CN215678767U

CN215678767U - 长波长单光子雪崩二极管距离传感器

Info

Publication number: CN215678767U
Application number: CN202121642667.3U
Authority: CN
Inventors: 东尚清
Original assignee: Shanghai Daxin Semiconductor Co ltd
Current assignee: Shanghai Daxin Semiconductor Co ltd
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2021-07-19
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2031-07-19

Abstract

本实用新型公开了一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，包括：成像晶圆，所述成像晶圆具有前表面和后表面，所述成像晶圆包括；位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，所述SPAD阵列包括：接收700nm‑2μm之间任意波长且光子检测效率在60％以上的SPAD核心层；逻辑晶圆，所述逻辑晶圆位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆。本实用新型可使激光雷达工作在700nm‑2μm之间，此时的PDE仍然保持在较高水平，并降低了对人眼的伤害。

Description

长波长单光子雪崩二极管距离传感器

技术领域

本实用新型涉及距离传感器技术领域，且特别涉及一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器。

背景技术

D TOF或者基于此的Lidar技术用于各种电子设备中，诸如手机、数码相机、汽车、医学成像设备、安全系统以及AR、VR应用等。D TOF/Lidar通常包括检测或响应入射光的光电探测器阵列，可用于距离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。

目前的Lidar技术是基于Si材料，Si对长波长吸收能力下降严重。比如一般Si的SPAD在850nm，PDE(光子检测效率)＝20％，在905nm，PDE＝8％，在940nm，PDE＝4％，在1550nm基本为零了。因此目前技术为了高探测效率，一般使用短波长比如850nm/905nm/940nm。但波长越短，人眼伤害越大，尤其是目前的自动驾驶，使用的都是905nm波长。随着未来自动驾驶技术发展，自动驾驶的行驶速度会比目前大幅度提升，比如达到100km/h或300km/h。因此自动驾驶留给系统的反应时间就会变短。所以汽车激光雷达，尤其是前向激光雷达的探测距离，要在目前业界水平的150m-200m基础上大幅度提高，可能需要提高到300-1000m。探测距离的增加带来的就是激光雷达发射功率增大，比如在目前基础上增大100倍，随之而来的是人眼的伤害要大100倍。如果未来几年，大街上汽车都是自动驾驶汽车，并且发射很大的激光功率，对人眼的伤害是非常大的。因此需要增加发射波长，从而降低人眼伤害。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，提高激光雷达的工作波长，并且PDE仍然保持在较高水平。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，包括：

成像晶圆，所述成像晶圆具有前表面和后表面，所述成像晶圆包括；

位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，所述SPAD阵列包括：

接收波长介于700nm-2μm之间且光子检测效率在60％以上的SPAD核心层；

逻辑晶圆，所述逻辑晶圆位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆。

可选的，所述成像晶圆前表面上设置有电极层，所述电极层上设置有隔离层，所述SPAD核心层设置在所述电极层上相邻隔离层之间。

可选的，所述电极层为阳极层；所述SPAD核心层包括：

自所述晶圆后表面向所述晶圆前表面依次设置的P型InP接触层，InP雪崩层，InGaAs或InGaAsP吸收层，N型InP衬底，以及设置在所述N型InP衬底朝向所述晶圆前表面一侧的阴极接触区，所述P型InP接触层还与所述阳极层接触。

可选的，所述电极层为阳极层；所述SPAD核心层包括：

自所述晶圆后表面向所述晶圆前表面依次设置的P型GaSb接触层，P型AlInAsSb吸收层，N型AlInAsSb雪崩层，N型GaSb衬底，以及设置在所述N型GaSb衬底朝向所述晶圆前表面一侧的阴极接触区。

可选的，一部分插塞将所述阴极接触区与所述成像晶圆的顶层金属层连接；另一部分插塞穿过所述隔离层将所述阳极层与所述成像晶圆的顶层金属层连接；或者，所述阳极层具有阳极延伸层，所述阳极延伸层穿过所述隔离层，另一部分插塞将所述阳极延伸层与所述成像晶圆的顶层金属层连接。

可选的，所述电极层为阴极层；所述SPAD核心层包括：

自所述晶圆后表面向所述晶圆前表面依次设置的N型InP衬底，InGaAs或InGaAsP吸收层，InP雪崩层，以及P型InP接触层，所述阴极层与所述InGaAs或InGaAsP吸收层设置在所述N型InP衬底的相对两侧。

