TWI737441B - 基於雪崩光電二極體的圖像感測器 - Google Patents
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Abstract
本文公開這樣的裝置，其包括：雪崩光電二極體(APD)陣列，APD中的每個包括吸收區和放大區；其中吸收區配置成從吸收區所吸收的光子產生載荷子；其中吸收區包括矽外延層；其中放大區包括結，在該結中具有電場；其中電場處於足以導致進入放大區的載荷子雪崩但不足以使雪崩自持的值；其中APD的結是離散的。
Description
本文的公開涉及圖像感測器，特別涉及基於雪崩二極體的圖像感測器。
圖像感測器或成像感測器是可以檢測輻射的空間強度分佈的感測器。圖像感測器通常通過電信號表示檢測的圖像。基於半導體器件的圖像感測器可分為若干類型，其包括半導體電荷耦合器件(CCD)、互補金屬氧化物半導體(CMOS)、N型金屬氧化物半導體(NMOS)。CMOS圖像感測器是使用CMOS半導體工藝製成的一類有源圖元感測器。CMOS圖像感測器中的圖元上入射的光被轉換成電壓。電壓數位化為代表該圖元上入射的光的強度的離散值。有源圖元感測器(APS)是圖像感測器，其包括具有光電檢測器和有源放大器的圖元。CCD圖像感測器包括圖元中的電容器。當光入射在圖元上時，光產生電荷並且這些電荷存儲在電容器中。存儲的電荷轉換成電壓並且電壓數位化為代表該圖元上入射的光的強度的離散值。
本文公開這樣的裝置，其包括：雪崩光電二極體(APD)陣列，APD中的每個包括吸收區和放大區；其中吸收區配置成從吸收區所吸收的光子產生載荷子；其中放大區包括結，在該結中具有電場；其中電場處於足以
導致進入放大區的載荷子雪崩但不足以使雪崩自持的值；其中APD的結是離散的。
根據實施例，光子是軟X射線光子。
根據實施例，吸收區對於軟X射線具有至少80%的吸收率。
根據實施例，吸收區具有10微米或以上的厚度。
根據實施例，吸收區包括矽。
根據實施例，吸收區中的電場未高到足以在吸收區中導致雪崩效應。
根據實施例，吸收區是本質半導體或具有小於1012摻雜劑/cm3的摻雜水準的半導體。
根據實施例，APD中的至少一些的吸收區接合在一起。
根據實施例，裝置包括在吸收區的相對側上的兩個放大區。
根據實施例，APD的放大區是離散的。
根據實施例，結是p-n結或異質結。
根據實施例，結包括第一層和第二層，其中該第一層是摻雜半導體並且第二層是重摻雜半導體。
根據實施例，第一層具有1013至1017摻雜劑/cm3的摻雜水準。
根據實施例，APD中的至少一些的第一層接合在一起。
根據實施例，裝置進一步包括分別與APD的第二層電接觸的電極。
根據實施例，裝置進一步包括鈍化材料，其配置成使吸收區的表面鈍化。
根據實施例，裝置進一步包括電連接到吸收區的共用電極。
根據實施例，結通過吸收區的材料、第一或第二層的材料、絕緣體
材料或摻雜半導體的保護環而與相鄰結的結分離，根據實施例，保護環是具有與第二層相同摻雜類型的摻雜半導體並且保護環不是重摻雜的。
根據實施例，結進一步包括夾在第一與第二層之間的第三層；其中該第三層包括本質半導體。
根據實施例，APD中的至少一些的第三層接合在一起。
本文公開這樣的系統，其包括上文的裝置中的任一個和X射線源，其中配置該系統使得裝置使用來自X射線源的穿過物體的X射線形成該物體的圖像。
根據實施例，系統組態成實施胸部X射線放射攝影、腹部X射線放射攝影、牙齒X射線放射攝影或乳房攝影。
根據實施例，系統組態成實施電腦斷層攝影。
根據實施例，系統是顯微鏡。
111:光的強度的函數
112:光的強度的函數
210:吸收區
220:放大區
300:圖像感測器
301:共用電極
302:重摻雜層
303:鈍化材料
304:電極
310:吸收區
311:吸收層
312:層
313:層
315:結
316:保護環
317:本質半導體層
320:放大區
350:APD
401:共用電極
402:重摻雜層
403:鈍化材料
404:電極
411:半導體襯底
412:摻雜層
413:層
415:結
416:保護環
417:層
501:X射線源
510:物體
601:X射線源
700:X射線顯微鏡或X射線顯微CT
701:X射線源
702:檢測樣品
704:聚焦光學器件
圖1示意示出在APD採用線性模式時APD中的電流關於APD上入射的光的強度的函數和在APD採用Geiger模式時APD中的電流關於APD上入射的光的強度的函數。
圖2A、圖2B和圖2C示意示出根據實施例的APD的操作。
圖3A示意示出基於APD陣列的圖像感測器的橫截面。
圖3B示出圖3A的圖像感測器的變化形式。
圖3C示出圖3A的圖像感測器的變化形式。
