CN108352393B - 高效宽光谱传感器 - Google Patents

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Abstract

一种光学传感器包括：第一材料层，所述第一材料层包括至少第一材料；第二材料层，所述第二材料层包括与所述第一材料不同的至少第二材料，其中，所述第一材料的材料带隙大于所述第二材料的材料带隙；以及梯度材料层，所述梯度材料层被布置在所述第一材料层与所述第二材料层之间，所述梯度材料层包括至少所述第一材料和所述第二材料的合金，所述合金具有所述第二材料的沿着从所述第一材料到所述第二材料的方向变化的组分。

Description

高效宽光谱传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年7月23日提交的美国临时专利申请第62/195,795号、2015年8月5日提交的美国临时专利申请第62/201,114号、2015年8月6日提交的美国临时专利申请第62/201,590号、2015年8月21日提交的美国临时专利申请第62/208,558号、2015年8月25日提交的美国临时专利申请第62/209,349号、以及2015年9月9日提交的美国临时专利申请第62/216,344号的权益，其内容以引用的方式并入在本文中。
背景技术
本说明书涉及一种使用光学传感器检测光。
光在自由空间中传播，或者将光学介质耦合至将光信号转换为用于处理的电信号的光学传感器。
发明内容
可以使用光学传感器来检测光信号并且将光信号转换成可以由另一电路系统进行进一步处理的电信号。可以在消费性电子产品、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使用光学传感器。常规地，硅被用作传感器材料，但是对于近红外(NIR)光谱中的波长或者更长的波长，硅具有较低的光吸收效率。在具有本说明书中描述的创新的光学器件结构设计的情况下，可以将诸如锗和锗硅的其它材料和/或材料合金使用作为传感器材料。根据本说明书中描述的主题的一个创新方面，使用诸如锗或者锗硅的材料来形成光学传感器以增加装置的速度和/或灵敏度和/或动态范围和/或工作波长范围。在一种实施方式中，具有梯度材料带隙的梯度材料层可以被形成在两个材料层之间，以形成具有增强传感器内的载流子转移的固有电场的传感器。在另一实施方式中，可以在材料层的两个端部上形成两个梯度材料层，以允许收集(而不是重新组合)传感器的端部处的自由载流子。在另一实施方式中，可以使用横向应变稀释技术来形成具有减少的缺陷或者无缺陷的锗或者锗硅传感器，这导致了减弱的暗电流和更好的灵敏度/动态范围。在另一实施方式中，可以将能量滤光器定义为阻挡暗电流，同时允许光电流通过，这进一步减小了减弱的暗电流。
通常，本说明书中描述的主题的一个创新方面能够被实施为光学传感器，该光学传感器包括：第一材料层，该第一材料层包括至少第一材料；第二材料层，该第二材料层包括与该第一材料不同的至少第二材料，其中，该第一材料的材料带隙大于第二材料的材料带隙；以及梯度材料层，该梯度材料层被布置在第一材料层与第二材料层之间，该梯度材料层包括至少第一材料和第二材料的合金，该合金具有第二材料的沿着从第一材料到第二材料的方向变化的组分。
可选地，这种和其它实施方式能够能够各自可选地包括以下特征中的一个或多个：第一材料可以是硅并且第二材料可以是锗。梯度材料的锗的组分可以沿着从第一材料到第二材料的方向增加。第一材料层可以包括具有第一锗组分的锗和硅的合金。第二材料层可以包括具有第二锗组分的锗和硅的合金。第一锗组分可以低于第二锗组分。梯度材料层的锗组分可以处于第一锗组分与第二锗组分之间。第一材料层和第二材料层可以是掺杂的。
该光学传感器可以包括衬底；和电路系统，该电路系统被布置在衬底上。该第二材料层可以被布置在电路系统上方，并且该第一材料层可以被布置在第二材料层上方。
