CN108028258A - 锗硅感光设备 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“锗硅感光设备”。本发明公开了一种图像传感器阵列，所述图像传感器阵列包括：载体基板；第一组光电二极管，所述第一组光电二极管耦合到所述载体基板，其中所述第一组光电二极管包括第一光电二极管，其中所述第一光电二极管包括半导体层，所述半导体层被配置用于吸收处于可见波长的光子并从所吸收的光子生成光载流子；和第二组光电二极管，所述第二组光电二极管耦合到所述载体基板，其中所述第二组光电二极管包括第二光电二极管，其中所述第二光电二极管包括装配在所述半导体层上的锗硅区，所述锗硅区被配置用于吸收处于红外或近红外波长的光子并从所吸收的光子生成光载流子。

Description

锗硅感光设备
相关申请的交叉引用
本专利申请要求以下专利的权益，这些专利以引用方式并入本文：2015年8月4日提交的美国临时专利申请62/200,652、2015年8月25日提交的美国临时专利申请62/209,349、2015年8月27日提交的美国临时专利申请62/210,946、2015年8月28日提交的美国临时专利申请62/210,991、2015年8月28日提交的美国临时专利申请62/211,004、2015年9月11日提交的美国临时专利申请62/217,031、2015年11月6日提交的美国临时专利申请62/251,691、和2015年12月28日提交的美国临时专利申请62/271,386。
背景技术
本说明书涉及使用光电二极管来检测光。
光在自由空间中传播，或者光学介质耦合到将光信号转化为电信号以用于处理的光电二极管。
发明内容
光电二极管可用于检测光信号，并且将光信号转化为可以由其它电路进一步处理的电信号。光电二极管可用于消费性电子产品、图像传感器、数据通信、飞行时间(TOF)应用、医疗设备、以及许多其它合适的应用中。硅通常用作图像传感器材料，但是对于近红外(NIR)光谱波长或更长波长而言，硅的光吸收率较低。其它材料和/或材料合金，诸如锗和锗硅，可以结合本说明书所述的创新型光学装置结构设计，用作图像传感器材料。根据本说明书所述主题的一个创新方面，用诸如锗或锗硅等材料来形成光电二极管，以提高所述设备的速度、和/或敏感度、和/或动态范围、和/或工作波长范围。在一个实施方案中，可以在同一基板上集成用锗或锗硅形成的光电二极管以及用硅形成的光电二极管，以得到工作波长范围更大的光电二极管阵列。
根据本说明书所述主题的另一创新方面，三维物体所反射的光可以由成像系统的光电二极管进行检测。此光电二极管将所检测到的光转化为电荷。每根光电二极管可包括多个栅极，这些栅极被控制用于收集所述电荷。一段时间后可更改多个栅极所控制的电荷收集过程，使得成像系统可以确定感测光的相位和其它信息。成像系统可以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。成像系统也可以用相位信息来分析与以下项相关联的特性：眼态识别、体态识别、三维模型扫描/视频录制、和/或增强/虚拟现实应用。
一般来说，本说明书所述主题的一个创新方面可体现为图像传感器阵列，包括：载体基板；第一组光电二极管，其耦合到载体基板，其中第一组光电二极管包括第一光电二极管，其中第一光电二极管包括半导体层，其被配置用于吸收处于可见波长的光子并从所吸收的光子生成光载流子；第二组光电二极管，其耦合到载体基板，其中第二组光电二极管包括第二光电二极管，其中第二光电二极管包括装配在半导体层上的锗硅区，该锗硅区被配置用于吸收处于红外或近红外波长的光子并从所吸收的光子生成光载流子。
此具体实施和其它具体实施均可任选地包括一种或多种以下特征。第一组光电二极管和第二组光电二极管可以按二维阵列布置。第一组光电二极管和第二组光电二极管中的每个光电二极管可包括：相应的波长滤波器，其被配置用于传送接收到的光的一部分；和相应的透镜元件，其被配置用于聚焦所述接收到的光。
第一光电二极管可包括：第一载流子收集区，其被配置用于收集由半导体层生成的光载流子的一部分；第一读取区，其耦合到第一读取电路，第一读取区被配置用于向第一读取电路提供由第一载流子收集区收集的光载流子；和第一栅极，其耦合到第一控制信号，该第一控制信号控制第一载流子收集区和第一读取区之间的载流子传输。第二光电二极管可包括：第二载流子收集区，其被配置用于收集由锗硅区生成的一部分光载流子；第二读取区，其耦合到第二读取电路，第二读取区被配置用于向第二读取电路提供由第二载流子收集区收集的光载流子；和第二栅极，其耦合到第二控制信号，该第二控制信号控制第二载流子收集区和第二读取区之间的载流子传输。
第二光电二极管可包括：第三读取区，其耦合到第三读取电路，该第三读取区被配置用于向第三读取电路提供由第二载流子收集区收集的光载流子；和第三栅极，其耦合到第三控制信号，该第三控制信号控制第二载流子收集区和第三读取区之间的载流子传输。第二光电二极管可包括：第四读取区，其耦合到第四读取电路，该第四读取区被配置用于向第四读取电路提供由第二载流子收集区收集的光载流子；和第四栅极，其耦合到第四控制信号，该第四控制信号控制第二载流子收集区和第四读取区之间的载流子传输。第二光电二极管可包括：第五读取区，其耦合到第五读取电路，该第五读取区被配置用于向第五读取电路提供由第二载流子收集区收集的光载流子；和第五栅极，其耦合到第五控制信号，该第五控制信号控制第二载流子收集区和第五读取区之间的载流子传输。第一栅极可用于图像感测应用，并且第二栅极、第三栅极、第四栅极和第五栅极中的至少两个栅极可用于飞行时间应用。
第一载流子收集区可包括p-n接合点，并且第二载流子收集区可包括被配置用于收集电子的p-i-n接合点。第一读取区和第二读取区可以是n掺杂区。
图像传感器阵列可包括：氧化物层，其在第一组光电二极管和第二组光电二极管上平面化，其中锗硅区嵌入氧化物层中。第一光电二极管可被配置用于收集电子，并且第二光电二极管可被配置用于收集空穴。
本说明书所述主题的另一创新方面可体现在用于装配图像传感器阵列的方法，所述图像传感器阵列具有用于检测处于可见波长的光的第一组光电二极管、用于检测处于红外或近红外波长的光的第二组光电二极管，此方法包括：在半导体供体晶片上生长锗硅层；限定锗硅层上的图像传感器阵列的像素；在限定图像传感器阵列的像素之后，限定锗硅层上的第一互连件层，其中互连件层包括耦合到第一组光电二极管和第二组光电二极管的多个互连件；限定集成电路，其用于控制半导体载体晶片上的图像传感器阵列的像素；在限定集成电路之后，限定半导体载体晶片上的第二互连件层，其中第二互连件层包括耦合到集成电路的多个互连件；以及结合第一互连件层与第二互连件层，使得第一组光电二极管和第二组光电二极管耦合到集成电路。
此具体实施和其它具体实施均可任选地包括一种或多种以下特征。所述方法可包括：通过抛光来移除半导体供体晶片的至少一部分。所述方法可包括：在半导体供体晶片上形成透镜元件，其中每个透镜元件可被布置成将光引导至图像传感器阵列的相应光电二极管。所述方法可包括：在图像传感器阵列上形成波长滤波器，其中针对图像传感器阵列的相应光电二极管，可形成该波长滤波器中的每个波长滤波器。
本说明书所述主题的另一创新方面可体现在用于装配图像传感器阵列的方法，该图像传感器阵列具有用于检测处于可见波长的光的第一组光电二极管、用于检测处于红外或近红外波长的光的第二组光电二极管，此方法包括：限定半导体供体晶片上的图像传感器阵列的像素；在半导体供体晶片上沉积绝缘层；在绝缘层上限定第二组光电二极管的区域；在第二组光电二极管的区域上生长锗硅层；在生长锗硅层之后，限定第一互连件层，其中互连件层包括耦合到第一组光电二极管和第二组光电二极管的多个互连件；限定集成电路，其用于控制半导体载体晶片上的图像传感器阵列的像素；在限定集成电路之后，限定半导体载体晶片上的第二互连件层，其中第二互连件层包括耦合到集成电路的多个互连件；以及结合第一互连件层与第二互连件层，使得第一组光电二极管和第二组光电二极管耦合到集成电路。
此具体实施和其它具体实施均可任选地包括一种或多种以下特征。为了在第二组光电二极管的区域上生长锗硅层，此锗硅层可通过选择性的外延生长法来形成，使得锗硅层嵌入绝缘层中；并且锗硅层可进行抛光，以使绝缘层和锗硅层变平整。所述方法可包括：通过抛光来移除半导体供体晶片的至少一部分。
所述方法还可包括：在半导体供体晶片上形成透镜元件，其中每个透镜元件被布置成将光引导至图像传感器阵列相应的光电二极管；在图像传感器阵列上形成波长滤波器，每个波长滤波器针对图像传感器阵列的相应的光电二极管而形成。
