单光子雪崩二极管和单光子雪崩二极管阵列
阅读：335发布：2020-05-08
专利汇可以提供单光子雪崩二极管和单光子雪崩二极管阵列专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种单 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。，下面是单光子雪崩二极管和单光子雪崩二极管阵列专利的具体信息内容。
1.一种单光子雪崩二极管SPAD，包括：
—有源区(10)，其布置为产生光子触发的雪崩电流，
—覆盖件(12)，其布置在所述有源区(10)上或上方，并且对所述有源区(10)屏蔽入射光子；
其中：
—所述覆盖件(12)包括至少第一金属层和第二金属层(13、14)的叠层，
—至少所述第一金属层(13)包括孔(15)，
—金属层(13、14)相对于光轴(OA)布置为沿着所述光轴(OA)开放有效孔(18)，通过所述有效孔，所述有源区(10)的部分(19)暴露于入射光子，并且
—所述有效孔(18)比布置在所述第一金属层(13)中的孔(15)小。
2.如权利要求1所述的SPAD，其中，除了通过所述有效孔(18)暴露的所述有源区(10)的部分(19)之外，所述覆盖件(12)对所述有源区(10)完全屏蔽入射光子。
3.如权利要求1或2所述的SPAD，其中，所述有效孔(18)暴露所述有源区(10)的面积小于整个有源区(10)的50％、10％或1％。
4.如权利要求1至3之一所述的SPAD，其中，金属层(13、14)相对于彼此隔开，使得所述第一金属层(13)与所述有源区(10)具有第一距离(d1)，并且所述第二金属层(14)与所述有源区(10)具有不同的第二距离(d1+d2)。
5.如权利要求1至4之一所述的SPAD，其中，金属层(13、14)通过金属连接件(16)互相连接，特别是通过垂直的电连接件和/或硅通孔TSV互相连接。
6.如权利要求1至5之一所述的SPAD，其中，所述第二金属层(14)包括孔(17)，使得—金属层(13、14)中的孔(15、17)相对于所述光轴(OA)偏移，或—金属层(13、14)中的孔(15、17)相对于所述光轴(OA)对齐。
7.如权利要求6所述的SPAD，其中，所述光轴(OA)是相对于所述有源区(10)的表面法线，或者是相对于所述有源区(10)与所述法线角度不同的倾斜轴。
8.如权利要求1至7之一所述的SPAD，其中，所述第二金属层(14)布置在所述第一金属层(13)下方或上方，使得所述第二金属层(14)沿着所述光轴(OA)在所述第一金属层(13)上的投影至少部分屏蔽所述第一金属层(13)中的孔(15)，以限定所述有效孔(18)。
9.如权利要求8所述的SPAD，其中，所述第二金属层(14)包括金属线、金属十字和/或金属正方形。
10.如权利要求1至9之一所述的SPAD，其中，所述覆盖件包括与所述第一金属层和第二金属层(13、14)层叠的另外金属层。
11.如权利要求1至10之一所述的SPAD，其中，所述覆盖件(12)和/或有源区(10)具有圆形、矩形或多边形形状。
12.一种单光子雪崩二极管SPAD的阵列，包括以行和/或列布置的多个如权利要求1至
11之一所述的SPAD(1,……,9)，其中
—所述多个SPAD(1,……,9)包括多个不同的SPAD子集(21,……,27)，每个不同的子集包括包括具有不同的有效孔(18)的至少一个SPAD(1,……,9；并且
—控制单元(20)配置为根据入射辐射强度来从SPAD子集(21,……,27)中选择一个或更多个SPAD(1,……,9)。
13.如权利要求12所述的阵列，其中，布置在每个子集(21,……,27)中的SPAD(1,……,
9)具有相同的有效孔(18)。
14.如权利要求12或13所述的阵列，其中，布置在不同的子集(21,……,27)中的SPAD(1,……,9)的有效孔(18)是不同的。
15.如权利要求12至14之一所述的阵列，其中，所述控制单元(19)通过以下方式选择一个或更多个SPAD，
—激活或停用所述一个或更多个SPAD(21,……,27)，
—激活或停用一个或更多个SPAD子集(21,……,27)，和/或
—来自给定子集或来自整个阵列的所有SPAD能够被始终激活而不需要单独地激活或停用，并且所述控制单元(19)通过选择输出信号来选择一个或更多个SPAD，特别地，所述输出信号是输出脉冲。
单光子雪崩二极管和单光子雪崩二极管阵列
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0008] 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。
[0009] 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％。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 所提出的概念将实际可实现的衰减扩展到更小的值，并且也扩展了SPAD的线性范围。有效孔可以通过两个或更多个金属层建立，并且有效地对有源区阻挡从光轴以外的路径入射的光子。通常，光子仅从某个视场入射，并且有效孔可以被优化为最适合该视场。此外，可以表明，两个或更多个金属层的这种组合对所述金属层之间的对齐误差特别不敏感。因此，不同金属层之间的未对齐的影响对可实现的衰减只有很小的影响。此外，有效孔可以比通常限定了在SPAD设计中需要满足的严格要求的平方的最小设计规则净间距小。因此，所述有效孔在很大程度上不受工艺限制。
[0013] 在至少一个实施例中，金属层，例如第一金属层，包括多于一个的孔。这种情况可能导致几个有效孔，每个有效孔分别将有源区的一部分暴露于入射光子。每个有效孔比布置在第一金属层中的相应的孔小。此外，或可替代地，一个或更多个孔可以被设置在另外的金属层上，例如第二金属层。在下文中，如果没有另外说明，关于单个孔、有效孔或金属层的讨论的特征可以应用于几个孔、有效孔或金属层。
[0014] 在至少一个实施例中，除了通过有效孔暴露的有源区的部分，覆盖件对有源区完全屏蔽入射光子。
[0015] 在至少一个实施例中，有效孔暴露的有源区的面积小于整个有源区的50％、小于整个有源区的10％或小于整个有源区的1％。因此，可以实现不同程度的衰减。然而，被应用于制造SPAD的工艺可能限制实际可实现的衰减，因此不受上述示例值的限制。
[0016] 在至少一个实施例中，金属层相对于彼此隔开，使得第一金属层与有源区具有第一距离，并且第二金属层与有源区具有不同的第二距离。例如，具有一个或更多个孔的金属层可以位于更靠近或更远离有源区的位置。
[0018] 在至少一个实施例中，第二金属层包括孔。因此，第一金属层和第二金属层都可以包括各自的孔。在这种情况下，金属层中的孔可以相对于光轴偏移。或者，金属层中的孔可以相对于光轴对齐。
[0019] 在至少一个实施例中，光轴是有源区的表面法线或相对于有源区与法线不同角度的倾斜轴。例如，在金属层中的孔相对于光轴偏移的情况下，轴可以具有与表面法线不同的倾斜角。在金属层中的孔相对于光轴对齐的情况下，轴可以是表面法线或平行于该表面法线。然而，在不同金属层中的孔可以相对于几个光轴对齐，使得入射光子可能不会沿着直线路径穿过以到达有源区。而是孔可以根据孔的布置限定弯曲一次或几次的路径。这可能会进一步增加入射光子的衰减。
[0020] 在至少一个实施例中，第二金属层布置在第一金属层之下或之上。调整金属层的布置，使得第二金属层沿着光轴在第一金属层上的投影至少部分地屏蔽第一金属层中的孔，以限制有效孔。换句话说，有效孔通过第一金属层和第二金属层中的孔以及它们在叠层中的相对布置限定。
[0021] 在至少一个实施例中，金属层，例如第二金属层，包括金属线、金属十字和/或金属正方形。例如，一个金属层，例如第一金属层，是平面层，大体具有与SPAD的有源区相似的形状，例如正方形、矩形或圆形形状(该形状可以是相同的形状，具有相等或稍大或稍小的表面积)。则第二金属层(或其他另外的金属层)可以具有线形、十字形或正方形形状，当与第一金属层的平面层相比时该形状的面积可以更小。例如，如果仅第一金属层具有孔，例如单个孔，则可以相对于该孔布置金属线、金属十字和/或金属正方形以限定有效孔，例如当有效孔被视为沿着光轴的投影时，其比设置在第一金属层中的孔小。
[0022] 在至少一个实施例中，覆盖件包括另外的金属层，其金属层与第一金属层和第二金属层层叠在一起。例如，迄今为止得到的概念也可以应用于包括孔和有效孔的布置的更多个这些另外的金属层之一。
[0023] 在至少一个实施例中，覆盖件和/或有源区具有圆形、矩形或多边形形状。相似地，金属层中的一个或更多个也具有圆形、长方形或多边形形状。特定的形状允许以节省空间的方式将几个SPAD布置成阵列。例如，可以将几个SPAD以诸如圆形、正方形、矩形或蜂窝状结构之类的二维包装方案布置。
[0024] 在至少一个实施例中，单光子雪崩二极管(SPAD)阵列包括根据上述概念的多个SPAD。各个SPAD布置在阵列的行和/或列中。多个SPAD包括多个不同的SPAD子集。每个不同的子集具有至少一个SPAD，其中SPAD具有不同的有效孔。最后，控制单元配置为根据入射辐射强度从SPAD的子集中选择一个或更多个SPAD。事实上，可以选择或取消选择来自于给定子集或整个子集的单个SPAD。
[0025] 在至少一个实施例中，布置在每个子集中的SPAD具有相同的有效孔。
[0026] 在至少一个实施例中，布置在不同的子集中的SPAD的有效孔是不同的。
[0027] 在至少一个实施例中，控制单元通过激活或停用一个或更多个SPAD或子集，从一个子集或不同的子集中选择一个或更多个SPAD。此外，或可替代地，来自给定子集或整个阵列的全部SPAD可以始终被激活，不需要单独地激活或停用。则控制单元通过输出信号来选择一个或更多个SPAD，例如输出脉冲。
[0029] 在下面的示例性实施例和附图中，每个相似或相同的元件可用相同的附图标记提供。然而，图中所示的元件和相互之间的尺寸关系不应该被认为是真实的比例。而是可以夸大个别的元件，例如层、组件和区域，以实现更好的说明或改进理解。
[0030] 图1示出了单光子雪崩二极管的一个实施例。
[0031] 图2示出了单光子雪崩二极管的另一个实施例。
[0032] 图3示出了单光子雪崩二极管的另一个实施例。
[0033] 图4示出了单光子雪崩二极管的另一个实施例。
[0034] 图5示出了单光子雪崩二极管阵列的一个实施例，并且
[0035] 图6示出了单光子雪崩二极管的另一个实施例。
[0036] 图1示出了单光子雪崩二极管(SPAD)的实施例的横截面。SPAD 1包括布置在半导体衬底11中的有源区10。例如，有源区域10包括能够以超过结的击穿电压的偏置电压下反向偏置的pn结。有源区10还包括附加的电子部件，例如接触垫或耗尽层等，为了更简单的表示，这些电子部件没有在图中示出。基本上，有源区10布置为当单个电荷载流子例如通过入射光子被注入到结中时触发自维持雪崩。此外，该SPAD包括用于猝熄雪崩的装置，例如通过降低偏置电压猝熄雪崩。该SPAD的工作(包括猝熄)可以通过专用控制电路20(未示出)控制。
[0037] SPAD 1还包括布置在有源区10之上距离d1处的覆盖件12。距离d1影响该SPAD的光学特性，并且构成设计选择，例如距离d1的值可以设置为符合预期应用的任何实际值。覆盖件12包括第一金属层13和第二金属层14的叠层。金属层13、14彼此之间以距离d2层叠。距离d2也影响SPAD1的光学特性，并且构成设计选择，例如距离d2的值可以设置为符合预期应用的任何实际值。基本上，覆盖件12设计为对有源区10屏蔽入射光子。
[0038] 在本实施例中，第一金属层13最接近有源区10。此外，第一金属层13包括形状和尺寸与有源区10相似的区域，例如该区域等于或大于有源区。因此，布置在距离d1处的第一金属层13对有源区10屏蔽沿光轴OA入射在SPAD1上的光子。例如，光轴OA构成设计选择，例如光轴的方向可以根据特定的视野进行设计。在本特定实施例中，光轴OA由有源区10的表面法线定义。
[0039] 除了孔15之外的第一金属层13对有源区10屏蔽入射光子。孔15布置在金属层13中，并且可以具有不同的形状，例如正方形、长方形、圆形等。通常，设计规则确定金属宽度W1。如图所示，该金属宽度可被定义为从层的边缘到孔15测量的宽度。对于金属宽度W1，可以定义最小金属间距S1。最小金属间距S1和金属宽度W1一样，通常由设计规则确定，并且因此不能以所有的自由度进行调整。
