CN216871998U - 单光子雪崩光电二极管、飞行时间传感器及测距设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种单光子雪崩光电二极管，光电二极管包括：半导体基底，深沟槽区，自半导体基底的第一主面延伸至半导体基体内部；阴极区，包括设置于半导体基底的第一主面的第一阴极部和设置于深沟槽区外周侧且沿深沟槽区延伸至半导体基底内部的第二阴极部；缓冲区，包括设置于第一阴极部的外周侧与下方的第一缓冲部和设置于第二阴极部外周侧的第二缓冲部，缓冲区与阴极区的接触区域形成雪崩区；阳极区，设置于半导体基体的上部；以及光电信号转换区，设置于半导体基体内部。本实用新型的单光子雪崩光电二极管具有低时间抖动的优点，采用本实用新型单光子雪崩光电二极管的飞行时间传感器探测具有较高的测距精度。

Description

单光子雪崩光电二极管、飞行时间传感器及测距设备

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，尤其涉及一种飞行时间传感器设备中的低时间抖动的单光子雪崩光电二极管及其制备方法。

背景技术

飞行时间传感器是一种测距设备的重要部分，能够捕获目标物体的三维(3D)距离信息，获得3D图像；广泛应用在行为分析、监控、汽车自动驾驶、人工智能、机器视觉感知和图像3D增强等领域。

飞行时间传感器，采用飞行时间法，测量光脉冲从光源发射端到目标物体反射后，再到传感器接收端的光的旅行时间，从而确定目标物体的距离信息。

飞行时间传感器可以采用直接的方法获得光的旅行时间，称为直接飞行时间传感器；直接飞行时间传感器，采用单光子雪崩光电二极管探测光脉冲信号；单光子雪崩光电二极管将接受到的光信号在光电信号转换区转换为光电电荷，光电电荷移动到雪崩区触发光电二极管发生雪崩，产生的高电流信号触发时间数字转换器记录下光脉冲信号从发射到接受时间段的时间，进而再结合光速数据推测出距离信息。

然而，现有的单光子雪崩光电二极管存在较为严重的时间抖动问题，大大降低了飞行时间传感器探测的测距精度。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种单光子雪崩光电二极管及其制备方法，用于解决现有技术中单光子雪崩光电二极管存在较为严重的时间抖动问题，从而大大降低了飞行时间传感器探测的测距精度的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种单光子雪崩光电二极管，所述单光子雪崩光电二极管包括：半导体基底，包括相对的第一主面和第二主面；深沟槽区，自所述半导体基底的第一主面延伸至所述半导体基体内部，所述深沟槽区填充有填充物；阴极区，包括设置于所述半导体基底的第一主面的第一阴极部和设置于所述深沟槽区外周侧且沿所述深沟槽区延伸至所述半导体基底内部的第二阴极部；缓冲区，包括设置于所述第一阴极部的外周侧与下方的第一缓冲部和设置于所述第二阴极部外周侧的第二缓冲部，所述缓冲区与所述阴极区的接触区域形成雪崩区；阳极区，设置于所述半导体基体的上部，位于所述第一缓冲部的外周侧；光电信号转换区，设置于所述第一缓冲部下方和所述第二缓冲部的外周侧。

可选地，所述深沟槽区的宽度为0.1微米～0.3微米，深度大于或等于0.5微米，所述深沟槽区内的填充物包括氧化物、氮化物、多晶硅及金属中的一种。

可选地，所述阴极区的厚度大于或等于0.1微米，离子掺杂浓度大于或等于1e18atom/cm³，掺杂离子包括砷离子及磷离子中的一种或两种的混合。

可选地，所述阳极区的宽度大于或等于0.1微米，深度大于或等于0.1微米，离子掺杂浓度大于或等于1e18atom/cm³，掺杂离子包括硼离子；和/或，所述缓冲区的厚度为0.05微米～0.3微米，离子掺杂浓度为1e15atom/cm³～1e19atom/cm³，掺杂离子包括硼离子。