本说明书所述主题的另一创新方面可体现在用于装配图像传感器阵列的方法，该图像传感器阵列具有其用于检测处于可见波长的光的第一组光电二极管、用于检测处于红外或近红外波长的光的第二组光电二极管，此方法包括：在第一半导体供体晶片上形成针对第二组光电二极管的锗硅层；限定锗硅层上的第一互连件层，其中此互连件层包括耦合到第一组光电二极管和第二组光电二极管的多个互连件；限定集成电路，其用于控制半导体载体晶片上的图像传感器阵列的像素；在限定集成电路之后，限定半导体载体晶片上的第二互连件层，其中第二互连件层包括耦合到集成电路的多个互连件；结合第一互连件层与第二互连件层；限定第二半导体供体晶片上的图像传感器阵列的像素；在限定图像传感器阵列的像素之后，限定图像传感器阵列上的第三互连件层；以及结合第三互连件层与锗硅层，使得第一组光电二极管和第二组光电二极管耦合到集成电路。
此具体实施和其它具体实施均可任选地包括一种或多种以下特征。所述方法还可包括：在结合第一互连件层与第二互连件层之后，移除第一半导体供体晶片。为了在第一半导体供体晶片上形成第二组光电二极管的锗硅层，可以在第一半导体供体晶片上生长锗硅包层。所述方法可包括：在结合第一互连件层与第二互连件层之后，限定至少第二组光电二极管在锗硅层上的区域。
为了在第一半导体供体晶片上形成第二组光电二极管的锗硅层，可以在此半导体供体晶片上沉积绝缘层。可以在绝缘层上限定针对第二组光电二极管的区域。可以在针对第二组光电二极管的区域上生长锗硅层。
有利的具体实施可包括一个或多个以下特征。针对近红外波长，锗是一种高效的吸收材料，当使用低效的吸收材料(例如，硅)时，锗可减少在更大基板深度处生成光载流子较慢的问题。增加的装置带宽允许在光学感测系统中使用更高的调制频率，从而获得诸如更高的深度分辨率等益处。像具有创新型设计的光吸收层一样的合金锗硅材料可提供比常规Si材料更高的光吸收效率，这可提供可见频谱与近红外频谱中更灵敏的传感器，可降低相邻像素之间的串扰，并且可实现像素大小的降低。混合式传感器设计可以在同一感测阵列内支持飞行时间(TOF)、近红外、和可见图像感测。增加的设备带宽允许在飞行时间系统中使用更高的调制频率，从而得到更高的深度分辨率。在光脉冲的峰值强度增加而光脉冲的占空度缩短的飞行时间系统中，可提升信噪比，同时保持飞行时间系统能耗基本不变。在装置带宽增加使得可以在不使脉冲形状发生变形的情况下缩短光脉冲的占空度时，这是可以实现的。
一种或多种具体实施的详细内容在附图及下文的具体实施方式中进行说明。其它潜在特征与优点将从具体实施方式、附图以及权利要求书中变得显而易见。
附图说明
图1是光电二极管阵列的示例。
图2是光电二极管阵列的示例。
图3是光电二极管阵列的示例。
图4A和图4B是用于检测可见红外光的光电二极管的示例。
图5是用于检测可见红外光的光电二极管的示例。
图6是用于检测可见红外光的光电二极管的示例。
图7是多栅极光电二极管的示例。
图8是多栅极光电二极管的示例。
图9是用于检测可见光或红外光的光电二极管的示例。
图10是用于检测可见光和/或红外光的集成光电二极管阵列的示例。
图11是用于检测可见光和/或红外光的集成光电二极管阵列的示例。
图12是用于检测可见光和/或红外光的集成光电二极管阵列的示例。
图13是用于检测可见光和/或红外光的集成光电二极管阵列的示例。
图14A-14D示出了用于装配光电二极管阵列的设计的示例。
图15A-15D示出了用于形成锗硅的设计的示例。
图16A-16D示出了具有光电二极管阵列的示例性装配过程的设计的示例。
图17A-17F示出了具有光电二极管阵列的示例性装配过程的设计的示例。
图18A是成像系统的示例的框图。
图18B和图18C示出了使用成像系统来确定物体特性的技术的示例。
图19示出了使用成像系统来确定物体特性的流程图的示例。
在各个附图中，相似的参考编号和名称表示相似的元件。也应当理解，附图所示的各个示例性实施方案仅为说明性表达，不一定按照比例进行绘制。
具体实施方式
光电二极管可用于检测光信号，并且将光信号转化为可以由其它电路进一步处理的电信号。一般来说，材料吸收不同波长的光，以根据与材料相关联的能带间隙来生成自由载流子。例如，在室温下，硅的能带间隙可以是1.12eV，锗的能带间隙可以是0.66eV，根据成分的不同，锗硅合金的能带间隙可介于0.66eV和1.12eV之间。一般来说，能带间隙越小的材料，其在特定波长中的吸收系数越高。如果材料的吸收系数过低，则无法高效地将光信号转化为电信号。然而，如果材料的吸收系数过高，则自由载流子将在材料表面附近生成，其会发生重组而降低效率。由于硅的能带间隙较大，因此其不是针对NIR波长高效的传感器材料。另一方面，锗的吸收系数对于较短波长(例如，蓝色波长)而言太高，其中自由载流子可能在表面发生重组。在同一基板上集成了硅和锗/锗硅的光电二极管阵列，其中光电二极管阵列用硅来检测可见光，并用锗或锗硅来检测NIR光，将使光电二极管阵列具有较宽的检测频谱。在此应用中，术语“光电二极管”可以与术语“光学传感器”互换使用。在此应用中，术语“锗硅(GeSi)”、“硅锗(SiGe)”可互换使用，并且两者包括所有合适的SiGe成分的组合，从100％的锗(Ge)到超过90％的硅(Si)。在此应用中，GeSi层可通过全包性外延、选择性外延、或其它适用的技术来形成。此外，包括诸如成分不同的SiGe交替层等多层的紧凑型超晶格结构可用于进行吸收或形成量子阱结构。
图1是光电二极管阵列100的示例，其中锗或锗硅光电二极管与硅光电二极管集成在一起。光学图像传感器阵列是光电二极管阵列的一个示例。光电二极管阵列100包括基板102、集成电路层104、互连件层106、传感器层108、滤波器层110和透镜层112。一般来说，单波长或多波长的光进入透镜层112，所述光在该透镜层聚焦、校直、扩大、或根据透镜设计进行处理。然后光进入滤波器层110，其中滤波器层110可被配置用于使特定波长范围内的光透过。传感器层108中的光电二极管将入射光转化为自由载流子。集成电路层104通过互连件层106收集自由载流子，并根据特定应用来处理自由载流子。
一般来说，基板102可以是硅基板、绝缘体上的硅(SOI)基板、或任何其它合适的载体基板材料。集成电路层104的集成电路和互连件层106的互连件可通过CMOS加工技术进行装配。例如，互连件可通过如下方式形成：干刻蚀贯穿介电层的接触空穴，然后通过化学气相沉积(CVD)将铜填入接触空穴中。此外，透镜形状可以是凹形、凸形、与表面结构齐平、或其它形状，其形状不应受限于本文示例性附图。
传感器层108包括用于检测不同波长范围内的光的多组光电二极管。例如，包括光电二极管122a、122b、和本附图未示出的其它光电二极管的一组光电二极管可用于检测蓝色波长范围(例如，460nm±40nm)内的光。作为另一示例，包括光电二极管124a、124b、和本附图未示出的其它光电二极管的一组光电二极管可被配置用于检测绿色波长范围(例如，540nm±40nm)内的光。作为另一示例，包括光电二极管126a、126b、和本附图未示出的其它光电二极管的一组光电二极管可被配置用于检测红色波长范围(例如，620nm±40nm)内的光。作为另一示例，包括光电二极管128a和本附图未示出的其它光电二极管的一组光电二极管可被配置用于检测NIR波长范围(例如，850nm±40nm、940nm±40nm、或>1μm)内的光。每个光电二极管可通过使以下项绝缘而隔离开来：侧壁间隔片、沟槽、或其它合适的隔离结构。
在一些具体实施中，光电二极管被配置用于检测的波长范围可以由滤波器层110中的滤波器进行控制。例如，光电二极管126a被配置用于接收红色波长范围，其中中心波长和波长范围的限值由光电二极管126a上方的滤波器的特性进行控制。滤波器可通过沉积介电材料层来形成，使得波长在特定波长范围内的光会穿透该滤波器，波长在特定波长范围以外的光会被该滤波器折射。滤波器可通过在光电二极管上沉积材料层来形成，使得波长在特定波长范围内的光会穿过滤波器，波长在特定波长范围以外的光会被该滤波器反射。例如，硅层可形成于锗硅光电二极管上，其中硅层吸收可见光但是对NIR光而言是透明的。
在一些具体实施中，光电二极管被配置用于检测的波长范围可通过光电二极管的材料成分进行控制。例如，锗硅合金中锗成分的增加会增加光电二极管对更长波长的灵敏度。在一些具体实施中，光电二极管被配置用于检测的波长范围可通过滤波器和光电二极管的材料成分一起进行控制。
在一些具体实施中，被配置用于检测可见光(例如，红色、绿色、和蓝色)的这组光电二极管可以是硅光电二极管，而被配置用于检测NIR光的这组光电二极管可以是锗光电二极管或锗硅光电二极管。
在一些其它具体实施中，被配置用于检测可见光(例如，绿色和蓝色)的一组或多组光电二极管可以是硅光电二极管，而被配置用于检测可见光(例如，红色)的一组或多组光电二极管、以及被配置用于检测NIR光的这组光电二极管可以是锗光电二极管或锗硅光电二极管。例如，检测红光的光电二极管组可以是锗硅光电二极管，其锗浓度低于检测NIR光的光电二极管组中的锗硅光电二极管。在一些具体实施中，锗浓度范围可以从10％至100％。作为另一示例，检测红光的光电二极管组可以是锗硅光电二极管，其厚度不同于检测NIR光的光电二极管组中的锗硅光电二极管。
