[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

说明书

技术领域

本发明大体来说涉及光电检测器，且更具体来说，本发明针对于包含单光子雪崩二极管成像传感器的成像系统。

背景技术

图像传感器已变得普遍存在。其广泛用于数码静态相机、蜂窝式电话、安全相机以及医学、汽车及其它应用中。用以制造图像传感器的技术已不断快速地进步。举例来说，对较高分辨率及较低电力消耗的需求已促进了这些图像传感器的进一步小型化及集成。

可在图像传感器中或光检测器中使用的一种类型的光电检测器为单光子雪崩二极管(SPAD)。SPAD(也称为盖格(Geiger)模式雪崩光电二极管(GM-APD))为能够检测低强度信号(例如低至单一光子)的固态光电检测器。SPAD成像传感器为由制作于硅衬底上的SPAD区域的阵列构成的半导体光敏装置。所述SPAD区域在被光子撞击时产生输出脉冲。所述SPAD区域具有p-n结，所述p-n结经反向偏置到击穿电压以上以使得单一光生载流子可触发雪崩倍增过程，此过程致使光子检测单元的输出处的电流快速达到其最终值。此雪崩电流继续直到使用猝灭元件通过减小偏置电压而使雪崩过程猝灭为止。通过在一时间窗内计数这些输出脉冲的数目来获得由图像传感器接收的光子信号的强度。

然而，当借助标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制作SPAD时，难以针对优越检测效率、光谱响应及计时分辨率来优化所述SPAD。举例来说，使SPAD以全耗尽操作在标准SPAD工艺中通常为不可能的，因为使SPAD以全耗尽操作可能致使金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)不正确地发挥作用。另外，使SPAD布置在与CMOS电路的MOSFET相同的平面中会减小填充因子。此外，也难以在任何单一CMOS工艺中实现具有高填充因子及优越SPAD性能的相对小间距光子计时传感器。

发明内容

在一个方面中，本申请案涉及一种成像传感器系统。所述成像传感器系统包括：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；及多个数字计数器，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。

在另一方面中，本申请案涉及一种集成电路系统。所述集成电路系统包括：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。

附图说明

参考以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中在所有各视图中相似参考编号指代相似部件，除非另有规定。

图1是根据本发明的教示的单光子雪崩二极管(SPAD)成像传感器系统的具有集成电路裸片的堆叠式半导体晶片的一个实例的分解视图。

图2是图解说明根据本发明的教示包含猝灭元件的堆叠式芯片SPAD成像传感器系统的一个实例的电路图。