单光子雪崩光电二极管探测器的装置和方法

摘要

雪崩光电二极管具有至少部分地覆盖第二扩散类型的第二扩散区域的第一扩散类型的第一扩散区域，以及布置在第一扩散区域内的第一少数载流子沟槽区域，第一少数载流子沟槽区域是第二扩散类型并电连接至第一扩散区域。在特定的实施例中，第一扩散类型是N型且第二扩散类型是P型，且设备被偏置以便在第一扩散区域和第二扩散区域之间存在具有雪崩倍增的耗尽区。

说明书

技术领域

本文件涉及单光子雪崩光电二极管(SPAD)和使用SPAD以在弱光条件下检测图像的光电探测器阵列。

背景技术

单光子雪崩光电二极管100(SPAD)(图1)通常是在高偏置下操作的P-I-N型二极管；这样的二极管具有在半导体材料中彼此相邻形成的P掺杂(P)区104和N掺杂(N)区106，或具有位于其之间的薄本征(I)区。P区104和N区106足够靠近彼此，使得在施加的反向电压偏置下，多数载流子漂移出N区和P区之间的区域中形成的耗尽区102；随着多数载流子漂移出耗尽区，在N区和P区之间小电流或没有电流流过。

光子被许可通过光电二极管的前或背表面进入光电二极管。光电二极管中光子的吸收(无论在耗尽区102还是在与耗尽区相邻的N区206或P区204中)通过光电效应引起被吸引至光电二极管的耗尽区102中的至少一个电子-空穴载流子对的释放。N区或P区可以具有不同掺杂浓度以增强光子吸收的子区域(未示出)。施加的电压偏置足够高，使得在雪崩击穿中随着载流子(例如光电性电子空穴对)触发更多电子-空穴对的释放，载流子增强，并在P区104和N区106之间形成浪涌电流。互连体108耦合至N区106且互连体110耦接至P区104，以将光电二极管连接至其他电路(例如，偏置电路或感测电路(未示出))；N区104和P区106的一个可以常见于多种光电二极管。

使用如此配置的电路对雪崩光电二极管偏置，以便此浪涌电流典型地使偏置电压足够降低以“终止(quench)”或截止电流，或一旦检测到电流，偏置电路取消偏置以终止电流，在电流被终止之后对于另一光子检测重置偏置。由每个吸收的光子触发的每个浪涌电流产生被放大作为光子吸收的电学指示的信号。

SPAD可以在没有期望的光的光子吸收的情况下雪崩，给出额外的、不期望的电流浪涌，称为暗计数，其可能被错误地解释为指示光子吸收。由于SPAD可以对高能量光子响应，例如宇宙射线、伽马和X射线辐射，暗计数的部分表示对不期望的辐射的响应。当P区104和N区106中的少数载流子被吸入至耗尽区102中并在耗尽区102中增强时也引起暗计数的部分。

已知一些少数载流子在氧化物-硅界面的裂纹处被引入。N区106和上覆的电介质氧化物114之间的界面是这样的界面的示例。

光电二极管100典型地具有前侧115，在制造期间执行至前侧115中的扩散和植入步骤，且在此基础上，在电介质氧化物114中形成互连金属化，例如金属108、110。光电二极管典型地还具有没有金属互连线108、110的背侧117，尽管可以存在金属屏蔽或安装层。背侧117典型地以硅或其它半导体基板开始，基于此形成光电二极管的有源层。在背侧照明的设备中，移除半导体基板的大部分，且在移除基板后典型地沉积保护性且稳定的背侧氧化物或其它透明钝化涂层。因此，前侧和背侧照明的光电传感器阵列覆盖包括氧化物、基板或非氧化物透明钝化涂层的层116。

发明内容

在实施例中，雪崩光电二极管具有至少部分地覆盖第二扩散类型的第二扩散区域的第一扩散类型的第一扩散区域，以及布置在第一扩散区域内的第一少数载流子沟槽区域，第二扩散类型的第一少数载流子沟槽区域电连接至第一扩散区域。配置第一扩散区域和第二扩散区域，以便当在偏置下，在第一扩散区域和第二扩散区域之间形成具有雪崩倍增特性的耗尽区。在特定的实施例中，第一扩散类型是N型且第二扩散类型是P型，且设备被偏置以便在第一扩散区域和第二扩散区域之间存在具有雪崩倍增的耗尽区。

检测光子的方法包括为具有N区和P区的雪崩光电二极管提供反向偏置，以便在N区和P区之间形成耗尽区。方法包括将少数载流子从与耗尽区相对远离的N区和P区的部分吸引至少数载流子沟槽；以及接受光子以光电性地形成载流子对，载流子在耗尽区中被增强以产生可检测的电流。然后终止电流并恢复N区和P区之间的偏置。

