DE202020003795U1

DE202020003795U1 - Silicium-Photomultiplier mit geteilten Mikrozellen

Info

Publication number: DE202020003795U1
Application number: DE202020003795.8U
Authority: DE
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2020-10-26
Anticipated expiration: 2030-09-08
Also published as: US11428826B2; US11982778B2; CN213716903U; US20210072411A1; US20220350041A1

Abstract

Halbleiterbauelement, umfassend:
ein Substrat;
eine Vielzahl von Mikrozellen in dem Substrat, wobei jede der Mikrozellen erste und zweite Einzelphoton-Avalanche-Dioden umfasst, die durch Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen getrennt sind; und
Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen, die zwischen den benachbarten Mikrozellen gebildet sind.

Description

STAND DER TECHNIK
Dies betrifft im Allgemeinen Bildgebungssysteme und insbesondere Bildgebungssysteme, die Einzelphotonen-Avalanche-Dioden (SPADs) zur Einzelphotonen-Detektion einschließen.
Moderne elektronische Vorrichtungen, wie beispielsweise Mobiltelefone, Kameras und Computer, verwenden häufig digitale Bildsensoren. Bildsensoren (manchmal als Bildwandler bezeichnet) können aus einem zweidimensionalen Array von Bilderfassungspixeln gebildet werden. Jedes Pixel schließt üblicherweise ein photosensitives Element (wie beispielsweise eine Photodiode) ein, das einfallende Photonen (Licht) empfängt und die Photonen in elektrische Signale umwandelt. Jedes Pixel kann auch eine Mikrolinse einschließen, die Licht überlappt und auf das photosensitive Element fokussiert.Herkömmliche Bildsensoren können in vielerlei Hinsicht unter einer begrenzten Funktionalität leiden. Zum Beispiel können manche herkömmliche Bildsensoren nicht in der Lage sein, den Abstand von dem Bildsensor zu den Objekten zu bestimmen, die abgebildet werden. Herkömmliche Bildsensoren können auch eine geringere Bildqualität und Auflösung als erwünscht aufweisen.
Um die Empfindlichkeit gegenüber einfallendem Licht zu verbessern, können manchmal Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPADs) in Bildgebungssystemen verwendet werden. Einzelphoton-Avalanche-Dioden können in der Lage sein, Einzelphotonen zu detektieren. Lange Wiederherstellungszeiten zwischen Lawinen, die durch einfallende Photonen verursacht werden, können jedoch zu einer schlechten Leistung führen.
In diesem Kontext entstehen die hierin beschriebenen Ausführungsformen.
Figurenliste

1 ist ein Schaltplan, der ein veranschaulichendes Einzelphoton-Avalanche-Dioden-Pixel gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2 ist eine grafische Darstellung eines veranschaulichenden Silicium-Photomultipliers gemäß einer Ausführungsform.
3 ist ein Schaltbild eines veranschaulichenden Silicium-Photomultipliers mit einem schnellen Ausgangsanschluss gemäß einer Ausführungsform.
4 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Silicium-Photomultipliers, der ein Array von Mikrozellen umfasst.
5 ist ein schematisches Diagramm eines veranschaulichenden Bildgebungssystems, das eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform einschließt.
6 ist eine Draufsicht auf eine veranschaulichende SPAD-basierte Halbleitervorrichtung mit geteilten Mikrozellen gemäß einer Ausführungsform.
7 ist eine Draufsicht auf eine veranschaulichende geteilte Mikrozelle gemäß einer Ausführungsform.
8 ist eine Querschnittsseitenansicht einer veranschaulichenden geteilten Mikrozelle gemäß einer Ausführungsform.
9 ist eine Draufsicht auf eine veranschaulichende SPAD-basierte Halbleitervorrichtung mit geteilten Mikrozellen mit benachbarten Ausgangskontakten gemäß einer Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Bildgebungssysteme, die Einzel-Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPADs) einschließen.
Manche Bildgebungssysteme schließen Bildsensoren ein, die Licht durch Umwandeln auftreffender Photonen in Elektronen oder Löcher erfassen, die in Pixelphotodioden innerhalb des Sensorarrays integriert (gesammelt) sind. Nach Abschluss eines Integrationszyklus wird gesammelte Ladung in eine Spannung umgewandelt, die den Ausgangsanschlüssen des Sensors zugeführt wird. In komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Bildsensoren (CMOS) wird die Ladungs-Spannungs-Umwandlung direkt in den Pixeln selbst erreicht, und die analoge Pixelspannung wird über verschiedene Pixeladressierungs- und Abtastschemata zu den Ausgangsanschlüssen übertragen. Die analoge Pixelspannung kann später auch auf einem Chip in ein digitales Äquivalent umgewandelt und auf verschiedene Weise in der digitalen Domäne verarbeitet werden.
Auf der anderen Seite ist bei Einzelphoton-Avalanche-Dioden- (SPAD-) Vorrichtungen das Prinzip der Photonendetektion anders. Die Lichterfassungsdiode ist über ihren Durchbruchspunkt vorgespannt, und wenn ein einfallendes Photon ein Elektron oder Loch erzeugt, initiiert dieser Träger einen Lawinendurchbruch, wobei zusätzliche Träger erzeugt werden. Die Lawinenmultiplikation kann ein Stromsignal erzeugen, das leicht durch Ausleseschaltungsanordnungen detektiert werden kann, die der SPAD zugeordnet ist. Der Lawinenprozess kann gestoppt (oder gedämpft) werden, indem die Diodenvorspannung unter ihren Durchbruchpunkt abgesenkt wird. Jede SPAD kann daher eine passive und/oder aktive Löschschaltung zum Anhalten der Lawine einschließen.
Dieses Konzept kann auf zwei Arten verwendet werden. Erstens können die ankommenden Photonen einfach gezählt werden (z. B. bei Anwendungen mit niedrigem Lichtpegel). Zweitens können die SPAD-Pixel verwendet werden, um die Photonenflugzeit (ToF) von einer synchronisierten Lichtquelle zu einem Motivobjektpunkt und zurück zu dem Sensor zu messen, was verwendet werden kann, um ein Echtzeitbild 3 des Motivs zu erlangen.
1 ist ein Schaltplan einer veranschaulichenden SPAD-Vorrichtung 202. Wie in 1 gezeigt, schließt die SPAD-Vorrichtung 202 eine SPAD 204 ein, die in Reihe mit der Löschschaltungsanordnung 206 zwischen einem ersten Versorgungsspannungsanschluss 210 (z. B. einem Masseenergieversorgungsspannungsanschluss) und einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss 208 (z. B. einem positiven Energieversorgungsspannungsanschluss) gekoppelt ist. Insbesondere schließt die SPAD-Vorrichtung 202 eine SPAD 204 mit einem Anodenanschluss, der mit dem Energieversorgungsspannungsanschluss 210 verbunden ist, und einem Kathodenanschluss, der direkt mit der Löschschaltungsanordnung 206 verbunden ist, ein. Die SPAD-Vorrichtung 202, welche die SPAD 204 einschließt, die in Reihe mit einem Löschwiderstand 206 geschaltet ist, wird manchmal kollektiv als eine photoausgelöste Einheit oder „Mikrozelle“ bezeichnet. Während des Betriebs der SPAD-Vorrichtung 202 können die Versorgungsspannungsanschlüsse 208 und 210 verwendet werden, um die SPAD 204 auf eine Spannung vorzuspannen, die höher ist als die Durchbruchspannung (z. B. wird die Vorspannung Vbias an den Anschluss 208 angelegt). Die Durchbruchspannung ist die größte Sperrspannung, die an die SPAD 204 angelegt werden kann, ohne eine exponentielle Zunahme des Leckstroms in der Diode zu verursachen. Wenn die SPAD 204 auf diese Weise über die Durchbruchspannung in Sperrrichtung vorgespannt wird, kann eine Absorption eines Einzel-Photons eine kurze Dauer, aber einen relativ großen Lawinenstrom durch Stoßionisation auslösen.
Die Löschschaltungsanordnung 206 (manchmal als Löschelement 206 bezeichnet) kann verwendet werden, um die Vorspannung der SPAD 204 unter den Pegel der Durchbruchspannung zu senken. Das Absenken der Vorspannung der SPAD 204 unter die Durchbruchspannung stoppt den Lawinenprozess und den entsprechenden Lawinenstrom. Es gibt zahlreiche Wege, um die Löschschaltungsanordnung 206 zu bilden. Die Löschschaltungsanordnung 206 kann eine passive Löschschaltungsanordnung oder eine aktive Löschschaltungsanordnung sein. Die passive Löschschaltungsanordnung kann ohne eine externe Steuerung oder Überwachung automatisch den einmal eingeleiteten Lawinenstrom dämpfen. Zum Beispiel zeigt 1 ein Beispiel, in dem eine Widerstandskomponente verwendet wird, um die Löschschaltungsanordnung 206 zu bilden. Dies ist ein Beispiel einer passiven Löschschaltungsanordnung.
Dieses Beispiel einer passiven Löschschaltungsanordnung ist lediglich veranschaulichend. Die aktive Löschschaltungsanordnung kann auch in der SPAD-Vorrichtung 202 verwendet werden. Aktive Löschschaltungsanordnungen können die Zeit verringern, die benötigt wird, damit die SPAD-Vorrichtung 202 zurückgesetzt wird. Dies kann es der SPAD-Vorrichtung 202 erlauben, einfallendes Licht bei einer schnelleren Rate zu detektieren als wenn eine passive Löschschaltungsanordnung verwendet wird, was den Dynamikbereich der SPAD-Vorrichtung verbessert. Die aktive Löschschaltungsanordnung kann den SPAD-Dämpfungswiderstand modulieren. Bevor ein Photon detektiert wird, wird zum Beispiel der Löschwiderstand auf einen hohen Wert eingestellt, und wenn ein Photon detektiert wird und die Lawine gedämpft wird, wird der Widerstand minimiert, um die Wiederherstellungszeit zu verringern.
Die SPAD-Vorrichtung 202 kann auch eine Ausleseschaltungsanordnung 212Ausleseschaltungsanordnung 212 einschließen. Es gibt zahlreiche Wege, die Ausleseschaltungsanordnung 212 zu bilden, um Informationen von der SPAD-Vorrichtung 202 zu erlangen. Die Ausleseschaltungsanordnung 212 kann eine Impulszählschaltung einschließen, die ankommende Photonen zählt. Alternativ oder zusätzlich kann die Ausleseschaltungsanordnung 212 eine Flugzeitschaltungsanordnung einschließen, die verwendet wird, um die Photonenflugzeit (ToF) zu messen. Die Photonenflugzeitinformationen können verwendet werden, um eine Tiefenerfassung durchzuführen. In einem Beispiel können Photonen durch einen analogen Zähler gezählt werden, um das Lichtintensitätssignal als eine entsprechende Pixelspannung zu bilden. Das ToF-Signal kann erlangt werden, indem auch die Zeit des Photonenflugs in eine Spannung umgewandelt wird. Das Beispiel einer analogen Impulszählschaltung, die in der Ausleseschaltungsanordnung 212 eingeschlossen ist, ist lediglich veranschaulichend. Falls gewünscht, kann die Ausleseschaltungsanordnung 212 digitale Impulszählschaltungen einschließen. Die Ausleseschaltungsanordnung 212 kann, falls gewünscht, auch eine Verstärkungsschaltungsanordnung einschließen.
Das Beispiel in 1, bei dem die Ausleseschaltungsanordnung 212 an einen Knoten zwischen Diode 204 und Anschluss 210 (z. B. die Anode) gekoppelt ist, ist lediglich veranschaulichend. Die Ausleseschaltungsanordnung 212 kann mit Anschluss 208 oder einem beliebigen gewünschten Abschnitt der SPAD-Vorrichtung (z. B. mit der Kathode der SPAD-Vorrichtung) verbunden werden. In manchen Fällen kann die Löschschaltungsanordnung 206 als integral mit der Ausleseschaltungsanordnung 212 betrachtet werden.
Da SPAD-Vorrichtungen ein einzelnes einfallendes Photon detektieren können, sind die SPAD-Vorrichtungen wirksam bei Bildgebungsmotiven mit geringen Lichtpegeln. Jede SPAD kann die Zahl der Photonen detektieren, die innerhalb eines gegebenen Zeitraums empfangen werden (z. B. unter Verwendung einer Ausleseschaltungsanordnung, die eine Zählschaltung einschließt). Jedoch muss, wie oben erwähnt, jedes Mal, wenn ein Photon empfangen und ein Lawinenstrom initiiert wird, die SPAD-Vorrichtung gelöscht und zurückgesetzt werden, bevor sie bereit ist, ein anderes Photon zu detektieren. Wenn die Einfallslichtpegel zunehmen, wird die Rücksetzzeit für den Dynamikbereich der SPAD-Vorrichtung begrenzend (z. B. wenn Einfallslichtpegel einen gegebenen Pegel überschreiten, wird die SPAD-Vorrichtung unmittelbar beim Zurücksetzen ausgelöst).
Mehrere SPAD-Vorrichtungen können zusammen gruppiert werden, um dabei zu helfen, den Dynamikbereich zu erhöhen. 2 ist ein Schaltplan einer veranschaulichenden Gruppe 220 von SPAD-Vorrichtungen 202. Die Gruppe oder das Array von SPAD-Vorrichtungen kann manchmal als Silicium-Photomultiplier (SiPM) bezeichnet werden. Wie in 2 gezeigt, kann der Silicium-Photomultiplier 220 mehrere SPAD-Vorrichtungen einschließen, die zwischen dem ersten Versorgungsspannungsanschluss 208 und dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss 210 parallel geschaltet sind. 2 zeigt N SPAD-Vorrichtungen 202, die parallel geschaltet sind (z. B. SPAD-Einrichtung 202-1, SPAD-Vorrichtung 202-2, SPAD-Vorrichtung 202-3, SPAD-Vorrichtung 202-4, ..., SPAD-Vorrichtung 202-N). Mehr als zwei SPAD-Vorrichtungen, mehr als zehn SPAD-Vorrichtungen, mehr als einhundert SPAD-Vorrichtungen, mehr als eintausend SPAD-Vorrichtungen usw. können in einem gegebenen Silicium-Photomultiplier 220 eingeschlossen sein.