可选地，所述阴极区外接第一电压，所述阳极区外接第二电压，所述第一电压与所述第二电压的差值大于或等于所述单光子雪崩光电二极管的雪崩电压。

可选地，还包括像素隔离区，所述像素隔离区设置于所述阳极区下方的所述半导体基底中，且所述阳极区与所述缓冲区接触，所述像素隔离区为离子掺杂隔离区，掺杂类型与所述缓冲区的掺杂类型相同，且所述像素隔离区的掺杂浓度大于所述缓冲区的掺杂浓度，以形成所述半导体基底中的光电电荷向所述缓冲区移动的附加驱动电场。

可选地，所述单光子雪崩光电二极管接受光信号的方式包括第一主面入射及第二主面入射中的一种；和/或，所述深沟槽区的平面结构包括多边形、圆形及椭圆形中的一种。

可选地，每个所述单光子雪崩光电二极管包含两个以上的所述深沟槽区，两个以上的所述深沟槽区在所述单光子雪崩光电二极管中呈中心对称分布或轴对称分布。

可选地，所述半导体基底具有目标区，所述目标区产生的光电电荷至所述第二缓冲部的水平距离小于所述光电电荷至所述第一缓冲部的竖直距离，其中，所述目标区的上边缘自所述第二阴极部竖直方向的中心延伸至对应侧的所述半导体基底的外缘底端。

本实用新型还提供一种飞行时间传感器，所述飞行时间传感器包含如上任意一项所述的单光子雪崩光电二极管。

本实用新型还提供一种测距设备，所述测距设备包含如上所述的飞行时间传感器。

本实用新型还提供一种单光子雪崩光电二极管的制备方法，所述制备方法包括步骤：提供一半导体基底，所述半导体基底包括相对的第一主面和第二主面，于所述半导体基底中形成光电信号转换区和阳极区；于所述半导体基底中形成深沟槽区；通过第一倾斜离子注入工艺于所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区的侧壁注入第一掺杂离子以形成缓冲区，所述缓冲区包括设置于所述半导体基底的第一主面的第一缓冲部和设置于所述深沟槽区外周侧且沿所述深沟槽区延伸至所述半导体基底内部的第二缓冲部；通过第二倾斜离子注入工艺于所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区的侧壁注入第二掺杂离子，其注入深度小于所述第一掺杂离子的注入深度，以在所述缓冲区中形成阴极区，所述阴极区包括设置于所述半导体基底的第一主面的第一阴极部和设置于所述深沟槽区外周侧且沿所述深沟槽区延伸至所述半导体基底内部的第二阴极部，所述缓冲区与所述阴极区的接触区域形成雪崩区；于所述深沟槽区中形成填充物。

可选地，通过第一倾斜离子注入工艺于所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区的侧壁注入第一掺杂离子包括：在半导体基底表面和所述深沟槽区表面形成保护层；向所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区的侧壁进行多次第一倾斜离子注入，相邻两次第一倾斜离子注入时，所述半导体基底旋转一角度，以使所述深沟槽区的侧壁的第一掺杂离子均匀分布。

可选地，相邻两次第一倾斜离子注入时，所述半导体基底旋转的角度为α，向所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区的侧壁进行第一倾斜离子注入的次数为n次，每次离子注入剂量和能量相同，其中，n为大于或等于2的正整数，n与α的乘积为360度。

可选地，通过第二倾斜离子注入工艺于所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区的侧壁注入第二掺杂离子包括：向所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区的侧壁进行多次第二倾斜离子注入，相邻两次第二倾斜离子注入时，所述半导体基底旋转一角度，以使所述深沟槽区的侧壁的第二掺杂离子均匀分布。

可选地，相邻两次第二倾斜离子注入时，所述半导体基底旋转的角度为β，向所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区的侧壁进行第一倾斜离子注入的次数为k次，每次离子注入剂量和能量相同，其中，k为大于或等于2的正整数，k与β的乘积为360度。

可选地，所述第一倾斜离子注入工艺和所述第二倾斜离子注入工艺的离子注入方向与所述半导体基底的第一主面的夹角为2～15度。

如上所述，本实用新型的单光子雪崩光电二极管及其制备方法，具有以下有益效果：

本实用新型的单光子雪崩光电二极管，雪崩区伸入到半导体基体内部，可以为距离表面雪崩区较远的光电信号转换区产生的电荷载流子，提供一个位于半导体基体内部的距离其较近的雪崩区，使电荷载流子可快速移动到半导体基体内部的雪崩区触发光电二极管雪崩，从而产生雪崩高电流信号。本实用新型的单光子雪崩光电二极管具有低时间抖动的优点，采用本实用新型单光子雪崩光电二极管的飞行时间传感器探测具有较高的测距精度。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1显示为一种单光子雪崩光电二极管横截面结构示意图。