圖3D示出圖3A的圖像感測器的變化形式。
圖4A-圖4G示意示出製作圖像感測器的方法。
圖5示意示出系統，其包括本文描述的圖像感測器。
圖6示意示出X射線電腦斷層攝影(X射線CT)系統。
圖7示意示出X射線顯微鏡。
雪崩光電二極體(APD)是使用雪崩效應在暴露於光時產生電流的光電二極體。雪崩效應是這樣的過程，其中材料中的自由載荷子經受電場的強加速並且隨後與材料的其他原子相碰由此使它們電離(碰撞電離)並且釋放加速且與另外的原子相碰的額外載荷子，從而釋放更多載荷子-連鎖反應。碰撞電離是材料中一個高能載荷子可以通過創建其他載荷子而失去能量所憑藉的過程。例如，在半導體中，具有足夠動能的電子(或空穴)可以將束縛電子撞出它的束縛態(在價帶中)並且使它提升到處於導帶中的狀態，從而創建電子-空穴對。
APD可採用Geiger模式或線性模式工作。當APD採用Geiger模式工作時，它可叫作單光子雪崩二極體(SPAD)(也稱為Geiger模式APD或G-APD)。SPAD是在高於擊穿電壓的反向偏壓下工作的APD。在這裡單詞“高於”意指反向偏壓的絕對值大於擊穿電壓的絕對值。SPAD可用於檢測低強度光(例如，下至單個光子)並且信號傳遞具有幾十微微秒抖動的光子的達到時間。SPAD在高於p-n結的擊穿電壓的反向偏壓(即，p-n結的p型區在比n型區還低的電勢偏置)下採用p-n結的形式。p-n結的擊穿電壓是這樣的反向偏壓，p-n結中的電流出現高於該反向偏壓的指數增加。因為APD中的電流與APD上入射的光的強度成比例，在低於擊穿電壓的反向偏壓工作的APD採用線性模式操作。
圖1示意示出在APD採用線性模式操作時APD中的電流關於APD上入
射的光的強度的函數112和在APD採用Geiger模式操作時(即，在APD是SPAD時)APD中的電流關於APD上入射的光的強度的函數111。在Geiger模式中，電流示出隨著光強度非常急劇增加並且然後飽和。在線性模式中，電流基本上與光的強度成比例。
圖2A、圖2B和圖2C示意示出根據實施例的APD的操作。圖2A示出在光子(例如，X射線光子)被吸收區210吸收時，可產生多個(對於X射線光子，100至10000個)電子-空穴對。吸收區210具有足夠厚度並且從而對於入射光子具有足夠吸收率(例如，>80%或>90%)。對於軟X射線光子，吸收區210可以是具有10微米或以上厚度的矽層。吸收區210中的電場未高到足以在吸收區210中導致雪崩效應。圖2B示出在與吸收區210相對方向上的電子和空穴漂移。圖2C示出在電子(或空穴)進入放大區220時在放大區220中出現雪崩效應，由此產生更多電子和空穴。放大區220中的電場高到足以導致進入放大區220的載荷子雪崩但並未高到導致雪崩效應自持。自持雪崩是在外部觸發(例如APD上入射的光子或漂移到APD內的載荷子)消失後繼續存在的雪崩。放大區220中的電場可以是放大區220中的摻雜分佈的結果。例如，放大區220可包括p-n結或異質結，其在它的耗盡區中具有電場。對於雪崩效應的閾值電場(即，高於該閾值電場出現雪崩效應並且低於該閾值電場則不出現雪崩效應)是放大區220的材料的性質。放大區220可以在吸收區210的一個或兩個相對側上。
圖3A示意示出基於APD 350的陣列的圖像感測器300的橫截面。作為圖2A、圖2B和圖2C中示出的示例，APD 350中的每個可具有吸收區310和放大區320。圖像感測器300中的APD 350中的至少一些或全部可使它們的吸收區310接合在一起。即，圖像感測器300可具有採用在APD 350
中的至少一些或全部之間共用的吸收層311的形式的接合吸收區310。APD 350的放大區320是離散區。即，APD 350的放大區320未接合在一起。在實施例中，吸收層311可採用半導體晶圓的形式，例如矽晶圓。吸收區310可以是本質半導體或極輕摻雜半導體(例如，<1012摻雜劑/cm3、<1011摻雜劑/cm3、<1010摻雜劑/cm3、<109摻雜劑/cm3)，其具有足夠厚度並且從而對於感興趣的入射光子(例如，X射線光子)具有足夠吸收率(例如，>80%或>90%)。放大區320可具有由至少兩個層312和313形成的結315。結315可以是p-n結的異質結。在實施例中，層312是p型半導體(例如，矽)並且層313是重摻雜n型層(例如，矽)。短語“重摻雜”不是程度術語。重摻雜半導體具有與金屬相當的電導率並且展現基本上線性正導熱係數。在重摻雜半導體中，摻雜劑能量水準併入能帶。重摻雜半導體也叫作簡並半導體。層312可具有1013至1017摻雜劑/cm3的摻雜水準。層313可具有1018摻雜劑/cm3或以上的摻雜水準。層312和313可通過外延生長、摻雜劑注入或摻雜劑擴散來形成。可以選擇層312和313的帶結構和摻雜水準使得結315的耗盡區電場大於層312和313的材料中電子(或空穴)的雪崩效應的閾值電場，但未高到導致自持雪崩。即，結315的耗盡區電場應在吸收區310中存在入射光子時導致雪崩但雪崩在吸收區310中沒有另外的入射光子的情況下應停止。
圖像感測器300可進一步包括分別與APD 350的層313電接觸的電極304。電極304配置成收集流過APD 350的電流。
圖像感測器300可進一步包括鈍化材料303，其配置成使APD 350的吸收區310和層313的表面鈍化以減少在這些表面處的重組。
圖像感測器300可進一步包括設置在與放大區320相對的吸收區310上
的重摻雜層302，和在該重摻雜層302上的共用電極301。APD 350中的至少一些或全部的共用電極310可接合在一起。APD 350中的至少一些或全部的重摻雜層302可接合在一起。
當光子入射在圖像感測器300上時，它可被APD 350中的一個的吸收區310吸收，並且可因此在吸收區310中產生載荷子。一個類型的載荷子(電子或空穴)朝那一個APD的放大區320漂移。當載荷子進入放大區320時，出現雪崩效應並且導致載荷子放大。可以通過那一個APD的電極304收集放大載荷子，作為電流。當那一個APD採用線性模式時，電流與每單位時間吸收區310中入射光子的數量成比例(即，與那一個APD處的光強度成比例)。APD處的電流可編譯成代表光的空間強度分佈，即圖像。放大載荷子可備選地通過那一個APD的電極304收集，並且可從載荷子確定光子數量(例如，通過使用電流的時間特性)。
APD 350的結315應是離散的，即APD中的一個的結315不應與APD中的另一個的結315接合。在APD 350的結315中的一個處放大的載荷子不應與結351中的另一個共用。APD中一個的結315可通過纏繞結的吸收區的材料、通過纏繞結的層312或313的材料、通過纏繞結的絕緣體材料或通過摻雜半導體的保護環而與相鄰APD的結315分離。如在圖3A中示出的，APD 350中的每個的層312可是離散的，即未與APD中的另一個的層312接合；APD 350中的每個的層313可是離散的，即未與APD中的另一個的層313接合。圖3B示出圖像感測器300的變化形式，其中APD中的一些或全部的層312接合在一起。圖3C示出圖像感測器300的變化形式，其中結315被保護環316環繞。保護環316可以是絕緣體材料或摻雜半導體。例如，當層313是重摻雜n型半導體時，保護環316可以是具有與層313相
同材料但未重摻雜的n型半導體。在圖3A或圖3B中示出的圖像感測器300中可存在保護環316。圖3D示出圖像感測器300的變化形式，其中結315具有夾在層312與313之間的本質半導體層317。APD 350中的每個中的本質半導體層317可是離散的，即未與另一個APD的其他本質半導體層317接合。APD 350中的一些或全部的本質半導體層317可接合在一起。
圖4A-圖4G示意示出製作圖像感測器300的方法。該方法以獲得半導體襯底411開始。半導體襯底411可以是矽襯底。半導體襯底411是本質半導體或極輕摻雜半導體(例如，<1012摻雜劑/cm3、<1011摻雜劑/cm3、<1010摻雜劑/cm3、<109摻雜劑/cm3)，其具有足夠厚度並且從而對於感興趣的入射光子(例如，X射線光子)具有足夠吸收率(例如，>80%或>90%)。重摻雜層402在半導體襯底411的一側上形成。可形成該重摻雜層402(即，重摻雜p型層)用於使合適的摻雜劑擴散進入或注入襯底411。摻雜層412在與重摻雜層402相對的半導體411的側上形成。層412可具有1013至1017摻雜劑/cm3的摻雜水準。層412可以是與重摻雜層402相同的摻雜類型(即，如果層402是p型則層412是p型並且如果層402是n型則層412是n型)。層412可通過使合適的摻雜劑擴散進入或注入襯底411或通過外延生長而形成。層412可以是連續層或可具有離散區域。可在層412上形成可選層417。層417可通過層412而與襯底411的材料完全分離。即，如果層412具有離散區，層417具有離散區。層417是本質半導體。層417可通過外延生長形成。層313在如層417存在的話則在其上形成，或如層417不存在則在層412上形成。層412可通過層412或層417而與襯底411的材料完全分離。層413可具有離散區域。層413是具有與層412的摻雜劑相反類型的重摻雜半導體(即，如果層412是p型則層413是n型；如果層412是n型則
層413是p型)。層413可具有1018摻雜劑/cm3或以上的摻雜水準。層413可通過使合適的摻雜劑擴散進入或注入襯底411或通過外延生長而形成。層413、層412和層417(如存在的話)形成離散結415(例如，p-n結、p-i-n結、異質結)。可在結415周圍形成可選的保護環416。保護環416可以是具有與層413相同摻雜類型但未重摻雜的半導體。可施加鈍化材料403來使襯底411、層412和413的表面鈍化。可形成電極404並且它們通過層413電連接到結415。可在重摻雜層402上形成共用電極401用於電連接於此。
圖5示意示出這樣的系統，其包括本文描述的圖像感測器300。該系統包括X射線源501。從X射線源501發射的X射線穿過物體510(例如，鑽石、組織樣品、人體部位(例如乳房))、由於物體510的不同結構而衰減不同程度並且被投射到圖像感測器300。圖像感測器300通過檢測X射線的強度分佈來形成圖像。系統圖可用于醫學成像，例如胸部X射線放射攝影、腹部X射線放射攝影、牙齒X射線放射攝影、乳房攝影等。系統可用於工業CT，例如鑽石缺陷檢測、掃描樹來使年週期和細胞結構視覺化、掃描建築材料(像載入後的混凝土)等。
圖6示意示出X射線電腦斷層攝影(X射線CT)系統。X射線CT系統使用電腦處理的X射線來產生被掃描物體的特定區域的斷層攝影圖像(虛擬“切片”)。斷層攝影圖像在各種醫學學科中可用於診斷和治療目的，或用於缺陷檢測、失效分析、計量、元件分析和逆向工程。X射線CT系統包括本文描述的圖像感測器300和X射線源601。圖像感測器300和X射線源601可配置成沿一個或多個圓形或螺旋形路徑同步旋轉。
圖7示意示出X射線顯微鏡或X射線顯微CT 700。X射線顯微鏡或X射線顯微CT 700可包括X射線源701、聚焦光學器件704和本文描述的圖像
感測器300，用於檢測樣品702的X射線圖像。
儘管本文公開各種方面和實施例，其他方面和實施例對於本領域內技術人員將變得明顯。本文公開的各種方面和實施例是為了說明目的而不意在為限制性的，其真正範圍和精神由下列權利要求指示。
300:圖像感測器
301:共用電極
302:重摻雜層
303:鈍化材料
304:電極
310:吸收區
311:吸收層
312:層
313:層
315:結
320:放大區
350:APD
Claims (14)
- 一種成像裝置，其包括：雪崩光電二極體(APD)陣列，所述APD中的每個包括吸收區和放大區；其中所述吸收區配置成從所述吸收區所吸收的光子產生載荷子；其中所述吸收區包括矽外延層；其中所述放大區包括結，在所述結中具有電場；其中所述電場處於足以導致進入所述放大區的載荷子雪崩但不足以使雪崩自持的值；其中所述APD的結是離散的。
- 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述吸收區中的電場未高到足以在所述吸收區中導致雪崩效應。
- 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述矽外延層具有小於1012摻雜劑/cm3的摻雜水準。
- 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述APD中的至少一些的吸收區接合在一起。
- 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述APD的放大區是離散的。
- 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述結是p-n結或異質結。
- 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述結包括第一層和第二層，其中所述第一層是矽外延層並且所述第二層是重摻雜半導體。
- 如申請專利範圍第7項之裝置，其中所述第一層具有1013至1017摻雜劑/cm3的摻雜水準。
- 如申請專利範圍第7項之裝置，其中所述APD中的至少一些的第一層接合在一起。
- 如申請專利範圍第7項之裝置，其進一步包括分別與所述APD的第二層電接觸的電極。
- 如申請專利範圍第1項之裝置，其進一步包括鈍化材料，所述鈍化材料配置成使所述吸收區的表面鈍化。
- 如申請專利範圍第1項之裝置，其進一步包括電連接到所述吸收區的共用電極。
- 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述結通過所述吸收區的材料的保護環而與相鄰結的結分離。
- 一種成像系統，其包括如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述系統組態成可形成物體圖像。
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