一种共用深N阱的SPAD器件及其构成的光探测阵列的制作方法

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种共用深n阱的spad器件及其构成的光探测阵列。

背景技术：

spad是一种具有单光子探测能力的光电探测雪崩二极管，spad构成的spad光探测阵列主要用在激光雷达的光信号探测中，spad光探测阵列首先在探测到光信号后，将光信号转化为电信号。

现有技术常用的传统结构的spad如图1所示，由传统结构的spad构成的spad光探测阵列如图2所示，其刨面图如图3所示。在图1中microlens为透镜，用于增加进光角度；dti为深槽隔离，对进入器件的光进行反射，同时对在两个相邻的spad中起到隔离的作用；substrate为器件的衬底；dnw为深n阱；nw为n阱；p+为spad的阳极；n+为spad的阴极；sti为浅槽隔离；将p+和n+进行隔离；pw为p阱；m1为第一层金属，通过ct和p+，n+连接；m2为第二层金属，通过v1与m1连接；m1，m2都用于将p+和n+连接到偏置电压；ct和v1都为通孔；ct用于连接m1和p+或者n+；v1用于连接m1和m2。在图3中，两个spad器件相邻的阴极(n+)通过各自的第一通孔(ct)与各自的第一层金属(m1)相连，两个相邻的spad器件的深n阱(dnw)存在间隙，两个spad器件相邻的一侧共用一个深槽隔离(dti)

spad光探测阵列的工作原理是：激光器发射激光，激光照射到物体上，然后物体发生反射，反射的激光被spad光探测阵列时，光信号从器件背面通过透镜进入到器件内部，光子在p+和dnw的交接处触发雪崩效应，器件产生雪崩电流，将光信号转化为电信号。

由于传统结构的spad组成的spad光探测阵列中每个spad是相互独立的，如图2所示，使得有效的光探测区域占整占阵列面积的比例较小，填充因数比较低。因此亟待一种可以提高填充因数的spad器件及由该spad器件构成的spad光探测阵列。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种共用深n阱的spad器件及其构成的光探测阵列。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面本发明实施例提供了一种共用深n阱的spad器件，包括：透镜microlens、深槽隔离dti、衬底substrate、深n阱dnw、n阱nw、spad的阳极p+、spad的阴极n+、浅槽隔离sti、p阱pw、第一层金属m1、第二层金属m2、多个第一通孔ct以及第二通孔v1，每个第一通孔ct各自独立，所述阴极n+设置在所述spad器件内部的每侧，每侧的阴极n+上设置所述n阱nw，在所述spad器件内部从每侧向中心的方向，依次是浅槽隔离sti、p阱pw、阳极p+，在所述spad器件内部从上至下的方向，在每侧的阴极n+上，每侧阴极n+通过该侧的第一通孔ct与该侧的第一金属层m1相连，在每一侧的阴极n+上的第一层金属m1相互连接形成闭环结构，在所述阳极p+上，该阳极p+通过第一通孔ct与第一层金属m1相连，该第一层金属m1通过第二通孔v1与第二层金属m2相连，在所述阳极p+上的第一金属层m1与在每一侧的阴极n+上的第一层金属m1各自独立。

可选的，所述spad器件是正多边形或圆形。

第二方面，本发明实施例提供的使用第一方面实施例提供的spad器件构成的光探测阵列，组成所述光探测阵列的每一个spad器件包括透镜microlens、深槽隔离dti、衬底substrate、深n阱dnw、n阱nw、spad的阳极p+、spad的阴极n+、浅槽隔离sti、p阱pw、第一层金属m1、第二层金属m2、多个第一通孔ct以及第二通孔v1，每个第一通孔ct各自独立，所述阴极n+设置在所述spad器件内部的每侧，每侧的阴极n+上设置所述n阱nw，在所述spad器件内部从每侧向中心的方向，依次是浅槽隔离sti、p阱pw、阳极p+，在所述spad器件内部从上至下的方向，在每侧的阴极n+上，每侧阴极n+通过该侧的第一通孔ct与该侧的第一金属层m1相连，在每一侧的阴极n+上的第一层金属m1相互连接形成闭环结构，在所述阳极p+上，该阳极p+通过第一通孔ct与第一层金属m1相连，该第一层金属m1通过第二通孔v1与第二层金属m2相连，在所述阳极p+上的第一金属层m1与在每一侧的阴极n+上的第一层金属m1各自独立，两个spad器件相邻一侧共用同一阴极n+、同一第一通孔ct以及同一第一层金属m1，该阴极n+通过同一第一通孔ct与同一第一层金属m1相连，两个spad器件相邻的一侧共用一个深槽隔离dti。

