[發明專利]單光子雪崩光電二極管探測器的裝置和方法

有效

• 申請號: 201710874554.8
• 申請日: 2017-09-25
• 公開（公告）號: CN107895743B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 陳剛;毛杜立;文森特·威尼斯;戴幸志;張博微
• 申請（專利權）人: 豪威科技股份有限公司
• 主分類號: H01L31/0224
• 分類號: H01L31/0224;H01L31/0312;H01L31/0352;H01L31/107;G01J1/42
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 宋融冰

雪崩光電二極管具有至少部分地覆蓋第二擴散類型的第二擴散區域的第一擴散類型的第一擴散區域，以及布置在第一擴散區域內的第一少數載流子溝槽區域，第一少數載流子溝槽區域是第二擴散類型并電連接至第一擴散區域。在特定的實施例中，第一擴散類型是N型且第二擴散類型是P型，且設備被偏置以便在第一擴散區域和第二擴散區域之間存在具有雪崩倍增的耗盡區。

技術領域

本文件涉及單光子雪崩光電二極管(SPAD)和使用SPAD以在弱光條件下檢測圖像的光電探測器陣列。

背景技術

單光子雪崩光電二極管100(SPAD)(圖1)通常是在高偏置下操作的P-I-N型二極管；這樣的二極管具有在半導體材料中彼此相鄰形成的P摻雜(P)區104和N摻雜(N)區106，或具有位于其之間的薄本征(I)區。P區104和N區106足夠靠近彼此，使得在施加的反向電壓偏置下，多數載流子漂移出N區和P區之間的區域中形成的耗盡區102；隨著多數載流子漂移出耗盡區，在N區和P區之間小電流或沒有電流流過。

光子被許可通過光電二極管的前或背表面進入光電二極管。光電二極管中光子的吸收(無論在耗盡區102還是在與耗盡區相鄰的N區206或P區204中)通過光電效應引起被吸引至光電二極管的耗盡區102中的至少一個電子-空穴載流子對的釋放。N區或P區可以具有不同摻雜濃度以增強光子吸收的子區域(未示出)。施加的電壓偏置足夠高，使得在雪崩擊穿中隨著載流子(例如光電性電子空穴對)觸發更多電子-空穴對的釋放，載流子增強，并在P區104和N區106之間形成浪涌電流。互連體108耦合至N區106且互連體110耦接至P區104，以將光電二極管連接至其他電路(例如，偏置電路或感測電路(未示出))；N區104和P區106的一個可以常見于多種光電二極管。

使用如此配置的電路對雪崩光電二極管偏置，以便此浪涌電流典型地使偏置電壓足夠降低以“終止(quench)”或截止電流，或一旦檢測到電流，偏置電路取消偏置以終止電流，在電流被終止之后對于另一光子檢測重置偏置。由每個吸收的光子觸發的每個浪涌電流產生被放大作為光子吸收的電學指示的信號。

SPAD可以在沒有期望的光的光子吸收的情況下雪崩，給出額外的、不期望的電流浪涌，稱為暗計數，其可能被錯誤地解釋為指示光子吸收。由于SPAD可以對高能量光子響應，例如宇宙射線、伽馬和X射線輻射，暗計數的部分表示對不期望的輻射的響應。當P區104和N區106中的少數載流子被吸入至耗盡區102中并在耗盡區102中增強時也引起暗計數的部分。

已知一些少數載流子在氧化物-硅界面的裂紋處被引入。N區106和上覆的電介質氧化物114之間的界面是這樣的界面的示例。

光電二極管100典型地具有前側115，在制造期間執行至前側115中的擴散和植入步驟，且在此基礎上，在電介質氧化物114中形成互連金屬化，例如金屬108、110。光電二極管典型地還具有沒有金屬互連線108、110的背側117，盡管可以存在金屬屏蔽或安裝層。背側117典型地以硅或其它半導體基板開始，基于此形成光電二極管的有源層。在背側照明的設備中，移除半導體基板的大部分，且在移除基板后典型地沉積保護性且穩定的背側氧化物或其它透明鈍化涂層。因此，前側和背側照明的光電傳感器陣列覆蓋包括氧化物、基板或非氧化物透明鈍化涂層的層116。

發明內容

在實施例中，雪崩光電二極管具有至少部分地覆蓋第二擴散類型的第二擴散區域的第一擴散類型的第一擴散區域，以及布置在第一擴散區域內的第一少數載流子溝槽區域，第二擴散類型的第一少數載流子溝槽區域電連接至第一擴散區域。配置第一擴散區域和第二擴散區域，以便當在偏置下，在第一擴散區域和第二擴散區域之間形成具有雪崩倍增特性的耗盡區。在特定的實施例中，第一擴散類型是N型且第二擴散類型是P型，且設備被偏置以便在第一擴散區域和第二擴散區域之間存在具有雪崩倍增的耗盡區。