KR102615081B1 - 단일-광자 애벌런치 다이오드 및 단일-광자 애벌런치 다이오드를 작동시키기 위한 방법 - Google Patents

단일-광자 애벌런치 다이오드 및 단일-광자 애벌런치 다이오드를 작동시키기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시내용은, 벌크 영역(10)을 갖는 반도체 기판(1), 반도체 기판의 벌크 영역에 있는 적어도 하나의 SPAD(2), 접합 증식 영역(20)을 갖는 SPAD, 및 광 생성 캐리어들을 반도체 기판의 벌크 영역으로부터 SPAD의 증식 접합 영역으로 전송하기 위한 전기 수송 필드를 생성하도록 구성된 동작 회로(3)를 포함하는 단일-광자 애벌런치 다이오드(SPAD) 검출기에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 SPAD를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

단일-광자 애벌런치 다이오드 및 단일-광자 애벌런치 다이오드를 작동시키기 위한 방법{SINGLE-PHOTON AVALANCHE DIODE AND METHOD FOR OPERATING A SINGLE-PHOTON AVALANCHE DIODE}
본 개시내용은 일반적으로 단일-광자 애벌런치 다이오드(single-photon avalanche diode, SPAD) 및 단일-광자 애벌런치 다이오드를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 전류 보조형 단일-광자 애벌런치 다이오드(current assisted single-photon avalanche diode, CASPAD) 및 전류 보조형 단일-광자 애벌런치 다이오드를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
일반적으로, SPAD들이라고도 지칭되는 단일-광자 애벌런치 다이오드들이 알려져 있다. 통상적으로, SPAD들은 입사 방사선을 검출하기 위해 p-n 접합을 가지며, 소위 가이거 모드(Geiger mode)에서 작동되는데, 즉, 애벌런치 전압으로도 지칭되는, 단일-광자 애벌런치 다이오드의 항복 전압보다 훨씬 더 높은 전압으로 작동되는 모드이다.
알려진 SPAD들에 대해, 광자 검출 효율의 증가는 암 카운트 레이트(dark count rate)의 증가 및 시간 분해능의 감소 중 적어도 하나와 연관될 수 있다.
따라서, 광자 검출 효율의 증가가 단일-광자 애벌런치 다이오드의 암 카운트 레이트 및 시간 분해능에 거의 또는 심지어 아무런 영향도 미치지 않는, 단일-광자 애벌런치 다이오드 및 단일-광자 애벌런치 다이오드를 작동시키기 위한 방법을 제공하는 것이 일반적으로 바람직하다.
제1 양태에 따르면, 본 개시내용은 SPAD 검출기를 제공하며, 이 검출기는:
벌크 영역을 갖는 반도체 기판;
상기 반도체 기판의 벌크 영역에서의 적어도 하나의 SPAD - 상기 SPAD는 접합 증식 영역(junction multiplication region)을 가짐 -; 및
광 생성 캐리어들을 상기 반도체 기판의 벌크 영역으로부터 상기 SPAD의 증식 접합 영역으로 전송하기 위한 전기 수송 필드(electric transport field)를 생성하도록 구성된 동작 회로를 포함한다.
제2 양태에 따르면, 본 개시내용은 SPAD 검출기를 작동시키기 위한 방법을 제공하고, SPAD 검출기는:
벌크 영역을 갖는 반도체 기판; 및
상기 반도체 기판의 벌크 영역에서의 적어도 하나의 SPAD - 상기 SPAD는 접합 증식 영역을 가짐 - 를 포함하고,
방법은:
광 생성 캐리어들을 상기 반도체 기판의 벌크 영역으로부터 상기 SPAD의 증식 접합 영역으로 전송하기 위한 전기 수송 필드를 생성하는 단계를 포함한다.
제3 양태에 따르면, 본 개시내용은 TOF(time-of-flight) 깊이 감지 시스템을 제공하는데, 이 시스템은 광원; 및 제1 양태에 따른 SPAD 검출기를 포함한다.
추가적인 양태들이 종속 청구항들, 도면들, 및 이하의 설명에서 제시된다.
실시예들은 첨부 도면들과 관련하여 예로서 설명된다.
도 1은 애벌런치 광 검출기의 일반적인 예를 도시한다.
도 2a는 가이거 모드에서 애벌런치 광 검출기를 작동시키기 위한 회로를 도시한다.
도 2b는 애벌런치 모드에서 애벌런치 광 검출기를 작동시키기 위한 회로를 도시한다.
도 3은 제1 실시예에 따른 SPAD 검출기의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4는 제1 실시예에 따른 SPAD 검출기의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 5는 제1 실시예에 따라 SPAD 검출기를 작동시키기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 6은 제2 실시예에 따른 SPAD 검출기의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 7은 제2 실시예에 따른 SPAD 검출기의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 8은 제3 실시예에 따른 SPAD 검출기의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 9는 제3 실시예에 따라 SPAD 검출기를 작동시키기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 10은 제4 실시예에 따른 SPAD 검출기의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 11은 수송 인가 영역 및 탭 영역이 서로 인접하는 SPAD 검출기의 실시예를 도시한다.
도 12는 도 11의 SPAD 검출기의 평면도를 도시한다.
도 13은 도 11의 실시예의 변형을 도시하며, 여기서 탭 영역은 더 높은 도핑 레벨 및 더 낮은 도핑 레벨 영역을 포함한다.
도 14는 도 11의 실시예의 추가 변형을 도시하며, 여기서 탭 영역은 더 높은 도핑 레벨 및 더 낮은 도핑 레벨 영역을 포함한다.
도 15는 TOF 깊이 감지 시스템을 도시한다.
도 3 내지 도 14를 참조하여 실시예에 대한 상세한 설명이 주어지기 전에, 일반적인 설명이 이루어진다.
SPAD 검출기는 벌크 영역을 갖는 반도체 기판을 포함한다. 반도체 기판은 전면 및 전면에 대향하는 후면을 가질 수 있고, 여기서 벌크 영역은 전면과 후면 사이에 있다. 전면은 후면에 평행할 수 있다.
SPAD 검출기는 반도체 기판의 벌크 영역에서, 특히 반도체 기판의 전면에서 적어도 하나의 SPAD를 추가로 포함한다. SPAD는 전면에 내장될 수 있고 반도체 기판의 전면과 함께 공통 평면을 형성할 수 있다. SPAD는 광 생성 소수 캐리어, 예를 들어, 광 생성 전자 또는 광 생성 정공에 의해 트리거링되는 증식 프로세스를 수행하도록 구성되고, 및 광 생성 소수 캐리어를 검출하기 위한 접합 증식 영역을 갖는다. 접합 증식 영역은 반도체 기판의 벌크 영역에, 특히 반도체 기판의 전면에 있을 수 있다. SPAD의 접합 증식 영역은 제1 도전형의 도핑된 영역, 예를 들어 고 농도 도핑된 영역, 예를 들어 n-도핑 영역 또는 p-도핑 영역일 수 있다. 접합 증식 영역은 제1 도전형의 도핑된 웰, 예를 들어, n-웰 또는 p-웰을 포함할 수 있다. 또한, 접합 증식 영역은 도핑된 웰의 후면과 접촉하며 위치된 제1 도전형의 깊은 도핑된 웰을 포함할 수 있고, 도핑된 웰의 후면은 반도체 기판의 후면을 향해 오리엔테이션된다. 깊은 도핑된 웰은 도핑된 웰보다 더 높은 도핑을 가질 수 있다.
SPAD 검출기는 광 생성 캐리어들, 특히 광 생성 소수 캐리어들을 반도체 기판의 벌크 영역으로부터 SPAD의 증식 접합 영역으로 전송하기 위한 전기 수송 필드를 생성하도록 구성된 동작 회로를 추가로 포함한다. 전기 수송 필드는 벌크 영역에 대한 다수 캐리어 전류를 동시에 야기할 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기 수송 필드는 평면 내 전계(in planar electric field) 및 수직 평면 전계 중 적어도 하나일 수 있다. 평면 내 전계는 반도체 기판의 전면에 평행하게 오리엔테이션될 수 있다. 수직 평면 전계는 반도체 기판의 전면에 수직으로 오리엔테이션될 수 있다.
일부 실시예들에서, SPAD는 SPAD에 전기 판독 출력 필드를 인가하기 위한 판독 출력 영역(read out region)을 추가로 포함할 수 있다. SPAD의 판독 출력 영역은 반도체 기판의 벌크 영역에, 특히 반도체 기판의 전면에 있을 수 있다. SPAD의 판독 출력 영역은 제1 도전형과 상이한 제2 도전형의 도핑 영역, 예를 들어, 고농도 도핑된 영역일 수 있다. 제1 도전형이 n-형일 때, 제2 도전형은 p-형일 수 있다. 제1 도전형이 p-형일 때, 제2 도전형은 n-형일 수 있다.
판독 출력 영역은 제2 도전형의 도핑된 웰, 예를 들어, p-웰 또는 n-웰을 포함할 수 있다. 또한, 판독 출력 영역은 제1 도핑된 웰의 후면과 접촉하며 위치된 제2 도전형의 깊은 도핑된 웰을 포함할 수 있고, 도핑된 웰의 후면은 반도체 표면의 후면을 향해 오리엔테이션된다.
SPAD는 전기 수송 필드, 특히 평면 내 전기 수송 필드를 인가하기 위한 평면 내 전송 필드 인가 영역을 추가로 포함할 수 있다. 평면 내 수송 필드 인가 영역은 반도체 기판의 벌크 영역에, 특히 반도체 기판의 전면에 위치될 수 있다. 평면 내 수송 필드 인가 영역은, 판독 출력 영역의 것과 동일한 도전형인 제2 도전형의 도핑된 영역, 예를 들어, 고농도 도핑된 영역일 수 있다. 평면 내 수송 필드 인가 영역은 제2 도전형의 도핑된 웰, 예를 들어, p-웰 또는 n-웰을 포함할 수 있다. 평면 내 수송 필드 인가 영역의 도핑 농도는 판독 출력 영역의 도핑 농도에 필적할 수 있다.
반도체 기판은 에피택셜 반도체 기판일 수 있다. 반도체 기판은 실리콘, 게르마늄, 갈륨, 및 다른 반도체 재료들 중 적어도 하나를 포함하거나 이들로 구성될 수 있다. 반도체 기판은 도핑되지 않은 반도체 기판 또는 제2 도전형의 도핑된 반도체 기판, 예를 들어, 저농도 도핑된 반도체 기판일 수 있다. 도핑된 반도체 기판의 도핑 농도는 판독 출력 영역 및 평면 내 수송 필드 인가 영역의 도핑 농도보다 훨씬 더 작을 수 있다.
SPAD의 접합 증식 영역은 0.1 ㎛2 내지 10 ㎛2, 바람직하게는 0.5 ㎛2 내지 5 ㎛2의 영역에서 반도체 기판의 전면에 평행한 면적을 가질 수 있다. 바람직하게는, 반도체 기판의 전면에 평행한 면적은 1 ㎛2일 수 있다. 상기 면적 사양들은 단지 예시적인 숫자일 뿐이다. 따라서, 증식 접합 영역은 종래의 SPAD들의 것보다 작다.
평면 내 전기 수송 필드를 생성하기 위해, 동작 회로는 판독 출력 영역과 평면 내 수송 필드 인가 영역 사이에 수송 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 동작 회로는 제각기 판독 출력 영역과 평면 내 수송 필드 인가 영역과 와이어를 통해 연결될 수 있다.
