单光子雪崩二极管和用于操作单光子雪崩二极管的方法技术

本公开涉及单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，包括：半导体衬底(1)，其具有体区域(10)；在半导体衬底的体区域处的至少一个SPAD(2)，SPAD具有倍增结区域(20)；以及操作电路(3)，被配置为生成用于将光生载流子从半导体衬底的体区域传输到SPAD的倍增结区域的电传输场。本公开还涉及用于操作SPAD的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】单光子雪崩二极管和用于操作单光子雪崩二极管的方法
本公开总体上涉及一种单光子雪崩二极管(SPAD)和一种用于操作单光子雪崩二极管的方法。具体而言，本公开涉及一种电流辅助单光子雪崩二极管(CASPAD)和一种用于操作电流辅助单光子雪崩二极管的方法。
技术介绍
通常，众所周知单光子雪崩二极管(也称为SPAD)。典型地，SPAD具有检测入射辐射的p-n结，并且以所谓的盖革模式工作，即，电压显著高于单光子雪崩二极管的击穿电压，也称为雪崩电压。对于已知的SPAD，光子检测效率的增加可以与暗计数率的增加和时间分辨率的降低中的至少一个相关联。因此，通常希望提供一种单光子雪崩二极管和一种操作单光子雪崩二极管的方法，其中，光子检测效率的增加对单光子雪崩二极管的暗计数率和时间分辨率只有很小的影响或者甚至没有影响。
技术实现思路
根据第一方面，本公开提供了一种单光子雪崩二极管检测器(SPAD)，包括：半导体衬底，其具有体区域；在半导体衬底的体区域处的至少一个SPAD，所述SPAD具有倍增结区域(junctionmultiplicationregion)；以及操作电路，其被配置为生成用于将光生载流子从半导体衬底的体区域传输到SPAD的倍增结区域的电传输场。根据第二方面，本公开提供了一种用于操作SPAD检测器的方法，所述SPAD检测器包括：半导体衬底，其具有体区域；以及在半导体衬底的体区域处的至少一个SPAD，所述SPAD具有倍增结区域；所述方法包括：生成用于将光生载流子从半导体衬底的体区域传输到SPAD的倍增结区域的电传输场。根据第三方面，本公开提供了一种飞行时间深度感测系统，包括：光源；以及根据第一方面的单光子雪崩二极管(SPAD)检测器。在从属权利要求、附图和以下描述中阐述了进一步的方面。附图说明参考附图通过示例的方式解释实施方式，其中：图1示出雪崩光电检测器的一般示例；图2a示出了用于在盖革模式下操作雪崩光电检测器的电路；图2b示出了用于在雪崩模式下操作雪崩光电检测器的电路；图3示出了根据第一实施方式的SPAD检测器的示意性剖视图；图4示出了根据第一实施方式的SPAD检测器的示意性平面图；图5示出了根据第一实施方式的用于操作SPAD检测器的方法的流程图；图6示出了根据第二实施方式的SPAD检测器的示意性剖视图；图7示出了根据第二实施方式的SPAD检测器的示意性平面图；图8示出了根据第三实施方式的SPAD检测器的示意性剖视图；图9示出了根据第三实施方式的用于操作SPAD检测器的方法的流程图；图10示出了根据第四实施方式的SPAD检测器的示意性剖视图。图11示出了SPAD检测器的实施方式，其中，传输施加区域和抽头区域彼此相邻；图12示出了图11的SPAD检测器的俯视图；图13示出了图11的实施方式的变型，其中，抽头区域包括较高掺杂水平区域和较低掺杂水平区域；图14示出了图11的实施方式的另一变型，其中，抽头区域包括较高掺杂水平区域和较低掺杂水平区域；以及图15示出了飞行时间深度感测系统。具体实施方式在给出参考图3至图14的实施方式的详细描述之前，进行一般性解释。单光子雪崩二极管(SPAD)检测器包括具有体区域的半导体衬底。半导体衬底可以具有正面和与正面相对的背面，其中，体区域介于正面和背面之间。正面可以平行于背面。SPAD检测器还包括在半导体衬底的体区域(特别是在半导体衬底的正面)的至少一个SPAD。SPAD可以嵌入正面，并且可以与半导体衬底的正面一起形成公共平面。SPAD具有倍增结区域，该倍增结区域被配置为执行由光生少数载流子(例如，光生电子或光生空穴)触发的倍增过程，并且用于检测光生少数载流子。倍增结区域可以在半导体衬底的体区域处，特别是在半导体衬底的正面。SPAD的倍增结区域可以是第一导电类型(例如，n掺杂区域或p掺杂区域)的掺杂区域，例如，高掺杂区域。倍增结区域可以包括第一导电类型的掺杂阱，例如，n阱或p阱。此外，倍增结区域可以包括第一导电类型的深掺杂阱，其定位成与掺杂阱的背面接触，掺杂阱的背面朝向半导体衬底的背面。深掺杂阱可以具有比掺杂阱更高的掺杂。SPAD检测器还包括操作电路，该操作电路被配置为生成电传输场，用于将光生载流子(特别是光生少数载流子)从半导体衬底的体区域传输到SPAD的倍增结区域。电传输场可以同时导致多数载流子电流流向体区域。在一些实施方式中，电传输场可以是面内电场和垂直平面电场中的至少一个。面内电场可以定向成平行于半导体衬底的正面。垂直平面电场可以定向成垂直于半导体衬底的正面。在一些实施方式中，SPAD可以还包括用于向SPAD施加电读出场的读出区域。SPAD的读出区域可以在半导体衬底的体区域，特别是在半导体衬底的正面。SPAD的读出区域可以是不同于第一导电类型的第二导电类型的掺杂区域，例如，高掺杂区域。当第一导电类型是n型时，第二导电类型可以是p型。当第一导电类型是p型时，第二导电类型可以是n型。读出区域可以包括第二导电类型的掺杂阱，例如，p阱或n阱。此外，读出区域可以包括第二导电类型的深掺杂阱，其定位成与第一掺杂阱的背面接触，掺杂阱的背面朝向半导体表面的背面。SPAD还可以包括面内传输场施加区域，用于施加电传输场，特别是面内电传输场。面内传输场施加区域可以位于半导体衬底的体区域，特别是半导体衬底的正面。面内传输场施加区域可以是与读出区域的导电类型相同的第二导电类型的掺杂区域，例如，高掺杂区域。面内传输场施加区域可以包括第二导电类型的掺杂阱，例如，p阱或n阱。面内传输场施加区域的掺杂浓度可以与读出区域的掺杂浓度相当。半导体衬底可以是外延半导体衬底。半导体衬底可以包括或由硅、锗、镓和其他半导体材料中的至少一种组成。半导体衬底可以是未掺杂半导体衬底或第二导电类型的掺杂半导体衬底，例如，轻掺杂半导体衬底。掺杂半导体衬底的掺杂浓度可以比读出区域和面内传输场施加区域的掺杂浓度小得多。SPAD的倍增结区域可以在从0.1μm2至10μm2、优选0.5μm2至5μm2的区域中具有平行于半导体衬底正面的面积。优选地，平行于半导体衬底正面的面积可以是1μm2。所述区域规范仅具有示例性特征。因此，倍增结区域小于传统的SPAD的倍增结区域。为了生成面内电传输场，操作电路可以被配置为在读出区域和面内传输场施加区域之间施加传输电压。例如，操作电路可以经由导线分别与读出区域和面内传输场施加区域连接。在一些实施方式中，SPAD可以还包括保护区域。保护区域可以位于体区域，特别是半导体衬底的正面。保护区域可以在倍增结区域与读出区域和面内传输场施加区域中的至少一个之间。保护区域可以接触倍增结区域以及读出区域和面内传输场施加区域中的至少一个。保护区域可以是导电类型与倍增结区域的导电类型相同的第一导电类型的掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，包括：/n半导体衬底，具有体区域；/n至少一个单光子雪崩二极管，位于所述半导体衬底的所述体区域处，所述单光子雪崩二极管具有倍增结区域；以及/n操作电路，被配置为生成用于将光生载流子从所述半导体衬底的所述体区域传输到所述单光子雪崩二极管的所述倍增结区域的电传输场。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170626 EP 17177891.31.一种单光子雪崩二极管(SPAD)检测器，包括：
半导体衬底，具有体区域；
至少一个单光子雪崩二极管，位于所述半导体衬底的所述体区域处，所述单光子雪崩二极管具有倍增结区域；以及
操作电路，被配置为生成用于将光生载流子从所述半导体衬底的所述体区域传输到所述单光子雪崩二极管的所述倍增结区域的电传输场。


