CN116964746A - 具有近红外（nir）光子检测效率改善的单光子雪崩二极管（spad）的装置 - Google Patents

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Abstract

根据本教导的一种检测器阵列(200)(200)，包括：基板(101)(101)，其适于用作光波导(210)(210)的芯层；沿基板(101)的宽度设置的多个单光子雪崩光电二极管(SPAD(100)(201))；沿宽度设置在多个SPAD(201)上的第一包覆层(202)(202)；以及沿宽度设置在基板上方的第二包覆层(206)(206)。

Description

具有近红外(NIR)光子检测效率改善的单光子雪崩二极管 (SPAD)的装置
背景技术
随着目前正为高级驾驶员辅助系统(ADAS)开发的光探测和测距(LiDAR)系统的出现，需要一种适于在被用于这些系统的优选波长范围内使用的可靠的检测器。
由于这些系统的开放性，必须选择来自激光源的输出功率和光的波长，以避免对周围环境中的生物的伤害。因此，在许多目前的实施方式中，用于LiDAR光源的波长选择通常落在在近红外(NIR)或红外范围内，且功率向光谱的红外端增加，以防止对眼睛的伤害。
为在正在开发的ADAS系统中使用选择合适的检测器带来挑战。单光子雪崩二极管(SPAD)是可行的候选。SPAD可以用硅实施，而且虽然红外检测器因为硅的带隙为1.1eV而无法用硅实现，但NIR(800nm-1000nm)可由硅基SPAD覆盖。
遗憾的是，许多已知的硅基SPAD对于LiDAR检测并不可用。NIR硅检测器的主要问题在于吸收深度。光子在硅中的吸收深度取决于波长，并且当光子能量接近带隙时，吸收深度会大大增加。吸收深度的增加在应用中是有问题的。具体来说，为了在NIR中以较高的检测效率检测单个光子，SPAD结必须有相当大的宽度(数10μm)。这继而又会导致数100V的高击穿电压，并且由于载流子产生位置的不确定性(每1μm约10ps)，还会对定时抖动(timingjitter)造成限制。
一类SPAD是开路结SPAD。在LiDAR系统中，开路结SPAD并不是期望的，这不仅是因为其由于上文提到的漂移分量而在定时分辨率中具有较高范围，而且还因为其会表现出“扩散尾迹”，这是由于载流子在二极管/基板的无场区域中产生，并通过随机行走过程朝向结传播。
另一类SPAD被称为封闭式SPAD。浅结SPAD具有封闭的、完全耗尽的浅结，其显示出更好的时间分辨率并大大减少扩散尾迹。然而，由于其硅体积有限，浅结SPAD在光谱的近红外范围内具有较低的光子检测效率。
因此，所需要的是一种能够克服上述装置的缺点的用于检测LiDAR信号的装置。
发明内容
如本文所述，各种实施例总体上涉及在检测NIR辐射中使用的光电检测器和光电检测器阵列。根据代表性实施例，光电检测器具有集成波导，其促进对辐射的有效检测。虽然本教导的光电检测器和光电检测器阵列的一种应用被设想到在LiDAR系统中使用，但这种应用仅仅是例示说明性的，本教导可具有在期望改善SPAD器件的效率的其他领域中的应用。
总体上，根据本教导的一种检测器阵列包括:适于作为光波导的芯层的基板；沿基板的宽度设置的多个单光子雪崩光电二极管(SPAD)；沿宽度设置在多个SPAD上的第一包覆层；以及沿宽度设置在基板上方的第二包覆层。
在一定的代表性实施例中，基板提供波导的第二包覆层。
根据代表性实施例，多个SPAD包括沿检测器阵列的辐射入射的一侧设置的第一SPAD和设置在相反侧的最后一个SPAD，其中第一SPAD具有第一宽度，最后一个SPAD具有最后宽度，且第一宽度小于最后宽度。
根据代表性实施例，多个SPAD进一步包括设置在第一SPAD和最后一个SPAD之间的中间SPAD，其中中间SPAD具有大于第一宽度且小于最后宽度的中间宽度。
根据代表性实施例，SPAD中的每个包括结区，该结区具有在约10μm至约100μm的范围内的宽度和在约1μm至约10μm的范围内的厚度。
根据代表性实施例，基板包括硅。
根据代表性实施例，基板包括绝缘体上硅(SOI)。
根据代表性实施例，检测器阵列进一步包括邻近光源并适于接收来自光源的光的近端，其中输入波导设置在近端，并且设置在光源和第一SPAD之间。
根据代表性实施例，检测器阵列进一步包括位于检测器阵列与近端相反的一端的相反端，其中在检测器阵列的相反端设置有端层，该端层包括折射率小于芯层的折射率的材料。
总体上，一种光电检测器包括：适于作为光波导的芯层的基板；沿基板的宽度设置的单光子雪崩光电二极管(SPAD)；沿宽度设置在单个SPAD上的第一包覆层；以及沿宽度设置在基板下方的第二包覆层，其中光波导包括基板、第一包覆层和第二包覆层。
根据代表性实施例，光电检测器的基板包括硅。
根据代表性实施例，基板包括绝缘体上硅(SOI)。
根据代表性实施例，SPAD包括结区，该结区具有在约10μm至约100μm的范围内的宽度和在约1μm至约10μm的范围内的厚度。
根据代表性实施例，光电检测器进一步包括邻近光源并适于接收来自光源的光的近端，其中输入波导设置在近端，并且设置在光源和SPAD之间。
根据代表性实施例，光电检测器进一步包括与近端相反的相反端，其中在检测器阵列的相反端设置有端层，该端层包括折射率小于芯层的折射率的材料。
附图说明
在结合附图阅读时，可以从下文的具体实施方式部分中更好地理解示例性实施例。需要强调的是，各种特征不必按比例绘制。事实上，为了讨论的清晰，尺寸可被任意增减。在适用和实用的情况下，相同的附图标记指代相似的元件。
图1示出了根据代表性实施例的设想到使用的SPAD的横截面图。