일부 실시예들에서, SPAD는 가드 영역(guard region)을 추가로 포함할 수 있다. 가드 영역은 벌크 영역에, 특히 반도체 기판의 전면에 위치될 수 있다. 가드 영역은 증식 접합 영역과 판독 출력 영역 및 평면 내 수송 필드 인가 영역 중 적어도 하나 사이에 있을 수 있다. 가드 영역은 증식 접합 영역과 판독 출력 영역 및 평면 내 수송 필드 인가 영역 중 적어도 하나와 접촉 상태에 있을 수 있다. 가드 영역은, 증식 접합 영역의 것과 동일한 도전형인, 제1 도전형의 도핑 영역, 예를 들어, 저농도 도핑된 영역일 수 있다. 가드 영역의 도핑 농도는 증식 접합 영역의 도핑 농도보다 작을 수 있다. 가드 영역은 충돌하는 광자들을 검출할 수 있는 증식 접합 영역의 면적을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 접합 증식 영역, 판독 출력 영역 중 하나는 중공 원통형 영역(hollow cylinder-like region)일 수 있고, 평면 내 전송 필드 인가 영역은 원통형 영역이다. 예를 들어, 원통형 영역은 원형 디스크 또는 직사각형 디스크일 수 있다.
일부 실시예들에서, 판독 출력 영역, 평면 내 수송 필드 인가 영역, 및 접합 증식 영역 중 적어도 하나는 중공 원통형 영역일 수 있다. 예를 들어, 중공 원통형 영역은 링 형상 영역 또는 프레임형 영역일 수 있다.
예를 들어, 접합 증식 영역은 원통형 영역일 수 있고, 평면 내 수송 필드 인가 영역은 중공 원통형 영역일 수 있고, 판독 출력 영역은 중공 원통형 영역일 수 있다. 특히, 원통형 접합 증식 영역은 중공 원통형 평면 내 수송 필드 인가 영역에 의해 둘러싸일 수 있고, 중공 원통형 평면 내 전송 필드 인가 영역은 중공 원통형 판독 출력 영역에 의해 둘러싸일 수 있다. 또한, 가드 영역은 중공 원통형 영역, 특히 가드 링일 수 있다. 중공 원통형 가드 영역은 원통형 접합 증식 영역을 둘러쌀 수 있고, 중공 원통형 평면 내 수송 필드 인가 영역에 의해 둘러싸일 수 있다.
특히, 접합 증식 영역은 링 형상인 중공 원통형 가드 영역에 의해 둘러싸이고 그와 접촉하는 원형 디스크일 수 있다. 중공 원통형 가드 영역은 링 형상인 평면 내 수송 필드 인가 영역에 의해 둘러싸이고 그와 접촉할 수 있다. 링 형상의 평면 내 수송 필드 인가 영역은 링 형상인 판독 출력 영역에 의해 둘러싸일 수 있고, 여기서 평면 내 전송 필드 인가 영역은 영역으로부터 이격된다. 평면 내 수송 필드 인가 영역과 판독 출력 영역 사이의 거리는 반도체 기판의 전면과 후면 사이의 거리와 유사한 크기를 가질 수 있다.
대안적으로, 평면 내 수송 필드 인가 영역이 원통형 영역일 수 있는 경우, 접합 증식 영역은 중공 원통형 영역일 수 있고 판독 출력 영역은 중공 원통형 영역일 수 있다. 특히, 원통형 평면 내 수송 필드 인가 영역은 중공 원통형 접합 증식 영역에 의해 둘러싸일 수 있고, 중공 원통형 접합 증식 영역은 중공 원통형 판독 출력 영역에 의해 둘러싸일 수 있다. 또한, 가드 영역은 중공 원통형 영역일 수 있다. 중공 원통형 가드 영역은 원통형 평면 내 수송 필드 인가 영역을 둘러쌀 수 있고, 중공 원통형 증식 접합 영역에 의해 둘러싸일 수 있다.
예를 들어, 평면 내 수송 필드 인가 영역은 제1 가드 링에 의해 둘러싸이고 그와 접촉할 수 있는 원형 디스크일 수 있다. 제1 가드 링은 링 형상인 증식 접합 영역에 의해 둘러싸이고 그와 접촉할 수 있다. 링 형상 증식 접합 영역은 제2 가드 링에 의해 둘러싸이고 그와 접촉할 수 있다. 제2 가드 링은 링 형상인 판독 출력 영역에 의해 둘러싸이고 그와 접촉할 수 있다.
대안적으로, 판독 출력 영역은 원통형 영역일 수 있고, 접합 증식 영역은 중공 원통형 영역일 수 있고, 평면 내 수송 필드 인가 영역은 중공 원통형 영역일 수 있다. 특히, 원통형 판독 출력 영역은 중공 원통형 접합 증식 영역에 의해 둘러싸일 수 있고, 중공 원통형 접합 증식 영역은 중공 원통형 평면 내 수송 필드 인가 영역에 의해 둘러싸일 수 있다. 또한, 가드 영역은 중공 원통형 영역일 수 있다. 중공 원통형 가드 영역은 중공 원통형 증식 접합 영역을 둘러쌀 수 있고, 원통 평면 내 수송 필드 인가 영역에 의해 둘러싸일 수 있다.
예를 들어, 판독 출력 영역은 제1 가드 링에 의해 둘러싸이고 그와 접촉할 수 있는 원형 디스크일 수 있다. 제1 가드 링은 링 형상인 증식 접합 영역에 의해 둘러싸이고 그와 접촉할 수 있다. 링 형상 증식 접합 영역은 제2 가드 링에 의해 둘러싸이고 그와 접촉할 수 있다. 제2 가드 링은 링 형상인 평면 내 수송 필드 인가 영역에 의해 둘러싸이고 그와 접촉할 수 있다.
일부 실시예들에서, 반도체 기판은 전기 수송 필드, 특히 수직 평면 전기 수송 필드를 인가하기 위한 수직 평면 수송 필드 인가 영역을 추가로 포함할 수 있다. 수직 평면 수송 필드 인가 영역은 반도체 기판의 벌크 영역에, 특히 반도체 기판의 후면에 위치될 수 있다. 수직 평면 수송 필드 인가 영역은, 판독 출력 영역과 동일한 도전형인, 제2 도전형의 도핑 영역, 예를 들어, 고농도 도핑 영역일 수 있다. 수직 평면 전송 필드 인가 영역은 반도체 기판 위의 후면에서 연장되는 층일 수 있다.
수직 평면 전기 수송 필드를 생성하기 위해, 동작 회로는 판독 출력 영역과 수직 평면 전송 필드 인가 영역 사이에 수송 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 동작 회로는, 제각기, 판독 출력 영역 및 수직 평면 수송 필드 인가 영역과 와이어들을 통해 연결될 수 있다.
반도체 기판 및 SPAD 검출기의 SPAD는 반도체 디바이스 제조 공정에 의해 제조될 수 있다. 반도체 디바이스 제조 공정은, 포토리소그래피, 건식 에칭 또는 습식 에칭과 같은 에칭, CVD(chemical vapour deposition), PVD(physical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy), ECD(electrochemical deposition), 및 웨이퍼, 예를 들어, 순수 반도체 재료로 이루어진 웨이퍼상의 다른 처리 공정들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 디바이스 제조 공정은 평면화 기술 또는 표준 CMOS 집적 회로 제조 공정일 수 있다. SPAD 검출기는 또한 BICMOS, Bipolar 및 SiGe BICMOS 기술로 제조될 수 있다.
일부 실시예에서, 동작 회로는 광 생성 소수 캐리어에 의해 트리거링되는 애벌런치를 생성하기 위한 전기 판독 출력 필드를 생성하도록 구성될 수 있다. 광 생성 소수 캐리어는, 증식 접합 영역이 p-도핑 영역인 경우에는 광 생성 전자이고, 증식 접합 영역이 n-도핑 영역인 경우에는 광 생성 정공일 수 있다. 전기 판독 출력 필드를 생성하기 위해, 동작 회로는 증식 접합 영역과 판독 출력 영역 사이에 판독 출력 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 동작 회로는, 증식 접합 영역을 판독 출력 영역에 바이어싱하기 위해서 증식 접합 영역을 전압원에 연결하고 및 판독 출력 영역을 접지에 접속하기 위해, 또는 판독 출력 영역을 판독 출력 전압에 바이어스하기 위해서 판독 출력 영역을 전압원에 연결하고 및 증식 접합 영역을 접지에 연결하기 위해, 증식 접합 영역 및 판독 출력 영역과 와이어들을 통해 연결될 수 있다.
동작 회로는 판독 출력 전압을 SPAD의 항복 전압보다 높은 전압으로 상승시키도록 구성될 수 있다. SPAD의 항복 전압(애벌런치 전압, avalanche voltage)은 SPAD의 역방향 전류의 점프에 대응하는 전압이다. 판독 출력 전압을 항복 전압보다 높은 전압으로 상승시킴으로써, 광 생성 소수 캐리어에 의해 트리거링된 증식 프로세스가 수행될 수 있다.
동작 회로는 항복 전압을 넘는 제1 판독 출력 전압 값과 항복 전압 미만의 제2 판독 출력 값 사이에서 판독 출력 전압을 변화시키도록 구성될 수 있다. 판독 출력 전압이 하이일 때, SPAD는 검출 상태에 있다. 검출 상태에서, SPAD는 충돌 광자를 검출할 준비가 되어 있다. 판독 출력 전압이 항복 전압 미만일 때, SPAD는 재생성 상태(regeneration state)에 있다. 재생성 상태에서, 다수 캐리어들은 증식 영역으로부터 제거된다. 판독 출력 전압을 변경하기 위해, 동작 회로는 ??칭 회로(quenching circuitry)를 가질 수 있다. ??칭 회로는 수동 ??칭 회로 또는 능동 ??칭 회로일 수 있다. ??칭 회로는 역방향 전류의 점프로 인한 전압 강하를 발생시키기 위해 SPAD에 직렬로 배열된 단일 저항기를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기 수송 필드는 일정할 수 있다. 따라서, 수송 전압은 일정할 수 있다. 즉, 판독 출력 전압이 광자의 검출 후에 감소될 때, 수송 전압은 유지된다. 예를 들어, 수송 전압은 0.5V 내지 5V, 바람직하게는 1V 내지 2V의 전압일 수 있다.
동작 회로는 입사 광자를 검출하도록 구성된 펄스 검출 회로를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, SPAD 검출기는 추가 SPAD(제2 SPAD)를 추가로 포함할 수 있고, 여기서 동작 회로는 SPAD(제1 SPAD) 및 제2 SPAD를 교대로 작동시키도록 구성된다. 즉, 제1 SPAD가 검출 상태에 있는 동안, 제2 SPAD는 재생성 상태에 있다. 충돌 광자가 제1 SPAD에 의해 검출될 때, 제1 SPAD는 재생성 상태로 들어가고 제2 SPAD는 검출 상태로 들어간다.
SPAD 검출기는 빠르고 민감한 광 검출기일 수 있다.
대안적으로, SPAD 검출기는 "TOF(time of flight)" 거리 측정(range-finding) 응용들에서 사용될 수 있다. 거기에서 광원은 1 MHz 내지 1 GHz의 범위의 주파수에서 변조된다. 광은 물체 또는 장면을 조명하고, 반사된 광의 일부는 포커싱된 렌즈를 통해 거리 측정기 카메라에 진입한다. 각각의 픽셀에서 입사광의 위상을 측정함으로써, 장면에서 픽셀과 그것의 공액(광 반사) 픽셀 영역 사이의 거리가 추정될 수 있다. 이러한 방식으로, 물체들의 거리들 및 물체들의 형상이 추정되고 기록될 수 있다.
일부 실시예에서, SPAD 검출기는 TOF 검출기, 특히 광자 믹서일 수 있다. 광자 믹서는 입사 진폭 변조 전자기 방사를 전기적 신호와 혼합하고 전기적 광 전류들을 출력하도록 구성될 수 있다.
이하에서, 본 개시내용의 실시예들의 이해를 향상시키기 위해, 기본 p-n 접합의 몇몇 원리들이 논의된다. 일반적으로, 아이디어는 (애벌런치 레짐(avalanche regime) 검출을 예상할 때) 애벌런치 증식을 생성하기 위해 그것을 접합의 항복 전압 아래로 바이어싱하고 (SPAD 동작을 예상할 때) 그것을 항복 전압 위로 바이어싱하는 것이다.
