[實用新型]硅基CMOS集成128×128面陣APD傳感器

有效

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• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN206451711U
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發(fā)明（設計）人: 路悅新;其他發(fā)明人請求不公開姓名
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工大華生電子有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型屬于APD圖像探測領域，設計一種新型硅基CMOS集成128×128面陣APD傳感器。

背景技術

隨著智能軍事、量子通信、高端醫(yī)療、智能汽車、生物醫(yī)學、智能安防等科技的應用化，人們對寬波段、更高靈敏度的光電探測器的需求越來越多，光電探測器已由傳統(tǒng)的光電倍增管(PMT)、PIN光電二極管發(fā)展到對微弱光信號敏感且具有內部倍增的半導體雪崩光電二極管(APD)。從經濟全球化的角度看來，推動APD產品發(fā)展的動力主要來自測距成像等領域，可望在汽車電子、智能可穿戴設備、光通信等行業(yè)得到廣泛應用。特別是近年來，隨著航空航天和汽車無人駕駛等應用領域的迅猛發(fā)展，越來越對用于空間精準探測的關鍵核心部件三維激光成像雷達具有迫切的需求，而三維激光成像雷達中的核心探測器件就是陣列APD傳感器，特別是近紅外硅基光電探測器的需求更為旺盛。硅基APD具有極高的增益、功耗低、響應速度快、體積小、不受磁場干擾及可靠性高等突出優(yōu)勢。特別是雪崩APD工作在計數(shù)模式下，沒有像線性模式APD那樣的增益起伏或過剩噪聲。采用目前成熟的CMOS半導體工藝，可以實現(xiàn)器件的更高穩(wěn)定性和更高幾何填充因子。和CCD和CMOS圖像傳感器相比，硅基雪崩光子探測器通過雪崩效應可實現(xiàn)單光子探測，在光子增益、光學靈敏度、噪聲及響應時間等方面具有絕對領先的優(yōu)勢，雪崩探測是目前為止在微光探測領域最具發(fā)展前景的物理機制。因此，雪崩光子圖像傳感器將成為未來高端圖像傳感器主要發(fā)展方向之一，具有廣泛的應用前景。

發(fā)明內容

本實用新型的目的是提供一種硅基CMOS集成128×128面陣APD傳感器集成的結構制造的一種方法。該實用新型的特點是通過標準CMOS工藝實現(xiàn)在同一硅基上制造128×128雪崩光電二極管 APD陣列和由并行讀出電路讀出數(shù)據(jù)實現(xiàn)圖像傳感器的集成化，進行合理布局和合理布線有效減小器件尺寸和減小器件噪聲，提高APD探測效率和吸收效率，其相應設計波長為400nm-1100nm光波范圍；

本實用新型提供了一種硅基CMOS集成128×128面陣APD傳感器集成結構制造的一種方法。包括：

提供了一種P型外延硅片，其襯底濃度為2×10²⁰cm^-3，外延層濃度為1.5×10¹⁵cm^-3；

在所述的進在P型外延硅片上利用標準CMOS工藝制造出128×128雪崩光電二極管APD陣列；

在所述的P型外延硅片利用標準CMOS工藝制造出由PMOS和NMOS器件組成的時鐘模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)讀出模塊、行譯碼器等構成，其單元結構如圖1中所示；

進一步通過三層金屬布線和合理結構布局完成硅基128×128陣列APD集成圖像傳感器的集成化如圖2所示；

首先，硅基CMOS集成128×128面陣APD傳感器，由基于CMOS工藝制作的雪崩光電二極管APD陣列和基于該工藝制作的CMOS接口電路構成。雪崩光電二極管APD陣列和接口電路全部集成于同一硅片上；在同一硅片上形成鈍化層；所述的鈍化層從所述的硅片表面往上依次為場氧化層、磷硅玻璃鈍化層、第一層金屬、第一層氧化層、第二層金屬、第二層氧化層、第三層金屬、氮化硅;其中，所述的CMOS接口電路是在P型外延硅片上，利用標準CMOS工藝制造出由PMOS和NMOS器件組成的時鐘模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)讀出模塊、行譯碼器構成；

進一步雪崩光電二極管APD陣列和CMOS接口電路內部結構都采用標準CMOS工藝實現(xiàn)；

進一步雪崩光電二極管APD陣列和接口電路采用多層金屬布線工藝，有效減小了金屬的寄生效應和防止金屬線過長而斷裂；

進一步布局設置按照CMOS接口電路的不同功能將時鐘模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)讀出模塊、行譯碼器分布于128×128個雪崩光電二極管（APD）組成的陣列周圍，有效減小噪聲，同時提高APD探測效率和速度；

進一步采用三層金屬布線連接APD陣列和CMOS接口電路，共同實現(xiàn)集成圖像傳感器功能；

進一步磷硅玻璃、氮化硅制作是通過控制各個鈍化層的厚度滿足λ/4波長的厚度，為APD雪崩光電二極管起增透膜的作用，提高對400nm-1100nm光波段的吸收效率；

進一步雪崩光電二極管APD陣列包括8×8個控制單元，每一個單元結構包括16×16個像素組成128×128陣列。

進一步場氧化層采用標準CMOS工藝制作第一層氧化層，在不影響APD陣列光學增透作用及CMOS接口電路電學特性的同時，還能提高對器件漏電流的控制。