TW202232780A - 單光子雪崩二極體 - Google Patents

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Abstract

本申請係關於單光子雪崩二極體。一種單光子雪崩二極體可包括基板和由基板支撐的多個接面結構。基板可具有彼此相對的上表面和下表面。接面結構可由基板支撐以與基板的上表面接觸。接面結構可包括在垂直於基板的垂直方向上彼此交疊的部分。各個接面結構可包括具有第一導電類型並且被設置為與基板的上表面接觸的第一雜質區域以及具有第二導電類型並且被設置為與基板的上表面和第一雜質區域的底表面接觸的第二雜質區域。各個接面結構中的第一雜質區域和第二雜質區域可被配置為通過基板的上表面接收偏置電壓。

Description

單光子雪崩二極體
本專利申請案中揭示的技術和實現方式總體上係關於一種單光子雪崩二極體。
最近備受關注的飛行時間（time of flight, TOF）技術可包括從感測器中或感測器周圍的光源向對象照射具有脈衝形狀的光，接收反射光以測量對象與光源之間的時間，並且基於光速恆定原理提取對象與光源之間的距離。
為了準確地測量TOF，一通過光接收元件接收到光，就需要產生反應。因此，期望具有高靈敏度的光電轉換元件。已廣泛研究並開發了通過CMOS製程技術製造的單光子雪崩二極體（single photon avalanche diode, SPAD）。
所揭示的技術的示例實施方式提供一種包括多耗盡區域的單光子雪崩二極體。
在所揭示的技術的示例實施方式中，一種單光子雪崩二極體可包括基板以及由基板支撐的多個接面結構（junction structure）。基板可具有彼此相對的上表面和下表面。接面結構可由基板支撐以與基板的上表面接觸。接面結構可包括在垂直於基板的垂直方向上彼此交疊的部分。各個接面結構可包括：第一雜質區域，其具有第一導電類型並且被設置為與基板的上表面接觸；以及第二雜質區域，其具有第二導電類型並且被設置為與基板的上表面和第一雜質區域的底表面接觸。各個接面結構中的第一雜質區域和第二雜質區域可被配置為通過基板的上表面接收偏置電壓。
在所揭示的技術的示例實施方式中，一種單光子雪崩二極體可包括：基板、由基板支撐的具有第一導電類型的第一雜質區域、由基板支撐的具有第二導電類型的第二雜質區域、由基板支撐的具有第一導電類型的第三雜質區域以及由基板支撐的具有第二導電類型的第四雜質區域。基板可具有上表面和下表面。第一雜質區域可與基板的上表面接觸。第二雜質區域可與基板的上表面部分地接觸。第二雜質區域可與第一雜質區域的底表面和側表面接觸。第三雜質區域可與第二雜質區域的底表面接觸。第四雜質區域可與基板的上表面部分地接觸。第四雜質區域可與第三雜質區域的底表面和側表面接觸。
根據示例實施方式，接面結構可彼此垂直交疊以形成包括多耗盡區域的單光子雪崩二極體。因此，該單光子雪崩二極體可具有與多耗盡區域的數量對應的多操作電壓（multi-operational voltages）。因此，該單光子雪崩二極體可在各種環境和廣泛應用領域中具有改進的檢測靈敏度。
相關申請案的交叉引用： 本專利申請案要求2021年2月9日提交的韓國專利申請案號10-2021-0018102的優先權和權益，其整體通過引用併入本文。
將參照圖式更詳細地描述所揭示的技術的各種實施方式。
所揭示的示例實施方式可提供一種包括多耗盡區域並具有多個操作電壓的單光子雪崩二極體。相比之下，傳統單光子雪崩二極體的一些設計可僅具有一個操作電壓。單光子雪崩二極體可具有與操作電壓對應的光子檢測靈敏度和應用領域。因此，當單光子雪崩二極體具有多個操作電壓時，單光子雪崩二極體可廣泛用在各種領域中。
例如，單光子雪崩二極體可用於包括感光P-N接面的光電轉換元件。單光子雪崩二極體可接收並檢測來自對象的單光子以產生與所檢測到的單光子對應的電流脈衝。在可施加高於崩潰電壓的反向偏置電壓（包括陰極與陽極之間的電壓）的蓋革模式（Geiger mode）下，可由入射單光子觸發突崩潰以產生電流脈衝。可在單光子雪崩二極體中的耗盡區域處產生突崩潰。當對單光子雪崩二極體施加反向偏置電壓以增加電場時，通過吸收入射光子而產生的電子可能由於強電場的存在而移動，並且發生碰撞電離以產生電子-空穴對。在施加高於崩潰電壓的反向偏置電壓的蓋革模式下操作的單光子雪崩二極體中，載波（例如，可通過入射光產生的電子或空穴以及可通過碰撞電離產生的電子和空穴）可彼此碰撞以產生大量載波。因此，儘管單光子入射到單光子雪崩二極體，但是單光子可觸發突崩潰以產生可測量電流脈衝。
以下，第一導電類型和第二導電類型是指互補導電類型。第一導電類型可為P型，第二導電類型可為N型。第一方向D1、第二方向D2和第三方向D3可彼此基本上垂直。例如，在XYZ坐標中，第一方向D1可為X方向，第二方向D2可為Y方向，第三方向D3可為Z方向。
圖1A是示出根據示例實施方式的單光子雪崩二極體的平面圖，圖1B是沿著圖1A中的線I-I’截取的橫截面圖。
