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CN112909032A - 半导体器件 - Google Patents

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CN112909032A
CN112909032A CN202011331536.3A CN202011331536A CN112909032A CN 112909032 A CN112909032 A CN 112909032A CN 202011331536 A CN202011331536 A CN 202011331536A CN 112909032 A CN112909032 A CN 112909032A
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CN
China
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spad
light scattering
semiconductor device
scattering structures
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Pending
Application number
CN202011331536.3A
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English (en)
Inventor
S·伯萨克
马克·艾伦·撒弗里奇
A·E·帕克金斯
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Semiconductor Components Industries LLC
Original Assignee
Semiconductor Components Industries LLC
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Publication date
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Abstract

本申请涉及半导体器件。本申请公开了一种成像设备，该成像设备可包括单光子雪崩二极管(SPAD)。为了改善该SPAD的灵敏度和信噪比，可在该半导体衬底中形成光散射结构以增加入射光穿过半导体衬底的路径长度。该光散射结构可包括形成在该半导体衬底中的沟槽中的低折射率材料。一个或多个微透镜可将光聚焦到该半导体衬底上。该半导体衬底的从该微透镜接收更多光的区域可具有更高密度的光散射结构以优化光散射，同时减小暗电流。

Description

半导体器件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月4日提交的临时专利申请号62/943,475和于2020年2月26日提交的临时专利申请号62/981,902的权益，这两个临时专利申请在此通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本申请整体涉及成像系统，并且更具体地，涉及半导体器件。
背景技术
现代电子设备(诸如蜂窝电话、相机和计算机)常常使用数字图像传感器。图像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素的阵列形成。每个像素通常包括光敏元件诸如光电二极管，这些光敏元件接收入射光子(入射光)并把光子转变为电信号。
常规图像传感器可以多种方式受到有限功能的影响。例如，一些常规图像传感器可能无法确定从图像传感器到正在成像的物体的距离。常规图像传感器也可具有低于期望的图像质量和分辨率。
为了提高对入射光的灵敏度，有时可在成像系统中使用单光子雪崩二极管(SPAD)。单光子雪崩二极管可能够进行单光子检测。
本文所述的实施方案就是在这种背景下出现的。
发明内容
根据本申请第一方面，提供了一种半导体器件。该半导体器件包括：衬底；单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管形成在衬底中；微透镜，该微透镜形成在衬底上方，其中，微透镜被配置为将第一量的光聚焦到衬底的第一部分并且将第二量的光聚焦到衬底的第二部分，并且其中，第二量大于第一量；和多个光散射结构，多个光散射结构在衬底中，其中，光散射结构在衬底的第一部分中具有第一密度并且在衬底的第二部分中具有第二密度，并且其中，第二密度大于第一密度。
根据本申请第二方面，提供了一种半导体器件。该半导体器件包括：衬底；多个光散射结构，多个光散射结构形成在衬底中的沟槽中；和单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管形成在衬底中，其中，单光子雪崩二极管的第一部分与多个光散射结构重叠，并且单光子雪崩二极管的第二部分不与衬底中的任何光散射结构重叠。
根据本申请第三方面，提供了一种半导体器件。该半导体器件包括：半导体衬底，该半导体衬底具有相对的第一表面和第二表面；单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管形成在半导体衬底中；环形微透镜，该环形微透镜形成在半导体衬底的第一表面上方；和多个光散射结构，多个光散射结构形成在半导体衬底的第一表面中的沟槽中。
附图说明
图1为根据一个实施方案的示出示例性单光子雪崩二极管像素的电路图。
图2为根据一个实施方案的示例性硅光电倍增器的图示。
图3为根据一个实施方案的具有快速输出端子的示例性硅光电倍增器的示意图。
图4为包括微小区阵列的示例性硅光电倍增器的图示。
图5为根据实施方案的包括基于SPAD的半导体器件的示例性成像系统的示意图。
图6为根据一个实施方案的示例性基于SPAD的半导体器件的作为半导体深度的函数的吸收百分比的曲线图。
图7为根据一个实施方案的具有光散射结构和环形微透镜的基于SPAD的半导体器件的截面侧视图。
图8为根据一个实施方案的具有光散射结构和球形微透镜的基于SPAD的半导体器件的截面侧视图。
图9为根据一个实施方案的用于基于SPAD的半导体器件的示例性微小区的顶视图，其示出了光散射结构的均匀布局。
图10为根据一个实施方案的用于基于SPAD的半导体器件的示例性微小区的顶视图，其示出了在不同部分中具有不同密度的光散射结构的布局。
图11为根据一个实施方案的用于基于SPAD的半导体器件的示例性微小区的顶视图，其示出了具有其中完全省略了光散射结构的部分的光散射结构的布局。
图12为示出根据一个实施方案的针对跨微小区的光散射结构而被蚀刻的衬底的百分比的示例性分布的曲线图。
图13为根据一个实施方案的具有光散射结构、环形微透镜以及其中完全省略了光散射结构的部分的基于SPAD的半导体器件的截面侧视图。
图14为根据一个实施方案的具有环形微透镜和形成在环形微透镜的中心开口中的附加微透镜的示例性微小区的顶视图。
图15为根据一个实施方案的具有单个微透镜的示例性微小区的顶视图。
图16为根据一个实施方案的具有单个环形微透镜的示例性微小区的顶视图。
图17为根据一个实施方案的具有两个圆柱形微透镜的示例性微小区的顶视图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及包括单光子雪崩二极管(SPAD)的成像系统。
一些成像系统包括图像传感器，该图像传感器通过将撞击光子转换成在传感器阵列内的像素光电二极管中积聚的(收集的)电子或空穴来感测光。在完成积聚周期之后，收集到的电荷被转换成电压，该电压被提供给传感器的输出端子。在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素本身中完成，并且模拟像素电压通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟像素电压也可随后在片上被转换成数字等同物，并且在数字域中以各种方式进行处理。
另一方面，在单光子雪崩二极管(SPAD)器件(诸如结合图1至图4所述的器件)中，光子检测原理是不同的。光感测二极管偏置在高于其击穿点，并且当入射光子生成电子或空穴时，该载流子会通过正在生成的附加的载流子启动雪崩击穿。雪崩倍增可产生电流信号，该电流信号能够通过与SPAD相关联的读出电路被容易地检测。能够通过将二极管偏置降低于其击穿点来停止(或淬灭)雪崩过程。因此，每个SPAD可包括用于停止雪崩的被动和/或主动淬灭电路。
可以通过两种方法来使用此概念。首先，可只是对到达的光子进行计数(例如，在低光度应用中)。其次，SPAD像素可用于测量从同步光源到场景对象点再返回到传感器的光子飞行时间(ToF)，该光子飞行时间可用于获得场景的三维图像。
图1是示例性SPAD器件202的电路图。如图1所示，SPAD器件202包括与淬灭电路206串联耦接在第一电源电压端子210(例如，接地电源电压端子)和第二电源电压端子208(例如，正电源电压端子)之间的SPAD 204。具体地讲，SPAD器件202包括具有连接到电源电压端子210的阳极端子和直接连接到淬灭电路206的阴极端子的SPAD 204。包括与淬灭电阻器206串联连接的SPAD 204的SPAD器件202有时统称为光触发单元或“微小区”。在SPAD器件202的操作期间，电源电压端子208和210可用于将SPAD 204偏置到高于击穿电压的电压(例如，将偏置电压Vbias施加到端子208)。击穿电压是能够施加到SPAD 204的不会导致二极管中的泄漏电流呈指数级增加的最大反向电压。当SPAD 204以这种方式反向偏置在击穿电压之上时，单光子的吸收可通过碰撞电离触发短时间但是相对较大的雪崩电流。
