CN102044547A - 光子混合器及其用途 - Google Patents

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Abstract

光子混合器包括由用于将多数载流子电流注入半导体衬底(1)的注入接触区(3、4)以及用于聚集光电流的检测区(7、8)构成的耦合。注入接触区(3、4)掺杂有比半导体衬底(1)更高掺杂物浓度的第一传导类型(P+)的掺杂物。检测区(7、8)掺杂有与第一传导类型相反的第二传导类型(n+)的掺杂物并与半导体衬底(1)形成结(11、12)，半导体衬底(1)在所述结(11、12)周围的区域是耗尽型衬底区(101、102)。所述耦合还包括界定耦合的侧向边缘并具有比半导体衬底(1)掺杂物浓度更高的掺杂物浓度的第一传导类型(P-)的电场成形区(13、14)，其浓度例如在半导体衬底(1)和注入接触区(3、4)的掺杂物浓度之间，所述电场成形区(13、14)被设计成侧向地约束所述耗尽型衬底区(101、102)。

Description

光子混合器及其用途
技术领域
本发明涉及设有半导体衬底的光子混合器，所述半导体衬底具有电场区以及用于在半导体衬底中产生多数载流子电流和关联电场的装置，该半导体衬底掺杂有第一传导类型从而当电磁辐射在所述电场区内击中衬底时，在衬底中产生成对的多数和少数载流子，从而引发少数载流子的光电流，所述衬底包括：
至少一个第一传导类型的注入接触区，用以生成多数载流子电流并通过将多数载流子电流注入半导体衬底而产生关联的电场，所述接触区具有比半导体衬底更高的掺杂物浓度，
与第一传导类型相反的第二传导类型的至少一个检测区，用于聚集光电流，所述检测区与衬底具有结，在所述结周围的衬底区是耗尽型衬底区。
本发明还涉及这种光子混合器的用途。
背景技术
这种光子混合器可从EP-A 1513202中获知。这种光子混合器例如用于“飞行时间”(TOF)寻距应用中。现有技术文献WO98/10255和WO99/60629解释了寻距应用中的飞行时间测量的基本原理。光源在1MHz-1GHz范围内的频率下被调制。光照亮物体、场景且一部分反射光通过聚焦透镜进入寻距相机。通过在每个像素中测量入射光的相位，可以估算场景中的像素及其共轭(光反射)像素区之间的距离。如此可估算和记录物体的距离和物体的形状。光子混合器是准确测量反射光相位的装置。由于相位精度关联于估算距离的精确性，因此这种相位精度是非常重要的。光子混合器立即将入射光混合到检测器中，而不是混合到与之相连的电子混合器中。于是获得低噪声，并因此获得更佳信噪比和关于估算距离的更小误差。光子混合器操作中特别相关的事项是电信号以与电磁辐射相同的调制频率施加于衬底。如此，信号混合直接在衬底中进行。在传统光子检测器中，混合是在独立混合器中在后一级完成的。
图6A示出现有技术光子混合器的一个实施例，该混合器通过电源90将入射调幅电磁辐射与施加于衬底1(通常为其外延层)的电信号混合。图6B示出沿图6A所示装置的剖切线III-III′的横截面。由电源90施加的电信号产生通过衬底1的多数电流，例如多数空穴电流99。所施加的电信号一般以与电磁辐射(通常为光)相同的频率调制。当碰撞衬底电场区的来自电磁辐射的光子进入衬底的电场时，这些光子被转化为成对的电子和空穴。少数载流子，例如p型衬底1中的电子感应到与所施加的多数空穴电流99关联的电场，并向多数载流子(例如空穴)的第一电源漂移，所述多数载流子在本例中表示为p+-接触区61。它们随后扩散进入由阱区67或集电区64与接触区63构成的相邻第一检测区。如此，它们将成为左混合器连接点Mix1的输出光电流的一部分。一种可能的电子轨道是轨道66，如图6B所示。当所施加的电压或电信号如图6C所示翻转时，主要电流的方向翻转，且少数载流子向互补接触区p+-指62漂移。此后，大多数的少数载流子(即电子)经由n阱68扩散进入第二检测区64，成为右混合器连接点MIX2的输出光电流的一部分。一种可能的电子轨道是轨道69，如图6C所示。如此，对入射光子敏感的电场区变大，而检测区63、64由于其有限的指面积仅具有很小的电容。例如金属区60的电磁掩模可用来防止例如光的碰撞电磁辐射穿透不希望的区域。
已在现有技术光子混合器的实验中发现，所获得的调制频率明显小于理论计算出的最大值。其缺点在于光子混合器的带宽受到限制。这种带宽限制不仅限制了设备的总体速度而且使其精确性受到限制。
因此本发明的目的是提供一种在起始段落中提到的那种类型的光子混合器，这种光子混合器适用于增加的调制频率，例如高于10MHz，更具体地高于100MHz。
发明内容
本发明目的如权利要求1所要求保护的那样，在于注入接触区和检测区形成耦合，所述耦合进一步包括界定耦合的侧向边缘并具有比半导体衬底的掺杂浓度更高的掺杂浓度——例如在半导体衬底和注入接触区的掺杂浓度之间——的第一传导类型电场成形区，该电场成形区被设计成侧向地约束所述耗尽型衬底区。
已经发现这些区的提供导致调制频率的增加。发现这些区的提供导致电场更深地伸入衬底。已发现检测区形成与衬底的pn结的相关性，例如至少一个电场成形区不出现在检测区的下方。这种不合需要的电场成形区的出现会妨害少数电荷载流子(通常为电子)扩散至检测区。
耗尽型衬底区的侧向约束可能因为电场成形区界定了耗尽型衬底区而发生。作为代替，这种约束可能因为延伸通过电场成形区的电场约束耗尽型衬底区的延伸而电气地发生。在又一种选择中，这种约束可能因为结具有平坦或抛物线或类似的形状并且耗尽型衬底区与之顺应而几何地发生。显然，这些约束效果也可能组合发生。使结在横截面视图中具有抛物线形的设计被认为是非常有利的。
在本发明的一个实施例中，检测区包括分享共有界面的检测接触区和检测集电区，该检测集电区的掺杂浓度比检测接触区的掺杂浓度更低并受衬底结的界定。检测集电区的提供导致结具有较大的界面区并且该结出现在衬底中较深层。两种效果均支持光电流的有效聚集。在该结处出现的深度可以小于、等于或大于电场成形区伸至的深度。适当地，该结在与电场成形区的深度大致相同的深度出现。
检测区可与其周围的至少一个电场成形区形成pn结。然而，这不是必须的并且轻度掺杂的衬底(通常为p--)可出现在检测区(通常为n-)和至少一个电场成形区(通常为p-)之间。
在一个实施例中，电场区由至少一个接触侧向地界定。该接触较佳为限定在半导体衬底中并掺杂以第一传导类型掺杂物的接触区。更适当地，掺杂物浓度等于注入接触区的浓度。可任选地，该接触区可具有与附加电场成形区的界面。该电场成形区较佳地侧向界定电场区。已观察到至少一个触点可以具有环形，但作为代替也可以是U形、L形并进一步由一个以上的触点构成，例如第一和第二U形接触或第一和第二矩形接触。当接触具有有限的延伸时，任何电场成形区而不是接触区较佳地为环形，接触可以是在半导体衬底顶部上的金属接触或在半导体衬底沟道中的接触。
在另一实施例中，半导体衬底包括具有第一侧和相对第二侧的有源层，其中所述检测区和所述注入校正区位于第一侧而用于聚集多数载流子电流的接触位于有源层的相对第二侧。与之前实施例中的电场延伸主要是侧向的相反，本实施例具有主要垂直取向的电场，例如垂直于有源层的第一侧。这些实施例在下文中也被称为具有侧向接触和垂直接触的实施例。进一步的选择是既存在侧向接触又存在垂直接触。
垂直接触出现在有源层的第二侧。对其实现具有若干种选择，例如接触可以是在半导体衬底第二侧上的金属接触，在这种情形下有源层构成衬底的主体。金属接触可覆盖整个第二侧，但并非一定要如此。金属接触也可以存在于从第二侧蚀刻进入半导体衬底的凹腔内。垂直接触或者可以是第一传导类型的埋入区。该区可耦合于插头和或与有源区第一侧的其它垂直连接，例如半导体衬底的主表面。垂直接触可再次以另一形式成为导电(例如掺杂的)衬底(例如p+衬底)层的顶部界面。本文更具体的实现对本领域内技术人员来说是明显的。
垂直接触的优势是更高的分辨率，这容易是10的因子。更高的分辨率可在每单位表面积提供更多个数的混合器，或减小光子混合器的尺寸。