參照圖1A和圖1B，示例實施方式的單光子雪崩二極體1可包括基板Sub以及多個接面結構10、20、30和40。基板Sub具有上表面S1和下表面S2。接面結構10、20、30和40可形成在基板Sub上以與基板Sub的上表面S1接觸。接面結構10、20、30和40可沿著第三方向D3彼此交疊。接面結構10、20、30和40中的每一個可包括P-N接面二極體。各個接面結構的P-N接面二極體的陽極和陰極中的每一個可被配置為接收偏置電壓以操作單光子雪崩二極體。例如，可調節由不同接面結構的陽極和陰極接收的偏置電壓以提供二極體的不同操作電壓。
此外，單光子雪崩二極體1可包括形成在基板Sub處的隔離區域50。隔離區域50可佈置在接面結構10、20、30和40中的任何兩個相鄰的接面結構之間。各個隔離區域50可具有被配置為與基板Sub的上表面S1接觸的管形狀。各個隔離區域50可在第三方向D3上延伸。各個隔離區域50可包括具有第一導電類型的雜質區域或者溝槽型隔離層。溝槽型隔離層可包括形成在基板Sub的上表面S1上的溝槽以及形成在溝槽中的絕緣層。
基板Sub可包括塊狀單晶矽晶圓、絕緣矽（SOI）晶圓、諸如Si-Ge的化合物半導體晶圓、包括矽外延層的晶圓等。例如，基板Sub可包括摻雜有第一導電類型雜質（例如，P型雜質）的塊狀單晶矽晶圓。
基板Sub的上表面S1可以是前側。儘管圖中未描繪，可提供圖4和圖5中用於控制單光子雪崩二極體1的控制電路（例如，形成在基板Sub的上表面S1上）。基板Sub的下表面S2可以是後側。此外，基板Sub的下表面S2可以是光可入射的入射表面。因此，儘管圖中未描繪，濾光器、微透鏡等可形成在基板Sub的下表面S2上。
接面結構10、20、30和40中的每一個可包括具有第一導電類型的第一雜質區域11、21、31和41以及具有第二導電類型的第二雜質區域12、22、32和42。例如，當第一導電類型可為P型並且第二導電類型可為N型時，第一雜質區域11、21、31和41可對應於陽極並且第二雜質區域12、22、32和42可對應於陰極。接面結構10、20、30和40中的每一個中的第一雜質區域11、21、31和41和第二雜質區域12、22、32和42可被配置為與基板Sub的上表面S1接觸。第一雜質區域11、21、31和41和第二雜質區域12、22、32和42可被配置為通過基板Sub的上表面S1接收偏壓。第二雜質區域12、22、32和42可被配置為圍繞第一雜質區域11、21、31和41的側表面和底表面。具體地，第二雜質區域12、22、32和42可被配置為與第一雜質區域11、21、31和41的側表面和底表面接觸。
位於接面結構10、20、30和40的中央部分的第一接面結構10的第一雜質區域11可具有板形狀。第一接面結構10的第二雜質區域12可具有被配置為圍繞第一雜質區域的側表面和底表面的圓柱形狀。第一接面結構10的第二雜質區域12可具有從基板Sub的上表面S1看的平面環形形狀。第一接面結構10的第二雜質區域12可具有從基板Sub的下表面S2看的平面板形狀。第一接面結構10的第二雜質區域12可具有橫截面“U”形狀。
接面結構10、20、30和40當中的第二接面結構20可被配置為圍繞第一接面結構10的側表面和底表面。因此，第二接面結構20中的第一雜質區域21和第二雜質區域22中的每一個可具有圓柱形狀。隔離區域50可位於第一接面結構10的第二雜質區域12與第二接面結構20的第一雜質區域21之間。隔離區域50從基板Sub的上表面S1測量的深度可與隔離區域50內的第一接面結構10的深度基本上相同。
在接面結構10、20、30和40當中，任兩個相鄰接面結構可被定位為使得兩個接面結構中的一個接面結構相對更靠近基板的中央部分，兩個接面結構中的另一個接面結構相對更靠近基板的邊緣部分。相對更靠近基板的中央部分的一個接面結構可被稱為內接面結構，相對更靠近基板的邊緣部分的另一接面結構可被稱為外接面結構。外接面結構可被配置為圍繞內接面結構的側表面和底表面。因此，第二接面結構20至第四接面結構40中的每一個中的第一雜質區域21、31和41和第二雜質區域22、32和42可具有圓柱形狀。第N接面結構40的第一雜質區域41可被配置為與第(N-1)接面結構30的第二雜質區域32的底表面接觸，由此N是大於1的整數。此外，第N接面結構40的第一雜質區域41可與第(N-1)接面結構30的第二雜質區域32的側表面間隔開。因此，隔離區域50可被插入到第N接面結構40的第一雜質區域41的側表面與面向第N接面結構40的第一雜質區域41的側表面的第(N-1)接面結構30的第二雜質區域32的側表面之間。當隔離區域50可包括第一導電類型雜質區域時，隔離區域50的雜質摻雜濃度可低於第一雜質區域21、31和41的雜質摻雜濃度。
第二接面結構20至第N接面結構40中的第一雜質區域21、31和41和第二雜質區域22、32和42的垂直延伸部分的寬度可小於第二接面結構20至第N接面結構40中的第一雜質區域21、31和41和第二雜質區域22、32和42的水平延伸部分的垂直深度。
如上面提及的，多個接面結構10、20、30和40可垂直層疊，使得接面結構10、20、30和40中的任何兩個相鄰的接面結構具有彼此接觸的公共表面，從而提供具有多耗盡區域的單光子雪崩二極體1。因此，單光子雪崩二極體1可具有與多耗盡區域的數量對應的多操作電壓。因此，單光子雪崩二極體1可在各種環境和廣泛應用領域中具有改進的檢測靈敏度。可在接面結構10、20、30和40中的每一個接面結構處產生一個耗盡區域。此外，也可在接面結構10、20、30和40之間的各個接觸區域處產生一個耗盡區域。
圖2A是示出根據示例實施方式的單光子雪崩二極體的平面圖，圖2B是沿著圖2A中的線I-I’截取的橫截面圖。以下，可參照圖2A和圖2B示出具有不同的三個操作電壓的單光子雪崩二極體。
參照圖2A和圖2B，示例實施方式的單光子雪崩二極體2可包括基板Sub、第一接面結構110和第二接面結構120。基板Sub可具有上表面S1和下表面S2。第一接面結構110可形成在基板Sub上以與基板Sub的上表面S1接觸。第二接面結構120可被配置為圍繞第一接面結構110的側表面和底表面。第一接面結構110和第二接面結構120中的每一個可包括P-N接面二極體。第一接面結構110和第二接面結構120中的每一個可包括被配置為接收偏壓的第一陽極Anode1、第一陰極Cathode1、第二陽極Anode2和第二陰極Cathode2。
基板Sub可包括塊狀單晶矽晶圓、絕緣矽（SOI）晶圓、諸如Si-Ge的化合物半導體晶圓、包括矽外延層的晶圓等。例如，基板Sub可包括摻雜有第一導電類型雜質（例如，P型雜質）的塊狀單晶矽晶圓。基板Sub的上表面S1可以是前側。儘管圖中未描繪，圖4和圖5中用於控制單光子雪崩二極體1的控制電路可形成在基板Sub的上表面S1上。基板Sub的下表面S2可以是後側。此外，基板Sub的下表面S2可以是光可入射的入射表面。因此，儘管圖中未描繪，濾光器、微透鏡等可形成在基板Sub的下表面S2上。
第一接面結構110可包括具有第一導電類型的第一雜質區域112和具有第二導電類型的第二雜質區域114。當第一導電類型可為P型並且第二導電類型可為N型時，第一雜質區域112可充當第一陽極Anode1並且第二雜質區域114可充當第一陰極Cathode1。第一陽極Anode1和第一陰極Cathode1可被配置為接收偏壓。
充當第一陽極Anode1的第一雜質區域112可形成在第二雜質區域114中以與基板Sub的上表面S1接觸。第一雜質區域112可具有板形狀。第一雜質區域112可位於單光子雪崩二極體2的中央部分。第一雜質區域112的底表面可被配置為與第二雜質區域114接觸。用於提供第一操作電壓的第一耗盡區域DR1可形成在第一雜質區域112與第二雜質區域114之間的界面區域處。用於將第一操作電壓施加到單光子雪崩二極體2以使用第一耗盡區域DR1執行光電轉換或變換的偏置電壓可被施加到第一陰極Cathode1。接地電壓可被施加到第一陽極Anode1、第二陽極Anode2和第二陰極Cathode2。
充當第一陰極Cathode1的第二雜質區域114可形成在基板Sub上以與基板Sub的上表面S1部分地接觸。第二雜質區域114可被配置為圍繞第一雜質區域112的側表面和底表面。因此，第二雜質區域114可具有圓柱形狀。即，第二雜質區域114可具有從基板Sub的上表面S1看的平面環形形狀。相比之下，第二雜質區域114可具有從基板Sub的下表面S2看的平面板形狀。此外，第二雜質區域114可具有橫截面U形狀。第二雜質區域114可通過阱形成製程來形成。
圖2A和圖2B可示出第一雜質區域112和第二雜質區域114中的每一個的一個雜質區域。另選地，第一雜質區域112可包括在第三方向D3上層疊的具有第一導電類型的多個雜質區域。此外，第二雜質區域114可包括在第三方向D3上層疊的具有第二導電類型的多個雜質區域。第一雜質區域112和第二雜質區域114中的每一個的層疊的雜質區域可具有不同的摻雜濃度。不同的摻雜濃度可在基板Sub中從上表面S1到下表面S2逐漸減小以防止由耗盡區域的擴大導致的穿孔，從而改進崩潰電壓特性。
第一接面結構110還可包括形成在第二雜質區域114中以圍繞第一雜質區域112的側表面的保護環116。保護環116可被配置為與第一雜質區域112的側表面接觸。保護環116從基板Sub的上表面S1測量的深度可大於第一雜質區域112的深度。當保護環116可包括具有第一導電類型的雜質區域時，保護環116的摻雜濃度可小於第一雜質區域112的摻雜濃度。當保護環116可包括溝槽型隔離層時，溝槽型隔離層可包括形成在基板Sub的上表面S1處的溝槽以及形成在溝槽中的絕緣層。
第二接面結構120可包括具有第一導電類型的第三雜質區域122和具有第二導電類型的第四雜質區域124。當第一導電類型可為P型並且第二導電類型可為N型時，第三雜質區域122可充當第二陽極Anode2並且第四雜質區域124可充當第二陰極Cathode2。第二陽極Anode2和第二陰極Cathode2可被配置為接收偏壓。
充當第二陽極Anode2的第三雜質區域122可被配置為與基板Sub的上表面S1部分地接觸。第三雜質區域122可被配置為與第四雜質區域124的側表面和底表面接觸。為了改進單光子雪崩二極體2的崩潰電壓特性，第三雜質區域122的摻雜濃度可小於第一雜質區域112的摻雜濃度。此外，第三雜質區域122在第三方向D3上延伸的部分的水平寬度可大於第三雜質區域122在第一方向D1和第二方向D2上延伸的部分的垂直深度。
