WO2022133660A1 - 单光子雪崩二极管及光电传感装置 - Google Patents
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Abstract
一种单光子雪崩二极管（SPAD）及光电传感装置，涉及光电技术领域，能够降低雪崩结（A）的击穿电压；该单光子雪崩二极管（SPAD）包括：衬底（10）以及外延层（20）；外延层（20）中包括第一型掺杂区（21）和第二型掺杂区（22）、第一型边缘掺杂区（S1）和第二型边缘掺杂区（S2）；第一型边缘掺杂区（S1）环绕设置于第一型掺杂区（21）的四周；第二型边缘掺杂区（S2）中包括：位于第二型掺杂区（22）的四周、且与第一型边缘掺杂区（S1）相对设置的部分；第一型边缘掺杂区（S1）与第一型掺杂区（21）的掺杂类型相同，第一型边缘掺杂区（S1）的掺杂浓度小于第一型掺杂区（21）的掺杂浓度；第二型边缘掺杂区（S2）与第二型掺杂区（22）的掺杂类型相同，第二型边缘掺杂区（S2）的掺杂浓度小于第二型掺杂区（22）的掺杂浓度；第一型掺杂区（21）和第二型掺杂区（22）的掺杂类型相反。
Description
本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种单光子雪崩二极管及光电传感装置。
单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，SPAD)是工作在反向偏置、处于盖格工作模式的雪崩光电二极管，由于其增益高、噪声低、对电磁场不敏感等优势，在单光子以及弱光探测、成像领域得以广泛应用。
SPAD中包括雪崩结，并在雪崩结正对的区域会形成吸收区，当雪崩结的击穿电压(也可以称为盖格击穿电压)增加时，会造成吸收区的面积被压缩，进而导致光子探测效率(photon detection efficiency，PDE)下降。
发明内容
本申请实施例提供一种单光子雪崩二极管及光电传感装置，能够降低雪崩结的击穿电压。
本申请提供一种单光子雪崩二极管(下文可简称SPAD)包括：衬底以及位于衬底上的外延层；外延层中包括：第一型掺杂区和第二型掺杂区，以及第一型边缘掺杂区和第二型边缘掺杂区。
对于上述第一型掺杂区和第二型掺杂区而言，第一型掺杂区和第二型掺杂区在沿外延层的厚度方向上层叠设置，且第二型掺杂区相对于第一型掺杂区靠近衬底；第一型掺杂区和第二型掺杂区的掺杂类型相反，也即第一型掺杂区和第二型掺杂区的掺杂类型一个为N型，另一个为P型；第一型掺杂区和第二型掺杂区之间形成雪崩结。
对于上述第一型边缘掺杂区而言，第一型边缘掺杂区环绕设置于第一型掺杂区的四周，且第一型边缘掺杂区与第一型掺杂区的掺杂类型相同，第一型边缘掺杂区的掺杂浓度小于第一型掺杂区的掺杂浓度；也即在第一型掺杂区的四周环绕设置有同类型、低浓度的第一型边缘掺杂区。
对于上述第二型边缘掺杂区而言，第二型边缘掺杂区中包括：位于第二型掺杂区的四周、且与第一型边缘掺杂区相对设置的部分；并且第二型边缘掺杂区与第二型掺杂区的掺杂类型相同，第二型边缘掺杂区的掺杂浓度小于第二型掺杂区的掺杂浓度；也即在第二型掺杂区的四周设置有同类型、低浓度的第二型边缘掺杂区。
本申请提供的SPAD中，通过在第一型掺杂区的四周设置同掺杂类型、且掺杂浓度减小的第一型边缘掺杂区，并设置与第二型掺杂区的掺杂类型相同、掺杂浓度减小、且与第一型边缘掺杂区相对设置的第二型边缘掺杂区；在此情况下，一方面由于第一型边缘掺杂区和第二型边缘掺杂区的掺杂浓度减小，能够降低第一型掺杂区和第二型掺杂区形成的雪崩结的边缘电场；另一方面，通过在第一型边缘掺杂区的相对区域设置第二型边缘掺杂区，第二型边缘掺杂区能够对第一型边缘掺杂区形成的耗尽区(也即电子与空穴的复合形成的 空间电荷区)产生阻挡作用，减小第一型边缘掺杂区对外延层的耗尽速度，避免在第一型掺杂区耗尽至吸收区之前，第一型边缘掺杂区先耗尽至吸收区。
此处可以理解的是，如果没有第二型边缘掺杂区对第一型边缘掺杂区形成的耗尽区产生阻挡作用，第一型边缘掺杂区先耗尽到吸收区时，极大部分在吸收区产生的光生载流子会沿着电场的方向进入到第一型边缘掺杂区，而不会进入第一型掺杂区和第二型掺杂形成的雪崩倍增区(也即雪崩结的区域)，从而不能有效触发雪崩倍增；并且第一型边缘掺杂区在吸收区的耗尽会使得实际加在雪崩结两端的电压降低，从而使得实际所需要的盖格击穿电压增加，导致外加供电电压的增加，整个系统的功耗增加。
也就是说，本申请中通过第二型边缘掺杂区能够对第一型边缘掺杂区形成的耗尽区产生阻挡作用，减小了第一型边缘掺杂区对外延层的耗尽速度，保证在第一型掺杂区耗尽至吸收区之前，第一型边缘掺杂区耗尽至吸收区，进而保证极大部分在吸收区产生的光生载流子会沿着电场的方向进入第一型掺杂区和第二型掺杂区形成的雪崩倍增区有效触发雪崩倍增，避免了因第一型边缘掺杂区在吸收区的耗尽导致雪崩结两端产生压降，从而也就降低了盖格击穿电压；同时，还能够增加吸收区的有效面积，进而增加了吸收区的填充因子，提高了SPAD的光子探测效率(PDE)。