在最相关实施例中，光子混合器是差动光子混合器。因此，至少两个耦合的电流注入接触区和至少一个检测区出现在所述电场区内。该差动光子混合器相比仅具有一个耦合的光子混合器(即单端光子混合器)的优势在于测量时间的减少。在一些其它实施例中，三个或更多个这类耦合可出现在电场区内。第三个耦合允许进一步调谐频率范围。出现四个耦合对就减少测量时间而言是有利的。同时，将物体三维定位可在单次测量中实现。因为有两个耦合，因此将物体三维定位需要两次测量。四个耦合较佳地成对激活，即作为差动光子混合器。然而也不排除单独作用。
合适地，存在垂直接触或侧向接触或两者。本实施例允许产生具有DC分量和AC分量两者的电场。产生AC分量是因为多数载流子电流可交替从各耦合的接触区注入。因此，这些接触区适于以不同电压提供，尤其是在基准电平附近的反向电压。基准电平一般为接地电压(0V)，但也可具有另一值。
发现具有第一和第二耦合与接触(要么是侧向接触要么是垂直接触)的器件是非常有优势的。已发现解调效率已增加10-20％。该解调效率限定了电荷在光子混合器中分离的效率并因此是形成光电流的电荷载流子上的电场的影响的度量。这种增加是显著的，由于它导致测量系统速度提高三倍。除了更为简单外，另一优势在于减少了系统中光发射器的个数。具体地，随着速度增加两倍，光发射器的数目可减少四倍。
侧向约束接触区被以非振荡的电压给出，但在光子混合操作中具有恒定值。它因此提供DC分量。这种侧向约束的接触区的电压较佳地使光电流指向电场的中央。当用来在规定DC电压电平下提供反电极时，该侧向约束的接触区不是电流注入接触区。电场成形区可出现在接触区下面，但并非一定如此。
垂直接触或侧向接触较佳地起到光闸的作用。因此，接触上的电压变化以切断电场的DC分量，并同时确保少数载流子不被接触区吸引。相比将光闸功能作用于侧向接触或垂直接触上，也可进一步通过耦合的注入接触区实现，尤其是在出现一个以上耦合的情形下。
在本实施例的较佳形式中，每个所述耦合从上方观察时具有大致矩形形状，它具有边缘、长宽比在0.05-20之间的长度和宽度，所述边缘由至少一个电场成形区形成。更适当地，这种设计是其中矩形耦合具有一中心，在那里出现具有下层电场成形区的接触区，一个环状检测区或多个检测区出现在所述边缘内的所述接触区的相对侧。所得到的设计证实是有优势的。术语“大致矩形”包括具有修整过的边角的特定矩形实施例。较佳地，注入电流区和检测区具有细长形状或具有细长形状的部分。因此有效面积增加，导致性能提高。
在第二方面，本发明提供一种设有半导体衬底的光子混合器，所述半导体衬底具有电场区以及用于在半导体衬底中产生多数载流子电流和关联电场的装置，该半导体衬底掺杂有第一传导类型物质从而当电磁辐射在所述电场区内碰撞衬底时，在衬底中产生成对的多数和少数载流子，从而引发少数载流子的光电流，所述衬底包括用于将多数载流子电流注入半导体衬底的注入接触区以及用于聚集光电流的检测区的耦合，注入接触区以高于半导体衬底的掺杂物浓度掺杂以第一传导类型的掺杂物，而检测区掺杂以与第一传导类型相反的第二传导类型的掺杂物并与半导体衬底形成结。半导体衬底在所述结周围的区域是耗尽型衬底区，其中检测区是环形的并且在注入接触区周围延伸，第一传导类型的电场成形区具有比在检测区周围侧向延伸的半导体衬底具有更高的掺杂物浓度。
在第三方面，本发明提供设有半导体衬底的光子混合器，所述半导体衬底具有电场区以及用于在半导体衬底中产生多数载流子电流和关联电场的装置，该半导体衬底掺杂有第一传导类型物质从而当电磁辐射在所述电场区内碰撞衬底时，在衬底中产生成对的多数和少数载流子，从而引发少数载流子的光电流，所述衬底包括用于将多数载流子电流注入半导体衬底的注入接触区以及用于聚集光电流的检测区的耦合，注入接触区以高于半导体衬底的掺杂物浓度掺杂以第一传导类型的掺杂物，而检测区掺杂以与第一传导类型相反的第二传导类型的掺杂物并与半导体衬底形成结。半导体衬底在所述结周围的区域是耗尽型衬底区，其中半导体衬底包括具有第一侧和与之相对的第二侧的有源层，其中所述检测区和所述注入校正区位于第一侧且所述聚集多数载流子电流的接触位于有源层相对的第二侧。
本发明的第二和第三方面可与针对第一方面和在附图说明中讨论的任意多种特定实现和实施例组合。