Jede SPAD-Vorrichtung 202 kann manchmal hierin als ein SPAD-Pixel 202 bezeichnet werden. Obwohl nicht explizit in der 2 gezeigt, kann eine Ausleseschaltungsanordnung für den Silicium-Photomultiplier 220 den kombinierten Ausgangsstrom von allen SPAD-Pixeln in dem Silicium-Photomultiplier messen. In dieser Art und Weise konfiguriert, kann der Dynamikbereich eines Bildgebungssystems einschließlich der SPAD-Pixel erhöht werden. Für jedes SPAD-Pixel ist nicht garantiert, dass ein Lawinenstrom ausgelöst wird, wenn ein einfallendes Photon empfangen wird. Die SPAD-Pixel können eine zugeordnete Wahrscheinlichkeit aufweisen, dass ein Lawinenstrom ausgelöst wird, wenn ein einfallendes Photon empfangen wird. Es besteht eine erste Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron erzeugt wird, wenn ein Photon die Diode erreicht, und dann eine zweite Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron einen Lawinenstrom auslöst. Die Gesamtwahrscheinlichkeit, dass ein Photon einen Lawinenstrom auslöst, kann als die Photonendetektionseffizienz (PDE) der SPAD bezeichnet werden. Ein Gruppieren mehrerer SPAD-Pixeln zusammen in dem Silicium-Photomultiplier erlaubt daher eine genauere Messung des ankommenden einfallenden Lichts. Wenn zum Beispiel ein einzelnes SPAD-Pixel eine PDE von 50 % aufweist und ein Photon während einer Zeitperiode empfängt, gibt es eine 50 %-Chance, dass das Photon nicht detektiert wird. Mit dem Silicium-Photomultiplier 220 von 2 ergeben sich Chancen, dass zwei der vier SPAD-Pixel das Photon detektieren, wodurch die bereitgestellten Bilddaten für die Zeitperiode verbessert werden.
Das Beispiel von 2, in dem die Vielzahl von SPAD-Pixeln 202 eine gemeinsame Ausgabe in dem Silicium-Photomultiplier 220 teilen, ist lediglich veranschaulichend. In dem Fall eines Bildgebungssystems, das einen Silicium-Photomultiplier mit einem gemeinsamen Ausgang für alle SPAD-Pixel einschließt, weist das Bildgebungssystem möglicherweise keine Auflösung bei der Abbildung eines Motivs auf (z. B. kann der Silicium-Photomultiplier nur einen Photonenfluss an einem einzigen Punkt detektieren). Es kann wünschenswert sein, SPAD-Pixel zu verwenden, um Bilddaten über ein Array zu erlangen, um eine Wiedergabe des abgebildeten Motivs mit einer höheren Auflösung zu erlauben. In Fällen wie diesen können die SPAD-Pixel in einem einzigen Bildgebungssystem Auslesefähigkeiten pro Pixel aufweisen. Alternativ kann ein Array von Silicium-Photomultipliern (jeweils mit mehr als einem SPAD-Pixel) in dem Bildgebungssystem eingeschlossen sein. Die Ausgaben von jedem Pixel oder von jedem Silicium-Photomultiplier können verwendet werden, um Bilddaten für ein abgebildetes Motiv zu erzeugen. Das Array kann zur unabhängigen Detektion (entweder unter Verwendung eines einzelnen SPAD-Pixels oder einer Vielzahl von SPAD-Pixeln in einem Silicium-Photomultiplier) in einem Zeilenarray (z. B. einem Array mit einer einzelnen Zeile und mehreren Spalten oder einer einzelnen Spalte und mehreren Zeilen) oder einem Array mit mehr als zehn, mehr als einhundert oder mehr als eintausend Zeilen und/oder Spalten fähig sein.
Obwohl es eine Anzahl von möglichen Verwendungsfällen für SPAD Pixel wie oben erörtert gibt, ist die zugrundeliegende Technologie zum Detektieren von einfallendem Licht die gleiche. Alle der zuvor erwähnten Beispiele von Vorrichtungen, die SPAD-Pixel verwenden, können kollektiv als SPAD-basierte Halbleitervorrichtungen bezeichnet werden. Ein Silicium-Photomultiplier mit einer Vielzahl von SPAD-Pixeln mit einem gemeinsamen Ausgang kann als eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung bezeichnet werden. Ein Array von SPAD-Pixeln mit Auslesefähigkeiten pro Pixel kann als eine SPAD-basiertes Halbleitervorrichtung bezeichnet werden. Ein Array aus Silicium-Photomultipliern mit Photomultiplier-Auslesefähigkeiten pro Silicium kann als eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung bezeichnet werden.
3 veranschaulicht einen Silicium-Photomultiplier 30. Wie in 3 gezeigt, weist ein SiPM 30 einen dritten Anschluss 35 auf, der kapazitiv mit jedem Kathodenanschluss 31 gekoppelt ist, um ein schnelles Auslesen der Lawinensignale von den SPADs 33 bereitzustellen. Wenn dann die SPADs 33 einen Stromimpuls ausgeben, wird ein Teil der resultierenden Spannungsänderung an der Kathode 31 über die wechselseitige Kapazität in den dritten („schnellen“) Ausgangsanschluss 35 eingekoppelt. Das Verwenden des dritten Anschlusses 35 zum Auslesen vermeidet die beeinträchtigte Übergangsleistung, die sich aus der relativ großen RC-Zeitkonstante ergibt, die der Vorspannungsschaltung zugeordnet ist, die den oberen Anschluss des Löschwiderstands vorspannt.
Es versteht sich für den Fachmann, dass Silicium-Photomultiplier Hauptbusleitungen 44 und Nebenbusleitungen 45 einschließen, wie in 4 veranschaulicht. Der Nebenbusleitungen 45 können direkt mit jeder einzelnen Mikrozelle 25 verbunden sein. Die Nebenbusleitungen 45 werden dann mit den Hauptbusleitungen 4 gekoppelt, die mit den Bondpads verbunden sind, die Anschlüssen 37 und 35 zugeordnet sind. Üblicherweise erstrecken sich die Nebenbusleitungen 45 vertikal zwischen den Spalten von Mikrozellen 25, wohingegen sich die Hauptbusleitungen 44 horizontal benachbart zu der äußeren Reihe der Mikrozellen 25 erstrecken.
Ein Bildgebungssystem 10 mit einer SPAD-basierten Halbleitervorrichtung ist in 5 gezeigt. Ein Bildgebungssystem 10 kann eine elektronische Vorrichtung wie eine Digitalkamera, ein Computer, ein Mobiltelefon, eine medizinische Vorrichtung oder eine andere elektronische Vorrichtung sein. Ein Bildgebungssystem 10 kann ein Bildgebungssystem in einem Fahrzeug sein (manchmal auch als Fahrzeug-Bildgebungssystem bezeichnet). Ein Bildgebungssystem 10 kann für LIDAR-Anwendungen verwendet werden.
Ein Bildgebungssystem 10 kann eine oder mehrere SPAD-basierte Halbleitervorrichtungen 14 einschließen (manchmal auch als Halbleitervorrichtungen 14, Vorrichtungen 14, SPAD-basierte Bildsensoren 14 oder Bildsensoren 14 bezeichnet). Eine oder mehrere Linsen 28 können optional jede Halbleitervorrichtung 14 abdecken. Während des Vorgangs können die Linsen 28 (manchmal auch als Optik 28 bezeichnet) Licht auf eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 14 fokussieren. Eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 14 kann SPAD-Pixel einschließen, die das Licht in digitale Daten umwandeln. Die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung kann eine beliebige Anzahl von SPAD-Pixeln aufweisen (z. B. Hunderte, Tausende, Millionen oder mehr).
Die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 14 kann optional eine zusätzliche Schaltungsanordnung, wie Logikgatter, Digitalzähler, Zeit-Digital-Wandler, eine Vorspannungsschaltungsanordnung (z. B. Source-Folger-Lastschaltungen), eine Abtast-Halte-Schaltungsanordnung, eine Doppelabtastungskorrelations- (CDS-) Schaltungsanordnung, eine Verstärkerschaltungsanordnung, eine Analog-Digital- (ADC-) Wandlerschaltungsanordnung, eine Datenausgabeschaltungsanordnung, einen Speicher (z. B. eine Zwischenspeicherschaltungsanordnung), eine Adressenschaltungsanordnung usw. einschließen.
Bilddaten von der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung 14 können der Bildverarbeitungsschaltungsanordnung 16 bereitgestellt werden. Die Bildverarbeitungsschaltungsanordnung 16 kann verwendet werden, um die Bildverarbeitungsfunktionen, wie automatische Fokussierungsfunktionen, Tiefenerfassung, Datenformatierung, Einstellen eines Weißabgleichs und Belichtung, Implementierung von Videobildstabilisierung, Gesichtserkennung usw., durchzuführen. Zum Beispiel kann bei automatischen Fokussierungsvorgängen die Bildverarbeitungsschaltungsanordnung 16 Prozessdaten verarbeiten, die durch SPAD-Pixel gesammelt werden, um die Größe und Richtung der Linsenbewegung (z. B Bewegung der Linse 28) zu bestimmen, die benötigt werden, um ein Objekt von Interesse zu fokussieren. Die Bildverarbeitungsschaltungsanordnung 16 kann die von den SPAD-Pixeln gesammelten Daten verarbeiten, um eine Tiefenkarte der Szene zu bestimmen.
Bildverarbeitungssystem 10 kann dem Benutzer zahlreiche hochentwickelte Funktionen bereitstellen. Beispielsweise kann einem Nutzer in einem Computer oder einem hochentwickelten Mobiltelefon die Möglichkeit geboten werden, Nutzeranwendungen laufen zu lassen. Um diese Funktionen zu implementieren, kann das Bildgebungssystem Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen 22 wie Tastaturen, Tasten, Eingabe-Ausgabeanschlüsse, Joysticks und Displays einschließen. Zusätzliche Speicher- und Verarbeitungsschaltungsanordnung wie flüchtiger und nichtflüchtiger Speicher (z. B. Direktzugriffsspeicher, Flash-Speicher, Festplatten, Solid-State-Laufwerke usw.), Mikroprozessoren, Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen und/oder andere Verarbeitungsschaltungen können auch in das Bildgebungssystem eingeschlossen sein.
Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen 22 können Ausgabevorrichtungen einschließen, die in Kombination mit der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung arbeiten. Zum Beispiel kann eine lichtemittierende Komponente in dem Bildgebungssystem eingeschlossen sein, um Licht zu emittieren (z. B. Infrarotlicht oder Licht jeder anderen gewünschten Art). Die Halbleitervorrichtung 14 kann die Reflexion des Lichts von einem Objekt messen, um den Abstand zum Objekt in einem LIDAR- (light detection and ranging) Schema zu messen.
Jede Einzelphoton-Avalanche-Diode in der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung 14 kann eine zugeordnete Wiederherstellungszeit aufweisen. Wie zuvor erörtert, kann eine Löschschaltungsanordnung, wenn ein Photon einen Lawinenstrom in der SPAD verursacht, den Lawinenstrom stoppen. Nachdem der Lawinenstrom gestoppt wurde, können die Versorgungsspannungsanschlüsse verwendet werden, um die SPAD 204 wieder auf eine Spannung vorzuspannen, die höher als die Durchbruchspannung ist (wodurch die SPAD in einen Zustand versetzt wird, in dem sie ein weiteres einfallendes Photon detektieren kann).
Die Löschschaltungsanordnung 206 kann eine passive Löschschaltungsanordnung oder eine aktive Löschschaltungsanordnung sein. Die passive Löschschaltungsanordnung kann ohne eine externe Steuerung oder Überwachung automatisch den einmal eingeleiteten Lawinenstrom dämpfen. Zum Beispiel zeigt 1 ein Beispiel, in dem eine Widerstandskomponente verwendet wird, um die Löschschaltungsanordnung 206 zu bilden. Dies ist ein Beispiel einer passiven Löschschaltungsanordnung. Aktive Löschschaltungsanordnungen können auch in der SPAD-Vorrichtung 202 verwendet werden, wie in Verbindung mit 1 erörtert.
Die Zeitdauer zwischen der Auslösung eines Lawinenstroms und der Bereitschaft der SPAD, um ein anderes Photon zu detektieren, kann als Rücksetzzeit, Wiederherstellungszeit, Wiederaufladungszeit usw. bezeichnet werden. Im Allgemeinen kann die Wiederherstellungszeit proportional zur Kapazität der Mikrozelle und dem Löschwiderstand sein. Diese Faktoren können jedoch andere Gesichtspunkte der SPAD-Leistung beeinflussen und können nicht unbedingt beliebig reduziert werden.
Um die Wiederherstellungszeit zu reduzieren, kann jede Mikrozelle in zwei oder mehr unabhängig voneinander verbundene Segmente unterteilt werden. Jedes Mikrozellensegment (manchmal auch als Mikrozellenabschnitt bezeichnet) kann daher eine kleinere Fläche als eine einzelne kontinuierliche Mikrozelle aufweisen. Die Kapazität der Mikrozelle kann proportional zur Größe der Mikrozelle sein. Somit wird ein Beispiel einer Mikrozelle betrachtet, die in zwei gleichmäßig große Segmente (Hälften) unterteilt ist. Jedes Segment kann eine entsprechende Kapazität haben, die niedriger ist als die Kapazität einer einzelnen Mikrozelle, die doppelt so groß ist. Daher wird die Wiederherstellungszeit für das Mikrozellensegment im Vergleich zur Wiederherstellungszeit einer doppelt so großen Mikrozelle verkürzt.
