具有深控制电极和浅控制电极的光学传感器装置制造方法及图纸

一种用于检测电磁信号的飞行时间的光学传感器装置，包括半导体衬底，半导体衬底具有将电磁信号的至少一部分转换为光生电荷载流子的转换区。深控制电极形成在延伸到半导体衬底中的沟槽中。深控制电极比浅控制电极更深地延伸到半导体衬底中。控制电路被配置为向深控制电极和浅控制电极施加彼此具有固定的相位关系的变化的电位，以产生转换区中的电位分布，通过电位分布引导转换区中的光生电荷载流子。在至少一个读出节点处检测被引导的电荷载流子。

【技术实现步骤摘要】
具有深控制电极和浅控制电极的光学传感器装置
本公开总体涉及集成电路领域，更具体地，涉及适于检测电磁信号的飞行时间的光学传感器装置领域。
技术介绍
在一些光学传感器装置中，使用光电检测器中的控制电极来解调光生电荷载流子。电磁信号、例如由辐射源产生并由调制信号进行幅度调制的光被引导到对象，并被反射到光电检测器。与调制信号同相或与调制信号具有固定相位关系的解调信号被施加到光电检测器中的控制电极。根据施加到控制电极的解调信号，光生电荷载流子被引导到第一读出节点或第二读出节点。检测到被引导至读出节点的光生电荷载流子，并且确定调制信号与从对象反射并在光电检测器处检测到的电磁信号之间的相移。因此，电磁信号的飞行时间可以从检测到的光生电荷载流子确定。换言之，使用接收的辐射与解调信号的混合来根据由辐射源发射的辐射与由光学传感器装置接收的辐射之间的相移而确定飞行时间信息。因此，这种光学传感器装置也称为光混合装置(PMD)或解调检测器。为了引导光生电荷载流子，使用控制电极。在传统的传感器装置中，使用单一类型的控制电极。更具体地说，已经使用用于电流辅助光子解调的光栅或槽栅或引导场电极。然而，光学传感器装置的当前设计受到传感器信号质量的限制。
技术实现思路
因此，需要一种将接收到的电磁信号转换为电信号的增强的方法。实施例提供了一种用于检测电磁信号的飞行时间的光学传感器装置，该光学传感器装置包括：半导体衬底，其包括将所述电磁信号的至少一部分转换为光生电荷载流子的转换区；深控制电极，其形成在延伸到所述半导体衬底中的沟槽中；浅控制电极，深控制电极比浅控制电极更深地延伸到半导体衬底中；以及控制电路，其被配置为向深控制电极施加变化的第一电位，并向浅控制电极施加变化的第二电位，变化的第二电位与施加到深控制电极的变化的第一电位具有固定的相位关系，以产生转换区内的电位分布，从而引导光生电荷载流子；以及至少一个读出节点，以检测被引导的电荷载流子。使用布置在延伸到半导体衬底中的沟槽中的深控制电极和比深控制电极较少地延伸到半导体衬底中或完全不延伸到半导体衬底中的浅控制电极，允许了通过浅控制电极在半导体衬底的表面附近以及通过深控制电极在半导体衬底内更深处实现光生电荷载流子的水平偏转和引导。具有彼此固定的相位关系(例如同相)的变化的电位施加至深控制电极和浅控制电极。因此，与包括光栅或槽栅或引导场电极以偏转或引导光生电荷载流子的光学传感器装置相比，可以实现增加的性能。实施例提供了一种光学传感器装置，其中深控制电极是槽栅控制电极，并且其中浅控制电极包括通过隔离材料与半导体衬底上的被照射表面分离的光栅电极，或者包括形成在半导体衬底中的掺杂区，其中掺杂区与所述转换区接界并且具有比转换区高的掺杂浓度和与转换区相同的掺杂类型。因此，实施例提供了槽栅控制电极与布置在半导体衬底的表面中或表面上的控制电极的组合，使得可以在半导体衬底和转换区的不同深度中实现光生电荷载流子的偏转。附图说明接下来将参照附图讨论本公开的实施例，其中：图1示出了包括深控制电极、浅控制电极和读出节点的光学传感器装置；图2示出了使用光学传感器装置的飞行时间传感器系统；图3a示出了包括两个深控制电极、两个浅控制电极和两个读出节点的光学传感器装置的示意性横截面图；图3b示出了图3a所示的光学传感器装置的示意性俯视图；图4示出了包括布置在第一浅控制电极和第二浅控制电极之间的第三浅控制电极的光学传感器装置的示意性横截面图；图5示出了包括分离电极的光学传感器装置的示意性横截面图；图6示出了包括分离电极的另一光学传感器装置的示意性横截面图；图7至图11示出了光学传感器装置的实施例的布局的示意性平面图；图12和图13示出了深控制电极布置在光学传感器装置的相邻像素之间的光学传感器装置的示意性平面图；图14示出了光学传感器装置的示意性截面图，其中浅控制电极包括掺杂区；图15示出了包括在浅控制电极之间的掺杂区的光学传感器装置的示意性横截面图；图16示出了图15所示的光学传感器的示意性俯视图；以及图17示出了用于说明光学传感器装置的实施例的操作的时序图。具体实施方式在下文中，将更详细地描述本公开的实施例。各个图中所示的具有相同或相似功能的元件将具有与其相关联的相同附图标记。图1示出了光学传感器装置，其用于检测诸如红外辐射或光信号的电磁信号从对象到光学传感器装置的飞行时间。在附图中，入射到光学传感器装置上的电磁信号由箭头2表示。光学传感器装置包括半导体衬底10。半导体衬底10包括转换区12，转换区12通常是半导体10的接收电磁信号2的区域。在转换区12中，电磁信号2被转换成光生电荷载流子14。光学传感器装置包括深控制电极20，深控制电极20通过隔离材料22与半导体衬底10分离。深控制电极20和隔离材料22形成在延伸到半导体衬底10中的沟槽24中。因此，深控制电极20可以被称为槽栅控制电极。光学传感器装置包括浅控制电极26。在图1所示的实施例中，浅控制电极26包括通过隔离材料28与半导体衬底10的被照射表面分离的栅电极。在一些实施例中，浅栅电极26可以是光栅，即对于要检测的入射辐射是透明的栅电极。在一些实施例中，浅控制电极26是没有布置在半导体衬底的沟槽内的栅电极。读出节点30与转换区12相邻地布置在半导体衬底10中。光学传感器装置包括：控制电路32，其被配置为向深控制电极20施加变化的第一电位，并向浅控制电极26a施加变化的第二电位，变化的第二电位具有与施加到深控制电极的变化的第一电位的固定的相位关系，以产生转换区12中的电位分布；通过该电位分布，转换区12中的光生电荷载流子14可以被引导到读出节点30。在一些实施例中，变化的第一电位可以与变化的第二电位同相。为此，如图1所示，控制电路32的相应端子可以连接到深控制电极20和浅控制电极26。另外，控制电路32可以连接到读出节点30，以检测到达读出节点30并在读出节点30处被收集的光生电荷载流子。在描述图1所示的光学传感器装置的操作之前，参照图2，其示出了包括光学传感器装置40的系统。光学传感器装置40包括半导体衬底10和控制电路32。图2所示的系统还包括诸如激光器42的光源42。光源42向对象46发射电磁信号44。电磁信号由来自调制器48的调制信号调制。电磁信号44在对象46处被反射，并且反射的电磁信号50入射到光学传感器装置40的半导体衬底10上。这种布置的测量原理基本上基于以下事实：发射和反射的辐射44、50的飞行时间可以基于从辐射源42发射的辐射和在光学传感器装置40处接收的辐射的相移来确定。具有特定调制频率的调制信号被施加到辐射源42。与调制信号同相或与调制信号具有固定相位关系的解调信号被施加到深控制电极和浅控制电极。调制信号可以是诸如方波或正弦波的周期性信号。辐射源42以特定的相位位置发射辐射信号44。当与发射的辐射相比时，反射的辐射50具有特定的相移。在光学传感器装置中，具有发射的调制信号的特定相位位置的信号可以与接收的信号混合，其中可以根据所得到的信号来确定相移。为此，光学传感器装置40可以连接到调制器48。控制电路32可以将调制信号施加到深控制电极和浅控制电极，以向其施加彼此同相的变化的电位。在一些实施例中，辐射源42和调制器48可以集成到光学传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测电磁信号的飞行时间的光学传感器装置，所述光学传感器装置包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括将所述电磁信号的至少一部分转换为光生电荷载流子的转换区；深控制电极，所述深控制电极形成在延伸到所述半导体衬底中的沟槽中；浅控制电极，所述深控制电极比所述浅控制电极更深地延伸到所述半导体衬底中；控制电路，所述控制电路被配置为向所述深控制电极施加变化的第一电位，并向所述浅控制电极施加变化的第二电位，所述变化的第二电位与施加到所述深控制电极的所述变化的第一电位具有固定的相位关系，以产生所述转换区中的电位分布，从而引导所述光生电荷载流子；以及至少一个读出节点，以检测被引导的电荷载流子。

【技术特征摘要】
2016.10.14 DE 102016220164.6;2016.11.28 DE 10201621.一种用于检测电磁信号的飞行时间的光学传感器装置，所述光学传感器装置包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括将所述电磁信号的至少一部分转换为光生电荷载流子的转换区；深控制电极，所述深控制电极形成在延伸到所述半导体衬底中的沟槽中；浅控制电极，所述深控制电极比所述浅控制电极更深地延伸到所述半导体衬底中；控制电路，所述控制电路被配置为向所述深控制电极施加变化的第一电位，并向所述浅控制电极施加变化的第二电位，所述变化的第二电位与施加到所述深控制电极的所述变化的第一电位具有固定的相位关系，以产生所述转换区中的电位分布，从而引导所述光生电荷载流子；以及至少一个读出节点，以检测被引导的电荷载流子。2.根据权利要求1所述的光学传感器装置，其中所述深控制电极通过隔离材料与所述半导体衬底分离，其中所述深控制电极和所述隔离材料形成在延伸到所述半导体衬底中的所述沟槽中。3.根据权利要求1或2所述的光学传感器装置，其中所述第一电位和所述第二电位是相同的。4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器装置，其中所述浅控制电极包括通过隔离材料与所述半导体衬底的被照射表面分离的栅电极。5.根据权利要求4所述的光学传感器装置，其中所述浅控制电极包括光栅电极。6.根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器装置，其中所述浅控制电极包括形成在所述半导体衬底中的掺杂区，所述掺杂区连接至所述转换区，并且具有比所述转换区高的掺杂浓度和与所述转换区相同的掺杂类型。7.根据权利要求1至5中任一项所述的光学传感器装置，包括布置在所述半导体衬底上的、与所述至少一个读出节点相邻的分离栅电极。8.根据权利要求7所述的光学传感器装置，其中所述分离栅电极布置成在所述半导体衬底的平面图中围绕所述至少一个读出节点。9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学传感器装置，其中在所述半导体衬底的平面图中，所述深控制电极布置在所述至少一个读出节点的第一侧，并且所述浅控制电极布置在所述至少一个读出节点的第二侧。10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学传感器装置，其中所述深控制电极和所述浅控制电极彼此电连接。11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学传感器装置，其中变化的电位是解调信号，所述解调信号与调制所述电磁信号所用的调制信号具有固定的相位关系。12.根据权利要求1至11中任一项所述的光学传感器装置，包括：第一深控制电极和第二深控制电极、第一浅控制电极和第二浅控制电极以及第一读出节点和第二读出节点，其中在所述半导体衬底的平面图中，所述第一浅控制电极和所述第二浅控制电极被布置在所述第一读出节点和所述第二读出节点之间以及在所述第一深控制电极和所述第二深控制电极之间。13.根据权利要求12所述的光学传感器装置，其中所述控制电路基于在所述第一读出节点处收集的电荷载流子的量与在所述第二读出节点处收集的电荷载流子的量的关系，来确定所述电磁信号的飞行时间。14.根据权利要求12和13中任一项所述的光学传感器装置，其中在所述半导体衬底的平面图中，所述第一深控制电极和所述第二深控制电极、所述第一浅控制电极和所述第二浅控制电极以及所述第一读出节点和所述第二读出节点关于对称轴线对称地布置。15.根据权利要求12至14中任一项所述的光学传感器装置，其中所述第一浅控制电极和所述第二浅控制电极包括平行于第一方向延伸的细长控制电极。16.根据权利要求15所述的光学传感器装置，其中所述第一深控制电极和所述第二深控制电极包括平行于所述第一方向延伸的细长控制电极。17.根据权利要求15所述的光学传感器装置，其中所述第一深控制电极和所述第二深控制电极包括平行于所述第一方向延伸的细长平行控制电极部分和垂直于所述第一方向延伸的细长垂直控制电极部分。18.根据权利要求17所述的光学传感器装置，其中所述细长平行控制电极部分包括布置在所述第一读出节点的第一侧的第一细长平...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·帕拉斯坎德拉，H·菲克，M·弗兰克，D·奥芬贝格，J·普里玛，R·勒斯勒尔，M·佐默，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，PMD科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE