一种雪崩光电二极管的制作方法

1.本技术涉及雪崩光电二极管技术领域，特别涉及一种dtof类型的距离信息获取系统中使用的雪崩光电二极管。


背景技术：

2.近年来，随着半导体技术的进步，用于测量到物体的距离的测距模块的小型化已经取得了进展。因此，例如，已经实现了在诸如所谓的智能电话等移动终端中安装测距模块，所述智能电话是具有通信功能的小型信息处理装置随着科技的进步，在距离或者深度信息探测过程中，经常使用的方法为飞行时间测距法(time of flight，tof)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离，在tof技术中直接对光飞行时间进行测量的技术被称为dtof(direct-tof)，直接飞行时间探测(direct time of flight，dtof)作为tof的一种，dtof技术通过计算光脉冲的发射和接收时间，直接获得目标距离，具有原理简单，信噪比好、灵敏度高、精确度高等优点，受到了越来越广泛的关注，尤其是在极端弱光条件的光学传感器可以将单个光子转换为可测量的电信号，这些传感器称为单光子检测器,可用于具有3d成像和测距功能的视觉系统。
3.dtof的测距原理也是比较简单明确的，光源发射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，脉冲激光经过探测目标反射返回处于包含雪崩状态spad的阵列型接收模块，当在雪崩光电二极管spad在超过其击穿电压的情况下以已知的盖革尔(geiger)模式工作时,可以制成雪崩光电二极管,以检测其中的单个入射光子可以触发无限大放大倍数的光电流。spad成像传感器是由在硅衬底上制造的spad区域阵列构成的半导体光敏器件。spad区域在被光子撞击时产生输出脉冲。spad区域具有在击穿电压之上反向偏置的pn结，使得单个光生载流子可以触发雪崩倍增过程，可以利用配套的电路检测对于由图像传感器接收的光子信号进行处理，以在时间窗口内对来自spad区域的输出脉冲进行计数，其中为了获得高可信度的结果可以发射数万次的激光脉冲，探测单元获得一个统计结果，这样通过对于统计结果的处理可以获得更精确的距离。
4.当光子被雪崩光电二极管吸收时，它们的能量释放出束缚的电荷载流子(电子和空穴)，然后成为自由载流子对。在存在电场的情况下(由于施加到光电二极管的偏压)，这些自由载流子被加速通过被称为“倍增区域”的雪崩光电二极管的区域。当自由载流子穿过倍增区时，它们与结合在半导体原子晶格中的其他载流子碰撞，从而通过称为“碰撞电离”的过程产生更多的自由载流子。这些新的自由载流子也被应用的电场加速并产生更多的自由载流子，这种雪崩事件可以快速和有效地发生，并且可以在不到一纳秒的时间内从单个吸收的光子产生数亿个自由载流子。为了保证单光子雪崩状态在spad阵列中被高效准确地激发，需要保证整个探测单元不至于太大，同时需要保证整个器件具有足够的有源区面积占比，这样才能保证返回光更大概率地被探测到，但是现有技术中设计的spad阵列的单光子雪崩二极管的有源区设计使得有源区的总占比较小，部分只能达到20％的占比等等，造
成整个探测结果的准确性将面临严重的质疑，因此设计一种实现可能性高同时有源区占比大的单光子类型的探测单元是亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种雪崩光电二极管，以提高雪崩光电二极管尤其是统计类型的dtof方案对于在高集成化和芯片小型化发展需求下，对于器件的高探测效率和准确探测与高分辨率均提出了更高的要求。
6.为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
7.本技术实施例提供了一种雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管包括至少两个独立的有源区，至少两个淬灭电路，至少两个复位电路以及公共的脉冲输出电路，其中每个淬灭电路以及每个复位电路连接到每个独立的有源区之一；公共脉冲输出电路其连接到所述雪崩光电二级管。