실시예들 중 일부는 SPAD 검출기가 가이거 모드 - 검출기가 검출된 단일 광자에 응답하여 직접 디지털 펄스를 트리거링하고 제공함 - 에서 작동된다는 가정 하에서 설명되지만, 본 명세서에 설명된 실시예들은 그와 관련하여 제한되지 않는다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, SPAD 검출기는 (순수) 애벌런치 레짐 또는 모드에서 작동된다.
과거에는 간단한 pn 접합만을 이룸으로써, 통상적으로, 주변부에서의 애벌런치 증식이 발생하지만, 검출기의 전체 영역에 걸쳐서는 그렇지 않다는 것이 알려져 있다. 물리학으로부터 알려진 바와 같이, 하전된 커패시터들의 코너들은 증가된 전계를 갖는 장소들이고, 따라서 주변부에서 코너가 존재할 수 있고, 따라서 더 높은 필드를 가질 수 있으므로, 애벌런치 항복이 (더 낮은 인가된 역방향 바이어스에서) 더 일찍 일어날 것이고 증식은 해당 영역에서 우세할 것이다.
pn 접합의 측면들 중 하나 또는 양쪽 모두 상에서 더 낮은 도핑 레벨들을 갖는 접합이 더 높은 항복 전압을 가지며, 따라서 항복이 덜 쉽게 일어나는 것이 알려져 있다.
이러한 문제들에 대한 해결책은 일부 실시예들에서 낮게 도핑된 도넛 링(doughnut ring)을 주변부에 제공하고, 그에 의해 검출기의 중앙 부분에서보다 더 높은 항복 전압을 생성하는 것이다(예를 들어, 이하에서 추가로 설명된 도 3을 참조하라).
일부 실시예들은 이런 SPAD 구조에서 실현된다. 일반적으로, 그러한 SPAD가 트리거링할 때, 전체 광 감지 볼륨이 항복으로 들어갈 것이다. 전체 볼륨에서 중간 레벨 트랩들이 채워지고 그리고 어느 정도 나중에 그들의 전하 캐리어를 릴리스할 것이며, 이는 SPAD를 다시 트리거할 것이지만, 이번에는 광자에 의해서 그런 것이 아니다. 일부 실시예들에서 발생할 수 있는 이러한 효과는 후-펄싱(after-pulsing)이라고 지칭된다. 일부 실시예들에서 사용되는 해결책은 SPAD를 어느 시간 동안 항복 아래로 유지하는 것이며, 따라서 이러한 트랩들은 SPAD를 트리거링하지 않고 비워진다(이 기간은 ??칭 시간이라고 불린다). 기능하지 않는 이 기간은 일부 응용들에서 SPAD들의 사용을 제한하는 것이다. 또한, 역방향 바이어스 볼륨은 상당히 크고, 결과적으로 큰 암 전류를 생성할 수 있다. 생성된 캐리어들은 또한 일부 경우들에서 SPAD를 트리거링할 수 있고, 결과적으로, 잘못된 검출이 발생할 수 있다. 이것이 발생하는 레이트는 소위 암 카운트 레이트(dark count rate, DCR)이다. DCR 및 후-펄싱의 효과는 애벌런치가 발생할 수 있는 볼륨에 비례할 수 있다. 따라서, 더 작은 면적을 갖는 SPAD는 비례 면에서 더 작은 후-펄싱 및 DCR을 가질 수 있고, 따라서 일부 실시예들은 그러한 더 작은 면적을 갖는 SPAD들에 관한 것이라는 것이 인식되었다.
고전적 SPAD 및 애벌런치 검출기들은, 주로 NIR(near infrared)에서의 낮은 광 검출 확률들을 갖는다. 또한, 광 생성 소수 캐리어들의 증식 영역은 일부 공지된 고전적 SPADS에 대한 검출 영역만큼 크고, 따라서 높은 암 카운트 레이트, 크고 긴 후-펄싱, 및 필요한 긴 ??칭 시간이 초래된다.
따라서, 본 개시내용의 일부 실시예들에서, (전기 수송 필드의 인가에 의해 야기되는) 다수 전류 안내(majority current guidance)에 의해, 광 전자들이 중심 SPAD로 안내되어 트리거링을 유발할 것이라는 점이 제안되고 제공된다. 이 더 작은 SPAD는, 따라서, 더 큰 볼륨의 광 전자들로부터 수확(harvest)하여, 작은 능동 애벌런치 영역과 조합된, NIR 광-검출을 허용한다.
그러한 방식으로, 일부 실시예들에서, 대면적 광 검출기는 작은 볼륨의 애벌런치 검출기와 조합될 수 있고, 그에 의해 연관된 이점들을 조합한다.
그러나, 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 구조는 전자들을 pn 접합 내로 구동할 수 있지만, 바람직하지 않게도 트리거링을 유발할 수 있는 볼륨에 구동하는데, 그 이유는 소위 가드 링에 의해 방해될 수 있기 때문이라는 것이 인식되었다.
따라서, 일부 실시예들에서, SPAD의 구조는 매우 작은 "포인트" 애벌런치 검출기로 단순화되고, 그에 의해 주변부가 광 전자들이 구동되는 곳에 인접하는데, 여기서 애벌런치를 생성하는 매우 높은 레벨의 확률이 유발될 수 있다.
따라서, 일부 실시예들에서, 접합 증식 영역은 탭 영역에 인접하고, 탭 영역은 SPAD의 캐소드 또는 애노드를 형성한다. 그에 의해, 볼륨이 감소될 수 있고 SPAD 검출기는 포인트형으로 만들어질 수 있다.
따라서, 위에서 논의된 바와 같이 불량한 속성들을 생성할 수 있는 볼륨은 일부 실시예들에서 그 최소로 감소될 수 있고, 이것은 반도체(벌크 영역)의 표면에 대면하여 또는 그 옆에 위치될 수 있다. 전형적으로, 반도체들의 표면들은 더 많은 트랩들을 가지며, 따라서 후-펄싱 및 DCR이 항상 최적으로 감소되지 않는 것이 특정 사례들 하에서 발생할 수 있다.
SPAD에 대해, 이것은 일부 실시예들에서 다음을 의미할 수 있다:
● 낮은 암 카운트 레이트가 달성되는데, 그 이유는 누설 캐리어들이 생성되게 되는 작은 볼륨이 존재하기 때문이다.
● 작은 SPAD 영역 때문에, 거의 없는 후-펄싱
● 매우 작은 pn 접합만이 존재하기 때문에, 작은 검출기 커패시턴스(1fF 정도일 수 있음)
● (전기 수송 필드를 인가함으로써 유발되는 안내 전류들 덕분에) 가능한 큰 검출기 영역
● 광 생성 전자들을 즉시 증식 영역으로 가져오는 것으로 인한 높은 검출 확률
● 양호한 NIR 효율성. (기판에서의 깊은 곳으로부터의 전자들은 애벌런치 위치로 구동된다. 본 명세서에서 언급된 바와 같이, 전기 수송 필드는 하부로부터 인가될 수 있으며, 이는 고속의 효율적인 방식으로 광 전자들을 애벌런치 영역으로 구동하는 것과 동일한 목적을 갖는다).
일반적으로, 애벌런치 검출기에 대해 이는 일부 실시예들에서 다음을 의미할 수 있다:
● 낮은 암 전류는 누설 캐리어들이 생성되는 작은 볼륨이 존재하기 때문에 달성된다.
● 매우 작은 pn 접합만이 존재하기 때문에, (1fF 정도의) 작은 검출기 커패시턴스
● (본 명세서에서 논의되는 바와 같이 전기 수송 필드를 인가함으로써 야기되는 안내 전류들 덕분에) 가능한 큰 검출기 영역
● 대부분의 광 생성 전자들은, 이것들을 증식 영역에 즉시 가져오기 때문에 증식될 것이다.
● 양호한 NIR 효율성.
일부 실시예들에서, 탭 영역은 n-도핑 또는 p-도핑되고, 탭 영역은 제각기 n-웰 또는 p-웰을 포함할 수 있다.
탭 영역은, 탭 영역에 인접하여 제공되는 증식 볼륨이, 표면 상태들을 피하기 위해, 벌크 영역의 표면 아래에 있을 수 있도록 어떤 깊이를 가질 수 있다. 따라서, 표면 상태들은 최고 전계에 존재하지 않을 수 있고, 따라서 생성되는 캐리어들은 (애벌런치 레짐에서) 덜 증식될 것이고 또한 (SPAD 레짐에서) 항복을 트리거링하지 않을 것이다.
n-웰 또는 p-웰은 이온 주입에 의해 생성될 수 있는 역행 도핑(retrograde doping)을 가질 수 있다. n-웰 또는 p-웰은 아래에 저농도 및 고농도로 도핑된 영역을 가질 수 있다. 저농도 도핑된 영역은 고농도 도핑된 영역보다 벌크 영역의 표면에 더 가까울 수 있다. 따라서, 저농도 도핑된 영역은 고농도 도핑된 영역의 위에 배열될 수 있다.
일부 실시예들에서, 고농도 도핑된 영역은 벌크 영역에서, 예를 들어 이온 주입에 의해 매립된다.
일부 실시예들에서, SPAD 검출기는 전기 수송 필드를 인가하기 위한 수송 인가 영역을 추가로 포함하고, 여기서 수송 필드 인가 영역은 또한 SPAD 검출기를 위한 애노드 또는 캐소드로서 역할을 한다. 수송 (필드) 인가 영역은 탭 영역을 둘러싸는 p-(또는 n-) 도핑된 링 구조 등으로서 배열될 수 있으며, 여기서 증식 접합 영역은 적어도 부분적으로 수송 인가 영역과 탭 영역 사이의 볼륨에 배열된다. 증식 접합 영역은 또한 수송 인가 영역 및/또는 탭 영역에서 (부분적으로) 연장될 수 있다. 따라서, 수송 인가 영역은 증식 접합 영역과 적어도 부분적으로 중첩할 수 있다.
수송 인가 영역 및 증식 접합 영역은 서로 인접할 수 있어서, 전체적인 SPAD 구조가 매우 작을 수 있도록 한다.
본 개시내용은 또한 본 명세서에서 논의된 바와 같이, SPAD 검출기를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. SPAD 검출기는 벌크 영역을 갖는 반도체 기판 및 반도체 기판의 벌크 영역에서의 적어도 하나의 SPAD를 포함하고, SPAD는 접합 증식 영역을 갖는다. SPAD 검출기를 작동시키기 위한 방법은 광 생성 캐리어들, 특히 광 생성 소수 캐리어들을 반도체 기판의 벌크 영역으로부터 SPAD의 증식 접합 영역으로 전송하기 위한 전기 수송 필드를 생성하는 단계를 포함한다.
SPAD 검출기, 특히 SPAD 및 반도체 기판은 위의 SPAD 검출기와 관련하여 상세히 약술한 바와 같이 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기 수송 필드는 평면 내 전계 및 수직 평면 전계 중 적어도 하나일 수 있다. 평면 내 전계는 반도체 기판의 전면에 평행하게 오리엔테이션될 수 있고, 수직 평면 전계는 반도체 기판의 전면에 수직으로 오리엔테이션될 수 있다.
방법의 일부 실시예에서, 광 생성 소수 캐리어에 의해 트리거링된 애벌런치를 생성하기 위한 전기 판독 출력 필드가 생성될 수 있다. 예를 들어, 판독 출력 전압이 증식 접합 영역과 판독 출력 영역 사이에 인가될 수 있다. 특히, 증식 접합 영역이 n-도핑 영역이면, 증식 접합 영역은 판독 출력 전압으로 바이어스될 수 있거나, 또는 증식 접합 영역이 p-도핑 영역이라면, 판독 출력 영역은 판독 출력 전압으로 바이어스될 수 있다.