尤其是针对小尺寸像素中SPAD，采用本申请的设置方式，能够避免因采用厚硅技术导致的有效光吸收区的面积被急剧压缩、盖格击穿电压有所增加，偏离设计值等问题，有效的保证了小尺寸像素中SPAD对填充因子、PDE、盖格击穿电压等参数的需求。
在一些可能实现的方式中，第二型边缘掺杂区与第二型掺杂区的边缘区域接触；在此情况下，更大程度上通过第二型边缘掺杂区对第一型边缘掺杂区形成的耗尽区(也即电子与空穴的复合形成的空间电荷区)产生阻挡，减小第一型边缘掺杂区对外延层的耗尽速度。
在一些可能实现的方式中，前述的第二型边缘掺杂区可以包括：沿远离第二型掺杂区的方向上依次连续设置、且掺杂浓度依次减小的至少两个掺杂区，这样一来，能够灵活调节边缘电场，同时配合第一型边缘掺杂区的设置，同时可以达到降低雪崩结的盖格击穿电压的目的。
在一些可能实现的方式中，第一型边缘掺杂区可以包括：沿远离第一型掺杂区的方向上掺杂浓度依次减小的至少两个掺杂区；这样一来，能够灵活调节边缘电场，并且配合第一型边缘掺杂区的设置，同时达到降低雪崩结的盖格击穿电压的目的。
在一些可能实现的方式中，可以设置第一型边缘掺杂区的掺杂深度沿远离第一型掺杂区的方向上逐渐增加；第一型边缘掺杂区的掺杂深度大于或等于第二型掺杂区的掺杂深度，且第一型边缘掺杂区与第二型边缘掺杂区在相对的区域接触。
在此情况下，在该SPAD中，第一型边缘掺杂区与第二型边缘掺杂区之间形成的电场强度小于第一型掺杂区和第二型掺杂区形成的雪崩结电场强度，同时增加了雪崩结边缘位置的电场曲率半径，从而减小了降低了边缘电场效应，减小了雪崩结的表面电场。
在一些可能实现的方式中，第一型边缘掺杂区中包括：第一掺杂区；第一掺杂区的掺杂深度大于或等于第二型掺杂区的掺杂深度；第二型边缘掺杂区中包括：第二掺杂区；第二掺杂区与第一掺杂区相对设置，且第二掺杂区与第一掺杂区接触。
在此情况下，在该SPAD中，发生盖格击穿的雪崩电场集中在第一型掺杂区和第二型掺杂区之间，并且击穿电压由第一型掺杂区和第二型掺杂区的浓度和分布决定，第一型边 缘掺杂区与第二型边缘掺杂区之间形成的电场强度小于第一型掺杂区和第二型掺杂区形成的雪崩结电场强度，同时增加了电场边缘位置的曲率半径，从而减小了降低了边缘电场效应，减小了雪崩结的表面电场。
在一些可能实现的方式中，第二型边缘掺杂区中还包括：第三掺杂区；第三掺杂区的掺杂浓度大于第二掺杂区的掺杂浓度；第三掺杂区位于第二掺杂区靠近第二型掺杂区的一侧，且第三掺杂区与第二掺杂区、第二型掺杂区均接触。
在此情况下，在该SPAD中，一方面，雪崩电场集中在第一型掺杂区和第二型掺杂区之间，第一掺杂区与第三掺杂区之间的电场、第一掺杂区与第二掺杂区之间的电场，以及第三掺杂区与第一型掺杂区之间的电场都低于第一型掺杂区和第二型掺杂区之间的雪崩电场，同时增加了电场边缘位置的曲率半径，从而降低了边缘电场效应，减小了雪崩结的表面电场。另一方面，通过在第二掺杂区靠近第二型掺杂区的一侧增设第三掺杂区，能够相对灵活的调节第三掺杂区的掺杂位置和浓度，进而能够在降低雪崩区边缘电场强度的同时，保证第一掺杂区在耗尽过程中不影响或尽可能的减小对有效吸收区的影响。
在一些可能实现的方式中，第三掺杂区位于第二型掺杂区靠近衬底的一侧，且与第二型掺杂区靠近衬底的一侧接触。示意的，第三掺杂区可以与第二型掺杂区靠近衬底的一侧接触，并且该第三掺杂区在靠近第二掺杂区一侧可以与第二掺杂区、第一掺杂区均接触。
在一些可能实现的方式中，第三掺杂区位于第二型掺杂区与第一掺杂区之间，且所述第三掺杂区与第二型掺杂区、第一掺杂区、第二掺杂区均接触。在该设置方式下，第三掺杂区的设置有助于解耦雪崩结的边缘电场，通过第三掺杂区能够实现对位于雪崩结边缘电场的灵活控制。
在一些可能实现的方式中，第一型边缘掺杂区在前述的掺杂区的基础上，还可以设置第四掺杂区，该第四掺杂区位于第一掺杂区背离第一型掺杂区一侧，且第四掺杂区的掺杂深度大于或等于第一掺杂区的掺杂深度，并且该第四掺杂区的掺杂浓度小于第一掺杂区的掺杂浓度；第二型边缘掺杂区在前述的掺杂区的基础上还可以设置第五掺杂区，该第五掺杂区与第四掺杂区相对设置，且第五掺杂区与第二掺杂区、第四掺杂区接触；并且该第五子掺杂区的掺杂浓度小于第二掺杂区的掺杂浓度。
在此情况下，在该SPAD中，雪崩电场集中在第一型掺杂区和第二型掺杂区之间，而第一掺杂区与第二型掺杂区之间的电场、第一掺杂区与第二掺杂区之间的电场、第四掺杂区与第二掺杂区之间的电场、第四掺杂区与第五掺杂区之间的电场均会低于第一型掺杂区和第二型掺杂区之间雪崩电场，并且该均匀过渡电场沿远离雪崩电场的方向上的电场强度越来越低，电势分布越来越远离雪崩结的表面，电场曲率半径增加，从而在减小保护环及边缘耗尽区对雪崩结和吸收区的影响的同时，降低了边缘电场效应，减小了雪崩结的边缘的表面电场，降低了暗电流。
在一些可能实现的方式中，第一型边缘掺杂区的掺杂深度小于第一型掺杂区的掺杂深度，并且第一型边缘掺杂区的掺杂深度沿远离第一型掺杂区的方向上减小；第一型边缘掺杂区和第二型边缘掺杂区之间的距离沿远离第一型掺杂区的方向上逐渐增加。
