CN216980588U - 单光子雪崩二极管 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种单光子雪崩二极管，包括第一N型半导体井层、第二N型半导体井层及P型半导体井层。第二N型半导体井层配置于第一N型半导体井层上方。P型半导体井层包括第一P型半导体子层、第二P型半导体子层及P型半导体连接层。第一P型半导体子层配置于第一N型半导体井层上，第二P型半导体子层配置于第一P型半导体子层上方。第二N型半导体井层配置于第一P型半导体子层与第二P型半导体子层之间。P型半导体连接层连接第一P型半导体子层与第二P型半导体子层。第二N型半导体井层借由P型半导体井层的侧向开口与第一N型半导体井层连接。

Description

单光子雪崩二极管
技术领域
本实用新型涉及一种光电二极管(photodiode)，特别是有关于一种单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode,SPAD)。
背景技术
当光子照射在单光子雪崩二极管上，吸收了光子能量的电子离开价带，从而在半导体中形成电子─电洞对。当与电洞分离的电子进入PN接面(p-n junction)处的空乏区(depletion region)时，电子被空乏区内的电场大幅地加速而撞击其他原子，使其他原子游离出更多的电子，而形成崩溃电流(avalanche current)。崩溃电流的电流值远大于原始的光电流，进而能够有效提升感应灵敏度。
单光子雪崩二极管可应用于飞行时间测距装置(time-of-flight rangingdevice,ToF ranging device)或光雷达(LiDAR)，可借由感测光的飞行时间来计算出物体的距离。然而，在单光子雪崩二极管中，在空乏区以外的中性区(neutral region)的载子所受到的电场较为微弱，若光电子形成于中性区，则会借由扩散(diffusion)或漂移(drift)移动至空乏区，并触发崩溃。此种触发方式会导致时序颤动(timing jitter)，也就是在讯号相对于时间的直方图(histogram)会形成扩散拖尾(diffusion tail)，这会对测量光的飞行时间的准确度造成影响。
另一方面，当随着光电技术的不断演进，产品朝小型化发展，单光子雪崩二极管也被做得更小。在此情况下，光电子更容易往空乏区以外的位置漂移，而导致光子侦测机率(photon detection probability,PDP)的损失。
实用新型内容
本实用新型是针对一种单光子雪崩二极管，其可有效抑制时序颤动，且可有效降低光子侦测机率的损失。
本实用新型的一实施例提出一种单光子雪崩二极管，包括第一N型半导体井层、第二N型半导体井层、P型半导体井层及一P型重掺杂层。第二N型半导体井层配置于第一N型半导体井层上方。第一N型半导体井层与第二N型半导体井层的N型掺杂浓度是落在第一浓度范围内。P型半导体井层包括第一P型半导体子层、第二P型半导体子层及P型半导体连接层。第一P型半导体子层配置于第一N型半导体井层上，第二P型半导体子层配置于第一P型半导体子层上方，第二N型半导体井层配置于第一P型半导体子层与第二P型半导体子层之间。第一P型半导体子层与第二N型半导体井层之间形成有雪崩区，且第二N型半导体井层与第二P型半导体子层之间形成有另一个雪崩区。P型半导体连接层连接第一P型半导体子层与第二P型半导体子层。第一P型半导体子层、第二P型半导体子层及P型半导体连接层的P型掺杂浓度是落在第二浓度范围内。P型半导体井层具有侧向开口，第二N型半导体井层借由侧向开口与第一N型半导体井层连接。P型重掺杂层配置于第二P型半导体子层上，其中第二浓度范围内的浓度值皆小于P型重掺杂层的P型掺杂浓度。
本实用新型的一实施例提出一种单光子雪崩二极管，包括第一N型半导体井层、第二N型半导体井层、夹状P型半导体井层及一P型重掺杂层。第二N型半导体井层配置于第一N型半导体井层上方，其中第一N型半导体井层及第二N型半导体井层的N型掺杂浓度是落在第一浓度范围内。夹状P型半导体井层配置于第一N型半导体井层上，且夹持第二N型半导体井层。夹状P型半导体井层具有至少一个侧向开口，且第二N型半导体井层借由开口与第一N型半导体井层连接，其中夹状P型半导体井层的P型掺杂浓度是落在一第二浓度范围内。夹状P型半导体井层与第二N型半导体井层之间形成有分别位于第二N型半导体井层的上侧与下侧的两个雪崩区。P型重掺杂层配置于夹状P型半导体井层上，其中第二浓度范围内的浓度值皆小于P型重掺杂层的P型掺杂浓度。
在本实用新型的实施例的单光子雪崩二极管中，由于利用第一P型半导体子层、第二N型半导体井层及第二P型半导体子层来形成两个PN接面，或利用夹状P型半导体井层与第二N型半导体井层来形成两个PN接面，以增加光电子落于空乏区的机会，因此能有效抑制时序颤动的问题，并可有效降低光子侦测机率的损失。
附图说明
图1为本实用新型的一些实施例的单光子雪崩二极管的剖面示意图。
图2A、图2B、图2C及图2D为图1的单光子雪崩二极管的一实施例的一些膜层的上视示意图。
图3A、图3B、图3C及图3D为图1的单光子雪崩二极管的另一实施例的一些膜层的上视示意图。
图4A、图4B、图4C及图4D为图1的单光子雪崩二极管100的又一实施例的一些膜层的上视示意图。
具体实施方式
现将详细地参考本实用新型的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
图1为本实用新型的一些实施例的单光子雪崩二极管100的剖面示意图。请参照图1，单光子雪崩二极管100包括第一N型半导体井层110、第二N型半导体井层120及P型半导体井层130。第二N型半导体井层120配置于第一N型半导体井层110上方。P型半导体井层130包括第一P型半导体子层132、第二P型半导体子层134及P型半导体连接层136。第一N型半导体井层110包括底部112及侧壁114。第一P型半导体子层132配置于第一N型半导体井层110上，例如是配置于第一N型半导体井层110的底部112上，侧壁114环绕P型半导体井层130。第二P型半导体子层134配置于第一P型半导体子层132上方，第二N型半导体井层120配置于第一P型半导体子层132与第二P型半导体子层134之间。P型半导体连接层136连接第一P型半导体子层132与第二P型半导体子层134。P型半导体井层130具有侧向开口138，第二N型半导体井层120借由侧向开口138与第一N型半导体井层110连接。因此，P型半导体井层130可视为夹状P型半导体井层，而此夹状P型半导体井层具有侧向开口138，且夹状P型半导体井层夹持第二N型半导体井层120。在这些实施例中，单光子雪崩二极管100还包括配置于第二P型半导体子层134上的P型重掺杂层140及配置于第一N型半导体井层110的侧壁114的顶部上的N型重掺杂层150。
在一些实施例中，第一P型半导体子层132与第二P型半导体子层134的间距D1落在1微米至2.5微米的范围内。
在一些实施例中，第一N型半导体井层110与第二N型半导体井层120的N型掺杂浓度落在1017cm-3至5×1018cm-3的范围(即第一浓度范围)内，且第一P型半导体子层132、第二P型半导体子层134及P型半导体连接层136的P型掺杂浓度(即夹状P型半导体井层的P型掺杂浓度)落在1017cm-3至5×1018cm-3的范围(即第二浓度范围)内。第二浓度范围内的浓度值皆小于P型重掺杂层140的P型掺杂浓度。
在一些实施例中，P型重掺杂层140的P型掺杂浓度落在5×1019cm-3至1021cm-3的范围内，且N型重掺杂层150的N型掺杂浓度落在5×1019cm-3至1021cm-3的范围内。在一些实施例中，P型重掺杂层140的P型掺杂浓度与P型半导体井层130的P型掺杂浓度的比值落在100至1000的范围内。
在一些实施例中，N型重掺杂层150在平行于第二N型半导体井层120的横向上环绕P型重掺杂层140。然而，在另一些实施例中，N型重掺杂层150在平行于第二N型半导体井层120的横向上相对于P型重掺杂层140偏向一侧配置。此两种情况将在后面关于上视图的描述中搭配图式来说明。
第一P型半导体子层132与第二N型半导体井层120之间形成一个PN接面(p-njunction)，第二N型半导体井层120与第二P型半导体子层134之间形成另一个PN接面。当单光子雪崩二极管100运作时，可在P型重掺杂层140与N型重掺杂层150之间施加逆向偏压，如此能在上述两个PN接面处都形成空乏区(depletion region)。在本实施例中，第一P型半导体子层132与第二N型半导体井层120之间形成空乏区R1，第二N型半导体井层120与第二P型半导体子层134之间形成空乏区R2。在空乏区R1及R2中有较强的电场，能够大幅加速光电子，以使光电子撞击其他原子，使其他原子游离出更多的电子，而形成崩溃电流。因此，空乏区R1与R2也可称为雪崩区。也就是说，夹状P型半导体井层(即P型半导体井层130)与第二N型半导体井层120之间形成有分别位于第二N型半导体井层120的上侧与下侧的两个雪崩区。若第一N型半导体井层110与第二N型半导体井层120的N型掺杂浓度相同或相近时，第一P型半导体子层132与第一N型半导体井层110之间可形成第三个空乏区R3，以进一步提升崩溃电流的大小。或者，若第二N型半导体井层120的N型掺杂浓度高于第一N型半导体井层110的N型掺杂浓度，则在空乏区R1与R2中可形成较强的电场。
在本实施例的单光子雪崩二极管100中，由于利用第一P型半导体子层132、第二N型半导体井层120与第二P型半导体子层134形成空乏区R1及R2，以增加光电子落于空乏区R1及R2的机会，使载子能够更实时触发崩溃，因此能有效抑制时序颤动的问题，并可有效降低光子侦测机率的损失。相对于不采用夹状P型半导体井层，而采用单层P型半导体井层形成单一空乏区的单光子雪崩二极管，其空乏区的光子侦测机率为0.5％，而中性区(即空乏区以外的区域)的光子侦测机率为0.8％，本实施例采用夹状P型半导体井层的单光子雪崩二极管100的空乏区的光子侦测机率为0.85％，大幅地提升了有效的光子侦测机率，而其中性区的光子侦测机率则为0.5％。此外，P型半导体连接层136可使第一P型半导体子层132与第二P型半导体子层134良好的电性连接，进而有效形成空乏区R1及R2。
图2A、图2B、图2C及图2D为图1的单光子雪崩二极管100的一实施例的一些膜层的上视示意图，其中为了清楚显示各膜层的水平延伸范围，图2B、图2C及图2D示出透视的效果，不同的膜层用不同的花纹来示出，若在同一区域内同时出现两种花纹，则代表此区域为两个膜层重叠之处。请参照图1、图2A、图2B、图2C及图2D，在本实施例中，此至少一个P型半导体连接层136为配置于第一P型半导体子层132在平行于第二N型半导体井层120的横向上的相对两边的二个P型半导体连接层136，且P型半导体井层130的侧向开口138为位于第一P型半导体子层132在横向上的相对另两边的二个侧向开口138。在本实施例中，N型重掺杂层150在平行于第二N型半导体井层120的横向上环绕P型重掺杂层140。
图3A、图3B、图3C及图3D为图1的单光子雪崩二极管100的另一实施例的一些膜层的上视示意图，其中为了清楚显示各膜层的水平延伸范围，图3C及图3D示出透视的效果，不同的膜层用不同的花纹来示出，若在同一区域内同时出现两种花纹，则代表此区域为两个膜层重叠之处。请参照图1及图3A至图3D，在本实施例中，P型半导体连接层136为配置于第一P型半导体子层132在平行于第二N型半导体井层120的横向上的四边的四个P型半导体连接层136，且P型半导体井层130的侧向开口138为位于第一P型半导体子层132在横向上的四个角落的四个侧向开口138。在本实施例中，N型重掺杂层150在平行于第二N型半导体井层120的横向上环绕P型重掺杂层140。
图4A、图4B、图4C及图4D为图1的单光子雪崩二极管100的又一实施例的一些膜层的上视示意图，其中为了清楚显示各膜层的水平延伸范围，图4C及图4D示出透视的效果，不同的膜层用不同的花纹来示出，若在同一区域内同时出现两种花纹，则代表此区域为两个膜层重叠之处。请参照图1及图4A至图4D，在本实施例中，P型半导体连接层136为配置于第一P型半导体子层132在平行于第二N型半导体井层120的横向上的一个角落及其相邻两边的一个P型半导体连接层136，且P型半导体井层130的侧向开口138为位于第一P型半导体子层132在横向上的另一相对角落及其相邻两边的一个侧向开口138。在本实施例中，单光子雪崩二极管100的N型重掺杂层150配置于第一N型半导体井层110上，位于侧向开口138的一侧，且呈L形(请同时参照图4C与图4D)。
在上述实施例中，第一N型半导体井层110的材质例如为掺杂有磷、砷、锑或其组合的硅，第二N型半导体井层120的材质例如为掺杂有磷、砷、锑或其组合的硅，P型半导体井层130的材质例如为掺杂有硼、铟或其组合的硅，P型重掺杂层140的材质例如为掺杂有硼、铟或其组合的硅，且N型重掺杂层150的材质例如为掺杂有磷、砷或其组合的硅，但本实用新型不以此为限。
综上所述，在本实用新型的实施例的单光子雪崩二极管中，由于利用第一P型半导体子层、第二N型半导体井层及第二P型半导体子层来形成两个PN接面，或利用夹状P型半导体井层与第二N型半导体井层来形成两个PN接面，以增加光电子落于空乏区的机会，因此能有效抑制时序颤动的问题，并可有效降低光子侦测机率的损失。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (20)

1.一种单光子雪崩二极管，其特征在于，包括：
第一N型半导体井层；
第二N型半导体井层，配置于所述第一N型半导体井层上方，其中所述第一N型半导体井层与所述第二N型半导体井层的N型掺杂浓度是落在第一浓度范围内；以及
P型半导体井层，包括：
第一P型半导体子层，配置于所述第一N型半导体井层上；
第二P型半导体子层，配置于所述第一P型半导体子层上方，其中所述第二N型半导体井层配置于所述第一P型半导体子层与所述第二P型半导体子层之间，所述第一P型半导体子层与所述第二N型半导体井层之间形成有雪崩区，且所述第二N型半导体井层与所述第二P型半导体子层之间形成有另一个雪崩区；以及
至少一个P型半导体连接层，连接所述第一P型半导体子层与所述第二P型半导体子层，其中所述第一P型半导体子层、所述第二P型半导体子层及所述P型半导体连接层的P型掺杂浓度是落在第二浓度范围内，所述P型半导体井层具有至少一个侧向开口，且所述第二N型半导体井层借由所述侧向开口与所述第一N型半导体井层连接；以及
P型重掺杂层，配置于所述第二P型半导体子层上，其中所述第二浓度范围内的浓度值皆小于所述P型重掺杂层的P型掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，包括：
N型重掺杂层，配置于所述第一N型半导体井层上。
3.根据权利要求2所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一N型半导体井层包括：
底部，其中所述第一P型半导体子层配置于所述底部上；以及
侧壁，环绕所述P型半导体井层，其中所述N型重掺杂层配置于所述侧壁的顶部。
4.根据权利要求3所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述N型重掺杂层在平行于所述第二N型半导体井层的横向上环绕所述P型重掺杂层。
5.根据权利要求3所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述N型重掺杂层在平行于所述第二N型半导体井层的横向上相对于所述P型重掺杂层偏向一侧配置。
6.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述至少一个P型半导体连接层为配置于所述第一P型半导体子层在平行于所述第二N型半导体井层的横向上的相对两边的二个P型半导体连接层，且所述至少一个侧向开口为位于所述第一P型半导体子层在所述横向上的相对另两边的二个侧向开口。
7.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述至少一个P型半导体连接层为配置于所述第一P型半导体子层在平行于所述第二N型半导体井层的横向上的四边的四个P型半导体连接层，且所述至少一个侧向开口为位于所述第一P型半导体子层在所述横向上的四个角落的四个侧向开口。
8.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述至少一个P型半导体连接层为配置于所述第一P型半导体子层在平行于所述第二N型半导体井层的横向上的一个角落及其相邻两边的一个P型半导体连接层，且所述至少一个侧向开口为位于所述第一P型半导体子层在所述横向上的另一相对角落及其相邻两边的一个侧向开口。
9.根据权利要求8所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，还包括N型重掺杂层，配置于所述第一N型半导体井层上，位于所述侧向开口的一侧，且呈L形。
10.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一P型半导体子层与所述第二P型半导体子层的间距是落在1微米至2.5微米的范围内。
11.一种单光子雪崩二极管，其特征在于，包括：
第一N型半导体井层；
第二N型半导体井层，配置于所述第一N型半导体井层上方，其中所述第一N型半导体井层及所述第二N型半导体井层的N型掺杂浓度是落在第一浓度范围内；
夹状P型半导体井层，配置于所述第一N型半导体井层上，且夹持所述第二N型半导体井层，所述夹状P型半导体井层具有至少一个侧向开口，且所述第二N型半导体井层借由所述开口与所述第一N型半导体井层连接，其中所述夹状P型半导体井层的P型掺杂浓度是落在第二浓度范围内，所述夹状P型半导体井层与所述第二N型半导体井层之间形成有分别位于所述第二N型半导体井层的上侧与下侧的两个雪崩区；以及
P型重掺杂层，配置于所述夹状P型半导体井层上，其中所述第二浓度范围内的浓度值皆小于所述P型重掺杂层的P型掺杂浓度。
12.根据权利要求11所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，包括：
N型重掺杂层，配置于所述第一N型半导体井层上。
13.根据权利要求12所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一N型半导体井层包括：
底部，其中所述夹状P型半导体井层配置于所述底部上；以及
侧壁，环绕所述夹状P型半导体井层，其中所述N型重掺杂层配置于所述侧壁的顶部。
14.根据权利要求13所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述N型重掺杂层在平行于所述第二N型半导体井层的横向上环绕所述P型重掺杂层。
15.根据权利要求13所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述N型重掺杂层在平行于所述第二N型半导体井层的横向上相对于所述P型重掺杂层偏向一侧配置。
16.根据权利要求11所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述至少一个侧向开口为位于所述夹状P型半导体井层在平行于所述第二N型半导体井层的横向上的相对两侧边的二个侧向开口。
17.根据权利要求11所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述至少一个侧向开口为位于所述夹状P型半导体井层在平行于所述第二N型半导体井层的横向上的四个角落的四个侧向开口。
18.根据权利要求11所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述至少一个侧向开口为位于所述夹状P型半导体井层在平行于所述第二N型半导体井层的横向上的一个角落及其相邻两边的一个侧向开口。
19.根据权利要求18所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，还包括N 型重掺杂层，配置于所述第一N型半导体井层上，位于所述侧向开口的一侧，且呈L形。
20.根据权利要求11所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，第二N型半导体井层的厚度是落在1微米至2.5微米的范围内。
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