TWI821781B - 光感測裝置 - Google Patents

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Abstract

一種光感測裝置，包括第一導電型埋入層、第二導電型井區以及第一導電型井區。第二導電型井區在第一導電型埋入層上。第一導電型井區在第二導電型井區上且被第二導電型井區環繞。

Description

光感測裝置
本發明是有關於一種電子裝置，且特別是有關於一種光感測裝置。
當單光子崩潰二極體中的PN二極體操作在崩潰電壓以上時，在初始載子(initial carrier)尚未出現引發後續崩潰下，PN二極體中沒有崩潰電流而處於OFF狀態，在PN二極體接收到光子而產生初始載子引發崩潰下，PN二極體產生崩潰電流而進入ON狀態，此時外部電路(如截止電路)偵測到崩潰事件並迅速將PN二極體的偏壓降低至崩潰電壓以下以避免PN二極體被過大電流燒毀，等到崩潰事件結束(崩潰電流歸零)後再重新將偏壓增加到崩潰電壓以上，等待下一次崩潰事件產生。上述將偏壓降低與重新增加的時間無法用於偵測光子，一般稱作死亡時間(dead time)，其可能長達數十ns到數個μs。因此，如何在固定面積下增加光電二極體的數目，使收集光子的效率有效提升，便成為研發人員亟欲解決的問題之一。
本發明提供一種光感測裝置，其有助於提升收集光子的效率。
根據本發明的一實施例，光感測裝置包括第一導電型埋入層、第二導電型井區以及第一導電型井區。第二導電型井區在第一導電型埋入層上。第一導電型井區在第二導電型井區上且被第二導電型井區環繞。
在本發明的一實施例中，第二導電型井區接觸第一導電型埋入層的頂面並接觸第一導電型井區的底面以及側面。
在本發明的一實施例中，光感測裝置還包括第二導電型高壓井區以及第一導電型高壓井區。第二導電型高壓井區環繞第二導電型井區。第一導電型高壓井區在第一導電型埋入層上並環繞第二導電型高壓井區。
在本發明的一實施例中，第二導電型高壓井區接觸第二導電型井區的側面並與第一導電型埋入層分離。
在本發明的一實施例中，第一導電型高壓井區接觸第一導電型埋入層的頂面並與第二導電型高壓井區分離。
在本發明的一實施例中，光感測裝置還包括第一重摻雜區、第二重摻雜區以及第三重摻雜區。第一重摻雜區在第一導電型井區上且被第一導電型井區環繞，其中第一重摻雜區具有第一導電型。第二重摻雜區在第二導電型高壓井區上且被第二導電型高壓井區環繞，其中第二重摻雜區具有第二導電型。第三重摻雜區在第一導電型高壓井區上且被第一導電型高壓井區環繞，其中第三重摻雜區具有第一導電型，且第三重摻雜區電性絕緣於第一重摻雜區。
在本發明的一實施例中，第一導電型是N型，第二導電型是P型，且第二導電型重摻雜區連接至負偏壓。
在本發明的一實施例中，第一導電型是P型，第二導電型是N型，且第二導電型重摻雜區連接至正偏壓。
在本發明的一實施例中，第一導電型高壓井區框出一個感測單元。感測單元包括被第二導電型高壓井區劃分出來的多個畫素。每一個畫素包括一個第一導電型井區以及一個第二導電型井區。
在本發明的一實施例中，光感測裝置還包括：第二導電型基底，其中第一導電型埋入層、第二導電型井區以及第一導電型井區在第二導電型基底中。
根據本發明的一實施例，光感測裝置包括第一PN接面以及第二PN接面。第二PN接面在光感測裝置的厚度方向上與第一PN接面重疊，其中第二PN接面的面積大於第一PN接面的面積。
在本發明的一實施例中，光感測裝置包括多個第一PN接面。
在本發明的一實施例中，光感測裝置還包括第一導電型埋入層、多個第二導電型井區以及多個第一導電型井區。多個第二導電型井區排列在第一導電型埋入層上，其中第二PN接面在多個第二導電型井區與第一導電型埋入層的交界。多個第一導電型井區分別在多個第二導電型井區上且每一個第一導電型井區被對應的一個第二導電型井區環繞，其中第一PN接面在每一個第一導電型井區與對應的一個第二導電型井區的交界。
在本發明的一實施例中，光感測裝置還包括第二導電型高壓井區以及第一導電型高壓井區。第二導電型高壓井區環繞多個第二導電型井區，且兩個相鄰的第二導電型井區被第二導電型高壓井區隔開。第一導電型高壓井區在第一導電型埋入層上並環繞第二導電型高壓井區。
在本發明的一實施例中，第二導電型高壓井區接觸第二導電型井區的側面並與第一導電型埋入層分離。
在本發明的一實施例中，第一導電型高壓井區接觸第一導電型埋入層並與第二導電型高壓井區分離。
