CN117790605A - 一种spad器件结构及spad探测器 - Google Patents

Abstract

一种SPAD器件结构及SPAD探测器。本申请通过一种SPAD器件结构，其特征在于，包括：P型衬底层、P型深阱区、有效吸收区、耗尽区、雪崩区、P阱区、PPLUS区、以及P型阻挡层；所述P型衬底层处于最下方，所述P型深阱区位于所述P型衬底层上方；所述有效吸收区位于所述P型深阱区上方；所述耗尽区位于所述有效吸收区上方；所述雪崩区位于所述耗尽区上方；所述P阱区位于所述SPAD器件两侧；所述PPLUS区位于所述阱区内；所述P型阻挡层位于所述有效吸收区上方，并位于所述耗尽区两侧。这样，可以阻止光生电子绕过雪崩区，增大了光生电子的雪崩概率，这样就提高了SPAD器件的PDE。

Description

一种SPAD器件结构及SPAD探测器

技术领域

本申请涉及探测领域，特别涉及一种一种SPAD器件结构及SPAD探测器。

背景技术

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。

而直接飞行时间探测(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。

一般地，在一些DTOF测距应用中，可以使用包括单光子检测器(例如单光子)在内的光电探测器阵列来执行反射辐射的单光子雪崩二极管(Single Photon AvalancheDiode，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)，例如，当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。

光子触发雪崩电流的总概率可称为SPAD的光子检测效率(Photon DetectionEfficiency,PDE)。一般来讲，人们期望SPAD具有较高的PDE，因为这提高了器件的灵敏度和性能。然而，在现有的SPAD器件结构中edge effect(边缘效应)严重，光生电子绕过雪崩区域，直接流向阴极，导致SPAD器件的PDE损失严重。

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SPAD器件结构及SPAD探测器，以解决现有SPAD器件中由于edge effect(边缘效应)效应，光生电子绕过雪崩区域，直接流向阴极，导致SPAD器件的PDE损失严重的问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种SPAD器件结构，其特征在于，包括：P型衬底层、P型深阱区、有效吸收区、耗尽区、雪崩区、P阱区、PPLUS区、以及P型阻挡层；所述P型衬底层处于最下方，所述P型深阱区位于所述P型衬底层上方；所述有效吸收区位于所述P型深阱区上方；所述耗尽区位于所述有效吸收区上方；所述雪崩区位于所述耗尽区上方；所述P阱区位于所述SPAD器件两侧；所述PPLUS区位于所述阱区内；所述P型阻挡层位于所述有效吸收区上方，并位于所述耗尽区两侧。

可选地，所述P型阻挡层为斜向掺杂。

可选地，P型掺杂浓度为PPLUS区掺杂浓度>P阱区掺杂浓度>P型阻挡层掺杂浓度>P型深阱区掺杂浓度>P型衬底层掺杂浓度。

可选地，所述耗尽区域的中间宽度大于耗尽区域两边的宽度。

可选地，所述SPAD器件结构的两侧设置有SPAD器件的阳极(P-SPAD)以及SPAD器件的阴极(N-SPAD)。

可选地，所述SPAD器件的阳极(P-SPAD)的P型掺杂浓度小于所述P阱区掺杂浓度，并且其P型掺杂浓度大于所述P型阻挡层掺杂浓度。

第二方面，本申请提供了一种SPAD探测器，其特征在于，包括若干个如权利要求1或2所述的SPAD器件结构，若干个SPAD器件结构呈阵列分布。

本申请的有益效果是：通过提供一种SPAD器件结构，其特征在于，包括：P型衬底层、P型深阱区、有效吸收区、耗尽区、雪崩区、P阱区、PPLUS区、以及P型阻挡层；所述P型衬底层处于最下方，所述P型深阱区位于所述P型衬底层上方；所述有效吸收区位于所述P型深阱区上方；所述耗尽区位于所述有效吸收区上方；所述雪崩区位于所述耗尽区上方；所述P阱区位于所述SPAD器件两侧；所述PPLUS区位于所述阱区内；所述P型阻挡层位于所述有效吸收区上方，并位于所述耗尽区两侧。这样，可以阻止光生电子绕过雪崩区。且因为有P型阻挡层的存在，耗尽区域的中间宽度大于耗尽区域两边的宽度，更有利于中性体区的电子向中间聚焦，到达雪崩区域，增大了光生电子的雪崩概率，这样就提高了SPAD器件的PDE。