图2显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管第一种实施例的横截面结构示意图。

图3显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管第一种实施例的平面结构示意图。

图4显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管第二种实施例的平面结构示意图。

图5显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管第二种实施例的横截面结构示意图。

图6显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管第三种实施例的平面结构示意图。

图7显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管第四种实施例的平面结构示意图。

图8显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管第五种实施例的平面结构示意图。

图9显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管第六种实施例的平面结构示意图。

图10显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管的制备方法，实现实施例的生成深沟槽区的工艺步骤的结构示意图。

图11显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管的制备方法，实现实施例的第一次倾斜离子注入的工艺步骤的结构示意图。

图12显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管的制备方法，实现实施例的第二次倾斜离子注入的工艺步骤的结构示意图。

图13显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管的制备方法，实现实施例的填充深沟槽区的工艺步骤的结构示意图。

图14显示为本实用新型实施例的单光子雪崩光电二极管的制备方法，实现实施例的生成深沟槽的工艺步骤的结构示意图。

元件标号说明

101、201 阴极区

2011 第一阴极部

2012 第二阴极部

102、202 阳极区

103、203 缓冲区

2031 第一缓冲部

2032 第二缓冲部

104、204 光电信号转换区

105、205 像素隔离区

206、207、208、209、210、 深沟槽区

211、212、213

200 雪崩区

21 保护层

22 保护层

23 光刻胶

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

图1显示为一种采用的单光子雪崩光电二极管的直接飞行时间传感器结构图，在图1中， 101为阴极区，接电压Vn，102为阳极区，接电压Vp，103为缓冲层，104为光电信号转换区，105为像素隔离区；其中电压Vn与电压Vp间的电压差达到雪崩电压时，在雪崩区附近的电荷即可触发雪崩产生高电流信号。

如图1所示，光线从光电信号转换区104一侧射入，射入的光有可能A处转换为电荷，也有能在B或C或D处被转换为电荷，光到电荷信号的转换位置具有随机统计不确定性。在 A或B处光转换的电荷，距离雪崩区远，到达雪崩区的时间长；而在C或D处光转换的电荷，到达雪崩区的时间短；所以，A和B位置的电荷与C和D位置的电荷，会在不同的时间触发雪崩产生雪崩信号，进而引起传感器探测时间的抖动问题。

直接飞行时间传感器，所采集的光脉冲信号的光波波长较长，一般是近红外光，例如 940nm的光；单光子雪崩光电二极管对近红外光的转换效率较低，因此光电信号转换区104 的厚度较厚，例如10微米；较厚的光电信号转换区使得时间抖动更加明显。明显的时间抖动，降低了传感器探测的距离精度。因此，如何降低单光子雪崩光电二极管时间抖动，显得尤为重要。

基于以上所述，如图2所示，本实施例提供一种单光子雪崩光电二极管，所述单光子雪崩光电二极管包括半导体基底、深沟槽区206、阴极区201、缓冲区203及阳极区202。

所述半导体基底包括相对的第一主面和第二主面。所述半导体基底例如可以为硅、锗、锗硅等半导体材料。

如图2所示，所述深沟槽区206自所述半导体基底的第一主面延伸至所述半导体基体内部，所述深沟槽区206填充有填充物。在一个实施例中，所述深沟槽区206的宽度为0.1微米～0.3微米，深度大于或等于0.5微米，需要说明的是，所深沟槽区206的宽度具体表示为过所述深沟槽区206中心各个方向尺寸中最短的尺寸，所述深沟槽区206内的填充物包括氧化物、氮化物、多晶硅及金属中的一种。例如，所述氧化物可以为二氧化硅，所述氮化物可以为氮化硅。