판독 출력 전압은 SPAD의 항복 전압보다 높은 전압으로 상승될 수 있다. 판독 출력 전압을 항복 전압보다 높은 전압으로 상승시킴으로써, 광 생성 소수 캐리어에 의해 트리거링된 증식 프로세스가 수행될 수 있다.
예를 들어, 판독 출력 전압은 항복 전압 초과의 제1 판독 출력 전압 값과 항복 전압 미만의 제2 판독 출력 값 사이에서 변화될 수 있다. 판독 출력 전압이 하이일 때, SPAD는 검출 상태에 있고 판독 출력 전압이 항복 전압 미만일 때, SPAD는 재생성 상태에 있다. 예를 들어, 수동 또는 능동 ??칭 프로세스가 수행될 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기 수송 필드는 일정할 수 있다. 따라서, 수송 전압은 일정할 수 있다. 즉, 판독 출력 전압이 광자의 검출 후에 감소될 때, 수송 전압은 유지된다. 예를 들어, 수송 전압은 0.5V 내지 5V, 바람직하게는 1V 내지 2V의 전압일 수 있다.
일부 실시예들에서, SPAD 검출기는 추가 SPAD(제2 SPAD)를 추가로 포함할 수 있다. 이 경우, SPAD(제1 SPAD) 및 제2 SPAD는 교대로 작동될 수 있다. 즉, 제1 SPAD가 검출 상태에서 작동되는 동안, 제2 SPAD는 재생성 상태에서 작동된다. 충돌 광자가 제1 SPAD에 의해 검출될 때, 제1 SPAD는 재생성 상태로 들어가고 제2 SPAD는 검출 상태로 들어간다.
방법은 빠르고 민감한 검출기를 작동시키기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 방법은 TOF 검출기, 특히 광자 믹서를 작동시키기 위해 사용될 수 있다. 광자 믹서는 입사 진폭 변조 전자기 방사를 전기 신호와 혼합하고 전기적 광 전류를 출력하도록 작동될 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같은 방법들은 또한 일부 실시예들에서 컴퓨터 및/또는 프로세서로 하여금 컴퓨터 및/또는 프로세서상에서 수행될 때 방법을 수행하게 야기하는 컴퓨터 프로그램으로서 구현된다. 일부 실시예들에서, 위에 설명된 프로세서와 같은 프로세서에 의해 실행될 때 본 명세서에 설명된 방법들이 수행되게 야기하는 컴퓨터 프로그램 제품을 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 기록 매체가 제공된다.
요약하면, 본 개시내용은 정공들 또는 전자들과 같은 광 생성 캐리어들을 벌크 영역, 예를 들어, 실리콘 벌크로부터 애벌런치 접합(증식 접합 영역)으로 전송하는 추가적 전계의 추가를 제안하여, SPAD 시간 응답, 특히 SPAD의 시간 응답의 FWHM(Full Width at Half Maximum)에 대한 조명 파장의 영향을 낮춘다. 또한, BSI(back side illumination) 구조체에서 SPAD 디바이스를 구현할 때, 애벌란치 접합은 대부분의 캐리어들이 생성될 후면 표면으로부터 멀리 떨어져 있다. 이와 같이, BSI 기술에서 SPAD 디바이스들에 대한 시간 분해능은 확산 컴포넌트에 의해 더 지배된다. 전계의 인가에 의해 유도된 드리프트 필드의 추가는 시간 응답으로부터 확산 컴포넌트를 제거한다.
더욱이, 전계는 애벌런치 증식 프로세스에 의해 생성된 과잉 캐리어들로부터 SPAD 검출기 및 증식 접합 영역을 클리어하는 것을 도울 것이다. SPAD가 트리거링된 후에 애벌런치가 진정되는 데에 필요한 시간은 SPAD의 데드 타임(dead time)이라고 하고 SPAD 시스템 설계에서 중요한 파라미터이다. 인가된 전계에 의해 이 데드 타임을 낮추는 것은 본 SPAD 검출기의 특징이다. SPAD의 복구 동안 다른 인커밍 캐리어들을 빼내는 추가적인 드레인 요소의 구현은 후-트리거링(after-triggering)을 방지하는 것을 돕는다. 이 드레인 요소는 제2 SPAD일 수 있어서, 모두 함께 데드 타임을 회피하게 한다.
더욱이, 본 개시내용은 종래의 SPAD들과 비교하여 SPAD의 증식 접합 영역의 영역의 제한인, 애벌런치 모드에서 동작하는 접합 영역의 제한을 제안한다. 애벌런치 접합의 상대 영역을 광학 영역으로 감소시킴으로써, 웨이퍼 불순물들, 전위들 등으로 인한 과도한 DCR(dark current rate)의 위험이 감소될 수 있다.
따라서, 본 개시내용은, 특히 BSI 구현에 대해, 광자 검출 효율성을 증가시킬 수 있고, 히스토그램에서의 확산 테일이 드리프트 테일로 대체됨에 따라 시간 지터를 개선할 수 있고, 전형적으로 불안정한 접합 영역을 감소시킬 수 있다.
도 1로 돌아가면, 통상적으로 통상의 기술자에게 알려져 있는 바와 같은 애벌런치 광 검출기(400)가 예시되고, 그것은 이하의 추가적인 설명으로부터 더 명백해지는 바처럼 일부 실시예들에서 사용될 수 있다.
광 검출기(400)는 전면 측(402) 및 후면 측(403)을 갖는 벌크 영역(401)을 갖고, 여기서 벌크 영역(401)은 층 두께 d를 갖는 저농도 p-도핑된 벌크 영역 에피택셜 반도체로 형성된다.
SPAD는 n-도핑 웰(404) 및 n-도핑 딥 웰(deep well)(405)을 포함하는 n-도핑 증식 접합 영역에 의해 형성된다. n-도핑 웰(404) 및 n-도핑 딥 웰(405)은 원형 디스크 형상을 갖는다. n-도핑 웰(404)의 전면은 벌크 영역(401)의 전면(402)과 하나의 평면에 있고 n-도핑 웰(404)의 후면은 n-도핑 딥 웰(405)과 접촉 상태에 있다. 깊은 n-웰(405)은 n-웰(404)과 함께 애벌런치 광 검출기(400)의 캐소드를 형성한다.
n-웰(404) 및 깊은 n-웰(405)에 의해 형성된 증식 접합 영역은 가드 링의 기능을 갖는 저농도 n-도핑 링(406)에 의해 둘러싸인다.
n-도핑 링(406)에 인접하여, 그것에 특정 거리를 가지며, p-도핑 판독 출력 링(407)이 배열되며, 이것은 후면 콘택트(408)와 함께 접지된다.
언급된 바와 같이, n-웰(404) 및 깊은 n-웰(405)을 갖는 증식 접합 영역은 애벌런치 광 검출기(400)의 캐소드를 형성하고, 그것은 연결(409)을 통해 회로(410)에 연결되며, 이 회로는 더 후술하는 바와 같이 애벌런치 광 검출기에 동작 전류/전압을 인가하고, 이에 의해 애벌런치 증식 공핍 구역(411)이 생성된다.
광 생성 전자(412)는 깊은 n-웰(405)과 저농도 p-도핑 벌크 영역 에피택시 반도체(401) 사이에 공유되는 애벌런치 증식 공핍 구역(411)에서 애벌런치 증식을 생성할 것이다.
도 2a 및 도 2b는, 일반적으로, 일부 실시예들에서, 전기 와이어(409)를 통해 캐소드에 연결될 수 있는 2개 타입의 회로들(410 및 410')을 제각기 도시하며, 여기서 회로(410)는 소위 가이거 모드 동작을 위해 사용되고, 회로(410')는 애벌런치 광 검출기의 애벌런치 동작 모드를 위해 사용된다.
도 2a의 회로(410)의 경우, 애벌런치 광 검출기가 전자-정공 쌍을 생성하는 단일 광자들을 검출하기 위해 사용될 수 있으며, 전자-정공 쌍의 전자 또는 정공은 도 1에 예시된 바와 같이, 애벌런치 증식 공핍 구역(411)에서의 자체-재생성 충격-이온화로 인해 항복 이벤트를 트리거링한다.
전술한 바와 같이, 이는 애벌런치 광 검출기의 가이거 동작 모드로 불린다. 그것에 대해, 캐소드 와이어(409)는, 일부 실시예들에서, 애벌런치 광 검출기의 항복 전압을 넘어 바이어스된다. 회로(410)는 이 바이어스 전압 Vbe를 관리하는데, 이 바이어스 전압에 대해 전형적으로 항복 전압을 넘어 500mV에서 최대 몇 볼트까지의 초과 전압이 일부 실시예들에서 인가된다. 이는, 예를 들어, 항복 후에, 애벌런치 광 검출기상에서 발생하는 전압 강하를 허용하거나 또는 야기하는 ??칭 회로(quenching circuitry)(430)에서의 직렬 저항기(431)로 달성될 수 있고, 이는 다음 차례로 자체-재생성 항복이 ??칭되도록 항복 미만의 실효 바이어스를 야기한다. 이 ??칭은 통상의 기술자에게 일반적으로 알려져 있는 바와 같은 더 복잡한 아날로그/디지털 회로들을 통해 또한 달성될 수 있다. 더욱이, 항복 이벤트를 검출하기 위한 그리고 추가 데이터 처리를 위해 디지털 신호를 생성하기 위한 펄스 검출 회로(432)가 제공된다.
도 2b의 회로(410')의 경우, 애벌런치 광 검출기는 전자-정공 쌍을 생성하는 광자들을 검출하기 위해 사용될 수 있으며, 여기서 전자 또는 정공은 도 1에 예시된 바와 같이, 애벌런치 증식 공핍 구역(411)에서의 충격-이온화로 인해 제한 인자에 의해 증식될 것이다.
일부 실시예들에서, 제한 인자는 애벌런치 이득이고, 그 크기는 캐소드 와이어(409)가 전압 Vge'에 의해 애벌런치 광 검출기의 항복 전압에 얼마나 가깝게 바이어스되는지에 의존할 수 있다. 예를 들어, 저항기(431')를 포함하는 바이어싱 회로(430')는 이 바이어스 전압을 관리하고, 전형적으로 항복 아래의 200mV 내지 1V의 전압이 인가되어, 일부 실시예들에서 애벌런치 이득의 3 내지 30 사이의 증식 인자를 생성한다. 더욱이, 트랜스임피던스 회로(432')는, 예를 들어 추가 아날로그 신호 처리를 위해 저 잡음 트랜스임피던스 증폭기를 통해 이것을 전압으로 변환함으로써, 애벌런치 광 검출기 전류의 추가 처리를 위해 제공된다.
도 3 및 도 4는 제각기 단면도에서의 및 평면도에서의 SPAD 검출기의 제1 실시예를 도시한다. SPAD 검출기는 반도체 기판(1), SPAD(2), 및 동작 회로(3)를 갖는다.
반도체 기판(1)은 전면 측(100) 및 전면 측(100)에 대향하는 후면(101)을 갖는 벌크 영역(10)을 포함한다. 벌크 영역(10)은 두께 d를 갖는 도핑되지 않은 에피텍셜 반도체 층이다. 반도체 기판(1)은 수직 평면 수송 필드 인가 층(11)을 수직 평면 수송 필드 인가 영역으로서 추가로 포함한다. 수직 평면 수송 필드 인가 층(11)은 벌크 영역(10)의 후면(101)을 따라 연장된다. 수직 평면 수송 필드 인가 영역(11)은 p-도핑 층이다.
SPAD(2)는 증식 접합 영역으로서 n-도핑 증식 접합 영역(20)을 갖는다. n-도핑 증식 접합 영역(20)은 n-도핑 웰(200) 및 n-도핑 딥 웰(201)을 포함한다. n-도핑 웰(200) 및 n-도핑 딥 웰(201)은 원형 디스크형 형상을 갖는다. n-도핑 웰(200)의 전면은 벌크 영역(10)의 전면(100)과 하나의 평면에 있고 n-도핑 웰(200)의 후면은 n-도핑 딥 웰(201)과 접촉 상태에 있다.
