[发明专利]单光子雪崩光电二极管探测器的装置和方法

说明书

雪崩光电二极管具有至少部分地覆盖第二扩散类型的第二扩散区域的第一扩散类型的第一扩散区域，以及布置在第一扩散区域内的第一少数载流子沟槽区域，第一少数载流子沟槽区域是第二扩散类型并电连接至第一扩散区域。在特定的实施例中，第一扩散类型是N型且第二扩散类型是P型，且设备被偏置以便在第一扩散区域和第二扩散区域之间存在具有雪崩倍增的耗尽区。

技术领域

本文件涉及单光子雪崩光电二极管(SPAD)和使用SPAD以在弱光条件下检测图像的光电探测器阵列。

背景技术

单光子雪崩光电二极管100(SPAD)(图1)通常是在高偏置下操作的P-I-N型二极管；这样的二极管具有在半导体材料中彼此相邻形成的P掺杂(P)区104和N掺杂(N)区106，或具有位于其之间的薄本征(I)区。P区104和N区106足够靠近彼此，使得在施加的反向电压偏置下，多数载流子漂移出N区和P区之间的区域中形成的耗尽区102；随着多数载流子漂移出耗尽区，在N区和P区之间小电流或没有电流流过。

光子被许可通过光电二极管的前或背表面进入光电二极管。光电二极管中光子的吸收(无论在耗尽区102还是在与耗尽区相邻的N区206或P区204中)通过光电效应引起被吸引至光电二极管的耗尽区102中的至少一个电子-空穴载流子对的释放。N区或P区可以具有不同掺杂浓度以增强光子吸收的子区域(未示出)。施加的电压偏置足够高，使得在雪崩击穿中随着载流子(例如光电性电子空穴对)触发更多电子-空穴对的释放，载流子增强，并在P区104和N区106之间形成浪涌电流。互连体108耦合至N区106且互连体110耦接至P区104，以将光电二极管连接至其他电路(例如，偏置电路或感测电路(未示出))；N区104和P区106的一个可以常见于多种光电二极管。

使用如此配置的电路对雪崩光电二极管偏置，以便此浪涌电流典型地使偏置电压足够降低以“终止(quench)”或截止电流，或一旦检测到电流，偏置电路取消偏置以终止电流，在电流被终止之后对于另一光子检测重置偏置。由每个吸收的光子触发的每个浪涌电流产生被放大作为光子吸收的电学指示的信号。

SPAD可以在没有期望的光的光子吸收的情况下雪崩，给出额外的、不期望的电流浪涌，称为暗计数，其可能被错误地解释为指示光子吸收。由于SPAD可以对高能量光子响应，例如宇宙射线、伽马和X射线辐射，暗计数的部分表示对不期望的辐射的响应。当P区104和N区106中的少数载流子被吸入至耗尽区102中并在耗尽区102中增强时也引起暗计数的部分。

已知一些少数载流子在氧化物-硅界面的裂纹处被引入。N区106和上覆的电介质氧化物114之间的界面是这样的界面的示例。

光电二极管100典型地具有前侧115，在制造期间执行至前侧115中的扩散和植入步骤，且在此基础上，在电介质氧化物114中形成互连金属化，例如金属108、110。光电二极管典型地还具有没有金属互连线108、110的背侧117，尽管可以存在金属屏蔽或安装层。背侧117典型地以硅或其它半导体基板开始，基于此形成光电二极管的有源层。在背侧照明的设备中，移除半导体基板的大部分，且在移除基板后典型地沉积保护性且稳定的背侧氧化物或其它透明钝化涂层。因此，前侧和背侧照明的光电传感器阵列覆盖包括氧化物、基板或非氧化物透明钝化涂层的层116。

发明内容

在实施例中，雪崩光电二极管具有至少部分地覆盖第二扩散类型的第二扩散区域的第一扩散类型的第一扩散区域，以及布置在第一扩散区域内的第一少数载流子沟槽区域，第二扩散类型的第一少数载流子沟槽区域电连接至第一扩散区域。配置第一扩散区域和第二扩散区域，以便当在偏置下，在第一扩散区域和第二扩散区域之间形成具有雪崩倍增特性的耗尽区。在特定的实施例中，第一扩散类型是N型且第二扩散类型是P型，且设备被偏置以便在第一扩散区域和第二扩散区域之间存在具有雪崩倍增的耗尽区。