基于SPAD的光电探测器的改进的制作方法

基于spad的光电探测器的改进
1.本技术要求德国专利申请第10 202 0 201 452.3号的优先权。该德国专利申请的公开内容通过引用并入本技术。
2.a.自动操作参数调整以避免spad饱和的基于spad的光电探测光电部件
3.本公开内容涉及一种集成的光电探测光电半导体部件，该部件被配置为提供输出信号，该输出信号指示照射该部件的光强度，该部件包括基于spad的主探测装置，该装置被配置为探测进入的光子并根据探测的光子提供输出信号。
4.a.eisele等人于2011年6月14日在日本举行的国际图像传感器研讨会上发表(会议论文集第278-281页)的文章“185mhz count rate，139db dynamic range single-photon avalanche diode with active quenching circuit in 130nm cmos technology”介绍了这样一种基于spad的光电部件。在下文中，这篇文章将被简称为“eisele文章”。
5.eisele文章重点关注了在高光强条件下操作单光子雪崩二极管(或spad)时遇到的饱和问题。超过一定的光强度，spad就会被进入的高光子率所淹没。在这些条件下，spad将无法探测到撞击光子的相关部分。由spad提供的信号饱和，无法准确测量光强度。
6.为了缓解这个问题，eisele文章提出了一个改进的主动淬灭电路。这种紧凑的主动淬灭电路减少了spad的死区时间。因此，spad的饱和阈值更高，它们可用于更高的光强度下的测量。
7.然而，eisele文章所提出的解决方案复杂且昂贵。建立在这种解决方案上的光电探测器包括复杂的主动淬灭电路，因此难以大规模生产，而且成本很高。
8.缓解spad饱和问题的另一种方法依赖于详细的算法和后处理分析。该方法使用spad饱和曲线的理论模型来预测spad在饱和条件下的行为。该模型被用来校正饱和spad提供的输出信号。
9.然而，这种分析方法是相当复杂和难以实现的，因为spad的饱和曲线取决于许多因素，特别是取决于照明条件，而照明条件在不同的应用中是不同的。
10.鉴于上述情况，本公开的目的是提供一种基于spad的光电探测的光电部件，该部件即使在高光强度条件下也能可靠地工作。
11.优选地，该部件还应该是设计简单，易于大规模生产。
12.另一个目的是提供一种基于spad的光电探测的光电部件，它可以广泛适应不同光照条件，以始终提供准确的测量信号，而不考虑具体应用。
13.根据本公开内容，通过最初定义的光电部件实现上述目的，该光电部件的特征在于：靠近主探测装置的基于spad的参考探测装置，具有与主探测装置相同的电光行为，被配置为探测进入的光子并根据探测到的光子传送至少一个参考信号，并具有进光口用于进入的光子；中性灰度滤光装置，覆盖参考探测装置的进光口；以及控制器，该控制器被配置为根据参考探测装置传送的至少一个参考信号和中性灰度滤光装置的已知光学性质确定标称输出信号，将标称输出信号与主探测装置传送的输出信号进行比较，如果输出信号与标称输出信号不同，则调整主探测装置和参考探测装置的至少一个操作参数。
14.由于滤光器覆盖参考探测装置，本公开的光电部件包括一个或多个spad，即使在高光强度的条件下，它们也将始终工作在其线性探测范围内(即，低于饱和)。基于滤光装置的已知衰减特性，相关的控制器可以从参考探测装置传送的参考信号中推断出预期的标称输出信号。如果主探测装置的输出信号与计算出的标称输出信号不一致，则控制器得出结论：主探测装置的一个或多个spad饱和。在这种情况下，控制器就会调整部件的至少一个操作参数，使主探测装置的(一个或多个)spad低于饱和。
15.因此，本公开的光电部件可以实时地探测高光强度条件并自动地适应该条件。即使在强光下，这也确保了可靠操作。
16.本发明的解决方案特别简单，并且易于大规模生产。实际上，实时饱和校正所需的附加部件可以以标准和基本的光学和电子部件(常规spad、常规中性灰度滤光器、基本控制器)来实现。
17.根据优选实施方式，本公开的光电部件可以在所有技术上可能的组合中包括以下特征中的一个、几个或全部：
[0018]-控制器被配置为仅在输出信号小于标称输出信号时调整至少一个操作参数；
[0019]-控制器调整(特别是减小)施加到主探测装置和参考探测装置的每个spad的反向偏置电压的大小；
[0020]-在主探测装置和参考探测装置中实现了相同的电光行为，因为在这两个装置中实施了相同的spad结构；
[0021]-已知的光学性质是中性灰度滤光装置的分数透射率t；
[0022]-参考探测装置被配置为传送单个参考，中性灰度滤光装置由单个中性灰度滤光器组成，控制器使用以下公式计算标称输出信号：sn＝sr/t；
[0023]-主探测装置和参考探测装置均包括单个spad，用于探测进入的光子；凹部，spad设置在凹部的底部；以及读出电子器件，用于处理spad传送的spad信号；