Mikrozellen können manchmal anfällig für optisches Übersprechen sein. Normalerweise ist Übersprechen unerwünscht, und die Mikrozellen können so bemessen, positioniert und/oder abgeschirmt sein, dass optisches Übersprechen verhindert wird. Übersprechen tritt auf, wenn ein Photon, das auf eine erste Mikrozelle auftrifft, einen Lawinenstrom auf der ersten Mikrozelle und einer benachbarten Mikrozelle verursacht. Der Lawinenstrom der ersten Mikrozelle kann wiederum Photonen erzeugen, die sich während des optischen Übersprechens zu einer zweiten, benachbarten Mikrozelle bewegen und einen Lawinenstrom in der zweiten Mikrozelle verursachen. Diese Art von optischem Übersprechen ist aufgrund des reduzierten dynamischen Bereichs und der geringeren Signalgenauigkeit in der Regel unerwünscht.
Wenn eine Mikrozelle jedoch in mehrere Segmente, wie oben erörtert, zur Verlängerung der Wiederherstellungszeit geteilt wird, kann das Phänomen des optischen Übersprechens unter Umständen nicht mehr nachteilig sein. Die Lücke zwischen Mikrozellensegmenten kann verkleinert werden (selbst wenn eine hohe Wahrscheinlichkeit für Übersprechen besteht). In einigen Beispielen kann die Lücke zwischen Mikrozellensegmenten ausreichend klein gemacht werden, um ein optisches Übersprechen zwischen den Mikrozellensegmenten sicherzustellen (z. B. eine 100 %-ige Wahrscheinlichkeit des Übersprechens). Folglich wird immer, wenn in einem der Mikrozellensegmente Lawinenstrom fließt, in dem anderen Mikrozellensegment auch Lawinenstrom fließen.
Ein solches Aufteilen der Mikrozelle führt dazu, dass die Wiederherstellungszeit der Mikrozelle der Wiederherstellungszeit eines der Mikrozellensegmente entspricht. Da die Mikrozellensegmente einen kleineren Bereich als ein nicht segmentierter Bereich aufweisen, ist die Wiederherstellungszeit im Vergleich zu einem Beispiel, bei dem eine nicht segmentierte Mikrozelle verwendet wird, reduziert.
6 ist eine Draufsicht auf eine veranschaulichende SPAD-basierte Halbleitervorrichtung mit geteilten Mikrozellen. Wie in 6 gezeigt, kann eine bestimmte Mikrozelle 25 einen ersten Mikrozellenabschnitt 25-1 und einen zweiten Mikrozellenabschnitt 25-2 aufweisen. Jede Mikrozelle in der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung 14 kann auf diese Weise geteilt werden. Jeder Mikrozellenabschnitt kann einen entsprechenden Ausgangskontakt 302 aufweisen, der elektrisch mit einer Ausgangsleitung wie der Nebenbusleitung 45 verbunden ist. Wie im Zusammenhang mit 4 gezeigt, können die Nebenbusleitungen 45, falls gewünscht, mit einer Hauptbusleitung 44 gekoppelt werden. Busleitungen 45 können in einem Beispiel mit der SPAD gekoppelt sein, die jedem Mikrozellenabschnitt in einem Beispiel zugeordnet ist, und können ein Signal ausgeben, das angibt, wann in der jeweiligen SPAD eine Lawine ausgelöst wird.
Jeder Mikrozellenabschnitt kann eine entsprechende SPAD 204 mit einer Löschschaltungsanordnung wie einem Widerstand 206 aufweisen. Die Mikrozellenabschnitte sind jedoch nahe beieinander angeordnet. Wie in 6 gezeigt, ist der Mikrozellenabschnitt 25-1 vom Mikrozellenabschnitt 25-2 durch den Abstand 304 getrennt. Der Abstand 304 kann so klein wie möglich gemacht werden, um das Verhältnis von lichtempfindlichem Bereich zu nicht lichtempfindlichem Bereich auf der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung zu erhöhen. Der Abstand 304 kann auch dann reduziert werden, wenn ein optisches Übersprechen zwischen den Mikrozellenabschnitten 25-1 und 25-2 wahrscheinlich oder sogar garantiert wird. Zum Beispiel kann der Abstand 304 weniger als 10 Mikrometer, weniger als 5 Mikrometer, weniger als 3 Mikrometer, weniger als 2 Mikrometer, weniger als 1 Mikrometer, zwischen 1 und 2 Mikrometer, zwischen 1 und 1,5 Mikrometer, zwischen 1 und 1,2 Mikrometer, größer als 1,0 Mikrometer usw. sein. Der Abstand 304 kann über einem Mindestabstand liegen, um das elektrische Übersprechen zwischen den Mikrozellenabschnitten zu reduzieren. Während optisches Übersprechen die Leistung der Vorrichtung nicht nachteilig beeinflusst, kann elektrisches Übersprechen die Leistung der Vorrichtung negativ beeinflussen und kann daher abgeschwächt werden. Der Abstand 304 kann ausreichend klein sein, so dass die Wahrscheinlichkeit des optischen Übersprechens zwischen den Mikrozellenabschnitten 25-1 und 25-2 größer als 20 %, größer als 50 %, größer als 75 %, größer als 90 %, größer als 95 %, größer als 99 %, größer als 99,9 %, kleiner als 100 %, zwischen 90 % und 100 % usw. ist.
7 ist eine Draufsicht auf eine veranschaulichende geteilte Mikrozelle des in 6 gezeigten Typs. Wie in 7 gezeigt, schließt die Mikrozelle 25 den ersten Mikrozellenabschnitt 25-1 und den zweiten Mikrozellenabschnitt 25-2 ein.
Mikrozellenabschnitt 25-1 schließt eine Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) 204-1 ein. Ein Ausgangskontakt 302 kann einen Abschnitt von SPAD 204-1 (z. B. die Anode) mit einer Ausgangsleitung, wie Leitung 45 in 6, elektrisch in Kontakt bringen. Der Mikrozellenabschnitt 25-1 schließt auch einen Widerstand 206-1 (z. B. Löschschaltungsanordnung 206-1) ein. Ein Kontakt 306 kann mit einem Abschnitt von SPAD 204-1 (z. B. der Kathode) gekoppelt sein. Die Verbindung 308 kann den Kontakt 306 mit dem Kontakt 310 am Widerstand 206-1 elektrisch in Kontakt bringen, wodurch die Kathode von SPAD 204-1 mit dem Widerstand 206-1 elektrisch verbunden wird.
Die Mikrozelle 25-2 kann eine ähnliche Anordnung wie die Mikrozelle 25-1 aufweisen. Der Mikrozellenabschnitt 25-2 schließt eine Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) 204-2 ein. Ein Ausgangskontakt 302 kann einen Abschnitt von SPAD 204-2 (z. B. die Anode) mit einer Ausgangsleitung wie Leitung 45 in 6 elektrisch in Kontakt bringen. Der Mikrozellenabschnitt 25-2 schließt auch einen Widerstand 206-2 (z. B. die Löschschaltungsanordnung 206-2) ein. Ein Kontakt 306 kann mit einem Abschnitt von SPAD 204-2 (z. B. der Kathode) gekoppelt werden. Die Verbindung 308 kann den Kontakt 306 mit dem Kontakt 310 am Widerstand 206-2 elektrisch in Kontakt bringen und somit die Kathode von SPAD 204-2 mit dem Widerstand 206-2 elektrisch verbinden.
Die Mikrozelle 25 kann von einer Mikrozellen-Zwischenisolation umgeben sein, die Trenchisolationsstrukturen 314 einschließt. Die Trenchisolationsstrukturen 314 können aus einer tiefen Trenchisolation (DTI) gebildet sein und können als Isolationsstrukturen 314, tiefe Trenchisolationsstrukturen 314, Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen 314 usw. bezeichnet werden. In einer veranschaulichenden Anordnung können die Isolationsstrukturen 314 aus Polysilicium in einem Trench im Halbleitersubstrat gebildet sein.
Die Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen können eine ausreichende Isolation bereitstellen, um optisches Übersprechen zwischen benachbarten Mikrozellen zu verhindern. Zwischen den Mikrozellenabschnitten der Mikrozelle ist es jedoch nicht notwendig, das Übersprechen abzuschwächen. Daher kann die Mikrozellen-Innenisolation zwischen unterschiedlichen Mikrozellenabschnitten anders sein als die Mikrozellen-Zwischenisolation zwischen unterschiedlichen Mikrozellen.
Mikrozelle 25 kann die lokale Oxidation von Silicium (LOCOS)-Abschnitten 316 einschließen. Die LOCOS-Abschnitte (manchmal auch als oxidierte Abschnitte 316 bezeichnet) können durch Siliciumdioxid gebildet werden, das sich tiefer als die obere Oberfläche des Substrats für die Mikrozelle erstreckt. Da die Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Siliciumdioxid auf einer niedrigeren Ebene als der Rest des Substrats gebildet ist (z. B. in SPAD 204-1 und 204-2), können die LOCOS-Strukturen 316 unterschiedliche Abschnitte in der Mikrozelle isolieren. Die LOCOS-Struktur 316 kann zwischen SPAD 204-1 und 204-2 gebildet sein und kann als Mikrozellen-Innenisolation dienen, die ein elektrisches Übersprechen zwischen den SPADs 204-1 und 204-2 verhindert. Zusätzliche Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen können zwischen den Mikrozellenabschnitten eingeschlossen sein, wie in Verbindung mit 8 ausführlicher erörtert wird.
8 ist eine Querschnittsseitenansicht, welche die geteilte Mikrozelle von 7 zeigt. Die Mikrozelle kann in einem Substrat 328 gebildet sein. Das Substrat 328 kann optional mehrere Schichten einschließen. In dem Beispiel von 8 weist das Substrat 328 ein Epitaxiesubstrat 328-1 vom p-Typ (p+) auf, das auf einem p+-Substrat 328-2 gebildet ist. Dieses Beispiel ist lediglich veranschaulichend, und das Halbleitersubstrat 328 kann, falls gewünscht, andere Anordnungen aufweisen.
Der Mikrozellenabschnitt 25-1 schließt eine Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) 204-1 ein. SPAD 204-1 kann von einem Implantat vom p-Typ 318 (manchmal auch als Anreicherungsimplantat bezeichnet) und einem n+-Implantat 320 gebildet sein. Ein Kontakt 306 kann mit einem Abschnitt von SPAD 204-1 (z. B. der Kathode, die vom n + - Implantat 320 gebildet ist) gekoppelt sein. Die Verbindung 308 kann den Kontakt 306 mit dem Kontakt 310 am Widerstand 206-1 elektrisch verbinden.
Der Mikrozellenabschnitt 25-2 schließt eine Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) 204-2 ein. SPAD 204-2 kann von einem Implantat vom p-Typ 318 (manchmal auch als Anreicherungsimplantat bezeichnet) und einem n+-Implantat 320 gebildet sein. Ein Kontakt 306 kann mit einem Abschnitt von SPAD 204-2 (z. B. der Kathode, die vom n + - Implantat 320 gebildet ist) gekoppelt sein. Die Verbindung 308 kann den Kontakt 306 mit dem Kontakt 310 am Widerstand 206-2 elektrisch verbinden.
Die Widerstände 206-1 und 206-2 (die aus Polysilicium oder einem anderen gewünschten widerstandsfähigem Material gebildet sein können) können auf oxidierten Substratabschnitten 316 gebildet sein. Trenchisolationsstrukturen 314 können unter den Widerständen und LOCOS-Strukturen 316 gebildet sein. Wie gezeigt, können Trenchisolationsstrukturen 314 von einem Trench gebildet sein, der sich von den LOCOS-Strukturen 316 durch die Substratschicht 328-1 in die Substratschicht 328-2 erstreckt. Ein isolierendes Material wie ein Oxidmaterial oder Polysilicium kann die Trenche der Trenchisolationsstrukturen 314 füllen. Dotierte Abschnitte 326, manchmal auch als Feldimplantate 326 bezeichnet, können eine zusätzliche Isolation zwischen den Mikrozellen bereitstellen. Die Feldimplantate 326 können zum Beispiel p+-dotierte Bereiche sein. Die Trenchisolationsstrukturen 314, die LOCOS-Abschnitte 316 und die Feldimplantate 326 zwischen benachbarten Mikrozellen können manchmal gemeinsam als Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen bezeichnet werden.
Die geteilte Mikrozelle kann auch Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen 330 einschließen, die zwischen den Mikrozellenabschnitten gebildet sind. Die Isolationsstrukturen 330 können einen LOCOS-Abschnitt 316 und ein Feldimplantat 326 ähnlich den Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen einschließen. Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen 330 schließen jedoch keine Trenchisolationsstruktur 314 ein. Die Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen können eine hohe oder garantierte Wahrscheinlichkeit eines optischen Übersprechens zwischen den Mikrozellenabschnitten ermöglichen (z. B. löst eine Lawine in Diode 204-1 eine Lawine in Diode 204-2 aus und umgekehrt). Dies darf die Leistung der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung nicht nachteilig beeinflussen.
Die Pixel-Innenisolationsstrukturen unterscheiden sich daher von den Pixel-Zwischenisolationsstrukturen. Dies kann ermöglichen, dass die Mikrozelle für eine verbesserte Wiederherstellungszeit zwischen den Segmenten geteilt wird, während dennoch das Übersprechen zwischen benachbarten Mikrozellen reduziert wird und während der lichtempfindliche Bereich der Mikrozelle maximiert wird.