第三雜質區域122可被配置為圍繞第一接面結構110的側表面和底表面。因此，第三雜質區域122可具有圓柱形狀。第三雜質區域122可具有從基板Sub的上表面S1看的平面環形形狀。第三雜質區域122可具有從基板Sub的下表面S2看的平面板形狀。此外，第三雜質區域122可具有橫截面U形狀。第三雜質區域122可被配置為與第二雜質區域114的底表面接觸。用於提供第二操作電壓的第二耗盡區域DR2可形成在第二雜質區域114與第三雜質區域122之間的界面區域處。第二操作電壓可高於第一操作電壓。用於將第二操作電壓施加到單光子雪崩二極體2以使用第二耗盡區域DR2執行光電轉換的偏置電壓可被施加到第一陰極Cathode1和第一陽極Anode1。接地電壓可被施加到第二陽極Anode2和第二陰極Cathode2。
充當第二陰極Cathode2的第四雜質區域124可形成在基板Sub上以與基板Sub的上表面S1部分地接觸。為了改進單光子雪崩二極體2的崩潰電壓特性，第四雜質區域124的摻雜濃度可小於第二雜質區域122的摻雜濃度。此外，第四雜質區域124在第三方向D3上延伸的部分的水平寬度可大於第四雜質區域124在第一方向D1和第二方向D2上延伸的部分的垂直深度。
第四雜質區域124可被配置為圍繞第三雜質區域122的側表面和底表面。因此，第四雜質區域124可具有圓柱形狀。第四雜質區域124可具有從基板Sub的上表面S1看的平面環形形狀。第四雜質區域124可具有從基板Sub的下表面S2看的平面板形狀。此外，第四雜質區域124可具有橫截面U形狀。第四雜質區域124可被配置為與第三雜質區域122的側表面和底表面接觸。用於提供第三操作電壓的第三耗盡區域DR3可形成在第三雜質區域122與第四雜質區域124之間的界面區域處。第三操作電壓可高於第二操作電壓。用於將第三操作電壓施加到單光子雪崩二極體2以使用第三耗盡區域DR3執行光電轉換的偏置電壓可被施加到第二陰極Cathode2。接地電壓可被施加到第一陽極Anode1、第二陽極Anode2和第一陰極Cathode1。
由於第四雜質區域124可被配置為與第三雜質區域122的側表面以及第三雜質區域122的底表面接觸，所以可容易地擴大第三耗盡區域DR3的面積。因此，單光子雪崩二極體2可具有改進的崩潰電壓特性。
第三雜質區域122和第四雜質區域124可通過阱形成製程和深阱形成製程來形成。因此，圖2A和圖2B可示出包括一個雜質區域的第三雜質區域122和第四雜質區域124中的每一個。另選地，第三雜質區域122和第四雜質區域124中的每一個可包括深阱區域和阱區域。深阱區域可形成在基板Sub中。深阱區域可具有板形狀。阱區域可從基板Sub的上表面S1延伸。阱區域可具有管形狀。具有管形狀的阱區域可包括在第三方向D3上層疊的多個阱區域。
此外，第二接面結構120還可包括被配置為圍繞第一接面結構110的側表面的隔離區域126。隔離區域126可包括被配置為與第二雜質區域114接觸的一個側表面以及被配置為與第三雜質區域122接觸的另一側表面。隔離區域126從基板Sub的上表面S1測量的深度可與第二雜質區域114的深度基本上相同。即，隔離區域126的底表面可被設置為與第三雜質區域122接觸。隔離區域126可包括具有第一導電類型的雜質區域或溝槽型隔離層。當隔離區域126可包括具有第一導電類型的雜質區域時，隔離區域126的摻雜濃度可小於第三雜質區域122的摻雜濃度。溝槽型隔離層可包括形成在基板Sub的上表面S1處的溝槽以及形成在溝槽中的隔離層。
如上面提及的，單光子雪崩二極體2可包括在第三方向D3上層疊的第一接面結構110和第二接面結構120，並且第一接面結構110和第二接面結構120的表面彼此交疊以提供三個耗盡區域DR1、DR2和DR3。因此，單光子雪崩二極體2可具有與三個耗盡區域DR1、DR2和DR3對應的三個操作電壓。結果，單光子雪崩二極體2可在各種環境中具有改進的光子檢測靈敏度以使得單光子雪崩二極體2可廣泛用在各種應用中。
圖3A是示出根據示例實施方式的單光子雪崩二極體的平面圖，圖3B和圖3C是沿著圖3A中的線I-I’截取的橫截面圖。以下，可參照圖3A至圖3C示出具有不同操作電壓的單光子雪崩二極體。此外，相同的標號可表示相同的元件，並且為了簡明，本文中可省略關於相同元件的任何進一步的例示。
參照圖3A和圖3B，示例實施方式的單光子雪崩二極體3可包括基板Sub、第一接面結構110和第二接面結構150。基板Sub可具有上表面S1和下表面S2。第一接面結構110可形成在基板Sub上以與基板Sub的上表面S1接觸。第二接面結構150可被配置為圍繞第一接面結構110的底表面。第二接面結構150可在第三方向D3上與第一接面結構110交疊。第一接面結構110和第二接面結構150中的每一個可包括P-N接面二極體。第一接面結構110和第二接面結構150中的每一個可包括被配置為接收偏壓的第一陽極Anode1、第一陰極Cathode1、第二陽極Anode2和第二陰極Cathode2。因此，第一陽極Anode1、第一陰極Cathode1、第二陽極Anode2和第二陰極Cathode2接收不同的電壓。
