光电检测器阵列与数字前端的混合集成制造技术

本公开涉及光学接收器系统。示例光学接收器系统包括具有多个光电检测器和偏置电路的第一基底。偏置电路电耦合到多个光电检测器中的每个光电检测器。偏置电路被配置为向每个光电检测器提供偏置电压。光学接收器系统还包括多个电容器。多个电容器中的每个电容器电耦合到多个光电检测器中的相应光电检测器。光学接收器系统还包括具有读出电路的第二基底，该读出电路具有多个通道。多个通道中的每个通道经由相应电容器电容耦合到相应光电检测器。

Hybrid Integration of Photoelectric Detector Array and Digital Front End

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光电检测器阵列与数字前端的混合集成相关申请的交叉引用本申请要求于2016年12月19日提交的美国专利申请第15/383,112号的优先权，其内容通过引用结合于此。
技术介绍
除非本文另有说明，否则本部分中描述的材料不是本申请权利要求的现有技术，并且不因包含在本部分中而被承认是现有技术。多个光电检测器可以布置在多元件(例如，X-乘-Y(X-by-Y))阵列中，所述多元件阵列可以包括扫描阵列或焦平面阵列(FPA)。这种阵列可以被配置为检测紫外、可见和红外波长范围中或其他波长处的光。
技术实现思路
本公开一般涉及一种包括光电检测器的阵列的光学接收器系统。光电检测器可以包括单光子雪崩光电检测器(SPAD)。光电检测器的阵列中的每个SPAD电容耦合到数字读出电路的相应通道。在这样的场景中，SPAD检测器的阵列可以直接连接到数字读出器，这可以改善光学接收器系统的信噪比、响应时间和其他性能指标。在第一方面，提供了一种系统。该系统包括具有多个光电检测器和偏置电路的第一基底。偏置电路电耦合到多个光电检测器中的每个光电检测器。偏置电路被配置为向每个光电检测器提供偏置电压。该系统还包括多个电容器。多个电容器中的每个电容器电耦合到多个光电检测器中的相应光电检测器。该系统还包括第二基底，该第二基底包括具有多个通道的读出电路。多个通道中的每个通道经由相应电容器电容耦合到相应光电检测器。在第二方面，提供了一种制造方法。该方法包括提供第一基底。第一基底包括多个光电检测器和偏置电路。偏置电路电耦合到多个光电检测器中的每个光电检测器。偏置电路被配置为向每个光电检测器提供偏置电压。该方法还包括提供第二基底，该第二基底包括具有多个通道的读出电路。该方法附加地包括耦合第一基底和第二基底，以便形成多个电容器。多个电容器中的每个电容器耦合到多个光电检测器中的相应光电检测器和多个通道中的相应通道。通过阅读以下详细描述，并适当地参考附图，其他方面、实施例和实现方式对于本领域普通技术人员将变得显而易见。附图说明图1示出了根据示例实施例的系统。图2A示出了根据示例实施例的系统的一部分。图2B示出了根据示例实施例的系统的一部分。图2C示出了根据示例实施例的系统。图2D示出了根据示例实施例的系统。图2E示出了根据示例实施例的系统。图3示出了根据示例实施例的系统。图4A示出了根据示例实施例的电路。图4B示出了根据示例实施例的电路。图4C示出了根据示例实施例的电路。图4D示出了根据示例实施例的波形。图4E示出了根据示例实施例的波形。图5示出了根据示例实施例的方法。具体实施方式本文描述了示例方法、设备和系统。应当理解，词语“示例”和“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例”或“示例性”的任何实施例或特征不一定被解释为比其他实施例或特征更优选或更具优势。在不脱离本文提出的主题的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行其他改变。因此，本文描述的示例实施例不意味着限制。如在本文中一般地描述的和在附图中示出的本公开的各方面可以以各种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计，所有这些在本文中是可预期的。此外，除非上下文另有所指，否则每个附图中示出的特征可以彼此组合使用。因此，附图通常应被视为一个或多个整体实施例的组成方面，应理解并非所有示出的特征对于每个实施例都是必需的。I.概述传统单光子雪崩光电检测器(SPAD)可以反向偏置到70伏或更高。这种高电压可产生高于传统CMOS工艺可承受的电场强度。这样，来自传统SPAD器件的光信号可以使用模拟读出集成电路(ROIC)初始转换为模拟信号。在示例实施例中，光学接收器系统可以包括SPAD阵列，该SPAD阵列基于CMOS工艺电容耦合(例如，AC耦合)到数字读出电路(例如，数字ROIC)。这种布置可以提供以数字格式直接读出相应光信号的方式。这样，与传统技术相比，包括这种SPAD阵列和数字读出电路的光学接收器系统可以提供更好的信噪比和时间响应(temporalresponse)。具体地，每个SPAD器件可以耦合到相应电容器。每个相应电容器可以直接耦合到CMOS晶体管的栅极端子。在一些实施例中，电容器可以包括可以以标准CMOS工艺沉积的一个或多个金属层。附加地或替代地，电容器可以由SPAD阵列和CMOSROIC之间的气隙或接近耦合形成。电容器可以利用金属间电介质或直接在半导体表面上生长的氧化物层。在这种情况下，～70V的熄灭(quenching)电压脉冲可以减小到5伏或更小的输出电压脉冲(如在ROIC处接收的)。在一些实施例中，经由ROIC接收的电压可以基于相应耦合电容器的电容而可调。应当理解，熄灭电压脉冲值可以包括各种电压，包括但不限于20V至100V之间的范围。在一些示例实施例中，SPAD阵列和CMOS电路可以布置在绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)晶圆(wafer)上。然而，其他基底材料也是可能的。此外，SPAD阵列可以经由凸块键合或熔融键合杂化(hybridized)到包含CMOS电路的晶圆上。其他杂化制造技术是可能和可预期的。II.示例系统图1示出了根据示例实施例的系统100。在一些实施例中，系统100可以表示光检测和测距(LIDAR)系统的光学接收器部分。也就是说，系统100可以被配置为接收从LIDAR系统的发光器部分(例如，激光器)发射的光脉冲。系统100包括第一基底110和第二基底150。第一基底110包括多个光电检测器112。光电检测器112可以布置成矩形阵列或线性阵列，然而，光电检测器112的其他布置是可预期的。在示例实施例中，光电检测器112可以包括多个单光子雪崩光电二极管(SPAD)。SPAD可以包括基于p-n结的半导体器件。在一些实施例中，SPAD可以由砷化铟镓(InGaAs)形成，并且可以对具有800-905nm的范围内或者在或约1550纳米的波长的光敏感。也就是说，SPAD可响应于用具有800-905nm或～1550nm波长的光子的照射而生成电荷载流子。在一些操作条件下，SPAD可以在超过p-n结的击穿电压的电压下反向偏置。在大于50伏的反向偏置下，电场可以大于约3×105V/cm。在这样的电场下，(例如，作为光子吸收事件的结果)注入到p-n结的耗尽层中的电荷载流子可以触发自维持的雪崩电流过程。在这种情况下，电流可以在小于1纳秒的上升时间期间增加。因此，SPAD的波形可以包括尖锐的电流或电压脉冲。脉冲的前沿(leadingedge)可以表示(在～20皮秒的抖动内)吸收的光子的到达时间。电流继续在SPAD内流动，直到通过将偏置电压降低到或低于p-n结的击穿电压来“熄灭”雪崩过程。这样，较低的电场不再能够维持雪崩电流过程。为了能够检测另一个光子，偏置电压升高到高于p-n结的击穿电压。第一基底110还包括偏置电路114，其可以被配置为提供大于SPAD的击穿电压的偏置电压，并且通过将偏置电压降低到低于击穿电压来熄灭雪崩过程。换句话说，偏置电路114可以充当光电检测器112的熄灭电路。偏置电路114电耦合到多个光电检测器112中的每个光电检测器。偏置电路114可以被配置为向光电检测器112中的每个提供偏置电压。例如，在光电检测器112是SPAD的情况下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统，包括：第一基底，包括：多个光电检测器；以及偏置电路，其中，所述偏置电路电耦合到多个光电检测器中的每个光电检测器，其中，所述偏置电路被配置为向每个光电检测器提供偏置电压；多个电容器，其中，多个电容器中的每个电容器电耦合到多个光电检测器中的相应光电检测器；以及第二基底，包括具有多个通道的读出电路，其中，所述多个通道中的每个通道经由相应电容器电容耦合到相应光电检测器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.19 US 15/383,1121.一种系统，包括：第一基底，包括：多个光电检测器；以及偏置电路，其中，所述偏置电路电耦合到多个光电检测器中的每个光电检测器，其中，所述偏置电路被配置为向每个光电检测器提供偏置电压；多个电容器，其中，多个电容器中的每个电容器电耦合到多个光电检测器中的相应光电检测器；以及第二基底，包括具有多个通道的读出电路，其中，所述多个通道中的每个通道经由相应电容器电容耦合到相应光电检测器。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个光电检测器包括多个单光子雪崩光电检测器(SPAD)。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏置电路包括无源熄灭电路，其中，所述偏置电压为至少70伏。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述读出电路包括根据互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制作的数字读出集成电路(ROIC)。5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述CMOS工艺包括尺寸小于32纳米的设计特征。6.根据权利要求4所述的系统，其中，每个通道包括相应CMOS晶体管，其中，所述多个电容器中的每个电容器电耦合到相应CMOS晶体管的输入栅极端子。7.根据权利要求6所述的系统，其中，至少基于偏置电压和相应输入栅极端子处的期望输入电压来选择所述多个电容器中的每个电容器的相应电容值。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述期望输入电压小于5.5伏。9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个电容器设置在所述第一基底上。10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个电容器设置在所述第二基底上。11.根据权利要求10所述的系统，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：PY德罗兹，C奥纳尔，
申请(专利权)人：伟摩有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US