CN101931021A - 单光子雪崩二极管及基于此的三维coms图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子技术以及光电成像技术领域，具体涉及一种单光子雪崩二极管及基于该二极管的三维COMS图像传感器。其技术要点是：本发明的单光子雪崩二极管将传统的矩形感光PN结改进为正八边形，能够方便简单地削弱边缘击穿，提高单光子雪崩二极管的增益均匀性。本发明的基于该二极管的三维CMOS图像传感器的二维像素阵列，是由具有正八形的单光子雪崩二极管的单元像素组成并以蜂窝状的形式排列，因此能够方便地进行插值，增加水平与垂直方向上的分辨率。

Description

单光子雪崩二极管及基于此的三维COMS图像传感器

技术领域

本发明属于电子技术以及光电成像技术领域，具体涉及一种单光子雪崩二极管及基于该二极管的三维COMS图像传感器。

背景技术

雪崩光电二极管作为一个重要的光探测器件，有着广泛的应用空间。可以应用在通信、测距、三维成像等领域。雪崩光电二极管在工作模式时，要求加在雪崩光电二极管两端的反向电压要高于雪崩击穿电压，来获得较高的雪崩增益。在雪崩光电二极管PN结的平面制造工艺中，杂质原子通过掩膜板窗口向衬底扩散。在传统的雪崩光电二极管中，采用的是矩形的掩膜版，这样就有四个90度尖锐的角，在PN结这些尖锐的地方电荷比较集中，电场较大容易引起击穿。当工作在盖革模式时，对PN结加高于反向击穿的电压，极易引起边缘PN结过早击穿，增加了边缘暗电流，从而降低了信噪比，这种边缘过早击穿是要尽量避免的。

另外，由于单光子雪崩二极管优秀的性能表现，也用作三维CMOS图像传感器的感光器件。传统的二维图像技术已不能满足人们的需求，越来越多的三维图像技术被应用在相关领域中，例如，海洋陆地勘测、机器视觉、视觉游戏、三维家庭影院、三维视频会议、汽车移动控制等等。随着三维CMOS技术的成熟，它的廉价与便携等优势加上其广阔的应用空间，相信其应用将会越来越普及化。

在传统的三维成像技术中，三维成像***由分立元器件精密的机器扫描与强大的信号处理芯片构成。这样构成的***不仅笨拙体积大而且价格昂贵，此外它的功耗高也是其一大劣势。而单芯片CMOS图像传感器，基于TOF（TIME OF FLY）测距原理，用一个约几十毫伏功率的激光脉冲代替了传统的机器扫描，并且将读出电路，信号处理电路与像素电路集成到单一芯片上，用标准的CMOS工艺来实现这一设计。三维成像***基本的原理结构如图1所示，所要获取的深度图像的景深是依靠时间间隔测量来控制的。这样就很好解决了功耗、体积、费用等一系列问题。为三维成像技术的推广应用，奠定了很好的基础。

在三维图像传感器中，感光器件采用的是工作在盖革模式下的单光子雪崩二极管。这种二极管有很高的光电倍增效应，能够在光线较暗的环境下也能获得较好的成像效果，增大了其动态范围，使其能在一个几十毫瓦激光源下对物体进行探测。且单光子雪崩二极管的优秀的性能表现能满足三维成像的要求，最终被用作三维图像传感器的感光器件。但单光子雪崩二极管的感光增益均匀性，会受到PN结边缘过早击穿的影响。

另外，图像分辨率是表征图像一个相当重要的参数。在一定芯片面积上怎样实现分辨率达到最优是设计者要关心的问题。如果要实现高分辨率，传统的方法是缩小像素单元的面积来提高一定芯片面积上的像素单元个数。然而，如果不断的缩小单光子雪崩二极管的面积来增加分辨率，会引起信噪比（SNR）的减小，串扰率的增加，这样不但没提高图像的质量，反而引起图像质量的下降。

综上所述，虽然采用单光子雪崩二极管作为感光器件的三维图像传感器相比于传统的三维成像技术具有很大的优越性，但仍然存在着PN结边缘容易过早击穿而带来的感光增益均匀性差以及难以提高图像分辨率等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术所在的上述缺陷，提供一种改变PN结形状的单光子雪崩二极管，以及将此单光子雪崩二极管作为感光器件并且改变其像素单元的排列方式，在此基础上方便地使用像素插值的三维COMS图像传感器。

本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：

首先，提供一种单光子雪崩二极管，其特点是：其感光PN结为正八边形。

更具体地说，单光子雪崩二极管的硅衬底为P型衬底，在P型衬底上设有一个正八边型的N型深阱，在N型深阱顶部设有正八边形的P+层，在P+层边缘设有保护环。

其二，提供一种基于上述单光子雪崩二极管的三维COMS图像传感器。它是一种采用单光子雪崩二极管作为像素单元，用于拍摄图像并生成包括像素值的图像数据的传感器；其特点是：由单光子雪崩二极管所组成的二维像素阵列在传统排列方式的基础上旋转45度成蜂窝状形式排列；同时，在该二维像素阵列的一侧设置了被旋转了45度的行解码器，在另一侧则设置了列解码器，列解码器垂直于行解码器，并可方便地在水平线与垂直线交叉的位置处存在的没有形成实际图像数据的部分进行插值。

本发明将单光子雪崩二极管的PN结形状由传统的矩形改为正八边形，并将其排列旋转45度，实现蜂窝状排列。在水平线和垂直线交叉的位置处存在没有形成实际图像数据的部分，可利用其特点对用于该位置的数据进行插值并且将虚拟图像数据***在该位置，从而实现在水平各垂直方向上的图像分辨率的提高。同时还设置了该二维像素阵列的行解码器和列解码器，行解码器与列解码器能提取指定的像素数据，同时充分对所提取的数据进行放大并生成包括像素值的图像数据。因此，本发明能削弱单光子雪崩二极管中PN结的边缘过早击穿，提高硅片的填充率，最终达到提高单光子雪崩二极管均匀性和提高三维CMOS图像传感器感分辨率的目的。

本发明的原理如下：

在PN结的平面制造工艺中，所掺入的杂质原子通过掩模版所确定的二氧化硅窗口从表面向体内扩散，与些同时，扩散也会发生在横向，基本上可以近似认为横向与纵向的扩散深度相等。因而，在矩形雪崩光电二极管中，扩散形成的PN结接触的底部是一平面；在PN接触的侧壁近似为一四分之一圆柱曲面，这种形状的结被称作曲PN面结；由于矩形中四个相对尖锐的90度角，在PN结接触的地方形成了一个八分之一的球面，也此被称作球面PN结。在相同的衬底材料，相同的掺杂材料，相同的掺杂浓度，相同的外加反向偏置电压的情况下，在球面PN结中电场集中强度最大，柱面PN结次之，而平面PN结的电场集中程度最小。因为外加反向偏置电压相同时，生成的空间电荷区厚度不同，从厚到薄顺序依次为：平面PN结、柱面PN结、球面PN结，因此，最大电场强度从强到弱的顺序为：球面PN结、柱面PN结、平面PN结，而电离率随电场强度的增加快速增大，因此它们的击穿电压从大到小依次为：平面PN结、柱面PN结、球面PN结。因而，在球面PN结、柱面PN结这些区域中易过早发生雪崩击穿，从而导致整个雪崩光电二极管的击穿电压降低。如果PN结越浅，柱面PN结与球面PN结就越容易击穿，击穿电压也降低得显著。

现行存在的工艺技术中，为了降低柱面PN结、球面PN结对击穿电压的影响，采用的方法有：深结扩散，增大曲率半径，使其更趋向于平面PN结，减弱电场的集中程度，从而提高雪崩击穿电压；磨角法，将电场相对集中柱面PN结、球面PN结打磨光滑形成台面PN结；采用保护环，在PN结周围加环状。

本发明提出的将矩形结构的单光子雪崩二极管改进为正八边形结构，以此来削弱边缘击穿，防止过早击穿，提高单光子雪崩二极管的增益均匀性。

正如前面所阐述的，PN结曲率越大，击穿电压相对较大，而掩膜版所确定的单光子雪崩二极管形状的角越尖锐，其越容易被过早击穿。在本发明的正八边形单光子雪崩二极管中每个角的大小由矩形90度角增加到了135度，减弱了电场的集中程度，这样就会相应提高击穿电压，进而提高单光子雪崩二极管的增益均匀性。

另一方面，我们容易知道，在相等的周长条件下，构成正八边形的面积比构成矩形的面积要大。随着光感应面积的增大，单光子雪崩二极管的感应强度也随之增大，这自然也能提高单光子雪崩二极管的性能。从反面来说，在缩小单光子雪崩二极管尺寸增加分辨率的时，感光度也随之降低，如果一味的缩小尺寸，就会出现信噪比下降，串扰率增加，最终不会因为分辨率的提高而提高图像的质量，相反会导致图像质量下降。

以上所述是将单光子雪崩二极管的形状改进为正八边形的优势，下面来阐述蜂窝状的三维CMOS图像传感器的在插值上的优势。

据相关资料所知，在人类视觉细胞中，一亿二千万个工作于黑暗时，六百万个工作于明亮时并对颜色有反应。尽管这些细胞以镶嵌方式分布在视网膜表面，但水平轴、垂直轴高频信息感光度远比45度对角线高。还有地心引力使空间频率的功率主要集中于水平、垂直方向，要有效捕获视觉信息，眼睛在这些位置需更灵敏。同样三维CMOS图像传感器水平轴、垂直轴分辨率也是决定器件分辨率的关键，而对角线高频特性损失对图像影响极小。据此，在本发明中将单光子雪崩二极管单位像素旋转45度，排列成蜂窝状形式，以此来提高水平轴、垂直轴的分辨率，配合其它技术，使三维CMOS图像传感器的性能指标得到提高。

本发明所述的三维CMOS图像传感器的主要思想是将像素单元旋转45度成蜂窝状排列，再加上简单的优质的插值，能使像素间水平、垂直距离比像素本身对角线距离短。这种结构更符合人类视觉的特点，同时可以提高像素单元的排列密度。从而不但提高了水平与垂直方向的分辨率，也提高了整个图像的分辨率。

与具有规则矩形单位像素的图像传感器相比，本发明的三维CMOS图像传感器的优点在于采用了蜂窝状的排列方式，使其能容易地执行插值，因此该三维CMOS图像传感器具有提高实际像素数量的优势，从而在保持灵敏度等性能的同时使分辨率增加。在读取图像信息时，现有的三维CMOS图像传感器是4*4方式扫描的，这样仅构成水平垂直各四条扫描线。而在超级三维CMOS图像传感器中采用像素蜂窝状的排列方式，其水平、垂直方向上的有效扫描线将会各达到7条之多。这样像素电路将排列得更加紧密，单位面积上在像素面积相等的情况下也将有更多数量的像素，产生的图像更丰富、更逼真、更清晰。

本发明所述单光子雪崩二极管，用正八边形的单光子雪崩二极管代替了现有的矩形雪崩光电二极管，使空间效率得到提高也就是提高了填充系数；同时采用正八边形的形状，其角为135度，这样在标准CMOS工艺中将获得比矩形单光子雪崩二极管更高的增益一致性。从而提高了光吸收效率，感光度、信噪比也得到改善，动态范围也有扩大。

本发明所述三维CMOS图像传感器采用蜂窝状排列，能方便优质地对图像进行像素插值。由于将矩阵式的排列改进为蜂窝状的排列，行解码器与列解码器也随之增加，在某些行与列交叉的位置没有感光单元，如此，我们可以利用相邻的四个像素对该位置进行插值，来提高水平与垂直方向的像素分辨率，并且这种插值方式能保持很好的图像质量。

附图说明

图1为具有三维CMOS图像传感器的成像***的原理流程示意图。

图2为本发明的正八边形感光PN结的单光子雪崩二极管的剖面结构框图。

图3为本发明的以正八边形单光子雪崩二极管为像素单元且成蜂窝状排列的像素阵列示意图。

图4为本发明的基于正八边形单光子雪崩二极管的三维CMOS图像传感器执行插值的示意图。

图5为一种具有规则四边形单位像素的图像传感器的执行图像数据插值的示意图。

图6是图2所示结构的单光子雪崩二极管的工艺过程原理示意图。

图7为可将图6所示的工艺过程应用的雪崩光电二极管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，是一种具有三维CMOS图像传感器的成像***的原理流程示意图。将本发明的三维CMOS图像传感器应用于图1所示的成像***，可提供一种方便简单的像素插值方法。从图1中可见，该成像***具有一个三维CMOS图像传感器，该三维CMOS图像传感器用于拍摄图像并生成包括像素值的图像数据；一个激光发射源，用于提供一束一致性高合适波长的锥状激光光束照射在目标物体上；时间数字解码器，用来测量激光发射到被三维CMOS图像传感器检测到的时间间隔；图像处理单元，用于接收来自该三维CMOS图像传感器的图像数据、插值像素、基于所插值的像素对各自像素交叉的点插值数据，并生成修改的图像数据；显示单元，用于接收来自图像处理单元的修改的图像数据并在屏幕上显示所修改的图像数据；控制单元，用于控制三维CMOS图像传感器、图像处理单元和显示单元。其中的所述的图像处理单元、显示单元、控制单元也可以用一广义上的计算机来实现。

参见图3，是本发明的以正八边形单光子雪崩二极管为像素单元且成蜂窝状排列的像素阵列示意图。如图3所示，本发明的图像传感器具有正八边形的单位像素，采用正八边形单光子雪崩二极管1做为感光器件，能在标准CMOS工艺中能降低边缘击穿对击穿电压的影响，而获得PN结更好的增益一致性。因此，本发明的三维CMOS图像传感器能提高感光度、信噪比、动态范围。

参见图2，是本发明的正八边形感光PN结的单光子雪崩二极管的剖面结构框图。图2所示的是光从正面入射的单光子雪崩二极管的剖面图。经掩膜版刻蚀（一般采用光刻工艺）的通光孔，由传统的矩形结构改为了正八边形状，而经扩散形成的PN结也成正八边形，其角也就由相对比较尖锐的90度变为了135度。另外，在实际CMOS工艺制造时，在本来由各个面相交组成的角度相对尖锐的地方都会使其有一定的弧度，这样也可以在一定程度上缓和电场的击穿强度，提高雪崩击穿电压。

图2所示结构的单光子雪崩二极管的硅衬底为P型衬底，在P型衬底上设有一个正八边型的N型深阱，在N型深阱顶部设有正八边形的P+层，在P+层边缘设有保护环。

下面对图2所示结构的单光子雪崩二极管的工艺过程进行介绍。参见图6，首先在P型衬底上沉积一层氮化硅Si₃N₄，其能阻止离子注入从而控制离子注入的区域。然后通过正八边形的掩膜版，将N阱上方的Si₃N₄刻蚀掉，这样就可以通过被刻蚀Si₃N₄的位置进行N注入形成图6中的4所示的N阱。接着，将器件放在高温、纯净的氧气氛围下，使其氧化在有硅曝露的地方生长一层较厚的氧化层，扩散使两个N阱在底部也连在一起，如图6中5所示。再者，将其余的Si₃N₄刻蚀掉，利用二氧化硅对离子注入的阻止，在两N阱间隙处进行自对准P型离子注入，接着在高温下进行驱动扩散形成一个低掺杂的P阱型保护环，如图6中6所示。再然后就是通过正八边形的掩膜，将中心区域的二氧化硅刻蚀，并离子注入形成一八边形P+区，如图6中7所示。剩下的工艺主要是在P衬底与N阱中分别注入P+与N+作为金属接触。这样最终形成了图2所示的单光子雪崩二极管的结构。

