成像装置
技术领域
[0001] 本
申请涉及传感器领域，尤其涉及
单光子雪崩二极管、主动式淬灭电路、脉冲式TOF传感器以及成像装置。
背景技术
[0002] 关于SPAD(Single Photon Avalanche Diode，单光子二极管)
深度图像国内外研究的情况如下。国外研究现状：1998年，林肯实验室第一次将读出电路和 Gm-APD(Avalanche Photondiode)阵列集成在同一
块基片上，并且制造出4×4 的Gm-APD面阵。2002年，林肯实验室宣布制造出了由1024个Gm-APD构成的探测芯片，该芯片采用桥接集成技术，能够在极微弱光的条件下进行单光子探测。2005年，Cristiano Niclass等人首次在
0.8μm的标准CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)工艺上成功制造出了32×32的 SPAD深度图像传感器，这个传感器没有ADC(Analog-to-Digital Converter)，所有
像素输出均为数字
信号。2008年，Cristiano Niclass等人将TDC(Time to digital converter)与128×128的SPAD阵列集成在一起，取得了非常好的效果，在460nm 的波段内的探测效率达到了46％。2011年，Cristiano Niclass等人用了10×10 个SPAD组成一个大像素，测距达到了50m，效果非常好。2012年，日本丰田研究中心Cristiano Niclass成功将SPAD阵列与MEMS(Microelectromechanical Systems)激光扫描结合在一起，制造出了一种高性能的深度图像传感器。2013 年，日本丰田研究中心的Cristiano Niclass成功使用32个大像素的传感器通过机械扫描的方式得到了340×96像素的图像，测量的距离达到了
100m。2015年， Rudi Lussana等人提出了一种32×32的高
帧率SPAD阵列相机，并且可将2D 图像和3D图像结合在一起。2017年，Cristiano Niclass，Mineki Soga和Edoardo Charbon提出了快速评估基于单光子检测器的数学模型。
[0003] 国内研究现状：2013年，南京邮电大学硕士设计了SPAD器件并做成了4 ×4的阵列进行流片测试。2014年，重庆大学实验室通过0.5μm的CMOS工艺设计了SPAD器件模型，并对比了不同结构的特点，此外还完成了淬灭电路的设计。2015年，在东南大学硕士毕业论文中，提出了两种可用于大规模SPAD 阵列的淬灭电路。2016年，北京工业大学实验室对InGaAs/InP雪崩
光电二极管进行设计和研究。2017年，北方工业大学硕士设计开发了用于量子雷达系统接收部分的单光子计数器，并且研究了APD结构。
[0004] 目前国内外研究设计的SPAD，大部分缺少内部
电场击穿保护措施，一方面要抑制边缘击穿电场，另一方面要提高中心区的击穿
电压。目前大部分设计未用任何措施来提升这两方面的性能，部分设计采取了N阱或N阱保护环的设计，但是这种情况下结区边缘存在较大的击穿电场，中心区的
击穿电压也偏低，因此，传统的SPAD存在容易被提前击穿以及探测效率低下的问题。
发明内容
[0005] 本申请提供一种
单光子雪崩二极管、主动式淬灭电路、脉冲式TOF传感器以及成像装置，能够在解决现在的单光子雪崩二极管的结构缺少内部电场击穿保护措施而导致二极管容易被击穿以及探测效率低下问题。
[0006] 根据本申请的第一方面，本申请提供一种单光子雪崩二极管，单光子雪崩二极管包括：P型衬底；深n阱，其形成于P型衬底的上方；第一N阱区，其形成于深n阱的上方；第一P+离子区，其形成于第一N阱区的上方；P阱区，其环绕第一N阱区以及第一P+离子区设置于深n阱内，P阱区与第一N阱区和第一P+离子区
接触；第二N阱区，其环绕P阱区设置在深n阱内，第二N阱区延伸到P型衬底上；第一N+离子区，其形成于第二N阱区；以及第二P+离子区，其环绕第二N阱区设置于P型衬底上。
[0007] 优选地，单光子雪崩二极管还包括：第一STI层，其环绕P阱区设置于P 阱区和第二N阱区之间；以及第二STI层，其环绕第二N阱区设置于第二N阱区和第二P+离子区之间。
[0008] 优选地，深n阱、第一N阱区、第二N阱区为N-型
离子注入区，P阱区为 P-型离子注入区。
[0009] 根据本申请的第二方面，本申请提供一种主动式淬灭电路，电路包括：如上所述的单光子雪崩二极管；检测控
制模块，其用于在检测到单光子雪崩二极管在探测到光子发生雪崩时输出检测
控制信号，其包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，检测
控制模块的第一输入端连接单光子雪崩二极管的
阳极，检测控制模块的第二输入端连接参考电源，检测控制模块的第一输出端输出检测控制信号；反馈模块，其用于在接收到使能信号时开始工作，当接收到检测控制信号后，按照设定的时间周期依次输出淬灭控制信号以及复位控制信号，其包括第一输入端、第二输入端、第三输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，反馈模块的第一输入端连接检测控制模块的第一输出端，反馈模块的第二输入端连接参考电源，反馈模块的第三输入端接收使能信号，反馈模块的第一输出端输出淬灭控制信号，反馈模块的第二输出端输出复位控制信号，反馈模块的第三输出端输出淬灭
输出信号；淬灭
开关，其用于在接收到淬灭控制信号后，控制单光子雪崩二极管淬灭，其包括控制端、输入端和输出端，淬灭开关的输入端连接检测控制模块的第二输出端，淬灭开关的控制端连接反馈模块的第一输出端，淬灭开关的输出端接地；以及复位开关，其用于在接收到复位控制信号后，控制单光子雪崩二极管在淬灭完成后重新进入光子探测状态，其包括控制端、输入端和输出端，复位开关的输入端连接单光子雪崩二极管的阳极，复位开关的控制端连接反馈模块的第二输出端，复位开关的输出端接地。
[0010] 优选地，检测控制模块包括：MOS管MN1、MOS管MP0以及MOS管 MN3；MOS管MN1的栅极和漏极均连接检测控制模块的第一输入端，MOS管 MN1的源极连接检测控制模块的第二输出端；MOS管MP0的栅极连接检测控制模块的第一输入端，MOS管MP0的源极连接检测控制模块的第二输入端， MOS管MP0的漏极连接检测控制模块的第一输出端；MOS管MN3的栅极连接检测控制模块的第一输入端，MOS管MN3的漏极连接检测控制模块的第一输出端，MOS管MN3的源极接地。
[0011] 优选地，反馈模块包括：MOS管MN4、MOS管MP1、
电阻R、电容C、缓冲BUFFER、与
门AND1、与门AND2、与门AND3以及与门AND4；MOS 管MP1的栅极连接反馈模块的第一输入端，MOS管MP1的源极连接反馈模块的第二输入端；MOS管MN4的栅极连接反馈模块的第一输入端，MOS管MN4 的漏极连接MOS管MP1的漏极，MOS管MP1的源极接地；与门AND1的一端连接MOS管MP1的栅极，与门AND1的另一端连接反馈模块的第三输入端，与门AND1的输出端连接反馈模块的第一输出端；与门AND2的一端连接反馈模块的第三输入端，与门AND2的另一端连接MOS管MP1的漏极，与门AND2 的输出端连接反馈模块的第三输出端；与门AND3的一端连接MOS管MP1的漏极，与门AND3的一端与另一端之间连接有电阻R，与门AND3的另一端与反馈模块的第三输入端之间有电容C，与门AND3的输出端连接缓冲BUFFER 后至与门AND4的一端；与门AND4的另一端连接反馈模块的第三输入端，与门AND4的输出端连接反馈模块的第二输出端。
[0012] 优选地，淬灭开关包括：MOS管MN2，MOS管MN2的栅极连接淬灭开关的控制端，MOS管MN2的漏极连接淬灭开关的输入端，MOS管MN2的源极连接淬灭开关的输出端。
