[发明专利]用于互补金属氧化物半导体堆叠式芯片应用的单光子雪崩二极管成像传感器

权利要求书

1.一种成像传感器系统，其包括：

第一晶片的第一半导体层；

单光子雪崩二极管SPAD成像阵列，其包含形成于所述第一半导体层中的多个像素，其中所述多个像素包含N数目个像素，其中每一像素的所述第一半导体层的实质上整个厚度为全耗尽的，以使得包含于每一像素中在所述第一半导体层的前侧附近的倍增区域经配置为通过所述第一半导体层的背侧且通过所述全耗尽第一半导体层的所述实质上整个厚度用光子来照明；

深n型隔离区域，其安置于所述第一半导体层中在所述像素之间以将所述多个像素中的每一者彼此隔离；

接合到所述第一晶片的第二晶片的第二半导体层；

多个数字计数器，其形成于所述第二半导体层中且电耦合到所述SPAD成像阵列，其中所述多个数字计数器包含至少N数目个数字计数器，其中所述N数目个数字计数器中的每一者经耦合以计数由所述多个像素中的相应一者产生的输出脉冲。

2.根据权利要求1所述的成像传感器系统，其中形成于所述第二半导体层中的所述多个数字计数器中的每一者包括安置于所述第二晶片的所述第二半导体层中的单独互补金属氧化物半导体CMOS电路。

3.根据权利要求1所述的成像传感器系统，其进一步包括安置于所述第一半导体层的所述背侧上的p+经掺杂区域。

4.根据权利要求1所述的成像传感器系统，其中所述N数目个数字计数器中的每一者通过到所述像素的相应SPAD区域的相应端子的单独连接耦合到所述多个像素中的所述相应一者。

5.根据权利要求1所述的成像传感器系统，其进一步包括：

第一互连层，其安置于所述第一半导体层的所述前侧上；及

第二互连层，其安置于所述第二半导体层上，其中所述第一晶片在所述第一互连层与所述第二互连层之间的接合界面处接合到所述第二晶片。

6.根据权利要求5所述的成像传感器系统，其中所述第一互连层包含第一氧化物，所述第二互连层包含第二氧化物，且其中所述接合界面包含所述第一氧化物与所述第二氧化物之间的界面。

7.根据权利要求5所述的成像传感器系统，其中所述第一互连层包括至少N数目个通孔，其中所述N数目个通孔中的每一者耦合到所述SPAD成像阵列的相应像素以在所述接合界面处将所述输出脉冲传送到所述第二互连层。

8.根据权利要求7所述的成像传感器系统，其中所述通孔包括微型穿硅通孔μTSV。

9.根据权利要求1所述的成像传感器系统，其中每一像素包括猝灭元件，所述猝灭元件耦合到相应SPAD区域以通过降低偏置电压来使所述相应SPAD区域的雪崩猝灭。

10.一种集成电路系统，其包括：

第一晶片，其具有多个第一裸片，每一第一裸片包含：

单光子雪崩二极管SPAD成像阵列，其包含形成于第一半导体层中的多个像素，其中所述多个像素包含N数目个像素，其中每一像素的所述第一半导体层的实质上整个厚度为全耗尽的，以使得包含于每一像素中在所述第一半导体层的前侧附近的倍增区域经配置为通过所述第一半导体层的背侧且通过所述全耗尽第一半导体层的所述实质上整个厚度用光子来照明；

深n型隔离区域，其安置于所述第一半导体层中在所述像素之间以将所述多个像素中的每一者彼此隔离；

第一互连层，其安置于所述第一半导体层的所述前侧上；及

第二晶片，其具有多个第二裸片，每一第二裸片包含：

第二互连层，其安置于第二半导体层上，其中所述第一晶片在所述第一互连层与所述第二互连层之间的接合界面处接合到所述第二晶片；

多个数字计数器，其形成于所述第二半导体层中且借助于所述第一及第二互连层电耦合到所述SPAD成像阵列，其中所述多个数字计数器包含至少N数目个数字计数器，其中所述N数目个数字计数器中的每一者经耦合以计数由相应SPAD区域产生的输出脉冲；及

控制电路，其耦合到所述SPAD成像阵列以控制所述SPAD成像阵列的操作。

11.根据权利要求10所述的集成电路系统，其中每一第二裸片进一步包含耦合到所述多个数字计数器以存储从所述SPAD成像阵列读出的数据的功能逻辑。