩二极管阵列，其特征在于，包括：
多个排成二维阵列的单光子雪崩二极管，每一单光子雪崩二极管包括：
N型半导体埋层；
主动区，包括：
第一P型半导体井层，配置于所述N型半导体埋层上；
第一N型半导体井层，配置于所述第一P型半导体井层上；
第二P型半导体井层，配置于所述第一N型半导体井层上；
二个阳极，配置于所述第二P型半导体井层上的相对两侧；以及
P型外延层，连接所述第一P型半导体井层及所述第二P型半导体井层；以及
N型堆栈层，配置于所述主动区旁，且配置于所述N型半导体埋层上，
其中，每一单光子雪崩二极管的所述二个阳极排列于参考直线上，且相邻的任二个单光子雪崩二极管的二个参考直线彼此不平行。
15.根据权利要求14所述的单光子雪崩二极管阵列，其特征在于，相邻的任二个单光子雪崩二极管的所述二个参考直线彼此垂直。
16.根据权利要求14所述的单光子雪崩二极管阵列，其特征在于，还包括多个阳极线路，每一阳极线路具有二个分支线路，分别连接至一个单光子雪崩二极管的二个阳极。
17.根据权利要求16所述的单光子雪崩二极管阵列，其特征在于，在以所述单光子雪崩二极管阵列的中心线为对称轴的任两镜像对称位置上的二个单光子雪崩二极管上的阳极线路的线路走向不同，但线路长度相等。
18.根据权利要求16所述的单光子雪崩二极管阵列，其特征在于，在平行于所述单光子雪崩二极管阵列的中心线的方向上排列的相邻二个单光子雪崩二极管上的阳极线路的长度相等。
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