如图2所示，所述阴极区201包括设置于所述半导体基底的第一主面的第一阴极部2011 和设置于所述深沟槽区206外周侧且沿所述深沟槽区206延伸至所述半导体基底内部的第二阴极部2012。在一个实施例中，所述阴极区201的厚度大于或等于0.1微米，离子掺杂浓度大于或等于1e18atom/cm³，掺杂离子包括砷离子及磷离子中的一种或两种的混合。在一个实施例中，所述阴极区201为N+型阴极区201，其外接高电压Vn。本实施例的所述阴极区201 具有较大浓度，有利于所述阴极区201随所述深沟槽区206延伸所述半导体基底内部后，当在表面施加Vn时，保持阴极第一阴极部2011和第二阴极部2022的电势基本保持一致。

如图2所示，所述缓冲区203包括设置于所述第一阴极部2011的外周侧与下方的第一缓冲部2031和设置于所述第二阴极部2012外周侧的第二缓冲部2032，所述缓冲区203与所述阴极区201的接触区域形成雪崩区200。在一个实施例中，所述缓冲区203的厚度为0.05微米～0.3微米，离子掺杂浓度为1e15atom/cm³～1e19atom/cm³，掺杂离子包括硼离子。

如图2所示，所述阳极区202设置于所述半导体基体的上部，位于所述第一缓冲部2031 的外周侧；在一个实施例中，所述阳极区202的宽度大于或等于0.1微米，深度大于或等于 0.1微米，离子掺杂浓度大于或等于1e18atom/cm3，掺杂离子包括硼离子。在一个实施例中，所述阳极区202为P+型阳极区202，其外接低电压Vp。

如图2所示，所述光电信号转换区204设置于所述第一缓冲部2031下方和所述第二缓冲部2032的外周侧。所述光电信号转换区204用于接受光信号，并转换为光电电荷信号。在一个实施例中，所述光电信号转换区204可以为半导体基底P型外延层，P型离子浓度最高2e15 atom/cm³，在另一实施例中，所述光电信号转换区204也可以为N型区，N型离子浓度最高 1e16atom/cm³。

在一个实施例中，所述阴极区201外接第一电压，所述阳极区202外接第二电压，所述第一电压与所述第二电压的差值大于或等于所述单光子雪崩光电二极管的雪崩电压。例如，在本示例中，所述N+型阴极区201外接高电压Vn，所述P+型阳极区202外接的低电压Vp，两者差值至少为单光子雪崩光电二极管的雪崩电压Vbd，例如25V。

在一个实施例中，所述半导体基底具有目标区，所述目标区产生的光电电荷至所述第二缓冲部2032的水平距离小于所述光电电荷至所述第一缓冲部2031的竖直距离，其中，所述目标区的上边缘自所述第二阴极部2012竖直方向的中心延伸至对应侧的所述半导体基底的外缘底端，例如，在一示例中，纵截面图看，所述目标区可以看成是类似三角形的结构，所述第二阴极部2012竖直方向的中心构成三角形的一个顶点，两侧半导体基底的底部的外边缘 (例如靠近像素隔离区205的位置)构成三角形的另外两个顶点，从而使得目标区内的光电电荷可以通过所述第二缓冲部2032到达雪崩区，以降低单光子雪崩光电二极管的时间抖动。

在一个实施例中，所述单光子雪崩光电二极管还包括像素隔离区205，所述像素隔离区 205设置于所述阳极区202下方的所述半导体基底中，用于相邻像素的单光子雪崩光电二极管的隔离，防止光电电荷串扰，且所述阳极区202与所述缓冲区203接触，所述像素隔离区 205为离子掺杂隔离区，掺杂类型与所述缓冲区203的掺杂类型相同，且所述像素隔离区205 的掺杂浓度大于所述缓冲区的掺杂浓度，以形成所述半导体基底中的光电电荷向所述缓冲区 203移动的附加驱动电场，从而有利于光电电荷雪崩的发生。在一个实施例中，所述像素隔离区205为P型离子掺杂区，所述P型离子为硼离子。

在一个实施例中，所述单光子雪崩光电二极管接受光信号的方式包括第一主面入射及第二主面入射中的一种。

在一个实施例中，所述深沟槽区206的平面结构包括多边形、圆形及椭圆形中的一种。每个所述单光子雪崩光电二极管可以包含两个以上的所述深沟槽区206，两个以上的所述深沟槽区206在所述单光子雪崩光电二极管中呈中心对称分布或轴对称分布。

