[发明专利]一种雪崩光电二极管探测装置

说明书

本发明公开了一种雪崩光电二极管探测装置，其特征在于，所述雪崩光电二极管探测装置包括至少一个单光子雪崩二极管，所述光子雪崩二极管包括半导体衬底、有源区以及操作电路；所述单光子雪崩二极管还包括辅助区域和电子收集区域；其中所述有源区与所述操作电路电连接。通过本发明的结构，降低被俘获的载流子数，从而有效的降低后脉冲的产生概率，另外可以让被俘获的载流子在雪崩时间被释放，可以避免错误计数的产生，提高探测装置的精度和稳定性。

技术领域

本申请涉及雪崩光电二极管探测技术领域，特别涉及一种DTOF类型的距离信息获取系统中使用的雪崩光电二极管。

背景技术

近年来，随着半导体技术的进步，用于测量到物体的距离的测距模块的小型化已经取得了进展。因此，例如，已经实现了在诸如所谓的智能电话等移动终端中安装测距模块，所述智能电话是具有通信功能的小型信息处理装置随着科技的进步，在距离或者深度信息探测过程中，经常使用的方法为飞行时间测距法(Time of flight，TOF)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离，在TOF技术中直接对光飞行时间进行测量的技术被称为DTOF(direct-TOF)，直接飞行时间探测(Direct Time of flight，DTOF) 作为TOF的一种，DTOF技术通过计算光脉冲的发射和接收时间，直接获得目标距离，具有原理简单，信噪比好、灵敏度高、精确度高等优点，受到了越来越广泛的关注，尤其是在极端弱光条件的光学传感器可以将单个光子转换为可测量的电信号，这些传感器称为单光子检测器,可用于具有3D 成像和测距功能的视觉系统。

DTOF的测距原理也是比较简单明确的，光源发射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，脉冲激光经过探测目标反射返回处于包含雪崩状态 SPAD的阵列型接收模块，当在雪崩光电二极管SPAD在超过其击穿电压的情况下以已知的盖革尔(Geiger)模式工作时,可以制成雪崩光电二极管,以检测其中的单个入射光子可以触发无限大放大倍数的光电流。SPAD成像传感器是由在硅衬底上制造的SPAD区域阵列构成的半导体光敏器件。SPAD区域在被光子撞击时产生输出脉冲。SPAD区域具有在击穿电压之上反向偏置的pn结，使得单个光生载流子可以触发雪崩倍增过程，可以利用配套的电路检测对于由图像传感器接收的光子信号进行处理，以在时间窗口内对来自SPAD区域的输出脉冲进行计数，其中为了获得高可信度的结果可以发射数万次的激光脉冲，探测单元获得一个统计结果，这样通过对于统计结果的处理可以获得更精确的距离。

当光子被雪崩光电二极管吸收时，它们的能量释放出束缚的电荷载流子(电子和空穴)，然后成为自由载流子对。在存在电场的情况下(由于施加到光电二极管的偏压)，这些自由载流子被加速通过被称为“倍增区域”的雪崩光电二极管的区域。当自由载流子穿过倍增区时，它们与结合在半导体原子晶格中的其他载流子碰撞，从而通过称为“碰撞电离”的过程产生更多的自由载流子。这些新的自由载流子也被应用的电场加速并产生更多的自由载流子，这种雪崩事件可以快速和有效地发生，并且可以在不到一纳秒的时间内从单个吸收的光子产生数亿个自由载流子。对于已知的SPAD，光子检测效率的增加可以与暗计数率的增加和时间分辨率的降低中的至少一个相关联。因此，通常希望提供一种单光子雪崩二极管和一种操作单光子雪崩二极管的方法，其中，光子检测效率的增加对单光子雪崩二极管的暗计数率和时间分辨率只有很小的影响或者甚至没有影响。由于载流子的浓度很高，很容易被被结区杂质形成的缺陷中心俘获，当雪崩结束后，这些被俘获的载流子会逐渐释放。如果此时收到电场加速，这些载流子会再次触发雪崩，形成一次误计数。当时光源的误发也会导致再次雪崩。但是无论是否有光照，只要产生了雪崩效应，都有可能产生后脉冲效应，因此后脉冲增加了探测装置的暗计数。因此亟需提供一种SPAD探测装置缩短 SPAD的雪崩时间，降低被俘获的载流子数，从而有效的降低后脉冲的产生概率。另外可以让被俘获的载流子在雪崩时间被释放，可以避免错误计数的产生，提高系统的稳定性。

发明内容