第一接面結構110可包括具有第一導電類型的第一雜質區域112和具有第二導電類型的第二雜質區域114。第一接面結構110還可包括形成在第二雜質區域114中以圍繞第一雜質區域112的側表面的保護環116。當第一導電類型可為P型並且第二導電類型可為N型時，第一雜質區域112可充當第一陽極Anode1並且第二雜質區域114可充當第一陰極Cathode1。第一陽極Anode1和第一陰極Cathode1可被配置為接收偏壓。為了簡明，本文中可省略關於第一接面結構110的任何進一步的例示。
第二接面結構150可包括具有第一導電類型的第三雜質區域130和具有第二導電類型的第四雜質區域140。當第一導電類型可為P型並且第二導電類型可為N型時，第三雜質區域130可充當第二陽極Anode2並且第四雜質區域140可充當第二陰極Cathode2。第二陽極Anode2和第二陰極Cathode2可被配置為接收偏壓。
充當第二陽極Anode2的第三雜質區域130可包括第一深阱區域132和第一阱區域134。第一深阱區域132可形成在基板Sub中以與第二雜質區域114的底表面接觸。第一阱區域134可與第一深阱區域132電連接。第一阱區域134可形成在基板Sub處以與基板Sub的上表面S1接觸。第一阱區域134可具有柱形狀。第一深阱區域132可具有與第二雜質區域114交疊的板形狀。在圖3B中，第一深阱區域132被設置為接觸第二雜質區域114的整個底表面，但是其它實現方式也是可能的。在圖3B中，第一阱區域134可包括一個雜質區域。另選地，第一阱區域134可包括在第三方向D3上層疊的多個雜質區域。
充當第二陰極Cathode2的第四雜質區域140可包括第二深阱區域142和第二阱區域144。第二深阱區域142可形成在基板Sub中以與第三雜質區域130的第一深阱區域132的底表面接觸。第二阱區域144可與第二深阱區域142電連接。第二阱區域144可形成在基板Sub處以與基板Sub的上表面S1接觸。第二阱區域144可具有柱形狀。第二深阱區域142可具有與第二雜質區域114和第一深阱區域132完全交疊的板形狀。在圖3B中，第二阱區域144可包括一個雜質區域。另選地，第二阱區域144可包括在第三方向D3上層疊的多個雜質區域。
在圖3A和圖3B中，第一阱區域134和第二阱區域144中的每一個可具有平面條形狀。另選地，第一阱區域134可具有與第二雜質區域114的側表面間隔開以圍繞第二雜質區域114的側表面的管形狀。類似地，第二阱區域144可具有被配置為與第一阱區域134一起圍繞第一接面結構110的側表面的管形狀。第二阱區域144可被配置為與第一阱區域134的側表面接觸。
參照圖3A和圖3C，在示例實施方式的單光子雪崩二極體4的第二接面結構150中，第三雜質區域130可包括第一深阱區域132和第一垂直電極136。第一深阱區域132可形成在基板Sub處以與第二雜質區域114的底表面接觸。第一垂直電極136可與第一深阱區域132電連接。第一垂直電極136可具有被配置為與基板Sub的上表面S1接觸的柱形狀。第一垂直電極136可包括第一溝槽136a、第一絕緣間隔物136b和第一導電層136c。第一溝槽136a可形成在基板Sub的上表面S1處。第一絕緣間隔物136b可形成在第一溝槽136a的側表面上。第一導電層136c可形成在第一溝槽136a中。
類似地，在示例實施方式的單光子雪崩二極體4的第二接面結構150中，第四雜質區域140可包括第二深阱區域142和第二垂直電極146。第二深阱區域142可形成在基板Sub處以與第一深阱區域132的底表面接觸。第二垂直電極146可與第二深阱區域142電連接。第二垂直電極146可具有被配置為與基板Sub的上表面S1接觸的柱形狀。第二垂直電極146可包括第二溝槽146a、第二絕緣間隔物146b和第二導電層146c。第二溝槽146a可形成在基板Sub的上表面S1處。第二絕緣間隔物146b可形成在第二溝槽146a的側表面上。第二導電層136c可形成在第二溝槽146a中。
在圖3A和圖3C中，第一阱區域134和第二阱區域144中的每一個可具有平面條形狀。另選地，第一垂直電極136可具有與第二雜質區域114的側表面間隔開以圍繞第二雜質區域114的側表面的管形狀。類似地，第二垂直電極146可具有被配置為與第一垂直電極136一起圍繞第一接面結構110的側表面的管形狀。
圖4是示出包括根據示例實施方式的單光子雪崩二極體的電子裝置的示圖。該電子裝置可包括具有影像感測裝置的拍攝裝置。
參照圖4，拍攝裝置可包括被配置為拍攝靜態影像的數位靜態相機、被配置為拍攝視訊的數位視訊攝影機等。例如，拍攝裝置可包括數位單眼相機（DSLR）、無反光鏡相機、行動電話、智慧型手機等，但不限於特定類型。拍攝裝置可以是包括被配置為拍攝對象並產生影像的鏡頭或成像裝置的裝置。
拍攝裝置可包括影像感測裝置200和影像信號處理器300。
影像感測裝置200可使用飛行時間（TOF）的原理來測量距離。影像感測裝置200可包括光源LS、透鏡模組LM、像素陣列210、像素驅動器220、定時控制器230、光源驅動器240和讀出電路250。