图2A示出了根据代表性实施例的检测器阵列的横截面图。
图2B示出了图2A的检测器阵列的透视图。
图3A示出了根据代表性实施例的检测器阵列的横截面图。
图3B示出了图3A的检测器阵列的透视图。
图4A示出了根据代表性实施例的光电检测器的横截面图。
图4B示出了图4A的光电检测器的透视图。
图4C示出了根据代表性实施例的光电检测器的透视图。
具体实施方式
在以下详细描述中，出于解释而非限制的目的，列出了公开具体细节的代表性实施例，以便提供对根据本教导的实施例的透彻理解。对已知系统、装置、材料、操作方法和制造方法的描述可被省略，以避免使对代表性实施例的描述费解。然而，本领域普通技术人员所掌握的系统、装置、材料和方法均属于本教导的范围，且可根据代表性实施例使用。应当理解的是，本文所使用的术语仅用于描述特定的实施例的目的，并不旨在限制。所限定的术语是对本发明技术领域通常理解和接受的限定的术语的技术和科学含义的补充。
可以理解的是，尽管本文中可能使用了术语第一、第二、第三等来描述各种元件或部件，但这些元件或部件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件或部件与另一个元件或部件。因此，在不脱离本发明构思的教导的情况下，下文讨论的第一元件或部件可被称为第二元件或部件。
本文使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并不旨在限制。在说明书和所附权利要求书中所使用的术语“一”、“一个”和“该”的单数形式旨在包括单数和复数形式，除非上下文另有明确规定(如下文中光电检测器包括单个SPAD)。此外，术语“包括”和/或“包含”和/或类似术语在本说明书中使用时，说明存在所述特征、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、元件、部件和/或由其组成的组。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。
除非另有说明，当一个元件或部件被称为与另一个元件或部件“联接”或“相邻”时，可以理解为该元件或部件可直接连接或联接到另一个元件或部件，或者可存在中间元件或部件。也就是说，这些术语和类似术语包含了可以使用一个或多个中间元件或部件来连接两个元件或部件的情况。然而，当一个元件或部件被称为与另一个元件或部件“直接连接”时，这只包括两个元件或部件相互连接而没有任何中间或介入元件或部件的情况。
出于解释而非限制的目的，列出了公开具体细节的各种代表性实施例，以提供对本教导的透彻理解。可以利用其他实施例，且其他实施例可由本公开内容衍生出，使得可以在不脱离本附图范围的情况下进行结构和逻辑上的替换和更改。此外，如上文所提到的，本附图仅是示意性的，并且可能未按比例绘制。示图中的一定比例可能被夸大，而其他比例可能被缩小。因此，本公开内容和图示应被视为例示说明性而非限制性的。
图1示出了根据代表性实施例的设想到使用的SPAD 100的横截面图。SPAD 100包括基板101。作为例示说明，SPAD 100与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺和材料兼容。有关SPAD 100、其材料和制造的更多详细信息，可参见例如发明人为Thomas Frach的共同拥有的美国专利US 9,087,755。值得注意的是，如下文更充分描述的，SPAD 100可设置在绝缘体上硅(SOI)基板上(图1中未示出)。有关在SOI基板上形成的SPAD、其材料和制造的更多详细信息，可参见例如Agarwal等人的共同拥有的美国专利US7,714,292。在基板101中形成了深n型掺杂阱102，并且在该深n型掺杂阱102上形成高场(HF)植入物。该植入物限定/形成了具有高电场的区域，当自由载流子在该区域/体积中产生时，该区域就会产生雪崩。通过在器件的周边和高电场区域之间保持一些距离，可以暗含地形成保护环。这就是所谓的“虚拟保护环”，但是也可在保护环区域中使用附加的植入物，以使其更加鲁棒(即进一步减弱场或消除STI界面处的场尖峰，否则这会导致保护环的失效并造成器件的边缘击穿)。由此形成雪崩区104。在HF植入物103上设置阳极105，并完成二极管结构。
保护环106设置在HF植入物103周围，并为SPAD 100的有源区提供电气隔离。
电触点107提供阳极触点，电触点108提供与SPAD 100的阴极的连接。如图所示，提供了浅沟槽隔离110，而互连件112完成了该结构，并实现了与晶圆上的其他部件(未示出)的电气连接。
图2A示出了根据代表性实施例的检测器阵列200的横截面图。上文结合图1描述的SPAD 100的各种方面和细节是与目前描述的代表性实施例的检测器阵列200共有的。这些共有的方面和细节可不再重复，以避免使对代表性实施例的描述费解。
检测器阵列200包括横跨其宽度的多个SPAD 201。作为例示说明，SPAD 201中的每个包括与SPAD 100相同的结构。
第一包覆层202沿宽度设置在多个SPAD 201上，且第二包覆层206沿宽度设置在基板204上。通过为第一包覆层202和第二包覆层206选择折射率小于芯层的折射率的材料来提供波导。值得注意的是，第一包覆层202和第二包覆层206之间的区域203通常是硅，其在一定区域内被掺杂以提供SPAD 201的各种部件。相比之下，第一包覆层202和第二包覆层206各自包括氧化硅或其他合适的材料，以在区域203与第一包覆层202和第二包覆层206的界面处提供折射率的阶跃。因此，在一定的代表性实施例中，区域203提供了检测器阵列的波导的第一包覆层202和第二包覆层206之间的芯层。值得注意的是，根据代表性实施例，基板204采用已知的背面加工技术(研磨、化学机械抛光(CMP)等)减薄至所期望的厚度。接下来，在背面加工期间，用于提供第二包覆层206的二氧化硅层沉积在基板204上(因此位于基板204下方)，来提供折射率的差异阶跃，用于在它们的界面处进行反射。替代性地，基板204可以是SOI基板，其提供了与被用于SPAD制造的硅层相邻的氧化层。这样，氧化层被嵌入并被保护，因此从实际角度来看，SOI基板有利于检测器阵列200的加工。
检测器阵列200还包括位于检测器阵列200的远端的端层208和位于近端的输入波导210。输入波导210有助于减少由反射造成的损耗。波导结构210包括嵌入第一包覆层202的氮化硅层211。值得注意的是，可以在波导结构210和检测器阵列200的硅的界面213处提供抗反射涂层，或通过其几何形状(例如，见图4C及其下文描述)，或两者的结合。该方法还取决于波导的尺寸和传播模式。单模波导的阻抗匹配与本教导的多模波导相比会有所不同。
通常，来自光源214(例如LiDAR检测器的NIR光源)的光子通过外部光学器件(未示出)耦合进来，并通过(嵌入SiO2中的)低损耗、高质量的氮化硅(SiN)输入波导210传输到SPAD 201。由于SiN的折射率为2.0，而Si的折射率约为3.7，因此在SiN-Si界面处会有损耗。为了最大化灵敏度，在这两个波导之间应该有某种抗反射(或匹配)结构。这样做的方式取决于波导的类型(单模/多模)以及与CMOS工艺的兼容性。根据代表性实施例的这样的结构在图4C中示出并结合图4C来描述。
相比之下，端层208(作为例示说明，其由与第一包覆层202和第二包覆层206相同的材料(例如二氧化硅)制成)在区域203和端层208的界面处提供了折射率的阶跃变化。因此，入射到端层208上的部分光子212会被朝向输入波导210反射回。这改善了原本会丢失的光子入射到SPAD 201中的一个的有源区并被吸收的概率。当检测器阵列相对较短时(所示坐标系中的x方向)，或SPAD 201较短时，或两者都较短时，情况尤其如此。因此，通过提供端层208，检测器阵列200的光子检测效率得到了改善。
最后，如果检测器阵列200足够长(所示坐标系中的x方向)(200-300μm)，则在检测器阵列200的端部的硅可与承载读出电子元件的基板无缝合并。对于较短的检测器阵列200(小于吸收长度)，SPAD的端部的反射器可在一定程度上有助于提高灵敏度，但这对于功能而言并不是必要的。
图2B示出了图2A中的检测器阵列的透视图。分别在图1和图2A中的SPAD 100和检测器阵列200的各种方面和细节是与目前描述的代表性实施例中的检测器阵列200共有的。这些共有的方面和细节可不再重复，以避免使对代表性实施例的描述费解。
检测器阵列200包括横跨其宽度(图2B坐标系中的x方向)的多个SPAD 201。第一包覆层202沿宽度(图2B坐标系中的x方向)设置在多个SPAD 201上，且第二包覆层206沿宽度设置在基板204上方。通过为第一包覆层202和第二包覆层206选择折射率小于芯层的折射率的材料来提供波导。值得注意的是，第一包覆层202和第二包覆层206之间的区域203通常是硅，其在一定区域内被掺杂以提供SPAD 201的各种部件。相比之下，第一包覆层202和第二包覆层206各自包括氧化硅或其他合适的材料，以在区域203与第一包覆层202和第二包覆层206的界面处提供折射率的阶跃。因此，在一定的代表性实施例中，区域203提供了检测器阵列的波导的第一包覆层202和第二包覆层206之间的芯层。值得注意的是，根据代表性实施例，基板204采用已知的背面加工技术(研磨、化学机械抛光(CMP)等)减薄至所期望的厚度。。
如上文所述，在基板101中形成深n型掺杂阱102，并在深n型掺杂阱102上形成高场(HF)植入物103。由此形成雪崩区。相应的SPAD的阳极105设置在HF植入物103上，从而完成了二极管结构。最后，SPAD 201的独立电气功能是通过包括保护环106来促进的，该保护环设置在HF植入物103周围且为SPAD 201的有源区提供电气隔离。如下文更全面地所述，保护环对检测器阵列200的整体检测效率具有影响。然而，从光学上看，保护环106与SPAD 201的雪崩区104之间没有差异。但是，也存在顶部硅表面(朝向阳极105和阴极触点109的表面，即晶圆的顶表面，不是STI)，其具有被浅沟槽隔离部(STI)隔开的有源岛(雪崩区104)。这些不同的特征致使检测器阵列200的上部分在光学上变得粗糙，从而导致一些光子散射，这造成附加的损耗。这种损耗的程度取决于各种因素，如SPAD 201(以及保护环106)的数量和STI的宽度/深度。
在制造中，检测器阵列200是通过提供基板204形成的，如上所述，作为例示说明，基板204是SOI基板。在形成硅贴片后，对贴片进行选择性图案化，并沉积高质量氮化硅保形层(未示出)。接下来，进行化学机械抛光(CMP)步骤，以使其上形成检测器阵列200的表面平面化。完成蚀刻步骤，以形成波导的下部分。沉积二氧化硅层，以形成检测器阵列200周围的侧部包覆层(见图2B)。完成第二CMP序列，以使用于单独的SPAD 201的CMOS制造的表面平面化。提供SiO2的顶部包覆层，并且作为例示说明，该顶部包覆层为CMOS互连件的第一层间电介质。
替代性地，如果使用硅基板作为SOI的替代，则必须通过背面处理(研磨、CMP、蚀刻)将硅基板减薄至约1μm至约10μm的范围内的合适厚度。然后在背面沉积用于形成检测器阵列200的第二包覆层206的氧化物层，以提供折射率的阶跃。值得注意的是，可以沉积氮化硅层来保护和钝化检测器阵列200。这些步骤是在完成检测器阵列200的正面处理并将晶圆粘合到处理晶圆(handler wafer)上之后进行的。可以看出，由于SOI具有已嵌入并受到保护的氧化层，因此使用SOI制作检测器阵列200是有益的。
根据代表性实施例，多个SPAD 201具有基本相同的尺寸。如上所述，在操作中，NIR光子侧向(图2A、图2B的坐标系中的x维)传播通过SPAD 201中的每个的浅(图2A、图2B的坐标系中的y维)结。然而，由于光的侧向传播，结的宽度(x维)可在侧向方向上比进入基板204内更容易延伸数10μm以上。
在操作中，光子被从第一包覆层202和第二包覆层206反射并沿所示坐标系的x方向传播。只要光子在硅中传播，就会被吸收并产生电子-空穴(e-h)对。所形成的SPAD将是窄且长的(例如，10X100μm)。众所周知，高纵横比的SPAD会增加定时抖动，这是由于雪崩在结上扩散的速度是有限的。但是，通过在两个窄边感测SPAD并测量击穿信号到达时间的差异，以精确到微米量级的精度找到击穿的初始点是可行的。根据一定的代表性实施例，长吸收区域被划分为独立的SPAD 201(即独立的区段)，它们可以独立击穿并检测吸收区域的不同部分的光子。根据代表性实施例提供尺寸相对较小的SPAD 201有益地减少了由于整个结的基本瞬时击穿而产生的定时抖动，从而改善了包含图2A至图2B的检测器阵列200以及下文所述的其他代表性实施例的检测器阵列的LiDAR系统的时间分辨率并增加了空间分辨率。
此外，由于相对较低的光电发射，在检测器阵列200的SPAD 201中的一个中的击穿具有较低的触发在同一通道运行的其他SPAD 201的击穿的概率。具体来说，光电发射发生在雪崩期间，并且每100k个通过结的载流子产生约三个光子。产生的载流子的数量(SPAD的增益)等于SPAD的电容(包括任何寄生分量)乘以过电压(击穿电压以上的电压)。SPAD的电容与器件的面积成正比，与结的宽度成反比。因此，具有越小面积的SPAD电容具有成比例地越小的电容，其光电发射越低，且光串扰的概率也降低。LiDAR系统通常使用检测器阵列，每个检测器朝向场景的不同部分，以提高系统的帧频。现有的LiDAR系统具有数十到数百个检测器，并同时以成比例的更高的帧频从多个方向扫描场景。因此，检测器阵列200中的其他SPAD 201仍可用于光子检测。换一种说法，通过“分割”相对较大的单个SPAD，检测器阵列200的独立的SPAD 201独立运行，从而实现并行。这些独立的SPAD 201还具有相对较快的恢复时间。因此，通过在检测器阵列200中对光子212的引导，以及端层208对未被吸收的光子的反射，更大量的光子可用于吸收，而且由于检测器阵列200的相对较小的浅结SPAD 201提供了减少的死区时间，与其他已知的检测器相比，光子吸收的概率得到了改善。此外，由于在时间上彼此接近的光子212具有在检测器阵列200的不同SPAD 201中产生击穿的更大可能性，因此通过硅的吸收特性在空间上将其分开。这将通过减少包括检测器阵列200的LiDAR装置的死区时间来改善光子检测效率。最后，由于SPAD 201中的每个之间的死区段(如保护环106)造成的灵敏度损失相对较小，并且可通过略微增加SPAD的过电压来补偿。具体来说，在该区域吸收的任何光子都会产生电子-空穴载流子，这些载流子会被保护环106中的电场扫除，而不产生雪崩。因此，隔离相邻的SPAD 201所需的保护环将导致检测器阵列200的不敏感体积的增大。与其他类型的光电二极管比较，这是不同的，在其他类型的光电二极管中，光电二极管内部产生的所有电荷基本上都对输出信号作出贡献。在SPAD中，输出信号由因为SPAD的通过保护环的泄漏造成的相对较小的电流(包括保护环106中的任何光生电流)叠加在SPAD的雪崩区中检测到单光子时的大得多的雪崩电流脉冲组成。
值得注意的是，根据下文描述的其他代表性实施例，通过本教导的各个方面实现了光子检测效率的进一步改善。
图3A示出了根据代表性实施例的检测器阵列300的横截面视图。上文结合图1和图2A至图2B描述的SPAD 100和检测器阵列200的各种方面和细节是与当前所述的代表性实施例的检测器阵列300共有的。这些共有的方面和细节可不再重复，以避免使对代表性实施例的描述费解。
检测器阵列300包括横跨其宽度(所示坐标系中的x维)的多个SPAD 301、301'、301"。作为例示说明，SPAD 301、301'、301"中的每个都包括与SPAD 100相同的结构。不过，由于下文将更充分描述的原因，SPAD 301具有第一宽度(x维)，SPAD 301'具有大于第一宽度的第二宽度，SPAD 301"具有大于第二宽度的宽度。值得注意的是，SPAD 301、301'、301"的宽度取决于与波长相关的吸收长度。然而，还存在一些附加的限制，如定时退化、暗计数噪声以及电子/电气连接的可用空间。根据代表性实施例，SPAD 301、301'、301"的宽度依次呈指数增大，呈指数增大的宽度与检测器阵列300的宽度上光子的指数下降成反比。值得注意的是，SPAD 301、301'、301"具有相同的厚度(所示坐标系中的y维)，原因与上述SPAD 201的厚度基本相同。