[0024]-主探测装置和参考探测装置均集成在单个半导体封装中；
[0025]-spad阵列，spad阵列的第一部分是主探测装置的一部分，而spad阵列的剩余部分是参考探测装置的一部分；
[0026]-中性灰度滤光装置由覆盖spad阵列的剩余部分的单个中性灰度滤光器组成；
[0027]-中性灰度滤光装置包括至少两个独立的中性灰度滤光器，覆盖spad阵列的剩余部分；
[0028]-滤光器具有相同的分数透射率t；
[0029]-每个滤光器都有一不同的分数透射率t。
[0030]
现在将参考附图更详细地描述本公开的优选实施方式，其中：
[0031]
图1是根据本发明的光电探测光电部件的第一实施方式的横截面图；
[0032]
图2是示出由图1的光电探测光电部件执行的信号处理和自动操作参数调整的框图；以及
[0033]
图3a、3b和3c分别示出了本公开的光电探测光电部件的第二、第三和第四实施方式。
[0034]
图1示出了本公开的集成光电探测光电半导体部件的第一实施方式100。部件100是独立光学探测器。它是一个小单元，通常是毫米级的，可以内置到各种电子设备中，如智
能手机、可穿戴设备或虚拟现实头盔，充当光传感器。
[0035]
图1的光电探测器100特别适合于需要在明亮环境光条件下进行探测的应用。它还很好地适应于以大量和变化量的背景光为特征的环境中的光探测应用。
[0036]
图1的光电探测器100例如可以用作虚拟现实眼镜中用于眼睛跟踪的红外光传感器。
[0037]
参照图1，光电探测光电部件100包括具有主spad 120a的基于spad的主探测装置102、具有参考spad 120b的基于spad的参考探测装置104、中性灰度滤光装置106和微控制器108。
[0038]
主探测装置102位于半导体封装112的第一半部分110中，而参考探测装置104位于半导体封装112的第二半部分114中。因此，参考探测装置104被布置成靠近主探测装置102。主探测装置102以及参考探测装置104都由图1中各自的虚线多边形标识。
[0039]
主探测装置102和参考探测装置104彼此定位为并排的关系。此外，在本实施例中，主探测装置102和参考探测装置104相互合并。换而言之，它们是一个整体的单片块b的不同部分。块b具有前侧116，前侧116是将由光电部件100探测的光l的进入区。块b的后侧118位于与光进入侧116相对的位置。
[0040]
中性灰度滤光装置106布置在参考探测装置104的顶部。主探测装置102没有任何中性灰度滤光装置。
[0041]
中性灰度滤光装置106可以采取单个材料层的形式。在图1的实施方式中，在光电部件100的前侧116上有一个片状中性灰度滤光器106。中性灰度滤光器106平均衰减所有波长的光的强度。因此，出射中性灰度滤光器106的光强度比入射中性灰度滤光器106的光强度低。因此，由于中性灰度滤光器106存在于参考探测装置104的前面，到达参考spad 120b的光的强度大大低于到达主spad 120a的光的强度。
[0042]
中性灰度滤光器106被选择为具有特定的光学性质。特别地，中性灰度滤光器106具有特定的分数透射率t。取决于光电部件100必须满足的要求，中性灰度滤光器106的分数透射率t可以在10-8
到0.9之间。
[0043]
微控制器108嵌入在单片块b中，特别是嵌入在半导体封装112中。
[0044]
主探测装置102和参考探测装置104都包括以下部件：
[0045]-一个单光子雪崩二极管或spad 120a、120b，用于探测进入的光子；
[0046]-凹部122a、122b，相应的spad 120a、120b布置在凹部的底部；以及
[0047]-读出电子器件124a、124b，用于处理由相应的spad 120a、120b传送的spad信号。
[0048]
凹部122a和122b都是开放的腔体，其限定在半导体封装112的主体中。
[0049]
在本实施方式中，读出电子器件124a和124b嵌入在半导体封装112中。每个读出电子器件124a、124b优选地布置在其对应的spad 120a、120b下面。
[0050]
主探测装置102的主spad 120a和参考探测装置104的参考spad 120b相同。这意味着它们是相同的类型，因而具有相同的结构。例如，spad 120a和120b都可以用相同的制造工艺制造。因此，主探测装置102和参考探测装置104具有相同的电光行为。
[0051]
此外，每个探测装置102和104还包括保护覆盖装置126a和126b。两个保护覆盖装置126a、126b是整个覆盖层c的一部分。覆盖层c在整个顶侧116上延伸。覆盖层c可以对于由光学探测器100覆盖的整个光谱的光辐射l完全透明。或者，保护层c可以充当光学滤波器，
例如带通、短通或长通滤波器。