可选的，组成所述光探测阵列的每一个spad器件是正多边形或圆形。

可选的，所述光探测阵列的行的spad器件个数与列的spad器件个数相同。

第三方面，本发明实施例提供的一种共用深n阱的spad器件，包括：透镜microlens、深槽隔离dti、衬底substrate、深n阱dnw、n阱nw、spad的阳极p+、spad的阴极n+、浅槽隔离sti、p阱pw、第一层金属m1、第二层金属m2、第一通孔ct以及第二通孔v1，每个第一通孔ct各自独立，所述阴极n+设置在所述spad器件内部的中心位置，在所述spad器件内部从中心向每侧的方向，依次是浅槽隔离sti、p阱pw、阳极p+、p阱pw、浅槽隔离sti，在所述spad器件内部从上向下的方向，在所述阴极n+上，所述阴极n+通过第一通孔ct与第一层金属m1相连，第一层金属m1通过第二通孔v1与第二层金属相连，在每一侧的阳极p+上，每一侧的阳极p+通过该侧的第一通孔ct与该侧的第一层金属m1相连，在每一侧的阳极p+上的第一层金属m1相互连接形成闭环结构，在所述阴极n+上的第一金属层m1与在每一侧的阳极p+上的第一层金属m1各自独立。

可选的，所述spad器件是正多边形或圆形。

第四方面，本发明实施例提供的一种使用第三方面实施例提供的spad器件构成的光探测阵列，组成所述光探测阵列的每一个spad器件包括透镜microlens、深槽隔离dti、衬底substrate、深n阱dnw、n阱nw、spad的阳极p+、spad的阴极n+、浅槽隔离sti、p阱pw、第一层金属m1、第二层金属m2、多个第一通孔ct以及第二通孔v1，每个第一通孔ct各自独立，所述阴极n+设置在所述spad器件内部的中心位置，在所述spad器件内部从中心向每侧的方向，依次是浅槽隔离sti、p阱pw、阳极p+、p阱pw、浅槽隔离sti，在所述spad器件内部从上向下的方向，在所述阴极n+上，所述阴极n+通过第一通孔ct与第一层金属m1相连，第一层金属m1通过第二通孔v1与第二层金属相连，在每一侧的阳极p+上，每一侧的阳极p+通过该侧的第一通孔ct与该侧的第一层金属m1相连，在每一侧的阳极p+上的第一层金属m1相互连接形成闭环结构，在所述阴极n+上的第一金属层m1与在每一侧的阳极p+上的第一层金属m1各自独立，两个spad器件相邻一侧共用同一浅槽隔离sti，两个spad器件相邻的一侧共用一个深槽隔离dti。

可选的，组成所述光探测阵列的每一个spad器件是正多边形或圆形。

可选的，所述光探测阵列的行的spad器件个数与列的spad器件个数相同。

本发明公开了一种共用深n阱的spad器件及其构成的光探测阵列，通过改变器件内部阴极n+以及阳极p+的位置，得阴极n+区域变小，阳极p+区域变大，使得有效的光探测区的面积占比更高，提高spad器件以及光探测阵列的填充因数。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是传统的spad器件的结构示意图；

图2是传统器件构成的spad的光探测阵列的示意图；

图3是传统器件构成的spad的光探测阵列的剖面图；

图4是本发明实施例提供的一种共用深n阱的spad器件的器件结构图；

图5是本发明实施例提供的八边形共用深n阱的spad器件的结构俯视示意图；

图6是本发明实施例提供的正方形共用深n阱的spad器件的结构俯视示意图；

图7是本发明实施例提供的一种spad器件构成的光探测阵列的刨面图；

图8是本发明实施例提供的八边形共用深n阱的spad器件组成的光探测阵列的结构图；

图9是本发明实施例提供的正方形共用深n阱的spad器件组成的光探测阵列的结构图；

图10是本发明实施例提供的另一种共用深n阱的spad器件的结构图；

图11是本发明实施例提供的另一种共用深n阱的spad器件的结构俯视示意图；

图12是本发明实施例提供的另一种共用深n阱的spad器件构成的光探测阵列的刨面图；

图13本发明实施例提供另一种共用深n阱的spad器件构成的光探测阵列的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

