[发明专利]单光子雪崩二极管和单光子雪崩二极管阵列

说明书

一种单光子雪崩二极管SPAD包括有源区(10)，该有源区布置为产生光子触发的雪崩电流。覆盖件(12)布置在有源区(10)上或之上。覆盖件(12)对有源区(10)屏蔽入射光子。覆盖件(12)包括至少第一金属层和第二金属层(13、14)的叠层。金属层(13、14)的至少一个，例如第一金属层(13)，包括孔(15)。金属层(13、14)布置为相对于光轴(OA)在叠层中以沿着光轴(OA)开放有效孔(18)。通过有效孔(18)，有源区(10)的部分(19)暴露于沿着光轴(OA)入射的入射光子。有效孔(18)比布置在第一金属层(13)中的孔(15)小。

本发明涉及一种单光子雪崩二极管和一种单光子雪崩二极管阵列。

单光子雪崩二极管，简称SPAD，是一种基于偏置超过击穿区的pn结的固态光电探测器。偏置电压产生高电场强度的电场。事实上，单个光子可能在SPAD的耗尽层中产生电荷载流子，该电荷载流子又会由于碰撞电离机制触发雪崩电流。一旦触发一定的时间后，雪崩会主动或被动地猝熄，从而允许器件“重置”，以便再次检测另外的光子。在雪崩击穿停止之后，SPAD被充电到其过偏置电压，例如高于击穿电压的电压。然而，在这段所谓的死区时间里，SPAD不能探测到光子。

SPAD的线性范围被死区时间限制，因为SPAD输出相对于入射光强度随着强度的增加变得越来越非线性。为了扩展SPAD的线性响应，覆盖结构已经被提出。例如，覆盖SPAD的金属孔可以设计为限制入射光子的数量。此外，由于高光子计数的高计数率导致高电流。因此，SPAD的衰减具有减少电流消耗的附加效果。

在高环境光条件和强信号(没有强信号，信号可能会在噪声中丢失)下可能需要对SPAD进行衰减。对于中等至低的环境光条件和较弱的信号，可能需要非衰减的SPAD。因此衰减和非衰减的SPAD可以作为一个阵列一起设置在同一个芯片上，以适应不同的光照条件。例如，非衰减的SPAD在高环境光条件下被停用。

最大可达到的衰减通常被所用金属层的设计规则限制。例如，对于具有50μm²的有源区和0.5％的预期衰减的SPAD，覆盖件(例如金属屏蔽)可以具有需要为0.5×0.5μm²的方形孔。然而，在某些SPAD制造工艺中，这可能违反金属间距规则和/或金属封闭区域规则。特别地，对于超过最小金属宽度的金属线，最小间距规则通常比某种工艺中可能的最小间距大得多。此外，最大金属宽度和/或最大金属密度通常也被限制。

目的是提供单光子雪崩二极管和具有扩展的线性响应的单光子雪崩二极管阵列。

这些目的通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中描述了另外的发展和实施例。

应当理解，除非另外明确描述，被描述为与任何一个实施例有关的任何特征可以单独使用，或与在下文中描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或更多个特征结合使用，或与任何其他实施例的任何组合结合使用。此外，在不脱离如所附权利要求中所提出的单光子雪崩二极管和单光子雪崩二极管的阵列的范围的情况下，也可以采用未在下面描述的等同和修改。

以下涉及在单光子雪崩二极管(SPAD)和这种SPAD阵列的领域中的改进概念。该概念提供通过改进覆盖件以扩展SPAD的衰减的方法，例如通过使用两个或更多个金属层的组合。事实上，实际可实现的衰减能够扩展到更小的值，例如对于通常的有源区，衰减小于1％。

在至少一个实施例中，单光子雪崩二极管(SPAD)包括有源区，有源区布置为产生光子触发的雪崩电流。覆盖件布置在有源区上或之上。覆盖件对有源区屏蔽入射光子。覆盖件包括至少第一金属层和第二金属层的叠层。

金属层的至少一个，例如第一金属层，包括孔。金属层相对于光轴布置在叠层中以沿着光轴开放有效孔。通过有效孔，有源区的部分暴露于沿光轴入射的入射光子。有效孔比布置在第一金属层中的孔小。