上述的实施例旨在示范，不论是平面型正面入光的单光子雪崩二极管结构，还是平面型背照式的单光子雪崩二极管结构、台面型正面入光的单光子雪崩二极管结构、台面型背照式单光子雪崩二极管结构等等，都能方便简单将感光的PN结制作成正八边形，能提高单光子雪崩二极管的均匀性，同时还可以应用在如图7中8、9、10、11所示的雪崩光电二极管的结构中，其中，正八边形的P+层边缘的保护环，或者是在P+层下中心处设有正八边形的N+层，或者是在P+层边缘处设有正八边形的P-阱，或者是在间隔P+层小距离处设有正八边形的P型环。

参见图4，是本发明的具有正八边形单元像素成蜂窝状排列的三维CMOS图像传感器进行图像数据插值的示意图。由图4可见，正八边形单位像素旋转45度成蜂窝状排列，从而在水平线和垂直线交叉的位置处2形成实际不存在图像的部分。通过图像处理能方便简单对该部分插值，并在该部分处***虚拟图像数据，从而充分利用蜂窝状的结构下读取图像数据的解码器来提高图像的分辨率。

参见图5，是现有技术中的一种具有规则四边形单位像素的图像传感器的插值图像数据的示意图。如图5所示，当像素阵列成矩形状排列时，这样的排列使得四个像素相邻，在用图像处理单元对图像进行插值时，对每四个像素相邻的位置处3***一个像素，这样得到的像素被***到了与水平、垂直方向成45度角的方向，而人眼对这个方向的像素最不敏感。与蜂窝状的插值比较，由于在蜂窝状图像传感器中，对图像进行插值时，***的像素在水平、垂直方向上，提高了水平垂直方向的分辨率。显然，蜂窝状的图像传感器将获得比矩形状排列的图像传感器更高的有效像素。同时，成蜂窝状排列的图像传感器排列得更加紧密，填充系数更高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的技术范围内，可轻易想到的变化、变更、或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，在这里，本专利保护的范围仅限于包含在所附权利要求中的限定及其等价的权利要求，而不受此描述的该实施例的限制。

Claims (4)

1.一种单光子雪崩二极管，其特征在于：其感光PN结为正八边形。

2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于：单光子雪崩二极管的硅衬底为P型衬底，在P型衬底上设有一个正八边型的N型深阱，在N型深阱顶部设有正八边形的P+层，在P+层边缘设有保护环。

3.根据权利要求书2所述的单光子雪崩二极管，基特征在于：所述的正八边形的P+层边缘的保护环，或者是在P+层下中心处设有正八边形的N+层，或者是在P+层边缘处设有正八边形的P-阱，或者是在间隔P+层小距离处设有正八边形的P型环。

4.一种基于权利要求1所述单光子雪崩二极管的三维COMS图像传感器，是采用单光子雪崩二极管作为像素单元，用于拍摄图像并生成包括像素值的图像数据；其特征在于：由单光子雪崩二极管所组成的二维像素阵列在传统排列方式的基础上旋转45度成蜂窝状形式排列；同时，在该二维像素阵列的一侧设置了被旋转了45度的行解码器，在另一侧则设置了列解码器，列解码器垂直于行解码器，并可方便地在水平线与垂直线交叉的位置处存在的没有形成实际图像数据的部分进行插值。

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