附图说明

图1是常规设计的雪崩光电二极管的现有技术示意性图示。

图2A是实施例中具有N区和P区中的网格形状的少数载流子沟槽的雪崩光电二极管的示意性剖视图。

图2B是实施例中用于前侧照明的具有分离植入的P区中的矩形少数载流子沟槽和N区中的网格形状载流子沟槽的雪崩光电二极管的示意性剖视图。

图2C是实施例中用于前侧照明的具有横跨光电传感器阵列的全部背侧的植入的矩形少数载流子沟槽和N区中的网格形状载流子沟槽的雪崩光电二极管的示意性剖视图。

图2D是实施例中具有背侧少数载流子沟槽网格的雪崩光电二极管的示意性剖视图。

图2E是具有由偏置的透明电极激发的反转层少数载流子沟槽的雪崩光电二极管的示意性剖视图。

图3是实施例中雪崩光电二极管的带隙图。

图4是示出实施例中少数载流子沟槽分布的布局图。

图5是示出图4的实施例的顶层的布局图。

图6是示出图4的实施例的底层的布局图。

图7是实施例中检测低水平的光的方法的流程图。

具体实施方式

此讨论自始至终，参考本征(I)、N区或N+区，和P区或P+区。P区、P+区或P型区是，如在半导体工艺的领域中已知的，“掺杂”(具有低杂质等级)有相比于电子施体材料过量的电子受体材料的半导体材料的部分(典型地但不必须是单晶体)。P+区具有在特定电路中P区的高范围的电子受体材料的浓度。相似地，N区、N+区或N型区是，如在半导体工艺的领域中已知的，掺杂有包括相比于电子受体材料过量的电子施体材料的杂质的半导体材料的部分(典型地但不必须是单晶体)。N+区具有在特定电路中N区的高范围的电子施体材料的浓度。本征区或I区是低或无净掺杂的区域。半导体材料可以是硅、锗、砷化镓、或光电二极管领域中已知的其他半导体或是根据期望检测的光的波长选择的。可用作硅中掺杂物的电子受体材料包括硼、镓和铟。可用作硅中掺杂物的电子施体材料包括磷、砷、锑和锂。N型材料中的多数载流子是电子，具有晶体中电子可以匹配而不作为少数载流子存在的空穴位置；多数载流子负责半导体中大多数电流。P型材料中多数载流子是空穴，而少数载流子是电子。

N区、N+区、N型区、P区、P+区或P型区(无论其如何形成，还可以被称为扩散区)可以以多种方法形成；形成N区、N+区、P区和P+区的已知方法包括离子植入、在高温下暴露于气态掺杂物材料以许可掺杂物扩散进入半导体中，使用掺杂物材料涂覆并暴露于高温下以许可掺杂物扩散进入半导体中、或通过从对生长晶体贡献半导体和掺杂物的气体或液体混合物的半导体晶体生长。形成掺杂区域的多种方法可以用于形成相同的电路；例如但不限于，第一掺杂类型的基板可以具有从气态源扩散进入其的第二掺杂类型的第一区域、包括使用生长气体混合中的掺杂物向外生长的第二区域的层、和通过第二区域中的离子植入形成的第三区域。

申请人已经发现，当P区104或N区106中的少数载流子被吸入至高偏置的耗尽区102内并在高偏置的掺杂区102内增强时，导致图1的常规雪崩光电二极管中的一些暗计数。申请人已经发现这些少数载流子的一些源于扩散区域(例如N区106)和氧化物114之间的界线处的晶体缺陷。在其中有氧化物或基板116是氧化物的背侧照明的光电二极管中，申请人已经发现这些少数载流子的一些源于该氧化物或P区104之间；然后，这些少数载流子被P区104和N区106内的电场吸入耗尽区102。一旦在耗尽区中，这些载流子被增强以产生不能与由光子吸收刺激的电流区分的电流。

申请人已经确定，位于氧化物-硅界面附近的光电二极管的N区和P区中的少数载流子沟槽(sink)可以俘获源于硅-氧化物界面的非光电性少数载流子。这样的非光电性少数载流子的俘获阻止其进入高偏置的雪崩区域102而不显著降低对光电性光子的灵敏度。