第一包覆层302沿宽度设置在多个SPAD 301、301'、301"上，且第二包覆层306沿宽度设置在基板304上方。通过为第一包覆层302和第二包覆层306选择折射率小于芯层的折射率的材料来提供波导。值得注意的是，第一包覆层302和第二包覆层306之间的区域303通常为硅，其在一定区域内被掺杂以提供SPAD 301、301'、301"的各种部件。相比之下，第一包覆层302和第二包覆层306分别包括氧化硅或其他合适的材料，以便在区域303与第一包覆层302和第二包覆层306的界面处提供折射率的阶跃。因此，在一定的代表性实施例中，区域303提供了检测器阵列的波导的第一包覆层302和第二包覆层306之间的芯层。值得注意的是，根据代表性实施例，基板304采用已知的背面加工技术(研磨、化学机械抛光(CMP)等)减薄至所期望的厚度。接下来，在背面加工期间，二氧化硅层被沉积在基板304上(因此位于基板304的下方)，以提供第二包覆层306，来提供折射率的差异阶跃，用于在它们的界面处进行反射。替代性地，基板304可以是SOI基板，其提供与被用于SPAD制造的硅层相邻的氧化层。这样，氧化层被嵌入并受到保护，因此从实用角度来看，SOI基板有利于检测器阵列300的加工。值得注意的是，在背面加工期间，例如可沉积氮化硅以用于钝化或作为离子屏障。
检测器阵列300进一步包括位于检测器阵列300的远端的端层308和位于近端以提供从SiN波导到检测器阵列300的(硅的)低损耗过渡的输入波导310。
如下文所述，在运行中，输入波导310促进接收来自光源314(例如LiDAR检测器的NIR光源)的光子312，以引导其通过由芯(由其制成SPAD 301、301'、301"的硅层)与第一包覆层302和第二包覆层306构成的波导。
相比之下，作为例示说明，端层308由与第一包覆层302和第二包覆层306相同的材料(例如二氧化硅)制成，在区域303和端层308的界面处提供了折射率的阶跃变化。因此，入射到端层308上的残余光子312中的一些被朝向输入波导310反射回，尤其是当SPAD 301、301'和301"的宽度相对较短时(图3的坐标轴中的x方向)。作为例示说明，900nm的波长下的吸收长度约为60μm。在穿过检测器阵列300的波导这段距离后，光子的数量下降到约1/3。因此，将检测器阵列(以及单个SPAD 301、301'、301")的宽度增加约200μm至约300μm，将导致吸收大部分入射到检测器阵列300的光子。这改善了原本会丢失的光子入射到SPAD 301、301'、301"中的一个的有源区并被吸收的概率。因此，通过提供端层308，可改善检测器阵列300的光子检测效率。
图3B示出了图3A的检测器阵列的透视图。图1的SPAD 100和图2A至图3B的检测器阵列200、300的各种方面和细节是与目前描述的代表性实施例的检测器阵列300共有的。这些共有的方面和细节可不再重复，以避免使对代表性实施例的描述费解。
检测器阵列300包括横跨其宽度(图3B的坐标系中的x方向)的多个SPAD 301、301'、301"。第一包覆层302沿宽度(图3B的坐标系中的x方向)设置在多个SPAD 301、301'、301"上，且第二包覆层306沿宽度设置在基板304上方。通过为第一包覆层302和第二包覆层306选择折射率小于芯层的折射率的材料来提供波导。值得注意的是，第一包覆层302和第二包覆层306之间的区域303通常为硅，其在一定区域内被掺杂以提供SPAD 301、301'、301"的各种部件。相比之下，第一包覆层302和第二包覆层306分别包括氧化硅或其他合适的材料，以在区域303与第一包覆层302和第二包覆层306的界面处提供折射率的阶跃。因此，在一定的代表性实施例中，区域303提供了检测器阵列的波导的第一包覆层302和第二包覆层306之间的芯层。值得注意的是，根据代表性实施例，基板304采用已知的背面加工技术(研磨、化学机械抛光(CMP)等)减薄至所期望的厚度。
如上所述，在基板101中形成深n型掺杂阱102，并在深n型掺杂阱102上形成氢氟(HF)植入物103。由此形成雪崩区。相应的SPAD的阳极105设置在HF植入物103上，从而完成了二极管结构。最后，SPAD 301、301'、301"的独立电气功能是通过包括保护环106来促进的，该保护环设置在HF植入物103周围并为SPAD 100的有源区提供电气隔离。如上所述，从光学上看，保护环106与SPAD 301的雪崩区104之间没有差异。然而，也存在检测器阵列的顶表面(硅表面)，其具有通过浅沟隔离部(STI)隔开的有源岛(雪崩区104)。这些不同的特征致使检测器阵列300的上部分在光学上变得粗糙，从而导致一些光子散射，这造成附加的损耗。这种损耗的程度取决于各种因素，如SPAD 301(以及保护环106)的数量和STI的宽度/深度。
由于光子吸收平行于检测器阵列200的顶表面，因此产生的SPAD将是窄的(例如10μm厚)和长的--通常是吸收长度的五到六倍。因此，对于905nm检测器阵列，吸收长度约为60μm，则长度将约为300μm。众所周知，高纵横比的SPAD会增加定时抖动，这是由于雪崩在结上扩散的速度是有限的。然而，通过在两个窄边感测SPAD并测量击穿信号到达时间的差异，以精确到微米量级的精度找到击穿的初始点是可行的。根据一定的代表性的实施例，长吸收区域被划分为独立的SPAD 301(即独立的区段)，它们可以独立击穿并检测吸收区域的不同部分中的光子。根据代表性实施例提供尺寸相对较小的SPAD 301、301'、301"有益地减少了由于整个结的基本瞬时击穿而产生的定时抖动，从而改善了包含图3A至图3B的检测器阵列300以及下文所述的其他代表性实施例的检测器阵列的LiDAR系统的时间分辨率并增加了空间分辨率。这些独立的SPAD 301还具有相对较快的恢复时间。因此，通过在检测器阵列300中对光子312的引导，以及端层308对未被吸收的光子的反射，更大量的光子可用于吸收，而且由于检测器阵列300中的相对较小的浅结SPAD 301提供了减少的死区时间，与其他已知的检测器相比，光子吸收的概率得到了改善。此外，由于在时间上彼此接近的光子312具有在检测器阵列300的不同SPAD 301中产生击穿的更大可能性，因此通过硅的吸收特性在空间上将其分开。这将通过减少包括检测器阵列300的LiDAR装置的死区时间来改善光子检测效率。最后，由于SPAD 301中的每个之间的死区段(如保护环106)造成的灵敏度损失相对较小，并且可通过略微增加SPAD的过电压来补偿。
如上文所提到的，光子的指数吸收定律可作为选择SPAD 301、301'、301"的宽度的众多标准之一。另一个需要考虑的因素是由于SPAD(例如SPAD 301'与SPAD 301”)的长度较大而导致雪崩扩散引起的时间抖动，或较大SPAD区段的暗计数噪声，或数字电子器件的可用空间。因此，例如，对于相对较短的SPAD 301和301'，可使用指数吸收定律来确定其宽度，而SPAD 301"(或宽度大于SPAD 301"的附加的SPAD(未示出))的宽度则可不基于指数吸收定律，而是可以加以限制，以限制定时抖动。最后，如上所述，SPAD 301、301'、301"的宽度如所示增加。光子312从左侧进入该装置，在检测器阵列的波导的引导下(从左到右)侧向地沿着SPAD 301、301'、301"中的每个的长度被吸收。可以看出，从输入波导310到端层308，光子强度在波导中逐渐减小。由于光子在SPAD 301、301'、301"上的指数吸收，SPAD 301吸收的光子多于SPAD 301'，而SPAD 301"吸收的光子少于SPAD 301'。根据代表性实施例，有选择地增加SPAD 301、301'、301"中的每个的宽度(图3A、图3B的坐标系中的x维)，使入射到每个SPAD 301、301'、301"上的光子的数量大致相同。这将导致SPAD 301、301'、301"中的每个的利用率大致相等(假设每个SPAD 301、301'、301"都有自己的淬灭和充电电子器件、时间数字转换器(TDC)、计数器等)。
图4A示出了根据代表性实施例的光电检测器400的横截面图。图1的SPAD 100和图2A至图3B的检测器阵列200、300的各种方面和细节是与目前描述的代表性实施例的光电检测器400共有的。这些共有的方面和细节可不再重复，以避免使对代表性实施例的描述费解。
光电检测器400包括单个SPAD 401。作为例示说明，单个SPAD 401包括与SPAD 100相同的结构。
第一包覆层402沿宽度设置在单个SPAD 401上，且第二包覆层406沿宽度设置在基板404上方。通过为第一包覆层402和第二包覆层406选择折射率小于芯层的折射率的材料来提供波导。值得注意的是，第一包覆层402和第二包覆层406之间的区域403通常为硅，其在一定区域内被掺杂以提供单个SPAD 401的各种部件。相比之下，第一包覆层402和第二包覆层406分别包括氧化硅或其他合适的材料，以便在区域403与第一包覆层402和第二包覆层406的界面处提供折射率的阶跃。因此，在一定的代表性实施例中，区域403提供了检测器阵列的波导的第一包覆层402和第二包覆层406之间的芯层。值得注意的是，根据代表性实施例，基板404采用已知的背面加工技术(研磨、化学机械抛光(CMP)等)减薄至所期望的厚度。接下来，在背面加工期间，二氧化硅层被沉积在基板404上(因此位于基板404的下方)，以提供第二包覆层406，来提供折射率的差异阶跃，用于在它们的界面处进行反射。替代性地，基板404可以是SOI基板，其提供与被用于SPAD制造的硅层相邻的氧化层。这样，氧化层被嵌入并受到保护，因此从实用角度来看，SOI基板有利于检测器阵列400的加工。
光电检测器400进一步包括位于光电检测器400远端的端层408和位于近端的输入波导410，输入波导410和光电检测器400的硅之间设置有抗反射涂层413。
如下文所述，在运行中，输入波导410促进接收来自光源414(例如LiDAR检测器的NIR光源)的光子412，以引导其通过由芯(由其制成单个SPAD 401的硅层)与第一包覆层402和第二包覆层406组成的波导。
相比之下，端层408(作为例示说明，其由与第一包覆层402和第二包覆层406相同的材料(例如二氧化硅)制成)在区域403和端层408的界面处提供折射率的阶跃变化。因此，入射到端层408上的光子412会被朝向输入波导410反射回。这改善了原本会丢失的光子入射到单个SPAD 401中的一个的有源区并被吸收的概率。因此，通过提供端层408，可提高光电检测器400的光子检测效率。
图4B示出了图4A中的检测器阵列的透视图。图1至图3B中的SPAD 100和检测器阵列200、300以及图4A的光电检测器40的各种方面和细节是与目前描述的代表性实施例的光电检测器400共有的。这些共有的方面和细节可不再重复，以避免使对代表性实施例的描述费解。
光电检测器400包括横跨其宽度(图4B坐标系中的x方向)的单个SPAD 401。第一包覆层402沿宽度(图4B坐标系中的x方向)设置在单个SPAD 401上，且第二包覆层406沿宽度设置在基板404上方。通过为第一包覆层402和第二包覆层406选择折射率小于芯层的折射率的材料来提供波导。值得注意的是，第一包覆层402和第二包覆层406之间的区域403通常为硅，其在一定区域内被掺杂以提供单个SPAD 401的各种部件。相比之下，第一包覆层402和第二包覆层406分别包括氧化硅或其他合适的材料，以在区域403与第一包覆层402和第二包覆层406的界面处提供折射率的阶跃。因此，在一定的代表性实施例中，区域403提供了检测器阵列的波导的第一包覆层402和第二包覆层406之间的芯层。值得注意的是，根据代表性实施例，基板404采用已知的背面加工技术(研磨、化学机械抛光(CMP)等)减薄至所期望的厚度
如上所述，在基板101中形成深n型掺杂阱102，并在深n型掺杂阱102上形成高场(HF)植入物103。由此形成雪崩区。相应的SPAD的阳极105设置在HF植入物103上，从而完成二极管结构。最后，单个SPAD 401的独立电气功能是通过包括保护环106来促进的，该保护环设置在HF植入物103周围并为单个SPAD 401的有源区提供电气隔离。如下面更充分描述的，保护环106对光电检测器400的整体检测效率具有影响。然而，从光学上看，保护环106与单个SPAD 401的雪崩区104之间没有差异。然而，也存在检测器阵列的顶部硅表面(位于第一包覆层402下方)，其具有通过浅沟隔离部(STI)隔开的有源岛(雪崩区104)。这些不同的特征致使检测器阵列400的上部分在光学上变得粗糙，从而导致一些光子散射，这造成附加的损耗。这种损耗的程度取决于各种因素，如单个SPAD 401(以及保护环106)的数量和STI的宽度/深度。
与结合图2A至图3B描述的SPAD相比，单个SPAD 401提供了最高的“填充因子”。因此，与光电检测器400的总体积相比，单个SPAD 401具有最大的灵敏体积。然而，由于雪崩开始位置的不确定性以及雪崩在光电检测器400上的相关扩散，单个SPAD 401具有显著的时间抖动。具体来说，比较小的尤其是圆形的SPAD击穿更快，而且击穿对原始位置的依赖性也更小。当与结合图2A至图3B的代表性实施例中描述的SPAD相比时，单个SPAD 401还具有更高的暗计数率，因此死区时间也更长。与结合图2A至图3B的代表性实施例描述的SPAD相比，单个SPAD 401还由于较高的器件电容而具有相对较慢的充电时间。这种相对较高的固有电容也会导致更高的对邻近的光学串扰。单个SPAD 401的后脉冲概率也更大，并且单个SPAD401具有有限的过电压范围，从而限制了PDE。
图4C示出了根据代表性实施例的光电检测器的透视图。图1的SPAD 100以及图2A至图4B的检测器阵列200、300和光电检测器400的各种方面和细节是与目前描述的代表性实施例的光电检测器400共有的。这些共有的方面和细节可不再重复，以避免使对代表性实施例的描述费解。
光电检测器400包括横跨其宽度(图4B的坐标系中的x方向)的单个SPAD 401。第一包覆层402沿宽度(图4B的坐标系中的x方向)设置在单个SPAD 401上，且第二包覆层406沿宽度设置在基板404上方。通过为第一包覆层402和第二包覆层406选择折射率小于芯层的折射率的材料来提供波导。值得注意的是，第一包覆层402和第二包覆层406之间的区域403通常为硅，其在一定区域内被掺杂以提供单个SPAD 401的各种部件。相比之下，第一包覆层402和第二包覆层406分别包括氧化硅或其他合适的材料，以在区域403与第一包覆层402和第二包覆层406的界面处提供折射率的阶跃。因此，在一定的代表性实施例中，区域403提供了检测器阵列的波导的第一包覆层402和第二包覆层406之间的芯层。值得注意的是，根据代表性实施例，基板404采用已知的背面加工技术(研磨、化学机械抛光(CMP)等)减薄至所期望的厚度
如上所述，在基板101中形成深n型掺杂阱102，并在深n型掺杂阱102上形成高场(HF)植入物103。由此形成雪崩区。相应的SPAD的阳极105设置在HF植入物103上，从而完成二极管结构。最后，单个SPAD 401的独立电气功能是通过包括保护环106来促进的，该保护环设置在HF植入物103周围并为单个SPAD 401的有源区提供电气隔离。如下文更充分描述的，保护环106对光电检测器400的整体检测效率具有影响。然而，从光学上看，在保护环106与单个SPAD 401的雪崩区104之间没有差异。然而，也存在检测器阵列的顶部硅表面(在第一包覆层402下方)，其具有通过浅沟隔离部(STI)隔开的有源岛(雪崩区104)。这些不同的特征致使检测器阵列400的上部分在光学上变得粗糙，从而导致一些光子散射，这造成附加的损耗。这种损耗的程度取决于各种因素，如单个SPAD 401(以及保护环106)的数量和STI的宽度/深度。
光电检测器400进一步包括位于光电检测器400的远端的端层408和位于近端的输入波导410，输入波导410和光电检测器400的硅之间设置有抗反射涂层413。
如下文所述，在运行中，输入波导410促进接收来自光源414(例如LiDAR检测器的NIR光源)的光子412，以引导其通过由芯(由其制成单个SPAD 401的硅层)与第一包覆层402和第二包覆层406组成的波导。
相比之下，端层408(作为例示说明，其由与第一包覆层402和第二包覆层406相同的材料(例如二氧化硅)制成)在区域403和端层408的界面处提供了折射率的阶跃变化。因此，入射到端层408上的光子412会被朝向输入波导410反射回。这改善了原本会丢失的光子入射到单个SPAD 401中的一个的有源区并被吸收的概率。因此，通过提供端层408，可提高光电检测器400的光子检测效率。
最后，输入波导410包括几何结构420，以减少反射损耗，因为光电检测器400的SiN波导(n～2)和硅(n～3.7)的界面处的折射率差异相对较大。值得注意的是，这种几何结构420减少了由光电检测器400的SiN波导(n～2)和硅(n～3.7)的界面处的反射造成的损耗。如上所述，几何结构420被设想为用于上述各种检测器阵列。