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探测系统示意图；

图2为本申请实施例提供光子计数统计直方图的示意图；

图3为本申请实施例提供的一种SPAD器件结构；

图4为本申请实施例提供的另一种SPAD器件结构；

图5为本申请实施例提供的又一种SPAD器件结构。

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。

一般地，光在极其微弱时会离散成一个个的光子，称为单光子。单光子信号由于强度微弱且粒子性显著，常规技术难以对其检测，被认为是光电探测技术的极限，DTOF技术克服了光电探测技术的难点，实现单光子检测。

DTOF，是直接根据脉冲发射和接收的时间差来测算距离。激光发射的瞬间，电子时钟被激活。光束操纵单元将脉冲引导到所需方向。脉冲从探测目标反射回来，一部分被光电探测器所接收。在响应中，与前端电子器件连接的光电探测器产生电信号，从而使时钟生效。通过测量飞行时间Δt，计算出与反射物体之间的距离d，计算式为d＝cΔt/2，其中c指光在介质中的速度。

图1为本申请实施例提供的一种探测系统示意图。如图1，示意了探测系统获取目标的基本原理，处理单元120控制光源110发出发射光，光源可以为LED或者激光源，此处为了考虑人眼安全等一般选择光源为具有近红外波长的激光源，激光源可以选择VSCEL阵列型激光源，此处并不限定，光源110至少部分单元发射探测光，当然也包含了全部发出发射光和部分发出发射光的场景此处不做限定，为了实现能量集中和系统工作的高效性，通常使用部分输出单元输出发射光，接收模块130包含SPAD单光子雪崩二极管探测单元，这样可以实现对于微弱能量下的准确探测。

在实际的探测过程中，光源发射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，通过数以万次的发射由统计结果获得最终的目标距离信息，脉冲激光经过探测目标140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，返回的信号可以是发射脉冲光束的回波并形成光子信号，当接收模块的SPAD被施加高的偏置电压时，接收模块的SPAD单元处于雪崩状态，因此可以感测背景光或者返回信号光的光子，再利用处理模块的统计功能，对于触发事件进行大量的统计，通过统计结果构造出直方图，再对于直方图的触发概率高的时间段信息输出即可实现对于探测目标140的距离信息获取。

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。

另外，时间相关单光子计数法(TCSPC，Time correlated single photoncounting)测量光子时间信息的基本思想是将光子看作一个随机事件，对光子重复进行多个周期的测量后进行统计。

如图2所示，在光信号非常微弱且探测频率很高时，有的周期内可能探测不到光子，有的周期内能够探测到一个光子，将光子的探测时间对应到某个时间段，这样在进行大量的重复测量后，对各时间段内的光子数目进行统计就能得到光子随时间变化的频率分布直方图，对直方图拟合即可获得光信号的强度变化。

然而，光子触发雪崩电流的总概率可称为SPAD的光子检测效率(PDE)。一般来讲，人们期望SPAD具有较高的PDE，因为这提高了器件的灵敏度和性能。

图3为本申请实施例提供的一种SPAD器件结构。如图3所示，在SPAD器件中深P阱(DPWELL)，在器件的两侧设置有P阱区域(PWELL)，P阱区域中设置有PPLUS区域，其中PPLUS区域用于与电路接触；DPWELL区域的上方为有效吸收区域，光到达有效吸收区域会被吸收生成光生电子，光生电子穿过处于有效吸收区域上方的耗尽区域到达处于耗尽区域上方的雪崩区域。为了获得理想的器件PDE希望到达雪崩区的电子越多越好，但是在如图3所示的器件结构中，电子会沿着如图3中①所示的路径扩散，不能到达雪崩区域引起雪崩，不利于提高SPAD器件的PDE。

图4为本申请实施例提供的另一种SPAD器件结构。如图4所示在SPAD器件中深P阱(DPWELL)，深P阱的下方为P型衬底Psub。在器件的两侧设置有P阱区域(PWELL)，P阱区域中设置有PPLUS区域，其中PPLUS区域用于与电路接触；DPWELL区域的上方为有效吸收区域，光到达有效吸收区域会被吸收生成光生电子，光生电子穿过处于有效吸收区域上方的耗尽区域到达处于耗尽区域上方的雪崩区域；雪崩区域的两侧设置有SPAD器件的阳极(P-SPAD)以及SPAD器件的阴极(N-SPAD)。在图4中位于有效吸收区域上方设置有P型阻挡层(P-focus)，所述P型阻挡层为所述耗尽层的两侧。其中P型掺杂浓度PPLUS掺杂浓度>PWELL掺杂浓度>P-SPAD掺杂浓度>P-focus掺杂浓度>DPWELL掺杂浓度>Psub掺杂浓度。在图4所示的SPAD器件结构中有效吸收区域中的光生电子，因为设置有P型阻挡层(P-focus)，阻止光生电子绕过雪崩区。且因为有P型阻挡层的存在，耗尽区域的中间宽度大于耗尽区域两边的宽度，更有利于中性体区的电子向中间聚焦，到达雪崩区域，增大了光生电子的雪崩概率，这样就提高了SPAD器件的PDE。

图5为本申请实施例提供的又一种SPAD器件结构。如图5所示在SPAD器件中深P阱(DPWELL)，深P阱的下方为P型衬底Psub。在器件的两侧设置有P阱区域(PWELL)，P阱区域中设置有PPLUS区域，其中PPLUS区域用于与电路接触；DPWELL区域的上方为有效吸收区域，光到达有效吸收区域会被吸收生成光生电子，光生电子穿过处于有效吸收区域上方的耗尽区域到达处于耗尽区域上方的雪崩区域；雪崩区域的两侧设置有SPAD器件的阳极(P-SPAD)以及SPAD器件的阴极(N-SPAD)。在图5中位于有效吸收区域上方设置有P型阻挡层(P-focus)，所述P型阻挡层为所述耗尽层的两侧，并且所述P型阻挡层(P-focus)斜向掺杂，更有利于边缘的电子向中间聚集。其中P型掺杂浓度PPLUS掺杂浓度>PWELL掺杂浓度>P-SPAD掺杂浓度>P-focus掺杂浓度>DPWELL掺杂浓度>Psub掺杂浓度。在图4所示的SPAD器件结构中有效吸收区域中的光生电子，因为设置有P型阻挡层(P-focus)，阻止光生电子绕过雪崩区。且因为有P型阻挡层的存在，耗尽区域的中间宽度大于耗尽区域两边的宽度，更有利于中性体区的电子向中间聚焦，到达雪崩区域，增大了光生电子的雪崩概率，这样就提高了SPAD器件的PDE。

若干个如上述实施例所述的SPAD器件可以构成SPAD探测阵列，所述SPAD探测阵列中的SPAD器件呈阵列分布，可用于DTOF探测中，以提高SPAD探测器的PDE，提升SPAD探测器的雪崩效率。

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 (7)

1.一种SPAD器件结构，其特征在于，包括：

P型衬底层、P型深阱区、有效吸收区、耗尽区、雪崩区、P阱区、PPLUS区、以及P型阻挡层；

所述P型衬底层处于最下方，所述P型深阱区位于所述P型衬底层上方；

所述有效吸收区位于所述P型深阱区上方；所述耗尽区位于所述有效吸收区上方；所述雪崩区位于所述耗尽区上方；

所述P阱区位于所述SPAD器件两侧；所述PPLUS区位于所述阱区内；

所述P型阻挡层位于所述有效吸收区上方，并位于所述耗尽区两侧。

2.如权利要求1所述的SPAD器件结构，其特征在于，所述P型阻挡层为斜向掺杂。

3.如权利要求1或2所述的SPAD器件结构，其特征在于，P型掺杂浓度为PPLUS区掺杂浓度>P阱区掺杂浓度>P型阻挡层掺杂浓度>P型深阱区掺杂浓度>P型衬底层掺杂浓度。

4.如权利要求1或2所述的SPAD器件结构，其特征在于，所述耗尽区域的中间宽度大于耗尽区域两边的宽度。

5.如权利要求1所述的SPAD器件结构，其特征在于，所述SPAD器件结构的两侧设置有SPAD器件的阳极(P-SPAD)以及SPAD器件的阴极(N-SPAD)。

6.如权利要求5所述的SPAD器件结构，其特征在于，所述SPAD器件的阳极(P-SPAD)的P型掺杂浓度小于所述P阱区掺杂浓度，并且其P型掺杂浓度大于所述P型阻挡层掺杂浓度。

7.一种SPAD探测器，其特征在于，包括若干个如权利要求1或2所述的SPAD器件结构，若干个SPAD器件结构呈阵列分布。