可选的，所述电极层为阴极层；所述SPAD核心层包括：

自所述晶圆后表面向所述晶圆前表面依次设置的N型GaSb衬底，N型AlInAsSb雪崩层，P型AlInAsSb吸收层，以及P型GaSb接触层，所述阴极层与所述N型AlInAsSb雪崩层设置在所述N型GaSb衬底的相对两侧。

可选的，一部分插塞将所述P型GaSb接触层与所述成像晶圆的顶层金属层连接；另一部分插塞穿过所述隔离层将所述阴极层与所述成像晶圆的顶层金属层连接；或者，所述阴极层具有阴极延伸层，所述阴极延伸层穿过所述隔离层，另一部分插塞将所述阴极延伸层与所述成像晶圆的顶层金属层连接。

可选的，所述逻辑晶圆包括硅基复位、淬火、充电和读出电路。

相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型可使激光雷达工作在700nm-2μm之间任意波长，此时的PDE仍然保持在较高水平，比如60％，但对人眼伤害，却大大的降低了。

此外，采用Si基逻辑晶圆与成像晶圆进行堆叠封装，大大降低了生产制造的工作量。

附图说明

图1是本实用新型的长波长单光子雪崩二极管距离传感器的示意图一。

图2是本实用新型的长波长单光子雪崩二极管距离传感器的示意图二。

图3是本实用新型的长波长单光子雪崩二极管距离传感器的示意图三。

图4是本实用新型的长波长单光子雪崩二极管距离传感器的示意图四。

图5是本实用新型的长波长单光子雪崩二极管距离传感器的示意图五。

图6是本实用新型的长波长单光子雪崩二极管距离传感器的示意图六。

图7是本实用新型的长波长单光子雪崩二极管距离传感器的示意图七。

图8是本实用新型的长波长单光子雪崩二极管距离传感器的示意图八。

图9是本实用新型实施例与现有技术的PDE对比示意图一。

图10是本实用新型实施例与现有技术的PDE对比示意图二。

图11是本实用新型实施例与现有技术的PDE对比示意图三。

图12是本实用新型实施例与现有技术的PDE对比示意图四。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本实用新型而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本实用新型各项权利要求所要求保护的技术方案。

本实用新型提供一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，包括：成像晶圆，所述成像晶圆具有前表面和后表面，所述成像晶圆包括；

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本实用新型的一实施方式提供了一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，图1示出了长波长单光子雪崩二极管距离传感器的示意图一，其包括：成像晶圆100，所述成像晶圆100具有相对的前表面和后表面；逻辑晶圆200，所述逻辑晶圆200位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆100。成像晶圆与逻辑晶圆之间呈堆栈式封装结构。

所述成像晶圆100包括位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，覆盖所述前表面的金属反射层109、介电(ILD)层110和顶层金属(TM)层112，覆盖所述后表面的高k介电层113、抗反射层115和微透镜116。

所述成像晶圆100前表面上靠近后表面处设置有电极层，所述电极层上设置有隔离层108，所述SPAD核心层设置在所述电极层上相邻隔离层108之间。

在本实施例中，所述电极层为阳极层107。例如，所述阳极层107可以是P++层(本实用新型中，“+”代表掺杂浓度的高低，例如“++”膜层的掺杂浓度大于“+”膜层的掺杂浓度，大于不具有“+”膜层的掺杂浓度)。

所述SPAD核心层包括：

自所述晶圆后表面向所述晶圆前表面依次设置的P型InP接触层101，InP雪崩层102，InGaAs或InGaAsP吸收层103，N型InP衬底104，以及设置在所述N型InP衬底朝向所述晶圆前表面一侧的阴极接触区105，所述P型InP接触层还与所述阳极层接触。

具体的，例如所述InGaAs或InGaAsP吸收层103，N型InP衬底104和阴极接触区105构成阴极层，所述N型InP层104的参杂浓度低于阴极接触区105。

阴极层和阳极层分别通过设置在通孔(conta)中的插塞111贯穿所述金属反射层109并连接所述顶层金属层112。

在本实施例中，一部分插塞111将所述阴极接触区105与所述成像晶圆100的顶层金属层112连接；所述阳极层107具有阳极延伸层1071，所述阳极延伸层1071穿过所述隔离层108，另一部分插塞111将所述阳极延伸层1071与所述成像晶圆的顶层金属层112连接。

在一实施例中，所述逻辑晶圆200包括位于P型衬底(P-SUB层)201中的硅基复位、淬火、充电和读出电路202，与所述阳极层连接的顶层金属层112通过位于P型衬底201表面的顶层金属层204连接至硅基复位模块，与所述阴极层连接的顶层金属层112通过顶层金属层204连接至淬火模块、充电模块和读出模块。

本实用新型采用两片晶圆堆叠封装。图1中仅显示单个SPAD像素，DTOF里的SPAD阵列，例如，为m*n个该最小模块重复组合构成。成像晶圆最上方的微透镜116用于聚合光路提高填充因子(Fill factor)，抗反射层115使入射波段尽可能的降低反射，高k介电层113用于隔离保护。

实施例二

本实用新型的实施例二中提供了一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，参考图2所示，本实施例与实施例一的主要差别在于：制备SPAD的工艺不同，由此，获得的SPAD阵列不一致。下面主要描述本实施例与实施例一的差异之处，相同或相似的模块采用相同的标号，相同的结构省略描述。

在本实施例中，所述电极层为阴极层106。

所述SPAD核心层包括：

自所述晶圆后表面向所述晶圆前表面依次设置的N型InP衬底104，InGaAs或InGaAsP吸收层103，InP雪崩层102，以及P型InP接触层101，所述阴极层与所述InGaAs或InGaAsP吸收层103设置在所述N型InP衬底的相对两侧。

其中，所述P型InP接触层101作为阳极层。

一部分插塞111将所述阳极层与所述成像晶圆的顶层金属层112连接；所述阴极层106具有阴极延伸层1061，所述阴极延伸层1061穿过所述隔离层108，另一部分插塞111将所述阴极延伸层1061与所述成像晶圆的顶层金属层112连接。

本实施例的结构能够优化堆叠工艺制造难度，能够进一步提高PDE。

实施例三

本实用新型的实施例三提供了一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，参考图3所示，本实施例与实施例一的主要差别在于：阳极层与顶层金属层的连接形式不同。下面主要描述本实施例与实施例一的差异之处，相同或相似的模块采用相同的标号，相同的结构省略描述。

本实施例去掉了图1中环绕在SPAD侧壁的阳极延伸层1071，并用深通孔结构穿过隔离层108直接将阳极层107引出。这样导电性更好，提高了工艺的鲁棒性，进一步降低了串扰。

实施例四

本实用新型的实施例四提供了一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，参考图4所示，本实施例与实施例三的主要差别在于：制备SPAD的工艺不同，由此，获得的SPAD阵列不一致。下面主要描述本实施例与实施例一的差异之处，相同或相似的模块采用相同的标号，相同的结构省略描述。

在本实施例中，所述电极层为阴极层106。

所述SPAD核心层包括：

其中，所述P型InP接触层101作为阳极层。

实施例五

本实用新型的五实施方式提供了一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，参考图5所示，本实施例与实施例一的主要差别在于：SPAD核心层不同。

所述SPAD核心层包括：

自所述晶圆后表面向所述晶圆前表面依次设置的P型GaSb接触层1001，P型AlInAsSb吸收层1002，N型AlInAsSb雪崩层1003，N型GaSb衬底1004，以及设置在所述N型GaSb衬底1004朝向所述晶圆前表面一侧的阴极接触区1005。

具体的，N型AlInAsSb雪崩层1003，N型GaSb衬底1004和阴极接触区1005构成阴极，所述N型GaSb衬底1004的参杂浓度低于阴极接触区1005。

本实施例考虑的是铟镓砷的K值过高，带来了比较大的噪声，因此本实施例做了改进，加入Al元素，形成AlInAsSb四元合金材料，可以把K值系数降低到0.01，因此实现噪声系数大大降低。

实施例六

本实用新型的实施例六中提供了一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，参考图6所示，本实施例与实施例五的主要差别在于：制备SPAD的工艺不同，由此，获得的SPAD阵列不一致。下面主要描述本实施例与实施例一的差异之处，相同或相似的模块采用相同的标号，相同的结构省略描述。

在本实施例中，所述电极层为阴极层106。

所述SPAD核心层包括：

自所述晶圆后表面向所述晶圆前表面依次设置的N型GaSb衬底1004，N型AlInAsSb雪崩层1003，P型AlInAsSb吸收层1002，以及P型GaSb接触层1001，所述阴极层106与所述N型AlInAsSb雪崩层1003设置在所述N型GaSb衬底1004的相对两侧。

其中，所述阳极层可以是P型GaSb接触层1001。

实施例七

本实用新型的实施例七提供了一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，参考图7所示，本实施例与实施例五的主要差别在于：阳极层与顶层金属层的连接形式不同。下面主要描述本实施例与实施例七的差异之处，相同或相似的模块采用相同的标号，相同的结构省略描述。

本实施例去掉了图5中环绕在SPAD侧壁的阳极延伸层1071，并用深通孔结构穿过隔离层108直接将阳极层107引出。这样导电性更好，提高了工艺的鲁棒性，进一步降低了串扰。

实施例八

本实用新型的实施例八提供了一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，参考图8所示，本实施例与实施例七的主要差别在于：制备SPAD的工艺不同，由此，获得的SPAD阵列不一致。下面主要描述本实施例与实施例一的差异之处，相同或相似的模块采用相同的标号，相同的结构省略描述。

在本实施例中，所述电极层为阴极层106。

所述SPAD核心层包括：

其中，所述阳极层可以是P型GaSb接触层1001。

请参考图9-12所示，采用本实用新型实施例一-实施例八的结构，带来的SPAD在700nm-2μm之间任意波长的PDE巨大提升，其中，由于电极采用延伸层引出并不影响PDE，故八个实施例中对应4组与现有技术的对比图。可见，本实用新型能够将激光雷达针对人眼的安全问题解决，例如能够降低达10000倍，促进了DTOF/Lidar在汽车、手机上的普及。

在本说明书提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本实用新型的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，以上仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的保护范围之内。

Claims

1.一种长波长单光子雪崩二极管距离传感器，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的长波长单光子雪崩二极管距离传感器，其特征在于，所述成像晶圆前表面上设置有电极层，所述电极层上设置有隔离层，所述SPAD核心层设置在所述电极层上相邻隔离层之间。

3.如权利要求2所述的长波长单光子雪崩二极管距离传感器，其特征在于，所述电极层为阳极层(107)；所述SPAD核心层包括：

自所述晶圆后表面向所述晶圆前表面依次设置的P型InP接触层(101)，InP雪崩层(102)，InGaAs或InGaAsP吸收层(103)，N型InP衬底(104)，以及设置在所述N型InP衬底朝向所述晶圆前表面一侧的阴极接触区(1005)，所述P型InP接触层还与所述阳极层接触。

4.如权利要求2所述的长波长单光子雪崩二极管距离传感器，其特征在于，所述电极层为阳极层(107)；所述SPAD核心层包括：

自所述晶圆后表面向所述晶圆前表面依次设置的P型GaSb接触层(1001)，P型AlInAsSb吸收层(1002)，N型AlInAsSb雪崩层(1003)，N型GaSb衬底，以及设置在所述N型GaSb衬底朝向所述晶圆前表面一侧的阴极接触区(1005)。

5.如权利要求3或4所述的长波长单光子雪崩二极管距离传感器，其特征在于，一部分插塞将所述阴极接触区与所述成像晶圆的顶层金属层(112)连接；另一部分插塞穿过所述隔离层将所述阳极层与所述成像晶圆的顶层金属层(112)连接；或者，所述阳极层具有阳极延伸层(1071)，所述阳极延伸层穿过所述隔离层，另一部分插塞将所述阳极延伸层与所述成像晶圆的顶层金属层(112)连接。

6.如权利要求2所述的长波长单光子雪崩二极管距离传感器，其特征在于，所述电极层为阴极层(106)；所述SPAD核心层包括：

自所述晶圆后表面向所述晶圆前表面依次设置的N型InP衬底(104)，InGaAs或InGaAsP吸收层(103)，InP雪崩层(102)，以及P型InP接触层(101)，所述阴极层与所述InGaAs或InGaAsP吸收层(103)设置在所述N型InP衬底的相对两侧。

7.如权利要求2所述的长波长单光子雪崩二极管距离传感器，其特征在于，所述电极层为阴极层(106)；所述SPAD核心层包括：

自所述晶圆后表面向所述晶圆前表面依次设置的N型GaSb衬底(1004)，N型AlInAsSb雪崩层(1003)，P型AlInAsSb吸收层(1002)，以及P型GaSb接触层(1001)，所述阴极层与所述N型AlInAsSb雪崩层(1003)设置在所述N型GaSb衬底的相对两侧。

8.如权利要求6或7所述的长波长单光子雪崩二极管距离传感器，其特征在于，一部分插塞将所述P型GaSb接触层与所述成像晶圆的顶层金属层(112)连接；另一部分插塞穿过所述隔离层将所述阴极层与所述成像晶圆的顶层金属层(112)连接；或者，所述阴极层具有阴极延伸层(1061)，所述阴极延伸层穿过所述隔离层，另一部分插塞将所述阴极延伸层与所述成像晶圆的顶层金属层(112)连接。

9.如权利要求1所述的长波长单光子雪崩二极管距离传感器，其特征在于，所述逻辑晶圆包括硅基复位、淬火、充电和读出电路。