在此情况下，在该SPAD中，在沿远离雪崩结的方向上，第一型边缘掺杂区和第二型边缘掺杂区的掺杂浓度均越来越小，且第一型边缘掺杂区和第二型边缘掺杂区之间的距离逐渐增加，这样一来，第一型边缘掺杂区与第二型边缘掺杂区之间形成的电场强度小于第 一型掺杂区和第二型掺杂区形成的雪崩结电场强度，并且在沿远离雪崩结的方向上，第一型边缘掺杂区与第二型边缘掺杂区之间形成的电场强度越来越小，从而降低了边缘电场效应，减小了雪崩结的表面电场，降低了暗电流。
在一些可能实现的方式中，第一型边缘掺杂区包括：沿远离第一型掺杂区的方向上依次设置的第六掺杂区和第七掺杂区；第七掺杂区的掺杂浓度小于第六掺杂区的掺杂浓度，第七掺杂区的掺杂深度小于第六掺杂区的掺杂深度；第二型边缘掺杂区包括：沿远离所述第二型掺杂区的方向上依次连续设置的第八掺杂区和第九掺杂区；第九掺杂区的掺杂浓度小于第八掺杂区的掺杂浓度；第六掺杂区域与第八掺杂区相对设置，第七掺杂区与第九掺杂区相对设置；第七掺杂区与第九掺杂区之间的距离大于第六掺杂区与第八掺杂区之间的距离。
在一些可能实现的方式中，第九掺杂区的掺杂厚度小于第八掺杂区的掺杂厚度。
在一些可能实现的方式中，第六边缘掺杂区与第八边缘掺杂区的形状、大小相同；第七边缘掺杂区与第九边缘掺杂区的形状、大小相同；从而减少制作过程中采用的版图数量。
在一些可能实现的方式中，第一型边缘掺杂区与第一型掺杂区的侧面接触。
在一些可能实现的方式中，第一型掺杂区的掺杂类型为N型；第二型掺杂区的掺杂类型为P型。
本申请实施例还提供一种光电传感装置，包括传感器阵列和逻辑电路，该传感器阵列中的至少一个传感器包括如前述任一种可能实现的方式中提供的单光子雪崩二极管；逻辑电路与单光子雪崩二极管连接。
图1为本申请实施例提供的一种光电传感装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种SPAD的结构示意图；
图3为图2的外延层的俯视图；
图4为本申请实施例提供的一种SPAD的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种SPAD的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种SPAD的结构示意图；
图7为本申请实施例提供的一种SPAD的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种SPAD的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种SPAD的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种SPAD的结构示意图。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。“连接”、 “相连”等类似的词语，用于表达不同组件之间的互通或互相作用，可以包括直接相连或通过其他组件间接相连。“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
本申请实施例提供一种光电传感装置，本申请对于该光电传感装置的具体设置形式、应用领域不做限制；例如，该光电传感装置可以应用于弱光探测、成像、直接飞行时间测距(indirect time of flight，DTOF)等领域，通过将接收的光线转换为电信号，实现光电探测。
示意的，上述光电传感装置可以为图像传感器；例如，可以为CMOS(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)芯片；当然，该光电传感装置也可以是包含图像传感器的电子设备；例如，激光雷达、医疗设备、手机、数码相机等；本申请对此均不做限制。
在一些可能实现的方式中，如图1所示，上述光电传感装置中包括传感器阵列100以及逻辑电路200；其中，传感器阵列100包括阵列排布的多个单光子雪崩二极管(SPAD)，逻辑电路200与每一SPAD均连接。
示意的，在一些可能实现的方式中，上述SPAD可以为应用于近红外波段的厚硅SPAD。
在上述光电传感装置中，通过逻辑电路200向传感器阵列100中的SPAD提供反向偏置电压(大于盖格击穿电压)，控制SPAD工作在盖格模式(geiger mode)下，利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以进行光电探测。
本申请实施例提供的光电传感装置的传感器阵列中，采用的SPAD(部分或全部)具有高填充因子，高光子探测效率(PDE)以及低雪崩结的击穿电压的优势，从而使得光电传感装置所需要的外加供电电压的较小，整个系统的功耗较低。
示意的，在一些可能实现的方式中，传感器阵列中的全部SPAD均可以采用本申请以下实施例提供的SPAD结构。
以下对本申请实施例提供的SPAD的具体设置情况进行说明。
如图2、图3(图2中外延层的俯视图)所示，SPAD中包括衬底10以及位于衬底10上的外延层20；其中，外延层20中设置有第一型掺杂区21和第二型掺杂区22，第一型掺杂区21和第二型掺杂区22之间形成雪崩结A。
第一型掺杂区21和第二型掺杂区22在沿外延层20的厚度方向上层叠设置，且第二型掺杂区22相对于第一型掺杂区21靠近衬底10；在此情况下，在第二型掺杂区22的下方会形成吸收区C1。示意的，如图2所示，第一型掺杂区21可以位于外延层20背离衬底10一侧的表层，第二型掺杂区22位于第一型掺杂区21的下方。
对于上述第一型掺杂区21和第二型掺杂区22形成的雪崩结A而言，可以理解的是，第一型掺杂区21的掺杂类型为P型时，第二型掺杂区22的掺杂类型为N型；第一型掺 杂区21的掺杂类型为N型时，第二型掺杂区22的掺杂类型为P型；也即第一型掺杂区21和第二型掺杂区22的掺杂类型相反。本申请以下实施例均是以第一型掺杂区21的掺杂类型为N型，第二型掺杂区22的掺杂类型为P型为例进行说明的，在此情况下，衬底10可以采用重掺杂的P型半导体(如重掺杂的P型硅)，外延层20可以采用轻掺杂的P型半导体(如轻掺杂P型厚硅结构)。
在此基础上，参考图2所示，该SPAD中还包括：环绕设置在第一型掺杂区21四周的第一型边缘掺杂区S1(参考图3所示)，并且该第一型边缘掺杂区S1的掺杂类型与第一型掺杂区21的掺杂类型相同(例如可以均为N型掺杂)，第一型边缘掺杂区S1的掺杂浓度小于第一型掺杂区21的浓度。
另外，参考图2所示，该SPAD中还包括：与第二型掺杂区21的掺杂类型相同、且掺杂浓度小于第二型掺杂区21的第二型边缘掺杂区S2(例如，第二型掺杂区21和第二型边缘掺杂区S2可以均为P型掺杂)，该第二型边缘掺杂区S2包括：位于第二型掺杂区21的四周、且与第一型边缘掺杂区21相对设置的部分。
此处需要说明的是，第一型边缘掺杂区S1与第二型边缘掺杂区S2在相对的区域可以接触(如图2所示)，也可以不接触(如图4所示)，本申请对此不做限制。
另外，第一型边缘掺杂区S1的形状可以与第一型掺杂区21的形状相适应，例如，参考图3所示，在第一型掺杂区21为圆形结构的情况下，第一型边缘掺杂区S1可以是围绕第一型掺杂区21一圈设置的圆环状结构(也即圆形保护环结构)；当然，在第一型掺杂区21为矩形结构的情况下，第一型边缘掺杂区S1可以为矩形环状结构(也即矩形保护环结构)；类似的，如第二型边缘掺杂区S2的设置，同样可以为与第二型掺杂区22形状相适应的圆环状结构、矩形环状结构等。
本申请提供的SPAD中，通过在第一型掺杂区21的四周设置同掺杂类型、且掺杂浓度减小的第一型边缘掺杂区S1，并设置与第二型掺杂区22的掺杂类型相同、掺杂浓度减小、且与第一型边缘掺杂区S1相对设置的第二型边缘掺杂区S2；在此情况下，一方面由于第一型边缘掺杂区S1和第二型边缘掺杂区S2的掺杂浓度减小，能够降低第一型掺杂区21和第二型掺杂区22形成的雪崩结A的边缘电场；另一方面，通过在第一型边缘掺杂区S1的相对区域设置第二型边缘掺杂区S2，第二型边缘掺杂区S2能够对第一型边缘掺杂区S1形成的耗尽区(也即电子与空穴的复合形成的空间电荷区)产生阻挡作用，减小第一型边缘掺杂区S1对外延层20的耗尽速度，避免在第一型掺杂区21耗尽至吸收区C1之前，第一型边缘掺杂区S1先耗尽至吸收区C1。
此处可以理解的是，如果没有第二型边缘掺杂区S2对第一型边缘掺杂区S1形成的耗尽区(也即电子与空穴的复合形成的空间电荷区)产生阻挡作用，第一型边缘掺杂区S1先耗尽到吸收区C1时，极大部分在吸收区C1产生的光生载流子会沿着电场的方向进入到第一型边缘掺杂区S1，而不会进入第一型掺杂区21和第二型掺杂区22形成的雪崩倍增区(也即雪崩结A的区域)，从而不能有效触发雪崩倍增；并且第一型边缘掺杂区S1在吸收区C1的耗尽会使得实际加在雪崩结两端的电压降低，从而使得实际所需要的盖格击穿电压增加，导致外加供电电压的增加，整个系统的功耗增加。
也就是说，本申请中通过第二型边缘掺杂区S2能够对第一型边缘掺杂区S1形成的耗尽区(也即电子与空穴的复合形成的空间电荷区)产生阻挡作用，减小了第一型边缘掺杂 区S1对外延层20的耗尽速度，保证在第一型掺杂区21耗尽至吸收区C1之前，第一型边缘掺杂区S1耗尽至吸收区C1，进而保证极大部分在吸收区C1产生的光生载流子会沿着电场的方向进入第一型掺杂区21和第二型掺杂区22形成的雪崩倍增区有效触发雪崩倍增，避免了因第一型边缘掺杂区S1在吸收区C1的耗尽导致雪崩结两端产生压降，从而也就降低了盖格击穿电压；同时，还能够增加吸收区C1的有效面积，进而增加了吸收区的填充因子，提高了SPAD的光子探测效率(PDE)。
当然，为了更大程度上通过第二型边缘掺杂区S2对第一型边缘掺杂区S1形成的耗尽区(也即电子与空穴的复合形成的空间电荷区)产生阻挡，减小第一型边缘掺杂区S1对外延层20的耗尽速度，在一些可能实现的方式中，参考图2和图4所示，可以设置第二型边缘掺杂区S2与第二型掺杂区22的边缘区域接触，并延伸至与第一型边缘掺杂区S1相对的区域。
另外，可以理解的是，随着图像传感器的像素横向尺寸的降低，尤其是像素尺寸缩小到微米级，会导致采用厚硅技术的SPAD的有效光吸收区的面积被急剧压缩，进而导致PDE急剧下降，尤其是较长波长的入射光子；与此同时，像素尺寸缩小会导致厚硅SPAD的雪崩结的盖格击穿电压有所增加，偏离设计值，并对低功耗应用场景中SPAD的使用造成巨大的困扰；基于此，采用本申请实施例提供的SPAD，能够很好解决因像素横向尺寸的降低出现的上述各种弊端；也就是说，采用本申请实施例提供的SPAD能够很好的满足小尺寸像素中SPAD对填充因子、PDE、盖格击穿电压等参数的需求。
还需要说明的是，在本申请中，第一型边缘掺杂区S1可以与第一型掺杂区21的四周边缘接触(如图2所示)，也可以与第一型掺杂区21的四周边缘不接触(如图4所示)，本申请对此不做限制，实际中可以根据需要进行设置。
第一型边缘掺杂区S1的掺杂深度可以大于第一型掺杂区21的掺杂深度(如图2所示)，也可以小于第一型掺杂区21的掺杂深度(如图4所示)；本申请对于第一型边缘掺杂区S1的掺杂深度不做限制，实际中可以根据需要进行设置。
示意的，在一些可能实现的方式中，第一型边缘掺杂区S1和第一型掺杂区21均从外延层20背离衬底10的一侧表面向下延伸，也即第一型边缘掺杂区S1和第一型掺杂区21均从外延层20背离衬底10的一侧表面通过掺杂得到。
另外，可以理解的是，SPAD中在包括前述的各掺杂区的基础上，通常还设置有电极(E1、E2)等结构，本申请对此均不做限制，实际中可以根据需要进行设置。例如，如图2、图4所示，在外延层20的表面可以设置绝缘介质层，在绝缘介质层的表面设置有与第一型掺杂区21连接的第一电极E1(可以是阴极)，在衬底10的下表面(即背离外延层20一侧的表面)设置第二电极E2(可以是阳极)。
对于前述掺杂浓度低于第一型掺杂区21的第一型边缘掺杂区S1而言：
在一些可能实现的方式中，参考图2、图4、图5、图6、图7所示，该第一型边缘掺杂区S1可以是掺杂浓度基本一致的一个掺杂区。
在一些可能实现的方式中，第一型边缘掺杂区S1的掺杂浓度可以沿远离第一型掺杂区21的方向逐渐减小的掺杂区；例如，第一型边缘掺杂区S1可以是掺杂浓度沿远离第一型掺杂区21的方向逐渐减小的一个掺杂区；又例如，参考图8、图9、图10所示，第一型边缘掺杂区S1也可以是沿远离第一型掺杂区21的方向上掺杂浓度依次减小的多个掺杂 区；示意的，第一型边缘掺杂区S1中的每一掺杂区可以均为环状结构；当然，在第一型边缘掺杂区S1包括多个掺杂区的情况下，多个掺杂区之间可以接触，也可以不接触，本申请对此不做限制。
需要说明的是，相比于图2、图4、图5、图6、图7中第一型边缘掺杂区S1采用一个掺杂浓度基本一致的掺杂区而言，图8、图9、图10中第一型边缘掺杂区S1采用沿远离第一型掺杂区21的方向上掺杂类型相同、掺杂浓度依次减小的多个掺杂区，在配合第一型边缘掺杂区S1的设置，达到降低雪崩结的盖格击穿电压的同时，还能够灵活调节边缘电场。
对于掺杂浓度低于第二型掺杂区22的第二型边缘掺杂区S2而言：
在一些可能实现的方式中，参考图2、图4所示，该第二型边缘掺杂区S2可以是掺杂浓度基本一致的一个掺杂区。
在一些可能实现的方式中，第二型边缘掺杂区S2的掺杂浓度可以沿远离第一型掺杂区21的方向逐渐减小；例如，第二型边缘掺杂区S2可以是掺杂浓度沿远离第一型掺杂区21的方向逐渐减小的一个掺杂区；又例如，参考图8至图10所示，第二型边缘掺杂区S2可以是沿远离第二型掺杂区22的方向上掺杂浓度依次减小的多个连续设置的掺杂区；示意的，第二型边缘掺杂区S2中的每一掺杂区可以均为环状结构。
相比于图2、图4、图5中第二型边缘掺杂区S2采用一个掺杂浓度基本一致的掺杂区而言，图8至图10中第二型边缘掺杂区S2采用沿远离第二型掺杂区22的方向上掺杂类型相同，掺杂浓度依次减小的多个连续设置的掺杂区，在配合第一型边缘掺杂区S1的设置，达到降低雪崩结的盖格击穿电压的同时，还能够灵活调节边缘电场。
以下对通过第一型边缘掺杂区S1与第二型边缘掺杂区S2实现降低雪崩结A的盖格击穿电压的基础上，同时实现降低边缘电场效应，减小雪崩结A的表面电场的情况下，第一型边缘掺杂区S1与第二型边缘掺杂区S2的具体设置方式进行示意的说明。
设置方式一
在一些可能实现的方式中，参考图5、图6、图7、图8所示，可以设置第一型边缘掺杂区S1的掺杂深度大于或等于第二型掺杂区22的掺杂深度，且第一型边缘掺杂区S1与第二型边缘掺杂区S2在相对的区域接触(也即第一型边缘掺杂区S1与第二型边缘掺杂区S2之间形成PN结)；在此情况下，第一型边缘掺杂区S1与第二型边缘掺杂区S2之间形成的电场强度小于第一型掺杂区21和第二型掺杂区22形成的雪崩结电场强度，同时增加了雪崩结边缘位置的电场曲率半径，从而减小了降低了边缘电场效应，减小了雪崩结的表面电场。
以下通过具体实施例对该设置方式一下，第一型边缘掺杂区S1和第二型边缘掺杂区S2的具体设置结构进行说明。
实施例一
