基于雪崩光电二极管的图像感测器制造技术

本文公开这样的装置，其包括：雪崩光电二极管(APD)阵列，APD中的每个包括吸收区和放大区；其中吸收区配置成从吸收区所吸收的光子产生载流子；其中所述吸收区包括硅外延层；其中所述放大区包括结，在该结中具有电场；其中电场处于足以导致进入放大区的载流子雪崩但不足以使雪崩自持的值；其中APD的结是离散的。

【技术实现步骤摘要】
基于雪崩光电二极管的图像感测器
本文的公开涉及图像感测器，特别涉及基于雪崩二极管的图像感测器。
技术介绍
图像感测器或成像感测器是可以检测辐射的空间强度分布的感测器。图像感测器通常通过电信号表示检测的图像。基于半导体器件的图像感测器可分为若干类型，其包括半导体电荷藕合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、N型金属氧化物半导体(NMOS)。CMOS图像感测器是使用CMOS半导体工艺制成的一类有源像素感测器。CMOS图像感测器中的像素上入射的光被转换成电压。电压数字化为代表该像素上入射的光的强度的离散值。有源像素感测器(APS)是图像感测器，其包括具有光电检测器和有源放大器的像素。CCD图像感测器包括像素中的电容器。当光入射在像素上时，光产生电荷并且这些电荷存储在电容器中。存储的电荷转换成电压并且电压数字化为代表该像素上入射的光的强度的离散值。
技术实现思路
本文公开这样的装置，其包括：雪崩光电二极管(APD)阵列，APD中的每个包括吸收区和放大区；其中吸收区配置成从吸收区所吸收的光子产生载流子；其中放大区包括结，在该结中具有电场；其中电场处于足以导致进入放大区的载流子雪崩但不足以使雪崩自持的值；其中APD的结是离散的。根据实施例，光子是软X射线光子。根据实施例，吸收区对于软X射线具有至少80％的吸收率。根据实施例，吸收区具有10微米或以上的厚度。根据实施例，吸收区包括硅。根据实施例，吸收区中的电场未高到足以在吸收区中导致雪崩效应。根据实施例，吸收区是本征半导体或具有小于1012掺杂剂/cm3的掺杂水准的半导体。根据实施例，APD中的至少一些的吸收区接合在一起。根据实施例，装置包括在吸收区的相对侧上的两个放大区。根据实施例，APD的放大区是离散的。根据实施例，结是p-n结或异质结。根据实施例，结包括第一层和第二层，其中该第一层是掺杂半导体并且第二层是重掺杂半导体。根据实施例，第一层具有1013至1017掺杂剂/cm3的掺杂水准。根据实施例，APD中的至少一些的第一层接合在一起。根据实施例，装置进一步包括分别与APD的第二层电接触的电极。根据实施例，装置进一步包括钝化材料，其配置成使吸收区的表面钝化。根据实施例，装置进一步包括电连接到吸收区的共用电极。根据实施例，结通过吸收区的材料、第一或第二层的材料、绝缘体材料或掺杂半导体的保护环而与相邻结的结分离。根据实施例，保护环是具有与第二层相同掺杂类型的掺杂半导体并且保护环不是重掺杂的。根据实施例，结进一步包括夹在第一与第二层之间的第三层；其中该第三层包括本征半导体。根据实施例，APD中的至少一些的第三层接合在一起。本文公开这样的系统，其包括上文的装置中的任一个和X射线源，其中配置该系统使得装置使用来自X射线源的穿过物体的X射线形成该物体的图像。根据实施例，系统组态成实施胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影、牙齿X射线放射摄影或乳房摄影。根据实施例，系统组态成实施电脑断层摄影。根据实施例，系统是显微镜。附图说明图1示意示出在APD采用线性模式时APD中的电流关于APD上入射的光的强度的函数和在APD采用Geiger模式时APD中的电流关于APD上入射的光的强度的函数。图2A、图2B和图2C示意示出根据实施例的APD的操作。图3A示意示出基于APD阵列的图像感测器的横截面。图3B示出图3A的图像感测器的变化形式。图3C示出图3A的图像感测器的变化形式。图3D示出图3A的图像感测器的变化形式。图4A-图4G示意示出制作图像感测器的方法。图5示意示出系统，其包括本文描述的图像感测器。图6示意示出X射线电脑断层摄影(X射线CT)系统。图7示意示出X射线显微镜。具体实施方式雪崩光电二极管(APD)是使用雪崩效应在暴露于光时产生电流的光电二极管。