2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，所述电传输场是面内电场和垂直平面电场中的至少一个。


3.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，所述单光子雪崩二极管还包括：
读出区域，用于将所述单光子雪崩二极管连接到地；以及
面内传输场施加区域，用于施加所述电传输场。


4.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，所述单光子雪崩二极管还包括保护区域。


5.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，
所述倍增结区域和读出区域中的一个是中空圆柱形区域，并且面内传输场施加区域是圆柱形区域。


6.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，读出区域、面内传输场施加区域和所述倍增结区域中的至少一个是中空圆柱形区域。


7.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，所述半导体衬底还包括垂直平面传输场施加区域。


8.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，所述操作电路被配置为生成用于产生由光生载流子触发的雪崩的电读出场。


9.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，所述电传输场是恒定的。


10.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管检测器，还包括另一单光子雪崩二极管，其中，所述操作电路被配置为交替地操作所述单光子雪崩二极管和所述另一单光子雪崩二极管。


11.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，所述单光子雪崩二极管检测器是光子混合器。


12.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，所述倍增结区域与抽头区域邻近，所述抽头区域形成所述单光子雪崩二极管的阴极或阳极。


13.根据权利要求12所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，所述抽头区域是n掺杂的或p掺杂的。


14.根据权利要求12所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，所述抽头区域包括n阱或p阱。


15.根据权利要求14所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，所述n阱或p阱具有倒掺杂。


16.根据权利要求15所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，所述n阱或p阱具有低掺杂区域和高掺杂区域。


17.根据权利要求16所述的单光子雪崩二极管检测器，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·范·纽文霍夫，沃德·范·德·坦佩，马尔滕·奎克，哥宾纳·叶加纳森，
申请(专利权)人：索尼半导体解决方案公司，
类型：发明
国别省市：日本;JP