8.可选地，所述雪崩光电二极管包含第一导电类型衬底的基板，与所述衬底具有相同导电材料的保护环结构，所述保护环范围内包含与第一电极相连接的第一导电类型的第一掺杂区，所述保护环的外部范围包含与第二电极相连接的有源区，所述有源区包含第一类型掺杂与第二类型掺杂形成的pn结结构；所述有源区包含隔离结构，所述隔离结构将所述有源区分割为不少于两个的独立有源区。
9.可选地，所述雪崩光电二极管包含第一导电类型衬底的基板，与所述衬底具有相同导电材料的保护环结构，所述保护环的外部范围内包含与第一电极相连接的第一导电类型的第一掺杂区，所述保护环的范围包含与第二电极相连接的有源区，所述有源区包含第一类型掺杂与第二类型掺杂形成的pn结结构；所述有源区包含隔离结构，所述隔离结构将所述有源区分割为不少于两个的独立有源区。
10.可选地，所述不少于两个独立的有源区连接至相同的脉冲输出电路。
11.可选地，所述第一电极电压小于所述第二电极的电压，且所述第二电极在至少部分时间段内大于所述雪崩二极管的阈值电压。
12.可选地，所述第一电极电压为负电压，且其绝对值大于所述第二电极的电压。
13.可选地，所述淬灭电路为被动淬灭。。
14.可选地，所述淬灭电路为主动淬灭。
15.可选地，所述保护环的最小宽度大于预设宽度。
16.可选地，所述第一类型的掺杂材料为p型掺杂材料，所述第二类型的掺杂材料为n型掺杂材料。
17.本技术的有益效果是：
18.本技术实施例提供的一种雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管包括至少两个独立的有源区，至少两个淬灭电路，至少两个复位电路以及公共的脉冲输出电路，其中每个淬灭电路以及每个复位电路连接到每个独立的有源区之一；公共脉冲输出电路其连接到所述雪崩光电二级管，如此可以实现将有源区设置更高的面积，探测到返回光的概率也将大大提升，如此实现了在器件小型化集成化趋势的要求下，最优化地实现了更高的探测概率，保证探测结果的准确性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
20.图1为本技术实施例提供的一种对应的像素单元驱动电路工作的时序示意图；
21.图2a为现有技术提供的一种spad器件单元结构示意图；
22.图2b为现有技术提供的一种spad器件单元结构纵剖面示意图；
23.图3a为本技术实施例提供的一种spad器件单元结构示意图；
24.图3b为本技术实施例提供的一种spad器件单元结构纵剖面示意图；
25.图4a为本技术实施例提供的另外一种spad的器件结构示意图；
26.图4b为本技术实施例提供的另外一种spad器件单元结构纵剖面示意图；
27.图5为本技术实施例提供的一种淬灭电路实现示意图；
28.图6为本技术实施例提供的另一种淬灭电路实现示意图；
29.图7为本发明实施例提供的spad器件框架图。
具体实施方式
30.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
33.在dtof测距中由于阵列传感器的像素单元为spad(单光子雪崩光电二极管)器件，其工作在盖格模式下，在盖革模式下，雪崩光电二极管吸收光子会产生电子-空穴对，在高反偏电压产生的强电场作用下电子-空穴对被加速，从而获得足够的能量，然后与晶格发生碰撞，形成连锁效应，结果形成大量的电子-空穴对，引发雪崩现象，电流成指数增长。此时spad的增益理论上是无穷的，单个光子就能够使spad的光电流达到饱和，因此spad成为高性能单光子探测系统的首选。
34.测距原理实际非常简单，光源发射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，脉冲激光经过探测目标反射返回处于包含雪崩状态spad的阵列型接收模块，其中处于雪崩状态的探测单元可以接收返回的信号，经过处理模块的处理可以输出探测系统至探测目标之间的距离，从而完成探测，其中为了获得高可信度的结果可以发射数万次的激光脉冲，探测单元获得一个统计结果，这样通过对于统计结果的处理可以获得更精确的距离，本发明并不进行限定，光源可以以片状光源输出发射光，也可以以光点的形式输出发射光，光源模块