图2是示例性光电二极管阵列200，其示出了二维光电二极管阵列的顶视图，其中锗或锗硅光电二极管与硅光电二极管集成在一起。光电二极管阵列200中的光电二极管类似于光电二极管阵列100中所述的光电二极管。光电二极管阵列200中的光电二极管作为像素进行布置。在一些具体实施中，硅光电二极管作为像素而形成，用于检测可见光，并且锗或锗硅光电二极管作为像素而嵌入硅中，用于检测NIR光。在一些其它具体实施中，硅光电二极管作为像素而形成，用于检测蓝光和绿光，并且锗或锗硅光电二极管作为像素而嵌入硅中，用于检测红光和NIR光。
图3是示例性光电二极管阵列300，其中锗或锗硅光电二极管与硅光电二极管集成在一起。光电二极管阵列300中的光电二极管类似于光电二极管阵列100中所述的光电二极管。另外，光电二极管阵列300包括一组光电二极管302a、302b、和本附图未示出的被配置用于检测白色波长范围(例如，420nm至660nm)内的光的其它光电二极管。在一些具体实施中，光电二极管302a和302b可以是硅光电二极管。在一些其它具体实施中，光电二极管302a和302b可以是锗或锗硅光电二极管用于提高二极管的整体光吸收率。例如，检测白光的光电二极管组可以是锗硅光电二极管，其锗浓度低于检测NIR光的光电二极管组中的锗硅光电二极管。作为另一示例，检测白光的光电二极管组可以是锗硅光电二极管，其厚度不同于检测NIR光的光电二极管组中的锗硅光电二极管。
图4A示出了示例性光电二极管400，其用于检测可见光信号和红外光信号。示例性光电二极管400包括形成于共同基板上的NIR像素402和可见光像素404。NIR像素402和可见光像素404由隔离结构406隔开。NIR像素402被配置用于检测波长在NIR范围内的光信号。可见光像素404被配置用于检测波长在可见光范围内(例如，蓝色和/或绿色和/或红色)的光信号。NIR像素402和可见光像素404可以是(例如)参见图1所述的传感器层108中的光电二极管。
可见光像素404包括n-Si区412、p+Si区413、p-Si区414、n+Si区415、第一栅极416、耦合到第一栅极416的第一控制信号417、和耦合到n+Si区415的读取电路418。n-Si区412可掺杂少许n型掺杂剂，例如，掺杂约1016cm-3的磷。p+Si区413可具有p+掺杂物，其中活性化掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，掺杂约5×1020cm-3的硼。p-Si区414可掺杂少许p型掺杂剂，例如，掺杂约1015cm-3的硼。n+Si区415可具有n+掺杂物，其中活性化掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，掺杂约5×1020cm-3的磷。
一般来说，n-Si层412接收光信号408，并将光信号408转化为电信号。光信号408进入n-Si区412，其中n-Si区412吸收光信号408，并将所吸收的光转化为自由载流子。在一些具体实施中，光信号408可以由本附图中未示出的波长滤波器进行过滤，诸如参见图1所述的滤波器层110中的滤波器。在一些具体实施中，光信号408的光束剖面可以由本附图中未示出的透镜进行塑形，诸如参见图1所述的透镜层112中的透镜。
一般来说，p+Si区413的费米能级与n-Si区412的费米能级之间的差异在两个区域之间形成电场，其中电场使n-Si区412产生的自由电子漂移到p+Si区413下方的区域。第一栅极416可耦合到第一控制信号417。例如，第一栅极416可耦合到电压源，其中第一控制信号417可以是来自电压源的DC电压信号。第一控制信号417控制自由电子从p+Si区413下方区域到n+Si区415的流动。例如，如果控制信号417的电压超过阈值电压，积聚在p+Si区413下方区域中的自由电子将漂移到n+Si区415。
n+Si区415可耦合到第一读取电路418。第一读取电路418可处于三晶体管配置中，该配置由复位栅极、源随器、和选择栅极、或任何适合于处理自由载流子的电路构成。在一些实施方式中，第一读取电路418可装配在与可见光像素404共同的基板上。例如，第一读取电路418可装配在参见图1所述的集成电路层104上。在一些其它具体实施中，第一读取电路418可装配在另一基板上，并通过管芯/晶片结合或堆叠与可见光像素404共同封装在一起。
NIR像素402包括n-Si区422、p+Si区423、p-Si区424、n+Si区425、第二栅极426、耦合到第二栅极426的第二控制信号427、耦合到n+Si区425的第二读取电路428、p+GeSi区431、和固有的GeSi区433。n-Si区422可掺杂少许n型掺杂剂，例如，掺杂约1016cm-3的磷。p+Si区423可具有p+掺杂物，其中活性化掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，掺杂约5×1020cm-3的硼。p-Si区424可掺杂少许p型掺杂剂，例如，掺杂约1015cm-3的硼。n+Si区425可具有n+掺杂物，其中活性化掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，掺杂约5×1020cm-3的磷。
一般来说，固有的GeSi区433接收光信号406，并将光信号406转化为电信号。在一些具体实施中，光信号406可以由本附图中未示出的波长滤波器进行过滤，诸如参见图1所述的滤波器层110中的NIR滤波器。在一些具体实施中，光信号406的光束剖面可以由本附图中未示出的透镜进行塑形，诸如参见图1所述的透镜层112中的透镜。
在一些具体实施中，固有的GeSi区433的厚度可介于0.05μm至2μm之间。在一些具体实施中，固有的GeSi区433可包括p+GeSi区431。p+GeSi区431可以将光电子逐出固有的GeSi区433，以避免发生表面重组，从而增加载流子收集效率。例如，p+GeSi区431可具有p+掺杂物，其中掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，当固有的GeSi区433为锗并且掺杂了硼时，为约5×1020cm-3。
固有的GeSi区433生成的自由载流子可漂移或扩散到n-Si区422。一般来说，p+Si区423的费米能级与n-Si区422的费米能级之间的差异在两个区域之间形成电场，其中电场使n-Si区422从固有的GeSi区433收集的自由电子漂移到p+Si区423下方的区域。第二栅极426可耦合到第二控制信号427。例如，第二栅极426可耦合到电压源，其中第二控制信号427可以是电压源的DC电压信号。第二控制信号427控制自由电子从p+Si区423下方区域到n+Si区425的流动。例如，如果第二控制信号427的电压超过阈值电压，则积聚在p+Si区423下方区域中的自由电子将漂移到n+Si区425。n+Si区425可耦合到第二读取电路428。第二读取电路428可类似于第一读取电路418。
尽管图4A未示出，但是在一些其它具体实施中，可见光像素404和NIR像素402可按另选方式进行装配，以收集空穴，而非电子。在此情况下，p+Si区413和423将由n+Si区替代，n-Si区412和413将由p-Si区替代，p-Si区414和424将由n-Si区替代，n+Si区415和425将由p+Si区替代。注意，本文所示附图是为了进行说明并阐释工作原理。
图4B示出了示例性光电二极管450，其用于检测可见光信号和红外光信号。光电二极管450包括可见光像素454和NIR像素452。可见光像素454类似于参见图4A所述的可见光像素404。NIR像素452类似于参见图4A所述的NIR像素402。在此，可见光像素454和NIR像素452的接收光信号458和460的表面为平整表面，其中固有的GeSi区462和p+GeSi区464嵌入氧化物层456中。例如，氧化物层456可以在p-Si区466上形成。氧化物层456的厚度经选择，可以是固有的GeSi区462的厚度。传感器区可以通过刻蚀或任何其它合适技术来形成在氧化物层456中。锗硅可选择性地在传感器区中生长，以形成固有的GeSi区462。可见光像素454与NIR像素452之间的平整表面可实现对光电二极管表面进行附加处理和/或与装配在单独基板上的装置进行结合。
图5示出了示例性光电二极管500，其用于检测可见光信号和红外光信号。示例性光电二极管500包括形成于共同基板上的NIR像素502和可见光像素504。NIR像素502和可见光像素504由隔离结构506分开。NIR像素502被配置用于检测波长在NIR范围内的光信号。可见光像素504被配置用于检测波长在可见光范围内(例如，蓝色和/或绿色和/或红色)的光信号。NIR像素502和可见光像素504可以是(例如)参见图1所述的传感器层108中的光电二极管。
可见光像素504包括n-Si区512、p+Si区513、p-Si区514、n+Si区515、第一栅极516、耦合到第一栅极516的第一控制信号517、和耦合到n+Si区515的读取电路518。n-Si区512可掺杂少许n型掺杂剂，例如，掺杂约1016cm-3的磷。p+Si区513可具有p+掺杂物，其中活性化掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，掺杂约5×1020cm-3的硼。p-Si区514可掺杂少许p型掺杂剂，例如，掺杂约1015cm-3的硼。n+Si区515可具有n+掺杂物，其中活性化掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，掺杂约5×1020cm-3的磷。
一般来说，p+Si层513接收光信号508。由于p+Si层513的厚度一般较薄(例如，100nm)，光信号508传播到n-Si区512中，其中n-Si区512吸收光信号508，并将光信号508转化为自由载流子。在一些具体实施中，光信号508可以由本附图中未示出的波长滤波器进行过滤，诸如参见图1所述的滤波器层110中的滤波器。在一些具体实施中，光信号508的光束剖面可以由本附图中未示出的透镜进行塑形，诸如参见图1所述的透镜层112中的透镜。
一般来说，p+Si区513的费米能级与n-Si区512的费米能级之间的差异在两个区域之间形成电场，其中电场使n-Si区512产生的自由电子漂移到p+Si区513下方的区域。第一栅极516可耦合到第一控制信号517。例如，第一栅极516可耦合到电压源，其中第一控制信号517可以是电压源的DC电压信号。第一控制信号517控制自由电子从p+Si区513下方区域到n+Si区515的流动。例如，如果控制信号517的电压超过阈值电压，则积聚在p+Si区513下方区域中的自由电子将漂移到n+Si区515，用于收集。n+Si区515可耦合到第一读取电路518，该第一读取电路处理所收集的电信号。第一读取电路518可类似于参见图4A所述的第一读取电路418。
NIR像素502包括n-Si区522、p+Si区524、n+Si区525、第二栅极526、耦合到第二栅极526的第二控制信号527、耦合到n+Si区525的第二读取电路528、p+GeSi区531、和固有的GeSi区533。n-Si区522可掺杂少许n型掺杂剂，例如，掺杂约1016cm-3的磷。p-Si区524可掺杂少许p型掺杂剂，例如，掺杂约1015cm-3的硼。n+Si区525可具有n+掺杂物，其中活性化掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，掺杂约5×1020cm-3的磷。
固有的GeSi区531接收光信号535，并将光信号535转化为电信号。由于p+GeSi层531的厚度一般较薄(例如，100nm)，光信号535传播到固有的GeSi区533中，其中固有的GeSi区533吸收光信号535，并将光信号535转化为自由载流子。在一些具体实施中，光信号535可以由本附图中未示出的波长滤波器进行过滤，诸如参见图1所述的滤波器层110中的NIR滤波器。在一些具体实施中，光信号535的光束剖面可以由本附图中未示出的透镜进行塑形，诸如参见图1所述的透镜层112中的透镜。
在一些具体实施中，固有的GeSi区533的厚度可介于0.05μm至2μm之间。在一些具体实施中，p+GeSi区531可以将光电子逐出固有的GeSi区533，以避免发生表面重组，从而增加载流子收集效率。例如，p+GeSi区531可具有p+掺杂物，其中掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，当固有的GeSi区533为锗并且掺杂了硼时，为约5×1020cm-3。
固有的GeSi区533生成的自由载流子可漂移到或扩散到n-Si区522。在一些具体实施中，可以对NIR像素502施加源级电压Vss，在p+GeSi区531与n-Si区522之间形成电场，使得自由电子可以朝n-Si区522漂移，而自由空穴可以朝p+GeSi区531漂移。
第二栅极526可耦合到第二控制信号527。例如，第二栅极526可耦合到电压源，其中第二控制信号527可以是电压源的DC电压信号。第二控制信号527控制自由电子从n-Si区522到n+Si区525的流动。例如，如果第二控制信号527的电压超过阈值电压，积聚在n-Si区522中的自由电子将朝n+Si区525漂移。n+Si区525可耦合到第二读取电路528，以对所收集的电信号进行进一步处理。第二读取电路528可类似于参见图4A所述的第一读取电路418。
尽管图5未示出，但是在一些其它具体实施中，可见光像素504和NIR像素502可按另选方式进行装配，以收集空穴，而非电子。在此情况下，p+Si区513将由n+Si区替代，n-Si区512和522将由p-Si区替代，p-Si区514和524将由n-Si区替代，n+Si区515和525将由p+Si区替代。
图6示出了示例性光电二极管600，其用于检测可见光信号和红外光信号。光电二极管600包括可见光像素654和NIR像素652。可见光像素654类似于参见图5所述的可见光像素504。NIR像素652类似于参见图5所述的NIR像素502。在此，可见光像素654和NIR像素652的接收光信号660和658的表面为平整表面，其中固有的GeSi区662和p+GeSi区664嵌入氧化物层656中。可见光像素654与NIR像素652之间的平整表面可实现对光电二极管表面进行其它处理和/或与装配在单独基板上的设备进行结合。
在飞行时间(TOF)应用中，三维物体的深度信息可通过所传送的光脉冲与所检测的光脉冲之间的相位差异来确定。例如，可以用像素的二维阵列来重建三维物体的三维图像，其中每个像素可包括一个或多个光电二极管，用于得到三维物体的相位信息。在一些具体实施中，飞行时间应用使用波长在近红外(NIR)光范围内的光源。例如，发光二极管(LED)的波长可以是850nm、940nm、1050nm、或1310nm。一些光电二极管可以将硅用作吸收材料，但是硅不是NIR波长的高效吸收材料。具体地，光载流子可以在硅基板深处生成(例如，深度大于10μm)，这些光载流子会慢慢漂移和/或扩散到光电二极管接合点，这导致设备带宽的减小。而且，为了使能耗最小，通常用小量的电压摆幅来控制光电二极管的运行。对于较大的吸收区域(例如，直径10μm)，小量的电压摆幅不仅可以在整个较大吸收区域内形成较小的横向/垂直场，这会影响横扫整个吸收区域的光载流子的漂移速度。因此设备带宽进一步受到限制。对于使用NIR波长的TOF应用，将锗硅(GeSi)用作吸收材料的多栅极光电二极管解决了上文讨论的技术问题。
图7是示例性多栅极光电二极管700，其用于将光信号转化为电信号。多栅极光电二极管700包括吸收层706，该吸收层装配于基板702上。基板702可以是任何可以装配半导体装置的合适基板。例如，基板702可以是硅基板。吸收层706与第一n+Si区712之间的耦合由第一栅极708进行控制。吸收层706与第二n+Si区714之间的耦合由第二栅极710进行控制。
一般来说，吸收层706接收光信号712，并将光信号712转化为电信号。吸收层706经选择，在所需波长范围内具有较高的吸收系数。对于NIR波长，吸收层706可以是GeSi台面，其中GeSi吸收光信号712中的光子，并生成电子空穴对。GeSi台面中锗和硅的材料成分可以被选择用于特定工艺或应用。在一些具体实施中，吸收层706经设计，厚度为t。例如，对于850nm的波长，为了具有很大的量子效率，GeSi台面的厚度可以是大约1μm。在一些具体实施中，吸收层706的表面被设计为具有特定形状。例如，GeSi台面可以是圆形、正方形、或矩形，这取决于光信号712在GeSi台面表面上的空间剖面。在一些具体实施中，吸收层706被设计为具有横向尺寸d，用于接收光信号712。例如，GeSi台面可具有圆形形状，其中d的范围为1μm至50μm。
在一些具体实施中，吸收层706可包括p+GeSi区731。p+GeSi区731可以将光电子从吸收区706的表面逐出，由此可增加设备带宽。例如，p+GeSi区731可具有p+掺杂物，其中掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，当吸收区706为锗并且掺杂了硼时，为约5×1020cm-3。
多栅极光电二极管700包括植入基板702中的n阱区704。例如，n阱区704的掺杂量范围可以是1015cm-3至1020cm-3。一般来说，n阱区704用于收集吸收区706生成的电子。