在又一方面，本发明涉及测量第一和第二物体之间的距离的测量系统，尤其针对飞行时间(TOF)应用。该系统包括以第一调制频率发射经调制的电磁辐射的至少一个发射机。它还包括用于检测所述发射并任选地反射经调制电磁辐射并就地将得到的光电流与所施加的在调制频率下振荡的振荡信号混合的光子混合器，所述光子混合器提供代表所检测辐射的相位的输出信号。具体地说，根据本发明的光子混合器是存在的。
根据本发明的光子混合器的这些和其它方面将结合附图进一步予以说明。
附图说明
图1A是本发明的第一实施例的概略俯视图；
图1B是如图1A所示的第一实施例的沿图1A中的直线D取得的概略横截面图。
图2是本发明第二实施例的概略俯视图；
图3A-3F示出结合第一和第二实施例使用的布图的概略示意图；
图4A-4F示出另外六个布图的概略示意图；
图5A是本发明第三实施例的概略示意图；
图5B是第三实施例的概略横截面图；
图6A是现有技术光子混合器的俯视图的概略表示；
图6B和6C是如图6A所示现有技术光子混合器的概略横截面图，所述横截面是沿图6A中的剖切线III-III’截取的；以及
图7是示出作为调制频率的函数的解调对比度。
具体实施方式
本申请的附图不按比例绘出并仅以说明为目的。不同附图中相同的附图标记表示相同部件。
图1A是本发明第一实施例的概略俯视图，而图1B是图1A所示第一实施例沿图1A中的剖切线D得到的横截面示意图。光子混合器包括半导体衬底1。半导体衬底1例如由p型掺杂的大体积硅衬底构成。它可包括可选的另一载体，例如玻璃、蓝宝石。该衬底还可以是具有埋入绝缘层的SOI型衬底。半导体衬底1的图示部分在本例中为低浓度掺杂的外延生长硅层(外延层)，例如通常用来形成半导体器件的外延层。在本例中使用p型衬底，而外延层是p---掺杂的，如本领域内技术人员所知那样。它适宜地具有在10和50微米之间的厚度。半导体衬底1可包含Si以外的另一种材料，例如SiGe、SiC、GaN、GaAs、InP。
接触区3、4和检测区7、8通过本身已知的方式将掺杂物原子注入衬底而形成。接触区3、4是p+或p++掺杂的。检测区7、8在本例中包括检测接触区(n+)和检测集电曲(n-)，它们分享共有的界面。检测区7、8掺杂有与第一传导类型相反的第二传导类型的掺杂物，例如n型掺杂的。检测接触区(n+)的掺杂物浓度高于检测集电区(n-)的掺杂物浓度。检测区7、8——在本例中为其检测-集电区——具有与衬底1的界面，它是一个结，即pn结。在操作中，pn结一般为反偏的。耗尽型衬底区101、102出现在衬底1中的所述结11、12周围。
根据本发明，存在电场成形区13、14。电场成形区13、14是第一传导类型的(P型)。它们基本垂直地延伸入半导体衬底1。电场成形区13、14具有比衬底1(p--)的掺杂物浓度更高的掺杂物浓度(p-)，例如在衬底1(p--)和注入接触区3、4(P+)之间。当从俯视图观察时，至少一个检测区7、8位于第一和第二电场成形区13、14之间，以侧向地约束所述耗尽型衬底区101、102。电场成形区13、14深入衬底1至例如0.5-5微米的深度，较佳为1-2微米。第一传导类型的电场成形区13、14界定注入接触区3、4和检测区7、8的耦合的侧向边缘113。
没有所述电场成形区13、14，耗尽型衬底区101、102将延伸至更宽的范围，尤其是作为延伸直至衬底表面的球体。此外它具有非对称形状；接触区3、4的存在将在一侧上形成约束，但不是在两侧都形成约束。
通过电场成形区13、14，结11、12在如图1B所示的横截面视图中具有抛物线形。耗尽型区101、102有效地包围在该结11、12周围。由此它们垂直于衬底表面比水平方向延伸出更多(也被称为垂直的)。当检测区7、8比电场成形区13、14更深入衬底1时也是这种情况。
当检测区7、8被约束于接触区(n+)时，结的形状不是抛物线形或某些与之类似的形状。然而，电场成形区13、14在这种情形下直接将耗尽型区限制在例如两电场成形区之间的衬底上。