[0052]
探测装置102和104还都具有进光口128a和128b。每个进光口128a、128b与保护覆盖装置126a、126b的部分对应，使得相应凹部122a、122b的顶部被密封。
[0053]
中性灰度滤光器106覆盖参考探测装置104的进光口128b。
[0054]
图2是示出由光电部件100执行的信号处理和spad控制的框图。可以区分主spad 120a和参考spad 120b、读出电子器件124和微控制器108。还示出了使光l在到达参考spad 120b之前衰减的中性灰度滤光器106。每个spad 120a和120b具有电源130a和130b。电源130a、130b设置施加到其相应spad 120a、120b的反向偏置电压。
[0055]
在图2所示的示例中，两个spad 120a、120b共享同一读出电子器件124。这意味着一个相同的读出电子器件首先顺序地处理来自两个spad之一的信号，然后处理来自另一个spad的信号。或者，每个spad 120a、120b可以具有其自己的专用读出链。在这种情况下，可以具有两个平行的相同读出链124a和124b(参见图1)。这使得能够同时读出两个spad的信号。
[0056]
图2示出读出电子器件124包括三个连续级，即，滤波器和放大级132，接着是比较器或鉴别器级134，接着是模数转换器(adc)或计数器136。滤波器和放大级132是可选的。它可能会被忽略，因为spad已经有一个内置的固有信号增益。
[0057]
读出链124具有信号输入部i和信号输出部o。信号输入部i从两个spad 120a、120b中的一个接收信号。然后由读出电子器件124的三个级132、134和136处理该信号。结果是在信号输出部o处的探测信号sr或so。
[0058]
主spad 120a和读出电子器件124的组合用作主探测装置102，并传送输出信号，以指示照射光电部件100的光的强度l。参考spad 120b和读出电子器件124的组合用作参考探测装置104并传送参考信号sr。参考信号sr和输出信号so都被提供给微控制器单元108用于进一步处理。
[0059]
微控制器单元108适于控制两个spad 120a、120b的电源130a、130b。具体地，微控制器单元108可以控制两个电源130a、130b以更改施加到每个spad 120a、120b的反向偏置电压的大小。
[0060]
现在将描述由微控制器108执行的控制处理。该控制处理是自动spad饱和评估和校正，其确保光电探测器100始终在其线性探测范围内运行。控制处理可以是重复的，这意味着它可以以循环的方式有规律地执行。
[0061]
控制处理开始于参考spad 120b和主spad 120a以相同的反向电压被偏置。来自光源q的光l的强度由主探测装置102和参考探测装置104两者测量。得到的信号so(来自主探测装置102的输出信号)和sr(来自参考探测装置104的参考信号)都被馈送到微控制器108。微控制器108继而基于参考信号sr和中性灰度滤光器106的分数透射率t确定标称输出信号sn。更具体地说，控制器108使用以下公式计算标称输出信号sn：
[0062]
sn＝sr/t。
[0063]
然后，控制器108将计算出的标称输出信号sn与主探测装置102传送的输出信号so进行比较。
[0064]
如果输出信号so小于标称输出信号sn，则控制器得出结论：主spad 120a操作在饱和条件。在这种情况下，微控制器108降低spad 120a和120b两者的反向偏置电压，以使主
spad 120a脱离饱和。
[0065]
反向偏置电压可以以特定的增量(例如，以1v的增量)降低，直到标称输出信号sn等于输出信号so。
[0066]
当信号sn和so都相等时，控制器108得出结论：主spad 120a现在在其线性探测范围内操作。对应的输出信号so是由光电部件100提供的作为照射该部件的光强度的准确指示的信号。
[0067]
如前所述，控制处理可以定期重复。这允许实时监视来自光源q的光l中的强度变化，并且如果需要，允许在光电部件100中进行相应的实时spad饱和校正。
[0068]
参考图3，现在将描述本公开的光电部件的另外三个实施方式。图3a、3b和3c所示的三个实施方式都基于单光子雪崩二极管(spad)的整个阵列a。这与图1使用两个单spad的实施方式相反。实质上，在图3的实施方式中，第一个实施方式的两个单spad各自被一整组spad所取代。不同的spad组一起形成完整的spad阵列a，例如硅光电倍增管(sipm)。
[0069]
在图3a所示的第二实施方式200中，spad阵列a被细分为第一部分202和第二剩余部分204。第一部分202对应于主探测装置，剩余部分204对应于参考探测装置。通过主输出触点z1读出由主spad组202传送的信号。通过参考输出触点z2读出由参考spad组204传送的信号。在该实施方式中，中性灰度滤光装置包括单个中性灰度滤光器206，其覆盖spad阵列a的参考部分204，触点z1和z2都连接到读出电子器件，如图2所示。基于由触点z1提供的信号，读出电子器件产生输出信号so。基于由参考触点z2提供的信号，读出电子器件产生参考信号sr。然后执行与上述相同的控制处理，以确保主spad组202始终工作在线性探测范围内，低于饱和。
[0070]
在图3b所示的第三实施方式250中，主探测装置包括spad阵列a的两个子部分202.1和202.2，它们一起形成整个主探测部分。同样地，参考探测装置包括spad阵列a的另外两个子部分204.1和204.2，它们一起形成整个参考探测部分。在此，中性灰度滤光装置包括两个独立的中性灰度滤光器206.1和206.2，它们分别覆盖参考子部分204.1和204.2。中性灰度滤光器206.1和206.2都具有相同的分数透射率t。参考探测装置的每个参考子部分204.1和204.2具有其自己的输出触点z2和z3。来自这两个不同触点z2和z3的两个信号可以被平均或单独考虑。这种设置在具有非均匀光通量的应用中可能是有利的。
[0071]
在图3c所示的第四个实施方式280中，spad阵列a被分成四个象限，每个象限都有自己的输出触点z1到z4。象限中的标记为202的象限对应于主探测装置，并且没有任何中性灰度滤光器。另外三个象限204.1、204.2和204.3对应于参考探测装置。用于参考探测的三个象限分别由单独的中性灰度滤光器206.1、206.2和206.3覆盖。每个滤光器206.1、206.2和206.3具有一不同的分数透射率t。从一个滤光器到下一个滤光器，分数透射率t可以减小。可以单独读取由三个滤光器覆盖象限204.1、204.2和204.3产生的信号，并且可以将上述控制处理扩展到所有收集的信号。这允许在更广泛的应用条件集合中更准确地估计饱和状态。
[0072]
在图3所示的所有三个实施方式中，除了输出触点z1、z2等之外，spad阵列a还具有由所有部分或象限共享的附加公共触点(未示出)。这个公共触点可能位于spad阵列a的背面。
[0073]
综上所述，本公开的基于spad的进行光电探测的光电部件包括一个简单、经济、紧
凑和快速的解决方案，用于在线监测、评估和潜在校正spad的饱和。本方案与标准cmos技术兼容。此外，利用本方案，spad探测器可用于更广泛的应用(特别是在消费领域)，甚至用于高撞击光子通量。该解决方案也兼容所有最先进的spad淬灭机制。
[0074]
本公开涉及以下实施方式：
[0075]
§
1一种集成的进行光电探测的光电半导体部件(100)，
[0076]
所述部件被配置为传送输出信号so，输出信号so指示照射所述部件(100)的光(l)的强度，以及
[0077]
所述部件(100)包括基于spad的主探测装置(102)，所述主探测装置被配置为探测进入的光子并基于所探测的光子传送输出信号so，
[0078]
所述部件(100)的特征在于：
[0079]-基于spad的参考探测装置(104)：
[0080]
i)靠近主探测装置(102)；
[0081]
ii)具有与主探测装置(102)相同的电光行为；
[0082]
iii)被配置为探测进入的光子并基于所探测的光子传送至少一个参考信号sr；以及
[0083]
iv)具有用于进入光子的进光口(128b)，
[0084]-覆盖参考探测装置的进光口(128b)的中性灰度滤光装置(106)；和
[0085]-控制器(108)，被配置为：
[0086]
i)基于由参考探测装置(104)传送的至少一个参考信号sr和中性灰度滤光装置(106)的已知光学性质确定标称输出信号sn；
[0087]
ii)将标称输出信号sn与主探测装置(102)传送的输出信号so进行比较；以及
[0088]
iii)如果输出信号so与标称输出信号sn不同，则调整主探测装置(102)和参考探测装置(104)的至少一个操作参数。
[0089]
§2§
1的部件(100)，其中，控制器(108)被配置为仅当输出信号so小于标称输出信号sn时，才调整至少一个操作参数。
[0090]
§
3前述
§§
中任一项的部件(100)，其中，上述步骤iii)包括控制器(108)调节，特别是减小施加到主探测装置(102)和参考探测装置(104)的每个spad(120a，120b)的反向偏置电压的大小。
[0091]
§
4前述
§§
中任一项的部件(100)，其中，在主探测装置(102)和参考探测装置(104)中实现相同的电光行为，因为在这两个装置中实现相同的spad结构。
[0092]
§
5前述
§§
中任一项的部件(100)，其中，在上述步骤i)中，已知的光学性质是中性灰度滤光装置(106)的分数透射率t。
[0093]
§6§