光源LS可回應於來自光源驅動器240的時脈信號MLS向對象TO照射光。光源LS可包括用於發射具有特定波長的光（例如，紅外光或可見光）的雷射二極體、發光二極體（LED）、近紅外雷射器（NIR）、點光源、白光燈、單色照明器及其組合。例如，光源LS可發射具有約800 nm至約1000 nm的波長的紅外光。圖4可示出一個光源LS。另選地，多個光源LS可圍繞透鏡模組LM佈置。
透鏡模組LM可收集從對象TO反射的光。透鏡模組LM可將反射的光會聚在像素陣列210的像素上。透鏡模組LM可包括具有玻璃表面或塑料表面的聚光透鏡、圓柱光學元件等。透鏡模組LM可包括具有至少一個透鏡的透鏡組。
像素陣列210可包括按二維矩陣結構依次佈置的多個SPAD像素212。像素陣列210的SPAD像素212可在列方向和行方向上依次佈置。各個SPAD像素212可對通過透鏡模組LM的入射光執行光電轉換，以產生並輸出電信號作為與入射光對應的像素陣列。像素信號可包括與距對象OT的距離對應的資訊，而非對象OT的顏色。各個SPAD像素212可包括示例實施方式的單光子雪崩二極體。
包括SPAD像素212的像素陣列210可使用直接TOF方式來檢測距對象TO的距離。TOF技術可直接測量朝著對象TO的光照射時間與從對象TO的光入射時間之間的往復時間，以基於往復時間和光速來計算距對象TO的距離。
像素驅動器220可根據定時控制器230的控制來驅動像素陣列210。例如，像素驅動器220可產生淬火（quenching）控制信號，其用於控制淬火操作以將可施加到SPAD像素212的反向偏置電壓減小為不超過崩潰電壓。此外，像素驅動器220可產生再充電控制信號，其用於控制再充電操作以向可與SPAD像素212連接的感測節點提供電荷。
讀出電路250可佈置在像素陣列210的一側以計算參考脈衝與從各個SPAD像素220輸出的脈衝信號之間的時間延遲。讀出電路250可產生並儲存與時間延遲對應的數位資料。讀出電路250可包括被配置為執行上述功能的時間數位電路（time-to-digital circuit）。讀出電路250可根據定時控制器230的控制將所儲存的數位資料發送到影像信號處理器300。
定時控制器230可控制影像感測裝置200的總體操作。定時控制器230可產生用於控制像素驅動器220和光源驅動器240的操作的定時信號。此外，定時控制器230可控制讀出電路250的啟用或停用。定時控制器230可將讀出電路250中的數位資料同時或依次發送到影像信號處理器300。
光源驅動器240可根據定時控制器230的控制產生用於驅動光源LS的時脈信號。
影像信號處理器300可處理從影像感測裝置200輸入的數位資料以產生用於表示距對象TO的距離的深度影像。具體地，影像信號處理器300可基於從讀出電路250接收的數位資料所表示的時間延遲來計算像素距對象OT的距離。
影像信號處理器300可控制影像感測裝置200的操作。具體地，影像信號處理器200可分析從影像感測裝置200輸入的數位資料以確定影像感測裝置200的模式。影像信號處理器300可控制影像感測裝置200以確定的模式操作。
影像信號處理器300可從所產生的深度影像去除噪音。此外，影像信號處理器300可處理影像信號以改進影像質量。從影像信號處理器300輸出的深度影像可自動地或應使用者的請求被儲存在拍攝裝置、具有拍攝裝置的其它裝置的內部儲存器或外部儲存器等中。深度影像可被顯示在顯示裝置上。從影像信號處理器300輸出的深度影像可用於控制拍攝裝置或其它裝置的操作。
圖5是示出圖4的像素陣列中的SPAD像素的等效電路圖。
參照圖4和圖5，SPAD像素212可包括作為光電轉換元件的單光子雪崩二極體（SPAD）、淬火電路QC、數位緩衝器DB和再充電電路RC。這裡，SPAD可包括圖1A和圖1B中的結構、圖2A和圖2B中的結構、圖3A和圖3B中的結構或者圖3A和圖3C中的結構。SPAD可包括多耗盡區域以及與多耗盡區域對應的多操作電壓。
SPAD可檢測從對象TO反射的單光子以產生與單光子對應的電流脈衝。SPAD可包括具有感光P-N接面的光電二極體。在可施加高於崩潰電壓的反向偏置電壓（包括陰極與陽極之間的電壓）的蓋革模式下，可由入射單光子觸發突崩潰以產生電流脈衝。崩瀉過程可包括由單光子觸發突崩潰以產生電流脈衝。
諸如SPAD的陰極的一個端子可接收用於施加高於崩潰電壓的反向偏置電壓的第一偏置電壓Vov。第一偏置電壓Vov可對應於對SPAD的多操作電壓中的任一個的操作電壓。例如，第一偏置電壓Vov可以是絕對值低於崩潰電壓的絕對值的正電壓。諸如SPAD的陽極的另一端子可連接到感測節點NS。SPAD可檢測單光子以將所產生的電流脈衝輸出到感測節點NS。
淬火電路QC可控制施加到SPAD的反向偏置電壓。當崩瀉過程的時間或時脈信號MLS的脈衝產生之後的時間可逝去時，淬火電路QC的淬火電晶體QX可回應於淬火控制信號QCS而導通以將感測節點NS與接地端子電連接。因此，施加到SPAD的反向偏置電壓可減小至小於崩潰電壓的值並且可發生淬火以停止崩瀉過程。
