光检测装置及其光检测方法制造方法及图纸

一种光检测装置包括半导体衬底。第一锗基光吸收材料由半导体衬底支撑并且被配置成吸收具有大于800nm的第一波长的第一光信号。第一金属线被电耦合到第一锗基光吸收材料的第一区。第二金属线被电耦合到第一锗基光吸收材料的第二区。第一区是未掺杂的或被掺杂有第一类型的掺杂剂。第二区被掺杂有第二类型的掺杂剂。第一金属线被配置成控制在第一锗基光吸收材料内部产生以由第二区收集的第一类型的光生载流子的量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光检测装置及其光检测方法相关申请的交叉引用本专利申请要求以下各项的权益：2018年2月23日提交的美国临时专利申请号62/634,741、2018年4月8日提交的美国临时专利申请号62/654,454、2018年4月20日提交的美国临时专利申请号62/660,252、2018年7月15日提交的美国临时专利申请号62/698,263、2018年6月8日提交的美国临时专利申请号62/682,254、2018年6月19日提交的美国临时专利申请号62/686,697、2018年7月8日提交的美国临时专利申请号62/695,060、2018年7月8日提交的美国临时专利申请号62/695,058、2018年10月29日提交的美国临时专利申请号62/752,285、2018年8月13日提交的美国临时专利申请号62/717,908、2018年11月5日提交的美国临时专利申请号62/755,581、2018年11月21日提交的美国临时专利申请号62/770,196和2018年12月7日提交的美国临时专利申请号62/776,995，其通过引用并入本文中。
技术介绍
光检测器可以用于检测光信号并且将光信号转换为可以由另一电路进一步处理的电信号。可以在消费电子产品、图像传感器、数据通信、飞行时间(TOF)测距或成像传感器、医疗设备和许多其它合适的应用中使用光检测器。然而，当将光检测器以单个或阵列配置应用于这些应用时，泄漏电流、暗电流、电/光串扰和功耗可能使性能降级。
技术实现思路
根据本公开的实施例，提供了一种光检测装置。该光检测装置包括半导体衬底。第一锗基光吸收材料由该半导体衬底支撑并且被配置成吸收具有大于800nm的第一波长的第一光信号。第一金属线被电耦合到第一锗基光吸收材料的第一区。第二金属线被电耦合到第一锗基光吸收材料的第二区。第一区是未掺杂的或被掺杂有第一类型的掺杂剂。第二区被掺杂有第二类型的掺杂剂。第一金属线被配置成控制在第一锗基光吸收材料内部产生以由第二区收集的第一类型的光生载流子的量。根据本公开的实施例，提供了一种光检测方法。该光检测方法包括：发送通过第一调制信号调制的光信号，其中该光信号通过对于多个时间帧具有一个或多个预定相位的第一调制信号被调制。所反射的光信号由光检测器接收。所反射的光信号通过一个或多个解调信号被解调，其中一个或多个解调信号是对于多个时间帧具有一个或多个预定相位的信号。在电容器上输出至少一个电压信号。在本文公开的实施例的其它优点和益处当中，实施例提供了一种能够有效率地吸收至少但限于近红外(NIR)光或短波红外(SWIR)光的光检测装置。在一些实施例中，光检测装置提供高解调对比度、低泄漏电流、低暗电流、低功耗、低电/光串扰和/或用于芯片尺寸小型化的架构。在一些实施例中，光检测装置能够处理具有多种波长的入射光信号，包括不同的调制方案和/或时间分割功能。此外，能够在飞行时间(ToF)应用中使用光检测装置，这些ToF应用可以在与可见波长比较更长的波长(例如，NIR和SWIR范围)下操作。设备/材料实现者能够设计/制作100％的锗或具有预定百分比的锗(例如，大于80％的Ge)的合金(例如，GeSi)(本征的或非本征的)作为吸收前述波长下的光的光吸收材料。在阅读了在各个图和附图中图示的替选实施例的以下详细描述之后，本公开的这些和其它目的将变得对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。附图说明本申请的前述方面和许多附带优点将变得更容易领会，因为当结合附图参考以下详细描述时，本申请的前述方面和许多附带优点变得更好地理解，其中：图1A-1F图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。图2A-2H图示根据一些实施例的具有本体耗尽模式的光检测装置的横截面视图。图3A-3B图示根据一些实施例的具有门控本体耗尽模式的光检测装置的横截面视图。图4A-4D图示根据一些实施例的具有较低泄漏电流和较低暗电流的光检测装置的横截面视图。图5图示根据一些实施例的具有钝化层的光检测装置的横截面视图。图6A-6C图示根据一些实施例的具有提高的电荷迁移速度的光检测装置的横截面视图。图7A-7B图示根据一些实施例的具有表面耗尽模式的光检测装置的横截面视图。图7C-7D图示根据一些实施例的具有表面耗尽模式的光检测装置的平面视图。图8A图示根据一些实施例的具有表面离子注入的光检测装置的横截面视图。图8B图示根据一些实施例的具有表面离子注入的光检测装置的平面视图。图9A图示根据一些实施例的具有像素到像素隔离的光检测装置的横截面视图。图9B图示根据一些实施例的具有像素到像素隔离的光检测装置的平面视图。图9C-9E图示根据一些实施例的具有像素到像素隔离的光检测装置的横截面视图。图10A-10D图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。图11A-11E图示根据一些实施例的具有芯片尺寸小型化的光检测装置的平面视图。图12A-12B图示根据一些实施例的光检测装置的阵列配置的平面视图。图13A-13E图示根据一些实施例的使用具有相位变化的调制方案的光检测装置的框图和定时图。图14图示根据一些实施例的用于运用使用具有相位变化的调制方案的光检测装置的过程。具体实施方式图1A图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。光检测装置100a包括由半导体衬底104支撑的锗基光吸收材料102。在一个实现方式中，半导体衬底104由硅或硅锗或锗或III-V族化合物制成。锗基光吸收材料102在本文中是指本征锗(100％的锗)或包括锗的元素的合金，例如硅锗合金，其Ge浓度为1％至99％。在一些实现方式中，可以使用全外延(blanketepitaxy)、选择性外延或其它适用的技术来使锗基光吸收材料102生长。锗基光吸收材料102被嵌入在图1A中的半导体衬底104中，而在替选实施例中，锗基光吸收材料102可以被部分地嵌入在半导体衬底104中或者可以站立在半导体衬底104上。光检测装置100a包括控制金属线106a和读出金属线108a。控制金属线106a和读出金属线108a都被电耦合到锗基光吸收材料102的表面102s。在此实施例中，控制金属线106a电耦合到表面102s上的未掺杂区105a，其中未掺杂区105a没有掺杂剂。读出金属线108a电耦合到表面102s上的掺杂区101a，其中掺杂区101a具有掺杂剂。注意的是，能够将锗基光吸收材料102形成为本征的或非本征的(例如，轻P型或轻N型)。由于锗材料的缺陷特性，即使没有引入附加掺杂工艺，锗基光吸收材料102也仍可以是轻P型。因此，未掺杂区105a也可以是轻P型。取决于要收集的光载流子(即空穴或电子)的类型，掺杂区101a可以被掺杂有P型掺杂剂或N型掺杂剂。在一些实现方式中，掺杂区101a能通过热扩散、离子注入或任何其它掺杂工艺来掺杂。控制金属线106a由用于控制由吸收的光子产生的电子或空穴的移动方向的控制信号cs1来控制。假定掺杂区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光检测装置，包括：/n半导体衬底；/n第一锗基光吸收材料，所述第一锗基光吸收材料由所述半导体衬底支撑并且被配置成吸收具有大于800nm的第一波长的第一光信号；/n第一金属线，所述第一金属线被电耦合到所述第一锗基光吸收材料的第一区；以及/n第二金属线，所述第二金属线被电耦合到所述第一锗基光吸收材料的第二区，/n其中，所述第一区是未掺杂的或被掺杂有第一类型的掺杂剂，所述第二区被掺杂有第二类型的掺杂剂，并且所述第一金属线被配置成控制在所述第一锗基光吸收材料内部产生以由所述第二区收集的第一类型的光生载流子的量。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180223 US 62/634,741;20180408 US 62/654,454;20181.一种光检测装置，包括：
半导体衬底；
第一锗基光吸收材料，所述第一锗基光吸收材料由所述半导体衬底支撑并且被配置成吸收具有大于800nm的第一波长的第一光信号；
第一金属线，所述第一金属线被电耦合到所述第一锗基光吸收材料的第一区；以及
第二金属线，所述第二金属线被电耦合到所述第一锗基光吸收材料的第二区，
其中，所述第一区是未掺杂的或被掺杂有第一类型的掺杂剂，所述第二区被掺杂有第二类型的掺杂剂，并且所述第一金属线被配置成控制在所述第一锗基光吸收材料内部产生以由所述第二区收集的第一类型的光生载流子的量。


2.根据权利要求1所述的光检测装置，包括：
第三金属线，所述第三金属线被耦合到所述第一锗基光吸收材料的第三区；以及
第四金属线，所述第四金属线被耦合到所述第一锗基光吸收材料的第四区，
其中，所述第三区是未掺杂的或被掺杂有所述第一类型的掺杂剂，并且所述第四区被掺杂有所述第二类型的掺杂剂，以及其中，所述第三金属线被配置成控制在所述第一锗基光吸收材料内部产生以由所述第四区收集的第一类型的光生载流子的量。


3.根据权利要求2所述的光检测装置，其中，从所述第一锗基光吸收材料的第一表面延伸的所述第一区的深度小于从所述第一锗基光吸收材料的所述第一表面延伸的所述第二区的深度。


4.根据权利要求2所述的光检测装置，包括：形成在与其中形成所述第一区、所述第二区、所述第三区和所述第四区的所述第一锗基光吸收材料的第一表面相对的第二表面上的第五区，其中所述第五区被掺杂有所述第二类型的掺杂剂。


5.根据权利要求2所述的光检测装置，其中，所述第一锗基光吸收材料被掺杂有所述第二类型的掺杂剂。


6.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，掺杂有所述第一类型的掺杂剂的所述第一区是轻掺杂的。


7.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，所述第一类型的掺杂剂的掺杂浓度低于所述第二类型的掺杂剂的掺杂浓度。


8.根据权利要求1所述的光检测装置，包括：具有所述第一类型的掺杂剂的U形掺杂区，所述U形掺杂区被布置在所述半导体衬底中并且挨着所述第一锗基光吸收材料。


9.根据权利要求1所述的光检测装置，进一步包括：电介质层，所述电介质层被嵌入在所述第一锗基光吸收材料与所述半导体衬底之间。


10.根据权利要求1所述的光检测装置，进一步包括：具有所述第二类型的掺杂剂的阱区，具有所述第二类型的掺杂剂的所述阱区部分地或...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈书履，陈建宇，郑斯璘，那允中，杨闵杰，刘汉鼎，梁哲夫，
申请(专利权)人：奥特逻科公司，
类型：发明
国别省市：美国;US