在本实施例中，透光电极50出现在衬底1的表面上。透光电极50通过例如氧化物的绝缘层52与衬底表面隔离。然而，也可采用例如钽氧化物和其它材料的高K电介质。透光电极50适当地为多晶硅层。可对其掺杂以通过合适的掺杂物增强其导电型。电极50可用来通过在电子上施加斥力来减少表面复合。适当地，在操作中，将电压施加于该电极50以增强斥力。因此，端子51出现。电极50被图案化以不覆在检测区7和8、接触区3和4以及电场成形区13、14上面。它不需要覆盖整个电场区2。
图1A的俯视图示出该第一实施例的布局。电场成形区13、14位于电场区2相对的两个边缘，在那里电磁辐射撞击衬底以转化成少数和多数载流子。检测区7、8和接触区3、4是彼此平行延伸的细长区并各自提供有端子9、10和5、6。这些端子9、10、5、6在本例中被约束在区7、8、3、4端部的区域，但它们不需要正好位于那里。在同一接触区上可具有多个端子。掩模21覆盖在检测区7、8上以使其免受入射的电磁辐射影响。
图2是本发明第二实施例的概略俯视图。虽然在图1中两对检测区和接触区被界定在电场区2的尽头，然而本实施例包括四个接触区3、4、15、16和仅两个检测区7、8。附加的接触区15、16位于电场区2的尽头端。电场成形区19、20被界定于附加接触区15、16下方而端子17、18被界定于接触区15、16上。附加接触区15、16被设计成在光子混合操作中施加恒定电压。在接触区3、4上施加交流电压。同时，人们可施加具有AC分量和DC分量的电场。发现这种电场的施加能限制串话。
本实施例的一种选择是省去检测区7、8中的一个。这种选择不局限于图示的布局，而是针对具有检测区与接触区的第一和第二耦合加上充当DC反电极的侧向远端接触区的任何实施例都有效的选择。然而，省去一个检测区可能对所有聚集的光电流都具有消极的影响，并因此对光子混合器的效率产生影响。在图2的示例中，检测器是细长的，并因此可望使这种影响减小。
省去第二检测区的另一结果是所要连续执行的测量次数增加。需要至少三个不同相位的测量以在飞行时间方法中获得物体的距离测量。对于一个检测区仅有一个输出，并因此需要三次连续测量。对于两个检测区，两次连续测量就足够了。对于四个检测区，一次连续测量就足够。
本实施例的另一选择是省去在电场区2的边缘处的附加接触区15、16下方的电场成形区19、20。由于在这些附加接触区15、16的直接相邻区域没有结和耗尽型衬底区，因此相关性不那么大。然而，应用该磁场成形区19、20对电场形状更为有利，尤其是对形成对称电场更为有利。
图3A-3F和图4A-4F示出用于本发明的总共十二种设计，图3B示出图2所示光子混合器的简化概略俯视图，其中仅示出必要的元件子集。粗实线表示第一传导类型的接触区、用于施加多数电流的p+-区3、4、15、16。粗虚线表示检测区7、8。点线表示具有检测集电区与周围区域的结界面11、12。在粗实线周围的虚线表示电场成形区13、14、19、20的外侧。
图3A是很大程度与图3B的设计对应的设计。其差别在于检测区和接触区在电场成形区中的定位。在图3A的设计中，检测区7、8被界定在接触区3、4与在电场区2边缘的附加接触区15、16之间。在图3B的设计中，接触区3、4被界定在检测区7、9与在电场区2边缘的附加接触区15、16。图3A的设置容易提高少数电荷载流子扩散至检测区7、8以产生光电流的扩散过程的速度。
图3C-3F和图4A-4F示出包含位于电场区2边缘处的环形附加接触区30的设计。这类设计的优势在于电场位于中央而不是位于第一和第二细长和平行的接触区之间。这种位于中心的电场被认为有利于进一步增加调制频率。附加接触区30出现在电场成形区31中。图4E和4F分别类似于图3E和图4A，除了位于电场区2的环形接触区下方的电场成形区已被省去。接触区和检测区以具有由电场成形区界定的矩形成耦合地出现。
