一种低探测盲区雪崩二极管传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种低探测盲区雪崩二极管传感器，包括制备于传感器芯片上的

【技术实现步骤摘要】
一种低探测盲区雪崩二极管传感器


[0001]本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种基于特定控制检测电路布局方法的低探测盲区雪崩二极管传感器
。

技术介绍

[0002]雪崩二极管包括
APD
和
SPAD。
其中
APD
是雪崩光电二极管
(Avalanche Photodiode)
的缩写，
SPAD
是单光子雪崩二极管的首字母缩写
(Single Photon Avalanche Diode)。
[0003]如图1所示，
SPAD
的工作原理是将
SPAD
反向偏置于雪崩电压
Vbd
之上，使其发生雪崩现象，并通过该现象实现光信号的迅速放大
。
从而
SPAD
是一个被反向偏置的
PN
结
。
反向偏置电压的大小为在雪崩电压
Vbd
基础上再叠加一个过载电压
Vex。
于是，这个
PN
结就会工作于盖革
(Geiger)
模式
。
图1表示的是
SPAD
的3个工作状态
。
初期状态1是加了偏置电压后，
SPAD
进入了
OFF
状态
。
当该状态受到触发
(Trigger)
后产生雪崩击穿，于是
SPAD
进入了大电流的
ON
状态
2。
当
SPAD
工作于盖革模式时，光增益为百万数量级
。
该无限大的增益是由半导体内的碰撞离化现象
(impact ionization)
所产生的
。
该现象所产生的大电流虽然叫做击穿，但是由于大量的电子并不会破坏晶体结构，所以并没有器件的损伤
。
最后，这个大电流会降低
SPAD
的偏置电压，把
SPAD
带入到状态
3。
[0004]SPAD
在发生雪崩之后，二极管两端的电荷随着雪崩电流减小
。
把
SPAD
带入到状态3，这个过程是淬灭过程
。
淬灭结束后，需要再次把
SPAD
加上过电压
Vex
，这个过程是复位过程
。
通常，需要一个复位电路把
Vex
和
SPAD
进行连接
。
而这个复位电路可以有主动复位电路和被动复位电路
。
对于复位电路来说，在设计的时候需要考虑到淬灭功能，有时候也会根据设计需要加入淬灭电路
。
上述
(
可包含淬灭功能的
)
复位电路和对应
SPAD
的信号检出电路共同构成了
SPAD
的控制检测电路
AFE(Analog Front End)。
如图
2(a)、(b)
所示为
SPAD
的两种不同接法，信号既可以从负极
(Cathode)
接出来，也可以从正极
(Anode)
接出来
。
[0005]如图3所示为传统的
SPAD
和对应控制检测电路
(AFE)
的摆放方式
。
对于前照式
FSI(Front side illumination)
或者非像元级连接的背照式
BSI(Back side illumination)
工艺下的
SPAD
传感器来说，控制检测电路
(AFE)
需要和
SPAD
像元摆放在同一个芯片上
。
由于
SPAD
像元需要反向高压，所以
AFE
和
SPAD
之间需要有隔离区域
。
该隔离区域在像元尺寸大的时候
(
比如说
50um
或
30um
的时候
)
对于填充系数
Fill factor(SPAD
像元区域所占的面积相对于
SPAD
像元和控制电路所占面积和的比例系数
)
的影响较小
。
但是当像元的尺寸较小
(
比如说
15um
，
10um
甚至更小
)
的时候，会对
Fill factor
有较大影响，从而造成芯片面积的浪费，并严重影响光子的捕捉效率
。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，为了提高填充系数
Fill factor
，可以考虑将多个
SPAD
的
AFE
电路集中在一起摆放
。
但集中摆放可能会造成
AFE
单元过于聚集导致探测阵列中产生大面积的探测盲区，因此需要对集中摆放的
AFE
单元和
SPAD
进行排布
。
基于此，本专利技术提供了一种低
探测盲区雪崩二极管传感器，通过如下技术方案实现提高
SPAD
传感器芯片填充系数的同时降低探测盲区的技术目的：
[0007]一种低探测盲区雪崩二极管传感器，包括制备于传感器芯片上的
SPAD
像元二维阵列，所述
SPAD
像元二维阵列包括：
[0008]至少两个连续排布的
SPAD
像元构成的像元排布区；
[0009]用于集中摆放多个
SPAD
像元控制检测电路的
AFE
集中摆放区，所述
AFE
集中摆放区包括控制检测电路摆放区域和围绕所述控制检测电路摆放区域设置的隔离区域；
[0010]其中，所述像元排布区和
AFE
集中摆放区在阵列内周期性交替排布，且相邻
AFE
集中摆放区域的空间周期大于两个相邻像元中心的间距
。
[0011]在一些实施例中，所述
AFE
集中摆放区包括至少两种类型，不同类型的
AFE
集中摆放区内摆放不同类型的控制检测电路，并周期性交替排布
。
[0012]在一些实施例中，所述
AFE
集中摆放区包括两种类型，其中第一类
AFE
集中摆放区内摆放的控制检测电路采用主动淬灭
/
复位模式，第二类
AFE
集中摆放区内摆放的控制检测电路采用被动淬灭
/
复位模式
。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种低探测盲区雪崩二极管传感器，其特征在于，包括制备于传感器芯片上的
SPAD
像元二维阵列，所述
SPAD
像元二维阵列包括：至少两个连续排布的
SPAD
像元构成的像元排布区；用于集中摆放多个
SPAD
像元控制检测电路的
AFE
集中摆放区，所述
AFE
集中摆放区包括控制检测电路摆放区域和围绕所述控制检测电路摆放区域设置的隔离区域；其中，所述像元排布区和
AFE
集中摆放区在阵列内周期性交替排布，且相邻
AFE
集中摆放区域的空间周期大于两个相邻像元中心的间距
。2.
如权利要求1所述的低探测盲区雪崩二极管传感器，其特征在于，所述
AFE
集中摆放区包括至少两种类型，不同类型的
AFE
集中摆放区内摆放不同类型的控制检测电路，并周期性交替排布
。3.
如权利要求2所述的低探测盲区雪崩二极管传感器，其特征在于，所述
AFE
集中摆放区包括两种类型，其中第一类
AFE
集中摆放区内摆放的控制检测电路采用主动淬灭
/
复位模式，第二类
AFE
集中摆放区内摆放的控制检测电路采用被动淬灭
/
复位模式
。4.
如权利要求1所述的低探测盲区雪崩二极管传感器，其特征在于，所述像元排布区内的像元包括至少两种不同类型的
SPAD
像元，不同类型的
SPAD
像元周期性交替排布
。5.
如权利要求4所述的低探测盲区雪崩二极管传感器，其特征在于，不同类型的
SPAD
像元用于探测不同波段的光波
。6.
如权利要求4所述的低探测盲区雪崩二极管传感器，其特征在于，不同类型的
SPAD
像元分别用于探测
RGB
三种波长的光波
。7.
如权利要求4所述的低探测盲区雪崩二极管传...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳越，张哲宇，
申请(专利权)人：浙桂杭州半导体科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：