为减少源于扩散区域和氧化物之间的界线的少数载流子，申请人已经使用少数载流子沟槽以重设计如图2A至2E示出的实施例中的雪崩光电二极管。

在具有降低的暗计数率的雪崩光电二极管探测器200、250、260、270和280的实施例中，在P区204和N区206之间形成耗尽区202。在一些实施例中，耗尽区202可以包括本征半导体的薄层。当在偏置下，耗尽区202具有雪崩倍增特性。金属互连体208耦接至N区206且金属互连体210耦接至P区204，以将光电二极管200连接至其他电路，例如偏置电路或传感电路(未示出)。

在雪崩光电二极管探测器200、280、250(图2A、2B、2C)的实施例中，浅P+少数载流子沟槽212嵌入在N区206的氧化物表面中，P+少数载流子沟槽212位于金属互连体208、210嵌入其中的氧化物114下方。P+少数载流子沟槽212可以具有网格形状，如进一步示于图4和6中的。网格形状其中具有提供比片状(sheet shape)提供的(例如图2D的实施例260中示出的P+少数载流子沟槽262提供的)对短波长蓝光更少衰减的窗户。

相似地，N型少数载流子沟槽214嵌入在至N区206远侧的P区204的表面中。N型少数载流子沟槽214可以具有如雪崩光电二极管探测器200、260(图2A、2D)示出的网格形状。

N和P少数载流子沟槽212、214都是分布式的，以便其可以吸收来自大部分N区206和P区204的少数载流子。在雪崩光电二极管探测器260(图2D)的一些实施例中，其中基板已经在制造背侧照明光电传感器阵列中变薄，在与透明氧化物264或其它透明钝化涂层相邻的P区204中布置沟槽。在前侧照明的光电传感器阵列中，P区204可以位于氧化物或半导体(典型地硅)基板216之上。

在许多实施例中，如图2A-2D所示，这些少数载流子沟槽被形成为P区204和N区206的每个中、具有与那些区域相反的极性、位于这些区域的氧化物-硅或硅-基板界面附近的浅扩散区域。

在许多实施例中，每个少数载流子沟槽电耦接至其所在的P区204或N区206；在可选的实施例中，少数载流子沟槽通过分离的互连体被取出以允许以其他电压(而不是通过将其电耦接至其所在的区域暗示的零电压)反向偏置。

在许多实施例中，提供深P型扩散240和N型扩散242(图2A、2B、2C、2D、2E)以允许从互连体210至P电极区域204和至N少数载流子沟槽214的电接触。

在可选的实施例280(图2B)中，嵌入至P区204中的N型少数载流子沟槽282是在P区204中限制的片状植入的矩形，如所示出的N型少数载流子沟槽282电连接至P区204。

在另一可选的实施例250(图2C)中，N型少数载流子292是跨阵列的所有P区204的片植入，此实施例具有特定效用：阵列的所有P区204处于与片植入少数载流子沟槽292的电势接近的相同的参考电势下。

在另一可选的实施例270(图2E)中，P型少数载流子沟槽形成为由对电极272施加非零电压偏置产生的反转层，其在一些实施例中可以在与位于光电传感器阵列集成电路中的场效应晶体管的栅极的形成相同的步骤中形成。此反转层粗略地对应于MOS晶体管的沟道。在这些实施例中，电极272通过薄氧化物274与N区206间隔开，在一些实施例中薄氧化物274可以在与用于形成相同的光电传感器阵列集成电路上的晶体管的栅氧化层相同的步骤中形成。在实施例中，提供与场效应晶体管的源或漏区域对应的连接区域278以将在电极272下方形成的反转层电耦接至金属接触，其转而将此反转层电耦接至N区206。在前侧照明定做的特定实施例中，电极272由透明导电体(例如铟锡氧化物)或电极272形成。在特定实施例中，电极272和薄氧化物274可以具有用于允许光子穿过电极272进入光电传感器的网格形状。电极272可以耦接至分离的互连体276以许可以适合的电压对电极272偏置。在背侧照明定做的其他特定实施例中，前侧电极272由多晶硅、铝或其它金属形成。在前侧照明的实施例中，P电极区域204中的N少数载流子沟槽282可以具有片或矩形形状，在背侧照明的实施例中，N少数载流子沟槽282可以具有网格形状或其它不连续的形状。在透明导体上由电压诱导的少数载流子沟槽的使用不限于前侧照明，在可选的实施例中(未示出)，当在透明导体和P区204之间施加适合的偏置时，透明导体被应用至背侧表面并形成P扩散电极区域204内的少数载流子沟槽。

一些实施例可以具有在N和P电极中具有实体片或非网格的矩形形状的少数载流子沟槽，包括对于长波长光子检测优化的实施例(例如红外成像仪)，和对于高能量X射线或伽马射线检测优化的实施例(例如X射线成像仪、CT扫描仪、正电子发射断层(PET)扫描仪、伽马照相机和固态盖革计数器(Geiger-counter))。

对应于图2A的雪崩光电二极管实施例的示例性布局300示于图4、5和6中，用于附属结构(例如保护环)的遮盖形状被省略。

图4示出与光电二极管300的N和P电极两者相关的布局平面图中的遮盖形状。为清楚起见，相邻的图5仅示出与图4的N电极相关的绘制形状302，且相邻的图6仅示出与图4的P电极相关的绘制形状304，这些绘制形状近似对应于设备上产生的N区和P区的平面图。

N电极302具有N型扩散区域306，用作N区206(图2)。浅P型少数载流子沟槽网格308在N型扩散区域306内，用作P型少数载流子沟槽212。P型少数载流子沟槽网格308包括网格行310和网格列312。网格行310和网格列312之间的间隙可以是这样的以便，除对金属接触必要外，N型扩散区域306的部分距网格列310或行312的距离不大于N型扩散区域306的深度。在特定的实施例中，网格行310和列312宽度和间隙由经验、平衡暗计数率和光学性能确定。提供金属接触314以将网格308耦接至上覆的N电极金属互连体316，且金属接触318将N型扩散区域306耦接至N电极金属互连体316。提供金属互连体316以将雪崩光电二极管300的N电极耦接至集成电路光电传感器阵列的其他电路(未示出)，例如偏置电路、解码器和传感放大器。

在前侧照明(FSI)的实施例中，网格行310和列312之间的开口320相比于没有开口的可选实施例促进蓝光灵敏度。在背侧照明(BSI)实施例或其中对红光或红外光的灵敏度是最主要的的实施例中，可以省略开口320且浅网格变为嵌入至N型区306内的浅片状P型少数载流子沟槽。

相似地，P电极304(图6)具有埋置的、担任P+电极区域204(图2)的P型区330，其的大部分完全位于N型区306的下方。N型少数载流子沟槽网格332在P型区330内且在其底部，用作N型少数载流子沟槽214。在实施例中，N型少数载流子沟槽网格具有网格行334和网格列336之间的间隙，以便原理上，除对金属接触必要之外，在耗尽和雪崩区以及N电极302下方的P型区330的部分距网格行334或列336的距离不大于P型扩散区域304的深度。

虽然在一些实施例中N型少数载流子沟槽网格332和P型少数载流子沟槽网格中的开口如图4、5和6所示粗略地对齐，此对齐是恰巧的且对于电路操作不要求此对齐。

在BSI实施例中，网格行334和列336之间的开口338相比于没有开口的可选实施例促进蓝光灵敏度。在FSI实施例或其中对红光或红外光的灵敏度是最主要的的实施例中，可以省略开口228且薄N型网格332变为嵌入至P型区330内的浅片状的N型少数载流子沟槽。

可以在多个光电二极管之间共享的深P型扩散340、240提供至金属接触334的路径，提供金属接触334以将P电极304耦接至P电极金属互连体346。深N型扩散342、242提供至金属接触348的路径，金属接触348将N型少数载流子沟槽网格332耦接至P电极金属互连体346。

在适度的偏置下，图2A至2E和4至6的结构提供与N 252和P 254电极能级对应的能级，如图3所示，其中具有N 252和P 254电极能级之间的雪崩耗尽区域256。少数载流子沟槽区域212、214提供沟槽能级258、260，沟槽能级258、260在电极和耗尽区域能级周围、提供从电极204、206(如示出的N 252和P 254电极能级所表示)的附近部分吸引少数载流子的场。

在可选的实施例中，代替示出的使用金属互连体直接将少数载流子沟槽区域耦接至其相关的电极，少数载流子沟槽212、214(图2A)的一个或两个电耦接至与金属互连体208和210分离的金属互连体，金属互连体208和210耦接至少数载流子沟槽所在的N 206和P204电极区域。在此实施例中，在少数载流子沟槽和其周围的N或P电极区域之间施加反转偏置。此实施例的操作与上述介绍的相似，尽管网格形状的少数载流子沟槽中的开口320、338可能比沟槽区域直接连接至电极区域的实施例中的开口更大。

使用示于图2、4、5和6的光电二极管，通过相对于P区204对N区206施加电压偏置以便在N区和P区之间形成具有雪崩倍增特性的耗尽区，而构建雪崩光电探测器。使用适合的偏置，雪崩光电探测器在盖革(Geiger)、或单光子计数模式中是可操作的。