如图5所示，在该实施例一中，第一型边缘掺杂区S1中包括：第一掺杂区1；第一掺杂区1的掺杂深度大于或等于第二型掺杂区22的掺杂深度(图5仅是示意的以第一掺杂区1的掺杂深度大于第二型掺杂区22的掺杂深度为例进行示意说明的)；第二型边缘掺杂区S2中包括：第二掺杂区2，该第二掺杂区2与第一掺杂区1相对设置，且该第二掺杂区2与第一掺杂区1接触。
在此情况下，发生盖格击穿的雪崩电场集中在第一型掺杂区21和第二型掺杂区22之间，并且击穿电压由第一型掺杂区21和第二型掺杂区22的浓度和分布决定，第一型边缘掺杂区S1与第二型边缘掺杂区S2之间形成的电场强度小于第一型掺杂区21和第二型掺杂区22形成的雪崩结电场强度，同时增加了电场边缘位置的曲率半径，从而减小了降低了边缘电场效应，减小了雪崩结的表面电场。
实施例二
如图6、图7所示，该实施例二与前述实施例一的区别在，第二型边缘掺杂区S2中还包括第三掺杂区3。该第三掺杂区3位于第二掺杂区2靠近第二型掺杂区22的一侧，且该第三掺杂区3与第二掺杂区2、第二型掺杂区22均接触；该第三掺杂区3的掺杂浓度小于第二型掺杂区22的掺杂浓度，且大于第二掺杂区2的掺杂浓度；也就是说，第二型边缘掺杂区S2包括沿远离第二型掺杂区22的方向上掺杂浓度降低、且连续设置的两个掺杂区(3、2)。
在此情况下，通过设置第三掺杂区3能够使得第二型边缘掺杂区S2与第二型掺杂区22的边缘区域接触，从而能够更大程度上通过第二型边缘掺杂区S2对第一型边缘掺杂区S1形成的耗尽区产生阻挡，减小第一型边缘掺杂区S1对外延层20的耗尽速度。
此处需要说明的是，第二型掺杂区22与第三掺杂区3在离子注入工艺中可能会存在一定的交叠，因此在版图设计时可以进行专门设计。
对于上述第三掺杂区3的具体设置结构而言：
在一些可能实现的方式中，如图6所示，第三掺杂区3可以位于第二型掺杂区2靠近衬底10的一侧，且该第三掺杂区3与第二型掺杂区22靠近衬底10的一侧接触，并且该第三掺杂区3在靠近第二掺杂区2一侧与第二掺杂区2、第一掺杂区1均接触。
在一些可能实现的方式中，如图7所示，第三掺杂区3可以位于第二型掺杂区22与第一掺杂区1之间，且该第三掺杂区3与第二型掺杂区22、第一掺杂区1、第二掺杂区2均接触；当然，第三掺杂区3与第一型掺杂区21可以接触，也可以不接触，本申请对此不做限制，实际中可以根据需要进行设置，图7中仅是示意的以第三掺杂区3与第一型掺杂区21接触为例进行说明的。
在此情况下，雪崩电场集中在第一型掺杂区21和第二型掺杂区22之间，第一掺杂区1与第三掺杂区3之间的电场、第一掺杂区1与第二掺杂区2之间的电场，以及第三掺杂区3与第一型掺杂区21之间的电场都低于第一型掺杂区21和第二型掺杂区22之间的雪崩电场，同时增加了电场边缘位置的曲率半径，从而降低了边缘电场效应，减小了雪崩结的表面电场。
需要说明的是，相比于图6中示出的第三掺杂区3的设置方式，采用图7中示意的第三掺杂区3的设置方式，有助于解耦雪崩结A的边缘电场，通过第三掺杂区3能够实现对位于雪崩结A边缘电场的灵活控制。
另外，还可以理解的是，相比于实施例一中未设置第三掺杂区3的设置方式，第一型掺杂区1在加电耗尽过程中，如果第二掺杂区2的浓度和位置设置不当，在某些条件下，第一掺杂区1可能绕过第二掺杂区2消耗吸收区的面积，从而不利于提高填充因子和降低击穿电压；相比之下，本实施例二中，通过在第二掺杂区2靠近第二型掺杂区22的一侧增设第三掺杂区3，能够相对灵活的调节第三掺杂区3的掺杂位置和浓度，进而能够在降 低雪崩区边缘电场强度的同时，保证第一掺杂区1在耗尽过程中不影响或尽可能的减小对有效吸收区的影响。
实施例三
如图8所示，该实施例三与前述实施例一的区别于：第一型边缘掺杂区S1在包括第一掺杂区1的基础上，还包括设置于第一掺杂区1背离第一型掺杂区21一侧的第四掺杂区4；第二型边缘掺杂区S2在包括第二掺杂区2的基础上，还包括设置于第二掺杂区2背离第二型掺杂区22一侧的第五掺杂区5。
第四掺杂区4的掺杂深度大于第一掺杂区1的掺杂深度，并且第四掺杂区4的掺杂浓度小于第一掺杂区1的掺杂浓度；也就是说，第一型边缘掺杂区S1包括沿远离第一型掺杂区21的方向上，掺杂浓度依次减小、掺杂深度依次增大的多个掺杂区(如1、4)。当然，第四掺杂区4与第一掺杂区1之间可以接触，也可以留有一定间隙，本申请对此不做限制。
第五掺杂区5与第四掺杂区4相对设置，且第五掺杂区5与第二掺杂区2、第四掺杂区4接触；第五子掺杂区5的掺杂浓度小于第二掺杂区2的掺杂浓度。
与实施例一相比，本实施例三中通过设置第一掺杂区1的掺杂深度与第二型掺杂区21的掺杂深度基本一致，并且在第一掺杂区1和第二掺杂区2的外侧(也背离雪崩结A的一侧)设置掺杂浓度较小的第四掺杂区4和第五掺杂区5，同时设置第四掺杂区4的掺杂深度大于第一掺杂区1的掺杂深度；在此情况下，雪崩电场集中在第一型掺杂区21和第二型掺杂区22之间，而第一掺杂区1与第二型掺杂区22之间的电场、第一掺杂区1与第二掺杂区2之间的电场、第四掺杂区4与第二掺杂区2之间的电场、第四掺杂区4与第五掺杂区5之间的电场均会低于第一型掺杂区21和第二型掺杂区22之间雪崩电场，并且该均匀过渡电场沿远离雪崩电场的方向上的电场强度越来越低，电势分布越来越远离雪崩结的表面，电场曲率半径增加，从而在减小保护环及边缘耗尽区对雪崩结和吸收区的影响的同时，降低了边缘电场效应，减小了雪崩结的边缘的表面电场，降低了暗电流。