[0013] 优选地，复位开关包括：MOS管MN0，MOS管MN0的栅极连接复位开关的控制端，MOS管MN0的漏极连接复位开关的输入端，MOS管MN0的源极连接复位开关的输出端。
[0014] 根据本申请的第三方面，本申请提供一种脉冲式TOF传感器，其包括：如上所述的主动式淬灭电路。
[0015] 根据本申请的第四方面，本申请提供一种成像装置，其包括：如上所述的脉冲式TOF传感器。
[0016] 本申请的有益效果在于：本申请通过在传统的单光子雪崩二极管的结构上，增加深N阱和STI层结构的保护环，降低了边缘电场和中心电场，提升了反向击穿电压，避免了二极管的提前击穿，从而提升了探测效率，并且在主动式淬灭电路中增加反馈模块，这样就不仅能够加快完全淬灭器件雪崩效应的速度，还能够抑制单光子雪崩二极管在恢复探测状态的时候再次被触发，此外还降低了器件在每一次发生
雪崩击穿生成的电量，从而有效地抑制后脉冲效应，这种方式淬灭速度快，光子计数率高，后脉冲效应小。
附图说明
[0017] 图1是本申请单光子雪崩二极管的结构原理图；
[0018] 图2是本申请的主动式淬灭电路的电路原理图；
[0019] 图3是本申请的基于单光子雪崩二极管SPAD的设计仿真得到的击穿电压图像；以及
[0020] 图4是本申请的单光子雪崩二极管的形成方法的
流程图。
[0021] 附图标记说明：单光子雪崩二极管SPAD P型衬底101、深N阱102、第一P+离子区103、第一N阱区104、P阱区105、第二N阱区106、第一N+离子区107、第二P+离子区108、第一STI层109、第二STI层110、检测控制模块201、反馈模块202、淬灭开关203、复位开关204。
具体实施方式
[0022] 下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。
[0023] 本申请的构思是：在原有的单光子雪崩二极管SPAD结构上，增加深N阱和STI层的保护环，并且结合反馈的主动式淬灭电路，能够降低边缘电场和中心电场，提升反向击穿电压，避免二极管的提前击穿，从而提升了探测效率，这种方式淬灭速度快，光子计数率高，后脉冲效应小。
[0024] 请参阅图1，本申请提出一种单光子雪崩二极管SPAD，单光子雪崩二极管 SPAD包括：P型衬底101、深N阱102、第一P+离子区103、第一N阱区104、P阱区105、第二N阱区106、第一N+离子区107、第二P+离子区108、第一 STI层109以及第二STI层110。
[0025] 单光子雪崩二极管SPAD的基本结构为：深N阱102形成于P型衬底101 内；第一N阱区104形成于深N阱102的上方；第一P+离子区103域形成于第一N阱区104的上方；P阱区105环绕第一N阱区107以及第一P+离子区103 设置于深N阱102内，该P阱区105与第一N阱区104和第一P+离子区103 接触；第二N阱区106环绕P阱区105设置在深N阱102内，第二N阱区106 延伸到P型衬底101上；第一N+离子区107，其形成与第二N阱区106；第二 P+离子区108，其环绕第二N阱区106设置于P型衬底101上。
[0026] 本
实施例中，深N阱102、第一N阱区104、第二N阱区106为N-型离子注入区，P阱区105为P-型离子注入区。
[0027] 进一步地，单光子雪崩二极管SPAD的结构还包括：第一STI(Shallow Trench Isolation，浅槽隔离)层109，其环绕P阱区105设置于P阱区105和第二N阱区106之间，该第一STI层109与P阱区105和第二N阱区106均接触；以及第二STI层110，其环绕第二N阱区106设置于第二N阱区106和第二P+离子区108之间，该第一STI层109与第二N阱区106和第二P+离子区108均接触。
[0028] 综上所述，本申请的单光子雪崩二极管SPAD的设计原理是：本设计将单光子雪崩二极管SPAD做成圆环形对称式结构，在传统单光子雪崩二极管SPAD 结构
基础之上增加了深N阱和STI层。
