CN105810775B - 一种基于cmos图像传感器工艺的np型单光子雪崩二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管(SPAD)，其基本结构包括：P型硅衬底上方设有深N阱；P阱形成于深N阱上方；P阱周围设有轻掺杂的保护环；N+区域形成于P阱上方并与保护环有一定的重叠；N+与P阱之间形成PN结，并通过N+和P+引出阴极电极和阳极电极；N+区域和保护环的上方设有重掺杂的P型区域；保护环周围设有P阱并通过P+引出衬底电极。本发明单光子雪崩二极管，通过在N+区域表面制作重掺杂的P型区域，可以减小NP型SPAD器件的界面缺陷引起的暗计数；通过有效的版图技术，可以减小STI中缺陷引起的暗计数；通过有效的保护环技术，可以防止SPAD器件发生边缘击穿；通过在电极之间加合适的偏置电压，可以增强其在蓝光波段的响应。

Description

一种基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管
技术领域
本发明涉及一种基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管的结构。
背景技术
单光子探测是一种极微弱光的探测方法，被广泛应用在天文学、生物化学和医学诊断等领域中。由于单个光子的能量极低，用通常的检测方法很难直接把这种微弱的信号提取出来。要想观测到物质吸收单个光子后所引起的变化，必须存在相关的放大机制。利用光电效应原理，可以采用基于光电倍增管（PMT）和雪崩光电二极管的单光子探测器。
早期的单光子探测采用光电倍增管的方法。PMT作为单光子探测器具有高增益、光敏面大和暗计数低的优点，但是它需要工作在高电压下（通常在800到1500V之间），不能与信号处理电路进行集成，且容易受到磁场的影响。
雪崩光电二极管是一种建立在内光电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管工作在反向偏压下，反向偏压越高，耗尽层中的电场强度也就越大。在单光子探测中，APD工作在盖革模式下，反向偏置电压大于其雪崩击穿电压，因此它也被称为盖革模式雪崩光电二极管或者单光子雪崩二极管（SPAD）。SPAD具有单光子探测灵敏度、皮秒量级响应速度、增益系数高、对电离辐射和磁场不敏感、工作电压低、暗电流低、体积小、功耗低、过剩噪声小、结构紧凑、集成化高等优点，在光场探测、光子学、激光测距等领域得到了广泛的应用和关注。
对于CMOS SPAD器件说，它主要有两种结构：一种是PN型，另一种是NP型。PN型SPAD是在P型衬底上制作N阱，然后在N阱里制作重掺杂P型区，由N阱和P+构成PN结，形成倍增区。NP型的SPAD是在P型衬底上注入N阱，由P型衬底和N阱构成PN结，形成倍增区。对于PN型的SPAD，短波长的光触发雪崩的概率要大，长波长的光触发雪崩的概率要小，因此PN型SPAD对蓝光比较敏感；同时，SiO2与Si界面的缺陷捕获电子而产生空穴，即使在外加反向偏置电压的情况下，这些空穴不会进入倍增区而触发雪崩。而NP型SPAD对绿光比较敏感；NP型SPAD可以使用重掺杂N区域和P衬底构成，其耗尽层相对较宽，可以获得较大的探测效率；但是由于SiO2与Si界面的缺陷会捕获电子，从而在界面产生空穴，这些空穴在外加反向偏压的作用下向P型区域运动；当反偏电压大于击穿电压时，运动的空穴会触发雪崩，从而使器件的暗计数增大。基于标准CMOS工艺研究单光子光电探测器件方面已经开展了很多的工作。传统的CMOS单光子雪崩二极管使用P+/Nwell结来实现，NP型单光子雪崩二极管的应用由于较差的噪声特性而受到限制。
发明内容
针对以上现有技术中的不足，本发明提出一种基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管(SPAD)，其基本结构包括：P型硅衬底（100）上方设有深N阱（200）；P阱（301）形成于深N阱（200）上方并与深N阱（200）接触；P阱（301）的周围设有轻掺杂的保护环（401，402）；N+区域（601，602）形成于P阱（301）上方，并与轻掺杂的保护环（401，402）有一定的重叠；N+区域（601，602）和轻掺杂的保护环（401，402）的上方设有重掺杂的P型区域（801，802，803），覆盖了除阴极接触和阳极接触以外的整个（601，602）和（401，402）的表面；轻掺杂的保护环（401，402）周围设有P阱（302，303），P阱区域（302，303）通过P+区域（502，503）引出衬底电极；重掺杂的P型区域（801，802，803）与P阱（302，303）连起来，具有相同的电势；P+区域（502，503）与重掺杂的P型区域（801，802，803）之间设置有浅结隔离STI（702，703）；STI（702，703）与重掺杂的P型区域（801，802，803）之间设有一定的距离。N+区域（601，602）的底部与P阱（301）的顶部之间形成PN结（11），并通过N+区域（601）和P+区域（501）引出阴极电极和阳极电极。
