CN217822825U - 一种spad传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种SPAD传感器，其中，SPAD传感器，包括：超透镜和SPAD杂质半导体p‑n结；入射到所述SPAD传感器的光线被所述超透镜汇聚后，被所述SPAD杂质半导体p‑n结接收。通过本实用新型实施例提供的SPAD传感器，通过超透镜将入射到所述SPAD传感器的光线汇聚到SPAD杂质半导体p‑n结上，可以大大提高SPAD传感器的探测灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及超透镜应用技术领域，具体而言，涉及一种SPAD传感器。
背景技术
目前，单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)是一种p-n结型的光电二极管，其区别于其他的二极管的是在p-n结上的反向偏压加大时，会出现“雪崩”现象，就是光电流会成倍的激增，从而产生内部增益，光电二极管的灵敏度就会提高。但是现在的SPAD存在探测灵敏度偏低的缺陷。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种SPAD传感器。
第一方面，本实用新型实施例提供了一种SPAD传感器，包括：超透镜和SPAD杂质半导体p-n结；
入射到所述SPAD传感器的光线被所述超透镜汇聚后，被所述SPAD杂质半导体p-n结接收。
本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，利用超透镜作为SPAD传感器的光线接收单元，利用超透镜所具有的汇聚光线的功能，将入射到所述SPAD传感器的光线被超透镜汇聚后，再入射到SPAD杂质半导体p-n结中，与相关技术中的SPAD相比，通过超透镜将入射到所述SPAD传感器的光线汇聚到SPAD杂质半导体p-n结上，可以大大提高SPAD传感器的探测灵敏度，且结构简单使得加工过程简单。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。
图1示出了本实用新型实施例所提供的一种SPAD传感器中，第一种SPAD传感器的结构示意图；
图2示出了本实用新型实施例所提供的一种SPAD传感器中，第二种SPAD传感器的结构示意图；
图3示出了本实用新型实施例所提供的一种SPAD传感器中，第二种SPAD传感器的结构的加工流程图；
图4示出了本实用新型实施例所提供的一种SPAD传感器中，超透镜中正六边形、正方形和扇形的纳米结构单元在基底上的排布图。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
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。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，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，或一体地连接；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。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实用新型中的具体含义。
目前，单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)是一种p-n结型的光电二极管，其区别于其他的二极管的是在p-n结上的反向偏压加大时，会出现“雪崩”现象，就是光电流会成倍的激增，从而产生内部增益，光电二极管的灵敏度就会提高。但是现在的SPAD存在探测灵敏度偏低的缺陷。
基于此，本申请实施例提出一种SPAD传感器，利用超透镜作为SPAD传感器的光线接收单元，利用超透镜所具有的汇聚光线的功能，将入射到所述SPAD传感器的光线被超透镜汇聚后，再入射到SPAD杂质半导体p-n结中，可以大大提高SPAD传感器的探测灵敏度。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步详细的说明。
实施例
参见图1所示的第一种SPAD传感器的结构示意图和参见图2所示的第二种SPAD传感器的结构示意图，本实施例提出一种SPAD传感器，包括：超透镜100和SPAD杂质半导体p-n结。
入射到所述SPAD传感器的光线被所述超透镜汇聚后，被所述SPAD杂质半导体p-n结接收。
所述超透镜，包括：衬底和设置在所述衬底上的纳米结构。
在一个实施方式中，所述SPAD杂质半导体p-n结，位于所述超透镜的焦平面上。
超透镜和与超透镜位置对应的SPAD杂质半导体p-n结组成一个接收组件，对入射的光线进行接收。为了增加接收光线的传感器数量，会将多个接收组件并列设置，形成SPAD传感器阵列，在利用SPAD传感器阵列对光线进行接收的过程中，每个接收组件中的超透镜在接收到光线并对接收到的光线进行汇聚后得到的入射光线，可能会入射到与该超透镜所在接收模组相邻的接收模组的SPAD杂质半导体p-n结上，导致相邻接收模组之间出现信号串扰的问题。
为了避免相邻接收模组之间出现信号串扰的问题，本实施例提出的SPAD传感器，还包括：梯形波导102。
所述梯形波导设置在所述SPAD传感器的硅区内。
所述梯形波导覆盖在所述SPAD杂质半导体p-n结上，所述超透镜覆盖在所述梯形波导上。