图3C、图4A和图4D示出第一组设计。这些设计包括至少一个接触区3、4和两个检测区32、33和36、37的多个耦合。所述耦合的边缘由电场成形区13、14界定。窗34、35和38、39出现在单个电场成形区13、14中检测区32、33和36、37的周围。接触区3、4出现于第一和第二检测区之间。接触区3、4和检测区32、33、36、37全部都是细长形状，或包括细长部分。在本例中，这些耦合的取向是相同的，更具体地说是使两个耦合中的检测区32、33、36、37成单行且平行地取向，其中其长边彼此相向。然而这并不被认为是必需的。所有这些耦合的方向可使两个耦合中的检测区32、33、36、37表现为两两排成两行，其短边彼此相向。一个耦合可向另一个耦合漂移。这两个耦合也可位于对角线上。这两个耦合的取向可包括在-90和+90度之间的任意角度。然而较佳地，这种设计使耦合中的接触区3、4平行于环形接触区30在电场区2边缘处的部分。另外较佳地，这些耦合的中心出现在电场区2的中线或对角线上。这种方位导致最规则的、较佳对称的电场配置，并因此形成受到最小干扰的电场。
相比图3C，图4A包括每个耦合两个附加接触区40、41和42、43。附加接触区40-43界定在检测区32、33、36、37和耦合13、14的边缘之间。尽管图示的U形为较佳的，然而不排除矩形或L形。与图4A相比，图4D的设计具有更多的接触区。在这种设计中，图4A所示的每耦合三个接触区3、41、42和4、43、44合并成8字形接触区3、4。这有利于电场的分布。
设计的第二子集由图3F、4B和4C构成。这里，所述耦合构建为一组环。图3F示出一种设计，其中检测器7、8出现在耦合的中心。环形接触区3、4围住检测器7、8。图4B示出在第一电场成形区13、14中具有内接触区3、4，在第二电场成形区23、24中具有环形检测区7、8和接触区44、45的设计。图4C示出一种类似设计，其中没有外环形接触区，使第二电场成形区23、24悬浮。这种设计的优势在于径向对称伸入每个耦合。相信能导致非常均匀分布的电场。可任选地，电场成形区13、14比侧向约束的电场成形区23、24更深入半导体衬底地延伸。这例如通过对电场成形区13、14使用本领域内技术人员已知为深P阱的注入类型来实现。内电场成形区更深入的延伸进一步改善了电场的分布。另外，更深入的延伸改善了衬底1的接触区3、4的质量。具体地说，所述质量是通过防止或至少减少由典型n型检测区7、8耗尽引起的任何消极影响来改善的。
较深的延伸对于该设计的第二子集来说是尤为有利的，并且最适用于其中第二电场成形区23、24保持悬浮的设计。然而，使用更深入衬底的注入也适用于其它任何子集。例如，在图4A所示的设计中，更深的注入可出现在例如接触区4下方。在这种情形下，存在从深阱向其余电场成形区的逐渐过渡。深阱在本文中较佳地局部位于耦合的中心。
设计的第三子集由图3D和3E构成。在本文中，图3A和3B中示出的细长耦合位于由环形接触区约束的电场区内。
图7是示出现有技术光子混合器和根据本发明的光子混合器的实施例的调制对比度C和调制频率f之间的关系的曲线图。用于生成实验数据的光子混合器具有图4A所示的设计。调制对比度或调制效率定义了电荷在光子混合器中分离的效率并因此是电场对形成光电流的电荷载流子的影响的度量。
现有技术光子混合器的调制对比度在1MHz以下显著减小。在1MHz下将近为85％。在10MHz下，减小至将近40％。在100MHz下，对比度小于20％。这种低对比度导致相当大的缺陷。根据本发明的光子混合器的调制对比度缓慢地减小。在5MHz下，它仍为80％。在50MHz左右，对比度为60％，而在100MHz，对比度仍有50％。对于作出正确距离测量来说已经是足够好的对比度。在较高调制频率下的对比度增加导致测量系统速度的显著增加。除了更为简单，另一优势是系统中光发射器的数目减少。具体地说，如果速度增加两倍，则光发射器的数目可减少四倍。
图5A是本发明第三实施例的概略俯视图，而图5B是图5A所示第三实施例沿图5A中的剖切线D得到的概略横截面图。图5示出一衬底，该衬底具有p--掺杂的有源层1和在本例中为p-掺杂的下衬底层80。或者，下衬底层80可具有例如p+的较高掺杂以导电。这些衬底可从市场上购得并为本领域内技术人员所知。精确的掺杂度是实施的关键。本领域内技术人员应当理解下衬底层80一般为p掺杂的单晶硅衬底并且有源层1是外延层。下层接触实质上由下衬底层80加上其上的金属接触81构成。因此是垂直接触，如引言中所描述的那样。电场可在注入接触区3、4之间延伸并最终延伸至金属接触81。由于下衬底层80增强的导电性，电场实质上在注入接触区3、4和下衬底层80的顶部之间延伸。典型地，电流通过接触区3、4以某一调制频率注入到有源层1，在第一接触区3和第二区4之间交变。这些注入接触区3、4出现在侧向边缘由电场成形区13、14界定的多个对中。
在连接中，通过如上所述的本发明，可考虑下列选择：读出电路和控制电路适当地一体化形成，即晶体管和/或其它半导体器件被界定在半导体衬底(有源区)内，并提供互连结构以形成想要的电路拓朴。光子混合器的控制不仅涉及将电压提供给接触区，还包括提供信号以重置光子混合器，尤其在后续测量之前。这种信号提供一般通过如前所述的光闸功能实现。可将电磁辐射提供给衬底的前侧，但作为选择也可提供给衬底的后侧，尤其是结合衬底厚度减小和载流子至前侧的选择性施加。在电场区内可出现两个以上的耦合。术语垂直、之上和之下是参照加工过程中半导体衬底的方位而定义的，其中前侧是顶部(上部)而衬底表面界定侧向延伸的方向。垂直就是正交于该衬底表面。也不排除将一个细长接触区、检测区以及电场成形区细分成若干更小的区/区域。
本发明或者可以下列方式表征：设有半导体衬底的光子混合器，该半导体衬底具有电场区以及用于在半导体衬底中产生多数载流子电流和关联电场的装置，该半导体衬底掺杂有第一传导类型从而当电磁辐射在所述电场区内碰撞衬底时，在衬底上产生多对多数和少数载流子，由此导致少数载流子的光电流，所述衬底包括：
至少一个第一传导类型的注入接触区，用于通过将多数载流子电流注入半导体衬底而产生多数载流子电流和关联电场，所述接触区具有比半导体衬底更高的掺杂物浓度；
具有与第一传导类型相反的第二传导类型以聚集光电流的至少一个检测区，所述检测区具有与衬底的结，在所述结周围的衬底区作为耗尽型衬底区；
第一传导类型的至少一个电场成形区，所述至少一个区基本垂直地伸入衬底并具有比半导体衬底的掺杂物浓度更高的掺杂物浓度，例如在衬底和接触区的掺杂物浓度之间，注入接触区与电场成形区形成界面，其中所述至少一个检测区从俯视图观察时位于第一和第二电场成形区之间或电场成形区的第一和第二部分之间，从而侧向约束所述耗尽型衬底区。

Claims (18)

1.一种设有半导体衬底的光子混合器，所述半导体衬底具有电场区以及用于在半导体衬底中产生多数载流子电流以及关联电场的装置，所述半导体衬底掺杂有第一传导类型从而当电磁辐射在所述电场区中碰撞衬底时，在衬底中产生多对多数和少数载流子，从而引发少数载流子的光电流，所述衬底包括由用于将多数载流子电流注入半导体衬底的注入接触区以及用于聚集光电流的检测区构成的耦合，所述注入接触区掺杂有比半导体衬底更高掺杂物浓度的第一传导类型掺杂物，而所述检测区掺杂有与第一传导类型相反的第二传导类型的掺杂物并与所述半导体衬底形成结，所述半导体衬底在所述结周围的区域是耗尽型衬底区，其中所述耦合进一步包括界定所述耦合的侧向边缘并具有比所述半导体衬底的掺杂浓度更高的掺杂浓度的第一传导类型电场成形区，其中所述电场成形区被设计成侧向地约束所述耗尽型衬底区。
2.如权利要求1所述的光子混合器，其特征在于，所述检测区包括分享共有界面的检测接触区和检测集电区，所述检测集电区的掺杂浓度比检测接触区更低并由与衬底的结界定。
3.如权利要求1或2所述的光子混合器，其特征在于，所述检测区由单个电场成形区侧向地包围。
4.如前面权利要求的任一项所述的光子混合器，其特征在于，所述电场区由至少一个接触侧向地界定，所述至少一个接触较佳地为界定在半导体衬底中并掺杂以第一传导类型的掺杂物的接触区。
5.如权利要求1-4的任一项所述的光子混合器，其特征在于，所述耦合在从俯视图观察时具有基本矩形的形状，其长度和宽度界定在0.05-20之间、较佳在0.25-4之间的长/宽比。