SPAD(2)는 n-도핑 가드 링(21)을 더 갖고, 여기서 n-도핑 가드 링(21)의 도핑 농도는 n-도핑 증식 접합 영역(20)의 도핑 농도보다 작다. 링형 형상을 갖는 n-도핑 가드 링(21)은 n-도핑 증식 영역(20)을 둘러싸고 n-도핑 증식 영역(20)과 접촉 상태에 있다. n-도핑 가드 링(21)의 전면은 벌크 영역(10)의 전면(100)과 하나의 평면에 있다. 벌크 영역(10)의 전면(100)에 수직인 가드 링(21)의 깊이는 n-도핑 증식 접합 영역(20)의 깊이보다 약간 더 크다.
SPAD(2)는 평면 내 수송 필드 인가 영역에서와 같이 평면 내 수송 필드 인가 링(22)에서 p-도핑된다. p-도핑된 평면 내 수송 필드 인가 링(22)은 n-도핑 가드 링(21)을 둘러싸고 n-도핑 가드 링(21)과 접촉 상태에 있는 링형 p-도핑 웰로서 성형된다. p-도핑 평면 내 수송 필드 인가 링(22)은 벌크 영역(10)의 전면(100)과 하나의 평면에 있다. 벌크 영역(10)의 전면 측(100)에 수직인, 평면 내 수송 필드인가 링(22)의 깊이는 n-도핑 증식 접합 영역(20)의 깊이 및 n-도핑 가드 링(21)의 깊이보다 작다. 평면 내 수송 필드 인가 링(22)의 도핑 농도는 수직 평면 수송 필드 인가 층(11)의 도핑 농도와 실질적으로 동일하다.
SPAD(2)는 판독 출력 영역으로서 p-도핑 판독 출력 링(23)을 더 갖는다. p-도핑 판독 출력 링(23)은 링형 p-도핑 웰로서 성형되고, 이것은 거리 I에서 p-도핑 평면 내 수송 필드 인가 링(22)을 둘러싸며, 이 거리는 벌크 영역(10)의 두께 d와 유사하다. p-도핑 판독 출력 링(23)의 전면은 벌크 영역(10)의 전면(100)과 하나의 평면에 있다. 벌크 영역(10)의 전면 측(100)에 수직인 p-도핑 판독 출력 링(23)의 깊이는 p-도핑 평면 내 수송 필드 인가 링(22의 깊이와 동일하다.
동작 회로(3)는 저항기(300) 및 판독 출력 전압원(301)을 갖는 수동 ??칭 회로(30)와 펄스 검출 회로(31)를 포함한다. 동작 회로(3)는 수송 전압원(32)을 추가로 포함한다.
SPAD(2) 및 수직 평면 수송 필드 인가 층(11)은 와이어들을 통해 동작 회로(3)에 연결된다. 제1 실시예에서, n-도핑 증식 접합 영역(20)은 역방향 바이어스 Vbe를 인가하기 위해 저항기(300)를 통해 판독 출력 소스(301)에 연결되고, p-도핑 판독 출력 링(23)은 접지 gnd에 연결된다. 따라서, 충돌 광자(4)에 의해 생성된 전자-정공 쌍의 광 생성 전자가 증식될 수 있고, 증식 프로세스에 의해 야기되는 전압 펄스가 펄스 검출 회로(31)에 의해 검출될 수 있다.
더욱이, 평면 내 수송 필드 인가 링(22)은 일정한 수송 전압 dV를 인가하기 위해 수송 전압원(32)에 연결된다. 따라서, 평면 내 전기 수송 필드가 생성되고, 이것은 증식 접합 영역(20)으로부터 판독 출력 영역(23)으로의 평면 내 정공 전류(50)를 야기한다. 한편, 광 생성 전자는 평면 내 전기 수송 필드에 의해 증식 접합 영역(20) 쪽으로 전송된다.
또한, 수직 평면 수송 필드 인가 층은 층(11)을 접지 gnd에 연결된다. 따라서, 수직 평면 전기 수송 필드가 생성되고, 이것은 증식 접합 영역(20)으로부터 수직 평면 수송 필드 인가 층(11)으로의 수직 평면 정공 전류(51)를 야기한다. 한편, 광 생성 전자는 수직 평면 전기 수송 필드에 의해 증식 접합 영역(20) 쪽으로 전송된다.
도 5는 제1 실시예의 SPAD 검출기를 작동시키기 위한 방법(6)의 흐름도를 도시한다.
(60)에서, 전기 판독 출력 필드가 SPAD에 인가된다. 제1 실시예의 SPAD 검출기의 경우에, SPAD의 항복 전압보다 높은 역방향 바이어스 Vbe가 n-도핑 증식 영역에 인가되고, 여기서 판독 출력 링은 접지된다. 광 생성 전자가 증식 접합 영역에 도달할 때, 전기 판독 출력 필드는 광 생성 전자에 의해 트리거링되는 애벌런치 프로세스를 가능하게 한다.
(61)에서, SPAD 및 반도체 기판에 전기 수송 필드가 인가된다. 제1 실시예의 SPAD 검출기의 경우에, 평면 내 수송 필드 인가 링에 수송 전압 dV가 인가되고, 여기서 판독 출력 링 및 수직 평면 수송 필드 인가 층이 접지된다. 광 생성 전자가 생성될 때, 전기 수송 필드는 광 생성 전자를 증식 접합 영역 쪽으로 시프트시킨다.
(62)에서, 광 생성 전자에 의해 트리거링된 애벌런치 프로세스에 의해 야기되는 전류 펄스가 펄스 검출 회로에 의해 검출된다.
(63)에서 애벌런치 프로세스가 ??칭된다. 제1 실시예의 SPAD 검출기의 경우, 역방향 바이어스는 항복 전압 아래로 감소되고, SPAD가 재생성되고 추가의 충돌 광자를 검출할 준비가 될 때까지 항복 전압 아래로 유지된다. 제1 실시예에서, 수동 ??칭이 수행되고, 여기서 역방향 바이어스는 애벌런치 프로세스에 의해 야기되는 전류 펄스에 응답하여 저항기에서의 전압 강하에 응답하여 감소된다. ??칭 동안, 전기 판독 출력 필드는 증식을 중단시키기 위해 감소되고, 전기 수송 필드들은 증식 접합 영역으로부터 벌크 영역으로의 정공들의 형태로 다수 캐리어들을 전송한다.
SPAD의 재생성 후에, 그것은 (60)으로 복귀되는데, 즉 역방향 바이어스가 항복 전압 위로 증가된다.
도 6 및 도 7은 제각기 단면도 및 평면도에서의 SPAD 검출기의 제2 실시예를 도시한다. SPAD 검출기는 반도체 기판(1), SPAD(2') 및 동작 회로(3)를 갖는다.
반도체 기판(1) 및 동작 회로(3)는 전술한 바와 같이 제1 실시예에서와 같이 형성된다.
후속하여, SPAD(2')의 구조가 설명된다.
SPAD(2')는 증식 접합 영역으로서 n-도핑 증식 접합 링(20')을 갖는다. n-도핑 증식 접합 링(20')은 링형 p-도핑 웰로서 성형된다.
SPAD(2')는 n-도핑 가드 링(21')을 더 갖고, 여기서 n-도핑 가드 링(21')의 도핑 농도는 n-도핑 증식 접합 링(20')의 도핑 농도보다 작다. 링형 형상을 갖는 n-도핑 가드 링(21')은 n-도핑 증식 링(20')에 의해 둘러싸이고 그와 접촉 상태에 있다. 벌크 영역(10)의 전면(100)에 수직인, n-도핑 가드 링(21)의 깊이는 n-도핑 증식 접합 링(20')의 깊이보다 약간 더 크다.
SPAD(2')는 평면 내 수송 필드 인가 영역에서와 같이 p-도핑 평면 내 수송 필드 인가 영역(22')을 더 갖는다. p-도핑 평면 내 수송 필드 인가 영역(22')은 원형 디스크형 형상을 갖는 p-도핑 웰로서 형성된다. 벌크 영역(10)의 전면(100)에 수직인, 평면 내 수송 필드 인가 영역(22')의 깊이는 n-도핑 증식 접합 링(20')의 깊이 및 n-도핑 가드 링(21')의 깊이보다 더 크다. 평면 내 수송 필드 인가 영역(22')의 도핑 농도는 수직 평면 수송 필드 인가 층(11)의 도핑 농도와 실질적으로 동일하다.
SPAD(2')는 추가의 n-도핑 가드 링(24)을 추가로 포함하고, 여기서 추가의 n-도핑 가드 링(24)의 도핑 농도는 n-도핑 가드 링(21')의 도핑 농도와 실질적으로 동일하다. 링형 형상을 갖는 n-도핑 가드 링(24)은 n-도핑 증식 링(20')을 둘러싸고 그와 접촉 상태에 있다. 벌크 영역(10)의 전면(100)에 수직인, 추가의 n-도핑 가드 링(24)의 깊이는 p-도핑 평면 내 수송 필드 인가 영역(22')의 깊이보다 더 크다.
SPAD(2')는 판독 출력 영역으로서 p-도핑 판독 출력 영역(23')을 더 갖는다. p-도핑 판독 출력 영역(23')은 원형 개구를 갖는 p-도핑 웰이고, 여기서 p-도핑 웰은 추가 n-도핑 가드 링(24)을 둘러싸고 그와 접촉 상태에 있다. 벌크 영역(10)의 전면(100)에 수직인 p-도핑 판독 출력 영역(23')의 깊이는 n-도핑 증식 접합 링(20')의 깊이와 유사하다.
n-도핑 증식 접합 링(20'), n-도핑 가드 링(21'), p-도핑 평면 내 수송 필드 인가 영역(22'), 추가 n-도핑 가드 링(24), 및 p-도핑 판독 출력 영역(23')의 전면들은 벌크 영역(10)의 전면(100)과 하나의 평면에 있다.
SPAD(2') 및 수직 평면 수송 필드 인가 층(11)은 제1 실시예의 SPAD(2)와 같이 아날로그 방식으로 동작 회로(3)에 연결된다. 제2 실시예의 SPAD 검출기를 작동시키는 방법은 도 5와 관련하여 설명된 방법에 유사하게 수행된다.
도 8은 SPAD 검출기의 제3 실시예를 단면도로 도시한다. SPAD 검출기는 제1 SPAD(2') 및 제2 SPAD(7)를 포함하고, 둘 모두는 제2 실시예의 SPAD(2')의 구조를 갖는다. 판독 출력 영역(23')은 제1 SPAD(2') 의 판독 출력 영역 및 제2 SPAD(7)의 판독 출력 영역 둘 모두를 형성한다. 이러한 경우에, 동작 회로는 제1 SPAD(2') 및 제2 SPAD(7)를 교대로 작동시키도록 구성된다. 다시 말해서, 제2 SPAD(7)가 오프 상태에 있고 복구될 때, 그것은 드리프트 필드를 변경하는 것에 의해 제2 SPAD(7)로 스위칭되는 한편, 제1 SPAD(2')는 복구된다.
도 9는 제3 실시예의 SPAD 검출기를 작동시키기 위한 방법(6')의 흐름도를 도시한다.
(60')에서, 제1 전기 판독 출력 필드가 제1 SPAD에 인가되고 제2 전기 판독 출력 필드가 제2 SPAD에 인가되고, 여기서 제1 전기 판독 출력 필드는 제2 전기 판독 출력 필드보다 강하다. 따라서, 항복 전압보다 높은 역방향 바이어스가 제1 SPAD의 n-도핑 증식 영역에 인가되고, 항복 전압보다 작은 역방향 바이어스가 제2 SPAD의 n-도핑 증식 영역에 인가되고, 제1 SPAD와 제2 SPAD에 공통인 판독 출력 영역은 접지된다. 광 생성 전자가 제1 SPAD의 증식 접합 영역에 도달할 때, 전기 판독 출력 필드는 제1 SPAD에서 광 생성 전자에 의해 트리거링되는 애벌런치 프로세스를 가능하게 한다.
(61')에서, 전기 수송 필드가 제1 SPAD 및 수직 평면 수송 필드 인가 층에 인가된다. 제3 실시예의 SPAD 검출기의 경우에, 제1 SPAD의 평면 내 수송 필드 인가 링에 수송 전압이 인가되고, 여기서 제1 SPAD의 판독 출력 링 및 수직 평면 수송 필드 인가 층이 접지된다.
(62')에서, 광 생성 전자에 의해 트리거링되는 애벌런치 프로세스에 의해 야기되는 제1 SPAD에서의 전류 펄스는 펄스 검출 회로에 의해 검출된다.
(63')에서 애벌런치 프로세스가 ??칭되고, 높은 전기 판독 출력 필드가 제2 SPAD에 인가된다. 제3 실시예의 SPAD 검출기의 경우, 제1 SPAD에 인가되는 역방향 바이어스는 항복 전압 아래로 감소되고, SPAD가 재생성되고 추가의 충돌 광자를 검출할 준비가 되기까지 항복 전압 아래로 유지된다. 동시에, 제2 SPAD에 인가되는 역방향 바이어스는 항복 전압 위로 상승된다.
(64)에서, 제2 SPAD 및 반도체 기판에 전기 수송 필드가 인가된다. 제3 실시예의 SPAD 검출기의 경우에, 제1 SPAD의 평면 내 수송 필드 인가 링에 인가되는 수송 전압은 중단되고 제2 SPAD의 평면 내 수송 필드 인가 링에 수송 전압이 인가되는데, 여기서 제2 SPAD의 판독 출력 링 및 수직 평면 수송 필드 인가 층은 접지된다.
(65)에서, 광 생성 전자에 의해 트리거링되는 애벌런치 프로세스에 의해 야기되는 제2 SPAD에서의 전류 펄스는 펄스 검출 회로에 의해 검출된다. 그 다음, 그것은 (50) 및 (51)로 복귀한다.
제3 실시예의 SPAD 검출기는 SPAD들 중 하나의 재생성 상태 동안에도 입사 방사를 검출할 수 있다.
도 10은 SPAD 검출기의 제4 실시예를 단면도로 도시한다. SPAD 검출기는 반도체 기판(1'), SPAD(2") 및 동작 회로(3')를 갖는다.
상세하게는, 반도체 기판(1')은 전면(100') 및 전면(100')에 대향하는 후면(101')을 갖는 벌크 영역(10')을 포함한다. 벌크 영역(10')은 도핑되지 않은 에피택셜 반도체 층이다. 반도체 기판(1')은 수직 평면 수송 필드 인가 층(11')을 수직 평면 수송 필드 인가 영역으로서 추가로 포함한다. 수직 평면 수송 필드 인가 층(11')은 벌크 영역(10')의 후면(101')을 따라 연장된다. 수직 평면 수송 필드 인가 영역(11')은 n-도핑 층이다.
SPAD(2")는 링형 p-도핑 웰로서 성형된 증식 접합 영역으로서 p-도핑 증식 접합 링(20")을 갖는다.
SPAD(2")는 p-도핑 가드 링(21")을 더 갖고, 여기서 p-도핑 가드 링(21")의 도핑 농도는 p-도핑 증식 접합 영역(20")의 도핑 농도보다 작다. 링형 형상을 갖는 p-도핑 가드 링(21")은 p-도핑 증식 접합 영역(20")을 둘러싸고 그와 접촉 상태에 있다. 벌크 영역(10')의 전면(100')에 수직인 p-도핑 가드 링(21'')의 깊이는 p-도핑 증식 접합 영역(20")의 깊이보다 약간 더 크다.
SPAD(2")는 평면 내 수송 필드 인가 영역에서와 같이 평면 내 수송 필드 인가 영역(22")을 더 갖는다. n-도핑 평면 내 수송 필드 인가 영역(22")은 원형 개구를 갖는 n-도핑 웰이고, 여기서 n-도핑 웰은 p-도핑 가드 링(21")을 둘러싸고 그와 접촉 상태에 있다. 벌크 영역(10')의 전면(100')에 수직인, n-도핑 평면 내 수송 필드 인가 영역(22")의 깊이는 p-도핑 증식 접합 링(20") 및 p-도핑 가드 링(21")의 깊이보다 약간 더 크다.
SPAD(2")는 추가 p-도핑 가드 링(24')을 추가로 포함하고, 여기서 추가 p-도핑 가드 링(24')의 도핑 농도는 p-도핑 가드 링(21")의 도핑 농도와 실질적으로 동일하다. 링형 형상을 갖는 p-도핑 가드 링(24')은 p-도핑 증식 접합 링(20")에 의해 둘러싸이고 그와 접촉 상태에 있다. 벌크 영역(10')의 전면(100')에 수직인, 추가 p-도핑 가드 링(24')의 깊이는 p-도핑 가드 링(21")의 깊이와 유사하다.
SPAD(2")는 판독 출력 영역으로서 n-도핑 판독 출력 영역(23")을 더 갖는다. n-도핑 판독 출력 영역(23")은 원형 디스크 형상을 갖는 n-도핑 웰로서 형성된다. 벌크 영역(10')의 전면(100')에 수직인 n-도핑 판독 출력 영역(23")의 깊이는 p-도핑 증식 접합 영역(20")의 깊이, 가드 링(21")의 깊이, 및 평면 내 수송 필드 인가 영역(22")의 깊이보다 크다. n-도핑 판독 출력 영역(23")의 도핑 농도는 평면 내 수송 필드 인가 링(22")의 도핑 농도와 실질적으로 동일하다.
SPAD(2")는 n-도핑 평면 내 수송 필드 인가 영역(22") 내의 링형 픽셀 p-웰(25)을 더 갖고, 여기서 링형 픽셀 p-웰(25)은 접지된다. 링형 픽셀 p-웰(25)은 트랜지스터들 및 다른 회로 컴포넌트들에 사용된다.
p-도핑 증식 접합 링(20"), p-도핑 가드 링(21"), n-도핑 평면 내 수송 필드 인가 영역(22"), 추가 p-도핑 가드 링(24'), n-도핑 판독 출력 영역(23"), 및 픽셀 p-웰(25)의 전면들은 벌크 영역(10')의 전면(100')과 하나의 평면에 있다.
동작 회로(3')는 저항기(300')를 갖는 수동 ??칭 회로(30') 및 펄스 검출 회로(31')를 포함한다. 동작 회로(3')는 또한 수송 전압원(32') 및 판독 출력 전압원(33)을 갖는다.
SPAD(2") 및 수직 평면 수송 필드 인가 층(11')은 와이어들을 통해 동작 회로(3')에 연결된다. 제4 실시예에서, p-도핑 증식 접합 링(20")은 저항기(300')를 통해 접지 gnd에 연결되고 n-도핑 판독 출력 영역(22")은 역방향 바이어스 Vbe를 인가하기 위해 판독 출력 전압원(33)에 연결된다. 따라서, 충돌 광자(4)에 의해 생성된 전자-정공 쌍의 광 생성 정공이 증식될 수 있고, 증식 프로세스에 의해 야기되는 펄스는 펄스 검출 회로(31')에 의해 검출될 수 있다.
더욱이, 평면 내 수송 필드 인가 영역(22")은 수송 전압원(32')에 연결되어 역방향 바이어스 Vbe 및 수송 전압 dV의 합을 전압으로서 인가하고, 여기서 수송 전압 dV는 일정하다. 따라서, 평면 내 전기 수송 필드가 생성되는데, 이것은 증식 접합 영역(20")으로부터 벌크 영역(10')으로의 평면 내 전자 전류를 야기한다. 한편, 광 생성 정공은 평면 내 전기 수송 필드에 의해 증식 접합 영역(20") 쪽으로 전송된다.
더욱이, 수직 평면 수송 필드 인가 층(11')은 수송 전압원(32')에 연결되어 역방향 바이어스 Vbe 및 수송 전압 dV의 합을 전압으로서 인가하며, 여기서 수송 전압은 일정하다. 따라서, 수직 평면 전기 수송 필드가 생성되는데, 이것은 증식 접합 영역(20")으로부터 수직 평면 수송 필드 인가 층(11')으로의 수직 평면 전자 전류를 야기한다. 한편, 광 생성 정공은 수직 평면 전기 수송 필드에 의해 증식 접합 영역(20") 쪽으로 경로(52)를 따라 전송된다.
도 11은 전면(100) 및 후면(101)을 갖는 애벌런치 광 검출기(SPAD)(500)의 또 다른 실시예를 예시하며, 여기서 이전의 실시예들에 대한 동일한 참조 번호들은 광 검출기(500)의 동일한 부분들을 예시하고(예를 들어, 도 3에 대해, 벌크 영역(10), 수송 필드 인가 층(11), 판독 출력 영역으로서의 p-도핑 판독 출력 링(23), 수송 전압(dV)을 인가하기 위한 수송 전압원(32), 평면 내 정공 전류(50), 수직 평면 정공 전류(51)), 및 도 2a 및 도 2b 등과 관련하여 앞서 또한 논의된 회로(410)(또는 410')), 이 경우에 전기 수송 필드를 인가하기 위한 p-도핑 수송 인가 링(502)은 (예를 들어, 도 1의 가드 링(406) 또는 실시예 도 3의 가드 링(21)과는 대조적으로) 평면 내에 대해서뿐만 아니라 평면 p-수송에 수직에 대해서 둘 모두에 역할한다.
또한, p-도핑 수송 인가 링(502)은 애벌런치 광 검출기(500)의 애노드로서 역할하며, n-도핑 영역(506)(탭 영역이라고도 지칭함)은 캐소드를 형성한다. p-도핑 수송 인가 링(502)은 n-도핑 영역(506)을 둘러싸며, 여기서 n-도핑 영역(506)은 (예를 들어, 원형 단면을 갖는) 기둥 유사 형상을 가질 수 있다.
전기 수송 필드를 인가함으로써, 수송 인가 링(502)과 판독 출력(23) 사이에 평면 내 정공 전류(50)가 발생하고, 수송 인가 링(502)과 벌크 영역(10)의 후면(101) 사이에 수직 평면 정공 전류(51)가 발생한다.
캐소드(506)상의 항복 전압은 기본적으로 수송 인가 링(502)과 캐소드 영역(506) 사이의 공간에 의존하며, 그의 도핑 레벨: 거리가 더 클수록, 그것이 더 낮게 도핑되고, 항복 전압은 더 높아진다. 기판(10)은 본 실시예의 경우에서와 같이, 도핑되지 않거나, 저농도 p-도핑될 수 있다.
항복은 캐소드상의 전압이 증가할 때 애노드 링(502)(p-도핑 수송 인가 링(502))과 캐소드(506)(n-도핑 탭 영역) 사이에서 먼저 생긴다. 따라서, 수송 인가 링(502)과 캐소드 영역(506) 사이의 영역은 애벌런치 증식 공핍 링(511)(증식 접합 영역)으로서 표시되고 이러한 공핍은 구역들(502, 10 및 506) 사이에서 공유된다.
입사 광자가 흡수되어, 수송 인가 링(502)을 향하여 궤적(515)을 따라가는 광 생성 전자(412)를 형성하는데, 이것은 아주 근처에 있고, 따라서 애벌런치 증식 공핍 링(511)에 신속하게 도달한다.
항복 아래 또는 위의 전압 바이어스에 의존하여, 애벌런치 이득 또는 항복의 트리거링이 야기된다. 이것은 도 2a 및 도 2b와 관련하여 이미 논의된 바와 같이 선택되는 회로(410, 410')의 타입에 의존한다.
도 3 내지 도 10과 관련하여 앞서 논의한 실시예들과 대조적으로, 도 11의 실시예에서, 수송 인가 링(502) 및 증식 공핍 링(511)은 서로 인접하고, 따라서 끌어당겨진 전자들은 증식 영역(511) 내로 빠르게 이동하고, 가드 링에 의해 방해받지 않을 수 있다.
따라서, 수송 인가 (링) 영역(502)은 전기 수송 필드를 인가하기 위한 p-도핑 수송 인가 링으로서 그리고 애벌런치 광 검출기의 애노드로서 동시에 역할한다. 더욱이, 도 12를 참조하여 또한 설명되는 바와 같이, 애벌런치 증식 공핍 링(511)은 p-도핑 수송 인가 링(502)에 인접하거나 또는 심지어 적어도 부분적으로 중첩한다.
도 12는 도 11의 애벌런치 광 검출기(500)의 평면도이다.
바람직하게는, 수송 인가 링(502), 애벌런치 증식 영역(511)의 그리고 탭 영역(506)의 형상(단면)은, 코너들에서의 필드들의 농도를 피하거나 또는 낮추기 위해, 원형 또는 팔각형, 또는 그와 유사한 것이다.
p-도핑 판독 출력 링(23)의 직경은 감광 면적을 결정한다. 원하는 민감 면적에 의존하여, 일부 실시예들에서, 직경은, 예를 들어, 수 마이크로미터 내지 30 마이크로미터(및 이 영역에서의 임의의 다른 값)일 수 있다. n-도핑 캐소드(506)의 직경은, 일부 실시예들에서, 예를 들어, 1 마이크로미터 내지 수 마이크로미터일 수 있다. 애노드(502)와 캐소드(506) 사이의 거리는 항복 전압을 결정할 것이고, 일부 실시예들에서, 예를 들어, 300 nm로부터 4 마이크로미터까지의 값 중 임의의 값일 수 있다. 벌크 영역(10)의 도핑 레벨은 또한 항복 전압을 같이 결정할 것이다. 판독 출력 링(23)은 얕거나 깊을 수 있고, 일부 실시예들에서, 예를 들어, 100 nm 내지 4 마이크로미터일 수 있다. 판독 출력 링(23)의 폭은, 일부 실시예들에서, 예를 들어, 수백 nm 내지 수 마이크로미터일 수 있다.
일부 실시예들에서, 수송 인가 링(502)은 깊게 확장되지 않는데, 그 이유는 그렇지 않다면 이는 수송 인가(502)로부터 애벌런치 증식 링(511)으로의 전자들의 전송 속도를 제한했을 것이고, 그에 의해 애벌런치 광 검출기(500)의 전체 속도를 제한하게 되었을 것이다. 일부 실시예들에서, 수송 인가 링(502)의 깊이는, 속도가 그렇게 중요하지 않은 경우에는, 예를 들어, 100 nm 내지 1 마이크로미터이다. 수송 인가 링(502)의 폭은, 예를 들어, 500 nm 내지 3 마이크로미터일 수 있다.
도 13은 도 11 및 도 12의 애벌런치 광 검출기(500)의 실시예의 변동(500')(SPAD)을 도시한 것이고(동일한/유사한 참조 번호는 SPAD 검출기(500') 및 SPAD 검출기(500)의 동일한/유사한 부분을 나타냄), 여기서 n-도핑 캐소드(탭 영역)(506')은 리파인(refine)되고, 역행 n-웰이라고도 불리는, 더 낮은 위치에서의 더 높은 도핑 레벨 영역(508), 및 표면에 더 가까운 더 낮은 도핑 레벨 영역(507)을 포함하고, 이것은 반도체 표면에서의 중간 트랩들로 인한 암 전류 증식을 낮추기 위해 표면 아래(예를 들어, 1 마이크로미터 만큼)에 애벌런치 증식 공핍 링(511')(증식 접합 영역)을 배치하는 역할을 한다.
도 14는 도 11 및 도 12의 애벌런치 광 검출기(500)의 실시예의 변형(500")(SPAD)을 도시하고(동일한/유사한 참조 번호는 SPAD 검출기(500") 및 SPAD 검출기(500)의 동일한/유사한 부분들을 나타냄), 여기서 n-도핑 캐소드(506")(탭 영역)는 리파인되고 더 낮은 위치에의 더 높은 도핑 레벨 영역(508'), 및 매립 n-층을 이용하여 표면에 더 가까운 더 낮은 도핑 레벨 영역(507')을 포함한다. 이것은 또한 반도체 표면에서의 중간 트랩들로 인한 암 전류 증식을 낮추기 위해, 표면 아래(예를 들어, 1 마이크로미터 만큼)에 애벌런치 증식 공핍 링(511")(증식 접합 영역)을 위치시키는 역할을 한다.
도 13의 역행 n-웰 및 도 14의 매립 n-층 둘 다는 이온 주입에 의해 생성될 수 있다.
제4 실시예의 SPAD 검출기를 작동시키기 위한 방법은 도 5와 관련하여 설명된 방법과 유사하게 수행되는데, 여기서 정공 전류는 전자 전류로 대체되고 전자 전류는 정공 전류로 대체된다.
도 11 내지 도 14의 실시예들은 도 3 내지 도 10의 실시예들 중 어느 하나와 조합될 수 있다.
도 15는 TOF 깊이 감지 시스템(600)을 도시한다. 시스템(600)은 TOF 깊이 감지에 적합한 임의의 종류의 광원일 수 있는 펄스 광원(601)을 가지며, 이것은 예를 들어, 발광 요소들(레이저 다이오드, 발광 다이오드 등에 기초함)을 포함한다.
광원(601)은 펄스 광을 물체(602)에 방출하며, 이것은 광을 반사시킨다. 물체(602)에 광을 반복적으로 방출함으로써, 물체(602)가 스캐닝될 수 있는데, 이는 일반적으로 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 반사된 광은 렌즈(603)(또는 렌즈 시스템)에 의해, 예를 들어 도 3 내지 도 14 중 어느 하나와 관련하여 본 명세서에서 논의된 바와 같은 SPAD 검출기들 중 하나와 같은 SPAD 검출기(604)에 포커싱될 수 있다.
발광 시간 정보는 광원(601)으로부터 TOF 측정 유닛(605)으로 공급되는데, 이것은 또한, 물체(602)로부터 반사되는 광이 검출될 때, SPAD 검출기(604)로부터 제각기 시간 정보를 수신한다. 광원(601)으로부터 수신된 방출 시간 정보 및 SPAD 검출기(604)로부터 수신된 도달 시간 정보에 기초하여, TOF 측정 유닛(605)은 광원(601)으로부터 방출되고 물체(602)에 의해 반사되는 광의 왕복 시간(round-trip time)을 계산하고 그것에 기초하여 이것은 SPAD 검출기(604)와 물체(602) 사이의 거리 d(깊이 정보)를 계산한다.
깊이 정보는 TOF 측정 유닛(605)으로부터 3D 이미지 재구성 유닛(606)으로 공급되고, 이는 TOF 측정 유닛(605)으로부터 수신된 깊이 정보에 기초하여 물체(602)의 3D 이미지를 재구성(생성)한다.
모든 실시예들은 p-도핑 영역을 n-도핑 영역으로 대체하고 n-도핑 영역을 p-도핑 영역으로 대체함으로써 수정될 수 있다. 이 경우, n-도핑 증식 접합 영역은 ??칭 회로를 통해 접지에 연결되고, n-도핑 판독 출력 링은 역방향 바이어스로 바이어싱되고, 평면 내 수송 필드 인가 링 및 수직 평면 수송 필드 인가 층은 역방향 바이어스와 수송 전압의 합으로 바이어싱된다. 따라서, 평면 내 전기 수송 필드 및 수직 평면 수송 필드는 p-도핑 증식 접합 영역으로부터 평면 내 수송 필드 인가 링 및 수직 평면 수송 필드 인가 층으로의 전자 전류를 야기한다.
모든 실시예들에서, 벌크 영역은 대안적으로 도핑 에피택셜 층일 수 있고, 여기서 도전형은 수직 평면 수송 필드 인가 영역의 것과 동일하고, 여기서 도핑 농도는 수직 평면 수송 필드 인가 영역의 것보다 작다.
모든 실시예들의 SPAD 검출기는 후면 조명식 SPAD 검출기들일 수 있다.
실시예들은 방법 단계들의 예시적인 순서를 갖는 방법들을 설명하고 방법들은 SPAD 검출기들의 실시예들 중 어느 것에라도 적용될 수 있다는 것을 인식해야 한다. 그러나, 방법 단계들의 특정 순서는 단지 예시의 목적으로 주어진 것이며, 결속된 것으로 해석해서는 안 된다. 예를 들어, 도 5의 실시예에서의 (50) 및 (51)의 순서가 교환될 수 있다. 또한, 도 9의 실시예에서의 (50') 및 (53')의 순서가 교환될 수 있다. 방법 단계들의 순서의 다른 변경들이 통상의 기술자에게 명백할 수 있다.
동작 회로를 유닛들(30 및 31)로 분할하는 것은 예시 목적으로만 이루어지고 본 개시내용은 특정 유닛들에서의 기능들의 임의의 특정 분할에 제한되지 않는다는 점에 유의한다. 예를 들어, 동작 회로(3)는 제각기 프로그래밍된 프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 등에 의해 구현될 수 있다.
SPAD 검출기를 제어하기 위한 방법은 또한 컴퓨터 및/또는 프로세서로 하여금, 컴퓨터 및/또는 프로세서상에서 수행될 때, 방법을 수행하게 야기하는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 위에 설명된 프로세서와 같은 프로세서에 의해 실행될 때 설명된 방법이 수행되게 야기하는 컴퓨터 프로그램 제품을 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 기록 매체가 제공된다.
본 기술은 또한 아래에 설명되는 바와 같이 구성될 수 있다는 점에 유의한다.
(1) 단일-광자 애벌런치 다이오드(single-photon avalanche diode, SPAD) 검출기로서:
벌크 영역을 갖는 반도체 기판;
상기 반도체 기판의 벌크 영역에서의 적어도 하나의 SPAD - 상기 SPAD는 접합 증식 영역(junction multiplication region)을 가짐 -; 및
광 생성 캐리어들을 상기 반도체 기판의 벌크 영역으로부터 상기 SPAD의 증식 접합 영역으로 전송하기 위한 전기 수송 필드를 생성하도록 구성된 동작 회로를 포함한다.
(2) (1)에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 전기 전송 필드는 평면 내 전계 및 수직 평면 전계 중 적어도 하나이다.
(3) (1) 또는 (2)에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 SPAD는:
상기 SPAD를 접지에 연결하기 위한 판독 출력 영역; 및
상기 전기 수송 필드를 인가하기 위한 평면 내 수송 필드 인가 영역을 추가로 포함한다.
(4) (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 SPAD는 가드 영역을 추가로 포함한다.
(5) (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 따른 SPAD 검출기에 있어서,
상기 접합 증식 영역, 상기 판독 출력 영역, 및 상기 평면 내 수송 필드 인가 영역 중 하나는 원통형 영역이다.
(6) (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 판독 출력 영역, 상기 평면 내 수송 필드 인가 영역, 및 상기 접합 증식 영역 중 적어도 하나는 중공 원통형 영역이다.
(7) (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 반도체 기판은 수직 평면 수송 필드 인가 영역을 추가로 포함한다.
(8) (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 동작 회로는 광 생성 캐리어에 의해 트리거링되는 애벌런치를 생성하기 위한 전기 판독 출력 필드를 생성하도록 구성된다.
(9) (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 전기 수송 필드는 일정하다.
(10) (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 추가 SPAD를 추가로 포함하고, 상기 동작 회로는 상기 SPAD 및 상기 추가 SPAD를 교대로 동작시키도록 구성된다.
(11) (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 따른 SPAD 검출기에 있어서, SPAD 검출기는 광자 믹서이다.
(12) (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 접합 증식 영역은 탭 영역에 인접하고, 상기 탭 영역은 상기 SPAD의 캐소드 또는 애노드를 형성한다.