數位緩衝器DB可對輸入到感測節點NS中的模擬電流脈衝進行採樣以將模擬電流脈衝轉換為數位脈衝信號。採樣方式可包括根據電流脈衝的位準是否可不小於臨界位準來將模擬電流脈衝轉換為具有邏輯位準“0”或“1”的脈衝信號，但不限於特定方式。因此，從數位緩衝器DB輸出的脈衝信號可作為像素輸出信號PXout被發送到讀出電路250。
再充電電路RC可向感測節點NS中注入電荷以使SPAD進入蓋革模式以用於在通過淬火電路QC淬火崩瀉過程之後引起突崩潰。例如，再充電電路RC可包括諸如電晶體的開關，其被配置為根據再充電控制信號選擇性地將第二偏置電壓與感測節點NS連接。當開關可導通時，感測節點NS的電壓可達到第二偏置電壓。例如，第二偏置電壓的絕對值與第一偏置電壓的絕對值之和可高於崩潰電壓的絕對值。第二偏置電壓可以是負電壓。因此，SPAD可進入蓋革模式以通過從下一定時接收的單光子執行崩瀉過程崩瀉過程。
在示例實施方式中，淬火電路QC和再充電電路RC可包括有源元件。另選地，淬火電路QC和再充電電路RC可包括無源元件。例如，淬火電路QC的淬火電晶體QX可由電阻器代替。淬火控制信號QCS和再充電控制信號可被發送到圖4中的像素驅動器220。
讀出電路250可包括數位邏輯和輸出緩衝器。數位邏輯可計算SPAD像素212的脈衝信號與參考脈衝之間的時間延遲以產生數位資料。輸出緩衝器可儲存所產生的數位資料。數位邏輯和輸出緩衝器可包括時間數位電路（TDC）。參考脈衝可包括時脈信號MLS的脈衝。
上述實施方式是所揭示的技術的實現方式的示例。可基於本專利申請案中揭示和/或示出的內容進行所揭示的實施方式和其它實施方式的變化和增強。
1:單光子雪崩二極體 2:單光子雪崩二極體 3:單光子雪崩二極體 4:單光子雪崩二極體 10:接面結構 11:第一雜質區域 12:第二雜質區域 20:接面結構 21:第一雜質區域 22:第二雜質區域 30:接面結構 31:第一雜質區域 32:第二雜質區域 40:接面結構 41:第一雜質區域 42:第二雜質區域 50:隔離區域 110:第一接面結構 112:第一雜質區域 114:第二雜質區域 116:保護環 120:第二接面結構 122:第三雜質區域 124:第四雜質區域 126:隔離區域 130:第三雜質區域 132:第一深阱區域 134:第一阱區域 136:第一垂直電極 136a:第一溝槽 136b:第一絕緣間隔物 136c:第一導電層 140:第四雜質區域 142:第二深阱區域 144:第二阱區域 146:第二垂直電極 146a:第二溝槽 146b:第二絕緣間隔物 146c:第二導電層 150:第二接面結構 200:影像感測裝置 210:像素陣列 212:SPAD像素 220:像素驅動器 230:定時控制器 240:光源驅動器 250:讀出電路 300:影像信號處理器 Anode1:第一陽極 Anode2:第二陽極 Cathode1:第一陰極 Cathode2:第二陰極 D1:第一方向 D2:第二方向 D3:第三方向 DB:數位緩衝器 DR1:耗盡區域 DR2:耗盡區域 DR3:耗盡區域 I-I’:線 LM:透鏡模組 LS:光源 MLS:時脈信號 NS:感測節點 PXout:像素輸出信號 QC:淬火電路 QCS:淬火控制信號 QX:淬火電晶體 RC:再充電電路 S1:上表面 S2:下表面 Sub:基板 TO:對象 Vov:第一偏置電壓
所揭示的技術的主題的以上和其它方面、特徵和優點將從以下結合圖式進行的詳細描述更清楚地理解。
圖1A是示出根據所揭示的技術的示例實施方式的單光子雪崩二極體的平面圖。 圖1B是沿著圖1A中的線I-I’截取的橫截面圖。 圖2A是示出根據所揭示的技術的示例實施方式的單光子雪崩二極體的平面圖。 圖2B是沿著圖2A中的線I-I’截取的橫截面圖。 圖3A是示出根據所揭示的技術的示例實施方式的單光子雪崩二極體的平面圖。 圖3B和圖3C是沿著圖3A中的線I-I’截取的橫截面圖。 圖4是示出包括根據所揭示的技術的示例實施方式的單光子雪崩二極體的電子裝置的示圖。 圖5是示出圖4的像素陣列中的SPAD像素的等效電路圖。
2:單光子雪崩二極體
110:第一接面結構
112:第一雜質區域
114:第二雜質區域
116:保護環
120:第二接面結構
122:第三雜質區域
124:第四雜質區域
126:隔離區域
Anode1:第一陽極
Anode2:第二陽極
Cathode1:第一陰極
Cathode2:第二陰極
D1:第一方向
D2:第二方向
D3:第三方向
DR1:耗盡區域
DR2:耗盡區域
DR3:耗盡區域
I-I’:線
S1:上表面
S2:下表面
Sub:基板

Claims (20)

  1. 一種單光子雪崩二極體，該單光子雪崩二極體包括： 基板，該基板具有彼此相對的上表面和下表面；以及 多個接面結構，所述多個接面結構由所述基板支撐以與所述基板的上表面接觸，所述接面結構包括在垂直於所述基板的垂直方向上彼此交疊的部分， 其中，各個所述接面結構包括： 第一雜質區域，該第一雜質區域具有第一導電類型並且被設置為與所述基板的上表面接觸；以及 第二雜質區域，該第二雜質區域具有第二導電類型並且被設置為與所述基板的上表面和所述第一雜質區域的底表面接觸，並且 其中，各個所述接面結構中的所述第一雜質區域和所述第二雜質區域通過所述基板的上表面接收偏置電壓。
  2. 如請求項1所述的單光子雪崩二極體，該單光子雪崩二極體還包括隔離區域，該隔離區域形成在所述基板處並且位於兩個接面結構之間。
  3. 如請求項2所述的單光子雪崩二極體，其中，所述隔離區域包括具有所述第一導電類型的雜質區域或者設置在所述基板的上表面上提供的溝槽中的隔離層。
  4. 如請求項2所述的單光子雪崩二極體，其中，所述隔離區域被設置為與所述基板的上表面接觸並且具有在所述垂直方向上延伸的管形狀。
  5. 如請求項2所述的單光子雪崩二極體，其中，所述兩個接面結構包括相對更靠近所述基板的中央部分設置的內接面結構以及相對更靠近所述基板的邊緣部分設置的外接面結構，並且所述隔離區域的深度與所述內接面結構的深度相同。
  6. 如請求項1所述的單光子雪崩二極體，其中，各個所述接面結構中的所述第二雜質區域與所述第一雜質區域的側表面和底表面接觸以圍繞所述第一雜質區域。
  7. 如請求項1所述的單光子雪崩二極體，其中，位於所述接面結構的中央部分的第一接面結構中的所述第一雜質區域具有板形狀，並且所述第一接面結構中的所述第二雜質區域具有圍繞所述第一雜質區域的側表面和底表面的圓柱形狀。
  8. 如請求項7所述的單光子雪崩二極體，其中，所述第一接面結構以外的接面結構的所述第一雜質區域和所述第二雜質區域具有圓柱形狀。
  9. 如請求項1所述的單光子雪崩二極體，其中，所述多個接面結構當中的第N接面結構圍繞所述第N接面結構內側的第(N-1)接面結構的側表面和底表面，其中，N是不小於2的自然數。
  10. 如請求項9所述的單光子雪崩二極體，其中，所述第N接面結構中的所述第一雜質區域與所述第(N-1)接面結構中的所述第二雜質區域的底表面接觸並且與所述第(N-1)接面結構中的所述第二雜質區域的側表面間隔開。
  11. 一種單光子雪崩二極體，該單光子雪崩二極體包括： 基板，該基板具有彼此相對的上表面和下表面；以及 第一雜質區域，該第一雜質區域具有第一導電類型並且被設置為與所述基板的上表面接觸； 第二雜質區域，該第二雜質區域具有第二導電類型並且具有被設置為與所述基板的上表面接觸的部分，該第二雜質區域與所述第一雜質區域的側表面和底表面接觸； 第三雜質區域，該第三雜質區域具有所述第一導電類型並且具有被設置為與所述基板的上表面接觸的部分，該第三雜質區域與所述第二雜質區域的底表面接觸；以及 第四雜質區域，該第四雜質區域具有所述第二導電類型並且具有被設置為與所述基板的上表面接觸的部分，該第四雜質區域與所述第三雜質區域的側表面和底表面接觸。
  12. 如請求項11所述的單光子雪崩二極體，該單光子雪崩二極體還包括： 保護環，該保護環形成在所述第二雜質區域中並且被設置為與所述第一雜質區域的側表面接觸以圍繞所述第一雜質區域；以及 隔離區域，該隔離區域設置在所述第二雜質區域的側表面與所述第三雜質區域的側表面之間的界面中。
  13. 如請求項12所述的單光子雪崩二極體，其中，所述保護環和所述隔離區域中的每一個包括具有所述第一導電類型的雜質區域或者設置在所述基板的上表面上提供的溝槽中的隔離層。
  14. 如請求項12所述的單光子雪崩二極體，其中，所述保護環和所述隔離區域被設置為與所述基板的上表面接觸並且具有在垂直方向上延伸的管形狀。
  15. 如請求項12所述的單光子雪崩二極體，其中，所述隔離區域的深度與所述第二雜質區域的深度相同。
  16. 如請求項11所述的單光子雪崩二極體，其中，所述第三雜質區域和所述第四雜質區域具有圓柱形狀。
  17. 如請求項11所述的單光子雪崩二極體，其中，所述第三雜質區域包括第一深阱和第一阱，所述第一深阱具有板形狀並且被設置為與所述第二雜質區域的底表面接觸，所述第一阱的端部垂直延伸以分別與所述基板的上表面和所述第一深阱接觸，並且所述第四雜質區域包括第二深阱和第二阱，所述第二深阱具有板形狀並且被設置為與所述第三雜質區域的底表面接觸，所述第二阱的端部垂直延伸以分別與所述基板的上表面和所述第二深阱接觸。
  18. 如請求項17所述的單光子雪崩二極體，其中，所述第一阱和所述第二阱中的每一個包括多個垂直層疊的阱區域。
  19. 如請求項11所述的單光子雪崩二極體，其中，所述第三雜質區域包括第一深阱和第一電極，所述第一深阱具有板形狀並且被設置為與所述第二雜質區域的底表面接觸，所述第一電極的端部垂直延伸以分別與所述基板的上表面和所述第一深阱接觸，並且所述第四雜質區域包括第二深阱和第二電極，所述第二深阱具有板形狀並且被設置為與所述第三雜質區域的底表面接觸，所述第二電極的端部垂直延伸以分別與所述基板的上表面和所述第二深阱接觸。
  20. 如請求項19所述的單光子雪崩二極體，其中，所述第一電極和所述第二電極中的每一個包括： 溝槽，該溝槽形成在所述基板的上表面處； 絕緣間隔物，該絕緣間隔物形成在所述溝槽的側表面上；以及 導電層，該導電層形成在所述溝槽中。
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