本发明的技术效果在于：
1）本发明的单光子雪崩二极管，结构简单，在盖革模式下发生雪崩击穿，可以实现单光子的探测。
2）本发明的单光子雪崩二极管沿结深方向有四个PN结，通过加合适的偏置电压，使结（11）工作在盖革模式，其他三个PN结都处于反向偏置状态，可以提高器件的时间分辨率；若使结（12）工作在盖革模式，则可以增强器件对蓝光的响应。
3）本发明的单光子雪崩二极管，通过在N+区域表面制作重掺杂的P型区域，可以减小NP型SPAD器件的界面缺陷引起的暗计数，改善器件的噪声特性。
4）本发明的单光子雪崩二极管，通过有效的版图技术，可以减小STI中缺陷引起的暗计数。
5）本发明的单光子雪崩二极管，通过有效的保护环技术，可以防止SPAD器件发生边缘击穿。
6）该器件在CMOS图像传感器工艺中实现，能与后续的CMOS信号处理和读出电路进行单芯片集成，在3D图像传感器的实现方面有很大的应用价值。
附图说明
图1是本发明中的单光子雪崩二极管的结构示意图。
图2是本发明中的单光子雪崩二极管的淬灭电路。
图3是根据图1的实施例的示意图。
图4是根据图3的具体实施例的示意图。
图5是根据图3的又一具体实施例的示意图。
具体实施方式
图1是本发明提供的一种基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管(SPAD)，其基本结构包括：P型硅衬底（100）上方设有深N阱（200）；P阱（301）形成于深N阱（200）上方并与深N阱（200）接触；P阱（301）的周围设有轻掺杂的保护环（401，402）；N+区域（601，602）形成于P阱（301）上方，并与轻掺杂的保护环（401，402）有一定的重叠；N+区域（601，602）和轻掺杂的保护环（401，402）的上方设有重掺杂的P型区域（801，802，803），覆盖了除阴极接触和阳极接触以外的整个（601，602）和（401，402）的表面；轻掺杂的保护环（401，402）周围设有P阱（302，303），P阱区域（302，303）通过P+区域（502，503）引出衬底电极；重掺杂的P型区域（801，802，803）与P阱（302，303）连起来，具有相同的电势；P+区域（502，503）与重掺杂的P型区域（801，802，803）之间设置有浅结隔离STI（702，703）；STI（702，703）与重掺杂的P型区域（801，802，803）之间设有一定的距离。N+区域（601，602）的底部与P阱（301）的顶部之间形成PN结（11），并通过N+区域（601）和P+区域（501）引出阴极电极和阳极电极。
当SPAD的反向偏置电压高于击穿电压时，光生载流子和暗载流子都能触发雪崩，从而产生输出脉冲。而SPAD是用于微弱光信号探测的，如果暗载流子引起的脉冲数较大，信号与噪声就会产生混淆，无法探测微弱的光信号。因此，噪声特性成为SPADs的主要问题。本发明中，通过在N+区域表面设置重掺杂的P型区域，并设置合适的偏置电压使N+区域与重掺杂的P型区域构成的PN结反偏，有效地抑制了NP型SPAD由于界面缺陷捕获电子而产生的暗计数；通过适当的版图技术，使STI与SPAD倍增区之间存在一定的距离，从而减小STI界面深能级载流子产生中心引起的暗计数，降低了器件的暗噪声。
图2是本发明中单光子雪崩二极管在3D图像传感器应用中的淬灭电路。D1是图1所示器件中PN结（12，14）等效的二极管，对蓝光和红光有较好的响应；D2是器件中PN结（11，13）等效的二极管，对绿光有较好的响应。D1的阳极接地，D2的阳极接-V BD，D1与D2共用阴极，通过PMOS器件M1偏置到V DD。当Start=0时，D2两端的电压大小为V DD+V BD，偏置在盖革模式的状态，耗尽层中的电场强度大于发生雪崩击穿时的临界电场强度；D1两端电压为V DD，处于反偏状态。若有光子入射时，器件吸收光子产生光生电子-空穴对，光生载流子在电场作用下触发雪崩，使入射光信号的输出电流得到放大。此时，SPAD阴极结点电压V C将由V DD跳变为0电平，该电压变化将通过反相器输出鲁棒性很强的脉冲信号Vp，这一电压变化将触发或停止计时。
图3是根据图1的实施例的示意图。该实施例采用低掺杂N型区域作为保护环，低掺杂N型区域的掺杂浓度低于N+区域，与P阱区域构成PN结时，使PN结的边缘击穿电压高于SPAD的平面倍增区域的击穿电压，防止SPAD器件发生边缘击穿。
图4是根据图3的具体实施例的示意图。该实施例中采用N阱区域作为保护环。
图5是根据图3的又一具体实施例的示意图。该实施例采用无N阱保护环，即深N阱作为保护环。
综上所述，本发明基于CMOS图像传感器工艺，设计了一种单光子雪崩二极管，实现了对微弱光甚至是单个光子的探测，提高了器件的时间分辨率，改善了器件的噪声特性。

Claims (10)

1.一种基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管(SPAD)，包括：
P型硅衬底(100)上方设有深N阱(200)；第一P阱(301)形成于深N阱(200)上方并与深N阱(200)接触；第一P阱(301)的周围设有轻掺杂的保护环(401，402)；N+区域(601，602)形成于第一P阱(301)上方，并与轻掺杂的保护环(401，402)部分重叠；N+区域(601，602)和轻掺杂的保护环(401，402)的上方设有重掺杂的P型区域(801，802，803)，N+区域(601，602)与重掺杂的P型区域(801，802，803)形成第一PN结(12)；N+区域(601，602)的底部与第一P阱(301)的顶部之间形成第二PN结(11)，并通过N+区域(601，602)引出阴极电极，第一P+区域(501)形成于第一P阱(301)上方并引出阳极电极；轻掺杂的保护环(401，402)周围设有第二P阱(302，303)，第二P阱(302，303)通过第二P+区域(502，503)引出衬底电极；重掺杂的P型区域(801，802，803)与第二P阱(302，303)连起来，具有相同的电势；第二P+区域(502，503)与重掺杂的P型区域(801，802，803)之间设置有浅沟道隔离STI(702，703)；浅沟道隔离STI(702，703)与重掺杂的P型区域(801，802，803)不接触。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管，其中所述的第一P阱(301)周围的轻掺杂的保护环(401，402)的作用在于，使第二PN结(11)的边缘击穿电压高于单光子雪崩二极管的平面倍增区域的击穿电压，防止边缘击穿。
3.根据权利要求2所述的基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管，其中所述的轻掺杂的保护环(401，402)是掺杂浓度比N+区域(601，602)小的轻掺杂N型区域。
4.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管，其中所述的轻掺杂的保护环(401，402)与深N阱的作用在于将第一P阱(301)与P型硅衬底(100)进行隔离。
5.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管，其中所述的重掺杂的P型区域(801，802，803)的掺杂浓度大于N+区域(601，602)、第一P+区域(501)和第二P+区域(502，503)的掺杂浓度，是器件中掺杂浓度最大的区域。
6.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管，其中所述的重掺杂的P型区域(801，802，803)的作用是收集界面陷阱捕获电子后产生的空穴，使空穴不会向第二PN结(11)的高场区运动，从而减小器件的暗计数。
7.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管，其中所述的重掺杂的P型区域(801，802，803)经过第二P阱(302，303)与P型硅衬底(100)连接，浅沟道隔离STI(702，703)与重掺杂的P型区域(801，802，803)不接触，其作用在于，将浅沟道隔离区域中的缺陷产生的载流子隔离于第二PN结(11)倍增区域之外，减小单光子雪崩二极管的暗计数；同时提供重掺杂的P型区域(801，802，803)与第二P阱(302，303)之间的导电通道。
8.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管，器件中有三个电极：阳极电极、阴极电极和衬底电极；沿结深方向存在四个PN结：重掺杂的P型区域(801，802，803)与N+区域(601，602)之间的第一PN结(12)，N+区域(601，602)与第一P阱(301)之间的第二PN结(11)，第一P阱(301)与深N阱(200)之间的第三PN结(13)，以及深N阱(200)与P型硅衬底(100)之间的第四PN结(14)；衬底是芯片的其余部分共用的，接地电位。
9.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管，其特征在于，将P型硅衬底接地，阴极偏置电压为VDD，阳极偏置电压为-VBD，且VDD，VBD均具有正极性，使第二PN结(11)反偏，同时重掺杂的P型区域(801，802，803)收集空穴。
10.根据权利要求1所述的基于CMOS图像传感器工艺的NP型单光子雪崩二极管，其特征在于，在阴极与阳极之间施加大于击穿电压的反向偏置电压，使第二PN结(11)工作在盖革模式下，器件中的其他PN结反偏，以实现对入射光进行探测，同时减小界面缺陷引起的暗计数，提高器件的时间分辨率；在阴极与衬底电极之间加合适的反向偏置电压，使第一PN结(12)的反偏电压大于它的击穿电压，提高对蓝光的探测效率。
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