5的部件(100)，其中，参考探测装置(104)被配置为传送单个参考信号sr，其中，中性灰度滤光装置(106)由单个中性灰度滤光器组成，并且其中，在上面的步骤i)中，控制器(108)使用以下公式计算标称输出信号sn：
[0094]
sn＝sr/t。
[0095]
§
7前述
§§
中任一项的部件(100)，其中，主探测装置(102)和参考探测装置(104)各自包括以下部件：
[0096]-单个spad(120a、120b)用于探测进入的光子；
[0097]-凹部(122a，122b)，spad设置在凹部的底部；以及
[0098]-读出电子器件(124a，124b)，用于处理由spad(120a，120b)传送的spad信号。
[0099]
§
8前述
§§
中任一项的部件(100)，其中，主探测装置(102)和参考探测装置(104)都集成到单个半导体封装(112)中。
[0100]
§9§§
1至5中任一项的部件(200)，其中，所述部件包括spad阵列(a)，并且其中，所述spad阵列的第一部分(202)是所述主探测装置的一部分，并且所述spad阵列的剩余部分(204)是所述参考探测装置的一部分。
[0101]
§
10
§
9的部件(200)，其中，中性灰度滤光装置包括覆盖spad阵列的剩余部分(204)的单个中性灰度滤光器(206)。
[0102]
§
11
§
9的部件(250)，其中，中性灰度滤光装置由覆盖spad阵列(a)的剩余部分(204.1，204.2)的至少两个单独的中性灰度滤光器(206.1，206.2)组成。
[0103]
§
12
§
11的部件(250)，其中，滤光器(206.1，206.2)具有相同的分数透射率t。
[0104]
§
13
§
11的部件(280)，其中，每个滤光器(206.1，206.2，206.3)具有一个不同的分数透射率t。
[0105]
b.具有边缘击穿和防串扰的深沟槽的金属芯雪崩光电二极管
[0106]
本发明涉及一种用于光探测的半导体雪崩光电二极管，雪崩光电二极管包括：采用具有第一掺杂类型的第一浅非本征半导体层形式的p-n结，其嵌入在具有与第一掺杂类型相反的第二掺杂类型的第二井形非本征半导体层中；第一电触点，用于电连接第一半导体层；第二电触点，用于电连接第二半导体层；雪崩区，位于两个半导体层之间的界面处，其适于当被要探测的光触发时，经历雪崩击穿；以及介电隔离沟槽，其延伸到第二井形半导体层中并围绕雪崩区的外周，以防止雪崩光电二极管中的过早边缘击穿，其中，隔离沟槽在径向方向上布置在第一电触点和第二电触点之间。
[0107]
这种雪崩光电二极管在m.j.lee等人发表于optics express,18 may 2015,vol.23,no.10,pp.13200-13209的题为“a first single-photon avalanche diode fabricated in standard soi cmos technology with a full characterization of the device”的文章中公开。在下面，本文将被称为lee文章。
[0108]
雪崩光电二极管的第一个问题是在雪崩区边缘处的过早边缘击穿的风险，这是由于需要在雪崩区中保持的高电场造成的。
[0109]
当单个雪崩光电二极管组合成一个完整的光电探测阵列时，出现了第二个问题。阵列中相邻的光电二极管容易受到光电串扰的影响，从而在阵列的输出信号中产生噪声。
[0110]
为了解决第一个问题，从lee文章中已知的单光子雪崩二极管(spad)设计包括p阱保护环和浅沟槽隔离，参照图1。为了解决第二个问题，spad包括横向中间沟槽隔离，其防止相邻spad之间的电串扰。
[0111]
us 2015/0325737 a1展示了一种不同的spad设计(参照图1)，其还包括一种用于防止边缘击穿的结构和另一种用于防止串扰的结构。在该设计中，通过p阱保护环24防止边缘击穿。串扰保护通过具有沟道阻挡区32和金属区34的横向绝缘区30的形式实现。金属区34确保与相邻spad的光隔离，并且沟道阻挡区32提供与相邻spad的电绝缘。
[0112]
上述设计中存在的防串扰和边缘击穿结构使雪崩光电二极管的布局和制造复杂化。它们还增加了光电二极管的尺寸，降低了其填充系数。
[0113]
因此，本公开的目的是提供一种雪崩光电二极管，其包括防止边缘击穿和减少串扰的简单且节省空间的方式。
[0114]
根据本发明，利用最初定义的雪崩光电二极管实现了该目的，其中，隔离沟槽包括由介电材料制成的封套和由介电封套包围的金属芯，并且隔离沟槽的厚度大于或等于第二井形半导体层厚度的9/10，隔离沟槽因此在第二井形半导体层内形成深沟槽隔离。
[0115]
通过显著增加隔离沟槽的深度和用金属芯安装沟槽，改善了电场对雪崩区的限制。同时，深沟槽的介质封套起到了屏蔽电串扰的作用，而金属芯层起到了屏蔽光串扰的作用。
[0116]