基於上述，在本發明的實施例中，可透過縱向的PN接面堆疊，在固定面積下增加光電二極體的數目，因此有助於提升收集光子的效率。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本文中所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本發明。
在附圖中，各圖式繪示的是特定實施例中所使用的方法、結構或材料的通常性特徵。然而，這些圖式不應被解釋為界定或限制由這些實施例所涵蓋的範圍或性質。舉例來說，為了清楚起見，各膜層、區域或結構的相對尺寸、厚度及位置可能縮小或放大。
在下述實施例中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號，且將省略其贅述。此外，不同實施例中的特徵在沒有衝突的情況下可相互組合，且依本說明書或申請專利範圍所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本專利涵蓋的範圍內。
本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名不同元件或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限，也並非用以限定元件的製造順序或設置順序。此外，一元件/膜層設置在另一元件/膜層上(或上方)可涵蓋所述元件/膜層直接設置在所述另一元件/膜層上(或上方)，且兩個元件/膜層直接接觸的情況；以及所述元件/膜層間接設置在所述另一元件/膜層上(或上方)，且兩個元件/膜層之間存在一或多個元件/膜層的情況。
圖1是依照本發明的一實施例的一種光感測裝置1的局部俯視示意圖。圖2是圖1中剖線I-I’的剖面示意圖。
請參照圖1及圖2，光感測裝置1例如為單光子崩潰二極體感測器，且光感測裝置1例如可應用於深度感測，如飛時測距(Time of flight, TOF)或光學雷達(light detection and ranging, LiDAR)，但不以此為限。
光感測裝置1可包括第一導電型埋入層10、第二導電型井區11以及第一導電型井區12。第二導電型井區11在第一導電型埋入層10上。第一導電型井區12在第二導電型井區11上且被第二導電型井區11環繞。
在一些實施例中，第二導電型井區11接觸第一導電型埋入層10的頂面ST10並接觸第一導電型井區12的底面SB12以及側面SS12。換句話說，在第一導電型埋入層10與第二導電型井區11之間沒有其他膜層或區域，且在第二導電型井區11與第一導電型井區12之間沒有其他膜層或區域。
在一些實施例中，光感測裝置1還可包括第二導電型高壓井區13以及第一導電型高壓井區14。第二導電型高壓井區13環繞第二導電型井區11。第一導電型高壓井區14在第一導電型埋入層10上並環繞第二導電型高壓井區13。
在一些實施例中，第二導電型高壓井區13接觸第二導電型井區11的側面SS11並與第一導電型埋入層10分離。舉例來說，第二導電型高壓井區13的深度D13可小於第二導電型井區11的深度D11，且第二導電型井區11的側面SS11的一部分(如下部)未被第二導電型高壓井區13包覆。
在一些實施例中，第一導電型高壓井區14接觸第一導電型埋入層10的頂面ST10，且第一導電型高壓井區14的深度D14可相等於第二導電型井區11的深度D11。此外，第一導電型高壓井區14與第二導電型高壓井區13分離。
在一些實施例中，光感測裝置1還可包括第一重摻雜區15、第二重摻雜區16以及第三重摻雜區17。第一重摻雜區15在第一導電型井區12上且被第一導電型井區12環繞，其中第一重摻雜區15具有第一導電型，且第一重摻雜區15的摻雜濃度可高於第一導電型井區12的摻雜濃度。第二重摻雜區16在第二導電型高壓井區13上且被第二導電型高壓井區13環繞，其中第二重摻雜區16具有第二導電型，且第二重摻雜區16的摻雜濃度可高於第二導電型高壓井區13的摻雜濃度。第三重摻雜區17在第一導電型高壓井區14上且被第一導電型高壓井區14環繞，其中第三重摻雜區17具有第一導電型，第三重摻雜區17的摻雜濃度可高於第一導電型高壓井區14的摻雜濃度，且第三重摻雜區17電性絕緣於第一重摻雜區15。
在一些實施例中，第一導電型是N型，第二導電型是P型，且第二導電型重摻雜區16連接至負偏壓。然而，在另一些實施例中，第一導電型是P型，第二導電型是N型，且第二導電型重摻雜區連接至正偏壓。
在一些實施例中，第一導電型高壓井區14框出一個感測單元U，感測單元U也可稱作SPAD胞元(cell)。感測單元U包括被第二導電型高壓井區13劃分出來的多個畫素P。每一個畫素P包括一個第一導電型井區12以及一個第二導電型井區11。所述一個第一導電型井區12以及所述一個第二導電型井區11在方向D3上堆疊而形成光電二極體。
圖1示意性繪示出光感測裝置1中的一個感測單元U。然而應理解，光感測裝置1可包括一個或多個感測單元U。多個感測單元U可在方向D1以及方向D2上排列成陣列，但不以此為限。方向D1以及方向D2彼此相交且皆垂直於光感測裝置1的厚度方向(如方向D3)。在一些實施例中，方向D1以及方向D2彼此垂直，但不以此為限。
圖1示意性繪示出感測單元U包括四個畫素P。然而應理解，感測單元U可包括更多或更少的畫素P。多個畫素P可在方向D1以及方向D2上排列成陣列，但不以此為限。每一個感測單元U中的畫素P的數量、排列方式或俯視形狀可依需求改變，而不以圖1所顯示的為限。舉例來說，儘管未繪示，畫素P的俯視形狀也可為圓形或其他多邊形。
在一些實施例中，光感測裝置1還可包括第二導電型基底18，其中第一導電型埋入層10、第二導電型井區11、第一導電型井區12、第二導電型高壓井區13、第一導電型高壓井區14、第一重摻雜區15、第二重摻雜區16以及第三重摻雜區17在第二導電型基底18中。舉例來說，可透過離子植入製程在第二導電型基底18中形成第一導電型埋入層10、第二導電型井區11、第一導電型井區12、第二導電型高壓井區13、第一導電型高壓井區14、第一重摻雜區15、第二重摻雜區16以及第三重摻雜區17。其中，P型半導體的摻質可包括三價元素，如硼、鋁、鎵、銦，但不以此為限。N型半導體的摻質可包括五價元素，如磷、砷、銻，但不以此為限。
以第二導電型基底18為P型基底舉例說明，可透過多次離子植入製程在P型基底中形成N型埋入層(如第一導電型埋入層10)、N型高壓井區(如第一導電型高壓井區14)、N型重摻雜區(如第三重摻雜區17以及第一重摻雜區15)、N型深井區(如第一導電型井區12)、P型深井區(如第二導電型井區11)、P型高壓井區(如第二導電型高壓井區13)以及P型重摻雜區(如第二重摻雜區16)。其中，第二導電型高壓井區13、第一導電型高壓井區14以及第一導電型埋入層10之間存在未經摻雜的P型基底(第二導電型基底18)，即第二導電型高壓井區13透過第二導電型基底18而與第一導電型高壓井區14分離，且第二導電型高壓井區13透過第二導電型基底18而與第一導電型埋入層10分離。此外，第二導電型高壓井區13、第二導電型井區11以及第一導電型埋入層10之間存在未經摻雜的P型基底(第二導電型基底18)，即第二導電型高壓井區13透過第二導電型基底18而與第一導電型埋入層10分離，且相鄰兩個第二導電型井區11透過第二導電型基底18而彼此分離。
光感測裝置1可包括第一PN接面PN1以及第二PN接面PN2。第二PN接面PN2在光感測裝置1的厚度方向(如方向D3)上與第一PN接面PN1重疊，其中第二PN接面PN2的面積APN2大於第一PN接面PN1的面積APN1。
詳細而言，第二PN接面PN2在多個第二導電型井區11與第一導電型埋入層10的交界，而第一PN接面PN1在每一個第一導電型井區12與對應的一個第二導電型井區11的交界。
在光感測裝置1中，在第二導電型井區11與對應的第一導電型井區12之間產生的崩潰電流可經由對應的第一重摻雜區15輸出，而在多個第二導電型井區11與第一導電型埋入層10之間產生的崩潰電流可經由第三重摻雜區17輸出。透過多個第二導電型井區11與第一導電型埋入層10接觸來形成額外的PN接面(如第二PN接面PN2)，並透過第一導電型高壓井區14以及第三重摻雜區17將在多個第二導電型井區11與第一導電型埋入層10之間產生的崩潰電流輸出，此等效於在固定的面積下增加一個可收光的光電二極體，且此光電二極體的面積大於各畫素P的面積AP且近似於感測單元U的面積AU或近似於感測單元U中多個畫素P的面積AP的總和。
透過增加光電二極體的數目，可利用不同光電二極體的死亡時間的時序差來收集不同時間入射的光子，進而有助於提升收集光子的效率，改善因死亡時間造成收集光子的效率不佳的問題。
在其他實施例中，儘管未繪示，光感測裝置1還可包括互連結構、CMOS晶片、讀取電路或其他電路等，但不以此為限。
綜上所述，在本發明的實施例中，可透過縱向的PN接面堆疊，在固定面積下增加光電二極體的數目，因此有助於提升收集光子的效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
1:光感測裝置 10:第一導電型埋入層 11:第二導電型井區 12:第一導電型井區 13:第二導電型高壓井區 14:第一導電型高壓井區 15:第一重摻雜區 16:第二重摻雜區 17:第三重摻雜區 18:第二導電型基底 AP、APN1、APN2、AU:面積 D1、D2、D3:方向 D11、D13、D14:深度 P:畫素 PN1:第一PN接面 PN2:第二PN接面 SB12:底面 SS11、SS12:側面 ST10:頂面 U:感測單元 I-I’:剖線
圖1是依照本發明的一實施例的一種光感測裝置的局部俯視示意圖。 圖2是圖1中剖線I-I’的剖面示意圖。
1:光感測裝置
10:第一導電型埋入層
11:第二導電型井區
12:第一導電型井區
13:第二導電型高壓井區
14:第一導電型高壓井區
15:第一重摻雜區
16:第二重摻雜區
17:第三重摻雜區
18:第二導電型基底
AP、APN1、APN2、AU:面積
D1、D2、D3:方向
D11、D13、D14:深度
P:畫素
PN1:第一PN接面
PN2:第二PN接面
SB12:底面
SS11、SS12:側面
ST10:頂面

Claims (11)

  1. 一種光感測裝置，包括：第一導電型埋入層；第二導電型井區，在所述第一導電型埋入層上；第一導電型井區，在所述第二導電型井區上且被所述第二導電型井區環繞；第二導電型高壓井區，環繞所述第二導電型井區；以及第一導電型高壓井區，在所述第一導電型埋入層上並環繞所述第二導電型高壓井區，其中所述第二導電型高壓井區接觸所述第二導電型井區的側面並與所述第一導電型埋入層分離。
  2. 如請求項1所述的光感測裝置，其中所述第二導電型井區接觸所述第一導電型埋入層的頂面並接觸所述第一導電型井區的底面以及側面。
  3. 如請求項1所述的光感測裝置，其中所述第一導電型高壓井區接觸所述第一導電型埋入層的頂面並與所述第二導電型高壓井區分離。
  4. 如請求項1所述的光感測裝置，還包括：第一重摻雜區，在所述第一導電型井區上且被所述第一導電型井區環繞，其中所述第一重摻雜區具有所述第一導電型；第二重摻雜區，在所述第二導電型高壓井區上且被所述第二導電型高壓井區環繞，其中所述第二重摻雜區具有所述第二導電型；以及 第三重摻雜區，在所述第一導電型高壓井區上且被所述第一導電型高壓井區環繞，其中所述第三重摻雜區具有所述第一導電型，且所述第三重摻雜區電性絕緣於所述第一重摻雜區。
  5. 如請求項4所述的光感測裝置，其中所述第一導電型是N型，所述第二導電型是P型，且所述第二導電型重摻雜區連接至負偏壓。
  6. 如請求項4所述的光感測裝置，其中所述第一導電型是P型，所述第二導電型是N型，且所述第二導電型重摻雜區連接至正偏壓。
  7. 如請求項1所述的光感測裝置，其中所述第一導電型高壓井區框出一個感測單元，所述感測單元包括被所述第二導電型高壓井區劃分出來的多個畫素，每一個所述畫素包括一個所述第一導電型井區以及一個所述第二導電型井區。
  8. 如請求項1所述的光感測裝置，還包括：第二導電型基底，其中所述第一導電型埋入層、所述第二導電型井區以及所述第一導電型井區在所述第二導電型基底中。
  9. 一種光感測裝置，包括：第一導電型埋入層；第二導電型井區，在所述第一導電型埋入層上；第一導電型井區，在所述第二導電型井區上且被所述第二導電型井區環繞；第一PN接面； 第二PN接面，在所述光感測裝置的厚度方向上與所述第一PN接面重疊，其中所述第二PN接面的面積大於所述第一PN接面的面積，其中所述第二PN接面在所述第二導電型井區與所述第一導電型埋入層的交界，且所述第一PN接面在所述第一導電型井區與所述第二導電型井區的交界；第二導電型高壓井區，環繞所述第二導電型井區；以及第一導電型高壓井區，在所述第一導電型埋入層上並環繞所述第二導電型高壓井區，其中所述第二導電型高壓井區接觸所述第二導電型井區的側面並與所述第一導電型埋入層分離。
  10. 如請求項9所述的光感測裝置，其中所述光感測裝置包括多個所述第一PN接面。
  11. 如請求項9所述的光感測裝置，其中所述第一導電型高壓井區接觸所述第一導電型埋入層並與所述第二導電型高壓井區分離。
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