光子雪崩二极管及其制造方法技术

本公开的各实施例涉及光子雪崩二极管及其制造方法。光子雪崩二极管包括：半导体本体，具有第一侧以及与第一侧相对的第二侧；第一导电类型的初级掺杂区域，在半导体本体的第一侧处；与第一导电类型相对的第二导电类型的初级掺杂区域，在半导体本体的第二侧处；第二导电类型的增强区域，在第一导电类型的初级掺杂区域下方并且与第一导电类型的初级掺杂区域邻接，该增强区域与第一导电类型的初级掺杂区域一起形成有源pn结；以及第一导电类型的收集区域，被插入在增强区域与第二导电类型的初级掺杂区域之间，并且被配置为将在收集区域或第二导电类型的初级掺杂区域中产生的光载流子朝向增强区域传输。

【技术实现步骤摘要】
光子雪崩二极管及其制造方法
技术介绍
单光子雪崩二极管(SPAD)具有高的光检测灵敏度和增益，并且允许非常快速的读出。SPAD可以按阵列被布置以形成硅光电倍增管，并且被用于应用(诸如，LiDAR(光检测和测距)、距离检测传感器、飞行时间(ToF)摄像机、闪烁体读出(诸如，正电子发射断层扫描(PET)、时间分辨发光读出、气体感测、生物分子感测)等)中。然而，对于以Si技术制造的SPAD传感器，近红外波长光谱中的光子检测效率很差。Si在这种波长下具有很大的吸收深度。同样地，基于Si的SPAD通常被用于绿色短波长范围应用中，很少在近红外波长应用(诸如，905nm处的LiDAR、850nm或940nm处的ToF等)中使用。SPAD的另一个限制是紧凑性。较大的SPAD间距(尺寸)会导致较小的动态范围(较大的死区时间和较高的暗计数率)和较低的空间分辨率。然而，SPAD通常在高电压下操作，这需要边缘终止结构以用于适当的隔离。由于边缘终止效应，将传感器尺寸减小到约5μm或更小的间距导致SPAD光子检测效率的重大损失。较大的SPAD间距(尺寸)导致灵敏度降低。因此，需要改进的SPAD单元设计和相关的制造方法。
技术实现思路
根据光子雪崩二极管的实施例，该光子雪崩二极管包括：半导体本体，具有第一侧以及与第一侧相对的第二侧；第一导电类型的初级掺杂区域，在半导体本体的第一侧处；与第一导电类型相对的第二导电类型的初级掺杂区域，在半导体本体的第二侧处；第二导电类型的增强区域，在第一导电类型的初级掺杂区域的下方并与第一导电类型的初级掺杂区域邻接，该增强区域与第一导电类型的初级掺杂区域一起形成有源pn结；以及第一导电类型的收集区域，被插入在增强区域与第二导电类型的初级掺杂区域之间，并且被配置为将在收集区域或第二导电类型的初级掺杂区域中产生的光载流子朝向增强区域传输。根据光子雪崩二极管的另一个实施例，该光子雪崩二极管包括：半导体本体；第一二极管、第二二极管和第三二极管，被形成在半导体本体中，第二二极管是光电二极管；主阴极端子，被连接到第一二极管的阴极；主阳极端子，被连接到第三二极管的阳极；辅助阴极端子，被连接到第三二极管的阴极以及被连接到第二二极管的阴极；以及辅助阳极端子，被连接到第一二极管的阳极以及被连接到第二二极管的阳极，其中主阳极端子被电气地连接到地或参考电位，其中主阴极端子被电气地连接到导致在半导体本体内形成光载流子倍增区域的电压，其中辅助阳极端子被电气地连接到地或被电气地连接到读出电路，其中辅助阴极端子被电气地连接到恒定的偏置电压，该恒定的偏置电压小于被施加到主阴极端子的电压。根据一种制造光子雪崩二极管的方法的实施例，该方法包括：在半导体本体的第一侧处形成第一导电类型的初级掺杂区域；在与第一侧相对的半导体本体的第二侧处形成与第一导电类型相对的第二导电类型的初级掺杂区域；在第一导电类型的初级掺杂区域下方并且与第一导电类型的初级掺杂区域邻接，形成第二导电类型的增强区域，该增强区域与第一导电类型的初级掺杂区域一起形成有源pn结；以及形成第一导电类型的收集区域，第一导电类型的收集区域被插入在增强区域和第二导电类型的初级掺杂区域之间，并且被配置为将在收集区域或第二导电类型的初级掺杂区域中产生的光载流子朝向增强区域传输。本领域技术人员在阅读以下详细描述并在查看附图时将认识到其它特征和优点。附图说明附图的元件不必相对于彼此成比例。相同的参考标记表示对应的相似部分。各种所示实施例的特征可以被组合，除非它们彼此排斥。在附图中描绘了实施例并且在下面的描述中详细描述了实施例。