[实用新型]单光子雪崩二极管、主动式淬灭电路、脉冲式TOF传感器以及成像装置

说明书

本申请提供单光子雪崩二极管、主动式淬灭电路、脉冲式TOF传感器以及成像装置，单光子雪崩二极管包括：P型衬底；深n阱，其形成于P型衬底的上方；第一N阱区形成于深n阱的上方；第一P+离子区形成于第一N阱区的上方；P阱区，其环绕第一N阱区和第一P+离子区设置于深n阱内；第二N阱区，其环绕P阱区设置在深n阱内，第二N阱区延伸到P型衬底上；第一N+离子区，其形成与第二N阱区；以及第二P+离子区，其环绕第二N阱区设置于P型衬底上。本申请能够升了反向击穿电压，避免了二极管的提前击穿，从而提升了探测效率，还能够加快完全淬灭器件雪崩效应的速度，抑制单光子雪崩二极管在恢复探测状态的时候再次被触发。

技术领域

本申请涉及传感器领域，尤其涉及单光子雪崩二极管、主动式淬灭电路、脉冲式TOF传感器以及成像装置。

背景技术

关于SPAD(Single Photon Avalanche Diode，单光子二极管)深度图像国内外研究的情况如下。国外研究现状：1998年，林肯实验室第一次将读出电路和 Gm-APD(Avalanche Photondiode)阵列集成在同一块基片上，并且制造出4×4 的Gm-APD面阵。2002年，林肯实验室宣布制造出了由1024个Gm-APD构成的探测芯片，该芯片采用桥接集成技术，能够在极微弱光的条件下进行单光子探测。2005年，Cristiano Niclass等人首次在0.8μm的标准CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)工艺上成功制造出了32×32的 SPAD深度图像传感器，这个传感器没有ADC(Analog-to-Digital Converter)，所有像素输出均为数字信号。2008年，Cristiano Niclass等人将TDC(Time to digitalconverter)与128×128的SPAD阵列集成在一起，取得了非常好的效果，在460nm 的波段内的探测效率达到了46％。2011年，Cristiano Niclass等人用了10×10 个SPAD组成一个大像素，测距达到了50m，效果非常好。2012年，日本丰田研究中心Cristiano Niclass成功将SPAD阵列与MEMS(Microelectromechanical Systems)激光扫描结合在一起，制造出了一种高性能的深度图像传感器。2013 年，日本丰田研究中心的Cristiano Niclass成功使用32个大像素的传感器通过机械扫描的方式得到了340×96像素的图像，测量的距离达到了100m。2015年， Rudi Lussana等人提出了一种32×32的高帧率SPAD阵列相机，并且可将2D图像和3D图像结合在一起。2017年，Cristiano Niclass，Mineki Soga和Edoardo Charbon提出了快速评估基于单光子检测器的数学模型。

国内研究现状：2013年，南京邮电大学硕士设计了SPAD器件并做成了4 ×4的阵列进行流片测试。2014年，重庆大学实验室通过0.5μm的CMOS工艺设计了SPAD器件模型，并对比了不同结构的特点，此外还完成了淬灭电路的设计。2015年，在东南大学硕士毕业论文中，提出了两种可用于大规模SPAD 阵列的淬灭电路。2016年，北京工业大学实验室对InGaAs/InP雪崩光电二极管进行设计和研究。2017年，北方工业大学硕士设计开发了用于量子雷达系统接收部分的单光子计数器，并且研究了APD结构。

目前国内外研究设计的SPAD，大部分缺少内部电场击穿保护措施，一方面要抑制边缘击穿电场，另一方面要提高中心区的击穿电压。目前大部分设计未用任何措施来提升这两方面的性能，部分设计采取了N阱或N阱保护环的设计，但是这种情况下结区边缘存在较大的击穿电场，中心区的击穿电压也偏低，因此，传统的SPAD存在容易被提前击穿以及探测效率低下的问题。

发明内容

本申请提供一种单光子雪崩二极管、主动式淬灭电路、脉冲式TOF传感器以及成像装置，能够在解决现在的单光子雪崩二极管的结构缺少内部电场击穿保护措施而导致二极管容易被击穿以及探测效率低下问题。