用于过偏置监测的SPAD器件制造技术

SPAD器件包括具有击穿电压的单光子雪崩二极管(AD7)和另外的单光子雪崩二极管(AD9)，这些单光子雪崩二极管集成在同一器件中。击穿电压相等或相差小于10％。单光子雪崩二极管(AD7)配置为能够引起触发或具有比所述另外的单光子雪崩二极管(AD9)的暗计数率高的暗计数率。

SPAD device for over bias monitoring

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于过偏置监测的SPAD器件本公开涉及单光子雪崩二极管。单光子雪崩二极管(SPAD)是具有p-n结的半导体器件。反向偏置用于增加耗尽区的宽度。当提供反向偏置的工作电压以所谓的过偏置电压超过p-n结的击穿电压时，注入到耗尽层中的单个电荷载流子触发自持雪崩。除非工作电压降至击穿电压或更低，否则电流迅速上升。雪崩由电子和空穴对引发，电子和空穴对由来自光源的光子或由正向偏置的p-n结产生。击穿电压随温度而变化，并且由于制造过程的公差，在同一温度下各个器件的击穿电压可能不同。重要的是通过合适的电路控制过偏置电压，这是因为包括光子检测概率PDP、暗计数率DCR、后脉冲概率、串扰概率、定时抖动和电容的单光子雪崩二极管的所有关键参数均取决于过偏置电压。需要低的暗计数率，但是它导致缓慢的触发并且可能因此阻止对过偏置电压的无延迟的控制。能够通过使用光源照射单光子雪崩二极管来实现用于校正的快速触发，但是光源可能不容易用于一些类型的应用。本专利技术的目的是提出一种单光子雪崩二极管器件，其允许在相对低的温度和黑暗中快速测量击穿电压。该目的通过根据权利要求1的SPAD器件来实现。实施例源自从属权利要求。除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。SPAD器件包括具有击穿电压的单光子雪崩二极管和另外的单光子雪崩二极管，这些单光子雪崩二极管集成在同一器件中，击穿电压相等或相差小于10％，特别是小于2.5％。单光子雪崩二极管配置为能够引发触发或具有比另外的单光子雪崩二极管的暗计数率高的暗计数率。特别地，单光子雪崩二极管设置用于调节或控制过偏置电压，同时另外的单光子雪崩二极管设置用于检测辐射。单光子雪崩二极管和另外的单光子雪崩二极管配置为交替工作。在SPAD器件的实施例中，单光子雪崩二极管具有暗计数率，另外的单光子雪崩二极管具有另外的暗计数率，至少在低于25℃的一个温度下，暗计数率是另外的暗计数率的至少100倍。在SPAD器件的另外的实施例中，单光子雪崩二极管的p-n结形成包括发射极区、基极区和集电极区的双极晶体管的结构的基极-集电极结。双极晶体管配置为以高于击穿电压的反向集电极-基极电压工作。特别地，双极晶体管是垂直双极晶体管。在垂直双极晶体管的工作期间，经过基极区的电流沿垂直于半导体衬底的主表面或器件的晶圆的方向流动。另外，电流流动可以具有平行于主表面的横向分量。在另外的实施中，猝熄部件与基极或集电极电连接，并且开关电路配置为将正向偏置施加到基极-发射极结。另外的实施例包括：半导体材料的衬底；第一导电类型的浅阱，其位于衬底中的相反的第二导电类型的深阱中；深阱和浅阱形成单光子雪崩光电二极管的p-n结。第二导电类型的结形成区布置在浅阱下方的深阱中。在p-n结处，结形成区的掺杂浓度比结形成区外部的深阱的掺杂浓度高。另外的单光子雪崩二极管包括第一导电类型的另外的浅阱，其位于深阱中或位于衬底中的相反的第二导电类型的另外的深阱中，另外的浅阱与深阱或另外的深阱形成另外的p-n结。另外的结形成区布置在另外的浅阱的下方，另外的结形成区具有第二导电类型的掺杂浓度，在另外的p-n结处，所述掺杂浓度比另外的结形成区外部的深阱或另外的深阱的掺杂浓度高。单光子雪崩二极管和另外的单光子雪崩二极管能够布置在同一深阱中。p-n结和另外的p-n结的面积可以相同或相差最多2倍。介电材料的可选的覆盖层可以布置在结形成区上方的浅阱上。在该实施例中，浅阱区布置在浅阱中，浅阱区具有比浅阱区外部的浅阱的掺杂浓度高的掺杂浓度。浅阱和浅阱区占用不同大小的衬底表面的面积。另外的浅阱区布置在另外的浅阱中，另外的浅阱区具有比另外的浅阱区外部的另外的浅阱的掺杂浓度高的掺杂浓度。另外的实施例包括浅阱的外围区，所述外围区横向延伸超过结形成区。特别地，外围区可以不被浅阱区覆盖。另外的实施例包括浅阱区中的开口，所述开口布置在结形成区的上方。开口可以包括分离的部分。另外的实施例包括多晶硅层，其布置在浅阱上方和结形成区的上方，特别是布置在浅阱区中开口的上方。覆盖层凹陷在硅化物层下方。另外的实施例包括第二导电类型的高掺杂区，其位于结形成区上方的浅阱中，距离p-n结一定距离。高掺杂区、浅阱和结形成区分别形成双极晶体管的结构的发射极区、基极区和集电极区。另外的实施例包括深阱接触区，其位于深阱中，深阱接触区具有比深阱的掺杂浓度高的掺杂浓度。另外的实施例包括分离的接触层，布置在深阱接触区上和浅阱区上。在另外的实施例中，布置在浅阱区上的接触层覆盖至少80％的结形成区。在另外的实施例中，浅阱区不覆盖整个结形成区，并且另外的浅阱区布置在整个另外的结形成的区的上方。以下是结合附图对SPAD器件的示例的详细描述。图1是具有高的暗计数率的单光子雪崩二极管的局部横截面。图2是具有高的暗计数率的另外的单光子雪崩二极管的局部横截面。图3是根据图1的单光子雪崩二极管的局部横截面，其在浅阱区具有开口。图4是根据图2的单光子雪崩二极管的局部横截面，其在减小的浅阱区具有开口。图5是根据图3的单光子雪崩二极管的局部横截面，其具有多晶硅层。图6是根据图3的单光子雪崩二极管的局部横截面，其在浅阱区上具有延伸的硅化物层。图7是单光子雪崩二极管的局部横截面，其在浅阱中具有相反的掺杂区。图8是根据图7的截面，其在浅阱区的开口中具有相反的掺杂区。图9是用于根据图7或图8的单光子雪崩二极管的电路图。图10是用于根据图7或图8的单光子雪崩二极管的可替代电路图。图11是具有低的暗计数率的单光子雪崩二极管的局部横截面。图12是包括布置在同一深阱中的具有低的暗计数率和高的暗计数率的单光子雪崩二极管的器件的局部横截面。图1是具有相对高暗计数率的单光子雪崩二极管AD1的局部横截面。单光子雪崩二极管AD1不需要是对称的，但可以包括对称。通过对称轴线S作为示例在图中示出旋转对称。其它附图示出单光子雪崩二极管的同一部分，使得实施例之间的差异明显。单光子雪崩二极管AD1包括半导体材料构成的衬底1，例如，半导体材料可以是硅。衬底1中的掺杂区具有第一导电类型或相反的第二导电类型。如通过示例在图中示出，第一导电类型可以是p型导电，所以第二导电类型是n型导电。导电类型可以颠倒。高到足以在半导体材料上形成欧姆接触的任一导电类型的掺杂浓度分别由p+和n+表示。衬底1可以是本征掺杂的或具有第一导电类型的低掺杂浓度。在衬底1的主表面10处，第一导电类型的浅阱3位于第二导电类型的深阱2中。在深阱2和浅阱3之间形成p-n结30。在深阱2的横向边界达到衬底表面10的地方可以有隔离区4，例如，隔离区可以是浅槽隔离。局部地阻止半导体材料的硅化的介电材料的覆盖层5可以位于衬底表面10上。覆盖层5可以是半导体材料的氧化物，特别是例如氮化硅、二氧化硅或氮化硅和氧化硅的组合物。如果需要衬底1的电连接，可以设置衬底接触区6，其对第一导电类型具有高掺杂浓度。衬底接触区6形成在衬本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SPAD器件，其包括：/n单光子雪崩二极管(AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7、AD8)，其具有击穿电压，/n另外的单光子雪崩二极管(AD9)，其具有另外的击穿电压，所述另外的单光子雪崩二极管(AD9)与所述单光子雪崩二极管(AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7、AD8)集成，所述击穿电压等于所述另外的击穿电压或与所述另外的击穿电压相差小于10％，并且/n所述单光子雪崩二极管(AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7、AD8)配置为能够引起触发或具有比所述另外的单光子雪崩二极管(AD9)的暗计数率高的暗计数率。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170726 EP 17183326.21.一种SPAD器件，其包括：
单光子雪崩二极管(AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7、AD8)，其具有击穿电压，
另外的单光子雪崩二极管(AD9)，其具有另外的击穿电压，所述另外的单光子雪崩二极管(AD9)与所述单光子雪崩二极管(AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7、AD8)集成，所述击穿电压等于所述另外的击穿电压或与所述另外的击穿电压相差小于10％，并且
所述单光子雪崩二极管(AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7、AD8)配置为能够引起触发或具有比所述另外的单光子雪崩二极管(AD9)的暗计数率高的暗计数率。


2.根据权利要求1所述的SPAD器件，还包括：
所述单光子雪崩二极管(AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6)具有暗计数率，
所述另外的单光子雪崩二极管(AD9)具有另外的暗计数率，并且
至少在低于25℃的一个温度下，所述暗计数率是所述另外的暗计数率的至少100倍。


3.根据权利要求1所述的SPAD器件，还包括：
单光子雪崩二极管(AD7、AD8)的p-n结(30)形成双极晶体管的结构的基极-集电极结，所述双极晶体管包括发射极区、基极区和集电极区，所述双极晶体管配置为以高于击穿电压(BV)的反向集电极-基极电压(VCB)工作。


4.根据权利要求3所述的SPAD器件，还包括：
与基极(B)或集电极(C)电连接的猝熄部件(Q)，以及
配置为将正向偏置施加到基极-发射极结的开关电路(S1、S2、S3)。


5.根据权利要求1至4之一所述的SPAD器件，其中，所述击穿电压与所述另外的击穿电压在25℃的温度下相差小于2.5％。


6.根据权利要求1至5之一所述的SPAD器件，其中，所述单光子雪崩二极管(AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7、AD8)设置用于调节或控制过偏置电压，
所述另外的单光子雪崩二极管(AD9)设置用于检测辐射，并且
所述单光子雪崩二极管(AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7、AD8)和所述另外的单光子雪崩二极管(AD9)配置为交替工作。


7.根据权利要求1至6之一所述的SPAD器件，还包括：
半导体材料的衬底(1)，
所述单光子雪崩二极管(AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7、AD8)包括
第一导电类型的浅阱(3)，其位于所述衬底(1)中相反的第二导电类型的深阱(2)中，所述深阱(...

【专利技术属性】
技术研发人员：格奥尔格·勒雷尔，罗伯特·卡佩尔，内纳德·利利奇，
申请(专利权)人：AMS有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT