[发明专利]单光子雪崩二极管及单光子雪崩二极管阵列

说明书

本发明提供一种单光子雪崩二极管，包括N型半导体埋层、主动区及N型堆栈层。主动区包括第一P型半导体井层、第一N型半导体井层、第二P型半导体井层、二个阳极及P型外延层。第一P型半导体井层配置于N型半导体埋层上，第一N型半导体井层配置于第一P型半导体井层上。第二P型半导体井层配置于第一N型半导体井层上，此二个阳极配置于第二P型半导体井层上的相对两侧。P型外延层连接第一P型半导体井层及第二P型半导体井层。N型堆栈层配置于主动区旁，且配置于N型半导体埋层上。一种单光子雪崩二极管阵列亦被提出。

技术领域

本发明涉及一种光电二极管(photodiode)及光电二极管阵列，且特别是涉及一种单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode,SPAD)及单光子雪崩二极管阵列。

背景技术

单光子雪崩二极管在受光照射后，使得电子与电洞分离而形成光电流。当与电洞分离的电子进入PN接面(p-n junction)处的电场加速区(即雪崩区(avalanche region))时，电子被电场大幅地加速而撞击其他原子，使其他原子游离出更多的电子，而形成崩溃电流(avalanche current)。崩溃电流的电流值远大于原始的光电流，进而能够有效提升感应灵敏度。

单光子雪崩二极管可应用于飞行时间测距装置(time-of-flight rangingdevice,ToF ranging device)或光雷达(LiDAR)，可借由感测光的飞行时间来计算出物体的距离。然而，在单光子雪崩二极管中，在雪崩区以外的中性区(neutral region)的载子所受到的电场较为微弱，使得载子漂移(drift)至雪崩区的时间会有所延迟，导致时序颤动(timing jitter)，这会对测量光的飞行时间的准确度造成影响。

另一方面，当随着光电技术的不断演进，产品朝小型化发展，单光子雪崩二极管也被做得更小。在此情况下，光电子更容易往雪崩区以外的位置漂移，而导致光子侦测机率(photon detection probability,PDP)的损失。

发明内容

本发明是针对一种单光子雪崩二极管及单光子雪崩二极管阵列，其可有效抑制时序颤动，且可有效降低光子侦测机率的损失。

本发明的一实施例提出一种单光子雪崩二极管，包括N型半导体埋层、主动区及N型堆栈层。主动区包括第一P型半导体井层、第一N型半导体井层、第二P型半导体井层、二个阳极及P型外延层。第一P型半导体井层配置于N型半导体埋层上，第一N型半导体井层配置于第一P型半导体井层上。第二P型半导体井层配置于第一N型半导体井层上，此二个阳极配置于第二P型半导体井层上。P型外延层连接第一P型半导体井层及第二P型半导体井层。N型堆栈层配置于主动区旁，且配置于N型半导体埋层上。

本发明的一实施例提出一种单光子雪崩二极管阵列，包括多个排成二维阵列的上述单光子雪崩二极管，其中每一单光子雪崩二极管的二个阳极排列于参考直线上，且相邻的任二个单光子雪崩二极管的二个参考直线彼此不平行。

在本发明的实施例的单光子雪崩二极管及单光子雪崩二极管阵列中，由于利用N型半导体埋层、第一P型半导体井层、第一N型半导体井层及第二P型半导体井层来形成三个PN接面(p-n junction)，也就是形成三个雪崩区，以增加光电子落于雪崩区的机会，因此能有效抑制时序颤动的问题，并可有效降低光子侦测机率的损失。此外，本发明的实施例的单光子雪崩二极管及单光子雪崩二极管阵列皆采用两个阳极，可以使第一P型半导体井层的电压准位比较平均。

另外，在本发明的实施例的单光子雪崩二极管阵列中，每一单光子雪崩二极管包括二个阳极且其排列于参考直线上，且相邻的任二个单光子雪崩二极管的二个参考直线彼此不平行。也就是说，相邻的单光子雪崩二极管的二个阳极是采用错开设置的方式，而相邻的单光子雪崩二极管中连接阳极的线路长度因而可以相同，能有效避免不同的单光子雪崩二极管有不同的电阻电容延迟。

附图说明