[发明专利]堆叠式背面照明SPAD阵列

说明书

本发明公开了背照式单光子雪崩二极管SPAD图像传感器，其包括垂直堆叠在电路晶圆上方的传感器晶圆。传感器晶圆包括一个或多个SPAD区域，其中每个SPAD区域(400)包括阳极梯度层(402)、定位成与SPAD区域的前表面相邻的阴极区域(404)、以及定位在阴极区域之上的阳极雪崩层(408)。每个SPAD区域通过晶圆间连接器连接到电路晶圆中的电压源和输出电路。深沟槽隔离元件424用于在SPAD区域之间提供电隔离和光隔离。

相关申请的交叉引用

本专利合作条约专利申请要求2016年9月23日提交的名称为“Back-IlluminatedSPAD Image Sensor”(背照式SPAD图像传感器)的美国临时专利申请62/398,712以及2016年9月23日提交的名称为“Back-Illuminated SPADImage Sensor”(背照式SPAD图像传感器)的美国临时专利申请62/398,709的优先权，这两个申请的内容据此全文以引用方式并入。

技术领域

所述实施方案整体涉及单光子雪崩二极管SPAD图像传感器。

背景技术

图像传感器用于各种电子设备中，诸如数码相机、蜂窝电话、复印机、医学成像设备、安全系统以及飞行时间相机。图像传感器通常包括检测或响应入射光的光电探测器阵列。可用于图像传感器的一种光电探测器类型是单光子雪崩二极管SPAD区域。SPAD区域为光敏区，它被配置为检测低水平的光(最低为单个光子)并且发信号通知光子的到达时间。

单片集成的SPAD图像传感器通常包括SPAD区域的阵列和用于SPAD区域的电路。然而，可以限制该阵列的填充系数，因为用于SPAD区域的电路在半导体晶圆上消耗空间。此外，在单片集成的SPAD图像传感器的构造过程中，可能难以防止半导体晶圆的污染。金属和其他污染物可能会不利地影响SPAD图像传感器的性能，诸如通过增加SPAD图像传感器中的噪声。

在一些实例中，可以在光子检测效率和SPAD区域的定时响应之间进行权衡。较厚的半导体晶圆可提高SPAD区域的光子检测效率，但较厚的半导体晶圆可能会降低SPAD区域的定时分辨率或响应时间，因为电荷载流子必须穿过较厚的半导体晶圆传播。此外，较厚的半导体晶圆可导致较高的击穿电压，这增加了SPAD图像传感器在Geiger模式下操作时的SPAD图像传感器的功率消耗。

发明内容

在一个方面，背照式单光子雪崩二极管SPAD图像传感器包括传感器晶圆和定位在传感器晶圆下方并附接到传感器晶圆的电路晶圆。传感器晶圆包括SPAD区域，该SPAD区域包括阳极区域(包括第一掺杂物类型)和阴极区域(包括第二掺杂物类型)，并且定位到相邻于SPAD区域的前表面。阳极区域包括阳极梯度层和阳极雪崩层，阳极雪崩层包括第一掺杂物类型并定位在阴极区域上方。为了减少边缘击穿，阴极区域具有第一区域，阳极雪崩层具有小于第一区域的第二区域。阳极梯度层中的第一掺杂物类型的掺杂物浓度在阳极梯度层的后表面较高，并且在阳极梯度层的前表面较低，以在阳极梯度层中产生掺杂物浓度梯度。掺杂物浓度梯度可引导光子生成的电荷载流子穿过阳极梯度层至阳极雪崩层。背照式SPAD传感器可包括相邻于SPAD区域的深沟槽隔离区域。

在另一个方面，公开了包括背照式单光子雪崩二极管SPAD图像传感器的电子设备。SPAD图像传感器包括传感器晶圆和附接到传感器晶圆的前表面的电路晶圆。传感器晶圆包括第一SPAD区域和相邻于第一SPAD区域的第二SPAD区域。第一SPAD区域和第二SPAD区域各自包括：包括第一掺杂物的阳极梯度层；相邻于阳极梯度层的前表面并且包括第二掺杂物的阴极区域；以及定位在阴极区域上方并且包括第一掺杂物的阳极雪崩层。传感器层还包括定位在第一SPAD区域和第二SPAD区域之间的深沟槽隔离区域，并且从传感器晶圆的后表面延伸。电子设备还包括可操作地连接到背照式SPAD图像传感器的处理设备。处理设备可被配置为接收来自背照式SPAD图像传感器的输出信号。