另外，与实施例三在雪崩结A的四周设置四个掺杂区(1、2、4、5)相比，在同样实现降低边缘电场效应的情况下，实施例二中设置有三个掺杂区(1、2、3)，也即实施例二中的掺杂区数量减小，掺杂注入的次数减少，同时采用的光刻板的数量减小，简化了制作工艺，降低了制作成本。
需要说明的是，上述实施例三仅是以在实施例一中采用的SPAD的基础上添加第四掺杂区4和第五掺杂区5为例进行说明，在另一些可能实现的方式中，也可以在实施例二中采用包括第三掺杂区3的SAPD(如图6、图7)的基础上添加第四掺杂区4和第五掺杂区5；本申请对此不做具体限制，实际中可以根据需要进行设置。
设置方式二
在一些可能实现的方式中，参考图9和图10所示，可以设置第一型边缘掺杂区S1的掺杂深度小于第一型掺杂区21的掺杂深度，并且第一型边缘掺杂区S1的掺杂深度沿远离第一型掺杂区21的方向上减小；同时第一型边缘掺杂区S1和第二型边缘掺杂区S2之间的距离沿远离第一型掺杂区21的方向上逐渐增加；在此情况下，在沿远离雪崩结A的方向上，第一型边缘掺杂区S1和第二型边缘掺杂区S2的掺杂浓度均越来越小，且第一型边缘掺杂区S1和第二型边缘掺杂区S2之间的距离逐渐增加，这样一来，第一型边缘掺杂区 S1与第二型边缘掺杂区S2之间形成的电场强度小于第一型掺杂区21和第二型掺杂区22之间形成的雪崩结电场强度，并且在沿远离雪崩结A的方向上，第一型边缘掺杂区S1与第二型边缘掺杂区S2之间形成的电场强度越来越小，从而降低了边缘电场效应，减小了雪崩结的表面电场，降低了暗电流。
以下对该设置方式二中，第一型边缘掺杂区S1和第二型边缘掺杂区S2的具体设置结构进行说明。
如图9、图10所示，第一型边缘掺杂区S1可以包括：沿远离第一型掺杂区21的方向上依次设置的第六掺杂区6和第七掺杂区7；其中，第七掺杂区7的掺杂浓度小于第六掺杂区6的掺杂浓度，第六掺杂区6的掺杂浓度小于第一型掺杂区21的掺杂浓度。
示意的，在一些可能实现的方式中，如图9、图10所示，第六掺杂区6的掺杂深度小于第一型掺杂区21的掺杂深度，第七掺杂区7的掺杂深度小于第六掺杂区6的掺杂深度。
第二型边缘掺杂区S2可以包括：沿远离第二型掺杂区22的方向上依次连续设置的第八掺杂区8和第九掺杂区9；其中，第九掺杂区9的掺杂浓度小于第八掺杂区8的掺杂浓度；第九掺杂区9与第七掺杂区7相对设置，第八掺杂区8与第六掺杂区域6相对设置，并且第九掺杂区9与第七掺杂区7之间的距离大于第八掺杂区8与第六掺杂区域6之间的距离。
示意的，在一些可能实现的方式中，如图9、图10所示，第八掺杂区8的掺杂厚度小于第二型掺杂区22的掺杂厚度，第九掺杂区9的掺杂厚度小于第八掺杂区8的掺杂厚度。
另外，为了保证在制作SPAD的过程中，减少制作过程中采用的版图(如光刻板)数量，在一些可能实现的方式中，可以设置上述第六边缘掺杂区6与第八边缘掺杂区8的形状、大小相同，也即第六边缘掺杂区6与第八边缘掺杂区8可以采用同一光刻板进行掺杂制作；在一些可能实现的方式中，可以设置上述第七边缘掺杂区7与第九边缘掺杂区9的形状、大小相同，也即第七边缘掺杂区7与第九边缘掺杂区9可以采用同一光刻板进行掺杂制作。
需要说明的是，本申请实施例中涉及的所有掺杂区均可以通过相对精确的计算和设计，以满足相关的需求。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (16)
- 一种单光子雪崩二极管，其特征在于，包括：衬底以及位于所述衬底上的外延层；所述外延层中包括：第一型掺杂区和第二型掺杂区；其中，所述第一型掺杂区和所述第二型掺杂区在沿所述外延层的厚度方向上层叠设置，且所述第二型掺杂区相对于所述第一型掺杂区靠近所述衬底；所述第一型掺杂区和所述第二型掺杂区的掺杂类型相反；第一型边缘掺杂区和第二型边缘掺杂区；其中，所述第一型边缘掺杂区环绕设置于所述第一型掺杂区的四周；所述第二型边缘掺杂区中包括：位于所述第二型掺杂区的四周、且与所述第一型边缘掺杂区相对设置的部分；所述第一型边缘掺杂区与所述第一型掺杂区的掺杂类型相同，且所述第一型边缘掺杂区的掺杂浓度小于所述第一型掺杂区的掺杂浓度；所述第二型边缘掺杂区与所述第二型掺杂区的掺杂类型相同，且所述第二型边缘掺杂区的掺杂浓度小于所述第二型掺杂区的掺杂浓度。
- 根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第二型边缘掺杂区与所述第二型掺杂区的边缘区域接触。
- 根据权利要求1或2所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第二型边缘掺杂区包括：沿远离所述第二型掺杂区的方向上依次连续设置、且掺杂浓度依次减小的至少两个掺杂区。
- 根据权利要求1-3任一项所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一型边缘掺杂区包括：沿远离所述第一型掺杂区的方向上掺杂浓度依次减小的至少两个掺杂区。
- 根据权利要求1-4任一项所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一型边缘掺杂区的掺杂深度沿远离所述第一型掺杂区的方向上逐渐增加；所述第一型边缘掺杂区的掺杂深度大于或等于所述第二型掺杂区的掺杂深度，且所述第一型边缘掺杂区与所述第二型边缘掺杂区在相对的区域接触。
- 根据权利要求1-4任一项所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一型边缘掺杂区的掺杂深度小于所述第一型掺杂区的掺杂深度，并且所述第一型边缘掺杂区的掺杂深度沿远离所述第一型掺杂区的方向上减小；所述第一型边缘掺杂区和所述第二型边缘掺杂区之间的距离沿远离所述第一型掺杂区的方向上逐渐增加。
- 根据权利要求1-5任一项所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一型边缘掺杂区中包括：第一掺杂区；所述第一掺杂区的掺杂深度大于或等于所述第二型掺杂区的掺杂深度；所述第二型边缘掺杂区中包括：第二掺杂区；所述第二掺杂区与所述第一掺杂区相对设置，且所述第二掺杂区与所述第一掺杂区接触。
- 根据权利要求7所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第二型边缘掺杂区中还包括：第三掺杂区；所述第三掺杂区的掺杂浓度大于所述第二掺杂区的掺杂浓度；所述第三掺杂区位于所述第二掺杂区靠近所述第二型掺杂区的一侧，且所述第三掺杂区与所述第二掺杂区、所述第二型掺杂区均接触。
- 根据权利要求8所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第三掺杂区位于所述第二型掺杂区靠近所述衬底的一侧，且与所述第二型掺杂区靠近所述衬底的一侧接触；或者，所述第三掺杂区位于所述第二型掺杂区与所述第一掺杂区之间，且所述第三掺杂区与所述第二型掺杂区、所述第一掺杂区、所述第二掺杂区均接触。
- 根据权利要求7-9任一项所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一型边缘掺杂区中包括：第四掺杂区；所述第四掺杂区位于所述第一掺杂区背离所述第一型掺杂区一侧，且所述第四掺杂区的掺杂深度大于或等于所述第一掺杂区的掺杂深度，所述第四掺杂区的掺杂浓度小于所述第一掺杂区的掺杂浓度；所述第二型边缘掺杂区中包括：第五掺杂区；所述第五掺杂区与所述第四掺杂区相对设置，且所述第五掺杂区与所述第二掺杂区、所述第四掺杂区接触；所述第五子掺杂区的掺杂浓度小于所述第二掺杂区的掺杂浓度。
- 根据权利要求1-4、6任一项所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一型边缘掺杂区包括：沿远离所述第一型掺杂区的方向上依次设置的第六掺杂区和第七掺杂区；所述第七掺杂区的掺杂浓度小于所述第六掺杂区的掺杂浓度，所述第七掺杂区的掺杂深度小于所述第六掺杂区的掺杂深度；所述第二型边缘掺杂区包括：沿远离所述第二型掺杂区的方向上依次连续设置的第八掺杂区和第九掺杂区；所述第九掺杂区的掺杂浓度小于所述第八掺杂区的掺杂浓度；所述第六掺杂区域与所述第八掺杂区相对设置，所述第七掺杂区与所述第九掺杂区相对设置；所述第七掺杂区与所述第九掺杂区之间的距离大于所述第六掺杂区与所述第八掺杂区之间的距离。
- 根据权利要求11所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第九掺杂区的掺杂厚度小于所述第八掺杂区的掺杂厚度。
- 根据权利要求11所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第六边缘掺杂区与所述第八边缘掺杂区的形状、大小相同；所述第七边缘掺杂区与所述第九边缘掺杂区的形状、大小相同。
- 根据权利要求1-13任一项所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一型边缘掺杂区与所述第一型掺杂区的侧面接触。
- 根据权利要求1-14任一项所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一型掺杂区的掺杂类型为N型；所述第二型掺杂区的掺杂类型为P型。
- 一种光电传感装置，其特征在于，包括：传感器阵列和逻辑电路；所述传感器阵列中的至少一个传感器包括如权利要求1-15任一项所述的单光子雪崩二极管；所述逻辑电路与所述单光子雪崩二极管连接。
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2020
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