图3为本实施例的一种单光子雪崩光电二极管的平面示意图结构，所述深沟槽区206位于中心位置，深沟槽区206外围为阴极区201，阴极区201外围为缓冲区203，缓冲区203外围为阳极区202，缓冲区203下方为像素隔离区205。图3所示的深沟槽区206的平面结构为正方形。

图3所示的正方形的深沟槽区206，其也可以是圆形，如图4所示。图3和图4所示的平面结构示意图中，深沟槽区206的结构还可以是矩形、其他的多边形、椭圆形或规则的其它形状(示意图未画出)。

图5所示的横截面结构为所述单光子雪崩光电二极管中设置有两个深沟槽区208和209 的实施例，图5所示实施例中的阴极区201、阳极区202、缓冲区203、光电信号转化区204、像素隔离区205与图2所示实施例中相对应的各区属性相同，图5所示的两个深沟槽区208 和209与图2所示的深沟槽区206的属性相同。

图6所示为图5的横截面结构对应的平面结构示意图。如图6所示，两个深沟槽区208 和209距离阴极区201的上边缘与距离阴极区201的下边缘的距离相等；深沟槽区208距离阴极区201的左侧边缘，与深沟槽区209距离阴极区201的右侧边缘的距离相等，并且与两个深沟槽区208和209之间的距离相等，进而使得光电信号转换区内部任一位置光转换的电荷到雪崩区的距离都相对较短，降低单光子雪崩光电二极管的时间抖动。

图6所示的平面示意图结构中，含有两个深沟槽区208和209。在其他的单光子雪崩光电二极管中，也可以设置含有四个深沟槽区，如图7所示的平面示意图。图7所示，四个深沟槽区210、211、212、213为均匀分布，此实施例的四个深沟槽区210、211、212、213的属性与图2所示的深沟槽区206属性相同。如图7所示，深沟槽区210和211距离阴极区201 上侧边缘，与深沟槽区212和213距离阴极区201的下侧边缘距离相等；深沟槽区210和212 距离阴极区201左侧边缘，与深沟槽区211和213距离阴极区201的右侧边缘距离相等；深沟槽区210、211、212、213之间的距离相等，在201区中均匀分布。

图6所示的深沟槽区208和209的形状为方形，还可以是圆形，如图8所示，图8所示深沟槽区208和209与图6所示的深沟槽区208和209的属性相同，深沟槽区208和209还可以是矩形、多边形、椭圆形或规则的其它形状(示意图未画出)。

图7所示的深沟槽区210、211、212、213的形状为方形，还可以是圆形，如图9所示，图9所示深沟槽区210、211、212、213与图7所示的深沟槽区210、211、212、213的属性相同。深沟槽区210、211、212、213还可以是矩形、多边形、椭圆形或规则的其它形状(示意图未画出)。

图2～图8所示的实施例，所示深沟槽区的数量为一个、两个、四个，本实用新型的实施例并不局限于图2～图8所示的实施例，所述深沟槽区还可以是三个或其它数量。

本实施例还提供一种飞行时间传感器，所述飞行时间传感器包含如上实施例所述的单光子雪崩光电二极管。

本实施例还提供一种测距设备，所述测距设备包含如上实施例所述的飞行时间传感器。所述测距设备例如可以应用于分析、监控、汽车自动驾驶、人工智能、机器视觉感知和图像 3D增强等领域。

如图10～图14所示，本实施例还提供一种单光子雪崩光电二极管的制备方法，所述制备方法包括步骤：提供一半导体基底，所述半导体基底包括相对的第一主面和第二主面，于所述半导体基底中形成光电信号转换区204和阳极区202；于所述半导体基底中形成深沟槽区206；通过第一倾斜离子注入工艺于所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区206的侧壁注入第一掺杂离子以形成缓冲区203，所述缓冲区203包括设置于所述半导体基底的第一主面的第一缓冲部2031和设置于所述深沟槽区206外周侧且沿所述深沟槽区206延伸至所述半导体基底内部的第二缓冲部2032；通过第二倾斜离子注入工艺于所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区206的侧壁注入第二掺杂离子，其注入深度小于所述第一掺杂离子的注入深度，以在所述缓冲区203中形成阴极区201，所述阴极区201包括设置于所述半导体基底的第一主面的第一阴极部2011和设置于所述深沟槽区206外周侧且沿所述深沟槽区206延伸至所述半导体基底内部的第二阴极部2012，所述缓冲区203与所述阴极区201的接触区域形成雪崩区200；于所述深沟槽区206中形成填充物。

