CN114284376A

CN114284376A - 一种单光子雪崩二极管检测器

Info

Publication number: CN114284376A
Application number: CN202011039380.1A
Authority: CN
Inventors: 雷述宇
Original assignee: Ningbo Abax Sensing Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Ningbo Abax Sensing Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2040-09-28
Also published as: CN114284376B

Abstract

一种单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，其特征在于，所述SPAD检测器包括：具有体区域的半导体衬底；以及具有所述体区域的半导体衬底；在半导体衬底的主体区域上的至少一个SPAD，该SPAD具有有第一导电类型的第一区域、第二导电类型的第二区域和雪崩区域，所述第二导电类型与所述第一导电类型不同，所述雪崩区域夹在所述第一区域与所述第二区域之间，且该SPAD具有至少两个在纵向上深度不同的雪崩区域。通过该SPAD检测器可以增加PDE减小SPAD响应时间的抖动。

Description

一种单光子雪崩二极管检测器

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，特别涉及一种传感器器件。

背景技术

图像传感器用于各种电子设备中，诸如数码相机、蜂窝电话、复印机、医学成像设备、安全系统以及飞行时间相机。图像传感器通常包括检测或响应入射光的光电探测器阵列。可用于图像传感器的一种光电探测器类型是单光子雪崩二极管SPAD区域。 SPAD区域为光敏区，它被配置为检测低水平的光(最低为单个光子)并且发信号通知光子的到达时间。

雪崩二极管(SPAD)阵列。一个或多个光电探测器可以限定阵列的探测器像素。SPAD阵列可以在可能需要高灵敏度和定时分辨率的成像应用中用作固态光电探测器。SPAD基于半导体结(例如，p-n结)，当例如通过或响应于具有期望脉冲宽度的选通信号而被偏置到其击穿区域之外时，该半导体结可以检测入射光子。高的反向偏置电压会产生足够大小的电场，从而使引入器件耗尽层的单个电荷载流子可以通过碰撞电离引起自持雪崩。可以通过淬火电路主动(例如，通过降低偏置电压)或被动地(例如，通过使用串联电阻两端的压降)对雪崩进行淬火，以使设备“复位”以进一步检测光子。起始电荷载流子可以通过单个入射光子撞击高电场区域而光电产生。正是这一功能使人们产生了“单光子雪崩二极管”的名称。这种单光子检测操作模式通常称为“盖革模式”。

SPAD具有结倍增区域,该结倍增区域被配置为执行由光生少数载流子(例如,光生电子或光生空穴)触发的乘法过程,并用于检测光生少数载流子。结倍增区域可以在半导体衬底的主体区域处, 特别是在半导体衬底的前侧处。SPAD的结倍增区域可以是第一导电类型的掺杂区域,例如高掺杂区域,例如n掺杂区域或p掺杂区域。结倍增区域可以包括第一导电类型的掺杂阱,例如n阱或p 阱。另外,结倍增区域可以包括第一导电类型的深掺杂阱,其被定位成与掺杂阱的背面接触,该掺杂阱的背面朝向半导体衬底的背面。深掺杂的阱可以具有比掺杂的阱更高的掺杂。

SPAD的结倍增区域可以在0.1μm2的范围内具有与半导体基板的正面平行的区域。至10μm2,最好是0.5μm2至5μm2。优选地,平行于半导体衬底的前侧的面积可以是1μm2。所述区域规范仅具有示例性特征。因此,乘法结区小于常规SPAD的结。常规的SPAD的结倍增区面积比较小导致PDE(Photon Detection Efficiency光子检测效率)低，而且常规SPAD的结倍增区域靠近半导体的一侧，入射到半导体的光子到达SPAD的结倍增区域的路程差别较大导致雪崩时间的抖动比较大。这都会降低传感器的精度。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种传感器及制造方法，以解决现有的SPAD器件中PDE效率低以及传感器精度不高的的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

一种单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，包括：所述SPAD检测器包括：具有体区域的半导体衬底；以及具有所述体区域的半导体衬底；

在半导体衬底的主体区域上的至少一个SPAD，该SPAD具有有第一导电类型的第一区域、第二导电类型的第二区域和雪崩区域，所述第二导电类型与所述第一导电类型不同，所述雪崩区域夹在所述第一区域与所述第二区域之间，且该SPAD具有至少两个在纵向上深度不同的雪崩区域。

可选地，所述的至少两个雪崩区域在与纵向方向有夹角的方向上延伸。

可选地，所述的至少两个雪崩区域在与纵向方向夹角为90°的水平方向延伸。

可选地，其中所述半导体衬底为第一导电类型的第一区域，位于所述半导体衬底上方区域为掺杂浓度高于所述半导体衬底掺杂浓度的第二导电类型的第二区域。

可选地，位于所述第二导电类型的第二区域上方为掺杂浓度低于所述第二导电类型的第二区域的第一导电类型的第一区域。

可选地，位于所述第一导电类型的第一区域上方为掺杂浓度高于所述第一导电类型的第一区域的第二导电类型的第二区域。

可选地，所述第一导电类型的第一区域和所述二导电类型的第二区域构成第一雪崩区域。

可选地，所述第一导电类型的第一区域和所述二导电类型的第二区域构成第二雪崩区域。

可选地，所述第二导电类型的第二区域的深度为1～2um。

可选地，所述第一导电类型的第一区域的深度为3～6um。

本申请的有益效果是：

本申请实施例提供的一种单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，该单光子雪崩二极管(SPAD)检测器包括：具有体区域的半导体衬底；以及具有所述体区域的半导体衬底；

在半导体衬底的主体区域上的至少一个SPAD，该SPAD具有有第一导电类型的第一区域、第二导电类型的第二区域和雪崩区域，所述第二导电类型与所述第一导电类型不同，所述雪崩区域夹在所述第一区域与所述第二区域之间，且该SPAD具有至少两个在纵向上深度不同的雪崩区域。通过本申请的单光子雪崩二极管(SPAD)检测器扩大了SPAD传感器的击穿区域的面积，增加了PED，并且减小了雪崩时间的抖动。

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为本申请实施例提供的一种现有技术的传感器示意图；

图2为本申请实施例提供的一种现有技术的SPAD时间响应特性典型测量结果的示意图；

图3为本申请实施例提供的一种SPAD传感器示意图；

图4a～图4d为本申请是实例提供的一种SPAD器件的实现过程；

图5为本申请实施列提供的一种SPAD器件浓度掺杂示意图。

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。

图1为本申请实施例提供的一种现有技术的传感器示意图。如图 1所示，在衬底100中形成深n阱102，并且创建重掺杂的n型和p 型掺杂区域以形成双p+/深n阱/p衬底结。也形成p阱防护环104，并且金属环106位于p+阳极上方而中心间隙近似为7μm上，p+/深 n阱结提供其中出现盖革击穿的倍增区域。

图2为本申请实施例提供的一种现有技术的SPAD时间响应特性典型测量结果的示意图。如图2所示，SPAD的时间响应特性可以分为两部分，左边的正常部分和右边的长尾部分。对于左边的正常部分，是源于光子在SPAD的倍增区域中被吸收发生碰撞电离产生空穴-电子对，引起雪崩倍增，因此其响应时间较快；对于右边长尾部分，是由于光子在倍增区域的下层中性区域中被吸收，产生的少子-电子要先经过扩散，至倍增区域，再得到空间电场加速并发生雪崩倍增，因此其响应时间较长。

图3为本申请实施例提供的一种SPAD传感器示意图。如图 1和图2所示，现有技术中的SPAD器件倍增区域小PDE低，SPAD 的响应时间抖动大，这些都是在实际产品中对SPAD器件的灵敏度有影响的因素，为了改进现有技术中的这些技术缺陷，图3提供了一种新型的SPAD器件。如图3所示在301P-sub上形成N 型埋层302，作为deep N-well；使N型埋层与Pwell 304形成PN 结，作为倍增区2 303。在衬底表面形成N+掺杂层，使其与Pwell 304形成PN结，作为倍增区1。在该实施例中N+的掺杂浓度和 P+的掺杂浓度一样，同时deep N-well302的掺杂浓度和N+，P+ 的掺杂浓度一样，其中304的掺杂浓度小于deep N-well 302和N+，P+的掺杂浓度。在如图3所示的SPAD器件中当有光生载流子在Pwell的中性体区产生时，该载流子可以向倍增区1或者倍增区2 进行扩散漂移，减小了光生载流子漂移的距离，缩短了漂移时间，有效减小器件的抖动。与现有技术相比，两个倍增区能减小载流子在中性体区的漂移时间，减小器件抖动的同时可以增大器件的 PDE。在本实施例中的SAPD器件有两个倍增区但是并不限制为两个倍增区，只是为了说示例明。在图3所示的SPAD器件中N+ 作为阴极，P+作为阳极与现有技术一致，这里就不再赘述。

考虑到工艺实现的可行性SPAD器件310的厚度一般为 6～12um。其中P+306的深度为1～2um，N+305的深度为3～6um， N+309的深度一般为1～2um，deep N-well 302的深度为1～2um。

图4a～图4d为本申请是实例提供的一种SPAD器件的实现过程。首先P-sub上设置如图4a所示的深N+埋层；接着在表面设置N+层，如图4b所示，然后再设置contact N+层如图4c所示，最后设置P-well contact P+层如图4d所示。

图5为本申请实施列提供的一种SPAD器件浓度掺杂示意图。如图5所示P-well掺杂浓度可以和P-sub浓度一样，也可以在第图4a之后进行一次P型梯度掺杂。使得P-well竖直方向的中心位置向上/下2个N+层方向，进行浓度递增的梯度掺杂，如图5所示。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，其特征在于，所述SPAD检测器包括：具有体区域的半导体衬底；以及具有所述体区域的半导体衬底；

2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，其特征在于，所述的至少两个雪崩区域在与纵向方向有夹角的方向上延伸。

3.根据权利要求2所述的单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，其特征在于，所述的至少两个雪崩区域在与纵向方向夹角为90⁰的水平方向延伸。

4.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，其特征在于，其中所述半导体衬底为第一导电类型的第一区域，位于所述半导体衬底上方区域为掺杂浓度高于所述半导体衬底掺杂浓度的第二导电类型的第二区域。

5.根据权利要求4所述的单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，其特征在于，位于所述第二导电类型的第二区域上方为掺杂浓度低于所述第二导电类型的第二区域的第一导电类型的第一区域。

6.根据权利要求5所述的单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，其特征在于，位于所述第一导电类型的第一区域上方为掺杂浓度高于所述第一导电类型的第一区域的第二导电类型的第二区域。

7.根据权利要求6所述的单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，其特征在于，所述第一导电类型的第一区域和所述二导电类型的第二区域构成第一雪崩区域。

8.根据权利要求5所述的单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，其特征在于，所述第一导电类型的第一区域和所述二导电类型的第二区域构成第二雪崩区域。

9.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，其特征在于，所述第二导电类型的第二区域的深度为1～2um。

10.根据权利要求5所述的单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，其特征在于，所述第一导电类型的第一区域的深度为3～6um。