第一栅极708耦合到第一控制信号722和第一读取电路724。例如，第一栅极708可耦合到电压源，其中第一控制信号722可以是电压源的时变型多级电压信号。第一读取电路724可处于三晶体管配置中，该三晶体管配置由复位栅极、源随器、和选择栅极、或任何适合于处理自由载流子的电路构成。在一些实施方式中，第一读取电路724可装配在基板702上。在一些其它具体实施中，第一读取电路724可装配在另一基板上，并通过管芯/晶片结合或堆叠与多栅极光电二极管700共同封装在一起。第二栅极710耦合到第二控制信号732和第二读取电路734。第二控制信号732类似于第一控制信号722，并且第二读取电路734类似于第一读取电路724。
第一控制信号722和第二控制信号732用于控制吸收光子所产生的电子的收集过程。例如，当第一栅极708打开(“on”)且第二栅极关闭(“off”)时，电子会从n阱区704漂移至n+Si区712。反过来，当第一栅极708关闭(“off”)且第二栅极打开(“on”)时，电子会从n阱区704漂移至n+Si区714。在一些具体实施中，可以在p+GeSi区731与n阱704之间施加电压，以增加吸收层706内部的电场，使电子朝n阱区704漂移。
图8是示例性多栅极光电二极管800，其用于将光信号转化为电信号。多栅极光电二极管800包括装配于基板802上的吸收层806。基板802可以是任何可以装配半导体装置的合适基板。例如，基板802可以是硅基板。吸收层806与第一p+Si区812之间的耦合由第一栅极808进行控制。吸收层806与第二p+Si区814之间的耦合由第二栅极810进行控制。
一般来说，吸收层806接收光信号812，并将光信号812转化为电信号。吸收层806类似于参见图7所述的吸收层706。在一些具体实施中，吸收层806可包括n+GeSi区831。n+GeSi区831可以将空穴从吸收区806的表面逐出，由此可增加装置带宽。例如，n+GeSi区831可具有n+掺杂物，其中掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，当吸收区806为锗并且掺杂了磷时，为约5×1020cm-3。
多栅极光电二极管800包括植入基板802中的p阱区804。例如，p阱区804的掺杂量范围可以是1015cm-3至1020cm-3。一般来说，p阱区804用于收集吸收区806生成的空穴。
第一栅极808耦合到第一控制信号822和第一读取电路824。第一栅极808、第一控制信号822和第一读取电路824类似于参见图7所述的第一栅极708、第一控制信号722和第一读取电路724。第二栅极810耦合到第二控制信号832和第二读取电路834。第二栅极810、第二控制信号832和第二读取电路834类似于参见图7所述的第二栅极710、第二控制信号732和第二读取电路734。
第一控制信号822和第二控制信号832用于控制吸收光子所产生的空穴的收集过程。例如，当第一栅极808打开(“on”)且第二栅极810关闭(“off”)时，空穴会从p阱区804漂移至p+Si区812。反过来，当第一栅极808关闭(“off”)且第二栅极810打开(“on”)时，空穴会从p阱区804漂移至p+Si区814。在一些具体实施中，可以在n+GeSi区831与p阱804之间施加电压，以增加吸收层806内部的电场，使空穴朝p阱区804漂移。
图9示出了示例性光电二极管900，其用于检测可见光信号和红外光信号。示例性光电二极管900包括：NIR像素902，其用于收集空穴；和可见光像素904，其用于收集电子，其中NIR像素902和可见光像素904在共同基板上形成。NIR像素902和可见光像素904不由隔离结构分开。NIR像素902用于检测波长在NIR范围内的光信号。可见光像素904用于检测波长在可见光范围内(例如，蓝色和/或绿色和/或红色)的光信号。NIR像素902和可见光像素904可以是(例如)参见图1所述的传感器层108中的光电二极管。
可见光像素904被配置用于收集光生载流子生成的自由电子，并且包括n-Si区912、n+Si区914、p-Si区920、第一栅极916、耦合到第一栅极916的第一控制信号917、和耦合到n+Si区914的第一读取电路918。n-Si区912可掺杂少许n型掺杂剂，例如，掺杂约1016cm-3的磷。n+Si区914可具有n+掺杂物，其中活性化掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，掺杂约5×1020cm-3的磷。p-Si区920可掺杂少许p型掺杂剂，例如，掺杂约1016cm-3的硼。
一般来说，p-Si层920接收光信号922。由于p-Si层920的厚度一般较薄(例如，50～100nm)，光信号922传播到n-Si区912中，其中n-Si区912吸收光信号922，并将光信号922转化为自由载流子。在一些具体实施中，光信号922可以由本附图中未示出的波长滤波器过滤，诸如参见图1所述的滤波器层110中的滤波器。在一些具体实施中，光信号922的光束剖面可以由本附图中未示出的透镜进行塑形，诸如参见图1所述的透镜层112中的透镜。
一般来说，p-Si区920的费米能级与n-Si区912的费米能级之间的差异在两个区域之间形成电场，其中电场使n-Si区912产生的自由电子朝p-Si区920下方区域漂移。第一栅极916可耦合到第一控制信号917。例如，第一栅极916可耦合到电压源，其中第一控制信号917可以是电压源的DC电压信号。第一控制信号917控制自由电子从p-Si区920下方区域到n+Si区914的流动。例如，如果控制信号917的电压超过阈值电压，则积聚在p-Si区920下方区域中的自由电子将漂移到n+Si区914，用于收集。n+Si区914可耦合到第一读取电路918，该第一读取电路处理所收集的电信号。第一读取电路918可类似于参见图4A所述的第一读取电路418。
NIR像素902被配置用于收集由光生载流子生成的空穴，并且包括n-Si区942、p+Si区944、第二栅极946、耦合到第二栅极946的第二控制信号947、耦合到p+Si区944的第二读取电路948、n+GeSi区950、固有的GeSi区952、p-Ge区954、和氧化区956。此外，NIR像素902与VIS像素904共享p-Si区920。
n-Si区942可掺杂少许n型掺杂剂，例如，掺杂约1015cm-3的磷。p+Si区944可具有p+掺杂物，其中活性化掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，掺杂约5×1020cm-3的硼。n+GeSi区950接收光信号960，并将光信号960转化为电信号。由于n+GeSi层950的厚度一般较薄(例如，50～100nm)，光信号960传播到固有的GeSi区952中，其中固有的GeSi区952吸收光信号960，并将光信号960转化为自由载流子。在一些具体实施中，光信号960可以由本附图中未示出的波长滤波器进行过滤，诸如参见图1所述的滤波器层110中的NIR滤波器。在一些具体实施中，光信号960的光束剖面可以由本附图中未示出的透镜进行塑形，诸如参见图1所述的透镜层112中的透镜。
在一些具体实施中，固有的GeSi区952的厚度可介于0.05μm至2μm之间。在一些具体实施中，n+GeSi区950可以将生成的空穴逐出固有的GeSi区952，以避免发生表面重组，从而会增加载流子收集效率。例如，n+GeSi区950可具有n+掺杂物，其中掺杂剂浓度与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，当固有的GeSi区950为锗并且掺杂了磷时，为约5×1020cm-3。
固有的GeSi区952中的光生自由空穴可漂移或扩散到p-Si区920。固有的GeSi区952中的光生自由电子可以由p-GeSi区954逐出，这防止了自由电子进入p-Si区920。在一些具体实施中，可以对NIR像素902施加漏极电压VDD，在n+GeSi区950与p-Si区920之间形成电场，使得自由空穴可以朝p-Si区920漂移，而自由电子可以朝n+GeSi区950漂移。
第二栅极946可耦合到第二控制信号947。例如，第二栅极946可耦合到电压源，其中第二控制信号947可以是电压源的DC电压信号。第二控制信号947控制自由空穴从p-Si区920到p+Si区944的流动。例如，如果第二控制信号947的电压超过阈值电压，则积聚在p-Si区920中的自由空穴将朝p+Si区944漂移。p+Si区944可耦合到第二读取电路948，以对所收集的电信号进行进一步处理。
尽管图9未示出，但是在一些其它具体实施中，可见光像素904可按另选方式进行装配，以收集空穴，而非电子，并且NIR像素902可按另选方式进行装配，以收集电子，而非空穴。在此情况下，p-Si区920将由n-Si区替代，n-Si区942和912将由p-Si区替代，p+Si区944将由n+Si区替代，n+Si区914将由p+Si区替代，n+GeSi区950将由p+GeSi区替代，p-GeSi区954将由n-GeSi区替代。
在一些具体实施中，图4A、图4B、图5、图6、图7、图8和图9中所示光信号的方向可以根据设计、封装与应用而逆转。例如，参见图4A，光信号406可通过p+Si区423进入NIR像素402，穿透n-Si区422，然后被固有的GeSi区433吸收。
图10示出了示例性集成光电二极管阵列1000的顶视图，该阵列用于检测可见光和NIR光，以及用于TOF应用。光电二极管阵列1000包括NIR/TOF像素1002和VIS像素1004。NIR/TOF像素1002包括NIR栅极1006、第一TOF栅极1012、和第二TOF栅极1014。VIS像素1004包括VIS栅极1008。NIR/TOF像素1002和VIS像素1004不由隔离结构隔离。通过NIR栅极1006和VIS栅极1008对电荷读取进行控制的过程类似于参见图9所述的多栅极光电二极管900。通过TOF栅极1012和1014对电荷读取进行控制的过程类似于参见图7所述的多栅极光电二极管700、或参见图8所述的多栅极光电二极管800。耦合到NIR栅极1006、TOF栅极1012和1014的读取电路将收集相同类型的载流子，耦合到VIS栅极1008的读取电路将收集相反类型的载流子。例如，如果NIR栅极1006、以及TOF栅极1012和1014的读取电路被配置用于收集电子，耦合到VIS栅极1008的读取电路将被配置用于收集空穴。反过来，如果NIR栅极1006、以及TOF栅极1012和1014的读取电路被配置用于收集空穴，耦合到VIS栅极1008的读取电路将被配置用于收集电子。
图11示出了示例性集成光电二极管阵列1100的顶视图，该阵列用于检测可见光，以及用于TOF应用。光电二极管阵列1100包括NIR/TOF像素1102和VIS像素1104。NIR/TOF像素1102包括第一TOF栅极1112、和第二TOF栅极1114。VIS像素1104包括VIS栅极1108。NIR/TOF像素1102和VIS像素1104不由隔离结构隔离。通过VIS栅极1108对电荷读取进行控制的过程类似于参见图9所述的多栅极光电二极管900。通过TOF栅极1112和1114对电荷读取进行控制的过程类似于参见图7所述的多栅极光电二极管700、或参见图8所述的多栅极光电二极管800。耦合到TOF栅极1112和1114的读取电路将收集相同类型的载流子，耦合到VIS栅极1108的读取电路将收集相反类型的载流子。例如，如果TOF栅极1112和1114的读取电路被配置用于收集电子，耦合到VIS栅极1108的读取电路将被配置用于收集空穴。反过来，如果TOF栅极1112和1114的读取电路被配置用于收集空穴，耦合到VIS栅极1108的读取电路将被配置用于收集电子。
图12示出了示例性集成光电二极管阵列1200的顶视图，该阵列用于检测可见光和NIR光，以及用于TOF应用。光电二极管阵列1200包括NIR/TOF像素1202和VIS像素1204。NIR/TOF像素1202包括NIR栅极1206、第一TOF栅极1212和第二TOF栅极1214。VIS像素1204包括VIS栅极1208。NIR/TOF像素1202和VIS像素1204由隔离结构隔离。通过NIR栅极1206和VIS栅极1208对电荷读取进行控制的过程类似于参见图4A所述的光电二极管400、或参见图4B所述的光电二极管450、或参见图5所述的光电二极管500、或参见图6所述的光电二极管600。通过TOF栅极1206和1208对电荷读取进行控制的过程类似于参见图7所述的多栅极光电二极管700、或参见图8所述的多栅极光电二极管800。耦合到NIR栅极1206、TOF栅极1212和1214的读取电路将收集相同类型的载流子，耦合到VIS栅极1208的读取电路可以或可以不收集相同类型的载流子。例如，如果NIR栅极1206、以及TOF栅极1212和1214的读取电路被配置用于收集电子，耦合到VIS栅极1208的读取电路可根据设计而被配置用于收集空穴或电子，这是因为NIR/TOF像素1202和VIS像素1204隔离了。类似地，如果NIR栅极1206、以及TOF栅极1212和1214的读取电路被配置用于收集空穴，则耦合到VIS栅极1208的读取电路可被配置用于收集空穴或电子。
图13示出了示例性集成光电二极管阵列1300的顶视图，该阵列用于检测可见光，以及用于TOF应用。光电二极管阵列1300包括NIR/TOF像素1302和VIS像素1304。NIR/TOF像素1302包括第一TOF栅极1306、第二TOF栅极1312、第三TOF栅极1314、和第四TOF栅极1316。此四个TOF栅极可用于提取关于所收集信号的另外的相位信息。VIS像素1304包括VIS栅极1308。NIR/TOF像素1302和VIS像素1304由隔离结构隔离。通过VIS栅极1308对电荷读取进行控制的过程类似于参见图4A所述的光电二极管400、或参见图4B所述的光电二极管450、或参见图5所述的光电二极管500、或参见图6所述的光电二极管600。通过TOF栅极1306、1312、1314和1316对电荷读取进行控制的过程类似于参见图7所述的多栅极光电二极管700、或参见图8所述的多栅极光电二极管800。耦合到TOF栅极1306、1312、1314和1316的读取电路将收集相同类型的载流子，耦合到VIS栅极1308的读取电路可以或可以不收集相同类型的载流子。例如，如果TOF栅极1306、1312、1314和1316的读取电路被配置用于收集电子，则耦合到VIS栅极1308的读取电路可根据设计而被配置用于收集空穴或电子，这是因为NIR/TOF像素1302和VIS像素1304隔离了。类似地，如果TOF栅极1306、1312、1314和1316的读取电路被配置用于收集空穴，则耦合到VIS栅极1308的读取电路可被配置用于收集空穴或电子。
图14A-14D示出了用于装配光电二极管阵列的示例性设计1400。参见图14A，锗硅层1402形成在供体晶片1404上。供体晶片1404可以是硅晶片。锗硅层1402可通过化学气相沉积(CVD)系统使用外延生长法来形成。
参见图14B，在锗硅层1402中形成隔离结构1408，以限定光电二极管区域。隔离结构1408可通过如下方式形成：干刻蚀隔离结构图案，然后沉积诸如氧化物之类的绝缘材料，或者通过植入物形成掺杂接合点，或任何其它合适的技术。尽管附图没有示出，但是可存在一个或多个处理步骤，对光电二极管进行进一步处理。例如，可存在掺杂步骤，以限定固有的GeSi区的表面上的p+GeSi区。然后在锗硅层1402上形成互连件层1406，其中在介电层形成多个互连件以与锗硅层1402建立电连接，其中形成了用于进行结合对准的对准标记。
参见图14C，载体基板1414的互连件层1416与供体晶片1404的互连件层1406结合在一起。注意，本文所指的互连件层可包括导电型电通道(例如，金属层)和介电层以隔离各个导电型电通道。载体基板1414可以是硅基板，其中可以在该硅基板上形成一个或多个电路层1418。此电路可以是控制电路、读取电路、和/或任何其它适合于光电二极管阵列的电路。可以通过任何合适技术在层1406和层1416上形成对准标记。层1406和层1416之间的结合可通过任何合适技术来完成，诸如，热结合、或混合结合，包括金属-金属结合和氧化物-氧化物结合。
参见图14D，在锗硅层1402上形成滤波器层1420和透镜层1422，以形成光电二极管阵列。尽管未示出，但是在进行结合之后以及形成滤波器层1420之前，供体晶片1404可通过抛光或其它合适技术进行移除。在一些其它具体实施中，尽管在这些附图中没有示出，但是锗可以替代锗硅，作为与图14A-14D有关的说明中的传感器材料。
图15A-15D示出了示例性设计1500，其用于选择性地在基板上形成锗硅。设计1500可用于装配例如光电二极管阵列100、200、或300。参见图15A，在基板1502上形成凹陷部1504。凹陷部1504可限定NIR像素的光电二极管区域。此凹陷部可如下形成：使用光刻法，然后对基板1502进行干刻蚀。凹陷部的形状可对应于像素的形状，诸如正方形、圆形、或其它合适形状。
参见图15B，可以在基板上沉积介电层，并可进行定向刻蚀以形成侧壁间隔物1506。定向刻蚀可以是各向异性干刻蚀。参见图15C，锗或锗硅区1508选择性地从基板1502生长。例如，锗硅区1508可通过化学气相沉积(CVD)系统使用外延生成法来形成。
参见图15D，使锗或锗硅区1508与基板1502一起变平整。可使用化学机械抛光(CMP)或任何其它合适技术使锗或锗硅区1508变平整。在一些其它具体实施中，尽管这些附图未示出，但是锗可替代锗硅，作为与图15A-15D有关的说明中的传感器材料。
图16A-16D示出了用于装配光电二极管阵列的示例性设计1600。设计1600可用于装配光电二极管400、450、500、600、700、800和900，如分别参见(例如)图4A、图4B、图5、图6、图7、图8和图9所述。参见图16A，硅光电二极管1602形成在供体晶片1604上，锗硅光电二极管1606选择性地生长在供体晶片1604上。可见光像素454可以是硅光电二极管1602的二极管的示例，并且NIR像素452可以是GeSi光电二极管1606的二极管的示例。锗硅光电二极管的选择性生长可通过参见图15A-15D所述的设计1500或任何其它合适设计或工艺来完成。