本发明的深隔离沟槽兼作串扰减小结构和边缘击穿防止结构，从而节省空间并降低复杂性。
[0117]
根据优选实施方式，本公开的雪崩光电二极管可以在所有技术上可能的组合中包括以下特征中的一个、几个或全部：
[0118]-光电二极管是绝缘体上硅(soi)型；
[0119]-隔离沟槽与第一浅半导体层的外边界直接横向接触；
[0120]-光电二极管没有任何防止边缘击穿的半导体保护环；
[0121]-金属芯包括至少一个、特别是三个板状金属部件；
[0122]-每个板状金属部件的主纵轴沿着光进入光电二极管的主方向延伸；
[0123]-金属芯包括至少两个板状金属部件，板状金属部件同心地布置在介电封套内；
[0124]-金属芯包括至少两个板状金属部件，每个板状金属部件与其相邻的板状金属部件间隔开；
[0125]-板状金属部件之间的空间被介电封套的介电材料占据；
[0126]-金属芯由钨、镍或钛，或钨、镍或钛的硅化物制成；
[0127]-介电封套由二氧化硅制成；
[0128]-隔离沟槽宽度的至少2/5被介电封套占据；
[0129]-位于光电二极管的外缘的、附加的外部介电隔离沟槽；
[0130]-外部隔离沟槽的厚度等于第二井形半导体层的厚度；
[0131]-金属芯与光电二极管的剩余部分电绝缘；
[0132]-光电二极管为背照式；
[0133]-嵌入在第一浅非本征半导体层中的富集层；
[0134]-富集层的外周径向接触介电隔离沟槽的介电封套的内周；
[0135]-富集层的厚度与第一浅非本征半导体层的厚度相同。
[0136]
本公开还涉及制造如上所述的光电二极管的方法。
[0137]
本公开还涉及一种光学传感器，该光学传感器包括如上所述的光电二极管和包括用于控制和读出光电二极管的电子电路的ic芯片的集成组件。
[0138]
本公开还涉及一种光学探测器，例如硅光电倍增管，包括如上所述的光电二极管阵列。
[0139]
现在将参考附图更详细地描述本公开的优选实施方式，其中：
[0140]
图4是根据本发明的半导体雪崩光电二极管的第一实施方式的示意性横截面图；
[0141]
图5是图4的半导体雪崩光电二极管的变体，具有一些附加特征；
[0142]
图6是根据本发明的半导体雪崩光电二极管的第二实施方式的示意性横截面图；
[0143]
图7示出了根据本发明的制造具有垂直浮置场板的深沟槽隔离的工艺步骤；以及
[0144]
图8是根据本发明的具有集成雪崩光电二极管和ic芯片的光学传感器的示意性横截面图。
[0145]
本公开涉及雪崩光电二极管的改进，特别是单光子雪崩二极管或spad，其也被称为盖革模式雪崩光电二极管。
[0146]
由于其高灵敏度、非常快速定时响应和较高本征增益，本发明的spad可用于许多不同的应用，例如飞行时间测量、激光雷达、用户探测、光学识别、心率监测或功能性近红外光谱等。
[0147]
本公开的spad也可以排列成阵列，以将它们用于较大的成像应用。硅光电倍增管是可以用现有spad构造的光学探测器的典型示例。使用本公开的spad使探测器阵列具有高填充系数和高像素密度。这减小了探测器的尺寸，实现更良好的光子统计和高质量的成像。这是由于本公开的spad是背照式spad。在这种类型的spad中，被探测的光从光电二极管的背面而不是正面进入光电二极管。
[0148]
本公开的背照式spad优选地使用绝缘体上硅(soi)技术制造，并且优选地与互补金属氧化物半导体(cmos)技术兼容。
[0149]
现在转向图4，将描述根据本公开的单光子雪崩二极管100的第一优选实施方式。从底部b到顶部t，图4所示的spad结构100包括：处理层102、底部氧化物层104、pn结106、场氧化物层108、阴极触点110和阳极触点112。
[0150]
处理层102通常是半导体层，例如n型层。严格地说，该n型层102不是最终雪崩光电二极管100的一部分。它是在制造过程中使用的处理晶圆的一部分，并且在晶圆背面蚀刻过程中被移除。
[0151]
图4所示的spad 100是用soi技术制造的，其中，底部氧化物层104对应于绝缘体，pn结106对应于绝缘体上的半导体。
[0152]
在本示例中，pn结106采取具有第一掺杂类型的第一浅非本征半导体层114的形式，该第一浅非本征半导体层114嵌入到具有与第一掺杂类型相反的第二掺杂类型的第二井形非本征半导体层116中。
[0153]
在本示例中，第一浅半导体层114是p 型层。相应地，第二井形半导体层116是n型层。因此，pn结106由下层116和上层114制成。第二井形半导体层116的厚度用字母d表示。d的典型范围为2μm至10μm。与之相比，p 型层114薄得多，并且具有例如在0.1μm至1μm之间的厚度。因此，浅半导体层114的厚度通常在井形半导体层116的厚度的5％至10％之间。
[0154]
井形第二半导体层116在横向q上可细分为中心光吸收区118、中间隔离区120和外部接触区122。浅半导体层114位于中心光吸收区118的顶部。浅半导体层114与井形半导体层116的下方吸收区118直接接触。中间隔离区120具有集成在其中的介电隔离沟槽124。外部接触区122设置有局部富集区126，在本示例中，局部富集区126是n 型的。局部富集区126保证针对阴极110的良好电接触。
[0155]
spad 100还可以描述为包括具有底部绝缘层104、相邻的中间半导体层106(其对应于pn结)和顶部绝缘层108的多层堆叠。因此，半导体层106夹在两个绝缘层104和108之间。
[0156]
阴极触点110以及阳极触点112都是作为顶部场氧化物/绝缘层108中的不连续点来实现的。在本实施方式中，阴极触点110和阳极触点112同心布置。阴极触点110围绕阳极触点112的方式与井形层116的外部接触区122围绕浅层114的方式相同。
[0157]
半导体雪崩光电二极管100还包括在两个半导体层114和116之间的界面处的雪崩区a(参照图4中的虚线矩形)。当spad 100以高于其击穿电压的工作电压被偏置时，雪崩区a适于在由从底侧b进入spad 100的光子m触发时经历雪崩击穿。雪崩区a被隔离沟槽124电限制。
[0158]
介电隔离沟槽124延伸到第二井形半导体层116中。它围绕雪崩区a的整个外周，以防止spad 100中的过早边缘击穿。当从spad 100的顶部t看时，隔离沟槽124可以具有闭合的圆形或多边形形状。隔离沟槽124的深度或厚度x定义为从井形层116的上表面128到隔离沟槽124的下基部130的距离。隔离沟槽124是所谓的深隔离沟槽。这意味着隔离沟槽124深深地延伸到井形层116中。根据本发明，隔离沟槽124的厚度x大于或等于第二井形半导体层116的厚度d的9/10。深隔离沟槽124相对于井116的该最小厚度确保雪崩区a对spad 100的有源区的充分限制。数值模拟证实了这一点。深隔离沟槽124是有效的边缘击穿防止装置。
[0159]
将注意到，深隔离沟槽124布置在外部阴极触点110和内部阳极触点112之间。因此，当从spad 100的中心开始并从其径向向外移动时，将首先遇到阳极触点112，然后是深隔离沟槽124，最后是外部阴极触点110。
[0160]
从图4显而易见，深隔离沟槽124的宽度w小于其厚度x。深隔离沟槽124的宽度可约为0.5μm。
[0161]
将注意到，深隔离沟槽124与第一浅半导体层114的外边界136直接横向接触。
[0162]
根据本发明，隔离沟槽124包括由介电材料制成的封套132和由介电封套132包围的金属芯134。封套132可以例如由诸如二氧化硅的半导体氧化物制成。金属芯134可以例如由钨制成。
[0163]
在本示例中，金属芯由板状金属部件134组成。板状金属部件134的主纵轴l沿着进入spad 100的光的主方向m(参照箭头)延伸。金属芯134也可以算作场板，因为它限制了pn结106中的电场。屏障场板134与spad 100的剩余部分电绝缘。电绝缘由介电封套132和场氧化物层108提供。由于场板134是电绝缘的，所以它不连接到任何参考电压，因此不连接到浮置场板。
[0164]
将注意到，金属板134的上边缘135可突出出封套132并进入顶部场氧化物层108。
[0165]
深隔离沟槽124的宽度w的至少2/5可被介电封套132占据。
[0166]
图4所示的spad 100的一个特别优点是，它不需要像现有技术中那样的任何防止边缘击穿的半导体保护环。根据本发明，由于具有相当大的深度的隔离沟槽124结合金属芯134，防止了边缘击穿。
[0167]
最重要的是，金属芯134充当针对pn结106中发射的次级光子p的光学屏障。那些寄生次级光子p是在spad 100的操作期间发生的有害的副作用。pn结106中的电致发光产生光子，其可以传播通过spad 100到周围(所谓的光学串扰)。其通过金属屏障场板134来防止。
[0168]
此外，介电封套132充当电屏障，其防止电荷载流子传播到spad的周围(所谓的电串扰)。
[0169]
图5显示了图4的第一实施方式的变体。与图4的实施方式相比，图5的spad结构200
具有两个附加特征：p 型富集层238和附加的外部介电隔离沟槽240。
[0170]
p 型富集层238嵌入在浅半导体层214中。该p 型富集层238保证阳极触点212和浅p 型半导体层214之间的良好电接触。优选地，p 型富集层238的外周径向接触内部介电隔离沟槽224的介电封套232的内周。作为图5中未示出的变型，p 型富集层238的厚度可以与浅层214的厚度相同。这可减少p-n结206处可能的充电效应，其可归因于封套232中的固定电荷。考虑到井形外延层216是典型高n型掺杂，在浅半导体层214的上周边上的该可选p 型富集层238是有利的。
[0171]
外部介电隔离沟槽240位于spad的外侧边缘上。它围绕pn结206的非本征半导体阱216。附加的外部介电隔离沟槽240夹在底部氧化物层204和顶部场氧化物层208之间。