如图4所示，本发明实施例提供的一种共用深n阱的spad器件，包括：透镜microlens、深槽隔离dti、衬底substrate、深n阱dnw、n阱nw、spad的阳极p+、spad的阴极n+、浅槽隔离sti、p阱pw、第一层金属m1、第二层金属m2、多个第一通孔ct以及第二通孔v1，每个第一通孔ct各自独立，所述阴极n+设置在所述spad器件内部的每侧，每侧的阴极n+上设置所述n阱nw，在所述spad器件内部从每侧向中心的方向，依次是浅槽隔离sti、p阱pw、阳极p+，在所述spad器件内部从上至下的方向，在每侧的阴极n+上，每侧阴极n+通过该侧的第一通孔ct与该侧的第一金属层m1相连，在每一侧的阴极n+上的第一层金属m1相互连接形成闭环结构，在所述阳极p+上，该阳极p+通过第一通孔ct与第一层金属m1相连，该第一层金属m1通过第二通孔v1与第二层金属m2相连，在所述阳极p+上的第一金属层m1与在每一侧的阴极n+上的第一层金属m1各自独立。

光信号从器件背面通过透镜进入到器件内部，光子在p+和dnw的交接处触发雪崩效应，器件产生雪崩电流。当spad整个器件处于反偏状态，阳极p+接低电位，阴极n+接高电位，反向偏置电压高于其雪崩电压，具有极高的电流增益，单个光子的能量就能够触发雪崩效应产生雪崩电流。当光子能量等于或大于半导体的禁带宽度，价带中的电子吸收光子后进入导带，产生电子-空穴对，即光生载流子。在雪崩电场的作用下形成雪崩电流，从而将光信号转化为电信号。

本发明实施例提供的一种共用深n阱的spad器件，设置阴极n+位于器件内部的边沿，从而改变spad器件的结构，以此减少阴极n+区域的面积，从而减少了无效区域的面积，增加有效区域占总面积的比例，因此可以增大spad器件的填充因数。

其中，所述spad器件是正多边形或圆形。

参考图5以及图6，图5的spad器件是正八边形，图6的spad器件是正方形，阴极n+在器件内部边沿形成一个闭合结构，器件中间是阳极p+。

实施例二

如图7所示，本发明实施例提供的一种spad构成的光探测阵列，使用实施例一所述的共用深n阱的spad器件构成，组成所述光探测阵列的每一个spad器件包括透镜microlens、深槽隔离dti、衬底substrate、深n阱dnw、n阱nw、spad的阳极p+、spad的阴极n+、浅槽隔离sti、p阱pw、第一层金属m1、第二层金属m2、多个第一通孔ct以及第二通孔v1，每个第一通孔ct各自独立，所述阴极n+设置在所述spad器件内部的每侧，每侧的阴极n+上设置所述n阱nw，在所述spad器件内部从每侧向中心的方向，依次是浅槽隔离sti、p阱pw、阳极p+，在所述spad器件内部从上至下的方向，在每侧的阴极n+上，每侧阴极n+通过该侧的第一通孔ct与该侧的第一金属层m1相连，在每一侧的阴极n+上的第一层金属m1相互连接形成闭环结构，在所述阳极p+上，该阳极p+通过第一通孔ct与第一层金属m1相连，该第一层金属m1通过第二通孔v1与第二层金属m2相连，在所述阳极p+上的第一金属层m1与在每一侧的阴极n+上的第一层金属m1各自独立，两个spad器件相邻一侧共用同一阴极n+、同一第一通孔ct以及同一第一层金属m1，该阴极n+通过同一第一通孔ct与同一第一层金属m1相连，两个spad器件相邻的一侧共用一个深槽隔离dti。

其中，组成所述光探测阵列的每一个spad器件是正多边形或圆形。所述光探测阵列的行的spad器件个数与列的spad器件个数相同，当然光探测阵列的行的spad器件个数与列的spad器件个数也可以不相同，可以形成光探测阵列实现本发明的方式，都属于本发明的保护范围。

在图7中，两个相邻spad器件共享一个阴极n+，两个相邻spad器件的深n阱dnw不存在间隙，两个相邻spad器件共用一个深槽隔离dti。

参考图8以及图9，图8是正八边形spad器件组成的光探测阵列的俯视结构示意图，图9是spad器件正方形spad器件组成的光探测阵列的俯视结构示意图。图8以及图9中每个相邻的spad共用阴极n+，相比于传统的阵列结构，这种共用阴极的紧凑式结构，大大减少了无效区域的面积，增加了有效面积，同等面积的阵列，采用这种紧凑型阵列结构，有效的光探测区的面积占比更高。

本发明实施例提供的一种spad光探测阵列，该光探测阵列中每个相邻的spad共用阴极n+以及n阱nw，这种共用阴极的紧凑式结构，大大减少了无效区域的面积，增加了有效面积，相比于现有技术，同等面积的阵列，可以使得有效的光探测区的面积占比更高。

实施例三

如图10所示，本发明实施例提供的另一种共用深n阱的spad器件，包括：透镜microlens、深槽隔离dti、衬底substrate、深n阱dnw、n阱nw、spad的阳极p+、spad的阴极n+、浅槽隔离sti、p阱pw、第一层金属m1、第二层金属m2、多个第一通孔ct以及第二通孔v1，每个第一通孔ct各自独立，所述阴极n+设置在所述spad器件内部的中心位置，在所述spad器件内部从中心向每侧的方向，依次是浅槽隔离sti、p阱pw、阳极p+、p阱pw、浅槽隔离sti，在所述spad器件内部从上向下的方向，在所述阴极n+上，所述阴极n+通过第一通孔ct与第一层金属m1相连，第一层金属m1通过第二通孔v1与第二层金属相连，在每一侧的阳极p+上，每一侧的阳极p+通过该侧的第一通孔ct与该侧的第一层金属m1相连，在每一侧的阳极p+上的第一层金属m1相互连接形成闭环结构，在所述阴极n+上的第一金属层m1与在每一侧的阳极p+上的第一层金属m1各自独立。

其中，所述spad器件是正多边形或圆形。

参考图11，图11是实施例三提供的spad器件的俯视结构示意图，spad器件中阴极n+位于中间，如此阴极n+区域变小，阳极p+区域变大。增加了有效的光探测面积。

本发明实施例提供的另一种共用深n阱的spad器件中，阴极n+位于器件中间位置，阳极p+位于器件边沿位置，使得阴极n+区域变小，阳极p+区域变大，增加了有效的光探测面积。

实施例四

如图12所示，本发明实施例提供的另一种spad构成的光探测阵列，使用实施例三提供的另一种spad器件构成，组成所述光探测阵列的每一个spad器件包括透镜microlens、深槽隔离dti、衬底substrate、深n阱dnw、n阱nw、spad的阳极p+、spad的阴极n+、浅槽隔离sti、p阱pw、第一层金属m1、第二层金属m2、多个第一通孔ct以及第二通孔v1，每个第一通孔ct各自独立，所述阴极n+设置在所述spad器件内部的中心位置，在所述spad器件内部从中心向每侧的方向，依次是浅槽隔离sti、p阱pw、阳极p+、p阱pw、浅槽隔离sti，在所述spad器件内部从上向下的方向，在所述阴极n+上，所述阴极n+通过第一通孔ct与第一层金属m1相连，第一层金属m1通过第二通孔v1与第二层金属相连，在每一侧的阳极p+上，每一侧的阳极p+通过该侧的第一通孔ct与该侧的第一层金属m1相连，在每一侧的阳极p+上的第一层金属m1相互连接形成闭环结构，在所述阴极n+上的第一金属层m1与在每一侧的阳极p+上的第一层金属m1各自独立，两个spad器件相邻一侧共用同一浅槽隔离sti，两个spad器件相邻的一侧共用一个深槽隔离dti。

其中，组成所述光探测阵列的每一个spad器件是正多边形或圆形，所述光探测阵列的行的spad器件个数与列的spad器件个数可以相同，当然光探测阵列的行的spad器件个数与列的spad器件个数也可以不相同，可以形成光探测阵列实现本发明的方式，都属于本发明的保护范围。

参考图13，当spad器件是圆形时，在图13中每个spad器件阴极n+位于器件中间位置，阳极p+位于器件边沿位置，两个spad器件相邻一侧共用同一浅槽隔离sti，两个spad器件相邻的一侧共用一个深槽隔离dti，使得阴极n+区域变小，p+区域变大，可以增加有效的光探测面积。

本发明实施例提供的另一种spad构成的光探测阵列，该光探测阵列中每个spad器件阴极n+位于器件中间位置，阳极p+位于器件边沿位置，以使spad构成的光探测阵列形成紧凑式结构，使得阴极n+区域变小，p+区域变大，因此可以增加有效的光探测面积，提高填充因数。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。