Eine Antireflexbeschichtung (ARC) 322 kann über dem Substrat gebildet sein. Die Antireflexbeschichtung kann eine Gummituchbeschichtung sein, welche die gesamte Oberfläche des Substrats bedeckt. Alternativ kann die Antireflexbeschichtung strukturiert sein, um Abschnitte des Substrats, falls gewünscht, unbedeckt zu lassen. Dielektrische Schichten 324 können über den LOCOS-Strukturen 316 gebildet sein, und einige der Kontakte und Verbindungen der Mikrozelle (z. B. die Kontakte 306, 310 und die Verbindung 308 sind mit dielektrischen Schichten 324 bedeckt).
Das Beispiel der Verwendung der LOCOS-Strukturen 316 in 8 ist lediglich veranschaulichend. Anstelle der LOCOS-Strukturen 316 können, falls gewünscht, auch andere Isolationsstrukturen, wie die flache Trenchisolation (STI), verwendet werden.
Das Aufteilen der Mikrozelle, wie in 6 bis 8 gezeigt, reduziert die Wiederherstellungszeit der Mikrozelle. Jedes Mikrozellenabschnittsegment kann eine entsprechende Kapazität aufweisen, die niedriger ist als die Kapazität einer einzelnen Mikrozelle, die doppelt so groß ist. Daher wird die Wiederherstellungszeit für das Mikrozellensegment im Vergleich zur Wiederherstellungszeit einer doppelt so großen Mikrozelle verkürzt. Die in 6 bis 8 gezeigten Mikrozellen haben daher aufgrund der geteilten Anordnung eine reduzierte Wiederherstellungszeit.
Das Beispiel in 6 bis 8, bei dem die Mikrozelle zwischen zwei Segmenten geteilt ist, ist lediglich veranschaulichend. Falls gewünscht, kann die Mikrozelle zwischen drei Segmenten, vier Segmenten, mehr als vier Segmenten usw. geteilt werden. Unabhängig von der Anzahl der Segmente kann jedes der Mikrozellensegmente durch Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen voneinander getrennt sein. Der Umfang der Mikrozelle kann Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen zur Isolation der Mikrozelle von benachbarten Mikrozellen einschließen.
Des Weiteren ist die Bezugnahme auf die Mikrozellen als geteilte Mikrozellen mit ersten und zweiten Mikrozellensegmenten lediglich veranschaulichend. Es versteht sich, dass die Mikrozellensegmente stattdessen als einzelne Mikrozellen betrachtet werden können. Gemäß diesem Benennungsschema hat die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung einige benachbarte Mikrozellen mit ersten Isolationsstrukturen (z. B., die optisches Übersprechen zwischen diesen Mikrozellen ermöglichen können) und einige benachbarte Mikrozellen mit zweiten Isolationsstrukturen (z. B., die das meiste optische Übersprechen zwischen diesen Mikrozellen blockieren).
Es ist zu beachten, dass die in 6 bis 8 gezeigten Ausgangskontaktpositionen lediglich veranschaulichend sind. In einigen Fällen können die Ausgangskontakte jedes Mikrozellensegments so positioniert sein, dass die Signalverzögerung zwischen den Ausgängen minimiert wird. 9 ist eine Draufsicht auf eine veranschaulichende SPAD-basierte Halbleitervorrichtung mit geteilten Mikrozellen mit benachbarten Ausgängen zur Minimierung der Signalverzögerung. Wie in 9 gezeigt, hat die Mikrozelle 25 erste und zweite Mikrozellensegmente 25-1 und 25-2 mit Kontakten 302 zur gleichen Busleitung 45 (im Gegensatz zu 6, bei der die Segmente an unterschiedliche Busleitungen gekoppelt sind). Das Mikrozellensegment 25-1 hat einen Kontakt 302 in der oberen rechten Ecke des Mikrozellensegments, während das Mikrozellensegment 25-2 einen Kontakt 302 in der oberen linken Ecke des Mikrozellensegments hat. Nachdem die Kontakte der unterschiedlichen Mikrozellensegmente benachbart zueinander positioniert sind (z. B. in benachbarten Mikrozellensegmentecken), kann die Signalverzögerung zwischen den Mikrozellensegmenten minimiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Halbleitervorrichtung ein Substrat, eine Vielzahl von Mikrozellen in dem Substrat einschließen, wobei jede der Mikrozellen eine erste und eine zweite Einzelphoton-Avalanche-Diode umfasst, die durch Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen getrennt sind, und Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen, die zwischen den benachbarten Mikrozellen gebildet sind.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können sich die Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen von den Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen unterscheiden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen tiefe Trenchisolationsstrukturen und die Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen keine tiefen Trenchisolationsstrukturen einschließen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen eine lokale Oxidation von Siliciumstrukturen und mit Polysilicium gefüllte Trenche einschließen.
Gemäß einer anderen Ausführung können die Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen eine lokale Oxidation von Siliciumstrukturen und die Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen können keine mit Polysilicium gefüllten Trenche einschließen.
Gemäß einer anderen Ausführung kann jede der Mikrozellen eine erste elektrische Verbindung zwischen der ersten Einzelphoton-Avalanche-Diode und einer ersten Ausgangsleitung und eine zweite elektrische Verbindung zwischen der zweiten Einzelphoton-Avalanche-Diode und einer zweiten Ausgangsleitung einschließen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die erste elektrische Verbindung zwischen einer ersten Anode der ersten Einzelphoton-Avalanche-Diode und der ersten Ausgangsleitung und die zweite elektrische Verbindung kann zwischen einer zweiten Anode der zweiten Einzelphoton-Avalanche-Diode und der zweiten Ausgangsleitung bestehen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann jede der Mikrozellen einen ersten Widerstand, einen zweiten Widerstand, eine erste elektrische Verbindung zwischen der ersten Einzelphoton-Avalanche-Diode und dem ersten Widerstand und eine zweite elektrische Verbindung zwischen der zweiten Einzelphoton-Avalanche-Diode und dem zweiten Widerstand einschließen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die erste elektrische Verbindung zwischen einer ersten Kathode der ersten Einzelphoton-Avalanche-Diode und dem ersten Widerstand und die zweite elektrische Verbindung kann zwischen einer zweiten Kathode der zweiten Einzelphoton-Avalanche-Diode und dem zweiten Widerstand bestehen.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Silicium-Photomultiplier ein Halbleitersubstrat und eine Anordnung von Mikrozellen in dem Halbleitersubstrat einschließen. Mindestens eine Mikrozelle des Arrays von Mikrozellen kann eine geteilte Mikrozelle mit ersten und zweiten Mikrozellensegmenten sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die ersten und zweiten Mikrozellensegmente der geteilten Mikrozelle durch einen Abstand von weniger als zwei Mikrometern getrennt sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das erste Mikrozellensegment eine erste Einzelphoton-Avalanche-Diode und das zweite Mikrozellensegment eine zweite Einzelphoton-Avalanche-Diode einschließen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die geteilte Mikrozelle auch einen ersten Widerstand, einen zweiten Widerstand, einen ersten Kontakt zwischen der ersten Einzelphoton-Avalanche-Diode und dem ersten Widerstand und einen zweiten Kontakt zwischen der zweiten Einzelphoton-Avalanche-Diode und dem zweiten Widerstand einschließen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die geteilte Mikrozelle auch einen ersten Kontakt zwischen dem ersten Mikrozellensegment und einer ersten Ausgangsleitung und einen zweiten Kontakt zwischen dem zweiten Mikrozellensegment und einer zweiten Ausgangsleitung einschließen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Silicium-Photomultiplier auch Trenchisolationsstrukturen einschließen, die um einen Umfang der geteilten Mikrozelle gebildet sind.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Silicium-Photomultiplier auch Isolationsstrukturen einschließen, die sich von den Trenchisolationsstrukturen unterscheiden und die zwischen dem ersten und dem zweiten Mikrozellensegment der geteilten Mikrozelle gebildet sind.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Wahrscheinlichkeit des Übersprechens zwischen dem ersten und dem zweiten Mikrozellensegment größer als 90 % sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Halbleitervorrichtung ein Substrat, eine Vielzahl von Einzelphoton-Avalanche-Dioden in dem Substrat, erste Isolationsstrukturen, die Paare von Einzelphoton-Avalanche-Dioden umgeben, und zweite Isolationsstrukturen, die zwischen den Einzelphoton-Avalanche-Dioden jedes der Paare von Einzelphoton-Avalanche-Dioden gebildet sind, einschließen. Die zweiten Isolationsstrukturen können sich von den ersten Isolationsstrukturen unterscheiden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die ersten Isolationsstrukturen tiefe Trenchisolationsstrukturen einschließen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform liegt die Wahrscheinlichkeit des Übersprechens zwischen den Einzelphoton-Avalanche-Dioden jedes Paares von Einzelphoton-Avalanche-Dioden bei über 90 %.
