法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-09-12
授权
授权
2016-08-24
实质审查的生效 IPC(主分类):H01L31/107 申请日:20141231
实质审查的生效
2016-07-27
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管的结构。
背景技术
单光子探测是一种极微弱光的探测方法,被广泛应用在天文学、生物化学和医学诊断等领域中。由于单个光子的能量极低,用通常的检测方法很难直接把这种微弱的信号提取出来。要想观测到物质吸收单个光子后所引起的变化,必须存在相关的放大机制。利用光电效应原理,可以采用基于光电倍增管(PMT)和雪崩光电二极管的单光子探测器。
早期的单光子探测采用光电倍增管的方法。PMT作为单光子探测器具有高增益、光敏面大和暗计数低的优点,但是它需要工作在高电压下(通常在800到1500V之间),不能与信号处理电路进行集成,且容易受到磁场的影响。
雪崩光电二极管是一种建立在内光电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管工作在反向偏压下,反向偏压越高,耗尽层中的电场强度也就越大。在单光子探测中,APD工作在盖革模式下,反向偏置电压大于其雪崩击穿电压,因此它也被称为盖革模式雪崩光电二极管或者单光子雪崩二极管(SPAD)。SPAD具有单光子探测灵敏度、皮秒量级响应速度、增益系数高、对电离辐射和磁场不敏感、工作电压低、暗电流低、体积小、功耗低、过剩噪声小、结构紧凑、集成化高等优点,在光场探测、光子学、激光测距等领域得到了广泛的应用和关注。
对于CMOSSPAD器件说,它主要有两种结构:一种是PN型,另一种是NP型。PN型SPAD是在P型衬底上制作N阱,然后在N阱里制作重掺杂P型区,由N阱和P+构成PN结,形成倍增区。NP型的SPAD是在P型衬底上注入N阱,由P型衬底和N阱构成PN结,形成倍增区。对于PN型的SPAD,短波长的光触发雪崩的概率要大,长波长的光触发雪崩的概率要小,因此PN型SPAD对蓝光比较敏感;同时,SiO2与Si界面的缺陷捕获电子而产生空穴,即使在外加反向偏置电压的情况下,这些空穴不会进入倍增区而触发雪崩。而NP型SPAD对绿光比较敏感;NP型SPAD可以使用重掺杂N区域和P衬底构成,其耗尽层相对较宽,可以获得较大的探测效率;但是由于SiO2与Si界面的缺陷会捕获电子,从而在界面产生空穴,这些空穴在外加反向偏压的作用下向P型区域运动;当反偏电压大于击穿电压时,运动的空穴会触发雪崩,从而使器件的暗计数增大。基于标准CMOS工艺研究单光子光电探测器件方面已经开展了很多的工作。传统的CMOS单光子雪崩二极管使用P+/Nwell结来实现,NP型单光子雪崩二极管的应用由于较差的噪声特性而受到限制。
发明内容
针对以上现有技术中的不足,本发明提出一种基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管(SPAD),其基本结构包括:P型硅衬底(100)上方设有深N阱(200);P阱(301)形成于深N阱(200)上方并与深N阱(200)接触;P阱(301)的周围设有轻掺杂的保护环(401,402);N+区域(601,602)形成于P阱(301)上方,并与轻掺杂的保护环(401,402)有一定的重叠;N+区域(601,602)和轻掺杂的保护环(401,402)的上方设有重掺杂的P型区域(801,802,803),覆盖了除阴极接触和阳极接触以外的整个(601,602)和(401,402)的表面;轻掺杂的保护环(401,402)周围设有P阱(302,303),P阱区域(302,303)通过P+区域(502,503)引出衬底电极;重掺杂的P型区域(801,802,803)与P阱(302,303)连起来,具有相同的电势;P+区域(502,503)与重掺杂的P型区域(801,802,803)之间设置有浅结隔离STI(702,703);STI(702,703)与重掺杂的P型区域(801,802,803)之间设有一定的距离。N+区域(601,602)的底部与P阱(301)的顶部之间形成PN结(11),并通过N+区域(601)和P+区域(501)引出阴极电极和阳极电极。
本发明的技术效果在于:
1)本发明的单光子雪崩二极管,结构简单,在盖革模式下发生雪崩击穿,可以实现单光子的探测。
2)本发明的单光子雪崩二极管沿结深方向有四个PN结,通过加合适的偏置电压,使结(11)工作在盖革模式,其他三个PN结都处于反向偏置状态,可以提高器件的时间分辨率;若使结(12)工作在盖革模式,则可以增强器件对蓝光的响应。
3)本发明的单光子雪崩二极管,通过在N+区域表面制作重掺杂的P型区域,可以减小NP型SPAD器件的界面缺陷引起的暗计数,改善器件的噪声特性。
4)本发明的单光子雪崩二极管,通过有效的版图技术,可以减小STI中缺陷引起的暗计数。
5)本发明的单光子雪崩二极管,通过有效的保护环技术,可以防止SPAD器件发生边缘击穿。
6)该器件在CMOS图像传感器工艺中实现,能与后续的CMOS信号处理和读出电路进行单芯片集成,在3D图像传感器的实现方面有很大的应用价值。
附图说明
图1是本发明中的单光子雪崩二极管的结构示意图。
图2是本发明中的单光子雪崩二极管的淬灭电路。
图3是根据图1的实施例的示意图。
图4是根据图3的具体实施例的示意图。
图5是根据图3的又一具体实施例的示意图。
具体实施方式
图1是本发明提供的一种基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管(SPAD),其基本结构包括:P型硅衬底(100)上方设有深N阱(200);P阱(301)形成于深N阱(200)上方并与深N阱(200)接触;P阱(301)的周围设有轻掺杂的保护环(401,402);N+区域(601,602)形成于P阱(301)上方,并与轻掺杂的保护环(401,402)有一定的重叠;N+区域(601,602)和轻掺杂的保护环(401,402)的上方设有重掺杂的P型区域(801,802,803),覆盖了除阴极接触和阳极接触以外的整个(601,602)和(401,402)的表面;轻掺杂的保护环(401,402)周围设有P阱(302,303),P阱区域(302,303)通过P+区域(502,503)引出衬底电极;重掺杂的P型区域(801,802,803)与P阱(302,303)连起来,具有相同的电势;P+区域(502,503)与重掺杂的P型区域(801,802,803)之间设置有浅结隔离STI(702,703);STI(702,703)与重掺杂的P型区域(801,802,803)之间设有一定的距离。N+区域(601,602)的底部与P阱(301)的顶部之间形成PN结(11),并通过N+区域(601)和P+区域(501)引出阴极电极和阳极电极。
当SPAD的反向偏置电压高于击穿电压时,光生载流子和暗载流子都能触发雪崩,从而产生输出脉冲。而SPAD是用于微弱光信号探测的,如果暗载流子引起的脉冲数较大,信号与噪声就会产生混淆,无法探测微弱的光信号。因此,噪声特性成为SPADs的主要问题。本发明中,通过在N+区域表面设置重掺杂的P型区域,并设置合适的偏置电压使N+区域与重掺杂的P型区域构成的PN结反偏,有效地抑制了NP型SPAD由于界面缺陷捕获电子而产生的暗计数;通过适当的版图技术,使STI与SPAD倍增区之间存在一定的距离,从而减小STI界面深能级载流子产生中心引起的暗计数,降低了器件的暗噪声。
图2是本发明中单光子雪崩二极管在3D图像传感器应用中的淬灭电路。D1是图1所示器件中PN结(12,14)等效的二极管,对蓝光和红光有较好的响应;D2是器件中PN结(11,13)等效的二极管,对绿光有较好的响应。D1的阳极接地,D2的阳极接-VBD,D1与D2共用阴极,通过PMOS器件M1偏置到VDD。当Start=0时,D2两端的电压大小为VDD+VBD,偏置在盖革模式的状态,耗尽层中的电场强度大于发生雪崩击穿时的临界电场强度;D1两端电压为VDD,处于反偏状态。若有光子入射时,器件吸收光子产生光生电子-空穴对,光生载流子在电场作用下触发雪崩,使入射光信号的输出电流得到放大。此时,SPAD阴极结点电压VC将由VDD跳变为0电平,该电压变化将通过反相器输出鲁棒性很强的脉冲信号Vp,这一电压变化将触发或停止计时。
图3是根据图1的实施例的示意图。该实施例采用低掺杂N型区域作为保护环,低掺杂N型区域的掺杂浓度低于N+区域,与P阱区域构成PN结时,使PN结的边缘击穿电压高于SPAD的平面倍增区域的击穿电压,防止SPAD器件发生边缘击穿。
图4是根据图3的具体实施例的示意图。该实施例中采用N阱区域作为保护环。
图5是根据图3的又一具体实施例的示意图。该实施例采用无N阱保护环,即深N阱作为保护环。
综上所述,本发明基于CMOS图像传感器工艺,设计了一种单光子雪崩二极管,实现了对微弱光甚至是单个光子的探测,提高了器件的时间分辨率,改善了器件的噪声特性。
机译: 用于保护单光子雪崩二极管组件免于过压的装置,其保护二极管包括连接到电源端子的中央阳极和连接到P型衬底的偏置端子的外围阴极。
机译: 具有光子计数和飞行时间检测能力的单光子雪崩二极管图像传感器
机译: 具有光子计数和飞行时间检测功能的单光子雪崩二极管图像传感器