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制造方法及图纸

本申请提供单光子雪崩二极管、主动式淬灭电路、脉冲式TOF传感器以及成像装置，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阱区形成于深n阱的上方；第一P+离子区形成于第一N阱区的上方；P阱区，其环绕第一N阱区和第一P+离子区设置于深n阱内；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，其形成与第二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。本申请能够升了反向击穿电压，避免了二极管的提前击穿，从而提升了探测效率，还能够加快完全淬灭器件雪崩效应的速度，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。

Single photon avalanche diode, active quenching circuit, pulse TOF sensor and imaging device

【技术实现步骤摘要】
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
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。
技术介绍
关于SPAD(SinglePhotonAvalancheDiode，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(AvalanchePhotondiode)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，CristianoNiclass等人首次在0.8μm的标准CMOS(ComplementaryMetal-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-DigitalConverter)，所有像素输出均为数字信号。2008年，CristianoNiclass等人将TDC(Timetodigitalconverter)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，CristianoNiclass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CristianoNiclass成功将SPAD阵列与MEMS(MicroelectromechanicalSystems)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CristianoNiclass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，RudiLussana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，CristianoNiclass，MinekiSoga和EdoardoCharbon提出了快速评估基于单光子检测器的数学模型。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。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。
技术实现思路
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。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。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。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。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。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。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，与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单光子雪崩二极管，其特征在于，所述单光子雪崩二极管包括：/nP型衬底；/n深n阱，其形成于所述P型衬底的上方；/n第一N阱区，其形成于所述深n阱的上方；/n第一P+离子区，其形成于所述第一N阱区的上方；/nP阱区，其环绕所述第一N阱区以及第一P+离子区设置于所述深n阱内，所述P阱区与所述第一N阱区和第一P+离子区接触；/n第二N阱区，其环绕所述P阱区设置在所述深n阱内，所述第二N阱区延伸到所述P型衬底上；/n第一N+离子区，其形成于所述第二N阱区；以及/n第二P+离子区，其环绕所述第二N阱区设置于所述P型衬底上。/n

【技术特征摘要】
1.一种单光子雪崩二极管，其特征在于，所述单光子雪崩二极管包括：
P型衬底；
深n阱，其形成于所述P型衬底的上方；
第一N阱区，其形成于所述深n阱的上方；
第一P+离子区，其形成于所述第一N阱区的上方；
P阱区，其环绕所述第一N阱区以及第一P+离子区设置于所述深n阱内，所述P阱区与所述第一N阱区和第一P+离子区接触；
第二N阱区，其环绕所述P阱区设置在所述深n阱内，所述第二N阱区延伸到所述P型衬底上；
第一N+离子区，其形成于所述第二N阱区；以及
第二P+离子区，其环绕所述第二N阱区设置于所述P型衬底上。


2.如权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述单光子雪崩二极管还包括：
第一STI层，其环绕所述P阱区设置于所述P阱区和第二N阱区之间；以及
第二STI层，其环绕所述第二N阱区设置于所述第二N阱区和第二P+离子区之间。


3.如权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述深n阱、第一N阱区、第二N阱区为N-型离子注入区，所述P阱区为P-型离子注入区。


4.一种主动式淬灭电路，其特征在于，所述电路包括：
如权利要求1至3任意一项所述的单光子雪崩二极管；
检测控制模块，其用于在检测到所述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，所述检测控制模块的第一输入端连接所述单光子雪崩二极管的阳极，所述检测控制模块的第二输入端连接参考电源，所述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，当接收到所述检测控制信号后，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，所述反馈模块的第一输入端连接所述检测控制模块的第一输出端，所述反馈模块的第二输入端连接所述参考电源，所述反馈模块的第三输入端接收使能信号，所述反馈模块的第一输出端输出淬灭控制信号，所述反馈模块的第二输出端输出复位控制信号，所述反馈模块的第三输出端输出淬灭输出信号；
淬灭开关，其用于在接收到所述淬灭控制信号后，控制所述单光子雪崩二极管淬灭，其包括控制端、输入端和输出端，所述淬灭开关的输入端连接所述检测控制模块的第二输出端，所述淬灭开关的控制端连接所述反馈模块的第一输出端，所述淬灭开关的输出端接地；以及
复位开关，其用于在接收到所述复位控制信号后，控制所述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，所述复位开关的输入端连接所述单光子雪崩二极管的阳极，所述复位开关的控制端连接所述反馈模块的第二输出端，所述复位开关的输出端接地。


5.如权利要求4所述的主动式淬灭电路，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐渊，王育斌，陈享，陈志芳，潘安，黄志宇，
申请(专利权)人：深圳技术大学，
类型：新型
国别省市：广东;44