淬灭电路206(有时称为淬灭元件206)可用于将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压的水平。将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压将停止雪崩过程和对应的雪崩电流。有多种方法来形成淬灭电路206。淬灭电路206可以是被动淬灭电路或主动淬灭电路。一旦雪崩启动，被动淬灭电路无需外部控制或监测即可自动淬灭雪崩电流。例如，图1示出了使用电阻器部件来形成淬灭电路206的示例。这是被动淬灭电路的一个示例。
被动淬灭电路的这个示例仅仅是示例性的。主动淬灭电路也可用在SPAD器件202中。主动淬灭电路可减少SPAD器件202复位所花费的时间。这可允许SPAD器件202以比使用被动淬灭电路时更快的速率检测入射光，从而改善SPAD器件的动态范围。主动淬灭电路可调节SPAD淬灭电阻。例如，在检测到光子之前，将淬灭电阻设置为较高的值，然后一旦检测到光子并且雪崩淬灭，就将淬灭电阻最小化以减少恢复时间。
SPAD器件202还可包括读出电路212。有多种方式形成读出电路212以从SPAD器件202获得信息。读出电路212可包括对到达的光子进行计数的脉冲计数电路。另选地或除此之外，读出电路212可包括用于测量光子飞行时间(ToF)的飞行时间电路。光子飞行时间信息可用于执行深度感测。在一个示例中，光子可由模拟计数器计算以形成作为对应像素电压的光强度信号。也可以通过将光子飞行时间转换为电压来获得ToF信号。包括在读出电路212中的模拟脉冲计数电路的示例仅是示例性的。如果需要，读出电路212可包括数字脉冲计数电路。如果需要，读出电路212还可包括放大电路。
图1中读出电路212耦接到二极管204和淬灭电路206之间的节点的示例仅是示例性的。读出电路212可耦接到端子208或SPAD器件的任何所需部分。在一些情况下，淬灭电路206可被认为与读出电路212成一整体。
因为SPAD器件可检测单个入射光子，所以SPAD器件可有效地成像具有低光水平的场景。每个SPAD可检测在给定时间段内接收的光子的数量(例如，使用包括计数电路的读出电路)。然而，如上所述，每当接收到光子并且开始雪崩电流时，必须在准备好检测另一个光子之前对SPAD器件进行淬灭和复位。当入射光水平增加时，复位时间变得限制于SPAD器件的动态范围(例如，一旦入射光水平超过给定水平，则在复位时立即触发SPAD器件)。
可将多个SPAD器件分组在一起以帮助增加动态范围。图2是SPAD器件202的示例性组220的电路图。SPAD器件的组或阵列有时可被称为硅光电倍增器(SiPM)。如图2所示，硅光电倍增器220可包括在第一电源电压端子208和第二电源电压端子210之间并联耦接的多个SPAD器件。图2示出了并联耦接的N个SPAD器件202(例如，SPAD器件202-1，SPAD器件202-2，SPAD器件202-3，SPAD器件202-4，......，SPAD器件202-N)。在给定的硅光电倍增器220中可包括多于两个的SPAD器件，多于十个的SPAD器件，多于一百个的SPAD器件，多于一千个的SPAD器件等。
每个SPAD器件202在本文中有时可被称为SPAD像素202。尽管未在图2中明确示出，用于硅光电倍增器220的读出电路可测量来自硅光电倍增器中全部SPAD像素的组合输出电流。以此方式配置，可增加包括SPAD像素的成像系统的动态范围。当接收到入射光子时，不保证每个SPAD像素具有触发的雪崩电流。SPAD像素可具有在接收到入射光子时触发雪崩电流的相关联概率。存在在光子到达二极管时产生电子的第一概率，然后是电子触发雪崩电流的第二概率。光子触发雪崩电流的总概率可称为SPAD的光子检测效率(PDE)。因此，在硅光电倍增器中将多个SPAD像素分组在一起允许更准确地测量传入的入射光。例如，如果单个SPAD像素的PDE为50％并且在某个时间段内接收到一个光子，则不会检测到光子的可能性为50％。利用图2的硅光电倍增器220，四个SPAD像素中的两个可能将检测光子，从而改善所提供的时间段的图像数据。
图2的示例仅是示例性的，其中所述多个SPAD像素202共享硅光电倍增器220中的公共输出。就包括具有用于所有SPAD像素的公共输出的硅光电倍增器的成像系统而言，成像系统在成像场景时可能不具有任何分辨率(例如，硅光电倍增器可仅检测单个点处的光子通量)。可能有利的是使用SPAD像素在阵列上获得图像数据，以允许成像场景的更高分辨率的再现。在诸如这些情况下，单成像系统中的SPAD像素可具有逐个像素读出能力。另选地，可在成像系统中包括硅光电倍增器的阵列(每个硅光电倍增器包括多于一个的SPAD像素)。来自每个像素或来自每个硅光电倍增器的输出可用于生成成像场景的图像数据。该阵列可能够在线阵列(例如，具有单行多列或单列多行的阵列)或具有多于十个、多于一百个或多于一千个的行和/或列的阵列中进行独立检测(无论是在硅光电倍增器中使用单个SPAD像素还是多个SPAD像素)。
如上所述，虽然SPAD像素有多个可能的用例，但是用于检测入射光的基础技术是相同的。使用SPAD像素的器件的所有上述示例统称为基于SPAD的半导体器件。包括具有共同输出的多个SPAD像素的硅光电倍增器可被称为基于SPAD的半导体器件。具有逐个像素读出能力的SPAD像素阵列可被称为基于SPAD的半导体器件。具有逐个硅光电倍增器读出能力的硅光电倍增器阵列可被称为基于SPAD的半导体器件。
图3示出了硅光电倍增器30。如图3所示，SiPM 30具有电容耦接到每个阴极端子31的第三端子35，以便提供来自SPAD 33的雪崩信号的快速读出。当SPAD 33发射电流脉冲时，在阴极31处产生的电压变化的一部分将经由互电容耦接到第三(“快速”)输出端子35中。使用第三端子35进行读出避免了由于与偏置淬灭电阻器的顶部端子的偏置电路相关联的相对较大的RC时间常数而导致的受损瞬态性能。
本领域的技术人员应当理解，硅光电倍增器包括如图4所示的主总线44和次总线45。次总线45可直接连接到每个单独的微小区25。然后将次总线45耦接到主总线44，所述主总线连接到与端子37和35相关联的接合焊盘。通常，次总线45在微小区25的列之间竖直延伸，而主总线44邻近微小区25的外行水平地延伸。
图5示出了具有基于SPAD的半导体器件的成像系统10。成像系统10可以是电子设备，诸如数字相机、计算机、蜂窝电话、医疗设备或其它电子设备。成像系统10可以是车辆上的成像系统(有时称为车载成像系统)。成像系统10可用于LIDAR应用。成像系统10有时可被称为基于SPAD的成像系统。
成像系统10可包括一个或多个基于SPAD的半导体器件14(有时称为半导体器件14、器件14、基于SPAD的图像传感器14或图像传感器14)。一个或多个透镜28可任选地覆盖每个半导体器件14。在操作期间，透镜28(有时称为光学器件28)可将光聚焦到基于SPAD的半导体器件14上。基于SPAD的半导体器件14可包括将光转换成数字数据的SPAD像素。基于SPAD的半导体器件可具有任意数量的SPAD像素(例如，数百、数千、数百万或更多)。在一些基于SPAD的半导体器件中，每个SPAD像素可由相应的滤色器元件和/或微透镜覆盖。
基于SPAD的半导体器件14可包括诸如控制电路50的电路。用于基于SPAD的半导体器件的控制电路可形成在芯片上(例如，在与SPAD器件相同的半导体衬底上)或芯片外(例如，在与SPAD器件不同的半导体衬底上)。控制电路可控制基于SPAD的半导体器件的操作。例如，控制电路可操作基于SPAD的半导体器件内的主动淬灭电路，可控制提供给每个SPAD的偏置电压供应端子208的偏置电压，可控制/监测耦接到SPAD器件的读出电路等。
基于SPAD的半导体器件14可任选地包括附加电路，诸如逻辑门、数字计数器、时间数字转换器、偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字(ADC)转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、地址电路等。上述电路中的任何电路都可被认为是图5的控制电路50的一部分。
可将来自基于SPAD的半导体器件14的图像数据提供给图像处理电路16。图像处理电路16可用于执行图像处理功能，诸如自动聚焦功能、深度感测、数据格式化、调整白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。例如，在自动聚焦操作期间，图像处理电路16可处理由SPAD像素采集的数据，以确定将感兴趣的对象聚焦所需的透镜移动(例如，透镜28的移动)的幅度和方向。图像处理电路16可以处理由SPAD像素采集的数据，以确定场景的深度图。在一些情况下，控制电路50中的一些或全部可与图像处理电路16整体地形成。
成像系统10可为用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为了实现这些功能，成像系统可包括输入输出设备22，诸如小键盘、按钮、输入输出端口、操纵杆和显示器。附加的存储和处理电路，诸如易失性和非易失性存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器等)、微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路和/或其它处理电路，也可包括在成像系统中。
输入输出设备22可包括与基于SPAD的半导体器件结合工作的输出设备。例如，发光部件52可包括在成像系统中以发射光(例如，红外线或任何其他期望类型的光)。发光部件52可为激光器、发光二极管或任何其他期望类型的发光部件。半导体器件14可测量从对象的光反射，以在LIDAR(光检测和测距)方案中测量到对象的距离。用于控制基于SPAD的半导体器件的操作的控制电路50也可任选地用于控制发光部件52的操作。图像处理电路16可在处理来自基于SPAD的半导体器件的数据时使用来自发光部件的光脉冲的已知时间(或已知图案)。
图6为示出基于SPAD的半导体器件的作为半导体深度的函数的吸收百分比的曲线图。如图所示，光子被吸收的可能性(例如，吸收百分比)随着半导体深度的增加而增加。为了提高基于SPAD的半导体器件的灵敏度，因此期望增加半导体衬底的厚度。然而，制造考虑和其他设计因素可能会阻止或阻碍半导体衬底的厚度达到目标吸收百分比的程度。
为了在不增加半导体衬底厚度的情况下增加吸收百分比，基于SPAD的半导体器件中可包括光散射结构。散射结构可以散射入射光(例如，使用填充半导体衬底中的沟槽的低折射率材料)，从而增加穿过半导体衬底的光的路径长度并增加入射光被半导体吸收的概率。散射入射光(使用折射和/或衍射)以增加路径长度可尤其有助于较高波长的入射光。本文所述的基于SPAD的半导体器件可用于感测近红外光或任何其他期望类型的光。
图7为具有散射结构的示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图。基于SPAD的半导体器件14包括与相应SPAD(例如，图7中的SPAD 204-2和SPAD 204-3)相邻的SPAD 204-1。每个SPAD可以被认为是相应SPAD器件、SPAD像素或微小区(例如，图1中的微小区202)的一部分。图7中的基于SPAD的半导体器件14是背侧照明式(BSI)器件(例如，入射光穿过衬底的背表面)。SPAD 204-1可通过隔离结构252与相邻的SPAD隔离。隔离结构可包括深沟槽隔离(DTI)，该深沟槽隔离包括金属填充的沟槽。
具体地，可在从背表面256延伸到前表面258的衬底254(例如，由诸如硅的材料形成的半导体衬底)中形成沟槽。因此，隔离结构252的沟槽完全延伸穿过半导体衬底254。可从衬底的背侧(例如，从表面256朝向表面258)蚀刻沟槽。在这种情况下，隔离结构可被称为背侧深沟槽隔离(BDTI)。将沟槽形成为背侧深沟槽隔离(如图7所示)可降低制造期间的复杂性和成本。然而，可另选地从衬底的前侧(例如，从表面258朝向表面256)蚀刻沟槽。在这种情况下，隔离结构可以被称为前侧深沟槽隔离(FDTI)。
隔离结构252的沟槽可填充有金属填料260(例如，钨或任何其他期望的金属)。金属填料将SPAD 204-1与相邻的SPAD隔离。
可在衬底254和金属填料260之间的沟槽中形成高介电常数涂层262。高介电常数涂层262(有时称为高k涂层262或钝化层262)可减小暗电流。作为一个示例，钝化涂层可以是氧化物涂层(例如，氧化铝、氧化铪、氧化钽等)。可在钝化涂层262和金属填料260之间形成缓冲层264。缓冲层264可由二氧化硅或另一种期望的材料(例如，与钝化涂层和金属填料两者兼容的材料)形成。
隔离结构可形成围绕包括SPAD 204-1的微小区的环。SPAD 204-1可被隔离结构252完全横向包围。
除了隔离结构之外，可在衬底中形成散射结构270。散射结构270可被配置为(例如，使用填充衬底254中的沟槽的低折射率材料)散射入射光，从而增加光穿过半导体衬底的路径长度并增加入射光被半导体吸收的概率。(使用折射和/或衍射)散射入射光以增加路径长度可尤其有助于较高波长的入射光(例如，近红外光)。
可使用背侧沟槽(例如，从表面256朝向表面258延伸的沟槽)来形成散射结构。可由与隔离结构252相同的钝化涂层262和缓冲层264填充背侧沟槽。如图所示，钝化涂层262具有隔离结构252的沟槽中的部分和散射结构270的沟槽中的部分。如果需要，这使得能够在制造期间在同一沉积步骤中形成隔离结构252和散射结构270两者中的钝化层。钝化涂层262的厚度在隔离结构252和散射结构270中可以是均匀的，或者在隔离结构252和散射结构270中可以是不同的。
填充光散射结构270的沟槽(例如，缓冲层264和钝化层262)的材料可具有比衬底254低的折射率(例如，低0.1以上、0.2以上、0.3以上、0.5以上、1.0以上、1.5以上、2.0以上等的折射率)。沟槽中的低折射率材料引起入射光的折射散射。
如图7所示，缓冲层264具有隔离结构252的沟槽中的部分和散射结构270的沟槽中的部分。如果需要，这使得能够在制造期间在同一沉积步骤中形成隔离结构252和散射结构270两者中的缓冲层264。缓冲层264的厚度在隔离结构252和散射结构270中可以是均匀的，或者在隔离结构252和散射结构270中可以是不同的。如图7所示，缓冲层264可填充用于散射结构270的沟槽并且在表面256的平面上方延伸。缓冲层264的上表面可与金属填料260的上表面共面。
散射结构270散射入射光，从而增加了光穿过半导体衬底的路径长度，并增加了入射光被半导体吸收的概率。隔离结构252防止散射光到达相邻的SPAD并引起串扰。
可以在SPAD 204-1之上形成一个或多个微透镜286。在图7的布置中，包括第一微透镜286-1和第二微透镜286-2。微透镜286-1具有环形形状(例如，具有中心开口的环形形状)，并且微透镜286-2填充微透镜286-1的开口。微透镜可将光聚焦朝向光散射结构270和SPAD 204-1。
平面化层282可任选地插置在缓冲层264和一个或多个微透镜286之间。平面化层可增大衬底的背表面(256)与微透镜的上表面之间的距离288。增大距离288可改善微透镜286-1和286-2的聚焦能力。可在衬底254的前侧处形成附加氧化物层284。还可在衬底254的背侧上在缓冲层264与平面化层282之间形成附加氧化物层283。氧化物层283和284可由相同材料或不同材料(例如，二氧化硅)形成。
光散射结构各自具有高度272(有时称为深度)和宽度274。光散射结构还具有节距276(例如，每个光散射结构之间的中心到中心的间隔)。通常，每个散射结构的高度272可小于5微米、小于3微米、小于2微米、小于1微米、小于0.5微米、小于0.1微米、大于0.01微米、大于0.5微米、大于1微米、在1和2微米之间、在0.5和3微米之间、在0.3微米和10微米之间等。每个散射结构的宽度274可小于5微米、小于3微米、小于2微米、小于1微米、小于0.5微米、小于0.1微米、大于0.01微米、大于0.5微米、大于1微米、在1和2微米之间、在0.5和3微米之间、在0.3微米和10微米之间等。节距276可小于5微米、小于3微米、小于2微米、小于1微米、小于0.5微米、小于0.1微米、大于0.01微米、大于0.5微米，大于1微米、在1和2微米之间、在0.5和3微米之间、在0.3微米和10微米之间等。宽度274与节距276的比率可以被称为衬底的占空比或蚀刻百分比。占空比(蚀刻百分比)指示在每对散射结构之间存在多少未蚀刻的衬底以及衬底的上表面有多少被蚀刻以形成光散射结构。该比率可为100％(例如，每个散射结构紧邻周围的散射结构)、小于100％、小于90％、小于70％、小于60％、大于50％、大于70％、介于(包括)50％和100％之间等。半导体衬底的厚度可为大于4微米、大于6微米、大于8微米、大于10微米、大于12微米、小于12微米、介于4和10微米之间、介于5和20微米之间、小于10微米、小于6微米、小于4微米、小于2微米、大于1微米等。
在图7的示例中，散射结构270具有倾斜侧壁(例如，与背表面256非正交且不平行的侧壁)。散射结构可以是金字塔形的，或者可以具有沿着纵向轴线延伸的三角形截面(例如，三角棱镜)。非正交角度可为大于10度、大于30度、大于60度、小于80度、在20度和70度之间等。图7的倾斜侧壁的示例仅是示例性的。如果需要，散射结构可以具有竖直侧壁(正交于表面256)。
可以选择散射结构270的布置和尺寸以优化入射光的转换。如图7所示，SPAD 204-1的区域可不包括衬底254的整体。如图所示，SPAD可包括具有第一宽度292的第一部分和具有不同于第一部分的第二宽度294的第二部分。在图7中，宽度294小于宽度292。因此，可在SPAD 204-1的任一侧上形成半导体254的死区295(其并非SPAD 204-1的一部分)。可选择散射结构270的布置和尺寸，以将入射光引导至SPAD 204-1而不是死区。
图8为示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图，示出了其中光散射结构270具有竖直侧壁(而不是如图7所示的倾斜侧壁)的示例。这些类型的光散射结构可主要使用衍射来散射光，而图7中的光散射结构可主要使用折射来散射光。图8还示出了可如何在SPAD204-1上方形成单个微透镜286(而不是如图7所示的多个微透镜)。在图8中，微透镜286的厚度可为大于0.5微米、大于1微米、大于2微米、大于3微米、大于5微米、大于8微米、介于(包括)1和10微米之间、小于10微米、小于5微米、介于(包括)5和10微米之间、介于(包括)3和5微米之间等。这些厚度范围可适用于本文所述的任何微透镜。
图9至图11为示例性微小区的顶视图，示出了图7和图8所示的光散射结构的可能布局。图9示出了其中光散射结构跨微小区202(在SPAD 204-1上方)成行和列延伸的示例性示例。在图9中，光散射结构的间距跨微小区是均匀的。因此，光散射结构可被称为具有均匀的密度(每单位面积的光散射结构的数量)。
另一方面，在图10中，光散射结构具有不均匀的密度。光散射结构的第一部分被隔开第一距离296。光散射结构的第二部分被隔开第二距离298。在图10中，第一(周边)部分形成围绕第二(中心)部分的环。距离298可小于距离296。因此，第一部分中的光散射结构的密度小于第二部分中的光散射结构的密度。以这种方式布置密度不均匀的光散射结构可以帮助以最佳方式将光引导至SPAD 204-1(例如，引导至SPAD 204-1而不是死区295)。
通常，蚀刻衬底254(例如，以形成光散射结构)可导致基于SPAD的半导体器件中的暗电流增加。因此，在可能的情况下可以省略光散射结构以最小化暗电流，同时仍然优化吸收。省略光散射结构可包括将光散射结构的密度减小到非零幅值(如图10所示)或在微小区的特定区域中完全省略光散射结构(例如，减小到零密度)。
图11为示出如何在微小区的特定部分中完全省略光散射结构的微小区的顶视图。微小区可包括环形区域302，该环形区域包括光散射结构270。环形区域302具有不包括任何光散射结构的中心开口304。例如，当微小区被环形微透镜(其主要将光聚焦在区域302上)覆盖时，可使用这种类型的布置。区域304中省略了光散射结构，以免引起不必要的暗电流。
图12为示出跨微小区的蚀刻面积百分比(例如，光散射结构占据的衬底的百分比)的各种分布的曲线图。微小区的边界可分别为位置x1和x2。如分布306所示，蚀刻面积百分比在微小区的周边中可为0，并且在微小区的中心可为某个更高的量。如分布310所反映的，反转布置也是可能的(其中蚀刻面积百分比在微小区的中心为0，并且在微小区的周边处为某个更高的量)。蚀刻面积百分比(光散射结构密度)的变化可为阶跃变化(如分布306和310所示)或逐渐的(如分布308所示)。一般来讲，光散射结构可具有任何期望的密度分布。
图13为示出微透镜和光散射结构的另一可能布置的示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图。如图所示，可在SPAD 204-1上方形成环形微透镜286。环形微透镜286可将光聚焦在衬底254的环形区域上。因此，光散射结构270可具有环形布局(如图11所示)，并且可在环形微透镜的中心开口下方被省略。与光散射结构包括在整个微透镜下方的布置相比，在中心区域中省略光散射结构减小了暗电流。
图14至图17示出了可形成在微小区上方的示例性微透镜的顶视图。图14示出了具有环形微透镜286-1和填充环形微透镜286-1的中心开口的附加微透镜286-2的示例(例如，类似于如图7所示)。图15为形成在微透镜上方的球形微透镜286的顶视图。图15中的微透镜286可具有弯曲连续上表面(其可具有球形曲率)。这种类型的布置类似于图8的布置。图16是可形成在微透镜上方的环形微透镜286的顶视图(类似于图13)。环形微透镜286可以是环形的并且具有中心开口。
代替环形微透镜，可在微小区上方形成两个相邻的圆柱形微透镜。图17示出了与微小区相邻并跨微小区延伸的微透镜286-1和微透镜286-2的示例。图17中的微透镜286-1和286-2可为圆柱形微透镜。
一般来讲，每个微小区可被任何期望的微透镜覆盖。然而，在微透镜设计和用于微小区的光散射结构的布置之间可能存在相关性。微透镜可在衬底的第一区域上比在衬底的第二区域上聚焦更多的光。因此，光散射结构在衬底的第一区域中可以具有比衬底的第二区域更大的密度(例如，对于散射结构，更高百分比的衬底被蚀刻)(以更有效地散射光)。衬底的第二区域(具有较低密度的散射结构)可以不具有散射结构(例如，散射结构被完全省略)，或者可以具有较低的非零密度的散射结构。不同密度之间的过渡可以是逐渐的或立即的。
作为该设计技术的示例，考虑图13。环形微透镜286将在衬底的环形部分上比在衬底的中心部分上聚焦更多的光。因此，光散射结构被包括在接收入射光的衬底的环形部分中，并且在接收来自环形微透镜的较少入射光的衬底的中心部分中被省略。
在光散射结构的布置和下层SPAD的形状之间也可能存在相关性。例如，可选择光散射结构的布局和尺寸，以将光引导至SPAD而不包围死区。
根据一个实施方案，一种半导体器件可包括：衬底；单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管形成在衬底中；微透镜，该微透镜形成在衬底上方，其中微透镜被配置为将第一量的光聚焦到衬底的第一部分并且将第二量的光聚焦到衬底的第二部分，并且其中第二量大于第一量；以及多个光散射结构，该多个光散射结构在衬底中。光散射结构可在衬底的第一部分中具有第一密度并且在衬底的第二部分中具有第二密度，并且第二密度可大于第一密度。
根据另一个实施方案，微透镜可以是环形微透镜。
根据另一个实施方案，环形微透镜可具有中心开口，并且半导体器件可包括形成在中心开口中的附加微透镜。
根据另一个实施方案，环形微透镜可具有中心开口，衬底的第一部分可与中心开口重叠，并且衬底的第二部分可不与中心开口重叠。
根据另一个实施方案，第一密度可为非零密度。
根据另一个实施方案，第一密度可为零。
根据另一个实施方案，多个光散射结构中的每个光散射结构可包括衬底的表面中的沟槽和形成于沟槽中的折射率低于衬底的折射率的材料。
根据另一个实施方案，多个光散射结构的沟槽可具有相对于衬底的表面成非正交角度的侧壁。
根据另一个实施方案，多个光散射结构的沟槽可具有相对于衬底的表面成正交角度的侧壁。
根据另一个实施方案，形成在沟槽中的材料可包括钝化层和缓冲层。
根据另一个实施方案，多个光散射结构可包括具有第一宽度的第一光散射结构和具有不同于第一宽度的第二宽度的第二光散射结构。
根据另一个实施方案，衬底的第二部分可形成围绕衬底的第一部分的环。