入射到所述SPAD传感器的光线被所述超透镜汇聚后，经过梯形波导传输进入到所述SPAD杂质半导体p-n结。
这里，所述超透镜至少满足：
其中，λ为光线的波长；S为所述超透镜的反射率；n1(λ)为所述纳米结构的等效折射率；n2(λ)为所述梯形波导的折射率；所述纳米结构的等效折射率为单个纳米结构与周围的填充材料组成的填充单元的折射率。
所述纳米结构的等效折射率，与纳米结构所选择的材料类型、尺寸和周期相关。当纳米结构所选择的材料类型、尺寸和/或者周期的不同而发生变化时，为了使所述超透镜的反射率小于某个数值(如：1％)，即，使所述超透镜的透射率大于某个数值，从而保证SPAD传感器的透射率较高，相应的梯形波导的折射率可能也需要发生变化。即梯形波导的折射率可能随着所述纳米结构的等效折射率发生的变化而变化，具体的，可通过改变梯形波导选取的材料改变所述梯形波导的折射率。
通过以上的描述可以看出，通过在SPAD传感器中设置梯形波导，使得入射到所述SPAD传感器的光线被所述超透镜汇聚后经过梯形波导传输而进入到与超透镜位于同一接收模组中的SPAD杂质半导体p-n结上，避免了相邻接收模组之间出现信号串扰的问题，进一步提高了检测的准确性。
可选地，除了使用梯形波导外，如果超透镜的衬底就是利用所述SPAD传感器的硅区而形成的硅衬底的话，那么本实施例提出的SPAD传感器，还包括：第一隔离器104和第二隔离器106。
所述硅衬底覆盖在所述SPAD杂质半导体p-n结上。
所述第一隔离器和所述第二隔离器设置在所述硅衬底内。
所述第一隔离器和所述第二隔离器分别设置于所述超透镜的两侧。
所述第二隔离器在预设方向上相对于所述第一隔离器对准。
入射到所述SPAD传感器的光线被所述超透镜汇聚后，被所述第一隔离器和所述第二隔离器散射和/或者反射后，入射到所述SPAD杂质半导体p-n结上。
所述SPAD杂质半导体p-n结在所述SPAD传感器的硅区的底部。
通过以上的描述可以看出，通过在SPAD传感器中设置位于所述超透镜两侧的第一隔离器和第二隔离器，将被超透镜汇聚后的光线中偏离超透镜出射光轴的光线进行散射和/或者反射后入射到所述SPAD杂质半导体p-n结上，从而利用设置的第一隔离器和第二隔离器，将接收模组与该接收模组相邻的接收模组“隔离”，以保证入射到该接收模组的光线不会入射到该接收模组相邻的接收模组上，避免了相邻接收模组之间出现信号串扰的问题，进一步提高了检测的准确性。
在一个实施方式中，所述第一隔离器和所述第二隔离器采用深沟槽隔离结构。
所述第一隔离器和所述第二隔离器，还可以采用现有技术中任何能够在半导体器件中实现光线反射和/或者散射的结构，这里不再一一赘述。
为了形成所述SPAD杂质半导体p-n结，本实施例提出的SPAD传感器中，所述SPAD杂质半导体p-n结包括：第一SPAD杂质半导体层108和第二SPAD杂质半导体层110。
所述第一SPAD杂质半导体层覆盖在所述第二SPAD杂质半导体层上。
所述第一SPAD杂质半导体层与所述第二SPAD杂质半导体层是不同的杂质半导体层。
具体地，参见图1所示的第一种SPAD传感器的结构示意图中，在SPAD传感器中，所述梯形波导覆盖在所述第二SPAD杂质半导体层上。
参见图2所示的第二种SPAD传感器的结构示意图中，在SPAD传感器中，超透镜设置在所述第一SPAD杂质半导体层108和第二SPAD杂质半导体层110所在的硅区上。
当所述第一SPAD杂质半导体层是p型半导体时，所述第二SPAD杂质半导体层是n型半导体，从而形成所述SPAD杂质半导体p-n结。
当所述第一SPAD杂质半导体层是n型半导体时，所述第二SPAD杂质半导体层是p型半导体，从而形成所述SPAD杂质半导体p-n结。
所述SPAD杂质半导体p-n结，用于吸收光子形成电子空穴对，产生电流；注入p型半导体的材料一般为硼，注入n型半导体的材料一般为磷或砷。
在一个实施方式中，所述第二种SPAD传感器的超透镜可通过直接在硅衬底上做结构来加工。由于超透镜、第一隔离器、第二隔离器都可用半导体工艺生产，所以可以使用刻蚀-填充-刻蚀的工艺完全实现整个SPAD的加工，具体加工过程如图3所示。使得加工过程简单且使用CMOS工艺即可将整个SPAD传感器实现量产。
超透镜是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据基底上的纳米结构来调制入射光。其中纳米结构包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。纳米结构可以采用全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括但不限于：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅。纳米结构在基底上呈阵列排布，超透镜的基底的截面形状为正六边形和/或正方形和/或扇形，每个基底的中心位置，或者每个基底的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。参见图4所示的超透镜中正六边形、正方形和扇形的纳米结构单元在基底上的排布图。超透镜的工作波段为红外波段。纳米结构之间可用空气填充或者其他透明的填充材料，需要注意的是，此填充材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。
在本实施例提出的所述的SPAD传感器中，还包括：填充材料；所述填充材料填充于多个所述纳米结构周围。
所述填充材料的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。
综上所述，本实施例提出一种SPAD传感器，利用超透镜作为SPAD传感器的光线接收单元，利用超透镜所具有的汇聚光线的功能，将入射到所述SPAD传感器的光线被超透镜汇聚后，再入射到SPAD杂质半导体p-n结中，与相关技术中的SPAD相比，通过超透镜将入射到所述SPAD传感器的光线汇聚到SPAD杂质半导体p-n结上，可以大大提高SPAD传感器的探测灵敏度。
所述探测灵敏度指的是可探测最小光功率。如果没有聚光，那么光就被散射掉，导致探测器就探测不到光了，那么就会导致灵敏度低；但是SPAD传感器中具有超透镜，光能量被汇聚，这样即使在光能量很小的情况下，由于汇聚作用，光还是会被探测器探测到，那么SPAD传感器的探测灵敏度就高了。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种SPAD传感器，其特征在于，包括：超透镜和SPAD杂质半导体p-n结；
入射到所述SPAD传感器的光线被所述超透镜汇聚后，被所述SPAD杂质半导体p-n结接收；
所述超透镜，包括：衬底和设置在所述衬底上的纳米结构；
当所述衬底采用硅衬底时，所述SPAD传感器还包括：第一隔离器和第二隔离器；
所述硅衬底覆盖在所述SPAD杂质半导体p-n结上；
所述第一隔离器和所述第二隔离器设置在所述硅衬底内，所述第一隔离器和所述第二隔离器分别设置于所述超透镜的两侧；
所述第二隔离器在预设方向上相对于所述第一隔离器对准；
入射到所述SPAD传感器的光线被所述超透镜汇聚后，被所述第一隔离器和所述第二隔离器散射和/或者反射后，入射到所述SPAD杂质半导体p-n结上。
2.根据权利要求1所述的SPAD传感器，其特征在于，还包括：梯形波导；所述梯形波导覆盖在所述SPAD杂质半导体p-n结上，所述超透镜覆盖在所述梯形波导上；
入射到所述SPAD传感器的光线被所述超透镜汇聚后，经过梯形波导传输进入到所述SPAD杂质半导体p-n结。
3.根据权利要求1所述的SPAD传感器，其特征在于，所述第一隔离器和所述第二隔离器采用深沟槽隔离结构。
4.根据权利要求1或者2所述的SPAD传感器，其特征在于，所述SPAD杂质半导体p-n结，包括：第一SPAD杂质半导体层和第二SPAD杂质半导体层；
所述第一SPAD杂质半导体层覆盖在所述第二SPAD杂质半导体层上；
所述第一SPAD杂质半导体层与所述第二SPAD杂质半导体层是不同的杂质半导体层。
5.根据权利要求4所述的SPAD传感器，其特征在于，当所述第一SPAD杂质半导体层是p型半导体时，所述第二SPAD杂质半导体层是n型半导体；
当所述第一SPAD杂质半导体层是n型半导体时，所述第二SPAD杂质半导体层是p型半导体。
6.根据权利要求2所述的SPAD传感器，其特征在于，所述超透镜，还包括：填充材料；
所述填充材料填充于多个所述纳米结构周围。
7.根据权利要求6所述的SPAD传感器，其特征在于，所述填充材料的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。
8.根据权利要求6所述的SPAD传感器，其特征在于，所述超透镜至少满足：
其中，λ为入射光线的波长；S为所述超透镜的反射率；n1(λ)为所述纳米结构的等效折射率；n2(λ)为所述梯形波导的折射率；所述纳米结构的等效折射率为单个纳米结构与周围的填充材料组成的填充单元的折射率。
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Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN217822825U (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11927769B2 (en) | 2022-03-31 | 2024-03-12 | Metalenz, Inc. | Polarization sorting metasurface microlens array device |
| US11978752B2 (en) | 2019-07-26 | 2024-05-07 | Metalenz, Inc. | Aperture-metasurface and hybrid refractive-metasurface imaging systems |
| US11988844B2 (en) | 2017-08-31 | 2024-05-21 | Metalenz, Inc. | Transmissive metasurface lens integration |
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2022
- 2022-06-20 CN CN202221541066.8U patent/CN217822825U/zh active Active
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|---|---|---|---|---|
| US11988844B2 (en) | 2017-08-31 | 2024-05-21 | Metalenz, Inc. | Transmissive metasurface lens integration |
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