[0172]
优选地，如图5所示，外部隔离沟槽240的厚度等于第二井形半导体层216的厚度d。当spad结构200用在spad阵列中时，附加的外部介电隔离沟槽240确保与相邻像素的完全电解耦。
[0173]
现在转向图6，它显示了本公开的spad结构的第二实施方式300。与第一实施方式相比的唯一区别是在介电封套332中存在多于一个板状金属部件。在图6所示的实施方式中，封套332包含三个板状金属部件334a、334b和334c。在本示例中，三个屏障板334a至334c同心地布置在介电封套332内。三个金属板334a至334c彼此间隔开。金属板334a至334c之间的空间s被介电封套332的介电材料占据。因此，三个屏障板334a至334c被封装在介电护套中。该护套可以完全由封套332组成。或者，如图6所示，护套可以由封套332和顶部场氧化物层308的一部分的组合组成。
[0174]
图7示出了在制造图6的spad 300期间为了制造深隔离沟槽324而可以执行的工艺步骤。图7显示了总共六个流程步骤。
[0175]
在步骤1中，移除场氧化物层308的部分e以使阱316的区裸露出来。这是通过光致抗蚀剂沉积完成的，接着是光掩模工艺，接着是干法蚀刻场氧化物层308，最后是去除光致抗蚀剂。
[0176]
步骤2是干法蚀刻阱316。这在阱316中产生空间v用于隔离沟槽324。在该步骤中，场氧化物层308充当硬掩模。
[0177]
在步骤3中，半导体氧化物在空间v内热生长，直到空间v被氧化物层ox完全填充。或者，空间v的这种填充可以通过沉积来完成。当空间填充氧化物层ox与场氧化物层308齐平时，该第三步骤结束。
[0178]
在步骤4中，将三个腔c1、c2和c3蚀刻到氧化物层ox中。这是通过沉积光致抗蚀剂，接着是光掩模工艺，接着是干法蚀刻，最后是去除光致抗蚀剂来完成的。
[0179]
在步骤5中，在每个腔c1、c2和c3中沉积诸如钨的金属。当三个金属层中的每一个的顶端与场氧化物层308的顶表面齐平时，金属沉积结束。结果是三个场板334a到334c。该步骤包括沉积临时金属屏障(例如，由钛或氮化钛制成)以屏蔽除三个腔c1、c2和c3之外的光电二极管300的上表面，接着沉积钨以填充腔c1、c2和c3，接着蚀刻多余的钨，最后回蚀临时金属屏障。
[0180]
最后一个步骤(步骤6)包括沉积补充半导体氧化物以使spad 300的顶表面平坦并完全包住隔离沟槽324的金属芯334。
[0181]
图8示出图6的spad 300如何与ic芯片400集成以形成光学传感器500。图8所示的
光学传感器500是soi spad与cmos电子器件的完全集成方案，适用于高质量的3d成像。图8示出的光学传感器500作为两个相互结合的半导体晶片w1和w2的一部分。上半导体晶片w1包含相同spad 300的阵列。阵列的每个spad 300表示整个光学探测器的一个像素。spad阵列的下一个单元或像素以及相应的cmos电子器件由图8右手边的虚线表示。
[0182]
通过金属触点502和夹层504实现两个晶片w1和w2之间的键合。还可以在上晶片w1中区分金属互连506。还示出了触点和通孔508以及沉积的氧化物层510。
[0183]
spad 300旁边有通孔部分512。通孔部分512包括用于ic芯片400的电源供应和与ic芯片400的信号交换所必需的电气线路。
[0184]
ic芯片400的下部402包括像素电子器件，上部404包括嵌入在氧化物层408中的多个通孔和互连406。
[0185]
如波浪箭头所示，光学传感器500是背照式的。这意味着要探测的光从后面进入spad 300。spad 300的前侧用于与包括必要的读出电子器件402的ic芯片400集成。因此，每个spad 300的前侧被相关联的ic芯片400遮挡。
[0186]
综上所述，当spad结构用于spad阵列时，本公开中描述的spad结构具有创新的深沟槽隔离，用于防止边缘击穿，同时减少串扰和暗电流。
[0187]
换而言之，在本公开的spad结构中，深沟槽同时实现两个不同的作用：一方面，它防止电和光串扰，另一方面，防止边缘击穿。这样，spad不需要两个单独的部件来实现两个作用，这提高了填充系数。
[0188]
所公开的spad结构可用于制造即使在高过电压值下也可工作的高密度背照spad阵列。所得到的spad阵列在整个光谱范围内，即，从蓝光到近红外，具有很高的光电探测效率，低串扰和暗电流，高空间分辨率。它们还具有高填充系数和像素之间出色的电光解耦。
[0189]
该绝缘体上半导体背照式spad设计与cmos工艺完全兼容。所得到的spad阵列探测器适合于高质量的3d成像，例如在飞行时间应用中所需的(例如光学接近感测、lidar等)。此外，得到的spad阵列探测器即使在极低的光条件下也能工作。