根据另一个实施方案，衬底的第一部分可形成围绕衬底的第二部分的环。
根据一个实施方案，一种半导体器件可包括衬底、形成在衬底中的沟槽中的多个光散射结构和形成在衬底中的单光子雪崩二极管。单光子雪崩二极管的第一部分可与多个光散射结构重叠，并且单光子雪崩二极管的第二部分可不与衬底中的任何光散射结构重叠。
根据另一个实施方案，单光子雪崩二极管的第一部分可以是单光子雪崩二极管的中心部分，并且单光子雪崩二极管的第二部分可以是单光子雪崩二极管的周边部分。
根据另一个实施方案，单光子雪崩二极管的第一部分可以是单光子雪崩二极管的周边部分，并且单光子雪崩二极管的第二部分可以是单光子雪崩二极管的中心部分。
根据另一个实施方案，半导体器件还可包括至少一个微透镜，该至少一个微透镜被配置为将光聚焦在单光子雪崩二极管上。
根据另一个实施方案，至少一个微透镜可被配置为向包括光散射结构的衬底的一部分聚焦相比与单光子雪崩二极管的第二部分重叠的衬底的附加部分更多的光。
根据一个实施方案，一种半导体器件可包括：半导体衬底，该半导体衬底具有相对的第一表面和第二表面；单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管形成在半导体衬底中；环形微透镜，该环形微透镜形成在半导体衬底的第一表面上方；以及多个光散射结构，该多个光散射结构形成在半导体衬底的第一表面中的沟槽中。
根据另一个实施方案，多个光散射结构可在单光子雪崩二极管上方具有变化的密度。
前述内容仅仅是对本发明原理的例示性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括：
衬底；
单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述衬底中；
微透镜，所述微透镜形成在所述衬底上方，其中，所述微透镜被配置为将第一量的光聚焦到所述衬底的第一部分并且将第二量的光聚焦到所述衬底的第二部分，并且其中，所述第二量大于所述第一量；和
多个光散射结构，所述多个光散射结构在所述衬底中，其中，所述光散射结构在所述衬底的所述第一部分中具有第一密度并且在所述衬底的所述第二部分中具有第二密度，并且其中，所述第二密度大于所述第一密度。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述微透镜为环形微透镜，其中，所述环形微透镜具有中心开口，其中，所述衬底的所述第一部分与所述中心开口重叠，并且其中，所述衬底的所述第二部分不与所述中心开口重叠。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述多个光散射结构中的每个光散射结构包括所述衬底的表面中的沟槽和形成在所述沟槽中的折射率低于所述衬底的折射率的材料。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中，所述多个光散射结构的所述沟槽具有相对于所述衬底的所述表面成非正交角度的侧壁。
5.根据权利要求3所述的半导体器件，其中，所述多个光散射结构的所述沟槽具有相对于所述衬底的所述表面成正交角度的侧壁。
6.根据权利要求3所述的半导体器件，其中，形成在所述沟槽中的所述材料包括钝化层和缓冲层，并且其中，所述多个光散射结构包括具有第一宽度的第一光散射结构和具有不同于所述第一宽度的第二宽度的第二光散射结构。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述衬底的所述第二部分形成围绕所述衬底的所述第一部分的环。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述衬底的所述第一部分形成围绕所述衬底的所述第二部分的环。
9.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括：
衬底；
多个光散射结构，所述多个光散射结构形成在所述衬底中的沟槽中；和
单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述衬底中，其中，所述单光子雪崩二极管的第一部分与所述多个光散射结构重叠，并且所述单光子雪崩二极管的第二部分不与所述衬底中的任何光散射结构重叠。
10.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有相对的第一表面和第二表面；
单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述半导体衬底中；
环形微透镜，所述环形微透镜形成在所述半导体衬底的所述第一表面上方；和
多个光散射结构，所述多个光散射结构形成在所述半导体衬底的所述第一表面中的沟槽中。
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