[0029] 深N阱102工艺具有降低衬底耦合噪声的优点，在制作第一N阱区104之前，利用高能离子注入的方法先制作一个掩埋的深N阱102，优势在于这样的离子浓度分布随深度增加。深N阱102常被用于制作在P阱区105的外围，从而将衬底和器件分隔开，这样可以有效地降低耦合噪声，并能够解决闩
锁效应，此单光子雪崩二极管SPAD的结构设计考虑到了深N阱工艺的这个特性，并且充分利用了深N阱的这一优点。同时在传统结构中，第一P+离子区103和第一 N阱区104形成的
空间电荷区过大，这样将导致器件的反应速度不快，加入深N 阱102结构也可以改善这个问题，提高器件的反应速度。
[0030] 另外，本申请的单光子雪崩二极管SPAD引入的STI结构解决了边缘击穿现象。边缘击穿现象是设计单光子雪崩二极管SPAD结构时经常会遇到的问题，在普通的结构中，p-n结边缘区域的电场强度要明显高于中间的
位置，这样容易引起雪崩
电流集中在p-n结的边缘，容易提前引起雪崩击穿从而影响光子探测及探测的准确性。通过STI结构的引入，将STI结构作为保护环，可以使边缘电场有效降低，能够避免二极管提前被击穿。
[0031] 请参阅图2，本申请提出一种主动式淬灭电路，主动式淬灭电路包括：单光子雪崩二极管SPAD、检测控制模块201、反馈模块202、淬灭开关203以及复位开关204。
[0032] 检测控制模块201，其用于在检测到单光子雪崩二极管SPAD在探测到光子发生雪崩时输出检测控制信号，其包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，检测控制模块201的第一输入端连接单光子雪崩二极管SPAD 的阳极，检测控制模块201的第二输入端连接参考电源，检测控制模块201的第一输出端输出检测控制信号。反馈模块202，其用于在接收到使能信号时开始工作，当接收到检测控制信号后，按照设定的时间周期依次输出淬灭控制信号以及复位控制信号，其包括第一输入端、第二输入端、第三输入端、第一输出端、第二输出端以及第三输出端，反馈模块202的第一输入端连接检测控制模块201的第一输出端，反馈模块202的第二输入端连接参考电源，反馈模块202 的第三输入端接收使能信号，反馈模块202的第一输出端输出淬灭控制信号，反馈模块202的第二输出端输出复位控制信号，反馈模块202的第三输出端输出淬灭输出信号。淬灭开关203，其用于在接收到淬灭控制信号后，控制单光子雪崩二极管SPAD淬灭，其包括控制端、输入端和输出端，淬灭开关203的输入端连接检测控制模块201的第二输出端，淬灭开关203的控制端连接反馈模块202的第一输出端，淬灭开关203的输出端接地。复位开关204，其用于在接收到复位控制信号后，控制单光子雪崩二极管SPAD在淬灭完成后重新进入光子探测状态，其包括控制端、输入端和输出端，复位开关204的输入端连接单光子雪崩二极管SPAD的阳极，复位开关204的控制端连接反馈模块202的第二输出端，复位开关204的输出端接地。
[0033] 单光子雪崩二极管SPAD的结构具体请参考上面的描述，这里不再重复。
[0034] 检测控制模块201包括：MOS管MN1、MOS管MP0以及MOS管MN3。
[0035] MOS管MN1的栅极和漏极均连接检测控制模块201的第一输入端，MOS 管MN1的源极连接检测控制模块201的第二输出端，MOS管MP0的栅极连接检测控制模块201的第一输入端，MOS管MP0的源极连接检测控制模块201 的第二输入端，MOS管MP0的漏极连接检测控制模块201的第一输出端，MOS 管MN3的栅极连接检测控制模块201的第一输入端，MOS管MN3的漏极连接检测控制模块201的第一输出端，MOS管MN3的源极接地。
[0036] 本实施例中，MOS管MN1为PNP型MOS管，MOS管MP0为NPN型 MOS管，MOS管MN3为PNP型MOS管。
[0037] 反馈模块202包括：MOS管MN4、MOS管MP1、电阻R、电容C、缓冲BUFFER、与门AND1、与门AND2、与门AND3以及与门AND4。
[0038] MOS管MP1的栅极连接反馈模块202的第一输入端，MOS管MP1的源极连接反馈模块202的第二输入端。
[0039] MOS管MN4的栅极连接反馈模块202的第一输入端，MOS管MP1的漏极连接MOS管MP1的漏极，MOS管MP1的源极接地。
[0040] 与门AND1的一端连接MOS管MP1的栅极，与门AND1的另一端连接反馈模块202的第三输入端，与门AND1的输出端连接反馈模块202的第一输出端；与门AND2的一端连接反馈模块202的第三输入端，与门AND2的另一端连接MOS管MP1的漏极，与门AND2的输出端连接反馈模块202的第三输出端；与门AND3的一端连接MOS管MP1的漏极，与门AND3的一端与另一端之间连接有电阻R，与门AND3的另一端与反馈模块202的第三输入端之间有电容C，与门AND3的输出端连接缓冲BUFFER后至与门AND4的一端；与门 AND4的另一端连接反馈模块202的第三输入端，与门AND4的输出端连接反馈模块202的第二输出端。
[0041] 本实施例中，MOS管MN4为PNP型MOS管，MOS管MP1为NPN型 MOS管。
[0042] 淬灭开关203包括：MOS管MN2，MOS管MN2的栅极连接淬灭开关203 的控制端，MOS管MN2的漏极连接淬灭开关203的输入端，MOS管MN2的源极连接淬灭开关203的输出端。本实施例中，MOS管MN2为PNP型MOS 管。
[0043] 复位开关204包括：MOS管MN0，MOS管MN0的栅极连接复位开关204 的控制端，MOS管MN0的漏极连接复位开关204的输入端，MOS管MN0的源极连接复位开关204的输出端。本实施例中，MOS管MN0为PNP型MOS 管。
[0044] 下面结合图1至图3来对本申请的工作原理进行说明。
[0045] 初始状态下，使能信号SPAD_EN为低电平，与门AND4、与门AND1均为无效，复位开关204和淬灭开关203均截止，此时单光子雪崩二极管SPAD的阳极SPAD_ANODE为高电平。当单光子雪崩二极管SPAD的使能端SPAD_EN 有效，亦即反馈模块202的第三输入端为有效，且没有光子入射的时候，系统开始进入正常工作状态。
[0046] 由于使能信号是直接作用于与门AND4，所以此时与门AND4会立刻输出高电平使MOS管MN0导通将单光子雪崩二极管SPAD的阳极SPAD_ANODE 的电平拉低，当SPAD_ANODE变为低电平信号后，信号经过MOS管MP0和MOS管MN3的
反相器到与门AND1输出高电平使淬灭开关203导通。
[0047] 当光子入射到单光子雪崩二极管SPAD的像素表面时，单光子雪崩二极管 SPAD发生雪崩后，瞬间生成很大的雪崩电流。由于电阻分压的效果会使单光子雪崩二极管SPAD的阳极SPAD_ANODE段的电势拉升到一个高电势状态，而当SPAD_ANODE电势拉高到此点电势与单光子雪崩二极管SPAD
阴极的电势不能不满足光电二极管击穿电压时，单光子雪崩二极管SPAD停止雪崩，此为单光子雪崩二极管SPAD的淬灭过程。
[0048] 此时的SPAD_ANODE的高电平脉冲信号通过与门AND2输出，同时高电平脉冲信号会通过与门AND3反馈输出到复位开关204，对单光子雪崩二极管 SPAD进行复位操作将单光子雪崩二极管SPAD在SPAD_ANODE点的电势拉低到0电势，使得单光子雪崩二极管SPAD重新进行复位。
[0049] 而从淬灭到复位之间的时间控制是通过与门AND3输入端的电阻R和电容 C组成的RC延时电路进行控制，RC延时电路对与门AND3输入端做延时处理，达到复位信号延时输出的效果。
[0050] 复位开关204导通后为单光子雪崩二极管SPAD迅速充电，单光子雪崩二极管SPAD的反向
偏压升至雪崩击穿电压以上，电路恢复至为准备状态，进入下一个探测周期，继续探测入射光子。
[0051] 可以看到，本申请的主动式淬灭电路首先会在单光子雪崩二极管SPAD发生雪崩的时候将其雪崩电流转变成电压的形式输出到外部，然后，由于反馈模块202的作用，淬灭开关203将会断开雪崩电流的通路，从而最大程度减小单光子雪崩二极管SPAD两端的电压，从而淬灭雪崩电流，待雪崩电流被完全淬灭后，延时电路的作用下，会让复位开关204闭合，从而使得单光子雪崩二极管SPAD充电并且重新回到探测光子的状态。
[0052] 主动式淬灭电路在电路中加入了反馈，这样做的好处不仅能够加快完全淬灭器件雪崩效应的速度，还能够抑制单光子雪崩二极管SPAD在恢复探测状态的时候再次被触发，此外，还降低了器件在每一次发生雪崩击穿生成的电量，从而有效地抑制后脉冲效应，这种方式的淬灭速度快，光子计数率高，后脉冲效应小。
[0053] 请继续参阅图3，图3是基于单光子雪崩二极管SPAD的设计仿真得到的击穿电压图像。
[0054] 给单光子雪崩二极管SPAD施加
波长为850nm的入射光，对其进行同样范围的电压扫描仿真，可知该单光子雪崩二极管SPAD的雪崩击穿电压约为22V，低于目前已有的绝大部分单光子雪崩二极管SPAD。反向偏压在22V以下时单光子雪崩二极管SPAD不发生雪崩，单光子雪崩二极管SPAD相当于普通的光电二极管，管子中的光电流较小且受入射光强影响显著；反向偏压为22V时SPAD发生雪崩，电流发生跃变，雪崩电流约为1mA，且雪崩电流与光照无关；反向偏压继续增加时雪崩电流增长幅度很小，趋于饱和。在普通的设计里面，由于缺少P阱和STI的保护环，容易在
低电压的时候就对二极管进行击穿，以致达不到预期的效果，在新增了P阱和STI保护环之后，可以降低边缘击穿电场，避免单光子雪崩二极管SPAD的提前击穿，即提升了击穿电压。另外，因为在主动式淬灭电路里面，由于新增了反馈机制，可以降低每次雪崩击穿产生的电量，从而有效地抑制后脉冲。
[0055] 本申请还提出一种脉冲式TOF传感器，其包括：如上所述的主动式淬灭电路。
[0056] 本申请提供一种成像装置，其包括：如上所述的脉冲式TOF传感器。
[0057] 请参阅图4，本申请还提出一种单光子雪崩二极管SPAD的形成方法，其包括：
[0058] 步骤S101：设置P型衬底101；
[0059] 步骤S102：设置深N阱102，其形成于P型衬底101内；
[0060] 步骤S103：设置第一N阱区104，其形成于深N阱102的上方；
[0061] 步骤S104：设置第一P+离子区103，其形成于第一N阱区104的上方；
[0062] 步骤S105：设置P阱区105，其环绕第一N阱区104和第一P+离子区103 设置于深N阱102内，P阱区与第一N阱区和第一P+离子区接触；
[0063] 步骤S106：设置第二N阱区106，其环绕P阱区105设置在深N阱102内，第二N阱区106延伸到P型衬底101上；
[0064] 步骤S107：设置第一N+离子区107，其形成于第二N阱区106；
[0065] 步骤S108：设置第二P+离子区108，其环绕第二N阱区106设置于P型衬底101上。
[0066] 本申请的有益效果在于：本申请通过在传统的单光子雪崩二极管的结构上，增加深N阱和STI层结构的保护环，降低了边缘电场和中心电场，提升了反向击穿电压，避免了二极管的提前击穿，从而提升了探测效率，并且在主动式淬灭电路中增加反馈模块，这样就不仅能够加快完全淬灭器件雪崩效应的速度，还能够抑制单光子雪崩二极管在恢复探测状态的时候再次被触发，此外还降低了器件在每一次发生雪崩击穿生成的电量，从而有效地抑制后脉冲效应。这种方式淬灭速度快，光子计数率高，后脉冲效应小。
[0067] 本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关
硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读
存储器、
随机存取存储器、磁盘或光盘等。
[0068] 以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。