(13) (12)에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 탭 영역은 n-도핑되거나 또는 p-도핑된다.
(14) (12) 또는 (13)에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 탭 영역은 n-웰 또는 p-웰을 포함한다.
(15) (14)에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 n-웰 또는 상기 p-웰은 역행 도핑을 갖는다.
(16) (15)에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 n-웰 또는 상기 p-웰은 저농도로 및 고농도로 도핑된 영역을 갖는다.
(17) (16)에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 저농도 도핑 영역은 상기 고농도 도핑된 영역보다 상기 벌크 영역의 표면에 더 가깝다.
(18) (17)에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 고농도 도핑 영역은 벌크 영역에 매립된다.
(19) (17)에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 고농도 도핑된 영역은 이온 주입에 의해 생성된다.
(20) (12) 내지 (19) 중 어느 하나에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 전기 수송 필드를 인가하기 위한 수송 인가 영역을 추가로 포함하고, 상기 수송 필드 인가 영역은 또한 상기 SPAD 검출기를 위한 애노드 또는 캐소드로서 역할을 한다.
(21) (20)에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 수송 인가 영역과 상기 증식 접합 영역은 서로 인접한다.
(22) (21)에 따른 SPAD 검출기에 있어서, 상기 수송 인가 영역은 상기 증식 접합 영역과 적어도 부분적으로 중첩한다.
(23) SPAD 검출기를 작동시키기 위한 방법으로서:
벌크 영역을 갖는 반도체 기판; 및
상기 반도체 기판의 벌크 영역에서의 적어도 하나의 SPAD - 상기 SPAD는 접합 증식 영역을 가짐 - 를 포함하고,
상기 방법은:
광 생성 캐리어들을 상기 반도체 기판의 벌크 영역으로부터 상기 SPAD의 증식 접합 영역으로 전송하기 위한 전기 수송 필드를 생성하는 단계를 포함한다.
(24) (23)에 따른 방법에 있어서, 상기 전기 전송 필드는 평면 내 전계 및 수직 평면 전계 중 적어도 하나이다.
(25) (23) 또는 (24)에 따른 방법에 있어서, 상기 SPAD는:
상기 SPAD를 접지에 연결하기 위한 판독 출력 영역; 및
상기 전기 수송 필드를 인가하기 위한 평면 내 수송 필드 인가 영역을 추가로 포함한다.
(26) (23) 내지 (25) 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 SPAD는 가드 영역을 추가로 포함한다.
(27) (23) 내지 (26) 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 접합 증식 영역, 상기 판독 출력 영역, 및 상기 평면 내 수송 필드 인가 영역 중 하나는 원통형 영역이다.
(28) (23) 내지 (27) 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 판독 출력 영역, 상기 평면 내 수송 필드 인가 영역, 및 상기 접합 증식 영역 중 적어도 하나는 중공 원통형 영역이다.
(29) (23) 내지 (28) 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 반도체 기판은 수직 평면 수송 필드 인가 영역을 추가로 포함한다.
(30) (23) 내지 (29) 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서,
광 생성 캐리어에 의해 트리거링되는 애벌런치를 생성하기 위한 전기 판독 출력 필드를 생성하는 단계를 추가로 포함한다.
(31) 제30항에 따른 방법에 있어서, 상기 전기 수송 필드는 일정하다.
(32) (23) 내지 (31) 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 SPAD 검출기는 추가 SPAD를 추가로 포함하고,
상기 방법은:
상기 SPAD 및 상기 추가 SPAD를 교대로 작동시키는 단계를 포함한다.
(33) (23) 내지 (32) 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 SPAD 검출기는 광자 믹서이다.
(34) 컴퓨터에 대해 수행될 때, 컴퓨터로 하여금 (23) 내지 (33) 중 어느 하나에 따른 방법을 수행하게 야기하는 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램.
(35) 프로세서에 의해 실행될 때, (23) 내지 (33) 중 어느 하나에 따른 방법이 수행되게 야기하는 컴퓨터 프로그램 제품을 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 기록 매체.
(36) TOF 깊이 감지 시스템으로서:
광원; 및
(1) 내지 (22) 중 어느 하나에 따른 단일-광자 애벌런치 다이오드(SPAD) 검출기를 포함한다.

Claims (23)

  1. 단일-광자 애벌런치 다이오드(single-photon avalanche diode, SPAD) 검출기로서:
    벌크 영역을 갖는 반도체 기판 - 상기 벌크 영역은 도핑되지 않은 에피텍셜 반도체 층임 -;
    상기 반도체 기판의 벌크 영역에서의 적어도 하나의 SPAD - 상기 SPAD는 접합 증식 영역(junction multiplication region)을 갖고 가이거 모드(Geiger mode)에서 작동함 -; 및
    광 생성 캐리어들을 상기 반도체 기판의 벌크 영역으로부터 상기 SPAD의 증식 접합 영역으로 전송하기 위한 전기 수송 필드(electric transport field)를 생성하기 위해 수송 전압원을 통해 수송 전압을 인가하도록 구성된 동작 회로 - 상기 전기 수송 필드는 평면 내 전기 수송 필드를 포함함 - 를 포함하고,
    상기 접합 증식 영역은 탭 영역에 인접하고, 상기 탭 영역은 상기 SPAD의 캐소드 또는 애노드를 형성하고,
    상기 탭 영역은 n-도핑되거나 또는 p-도핑되고, 상기 탭 영역은 n-웰 또는 p-웰을 포함하고,
    상기 n-웰 또는 상기 p-웰은 역행 도핑(retrograde doping)을 갖고,
    상기 n-웰 또는 상기 p-웰은 저농도 및 고농도 도핑된 영역을 갖고,
    상기 저농도 도핑된 영역은 상기 고농도 도핑된 영역보다 상기 벌크 영역의 표면에 더 가깝고, 상기 고농도 도핑 영역은 상기 벌크 영역에 매립되고,
    상기 SPAD는 상기 SPAD를 접지에 연결하기 위한 판독 출력 영역 및 평면 내 수송 필드 인가 영역을 추가로 포함하고,
    상기 동작 회로는 상기 평면 내 전기 수송 필드를 생성하기 위해 상기 수송 전압원을 통해 상기 판독 출력 영역 및 상기 평면 내 수송 필드 인가 영역 사이에 수송 전압을 인가하도록 구성되고 - 상기 평면 내 전기 수송 필드는 상기 반도체 기판의 전면에 평행하게 오리엔테이션됨 -,
    상기 평면 내 전기 수송 필드에 의해 야기되는 다수 캐리어 전류에 의해 광 생성 캐리어들이 상기 SPAD의 증식 접합 영역으로 안내되고,
    일정한 평면 내 전기 수송 필드를 생성하기 위해 일정한 수송 전압이 인가되는 SPAD 검출기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 SPAD는 가드 영역을 추가로 포함하는 SPAD 검출기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접합 증식 영역, 상기 판독 출력 영역 중 하나는 중공 원통형 영역(hollow cylinder-like region)이고, 상기 평면 내 수송 필드 인가 영역은 원통형 영역인 SPAD 검출기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 판독 출력 영역, 상기 평면 내 수송 필드 인가 영역, 및 상기 접합 증식 영역 중 적어도 하나는 중공 원통형 영역인 SPAD 검출기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반도체 기판은 수직 평면 수송 필드 인가 영역을 추가로 포함하는 SPAD 검출기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 동작 회로는 광 생성 캐리어에 의해 트리거링되는 애벌런치를 생성하기 위한 전기 판독 출력 필드를 생성하도록 구성되는 SPAD 검출기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 추가 SPAD를 추가로 포함하고, 상기 동작 회로는 상기 SPAD 및 상기 추가 SPAD를 교대로 작동시키도록 구성되는 SPAD 검출기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 SPAD 검출기는 광자 믹서(photonic mixer)인 SPAD 검출기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 고농도 도핑된 영역은 이온 주입에 의해 생성되는 SPAD 검출기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전기 수송 필드를 인가하기 위한 수송 인가 영역을 추가로 포함하고, 상기 수송 인가 영역은 또한 상기 SPAD 검출기에 대한 애노드 또는 캐소드로서 역할하는 SPAD 검출기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 수송 인가 영역 및 상기 증식 접합 영역은 서로 인접한 SPAD 검출기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 수송 인가 영역은 상기 증식 접합 영역과 적어도 부분적으로 중첩하는 SPAD 검출기.
  14. SPAD 검출기를 작동시키기 위한 방법으로서:
    상기 SPAD 검출기는,
    벌크 영역을 갖는 반도체 기판 - 상기 벌크 영역은 도핑되지 않은 에피텍셜 반도체 층임 -; 및
    상기 반도체 기판의 벌크 영역에서의 적어도 하나의 SPAD - 상기 SPAD는 접합 증식 영역을 갖고 가이거 모드(Geiger mode)에서 작동함 - 를 포함하고,
    상기 접합 증식 영역은 탭 영역에 인접하고, 상기 탭 영역은 상기 SPAD의 캐소드 또는 애노드를 형성하고,
    상기 탭 영역은 n-도핑되거나 또는 p-도핑되고, 상기 탭 영역은 n-웰 또는 p-웰을 포함하고,
    상기 n-웰 또는 상기 p-웰은 역행 도핑(retrograde doping)을 갖고,
    상기 n-웰 또는 상기 p-웰은 저농도 및 고농도 도핑된 영역을 갖고,
    상기 저농도 도핑된 영역은 상기 고농도 도핑된 영역보다 상기 벌크 영역의 표면에 더 가깝고, 상기 고농도 도핑 영역은 상기 벌크 영역에 매립되고,
    상기 방법은:
    광 생성 캐리어들을 상기 반도체 기판의 벌크 영역으로부터 상기 SPAD의 증식 접합 영역으로 전송하기 위한 전기 수송 필드를 생성하는 단계 - 상기 전기 수송 필드는 평면 내 전기 수송 필드를 포함함 - 를 포함하고,
    상기 SPAD는 상기 SPAD를 접지에 연결하기 위한 판독 출력 영역 및 평면 내 수송 필드 인가 영역을 추가로 포함하고,
    상기 전기 수송 필드를 생성하는 단계는 상기 평면 내 전기 수송 필드를 생성하기 위해 수송 전압원을 통해 상기 판독 출력 영역 및 상기 평면 내 수송 필드 인가 영역 사이에 수송 전압을 인가하는 단계를 포함하고 - 상기 평면 내 전기 수송 필드는 상기 반도체 기판의 전면에 평행하게 오리엔테이션됨 -,
    상기 평면 내 전기 수송 필드에 의해 야기되는 다수 캐리어 전류에 의해 광 생성 캐리어들이 상기 SPAD의 증식 접합 영역으로 안내되고,
    일정한 평면 내 전기 수송 필드를 생성하기 위해 일정한 수송 전압이 인가되는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 SPAD는 가드 영역을 추가로 포함하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 접합 증식 영역, 상기 판독 출력 영역, 및 상기 평면 내 수송 필드 인가 영역 중 하나는 원통형 영역인 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 판독 출력 영역, 상기 평면 내 수송 필드 인가 영역, 및 상기 접합 증식 영역 중 적어도 하나는 중공 원통형 영역인 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 반도체 기판은 수직 평면 수송 필드 인가 영역을 추가로 포함하는 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    광 생성 캐리어에 의해 트리거링되는 애벌런치를 생성하기 위한 전기 판독 출력 필드를 생성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  20. 삭제
  21. 제14항에 있어서, 상기 SPAD 검출기는 추가 SPAD를 추가로 포함하고,
    상기 방법은:
    상기 SPAD 및 상기 추가 SPAD를 교대로 작동시키는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제14항에 있어서, 상기 SPAD 검출기는 광자 믹서인 방법.
  23. TOF(time-of-flight) 깊이 감지 시스템으로서,
    광원; 및
    제1항 내지 제6항 및 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 SPAD 검출기를 포함하는 시스템.
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