锗-硅光感测设备II制造技术

一种光学设备包括：半导体衬底，其由第一材料形成，所述半导体衬底包括第一n掺杂区；以及光电二极管，其由所述半导体衬底支撑，所述光电二极管包括被配置为吸收光子并用所吸收的光子生成光载流子的吸收区，所述吸收区由与所述第一材料不同的第二材料形成并且包括：第一p掺杂区；以及第二n掺杂区，其耦合到所述第一n掺杂区，其中，所述第二n掺杂区的第二掺杂浓度小于或基本上等于所述第一n掺杂区的第一掺杂浓度。

Germanium silicon light sensing equipment II

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锗-硅光感测设备II相关申请的交叉引用本申请是于2016年8月4日提交的美国申请No.15/288,282的部分继续申请，该美国申请要求于2015年12月28日提交的美国临时申请No.62/271,386、于2015年11月6日提交的美国临时申请No.62/251,691、于2015年9月11日提交的美国临时申请No.62/217,031、于2015年8月28日提交的美国临时申请No.62/211,004、于2015年8月28日提交的美国临时申请No.62/210,991、于2015年8月27日提交的美国临时申请No.62/210,946、于2015年8月25日提交的美国临时申请No.62/209,349和于2015年8月4日提交的美国临时申请No.62/200,652的优先权。本申请要求于2017年5月2日提交的美国临时申请No.62/500,457、于2017年5月10日提交的美国临时申请No.62/504,531、于2017年11月9日提交的美国临时申请No.62/583,854、于2017年4月13日提交的美国临时申请No.62/485,003、于2017年9月21日提交的美国临时申请No.62/561,266、于2018年1月3日提交的美国临时申请No.62/613,054、于2017年8月8日提交的美国临时申请No.62/542,329、于2018年3月15日提交的美国临时申请No.62/643,295和于2018年3月31日提交的美国临时申请No.62/651,085的优先权。
本说明书涉及使用光电二极管检测光。
技术介绍
光在自由空间中传播，或者光学介质与光电二极管耦合，光电二极管将光信号转换成电信号以进行处理。
技术实现思路
可使用光电二极管检测光信号并将光信号转换成可由另一电路进一步处理的电信号。可在消费电子产品、图像传感器、数据通信、飞行时间(TOF)应用、医疗装置和许多其他合适应用中使用光电二极管。传统上，使用硅作为图像传感器材料，但是对于近红外(NIR)光谱或更长的波长，硅的光吸收效率低。可使用诸如锗和锗-硅这样的其他材料和/或材料合金作为具有本说明书中描述的创新光学器件结构设计的图像传感器材料。根据本说明书中描述的主题的一个创新方面，使用诸如锗或锗-硅这样的材料形成光电二极管，以改进器件的速度和/或灵敏度和/或动态范围和/或工作波长范围。在一个实施例中，可以将使用锗或锗-硅形成的光电二极管和使用硅形成的光电二极管集成在公共衬底上，以产生具有较大工作波长范围的光电二极管阵列。根据本说明书中描述的主题的另一个创新方面，可以由成像系统的光电二极管检测被三维物体反射的光。光电二极管将检测到的光转换成电荷。每个光电二极管可以包括被控制以收集电荷的多个栅。由多个栅控制的电荷收集可随时间推移而改变，使得成像系统可确定感测到的光的相位和其他信息。成像系统可使用相位信息来分析与三维物体关联的特性，包括深度信息或材料成分。成像系统还可使用相位信息来分析与眼睛姿势识别、身体姿势识别、三维模型扫描/视频记录和/或增强/虚拟现实应用关联的特性。总体上，本说明书中描述的主题的一个创新方面可在一种光学设备中实施，该光学设备包括：半导体衬底，其由第一材料形成，所述半导体衬底包括第一n掺杂区；以及光电二极管，其由所述半导体衬底支撑，所述光电二极管包括被配置为吸收光子并用所吸收的光子生成光载流子的吸收区，所述吸收区由与所述第一材料不同的第二材料形成并且包括：第一p掺杂区；以及第二n掺杂区，其耦合到所述第一n掺杂区，其中，所述第二n掺杂区的第二掺杂浓度小于或基本上等于所述第一n掺杂区的第一掺杂浓度。所述光学设备的实施例可包括以下特征中的一个或多个。例如，可通过键合第一半导体层和第二半导体层来形成所述半导体衬底。所述第一材料可以是硅并且所述第二材料可包括锗。在一些实施例中，所述第一n掺杂区的第一掺杂浓度可基本上等于所述第二n掺杂区的第二掺杂浓度的16倍。在一些实施例中，所述第一掺杂浓度和所述第二掺杂浓度可被设置为，使得所述第一n掺杂区的第一费米能级和所述第二n掺杂区的第二费米能级基本上相等。在一些实施例中，所述第一p掺杂区可布置在所述吸收区的第一表面上，并且所述第二n掺杂区可布置在与所述第一表面相反的第二表面上。在一些实施例中，所述第一p掺杂区和所述第二n掺杂区可布置在所述吸收区的第一表面上。在一些实施例中，所述半导体衬底还可包括凹陷，并且所述吸收区的至少一部分可嵌入在所述凹陷中。在一些实施例中，所述凹陷可包括侧壁分隔件。在一些实施例中，所述第一n掺杂区可围绕所述凹陷的至少一部分。在一些实施例中，所述第一n掺杂区和所述第二n掺杂区可以是相邻的。在一些实施例中，所述光学设备还可包括与所述第一n掺杂区和所述第二n掺杂区耦合的第一金属互连。在一些实施例中，该光学设备还可包括：一个或多个读出区，其耦合到一个或多个读出电路，所述一个或多个读出区被配置为将所述光电二极管生成的光载流子提供给所述一个或多个读出电路；以及一个或多个栅，其与控制所述光电二极管和所述一个或多个读出区之间的载流子传送的一个或多个控制信号耦合。所述一个或多个读出区以及所述一个或多个栅可由所述半导体衬底支撑。所述一个或多个读出区还可包括一个或多个浮置扩散电容器。在一些实施例中，该光学设备还可包括：由所述半导体衬底支撑的透镜。所述透镜可一体地形成在所述半导体衬底上。在一些实施例中，所述光学设备还可包括：分隔件层，其由所述半导体衬底支撑，其中，在与衬底表面正交的方向上，所述分隔件层布置在所述吸收区和所述透镜之间。所述分隔件层可具有与所述透镜的焦距对应的厚度。在一些实施例中，所述光学设备还可包括：抗反射层，其由所述半导体衬底支撑并且布置在所述半导体衬底和所述透镜之间。本说明书中描述的主题的另一个创新方面可在一种光学设备中实施，该光学设备包括：半导体衬底，其由第一材料形成并且包括凹陷；以及光电二极管，其由所述半导体衬底支撑，所述光电二极管包括吸收区，所述吸收区被配置为吸收光子并用所吸收的光子生成光载流子，其中，所述吸收区由与所述第一材料不同的第二材料形成，并且所述吸收区的至少一部分被嵌入在所述凹陷中，并且其中，所述吸收区包括：第一p掺杂区；第一n掺杂区；第二n掺杂区；以及第一栅，其与第一控制信号耦合并且被配置为控制所述第一n掺杂区和所述第二n掺杂区之间的载流子传送，其中，所述第一n掺杂区的第一掺杂浓度小于或基本上等于所述第二n掺杂区的第二掺杂浓度。本说明书中描述的主题的另一个创新方面可在一种光学设备中实施，该光学设备包括：第一半导体衬底，其由第一材料形成并且包括凹陷；光电二极管，其由所述第一半导体衬底支撑，所述光电二极管包括吸收区，所述吸收区被配置为吸收光子并用所吸收的光子生成光载流子，其中，所述吸收区由与所述第一材料不同的第二材料形成，并且所述吸收区的至少一部分被嵌入在所述凹陷中，并且其中，所述吸收区包括：第一p掺杂区；以及第一n掺杂区；第二半导体衬底，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学设备，包括：/n半导体衬底，所述半导体衬底由第一材料形成，所述半导体衬底包括第一n掺杂区；以及/n光电二极管，所述光电二极管由所述半导体衬底支撑，所述光电二极管包括被配置为吸收光子并且从吸收的所述光子生成光载流子的吸收区，所述吸收区由与所述第一材料不同的第二材料形成并且包括：/n第一p掺杂区；以及/n第二n掺杂区，所述第二n掺杂区耦合到所述第一n掺杂区，/n其中，所述第二n掺杂区的第二掺杂浓度小于或基本上等于所述第一n掺杂区的第一掺杂浓度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170413 US 62/485,003;20170502 US 62/500,457;20171.一种光学设备，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底由第一材料形成，所述半导体衬底包括第一n掺杂区；以及
光电二极管，所述光电二极管由所述半导体衬底支撑，所述光电二极管包括被配置为吸收光子并且从吸收的所述光子生成光载流子的吸收区，所述吸收区由与所述第一材料不同的第二材料形成并且包括：
第一p掺杂区；以及
第二n掺杂区，所述第二n掺杂区耦合到所述第一n掺杂区，
其中，所述第二n掺杂区的第二掺杂浓度小于或基本上等于所述第一n掺杂区的第一掺杂浓度。


2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述半导体衬底是通过键合第一半导体层和第二半导体层来形成的。


3.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一材料是硅并且所述第二材料包括锗。


4.根据权利要求3所述的光学设备，其中，所述第一n掺杂区的所述第一掺杂浓度基本上等于所述第二n掺杂区的所述第二掺杂浓度的16倍。


5.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一掺杂浓度和所述第二掺杂浓度被设置为使得所述第一n掺杂区的第一费米能级和所述第二n掺杂区的第二费米能级基本上相等。


6.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一p掺杂区布置在所述吸收区的第一表面上，并且所述第二n掺杂区布置在与所述第一表面相反的第二表面上。


7.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一p掺杂区和所述第二n掺杂区布置在所述吸收区的第一表面上。


8.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述半导体衬底还包括凹陷，并且所述吸收区的至少一部分嵌入在所述凹陷中。


9.根据权利要求8所述的光学设备，其中，所述凹陷包括侧壁分隔件。


10.根据权利要求8所述的光学设备，其中，所述第一n掺杂区围绕所述凹陷的至少一部分。


11.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一n掺杂区和所述第二n掺杂区是相邻的。


12.根据权利要求1所述的光学设备，还包括耦合到所述第一n掺杂区和所述第二n掺杂区的第一金属互连。


13.根据权利要求1所述的光学设备，还包括：
一个或多个读出区，所述一个或多个读出区耦合到一个或多个读出电路，所述一个或多个读出区被配置为将由所述光电二极管生成的所述光载流子提供给所述一个或多个读出电路；以及
一个或多个栅，所述一个或多个栅耦合到控制所述光电二极管和所述一个或多个读出区之间的载流子传送的一个或多个控制信号。


14.根据权利要求13所述的光学设备，其中，所述一个或多个读出区以及所述一个或多个栅由所述半导体衬底支撑。


15.根据权利要求13所述的光学设备，其中，所述一个或多个读出区还包括一个或多个浮置扩散电容器。


16.根据权利要求1所述的光学设备，还包括：
由所述半导体衬底支撑的透镜。


17.根据权利要求16所述的光学设备，其中，所述透镜一体地形成在所述半导体衬底上。


18.根据权利要求16所述的光学设备，还包括：
分隔件层，所述分隔件层由所述半导体衬底支撑，
其中，在与衬底表面正交的方向上，所述分隔件层布置在所述吸收区和所述透镜之间。


19.根据权利要求18所述的光学设备，其中，所述分隔件层具有与所述透镜的焦距对应的厚度。


20.根据权利要求16所述的光学设备，还包括：
抗反射层，所述抗反射层由所述半导体衬底支撑并且布置在所述半导体衬底和所述透镜之间。


21.一种光学设备，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底由第一材料形成并且包括凹陷；以及
光电二极管，所述光电二极管由所述半导体衬底支撑，所述光电二极管包括吸收区，所述吸收区被配置为吸收光子并且从吸收的所述光子生成光载流子，其中，所述吸收区由与所述第一材料不同的第二材料形成，并且所述吸收区的至少一部分嵌入在所述凹陷中，并且其中，所述吸收区包括：
第一p掺杂区；
第一n掺杂区；
第二n掺杂区；以及
第一栅，所述第一栅耦合到第一控制信号并且被配置为控制所述第一n掺杂区和所述第二n掺杂区之间的载流子传送，其中，所述第一n掺杂区的第一掺杂浓度小于或基本上等于所述第二n掺杂区的第二掺杂浓度。


22.一种光学设备，包括：
第一半导体衬底，所述第一半导体衬底由第一材料形成并且包括凹陷；
光电二极管，所述光电二极管由所述第一半导体衬底支撑，所述光电二极管包括吸收区，所述吸收区被配置为吸收光子并且从吸收的所述光子生成光载流子，其中，所述吸收区由与所述第一材料不同的第二材料形成，并且所述吸收区的至少一部分嵌入在所述凹陷中，并且其中，所述吸收区包括：
第一p掺杂区；以及
第一n掺杂区；
第二半导体衬底，所述第二半导体衬底由与所述第二材料不同的第三材料形成，所述第二半导体衬底包括：
第二n掺杂区；
一个或多个读出区，所述一个或多个读出区耦合到一个或多个读出电路，所述一个或多个读出区被配置为将由所述光电二极管生成的所述光载流子提供给所述一个或多个读出电路；以及
一个或多个栅，所述一个或多个栅耦合到控制所述光电二极管和所述一个或多个读出区之间的载流子传送的一个或多个控制信号；以及
金属互连，所述金属互连耦合到所述第一n掺杂区和所述第二n掺杂区，
其中，所述第一n掺杂区的第一掺杂浓度小于或基本上等于所述第二n掺杂区的第二掺杂浓度。


23.一种电路，包括：
光电二极管，所述光电二极管被配置为吸收光子并且从吸收的所述光子生成光载流子；
第一MOSFET晶体管，所述第一MOSFET晶体管包括：
第一沟道端子，所述第一沟道端子耦合到所述光电二极管的第一端子并且被配置为收集由所述光电二极管生成的所述光载流子的一部分；
第二沟道端子；以及
栅端子，所述栅端子耦合到第一控制电压源；
第一读出电路，所述第一读出电路被配置为输出第一读出电压，所述第一读出电路包括：
第一电容器，所述第一电容器被配置为对由所述光电二极管生成的所述光载流子进行积分；以及
第一重置MOSFET晶体管，所述第一重置MOSFET晶体管被配置为将所述第一电容器充电至第一电压；
第二读出电路，所述第二读出电路被配置为输出第二读出电压，所述第二读出电路包括：
第二电容器，所述第二电容器被配置为对由所述光电二极管生成的所述光载流子进行积分；以及
第二重置MOSFET晶体管，所述第二重置MOSFET晶体管被配置为将所述第二电容器充电至第二电压；以及
电流导引电路，所述电流导引电路被配置为将由所述光电二极管生成的所述光载流子导引至所述第一读出电路和所述第二读出电路中的一者或二者，所述电流导引电路包括：
第一电流导引MOSFET晶体管，所述第一电流导引MOSFET晶体管包括耦合到第二控制电压源的第二栅端子、耦合到所述第二沟道端子的第三沟道端子、以及耦合到所述第一读出电路的第四沟道端子；以及
第二电流导引MOSFET晶体管，所述第二电流导引MOSFET晶体管包括耦合到第三控制电压源的第三栅端子、耦合到所述第二沟道端子的第五沟道端子、以及耦合到所述第二读出电路的第六沟道端子，
其中，在所述电路的操作期间，所述第一控制电压源生成第一控制电压，所述第一控制电压被配置为产生所述第一电压与所述光电二极管的所述第一端子的第三电压之间的第一电压差，并且产生所述第二电压与所述光电二极管的所述第一端子的所述第三电压之间的第二电压差。


24.根据权利要求23所述的电路，还包括第一半导体层和第二半导体层，
其中，所述光电二极管由所述第一半导体层支撑，以及
其中，所述第一MOSFET晶体管、所述第一读出电路、所述第二读出电路、以及所述电流导引电路由所述第二半导体层支撑。


25.根据权利要求23所述的电路，还包括第一半导体层和第二半导体层，
其中，所述光电二极管和所述第一MOSFET晶体管由所述第一半导体层支撑，以及
其中，所述第一读出电路、所述第二读出电路、以及所述电流导引电路由所述第二半导体层支撑。


26.根据权利要求23所述的电路，还包括第一半导体层和第二半导体层，
其中，所述光电二极管、所述第一MOSFET晶体管、以及所述电流导引电路由所述第一半导体层支撑，以及
其中，所述第一读出电路和所述第二读出电路由所述第二半导体层支撑。


27.根据权利要求23所述的电路，其中，在所述电路的操作期间，所述第一控制电压被配置为使所述第一MOSFET晶体管在亚阈值区或饱和区中操作。


28.根据权利要求23所述的电路，其中，在所述电路的操作期间，相对于没有所述第一MOSFET晶体管的可比较...

【专利技术属性】
技术研发人员：那允中，郑斯璘，陈书履，刘汉鼎，陈慧文，梁哲夫，吕元复，陈建龙，林崇致，朱冠祯，
申请(专利权)人：奥特逻科公司，
类型：发明
国别省市：美国;US