[實用新型]單光子雪崩二極管、探測器陣列、圖像傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201822090982.4
• 申請日: 2018-12-13
• 公開（公告）號: CN209216990U
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 臧凱;李爽;馬志潔
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳市靈明光子科技有限公司
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/107;H01L27/144;H01L27/146;H01L31/18
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 唐致明;洪銘福

本實用新型公開了一種單光子雪崩二極管、探測器陣列、圖像傳感器，其中，背照式單光子雪崩二極管設(shè)置有陷光結(jié)構(gòu)和側(cè)壁反射墻，入射光經(jīng)過陷光結(jié)構(gòu)反射、散射、折射后被分散到各個角度，加上側(cè)壁反射墻的反射作用，可以延長光在背照式單光子雪崩二極管中的有效光程，從而提高了光在背照式單光子雪崩二極管中的吸收效率；而包含背照式單光子雪崩二極管的光電探測器陣列和圖像傳感器，由于具有背照式單光子雪崩二極管，有效提高了光電探測器陣列和圖像傳感器的光吸收效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及光電領(lǐng)域，尤其是一種單光子雪崩二極管、探測器陣列、圖像傳感器。

背景技術(shù)

圖像傳感器被廣泛應用于各種電子設(shè)備中，如數(shù)碼相機，手機，醫(yī)療成像設(shè)備，安檢設(shè)備，測距相機等等。隨著制造圖像傳感器的半導體技術(shù)不斷進步，圖像傳感器正在進一步向低功耗，小型化，高度集成的方向發(fā)展。圖像傳感器通常由光電探測器陣列組成。單光子雪崩二極管(SPAD)是在圖像傳感器中可以使用的一種光電探測器。

單光子雪崩二極管(SPAD)可用于多種工業(yè)界與學術(shù)界的應用，深度探測(包括激光雷達)，醫(yī)療感應，機器視覺，手勢識別，量子科學等等。其應用形式包括單個SPAD，硅光倍增管(SiPM)以及SPAD陣列。SPAD由于其單個的單光子探測器(SPAD)是個二進制器件，只有“有輸出信號”和“沒有輸出信號”兩個狀態(tài)，為了測量光的強度信號，所以實際在激光雷達等深度探測領(lǐng)域中使用的是如下兩種典型的表現(xiàn)形式：

(1)硅光倍增管(SiPM)，其包括多個SPAD子單元，所有的SPAD子單元的輸出端子(port)并聯(lián)在一起，作為一個整體輸出信號，但由于有多個SPAD子單元，所以可以實現(xiàn)對信號光強度的識別

(2)SPAD陣列(SPAD array)。SPAD陣列中的每一個SPAD作為一個像素單獨輸出，從而可以直接生成影像，適用于快閃激光雷達(Flash Lidar)。激光雷達是單光子探測器具有極大潛力的一個應用場景，其使用場景如圖1所示，由激光源C發(fā)射出的脈沖信號F或調(diào)制后的信號經(jīng)過透鏡D之后被測物體反射后被SPAD探測陣列B接收，時間控制電路A根據(jù)發(fā)射到接收到信號之間的時間間隔，可以準確計算出被測物體的距離。

前照式圖像傳感器的截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，在光學上，由于處理電路位于硅探測層的上方，入射光在到達硅探測層(即光電二極管205)前需要穿過布滿金屬導線202和介質(zhì)材料的電路層，入射光會被吸收或散射，導致光探測效率低下。另外，由于每個SPAD單元的淬滅電路和充電電路占據(jù)較大面積，使得SPAD單元的填充因子很低。當嘗試在SPAD單元的電路上引入其它功能，如計數(shù)，采樣，壓縮等時，低填充因子的問題會更加嚴重；而低填充因子導致了硅光倍增管(SiPM)或SPAD陣列的探測效率下降。

而背照式圖像傳感器的截面結(jié)構(gòu)如圖3所示，背側(cè)照明式(back sideillumination,BSI)圖像傳感器是一種將電路層置于探測層之下的設(shè)計，即光電二極管205位于電路層之上。背照式SPAD的具體截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，圖4的左半部分示意了背照式SPAD的具體結(jié)構(gòu)，圖4的右半部分為SPAD的等效示意圖，其中，頂部晶片G包含背側(cè)照明式SPAD陣列，外接電路410位于底部晶片H之中，外接電路410包括偏壓提供電路或者信號處理電路，頂部晶片G和底部晶片H由氧化物鍵合層45實現(xiàn)連接，且金屬線47精確對準并通過通孔46相連接。其相對于前照式SPAD具有以下優(yōu)點：1.入射光直達探測層，使得吸收效率得以提高；2.單元之間的深槽隔離結(jié)構(gòu)41可以減少串擾的發(fā)生；3.由于電路設(shè)置在下層，使得SPAD感光面積的填充因子得以提高，且可以支持復雜的電路；4.在加工流程中金屬材料帶來的污染得以避免；5.像素單元面積更小，使得單位面積內(nèi)的像素數(shù)量更高，提高成像分辨率，使百萬像素的SPAD陣列成為可能；6.由于探測層與微透鏡(一般設(shè)置在SPAD表面)的距離更近，因此在BSI SPAD中可以使用數(shù)值孔徑更大的微透鏡，提高對大角度入射光的收集。

然而SPAD存在以下不足：