[0040] 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，如果仅存在第一金属层13，则具有50μm2的有源区和0.5％的期望衰减的SPAD可以具有正方形的孔15，该孔要求为0.5×0.5μm2。然而，在某些SPAD制造工艺中，这可能违反金属间间距规则和/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。
[0041] 第二金属层14以距离d2布置在第一金属层13的顶部。在本实施例中，第二金属层14和第一金属层13通过金属连接件16互相连接。在其他的实施例中或另外，可以在层之间提供层间电介质。第二金属层14可具有不同的形状，并且可能有或可能没有将在下面进一步讨论的孔。例如，与第一金属层13相比，第二金属层14具有相似的但是更小的面积。在该特定实施例中，第二金属层14包括孔17。事实上，在两个层中的孔15、17是相对于光轴OA对齐或居中的。
[0042] 第二金属层14的设计规则确定金属宽度W2。如图所示，金属宽度W2可被定义为从层14的边缘到孔17测量的宽度。对于金属宽度W2，可以定义最小金属间距S2。然而，与第一金属层13中的孔15相比，第二金属层14的最小金属间距S2可以调整为更小的值。更小的金属宽度W2允许更小的最小金属间隙S2，并且因此，与第一金属层13和孔15相比，孔17可以制作的更小，最终，在覆盖件12的设计中允许更高的自由度，与此同时遵守由SPAD制造工艺确定的设计规则。
[0043] 两个金属层13、14一起布置在叠层中，金属层的孔15、17相对于光轴OA对齐。该布置开放有效孔18，光子可以沿着光轴OA穿过该孔，并且最终到达有源区10。因此，有效区将有源区10的部分19暴露于入射光子。有效孔18比布置在第一金属层13中的孔15小。事实上，在本实施例中，有效孔18由第二金属层14中的孔17确定，或者换句话说，由最小金属间隙S2确定。暴露于入射光子的部分19由孔15、17确定，即由最小金属间隙S1、S2和距离d1以及d2确定。例如，部分19可以通过几何光学和源于孔17的射线跟踪估计。连接两个金属层的金属连接件16可以减少横向杂散光的影响。可以设置另外的金属层，并且通过另外的金属连接件16连接在第二金属层的顶部。这样有效孔可以更小并且衰减可以增加。
[0044] 图2示出了单光子雪崩二极管(SPAD)的另一个实施例。如图上部所示的SPAD 1包括两个金属层，即第一金属层13和第二金属层14。与图1相似，第一金属层13包括孔15。金属层和孔的形状可以与图1中相同，或者可以包括不同的形状，例如长方形、圆形或多边形。第一金属层13位于相对于有源区10的距离d1处。然而，与图1的实施例不同，第二金属层14位于与有源区10更近的距离d2处。换句话说，第二金属层14最接近有源区10。此外，第二金属层14没有孔，而是包括连续的形状，例如线、十字、长方形或正方形之类。
[0045] 图2的下面部分示出了SPAD的俯视图。第一金属层13被描述为完全覆盖有源区10的连续的平面。仅在孔15之下的区域暴露于入射光子。然而，在第一金属层13中形成的孔15与第二金属层14的窄金属线交叉。有效孔18由第二金属层14通过第一金属层13在有源区10上的投影限定。如图所示，仅在第二金属层14的金属线之上和之下的部分19暴露于入射光子。在更一般的考虑中，第一金属层和第二金属层的位置可以交换，使得第一金属层13最接近有源区，反之亦然。这适用于本文讨论的所有实施例。
[0046] 图3示出了单光子雪崩二极管(SPAD)的实施例的另一个横截面。如图所示的SPAD1是基于图2的实施例的。然而，在第一金属层13中形成的孔15与第二金属层14的两条垂直并且窄的金属线交叉。两条金属线在第一金属层13之上或之下形成十字。有效孔18由第二金属层14通过第一金属层13到有源区10的投影限定。如图所示，仅有源区10的部分19暴露于入射光子。在更一般的考虑中，第一金属层和第二金属层的位置仅在使得第一金属层13最接近有源区时才能交换，反之亦然。
[0047] 图4示出了单光子雪崩二极管(SPAD)的另一个实施例。与图2所述相似，如图上部所示的SPAD 1包括两个金属层，即第一金属层13和第二金属层14。第一金属层13和第二金属层14可以交换，使得第一金属层13最接近有源区，反之亦然。如图的下部所示，第二金属层14具有正方形形状，当从顶部看时，即沿着沿着光轴OA的投影看，该正方形形状位于布置在第一金属层13中的孔15的内部。因此，孔15进一步减小，并且该叠层限制了有效孔18。
[0048] 图5示出了单光子雪崩二极管阵列的实施例。阵列包括多个SPAD，该多个SPAD布置在一个3×3矩阵的通用集成电路28中。示出的是九个SPAD1至9。每个SPAD包括作为阴极的阴极保护环区29、阳极30、用于连接到阳极的轨道区31和有源区10。仅入射到有源区10的光子可以被SPAD探测到。有源区10被阳极和轨道区屏蔽，该阳极和轨道区反而减少有源区。在本例中有源区的形状包括正方形，但不限于该特定的几何形状。
[0049] SPAD中的某些，但不必须是SPAD中的每个，是根据上述概念实现的。事实上，所有SPAD 1至4和6至9均包括覆盖件12，所述覆盖件包括至少两个金属层13、14。在本特定实施例中，SPAD 5布置在阵列的中心，并且不包括覆盖件12。阵列中其余的SPAD包括第一金属层13，该金属层完全覆盖位于该层之下的有源区10。有源区10的部分19仅通过一个或更多个布置在金属层13里的孔15暴露于入射光子。
[0050] 具有覆盖件12的SPAD可以分为不同的子集21至27。例如，SPAD 1、4、7被分组到第一子集21中。所有这些SPAD中均具有第二金属层14，该金属层包括如图2所示的窄金属线。SPAD 2包括如图3所示被金属十字覆盖的两个孔15。SPAD 2构成第二子集22。SPAD 3包括如图4所示被金属正方形覆盖的孔15。SPAD 3构成第三子集23。相似地，SPAD 6包括如图4所示被金属正方形覆盖的孔15。然而，该孔有点大，因为该孔是金属正方形。SPAD 6构成第四子集24。中间的SPAD 5没有被覆盖，并且构成第五子集25。SPAD 7包括如图2所示被金属线覆盖的两个孔15。SPAD 7构成第六子集26。最后，SPAD 9包括如图3所示被金属十字覆盖的单个孔15。SPAD 9构成第七子集27。
[0051] 如图5所示的SPAD的布置和覆盖件的实现仅供说明使用。孔的数量和尺寸以及孔和用于覆盖第一金属层的第二金属层的形状可以根据预期的应用需求进行选择，并且可能仅受适用的设计规则的限制。此外，第一金属层13可能最接近给定的SPAD的有源区，或者第二金属层14可能最接近。通常，金属层的位置是可交换的。
[0052] 覆盖件12的效果是，有源区10的部分19暴露在具有不同的衰减的入射光子。事实上，如上面所讨论的，各自的有效孔可以减少到比1％小的值。除了由金属层限定的有效孔18之外，覆盖件可以完全地覆盖有源区10。通过这种方法，被给定的SPAD探测到的光子仅为那些通过有效孔并且到达SPAD的有源区的光子。
[0053] 例如，当形成金属轨道和阳极时，可以形成金属层。包括覆盖件的SPAD可以通过标准CMOS工艺制造，并且集成到通用集成电路中。例如，可以在有源区上方设置电介质层。在下一个步骤中，可以在电介质层上沉积金属，例如铝。给定的金属层的孔和形状可通过使用掩膜或在电解质层上蚀刻凹槽限定，该凹槽可由金属，例如铜填充。
[0054] 如图5所示的不同的覆盖件12导致分别由有效孔18确定的不同的衰减程度。可被给定的SPAD探测到的光子的数量由于由相应覆盖件确定的衰减程度而减少。因此，SPAD阵列不需要经常在变化的或甚至高水平的照明条件下重置。事实上，光子在重置阶段到达阵列的可能性降低。这样的效果是，阵列漏掉的光子更少，并且线性度甚至可以扩展到吸收入射光水平。综上所述，所提出的SPAD阵列对光强具有更高的线性输出响应。
[0055] 控制单元20被实现到该阵列中或被连接到阵列。控制单元20通过激活或停用所述单个SPAD、多个SPAD或子集，从一个子集或不同的子集中选择一个或更多个SPAD。实际的选择受入射辐射强度的影响。该强度可以由专用的光传感器或阵列本身确定。
[0056] 此外，或可替代地，来自给定子集或整个阵列的全部SPAD始终可以被激活，不需要单独地激活或停用。
[0057] 例如，SPAD包括产生与雪崩建立同步的数字输出脉冲的装置，例如通过逆变器。这种输出脉冲的前沿标记被探测到的光子的到达时间。光子触发的雪崩电流持续，直到通过将偏置电压降低到或低于pn结的击穿电压将雪崩猝熄为止。SPAD的输出脉冲可以被进一步处理，例如通过对测量时隙内的输出脉冲的数量进行计数来确定强度。另一种处理涉及测量输出脉冲的时间分布，例如基于时间-数字转换器。控制单元可以通过选择或组合各SPAD或子集的一组输出信号，以确定哪些输出脉冲需要进行这种信号处理，而忽略其他的输出信号，例如通过多路复用器、诸如或、与运算之类的逻辑。单独的SPAD可以通过专用的猝熄电路激活或停用，该电路布置为通过将偏置电压降低到或低于击穿电压以猝熄雪崩。也可以将这样的猝熄电路布置为使SPAD恢复到工作状态。
[0058] 在一个实施例中，阵列包括布置在16×8矩阵中的128个单独的SPAD。16×5的SPAD可能不具有覆盖件，并且因此没有衰减。此外，例如16×2的SPAD具有衰减10％的覆盖件，并且16×1的SPAD具有将入射光衰减到1％的覆盖件。每个子集包括一个以上的SPAD，以减少死像素的影响并且进一步提高阵列的动态性。
[0059] 图6示出了单光子雪崩二极管的另一个实施例。图中示出了俯视图(A)和沿A-A'方向的横截面(B)。
[0060] 俯视图(A)示出了单个SPAD，该SPAD可以是图5所示的阵列的一部分。有源区10(虚线)被第一金属层13覆盖，除了孔15之外。此外，第二金属层14布置在第一金属层13之上，并且与第一金属层相比具有更小的面积，并且具有孔17。在第一金属层13和第二金属层14之中的孔15、17限定了有效孔18，使得有源区的区域19暴露于入射光子。此外，图中示出了与有源区10建立电连接的阳极30和轨道区31。在俯视图中，阳极30布置在有效孔18的中心。
[0061] 横截面(B)示出了沿着A-A'方向(见俯视图(A)穿过SPAD的切口。有源区10布置在半导体衬底11中。此外，第一金属层13通过金属连接件16连接到有源区。第二金属层14也通过金属连接件16连接到第一金属层13。在某种意义上，该实施例构成图1和图4的组合。然而，通过金属连接件连接阳极和金属层可以在本文讨论的所有实施例中实现。
[0062] 当将覆盖件由有源区完全对入射光子开放的孔改为大部分有源区被阻隔光子的有效孔时，阳极30的总容量不应该显著变化。然而，在阳极上可能会增加额外的容量，并且会改变触发后SPAD充电所需的总电荷，并且可能增加充电时间。在入射光子和被探测到的电子脉冲之间的时间延迟也会改变。这样的效果可能会导致阵列中具有不同覆盖件的SPAD出现不同的行为，因此不希望出现这样的效果。
[0063] 通过将覆盖件和阳极连接或使覆盖件保持浮动，可以减少这些影响。将覆盖件连接到任何其他电位，例如VDD、VHV等，可能会导致从覆盖件电位到阳极的额外的寄生电容。图6的实施例是一个将覆盖件连接到阳极的例子。在这里，到阳极的金属连接件16是与覆盖件的一层通过同一金属化完成。
[0064] 上述实施例包括内部阳极和实现为围绕阳极的保护环区的阴极。通常，阳极和阴极是可以互换的，并且可以分别被看作是第一电极和第二电极。电极的形状和位置可以根据期望的应用确定，并且不限于上述实施例中所示的示例。
[0065] 附图标记
[0066] 1至9 SPAD
[0067] 10 有源区
[0068] 11 半导体衬底
[0069] 12 覆盖件
[0070] 13 第一金属层
[0071] 14 第二金属层
[0072] 15 孔
[0073] 16 金属连接件
[0074] 17 孔
[0075] 18 有效孔
[0076] 19 暴露部分(有源区的)
[0077] 20 控制单元
[0078] 21至27 SPAD的子集
[0079] 28 集成电路
[0080] 29 保护环区
[0081] 30 阳极
[0082] 31 轨道区
[0083] d1 距离
[0084] d2 距离
[0085] OA 光轴
[0086] S1 金属间距
[0087] S2 金属间距
[0088] W1 金属宽度
[0089] W2 金属宽度
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