Das Vorhergehende ist lediglich veranschaulichend für die Grundsätze dieser Erfindung, und durch den Fachmann können vielfältige Modifikationen vorgenommen werden. Die vorhergehenden Ausführungsformen können einzeln oder in einer beliebigen Kombination implementiert werden.

Claims

Halbleiterbauelement, umfassend: ein Substrat; eine Vielzahl von Mikrozellen in dem Substrat, wobei jede der Mikrozellen erste und zweite Einzelphoton-Avalanche-Dioden umfasst, die durch Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen getrennt sind; und Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen, die zwischen den benachbarten Mikrozellen gebildet sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen von den Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen unterscheiden.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen tiefe Trenchisolationsstrukturen umfassen und wobei die Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen keine tiefen Trenchisolationsstrukturen einschließen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Mikrozellen-Zwischenisolationsstrukturen eine lokale Oxidation von Siliciumstrukturen und mit Polysilicium gefüllten Trenchen umfassen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen eine lokale Oxidation von Siliciumstrukturen umfassen und wobei die Mikrozellen-Innenisolationsstrukturen keine mit Polysilicium gefüllten Trenche einschließen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Mikrozellen umfasst: eine erste elektrische Verbindung zwischen der ersten Einzelphoton-Avalanche-Diode und einer ersten Ausgangsleitung; und eine zweite elektrische Verbindung zwischen der zweiten Einzelphoton-Avalanche-Diode und einer zweiten Ausgangsleitung.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die erste elektrische Verbindung zwischen einer ersten Anode der ersten Einzelphoton-Avalanche-Diode und der ersten Ausgangsleitung besteht und wobei die zweite elektrische Verbindung zwischen einer zweiten Anode der zweiten Einzelphoton-Avalanche-Diode und der zweiten Ausgangsleitung besteht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Mikrozellen umfasst: einen ersten Widerstand; einen zweiten Widerstand; eine erste elektrische Verbindung zwischen der ersten Einzelphoton-Avalanche-Diode und dem ersten Widerstand; und eine zweite elektrische Verbindung zwischen der zweiten Einzelphoton-Avalanche-Diode und dem zweiten Widerstand.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste elektrische Verbindung zwischen einer ersten Kathode der ersten Einzelphoton-Avalanche-Diode und dem ersten Widerstand besteht und wobei die zweite elektrische Verbindung zwischen einer zweiten Kathode der zweiten Einzelphoton-Avalanche-Diode und dem zweiten Widerstand besteht.
Silicium-Photomultiplier, umfassend: ein Halbleitersubstrat; und ein Array von Mikrozellen in dem Halbleitersubstrat, wobei mindestens eine Mikrozelle des Arrays von Mikrozellen eine geteilte Mikrozelle mit ersten und zweiten Mikrozellensegmenten ist.
Silicium-Photomultiplier nach Anspruch 10, wobei die ersten und zweiten Mikrozellensegmente der geteilten Mikrozelle durch einen Abstand von weniger als zwei Mikrometern getrennt sind.
Silicium-Photomultiplier nach Anspruch 10, wobei das erste Mikrozellensegment eine erste Einzelphoton-Avalanche-Diode und das zweite Mikrozellensegment eine zweite Einzelphoton-Avalanche-Diode einschließt.
Silicium-Photomultiplier nach Anspruch 12, wobei die geteilte Mikrozelle ferner umfasst: einen ersten Widerstand; einen zweiten Widerstand; einen ersten Kontakt zwischen der ersten Einzelphoton-Avalanche-Diode und dem ersten Widerstand; und einen zweiten Kontakt zwischen der zweiten Einzelphoton-Avalanche-Diode und dem zweiten Widerstand.
Silicium-Photomultiplier nach Anspruch 10, wobei die geteilte Mikrozelle ferner umfasst: einen ersten Kontakt zwischen dem ersten Mikrozellensegment und einer ersten Ausgangsleitung; und einen zweiten Kontakt zwischen dem zweiten Mikrozellensegment und einer zweiten Ausgangsleitung.
Silicium-Photomultiplier nach Anspruch 10, der ferner umfassend: Trenchisolationsstrukturen, die um einen Umfang der geteilten Mikrozelle gebildet sind.
Silicium-Photomultiplier nach Anspruch 15, der ferner umfassend: Isolationsstrukturen, die sich von den Trenchisolationsstrukturen unterscheiden und die zwischen dem ersten und dem zweiten Mikrozellensegment der geteilten Mikrozelle gebildet sind.
Silicium-Photomultiplier nach Anspruch 10, wobei eine Wahrscheinlichkeit des Übersprechens zwischen dem ersten und dem zweiten Mikrozellensegment größer als 90 % ist.
Halbleiterbauelement, umfassend: ein Substrat; eine Vielzahl von Einzelphoton-Avalanche-Dioden in dem Substrat; erste Isolationsstrukturen, die Paare von Einzelphoton-Avalanche-Dioden umgeben; und zweite Isolationsstrukturen, die zwischen den Einzelphoton-Avalanche-Dioden jedes der Paare von Einzelphoton-Avalanche-Dioden gebildet sind, wobei sich die zweiten Isolationsstrukturen von den ersten Isolationsstrukturen unterscheiden.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18, wobei die ersten Isolationsstrukturen tiefe Trenchisolationsstrukturen umfassen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 19, wobei eine Wahrscheinlichkeit des Übersprechens zwischen den Einzelphoton-Avalanche-Dioden jedes Paares von Einzelphoton-Avalanche-Dioden größer als 90 % ist.