参见图16B，互连件层1610形成在锗硅光电二极管1606上，其中在介电层中形成多个互连件以与锗硅光电二极管1606以及硅光电二极管1602建立电连接，其中形成了用于进行结合对准的对准标记。
参见图16C，载体基板1614的互连件层1616与供体晶片1604的互连件层1610结合在一起。载体基板1614可以是硅基板，其中可以在硅基板上形成一个或多个电路层1618。此电路可以是控制电路、读取电路、和/或任何其它适合于光电二极管阵列的电路。可以通过任何合适技术在层1610和层1616上形成对准标记。层1610和层1616之间的结合可通过任何合适技术来完成，诸如，热结合、或混合结合，包括金属-金属结合和氧化物-氧化物结合。
参见图16D，在硅光电二极管1602上形成滤波器层1620和透镜层1622，以形成光电二极管阵列。尽管未示出，但是在进行结合之后以及形成滤波器层1620之前，供体晶片1604可通过抛光或其它合适技术进行移除。在一些其它具体实施中，尽管这些附图未示出，但是锗可替代锗硅，作为与图16A-16D有关的说明中的传感器材料。
图17A-17E示出了用于装配光电二极管阵列的示例性设计1700。设计1700可用于装配光电二极管400、450、500、600、700、800和900，如分别参见(例如)图4A、图4B、图5、图6、图7、图8和图9所述。参见图17A，在第一供体晶片1704上形成锗硅层1702。第一互连件层1706与多个互连件和对准标记一起形成在锗硅层1702上。
参见图17B，载体基板1714的互连件层1716与第一供体晶片1704的互连件层1706结合在一起。载体基板1714可以是硅基板，其中可以在该硅基板上形成一个或多个电路层1718。此电路可以是控制电路、读取电路、和/或任何其它适合于光电二极管阵列的电路。层1706和层1716之间的结合可通过任何合适技术来完成，诸如，热结合、或混合结合，包括金属-金属结合和氧化物-氧化物结合。
参见图17C，在结合之后，第一供体晶片1704通过抛光或其它合适技术进行移除。参见图17D，形成第一锗硅光电二极管1720。第一锗硅光电二极管1720可如下形成：使用锗硅层1702的图案和刻蚀，然后沉积钝化层诸如介电层。可通过CMP或其它合适技术使介电层变平整。通路1722可如下形成：通过各向异性刻蚀，然后沉积诸如铜之类的导电材料。
参见图17E，载体基板1714的介电层1744与第二供体晶片1734的互连件层1732结合在一起。锗硅光电二极管阵列1736形成在第二供体晶片1734上。通路1738与通路1722结合在一起，以在第一锗硅光电二极管1720、锗硅光电二极管阵列1736和集成电路1718之间建立电连接。
参见图17F，滤波器层1740和透镜层1742形成在锗硅光电二极管1736上以形成光电二极管阵列。尽管未示出，但是在进行结合之后以及形成滤波器层1740之前，第二供体晶片1734可通过抛光或其它合适技术进行移除。在一些其它具体实施中，尽管这些附图未示出，但是锗可替代锗硅，作为与图17A-17F有关的说明中的传感器材料。
图18A示出了示例性成像系统1800，其用于确定目标物体1810的特性。目标物体1810可以是三维物体。成像系统1800可包括发射器单元1802、接收器单元1804和处理单元1806。一般来说，发射器单元1802朝目标物体1810发射出光1812。发射器单元1802可包括一种或多种光源、控制电路和/或光学元件。例如，发射器单元1802可包括一个或多个NIR或可见光LED，其中发射的光1812可以由准直透镜进行校准，以在自由空间中传播。
一般来说，接收器单元1804接收目标物体1810反射的反射光1814。接收器单元1804可包括一种或多种光电二极管、控制电路和/或光学元件。例如，接收器单元1804可包括图像传感器，其中图像传感器包括装配在半导体基板上的多个像素。每个像素可包括用于检测反射光1814的一个或多个多栅极光电二极管，其中反射的光1814可聚焦到光电二极管上。每个光电二极管可以是本专利申请所公开的多栅极光电二极管。
一般来说，处理单元1806处理接收器单元1804生成的光载流子，并确定目标物体1810的特性。处理单元1806可包括控制电路、一个或多个处理器和/或可存储用于确定目标物体1810特性的指令的计算机存储介质。例如，处理单元1806可包括：读取电路；和处理器，其可处理与所收集的光载流子相关联的信息，以确定目标物体1810的特性。在一些具体实施中，目标物体1810的特性可以是目标物体1810的深度信息。在一些具体实施中，目标物体1810的特性可以是目标物体1810的材料成分。
图18B示出了用于确定目标物体1810的特性的一个示例性技术。发射器单元1802可以发射光脉冲1812，作为示例，此脉冲调制频率为fm，占空度为50％。接收器单元1804可接收相移为Φ的反射光脉冲1814。对多栅极光电二极管进行控制，使得读取电路1读取所收集的相位与发射光脉冲同步的电荷Q1，读取电路2读取所收集的相位与发射光脉冲相反的电荷Q2。在一些具体实施中，成像系统1800与目标物体1810之间的距离D可通过以下公式获取：
其中c是光的速度。
图18C示出了用于确定目标物体1810的特性的另一示例性技术。发射器单元1802可以发射光脉冲1812，作为示例，此脉冲调制频率为fm，占空度小于50％。通过借由因数N降低光脉冲的占空度，但借由因数N增加光脉冲的强度，可提升所接收到的反射光脉冲1814的信噪比，同时保持成像系统1800的能耗基本不变。在装置带宽增加使得可以在不使脉冲形状发生变形的情况下缩短光脉冲的占空度时，这是可以实现的。接收器单元1804可接收相移为Φ的反射光脉冲1814。对多栅极光电二极管进行控制，使得读取电路1读取所收集的相位与发射光脉冲同步的电荷Q1’，读取电路2读取所收集的相位与发射光脉冲有时延的电荷Q2’。在一些具体实施中，成像系统1800与目标物体1810之间的距离D可通过以下公式获取：
图19示出了通过成像系统来确定物体特性的流程图1900的示例。流程1900可以由诸如成像系统1800等系统来执行。
此系统接收反射的光(1902)。例如，发射器单元1802可以朝目标物体1810发射NIR光脉冲1812。接收器单元1804可接收目标物体1810反射的反射NIR光脉冲1814。
此系统确定相位信息(1904)。例如，接收器单元1804可包括图像传感器，其中图像传感器包括装配在半导体基板上的多个像素。每个像素可包括用于检测反射光脉冲1814的一个或多个光电二极管。光电二极管的类型可以是本专利申请所公开的多栅极光电二极管，其中相位信息可通过参见图18B或图18C所述的技术进行确定。
此系统确定物体特性(1906)。例如，处理单元1806可以根据相位信息，通过参见图18B或图18C所述的技术来确定物体1810的深度信息。
已经介绍了若干具体实施。然而，应当理解，在不脱离本公开实质与范围的情况下，可作出各种修改。例如，可使用上文所示流程的各种形式，其中可重排、添加、或删除某些步骤。
为了便于进行说明与介绍，可能已经通过二维剖面对各种具体实施进行了讨论。然而，其三维变型与衍生形式也应当涵盖在本公开范围内，只要三维结构中存在对应的二维剖面。
尽管本说明书包含许多细节，这些细节不应视为限制性内容，而应视作专门针对具体实施方案的特征说明。在不同实施方案的上下文中，本说明书所述的某些特征也可以在单个实施方案中一起实现。反过来，在单个实施方案的上下文中所述的各个特征也可以分别在多个实施方案中实现，或者呈任何合适的子组合的形式来实现。而且，尽管上文所述特征可以呈某些组合来发挥作用，甚至在最初声称如此，但是在一些情况下，所声称组合中的一个或多个特征可以从此组合中删除，并且所声称组合可以是针对某子组合或子组合的变型。
类似地，尽管附图按具体顺序示出各操作，但是这不应理解为此类操作必须按照所示的具体顺序或相继顺序来执行，或者执行所有所示操作必须获得理想结果。在某些情形下，多重任务处理和并行处理会是有利的。而且，在上述实施方案中各个系统部件的分离不应理解为所有实施方案必须实现此类分离，而应理解为所述程序部件和系统一般可以一起集成在单个软件产品中或封装到多个软件产品中。
由此，具体实施方案叙述完毕。其它实施方案均在以下权利要求书的范围内。例如，权利要求书中所列的操作可按不同顺序来执行，并仍能获得理想结果。
以下是权利要求书。

Claims (23)

1.一种图像传感器阵列，包括：
载体基板；
第一组光电二极管，所述第一组光电二极管耦合到所述载体基板，其中所述第一组光电二极管包括第一光电二极管，并且其中所述第一光电二极管包括半导体层，所述半导体层被配置用于吸收处于可见波长的光子并从所吸收的光子生成光载流子；和
第二组光电二极管，所述第二组光电二极管耦合到所述载体基板，其中所述第二组光电二极管包括第二光电二极管，并且其中所述第二光电二极管包括装配在所述半导体层上的锗硅区，所述锗硅区被配置用于吸收处于红外或近红外波长的光子并从所吸收的光子生成光载流子。
2.根据权利要求1所述的图像传感器阵列，其中所述第一组光电二极管和所述第二组光电二极管按二维阵列布置。
3.根据权利要求1所述的图像传感器阵列，其中所述第一组光电二极管和所述第二组光电二极管中的每个光电二极管包括被配置用于传送接收到的光的一部分的相应的波长滤波器和被配置用于聚焦所述接收到的光的相应的透镜元件。
4.根据权利要求1所述的图像传感器阵列，
其中所述第一光电二极管还包括：
第一载流子收集区，所述第一载流子收集区被配置用于收集由所述半导体层生成的光载流子的一部分；
第一读取区，所述第一读取区耦合到第一读取电路，所述第一读取区被配置用于向所述第一读取电路提供由所述第一载流子收集区收集的光载流子；和
第一栅极，所述第一栅极耦合到第一控制信号，所述第一控制信号控制所述第一载流子收集区和所述第一读取区之间的载流子传输；并且
其中所述第二光电二极管还包括：
第二载流子收集区，所述第二载流子收集区被配置用于收集由所述锗硅区生成的光载流子的一部分；
第二读取区，所述第二读取区耦合到第二读取电路，所述第二读取区被配置用于向所述第二读取电路提供由所述第二载流子收集区收集的光载流子；和
第二栅极，所述第二栅极耦合到第二控制信号，所述第二控制信号控制所述第二载流子收集区和所述第二读取区之间的载流子传输。
5.根据权利要求4所述的图像传感器阵列，
其中所述第二光电二极管还包括：
第三读取区，所述第三读取区耦合到第三读取电路，所述第三读取区被配置用于向所述第三读取电路提供由所述第二载流子收集区收集的光载流子；和
第三栅极，所述第三栅极耦合到第三控制信号，所述第三控制信号控制所述第二载流子收集区和所述第三读取区之间的载流子传输。
6.根据权利要求5所述的图像传感器阵列，
其中所述第二光电二极管还包括：
第四读取区，所述第四读取区耦合到第四读取电路，所述第四读取区被配置用于向所述第四读取电路提供由所述第二载流子收集区收集的光载流子；和
第四栅极，所述第四栅极耦合到第四控制信号，所述第四控制信号控制所述第二载流子收集区和所述第四读取区之间的载流子传输。
7.根据权利要求6所述的图像传感器阵列，
其中所述第二光电二极管还包括：
第五读取区，所述第五读取区耦合到第五读取电路，所述第五读取区被配置用于向所述第五读取电路提供由所述第二载流子收集区收集的光载流子；和
第五栅极，所述第五栅极耦合到第五控制信号，所述第五控制信号控制所述第二载流子收集区和所述第五读取区之间的载流子传输。
8.根据权利要求7所述的图像传感器阵列，
其中所述第一栅极用于图像感测应用，并且
其中所述第二栅极、所述第三栅极、所述第四栅极和所述第五栅极中的至少两个栅极用于飞行时间应用。
9.根据权利要求4所述的图像传感器阵列，
其中所述第一载流子收集区包括p-n接合点，并且所述第二载流子收集区包括被配置用于收集电子的p-i-n接合点；并且
其中所述第一读取区和所述第二读取区是n掺杂区。
10.根据权利要求1所述的图像传感器阵列，
还包括氧化物层，所述氧化物层在所述第一组光电二极管和所述第二组光电二极管上平面化，
其中所述锗硅区嵌入所述氧化物层中。
11.根据权利要求1所述的图像传感器阵列，其中所述第一光电二极管被配置用于收集电子，并且所述第二光电二极管被配置用于收集空穴。
12.一种用于装配图像传感器阵列的方法，所述图像传感器阵列具有用于检测处于可见波长的光的第一组光电二极管、用于检测处于红外或近红外波长的光的第二组光电二极管，所述方法包括：
在半导体供体晶片上生长锗硅层；
限定所述锗硅层上的所述图像传感器阵列的像素；
在限定所述图像传感器阵列的像素之后，限定所述锗硅层上的第一互连件层，其中所述互连件层包括耦合到所述第一组光电二极管和所述第二组光电二极管的多个互连件；
限定集成电路，所述集成电路用于控制半导体载体晶片上的所述图像传感器阵列的像素；
在限定所述集成电路之后，限定所述半导体载体晶片上的第二互连件层，其中所述第二互连件层包括耦合到所述集成电路的多个互连件；以及
结合所述第一互连件层与所述第二互连件层，使得所述第一组光电二极管和所述第二组光电二极管耦合到所述集成电路。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
通过抛光来移除所述半导体供体晶片的至少一部分。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：
在所述半导体供体晶片上形成透镜元件，其中所述透镜元件中的每个透镜元件被布置成将光引导至所述图像传感器阵列的相应光电二极管。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括：
在所述图像传感器阵列上形成波长滤波器，所述波长滤波器中的每个波长滤波器是针对所述图像传感器阵列的相应光电二极管形成的。
16.一种用于装配图像传感器阵列的方法，所述图像传感器阵列具有用于检测处于可见波长的光的第一组光电二极管、用于检测处于红外或近红外波长的光的第二组光电二极管，所述方法包括：
限定半导体供体晶片上的图像传感器阵列的像素；
在所述半导体供体晶片上沉积绝缘层；
在所述绝缘层上限定所述第二组光电二极管的区域；
在所述第二组光电二极管的区域上生长锗硅层；
在生长所述锗硅层之后，限定第一互连件层，其中所述互连件层包括耦合到所述第一组光电二极管和所述第二组光电二极管的多个互连件；
限定集成电路，所述集成电路用于控制半导体载体晶片上的所述图像传感器阵列的像素；
在限定所述集成电路之后，限定所述半导体载体晶片上的第二互连件层，其中所述第二互连件层包括耦合到所述集成电路的多个互连件；以及
结合所述第一互连件层与所述第二互连件层，使得所述第一组光电二极管和所述第二组光电二极管耦合到所述集成电路。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在所述第二组光电二极管的区域上生长所述锗硅层还包括：
通过选择性外延生长来生长所述锗硅层，使得所述锗硅层嵌入所述绝缘层中；以及
抛光所述锗硅层来使所述绝缘层和所述锗硅层变平整。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
通过抛光来移除所述半导体供体晶片的至少一部分。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在所述半导体供体晶片上形成透镜元件，其中所述透镜元件中的每个透镜元件被布置成将光引导至所述图像传感器阵列的相应光电二极管，以及
在所述图像传感器阵列上形成波长滤波器，所述波长滤波器中的每个波长滤波器是针对所述图像传感器阵列的相应光电二极管形成的。
20.一种用于装配图像传感器阵列的方法，所述图像传感器阵列具有用于检测处于可见波长的光的第一组光电二极管、用于检测处于红外或近红外波长的光的第二组光电二极管，所述方法包括：
在第一半导体供体晶片上形成针对所述第二组光电二极管的锗硅层；
限定所述锗硅层上的第一互连件层，其中所述互连件层包括耦合到所述第一组光电二极管和所述第二组光电二极管的多个互连件；
限定集成电路，所述集成电路用于控制半导体载体晶片上的所述图像传感器阵列的像素；
在限定所述集成电路之后，限定所述半导体载体晶片上的第二互连件层，其中所述第二互连件层包括耦合到所述集成电路的多个互连件；
结合所述第一互连件层与所述第二互连件层；
限定第二半导体供体晶片上的图像传感器阵列的像素；
在限定所述图像传感器阵列的像素之后，限定所述图像传感器阵列上的第三互连件层；以及
结合所述第三互连件层与所述锗硅层，使得所述第一组光电二极管和所述第二组光电二极管耦合到所述集成电路。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：
在结合所述第一互连件层与所述第二互连件层之后，移除所述第一半导体供体晶片。
22.根据权利要求20所述的方法，
其中在所述第一半导体供体晶片上形成针对所述第二组光电二极管的锗硅层包括在所述第一半导体供体晶片上生长锗硅包层，并且
其中所述方法还包括：
在结合所述第一互连件层与所述第二互连件层之后，限定至少所述第二组光电二极管的在所述锗硅层上的区域。
23.根据权利要求20所述的方法，
其中在所述第一半导体供体晶片上形成针对所述第二组光电二极管的锗硅层包括：
在所述半导体供体晶片上沉积绝缘层；
在所述绝缘层上限定所述第二组光电二极管的区域；以及
在所述第二组光电二极管的区域上生长锗硅层。
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