雪崩效应是这样的过程，其中材料中的自由载流子经受电场的强加速并且随后与材料的其他原子相碰由此使它们电离(碰撞电离)并且释放加速且与另外的原子相碰的额外载流子，从而释放更多载流子-连锁反应。碰撞电离是材料中一个高能载流子可以通过创建其他载流子而失去能量所凭藉的过程。例如，在半导体中，具有足够动能的电子(或空穴)可以将束缚电子撞出它的束缚态(在价带中)并且使它提升到处于导带中的状态，从而创建电子-空穴对。APD可采用Geiger模式或线性模式工作。当APD采用Geiger模式工作时，它可叫作单光子雪崩二极管(SPAD)(也称为Geiger模式APD或G-APD)。SPAD是在高于击穿电压的反向偏压下工作的APD。在这里单词“高于”意指反向偏压的绝对值大于击穿电压的绝对值。SPAD可用于检测低强度光(例如，下至单个光子)并且信号传递具有几十微微秒抖动的光子的达到时间。SPAD在高于p-n结的击穿电压的反向偏压(即，p-n结的p型区在比n型区还低的电势偏置)下采用p-n结的形式。p-n结的击穿电压是这样的反向偏压，p-n结中的电流出现高于该反向偏压的指数增加。因为APD中的电流与APD上入射的光的强度成比例，在低于击穿电压的反向偏压工作的APD采用线性模式操作。图1示意示出在APD采用线性模式操作时APD中的电流关于APD上入射的光的强度的函数112和在APD采用Geiger模式操作时(即，在APD是SPAD时)APD中的电流关于APD上入射的光的强度的函数111。在Geiger模式中，电流示出随著光强度非常急剧增加并且然后饱和。在线性模式中，电流基本上与光的强度成比例。图2A、图2B和图2C示意示出根据实施例的APD的操作。图2A示出在光子(例如，X射线光子)被吸收区210吸收时，可产生多个(对于X射线光子，100至10000个)电子-空穴对。吸收区210具有足够厚度并且从而对于入射光子具有足够吸收率(例如，>80％或>90％)。对于软X射线光子，吸收区210可以是具有10微米或以上厚度的硅层。吸收区210中的电场未高到足以在吸收区210中导致雪崩效应。图2B示出在与吸收区210相对方向上的电子和空穴漂移。图2C示出在电子(或空穴)进入放大区220时在放大区220中出现雪崩效应，由此产生更多电子和空穴。放大区220中的电场高到足以导致进入放大区220的载流子雪崩但并未高到导致雪崩效应自持。自持雪崩是在外部触发(例如APD上入射的光子或漂移到APD内的载流子)消失后继续存在的雪崩。放大区220中的电场可以是放大区220中的掺杂分布的结果。例如，放大区220可包括p-n结或异质结，其在它的耗尽区中具有电场。对于雪崩效应的阈值电场(即，高于该阈值电场出现雪崩效应并且低于该阈值电场则不出现雪崩效应)是放大区220的材料的性质。放大区220可以在吸收区210的一个或两个相对侧上。图3A示意示出基于APD350的阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，其包括：/n雪崩光电二极管(APD)阵列，所述APD中的每个包括吸收区和放大区；/n其中所述吸收区配置成从所述吸收区所吸收的光子产生载流子；/n其中所述吸收区包括硅外延层；/n其中所述放大区包括结，在所述结中具有电场；/n其中所述电场处于足以导致进入所述放大区的载流子雪崩但不足以使雪崩自持的值；/n其中所述APD的结是离散的。/n

【技术特征摘要】
1.一种装置，其包括：
雪崩光电二极管(APD)阵列，所述APD中的每个包括吸收区和放大区；
其中所述吸收区配置成从所述吸收区所吸收的光子产生载流子；
其中所述吸收区包括硅外延层；
其中所述放大区包括结，在所述结中具有电场；
其中所述电场处于足以导致进入所述放大区的载流子雪崩但不足以使雪崩自持的值；
其中所述APD的结是离散的。


2.如权利要求第1项的装置，其中所述吸收区中的电场未高到足以在所述吸收区中导致雪崩效应。


3.如权利要求第1项的装置，其中所述硅外延层具有小于1012掺杂剂/cm3的掺杂水准。


4.如权利要求第1项的装置，其中所述APD中的至少一些的吸收区接合在一起。


5.如权利要求第1项的装置，其中所述APD的放大区是离散的。


6.如权利要求第1项的装置，其中所述结是p-n结或异质结。

【专利技术属性】
技术研发人员：曹培炎，刘雨润，
申请(专利权)人：深圳帧观德芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44