在一个实施例中，所述深沟槽区206的宽度为0.1微米～0.3微米，深度大于或等于0.5 微米。

在一个实施例中，通过第一倾斜离子注入工艺于所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区206的侧壁注入第一掺杂离子包括：在半导体基底表面和所述深沟槽区206表面形成保护层；向所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区206的侧壁进行多次第一倾斜离子注入，相邻两次第一倾斜离子注入时，所述半导体基底旋转一角度，以使所述深沟槽区206的侧壁的第一掺杂离子均匀分布。

在一个实施例中，相邻两次第一倾斜离子注入时，所述半导体基底旋转的角度为α，向所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区206的侧壁进行第一倾斜离子注入的次数为n次，每次离子注入剂量和能量相同，其中，n为大于或等于2的正整数，n与α的乘积为360度。

在一个实施例中，通过第二倾斜离子注入工艺于所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区206的侧壁注入第二掺杂离子包括：向所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区206 的侧壁进行多次第二倾斜离子注入，相邻两次第二倾斜离子注入时的半导体基底旋转一角度，以使所述深沟槽区206的侧壁的第二掺杂离子均匀分布。

在一个实施例中，相邻两次第二倾斜离子注入时的半导体基底旋转的角度为β，向所述半导体基底的第一主面和所述深沟槽区206的侧壁进行第一倾斜离子注入的次数为k次，每次离子注入剂量和能量相同，其中，k为大于或等于2的正整数，k与β的乘积为360度。

在一个实施例中，所述第一倾斜离子注入工艺和所述第二倾斜离子注入工艺的离子注入方向与所述半导体基底的第一主面的夹角为2～15度，例如，该夹角可以依据深沟槽的顶部开口尺寸、侧壁倾斜角度等进行调整选择。

在一个实施例中，所述半导体基底中还形成有像素隔离区205，所述像素隔离区205设置于所述阳极区202下方，用于相邻像素的单光子雪崩光电二极管的隔离，防止光电电荷串扰。

在一个具体的实施过程中，所述单光子雪崩光电二极管的制备方法包括以下步骤：

首先，使用干法刻蚀方法，在半导体基底刻蚀生成所述深沟槽区，如图10所示。具体步骤为，在半导体基体表面淀积保护层21，所述保护层21的材料是氧化物或氮化物或氧化物和氮化物两者物质的组合，所述保护层21厚度为0.01微米～0.2微米；然后，旋涂光刻胶23，显影，进行等离子刻蚀；所刻蚀半导体基体的深度至少为0.5微米。刻蚀完毕后，清洗光刻胶23，去除所述保护层21。

下一步，生成所述缓冲区203，如图11所示。具体步骤是，在半导体基体表面和深沟槽区表面，氧化生成氧化物保护层22，氧化物保护层22的厚度为0.01微米，进行离子注入，注入离子为硼离子，也可以是氟化硼离子，离子注入的方向倾斜2度～15度，共计离子注入四次，每次的离子注入剂量相同，相邻两次离子注入时的半导体基体相对载体的旋转角度为 90度；也可以共计离子注入8次，每次的离子注入剂量相同，相邻两次离子注入时的半导体基体相对载体的旋转角度为45度。本实用新型的实施例中，硼离子注入能量可以是 130～160keV，氟化硼离子注入能量可以是350～450keV。

下一步，生成所述N+型阴极区201，如图12所示。具体步骤是，进行离子注入，注入离子为砷离子，也可以是磷离子，离子注入的方向倾斜2度～15度，共计离子注入四次，每次的离子注入剂量相同，相邻两次离子注入时的半导体基体相对载体的旋转角度为90度；也可以共计离子注入8次，每次的离子注入剂量相同，相邻两次离子注入时的半导体基体相对载体的旋转角度为45度。本实用新型的实施例中，砷离子注入的能量可以是170～190keV，磷离子的注入能量可以是80～100keV。

下一步，填充深沟槽区，如图13所示。具体步骤是，使用化学气象沉积的方法，淀积填充材料，所述填充材料可以是氧化物，例如二氧化硅、氧化钛，也可以是氮化物，例如氮化硅，还可以是多晶硅或金属，例如金属铝、铜等。

下一步，半导体基底表面平整化，如图14所示，如可采用化学机械抛光工艺清除半导体基底表面无用材料层，此材料为填充深沟槽区产生的材料层。

如上所述，本实用新型的单光子雪崩光电二极管及其制备方法，具有以下有益效果：

本实用新型的单光子雪崩光电二极管，雪崩区200伸入到半导体基体内部，可以为距离表面雪崩区200较远的光电信号转换区204产生的电荷载流子，提供一个位于半导体基体内部的距离其较近的雪崩区200，使电荷载流子可快速移动到半导体基体内部的雪崩区200触发光电二极管雪崩，从而产生雪崩高电流信号。本实用新型的单光子雪崩光电二极管具有低时间抖动的优点，采用本实用新型单光子雪崩光电二极管的飞行时间传感器探测具有较高的测距精度。

所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种单光子雪崩光电二极管，其特征在于，所述单光子雪崩光电二极管包括：

半导体基底，包括相对的第一主面和第二主面；

深沟槽区，自所述半导体基底的第一主面延伸至所述半导体基体内部，所述深沟槽区填充有填充物；

阴极区，包括设置于所述半导体基底的第一主面的第一阴极部和设置于所述深沟槽区外周侧且沿所述深沟槽区延伸至所述半导体基底内部的第二阴极部；

缓冲区，包括设置于所述第一阴极部的外周侧与下方的第一缓冲部和设置于所述第二阴极部外周侧的第二缓冲部，所述缓冲区与所述阴极区的接触区域形成雪崩区；

阳极区，设置于所述半导体基体的上部，位于所述第一缓冲部的外周侧；

光电信号转换区，设置于所述第一缓冲部下方和所述第二缓冲部的外周侧。

2.根据权利要求1所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于：所述深沟槽区的宽度为0.1微米～0.3微米，深度大于或等于0.5微米，所述深沟槽区内的填充物包括氧化物、氮化物、多晶硅及金属中的一种。

3.根据权利要求1所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于：所述阴极区的厚度大于或等于0.1微米。

4.根据权利要求1所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于：所述阳极区的宽度大于或等于0.1微米，深度大于或等于0.1微米；和/或，所述缓冲区的厚度为0.05微米～0.3微米。

5.根据权利要求1所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于：所述阴极区外接第一电压，所述阳极区外接第二电压，所述第一电压与所述第二电压的差值大于或等于所述单光子雪崩光电二极管的雪崩电压。

6.根据权利要求1所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于：还包括像素隔离区，所述像素隔离区设置于所述阳极区下方的所述半导体基底中，且所述阳极区与所述缓冲区接触，所述像素隔离区为离子掺杂隔离区，掺杂类型与所述缓冲区的掺杂类型相同，且所述像素隔离区的掺杂浓度大于所述缓冲区的掺杂浓度，以形成所述半导体基底中的光电电荷向所述缓冲区移动的附加驱动电场。

7.根据权利要求1所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于：所述单光子雪崩光电二极管接受光信号的方式包括第一主面入射及第二主面入射中的一种；和/或，所述深沟槽区的平面结构包括多边形、圆形及椭圆形中的一种。

8.根据权利要求1所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于：每个所述单光子雪崩光电二极管包含两个以上的所述深沟槽区，两个以上的所述深沟槽区在所述单光子雪崩光电二极管中呈中心对称分布或轴对称分布。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的单光子雪崩光电二极管，其特征在于：所述半导体基底具有目标区，所述目标区产生的光电电荷至所述第二缓冲部的水平距离小于所述光电电荷至所述第一缓冲部的竖直距离，其中，所述目标区的上边缘自所述第二阴极部竖直方向的中心延伸至对应侧的所述半导体基底的外缘底端。

10.一种飞行时间传感器，其特征在于，所述飞行时间传感器包含如权利要求1～9任意一项所述的单光子雪崩光电二极管。

11.一种测距设备，其特征在于，所述测距设备包含如权利要求10所述的飞行时间传感器。

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