图1A示出了单光子雪崩二极管(SPAD)的实施例的局部横截面图。图1B示出了图1A所示的SPAD的部分内的电场电势分布。图2A示出了SPAD的另一个实施例的局部平面图。图2B示出了图2A中的SPAD的、沿着被标记为A-A’的线的局部横截面图。图3示出了图1和图2A-2B中所示的具有读出电路的SPAD的电路示意图。图4至图7示出了图3中所示的读出电路的不同实施例的相应的电路示意图。图8A和8B示出了制造在图2A和2B中所示的SPAD的实施例的局部横截面图。具体实施方式所描述的实施例提供了一种具有收集区域的单光子雪崩二极管(SPAD)，在该收集区域中收集了光载流子(诸如，光电子或光穴)并且将其导向SPAD的倍增区域。在收集区域上方并且在器件的初级(阴极或阳极)掺杂区域中的一个初级掺杂区域与相对的导电类型的增强区域之间形成的倍增区域包括引起倍增的击穿机制。收集区域将在SPAD结构中较深产生的光载流子引导向上朝向倍增区域，从而提高了较长波长光的效率。SPAD还可以包括导电类型与增强区域相同的辅助(虚拟)掺杂区域，并且该辅助(虚拟)掺杂区域形成与增强区域邻接的SPAD的初级掺杂区域的对电极。与增强区域相同的导电类型的辅助掺杂区域(例如，通过具有与增强区域相对的导电类型的辅助掺杂区域，该辅助掺杂区域的偏压不同于与增强区域邻接的初级掺杂区域的偏压)与邻接增强区域的SPAD的初级掺杂区域电气地隔离。与增强区域相同的导电类型的辅助掺杂区域的电势不一定是固定的。例如，与增强区域相同的导电类型的辅助掺杂区域可以具有可变电势并且被用作读出端子/电极。接下来更详细地描述SPAD单元设计和制造SPAD的方法的各种实施例。在本文上下文中，初级阴极区域被示出在SPAD的一侧处，初级阳极区域处于SPAD的相对侧处，增强区域与初级阴极区域邻接，以及收集区域将增强区域和初级阴极区域与初级阳极区域分离。然而，初级阴极区域和初级阳极区域的位置可以被切换/反转。即，增强区域可以替代地邻接在SPAD的一侧处的初级阳极区域，并且收集区域可以替代地将增强区域和初级阳极区域与初级阴极区域分离。因此，取决于初级阴极区域和初级阳极区域的位置，短语“第一导电类型的初级掺杂区域”可以指初级阴极区域或初级阳极区域，并且短语“第二导电类型的初级掺杂区域”是指器件(阳极/阴极)的另一个初级掺杂区域。图1A示出了SPAD100的实施例的局部横截面图。SPAD100包括半导体本体102，具有第一侧104以及与第一侧104相对的第二侧106。在半导体本体102的第一侧104处形成第一导电类型的初级阴极(C)区域108。在半导体本体102的第二侧106处形成与第一导电类型相对的第二导电类型的初级阳极(A)区域110。在一个实施例中，半导体本体102是Si本体，第一导电类型是n型，第二导电类型是p型。Si本体102可以包括基础Si衬底和在基础Si衬底上生长的一个或多个外延层。其它类型的半导体材料可以被用于半导体本体102。第二导电类型(例如，p型)的增强区域112被形成在初级阴极区域108的下方并且邻接初级阴极区域108。第一导电类型(例如，n型)的收集区域114被插入在增强区域112与初级阳极区域110之间。收集区域114比初级阴极区域108、初级阳极区域110和增强区域112更弱地掺杂。收集区域114被配置为将在收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光子雪崩二极管，包括：/n半导体本体，具有第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧；/n第一导电类型的初级掺杂区域，在所述半导体本体的所述第一侧处；/n与所述第一导电类型相对的第二导电类型的初级掺杂区域，在所述半导体本体的所述第二侧处；/n所述第二导电类型的增强区域，在所述第一导电类型的所述初级掺杂区域下方并且与所述第一导电类型的所述初级掺杂区域邻接，所述增强区域与所述第一导电类型的所述初级掺杂区域一起形成有源pn结；以及/n所述第一导电类型的收集区域，被插入在所述增强区域与所述第二导电类型的所述初级掺杂区域之间，并且被配置为将在所述收集区域或所述第二导电类型的所述初级掺杂区域中产生的光载流子朝向所述增强区域传输。/n

【技术特征摘要】
20200213 US 16/789,7301.一种光子雪崩二极管，包括：
半导体本体，具有第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧；
第一导电类型的初级掺杂区域，在所述半导体本体的所述第一侧处；
与所述第一导电类型相对的第二导电类型的初级掺杂区域，在所述半导体本体的所述第二侧处；
所述第二导电类型的增强区域，在所述第一导电类型的所述初级掺杂区域下方并且与所述第一导电类型的所述初级掺杂区域邻接，所述增强区域与所述第一导电类型的所述初级掺杂区域一起形成有源pn结；以及
所述第一导电类型的收集区域，被插入在所述增强区域与所述第二导电类型的所述初级掺杂区域之间，并且被配置为将在所述收集区域或所述第二导电类型的所述初级掺杂区域中产生的光载流子朝向所述增强区域传输。


2.根据权利要求1所述的光子雪崩二极管，其中所述半导体本体是Si本体，其中所述第一导电类型是n型，其中所述第二导电类型是p型，其中所述第一导电类型的所述初级掺杂区域是所述光子雪崩二极管的初级阴极区域，并且其中所述第二导电类型的所述初级掺杂区域是所述光子雪崩二极管的初级阳极区域。


3.根据权利要求1所述的光子雪崩二极管，还包括：
所述第二导电类型的辅助掺杂区域，在所述半导体本体的所述第一侧处并且与所述第一导电类型的所述初级掺杂区域横向地间隔开，
其中所述第二导电类型的所述辅助掺杂区域通过所述收集区域与所述第二导电类型的所述初级掺杂区域竖直地分离。


4.根据权利要求3所述的光子雪崩二极管，还包括：
所述第一导电类型的辅助掺杂区域，在所述半导体本体的所述第一侧处，
其中所述第二导电类型的所述辅助掺杂区域被横向地插入在所述第一导电类型的所述辅助掺杂区域与所述半导体本体的所述第一侧处的所述第一导电类型的所述初级掺杂区域之间。


5.根据权利要求4所述的光子雪崩二极管，其中所述第二导电类型的所述辅助掺杂区域被电气地连接到地或被电气地连接到读出电路，其中所述第一导电类型的所述辅助掺杂区域被电气地连接到耗尽所述收集区域的恒定的偏置电压，使得所述第二导电类型的所述辅助掺杂区域与所述第二导电类型的所述初级掺杂区域电气地隔离，其中所述第一导电类型的所述初级掺杂区域被电气地连接到一电压，所述电压导致在所述第一导电类型的所述初级掺杂区域与所述增强区域之间形成高电场倍增区域，并且其中所述倍增区域被配置为：完全地耗尽所述增强区域，并且当单个电子进入所述倍增区域时，所述倍增区域进入雪崩倍增。


6.根据权利要求3所述的光子雪崩二极管，还包括读出电路，所述读出电路被电气地连接到所述第二导电类型的所述辅助掺杂区域，并且被配置为在雪崩事件之后、在所述增强区域与所述第一导电类型的所述初级掺杂区域之间的结电容的再充电期间，检测从所述第一导电类型的所述初级掺杂区域流到所述第二导电类型的所述辅助掺杂区域的电流。


7.根据权利要求6所述的光子雪崩二极管，其中无源猝灭被施加到所述第一导电类型的所述初级掺杂区域，并且其中所述读出电路包括电荷积分电路或跨阻放大器。


8.根据权利要求6所述的光子雪崩二极管，其中有源猝灭或无源猝灭被施加到所述第二导电类型的所述辅助掺杂区域，并且其中所述读出电路具有数字脉冲输出。


9.根据权利要求3所述的光子雪崩二极管，其中所述第二导电类型的所述辅助掺杂区域具有可变电势。


10.根据权利要求3所述的光子雪崩二极管，还包括：
所述第二导电类型的柱状区域，所述第二导电类型的所述柱状区域从所述第二导电类型的所述初级掺杂区域竖直地延伸，并且将所述收集区域横向地限制在所述增强区域下方，
其中所述第二导电类型的所述辅助掺杂区域与所述柱状区域电气地隔离。


11.根据权利要求3所述的光子雪崩二极管，还包括：
电介质隔离，在所述第一导电类型的所述初级掺杂区域与所述半导体本体的所述第一侧处的所述第二导电类型的所述辅助掺杂区域之间，
其中所述增强区域的掺杂浓度在所述增强区域的、邻近于所述电介质隔离和所述第一导电类型的所述初级掺杂区域相遇的位置的区域中减小。


12.一种光子雪崩二极管，包括：
半导体本体；
第一二极管、第二二极管和第三二极管，被形成在所述半导体本体中，所述第二二极管是光电二极管；
主阴极端子，被连接到所述第一二极管的所述阴极；
主阳极端子，被连接到所述第三二极管的所述阳极；
辅助阴极端子，被...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·菲克，
申请(专利权)人：英飞凌科技德累斯顿公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE