光检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种光检测装置，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。区收集的第一类型的光生载流子的量。区收集的第一类型的光生载流子的量。

【技术实现步骤摘要】
光检测装置
[0001]本申请是2020年8月24日提交的申请号为201980015012.2(PCT/US2019/019167)、申请日为2019年2月22日、标题为“光检测装置及其光检测方法”的专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]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

[0004]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

[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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
[0009]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：
[0010]图1A
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1F图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。
[0011]图2A
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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。
[0012]图3A
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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。
[0013]图4A
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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。
[0014]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。
[0015]图6A
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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。
[0016]图7A
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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。
[0017]图7C
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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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]图9C
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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。
[0023]图10A
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10D图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。
[0024]图11A
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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。
[0025]图12A
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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。
[0026]图13A
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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。
[0027]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
[0028]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
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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(blanket epitaxy)、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。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光检测装置，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，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，所述第一区是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；其中，所述第三区是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；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大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。2.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，所述第一区或所述第三区的所述第一类型的掺杂剂的掺杂浓度低于所述第二区或所述第四区的第二类型的掺杂剂的掺杂浓度。3.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。4.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，U形掺杂区电耦合到偏置电压。5.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。6.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阱区，具有所述第二类型的所述阱区部分地或完全地围绕所述第一区。7.根据权利要求1所述的光检测装置，进一步包括：具有所述第一类型的阱区，具有所述第一类型的所述阱区部分地或完全地围绕所述第二区。8.根据权利要求1所述的光检测装置，进一步包括：钝化层，所述钝化层被形成在所述第一锗基光吸收材料的第一表面上。9.根据权利要求1所述的光检测装置，包括：第一隔离区，所述隔离区部分地或完全地围绕所述第一锗基光吸收材料。10.根据权利要求9所述的光检测装置，包括：第二隔离区形成於第一隔离区內，且所述第二隔离区的深度小於所述第一隔离区的深度，所述第二隔离区的掺杂浓度與所述第一隔离区的掺杂浓度不同。11.根据权利要求9或10所述的光检测装置，其中，所述第一隔离区延伸到所述半导体衬底的底面或电耦合到偏置电压。12.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，第一硅化物被形成在所述第一金属线与所述第一锗基光吸收材料之间，以及其中，第二硅化物被形成在所述第二金属线与所述第一锗基光吸收材料之间。
13.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，包括：光学窗口，用以定义第一锗基光吸收材料的吸收区，所述第一金属线与所述第三金属线相对于光学窗口沿对角线方向彼此相对。14.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，所述第一金属线与所述第三金属线未被定位在X轴。15.根据权利要求1所述的光检测装置，包括：激光器，所述激光器被耦合到激光驱动器以用于发送光信号，其中，通过对于多个时间帧具有多个预定相位的第一调制信号来调制所述光信号，所述第一光信号是从物体反射的所述光信号，并且通过对于所述多个时间帧具有第一单个预定相位的第二调制信号来解调由所述第一锗基光吸收材料吸收的所述第一光信号。16.一种光检测装置，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，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；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，以及第一掺杂区，所述第一掺杂区位在所述第一区以及所述第三区之间；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；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；其中，所述第一掺杂区具有所述第二类型。17.根据权利要求16所述的光检测装置，其中，所述第一区或所述第三区的所述第一类型的掺杂剂的掺杂浓度低于所述第二区或所述第四区的第二类型的掺杂剂的掺杂浓度。18.根据权利要求16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二掺杂区，其中第二掺杂区具有所述第一类型，且第二掺杂区位在所述第二表面與所述第一掺杂区之間。19.根据权利要求18所述的光检测装置，其中，所述第二掺杂区為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。20.根据权利要求18或19所述的光检测装置，其中，所述第二掺杂区电耦合到偏置电压。21.根据权利要求16所述的光检...

【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：