可以采用vcsel垂直腔面发射激光器或者其他类似光源模块，此处并不限定。
35.图1为对应的像素单元驱动电路工作的时序图，为了保证系统拥有一个确定的初始状态，spad通过第一驱动晶体管mp1连接至第一驱动电压，当系统上电后por系统状态固定信号控制使得光电二极管具有一个确定的初始状态。初始状态的保持使得探测器选定单元在工作中状态是一致的，也不用担心每次使用时历史信号的干扰，另一方面也能保证像素单元快速地被设置至工作电压模式，快速地投入到工作状态中。为了实现spad处于雪崩状态，需要使得第一驱动电压高于spad雪崩阈值电压，例如当spad的雪崩阈值电压为20v，此处的第一驱动电压可以高于雪崩阈值电压2-5v，从而保证每个雪崩二极管均能被所述的第一驱动电压激发，达到雪崩状态，此处并不限定具体的取值，例如此时的第一驱动电压可以为23v，在初始探测时，工作单元已经被施加23v的驱动电压，雪崩二极管的两端电压达到了高于阈值电压的23v，此时spad单元处于雪崩状态，当图3中的光子事件反馈至光电二极管时，spad被触发从而能够感知光子的返回触发信息，但是当spad单元被激发之后，需要快速淬灭也就是使得spad单元两端的电压被拉低，从而避免持续的雪崩，从而使得第二电压值，例如可以为18v的电压输出至spad的第二端，此时由于雪崩二极管的电压被强制拉低，因此能够保证整个雪崩状态及时停止，当然雪崩状态引起的最低电压为第二电压，在图1的时序图中体现为光子事件引起的电压由最高的第一驱动电压降低至第二电压的过程。当spad单元两端的电压降低至第二电压时或者稍高于所述第二电压的值时此处可以示例性地选择为18.5v，也就是比第二电压高0.5v，当然此处并不限定，当然该值必须小于阈值电压20v，且大于第二电压，当所述spad的第二端经过恢复模块连接至所述驱动电压时，spad单元两端的电压可以由第二电压被快速拉升回第一电压，从而快速地恢复至能够被激发的状态，完成一个光子事件的信息探测，并输出一个电压降低再提升的探测事件。当spad单元两端的电压恢复至第一电压时可以再次进行探测，如此可以实现单光子事件的连续性获取，当然此处也可以通过在二极管的正极施加高的负电压实现二极管两端达到高于阈值电压的反偏电压，此处也不限定具体的实现方式，上述的实现中的器件电压非常高，需要保证例如两端的电压大于二极管的阈值电压，在这种情况下为了保证器件的可靠性，围绕spad的保护环需要较大尺寸，这样才能消灭器件的横向电流通常需要的保护环尺寸达到μm级别，而目前的像素设计均存在越来越小的趋势例如小于10μm，因此在保证保护环的可靠性前提下，需要在相类似的结构中使得有源区占据最大的填充因子，保证有源区的有效面积会最大限度的提高。
36.图2a为现有技术中的一种spad器件结构示意图，在器件单元的中心部位设置感光单元也就是spad的有源区105，在有源区105内设置有被偏置高压的pn结结构，阴极电极连接着有源区的接触区104，例如本方案中的8个掺杂浓度不相同的接触区，但是实际实现中并不限于此种形式，也就是中心区域内为器件的有源区，在有源区外围设置有保护环结构101，具有预定宽度的保护环可以保护有源区105和阳极电极连接的掺杂区102，这样相当于在阴极和阳极之间连接有保护环，如此，相当于在两者之间设置了一个安全电阻，因此掺杂区域之间的横向电流将被阻断，保证了pn结在两端高电压的可靠性，并且能够保证器件的两端能够维持高的雪崩偏置电压，如此当pn结感受到入射光光子时，由于pn结在高电压状态下，由于光子所激发的电子能在倍增区中触发雪崩倍增过程，由于spad中的雪崩倍增过程产生的输出脉冲可以支持后续电路在器件的阴极中检测，从而获得脉冲信号，整体的设
计中可以将器件单元和后续的spad电信号处理电路设置在不同的半导体层中，例如为了实现探测系统的接收端和电路设计，采用半导体层堆叠的方案实现，可以设置为两层堆叠的方式，第一层半导体设置有像素单元，第二层半导体层设置有后处理电路，而在具体实现的过程中其可以有硅，砷化镓或者其他合适的半导体材料形成，当然在设置有像素单元的晶体层中可以包含阵列型布置的多个探测器单元，此处不限定具体实现方式，例如可以采用背照式或者正照不同方式布置探测单元与电路的实现方式，在检测过程中阴极获得的信号可以传递至处理电路部，从而获得spad像素单元成千上万次的触发结果信息，如此获得最终的距离信息，为了保证每个像素单元之间相互不会干扰，在器件的最外侧设置有sti组成的隔离部103，图2b为图2a的器件单元的截面图，为了保证有源区的探测效率需要保证有源区具有一定的面积，例如需要保证有源区具有的直径尺寸在数微米的量级，此处可以为4微米或者其他数值，为了保证横向电流被可靠地阻隔，需要保证保护环具有设定的宽度，例如保护环的最小宽度需要保证在微米量级，为了适应器件的小型化集成化要求，sti的最外层构成的尺寸不超过数十微米的量级，当然可以限定为8微米或者其他类似的量级。
37.图3a为本发明提供的一种spad器件结构示意图，相对于图2的现有技术的spad器件结构，图3a中将有源区分成了独立的两个有源区，由于隔离部的加入实现了将有源区分割为两个独立的spad单元的效果，如此可以实现在测试过程中当一个spad模块被触发时另一个spad模块还未被触发，此时可以实现两个模块之间的信号互补，被触发模块在触发后处于淬灭时间段内，而另一模块恰好可以实现对于探测死区时间的弥补，如此实现了在与现有技术近似相同的尺寸下获得更高的测距分辨率，系统的操作时序也将更合理。图3b为图3a提供的spad器件结构的剖面图。从图3b可以看出有源区被分成了spad1和spad2。图3b中有源区的半径要大于图2b中现有技术的有源区的半径，也就是要大于4微米，可以是5微米或者其他大于4微米的值，其它与图2b相同的部分就不再赘述。
38.图4a为本技术实施例提供的另外一种spad的器件结构示意图，图4b为其纵向截面示意图。图4a是从在类似的尺寸占比条件下提升器件内的有源区面积，从而在现有尺寸变化较小的前体现实现最大化的有源区面积占比，例如将有源区与阳极掺杂区的设置进行位置上的调换设计，结合图4b的尺寸进行说明，为了保证有源区的尺寸，有源区的宽度d1设置为图2b中的有源区直径d1的一半，通过如此设计，可以有源区占比计算，此处以一种特殊的情况进行计算，例如以中心有源区的直径为4μm的尺寸为例，图2的有源区面积为4πμm2，在一种特殊情况下，图4中的有源区可以计算获得其面积，在这种情况下图4中的环型有源区宽度叠加从而获得与图2有源区相同的尺寸，此处可以通过计算获得在特殊情景下有源区的面积为10πμm2，在类似的尺寸条件下，有源区面积增加了一倍多，如此在不改变器件尺寸的前提下增加了器件内的有源区面积的效果。器件内部通过隔离结构实现有源区分离，由于采用本方案的设计，器件的有源区面积可以提升一倍左右，这样为有源区的分隔提供了前提条件，由于隔离部的加入实现了将有源区分割为两个独立的spad单元的效果，如此可以实现在测试过程中当一个spad模块被触发时另一个spad模块还未被触发，此时可以实现两个模块之间的信号互补，被触发模块在触发后处于淬灭时间段内，而另一模块恰好可以实现对于探测死区时间的弥补，如此实现了在与现有技术近似相同的尺寸下获得更高的测距分辨率，系统的操作时序也将更合理。
39.图4a中的中心区域设置为spad像素单元的连接部，中心部位设置为第一电极也就
是阳极的掺杂接触区502，为了保证阳极的可靠性，阳极接触区502具有预定的宽度，例如可以将其设置为具有μm量级直径结构，保护环501的宽度可以按照器件两端的电压例如超过阈值电压的值20v、25v、30v等等，通过可靠性设计规则，将保护环501的最小宽度按照两端电压值设计为预定值，在保护环外围设计为有源区505，有源区505内部设置有第二电极也就是阴极的接触区504，设置在有源区505的阴极设置有8个接触区，当然具体实现并不限于此种形式，在有源区的外侧还设置有浅槽隔离部503，为了保证器件的可靠性浅槽隔离区的深度与所述有源区接近或者深度大于有源区的深度，以保证隔离部的隔离效果可靠性，上面以spad1为例说明，；另外一个独立的spad的单元的结构类似就不再赘述。
40.图5为本技术实施例提供的一种淬灭电路实现示意图，该实现方式中采用主动淬灭的方式完成雪崩单元的淬灭，也就是淬灭模块在spad单元发生雪崩之后能够主动地将第二电压(小于阈值电压的电压值)施加至spad单元的两端，如此实现了雪崩探测完之后的spad单元可以被快速拉低电压，而淬灭模块中的恢复模块又可以重新将高于阈值电压的雪崩电压施加至spad单元，如此实现了淬灭状态的结束，可以实现spad单元的重新探测。下面以以图5为例进行纤细说明。当光子到达sapd器件后，spad1首先检测是否被触发，如果被触发以后spad1结电容开始放电，q1点电压降低直至淬灭，然后q3点的电压降低，输出脉冲信号，q3点电压降低引起反馈reset信号，m1打开，spad1结电容通过m1开始迅速充电，q1电压回复至vov；如果spad1没有被触发，那么检测spad2是否被触发，当spda2被触发后spad2结电容开始放电，q2点电压降低直至淬灭，q4点的电压降低输出脉冲，q4点电压降低引起反馈reset信号，m4打开，spad2结电容通过m4快速充电，q2点电压恢复至vov。
41.图6为本技术实施例所应用的另一种淬灭电路设计，与图5不同在于该实施例中的淬灭电路设计为被动淬灭方式，以图4中的两个spad模块为例进行说明，当高电压施加至spad两端时，由于存在淬灭电阻，当电流变化时例如电流在雪崩状态持续增大，淬灭电阻上的分压也逐渐变大，从而使得spad单元上的分压变小，小于雪崩阈值电压时雪崩逐渐停止，完成淬灭，其他后续电路不再详细赘述。
42.图7为本发明实施例提供的spad器件框架图。如图7所示，一个spad像素单元包括两个独立的spad单元，这里是以两个独立的spad单元为例进行说明，并不局限于两个独立的spad单元，可以是三个或者四个独立的spad单元，这里并不做限制。每个spad单元有相对应的独立的淬灭电路和reset电路，但是两个独立的spad单元有公共的脉冲输出电路。第一个spad子像素包含一个spad结构spad1，一个淬灭/reset电路1和公共的脉冲输出电路；第二个spad子像素拥有同样的架构，一个spad结构spad2,一个淬灭/reset电路2和公共的脉冲输出电路。其中spad传感器可以使用cmos技术构造cmos电路，并可以使用vlsi和相关ic芯片设计技术进行设计。spad结构spad1和spad2包括有源区，在有源区中入射的光子将产生雪崩效应，光电流瞬间被放大。淬灭&reset电路用于控制spad阴极和阳极之间的电压。当spad发生雪崩效应时，淬灭电路控制阴阳极电压低于击穿电压，停止雪崩效应。一旦雪崩效应停止，阴阳极两端的电压被再次reset至初始状态，等待下一次雪崩触发。可以使用主动或被动淬灭进行淬火，通过给spad串联一个电阻来执行被动淬灭。雪崩电流之所以会被淬灭，是因为他会在电阻两端产生电压降，因电阻的分压作用，从而将spad两端的电压降至其击穿电压以下。雪崩淬灭后，spad相当于一个断开的开关，spad两端的电压被缓缓拉高至击穿电压以上。被动淬灭的替代方式是主动淬灭。有源淬灭电路通过数字逻辑电路或组件来
检测雪崩击穿。再检测到触发脉冲后，有源淬灭电路会再将电压切回工作电压之前，将偏执电压主动拉至击穿电压以下，以淬灭雪崩。与无源淬灭相比，有原淬灭电路的死区时间更短。
43.需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
44.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。