6.如权利要求1-5的任一项所述的光子混合器，其特征在于，所述耦合设有中心，在所述中心存在具有下层电场成形区的接触区，一个环形检测区或多个检测区出现在所述耦合内所述接触区的相耦合两侧。
7.如前面权利要求的任一项所述的光子混合器，其特征在于，光子混合器是差动光子混合器，并且在所述电场区中除了第一个耦合还存在第二个耦合，所述第二个耦合包括注入接触区、与所述半导体衬底具有结的检测区、关联的耗尽型衬底区以及与所述第一个耦合具有相应的掺杂物和掺杂物浓度的电场成形区，从而使所述电场成形区侧向地约束耗尽型衬底区。
8.如权利要求7所述的光子混合器，其特征在于，所述第三和第四个耦合出现在所述电场区中。
9.如前面权利要求的任一项所述的光子混合器，其特征在于，在所述电场区出现透光电极以在所述电场区中诱发电荷分布以约束表面复合。
10.如权利要求9所述的光子混合器，其特征在于，所述透光电极包括多晶硅层。
11.如前面权利要求的任一项所述的光子混合器，其特征在于，所述半导体衬底包括具有第一侧和相对的第二侧的有源层，其中所述检测区和所述注入接触区位于所述第一侧而用于聚集所述多数载流子电流的接触位于所述有源区的相对第二侧。
12.一种设有半导体衬底的光子混合器，所述半导体衬底具有电场区以及用于在半导体衬底中产生多数载流子电流以及关联电场的装置，所述半导体衬底掺杂有第一传导类型从而当电磁辐射在所述电场区中碰撞衬底时，在衬底中产生多对多数和少数载流子，从而导致少数载流子的光电流，所述衬底包括由用于将多数载流子电流注入半导体衬底的注入接触区以及用于聚集光电流的检测区构成的耦合，所述注入接触区掺杂有比半导体衬底更高掺杂物浓度的第一传导类型掺杂物，而所述检测区掺杂有与第一传导类型相反的第二传导类型的掺杂物并与所述半导体衬底形成结，所述半导体衬底在所述结周围的区域是耗尽型衬底区，其中所述检测区是环形的并且在注入接触区周围延伸，第一传导类型的电场成形区具有比在所述检测区周围侧向延伸的半导体衬底更高的掺杂物浓度。
13.如权利要求12所述的光子混合器，其特征在于，所述注入接触区包括与掺杂物浓度高于所述半导体衬底掺杂物浓度的第一传导类型的电场成形区的界面，所述电场成形区被设计成侧向约束所述耗尽型衬底区。
14.如权利要求1、12或13所述的光子混合器，其特征在于，所述注入接触区包括与掺杂物浓度高于所述半导体衬底掺杂物浓度的第一传导类型的电场成形区的界面，所述电场成形区比在所述检测区周围侧向延伸的电场成形区显著更深地伸入所述半导体衬底。
15.如权利要求12-14的任一项所述的光子混合器，其特征在于，所述半导体衬底包括具有第一侧和相对的第二侧的有源层，其中所述检测区和所述注入接触区位于所述第一侧而用于聚集所述多数载流子电流的接触位于所述有源区的相对的第二侧。
16.一种设有半导体衬底的光子混合器，所述半导体衬底具有电场区以及用于在半导体衬底中产生多数载流子电流以及关联电场的装置，所述半导体衬底掺杂有第一传导类型从而当电磁辐射在所述电场区中碰撞衬底时，在衬底中产生多对多数和少数载流子，从而导致少数载流子的光电流，所述衬底包括由用于将多数载流子电流注入半导体衬底的注入接触区以及用于聚集光电流的检测区构成的耦合，所述注入接触区掺杂有比半导体衬底更高掺杂物浓度的第一传导类型掺杂物，而所述检测区掺杂有与第一传导类型相反的第二传导类型的掺杂物并与所述半导体衬底形成结，所述半导体衬底在所述结周围的区域是耗尽型衬底区，其中所述检测区和所述注入接触区位于所述第一侧而用于聚集多数载流子电流的接触位于所述有源层的相对的第二侧。
17.根据前面权利要求的任一项所述的光子混合器用于飞行时间寻距应用。
18.一种用于测量物体距离、尤其用于飞行时间(TOF)应用的系统，包括：
发射以调制频率调制的电磁辐射的至少一个发射器；
用于检测所述发出并任选地反射的经调制电磁波并就地将得到的光电流与以调制频率振荡的所施加信号混合的光子混合器，所述光子混合器提供代表所检测辐射的时延的输出信号，其中存在如权利要求1-16的任一项所述的光子混合器。
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