图7是示出具有雪崩光电二极管的雪崩光电探测器的示例性操作400的流程图。对雪崩光电二极管施加(402)高反向偏置，雪崩光电二极管包括N区206(图2A)和P区204；此反向偏置形成雪崩耗尽区202。源于远离或在与雪崩耗尽区202相对的N区206和P区204的侧上的N区206或P区204的部分的少数载流子被吸引(404)至少数载流子沟槽210、214；此至少包括源于氧化物-半导体界面的一些少数载流子。如在常规雪崩光电二极管中，不允许这些少数载流子进入雪崩耗尽区202。然后在耗尽区202中接收(406)光子，每个超过阈值能量的光子触发载流子对的形成；此载流子对在耗尽区中被增强(408)以产生可检测的电流信号。雪崩和吸收区域中的电流随着电压偏置下降而终止(410)，并再施加高的反向偏置；从而使光电二极管准备接收额外的光子。在实施例中，对可检测的电流信号计数以确定由光电二极管接收的光子的流量。

组合

在此讨论的特征可以以不同的组合在设备中出现。特别地，少数载流子沟槽可以具有网格或方格形状(waffle shape)、片状、圆盘状、有翼的圆盘状、或当设计光电二极管时可以是方便的其他形状。与雪崩区域相关的光电二极管N区和P区可以具有矩形、盘状或当布局设备时方便的其他形状。这些的组合的一些包括：

A指定的雪崩光电二极管具有第一扩散类型的第一扩散区域；第一扩散区域至少部分地覆盖第二扩散类型的第二扩散区域；以及布置在第一扩散区域内的第一少数载流子沟槽区域，第一少数载流子沟槽区域是第二扩散类型。配置第一扩散区域和第二扩散区域，以便当在偏置下，在第一扩散区域和第二扩散区域之间形成具有雪崩倍增特性的耗尽区。

A1指定的雪崩光电二极管包括A指定的雪崩光电二极管，其中，第一少数载流子沟槽区域电连接至第一扩散区域。

AA指定的雪崩光电二极管包括A或A1指定的雪崩光电二极管，还包括布置在第二扩散区域内的第二少数载流子沟槽区域，第二少数载流子沟槽区域是第一扩散类型并电连接至第二扩散区域。

AB指定的雪崩光电二极管包括A、AA或A1指定的雪崩光电二极管，第一扩散类型是N型且第二扩散类型是P型。

AC指定的雪崩光电二极管包括A、AA、AB或A1指定的雪崩光电二极管，第一少数载流子沟槽区域的形状是网格。

AD指定的雪崩光电二极管包括AA、AB或AC指定的雪崩光电二极管，第二少数载流子沟槽区域的形状是网格。

B指定的雪崩光电探测器包括A、A1、AA、AB、AC或AD指定的雪崩光电二极管，还包括电压偏置电路，适用于相对于第二扩散区域对第一扩散区域施加足够的电压偏置，以便在第一扩散区域和第二扩散区域之间形成具有雪崩倍增特性的耗尽区。

BA指定的雪崩光电探测器包括B指定的雪崩光电探测器，电压偏置用于以单光子计数模式操作雪崩光电探测器。

C指定的检测光子的方法，包括对具有N区和P区的雪崩光电二极管提供反向偏置，且因此在N区和P区之间形成耗尽区；将少数载流子从与耗尽区相对的N区和P区的部分吸引至少数载流子沟槽；接收光子并形成载流子对；在耗尽区中增强载流子对以产生可检测的电流；终止电流；以及对N区和P区重偏置。

CA指定的方法包括C指定的方法，其中在第一少数载流子沟槽处的是嵌入至光电二极管的N区中的浅P型区。

CB指定的方法包括C或CA指定的方法，其中第一少数载流子沟槽电连接至光电二极管的N区。

CC指定的方法包括C、CA或CB指定的方法，其中第一少数载流子沟槽嵌入至与耗尽区相对的光电二极管的N区的部分中。

CD指定的方法包括C、CA、CB或CC指定的方法，其中第二少数载流子沟槽是嵌入至光电二极管的P区中的N型区。

CE指定的方法包括CD指定的方法，其中第二少数载流子沟槽电连接至光电二极管的P区。

CF指定的方法包括CD或CE指定的方法，其中第一少数载流子沟槽嵌入至与耗尽区相对的光电二极管的P区的部分中。

在不脱离其范围的情况下，可以对上述方法和系统做出改变。因此，应该注意的是，在上述描述中包含的或在附图中示出的方式，应该被理解为说明性的且不具有限制意义。所附权利要求旨在覆盖在此描述的所有共用和特定特征，以及本方法和本系统的范围的在语言上的所有声明应被认为落入其间。