本公开的一个或多个实施例在本文中可单独和/或统称为术语“本发明”，这仅是为了方便起见，并不旨在将本申请的范围自愿限制为任何具体的发明或创造性构思。此外，尽管本文对具体的实施例进行了说明和描述，但应理解的是，旨在实现相同或类似目的的任何后续布置结构均可替代所示的具体实施例。本公开旨在涵盖各种实施例的任何及所有的后续调整或变化。对于本领域技术人员而言，在阅读描述后，上述实施例的组合以及本文未具体描述的其他实施例将是明显的。
提供本公开的摘要是为了遵守37C.F.R.§1.72(b)的规定，并且在提交摘要时应理解，即摘要不会被用来解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在上述具体实施方式部分中，为了简化公开内容，可将各种特征组合在一起或在单个实施例中进行描述。本公开不应被解释为反映了一种意图，即要求保护的实施例需要的特征多于各权利要求中明确叙述的特征。相反，正如以下权利要求所反映的，发明主题可针对所公开的任何实施例的少于全部的特征。因此，以下权利要求被并入具体实施方式部分中，每项权利要求独立存在，如同限定了单独要求保护的主题。
前文对所公开实施例的描述是为了使本领域任何技术人员能够实践本公开中描述的构思。因此，上述公开的主题应被视为说明性而非限制性的，所附权利要求旨在涵盖属于本公开的真正精神和范围内的所有修改、增强和其他实施例。因此，在法律允许的最大范围内，本公开的范围应由以下权利要求及其等同方案的最宽泛解释来确定，而不应受到前述详细描述的限制或约束。

Claims (16)

1.一种检测器阵列(200)，包括：
基板(101)，其适于用作光波导(210)的芯层；
多个单光子雪崩光电二极管(SPAD(201))，其沿所述基板(101)的宽度设置在所述基板(101)中；
沿所述宽度设置在所述多个SPAD(201)上的第一包覆层(202)；以及
沿所述宽度设置在所述基板(101)上方的第二包覆层(206)。
2.根据权利要求1所述的检测器阵列(200)，其中，所述多个SPAD(201)包括沿所述检测器阵列(200)的辐射入射的一侧设置的第一SPAD(100)，以及设置在相反侧的最后一个SPAD(100)，其中所述第一SPAD(100)具有第一宽度，所述最后一个SPAD(100)具有最后宽度，且所述第一宽度小于所述最后宽度。
3.根据权利要求2所述的检测器阵列(200)，其中，所述多个SPAD(201)进一步包括设置在所述第一SPAD(100)和所述最后一个SPAD(100)之间的中间SPAD(100)，其中所述中间SPAD(100)具有大于所述第一宽度且小于所述最后宽度的中间宽度。
4.根据权利要求1所述的检测器阵列(200)，其中，所述SPAD(201)中的每个包括结区(203)，所述结区(203)具有在约10μm至约100μm的范围内的宽度以及在约1μm至约10μm的范围内的厚度。
5.根据权利要求1所述的检测器阵列(200)，其中，所述基板(101)包括硅。
6.根据权利要求1所述的检测器阵列(200)，其中，所述基板(101)包括绝缘体上硅(SOI)。
7.根据权利要求1所述的检测器阵列(200)，其中，所述检测器阵列(200)进一步包括邻近光源(214)并适于接收来自所述光源(214)的光的近端，其中输入波导(210)设置在所述近端，并且设置在所述光源(214)和第一SPAD(100)之间。
8.根据权利要求7所述的检测器阵列(200)，其中，所述检测器阵列(200)进一步包括位于所述检测器阵列(200)的与所述近端相反的一端的相反端，其中在所述检测器阵列(200)的所述相反端设置有端层(208)，所述端层包括折射率小于所述芯层的折射率的材料。
9.一种光电检测器(400)，包括：
基板(101)，其适于用作光波导(210)的芯层；
单光子雪崩光电二极管(SPAD(100))，其沿所述基板(101)的宽度设置；
沿所述宽度设置在所述单个SPAD(401)上的第一包覆层(202)；以及
沿所述宽度设置在所述基板(101)下方的第二包覆层(206)，其中所述光波导(210)包括所述基板(101)、所述第一包覆层(202)以及所述第二包覆层(206)。
10.根据权利要求9所述的光电检测器(400)，其中，所述基板(101)包括硅。
11.根据权利要求9所述的光电检测器(400)，其中，所述基板(101)包括绝缘体上硅(SOI)。
12.根据权利要求9所述的光电检测器(400)，其中，所述SPAD(100)包括结区(203)，所述结区(203)具有在约10μm至约100μm的范围内的宽度以及在约1μm至约10μm的范围内的厚度。
13.根据权利要求9所述的光电检测器(400)，其中，所述光电检测器(400)进一步包括邻近光源(214)并适于接收来自所述光源(214)的光的近端，其中输入波导(210)设置在所述近端，并且设置在连接到所述光源(214)的所述输入波导(210)和所述SPAD(100)之间。
14.根据权利要求13所述的光电检测器(400)，其中，所述光电检测器(400)进一步包括位于所述光电检测器(400)的与所述近端相反的一端的相反端，其中在所述光电检测器(400)的所述相反端设置有端层，所述端层包括折射率小于所述芯层的折射率的材料。
15.根据权利要求9所述的光电检测器(400)，其中，所述基板(101)包括硅。
16.根据权利要求9所述的光电检测器(400)，其中，所述基板(101)包括绝缘体上硅(SOI)。
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