本说明书中描述的主题的另一创新方面能够被实施为用于制造光学传感器的方法，该方法包括：在衬底上方形成第一材料层，该第一材料层包括至少第一材料；在第一材料层上方形成梯度材料层，该梯度材料层包括至少第一材料和第二材料的合金，该合金具有第二材料的沿着与衬底垂直的方向变化的组分；并且在梯度材料上方形成第二材料层，该第二材料层包括与第一材料不同的至少第二材料。
可选地，这种和其它实施方式能够各自可选地包括以下特征中的一个或多个：可以在第二材料层上方形成电路系统。在形成第一材料层之前，可以在衬底上方形成隔离层。可以将在衬底上形成的顶层结合至在载体衬底上形成的电路系统。可以去除衬底和隔离层。可以在第一材料层上方形成滤光器和透镜。
本说明书中描述的主题的另一创新方面可以被实施为光学传感器，该光学传感器包括第一梯度材料层，该第一梯度材料层包括至少第一材料和第二材料的组分，其中，该第一梯度材料层的第二材料的组分沿着特定方向变化；第二梯度材料层，该第二梯度材料层包括至少第一材料和第二材料的组分，其中，该第二梯度材料层的第二材料的组分沿着特定方向变化；以及第三材料层，该第三材料层被布置在第一梯度材料层与第二梯度材料层之间，该第三材料层包括至少第二材料。
可选地，这种和其它实施方式能够各自可选地包括以下特征中的一个或多个：第一材料可以是硅并且第二材料可以是锗。特定方向可以是从第一梯度材料层到第二梯度材料层的方向。第一梯度材料层的锗的组分可以沿着该特定方向增加。第二梯度材料层的锗的组分可以沿着该特定方向减少。第一梯度材料层可以包括沿着该特定方向的多个p-型掺杂水平。第二梯度材料层可以包括沿着该特定方向的多个n-型掺杂水平。光学传感器可以包括配置为向光学传感器提供偏压的导体层。
本说明书中描述的主题的另一创新方面能够被实施为光学传感器，该光学传感器包括第一梯度锗层，该第一梯度锗层包括沿着特定方向的多个p-型掺杂水平；第二梯度锗层，该第二梯度锗层包括沿着特定方向的多个n-型掺杂水平；第三锗层，该第三锗层被布置在第一梯度锗层与第二梯度锗层之间；以及导体层，该导体层被配置为向光学传感器提供偏压。
本说明书中描述的主题的另一创新方面能够被实施为光学传感器，该光学传感器包括第一层，该第一层被形成在衬底上方，该第一层包括具有第一应变的锗硅，并且第一层具有第一面积；以及第二层，该第二层被形成在第一层上方，该第二层包括具有小于第一应变的第二应变的锗硅，并且第二层具有大于第一面积的第二面积。
本说明书中描述的主题的另一创新方面能够被实施为用于制造光学传感器的方法，该方法包括：在硅衬底上形成介电层；在介电层中形成具有第一面积的第一开口；在介电层中形成具有大于第一面积的第二面积的第二开口；在第一开口中形成第一锗硅层；以及在第二开口中形成第二锗硅层，其中，第一锗硅层的应变大于第二锗硅层的应变。
可选地，这种和其它实施方式能够各自可选地包括以下特征中的一个或多个：可以在第二锗硅层上形成电路系统。可以将硅衬底的顶层结合至载体衬底的电路系统。可以去除硅衬底和第一锗硅层的至少一部分。可以在第二锗硅层上形成滤光器和透镜。
有利的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个：对于近红外波长，锗是高效吸收材料，这减少了在使用低效吸收材料(例如，硅)时在较大衬底深度处生成的缓慢光载流子的问题。增大的操作速度允许在光学感测系统中使用较高的调制频率，从而给出诸如较大的深度分辨率的优点。作为光吸收层的合金锗硅材料提供了超过常规Si材料的更高的光吸收效率，这可以在可见光谱和近红外光谱中提供更灵敏的传感器，可以降低相邻像素之间的串扰，并且可以允许像素大小的减小。合金材料内的组分梯度可以增强材料内的载流子转移，这减少了载流子复合，并且因此提高了量子效率。合金材料内的组分梯度可以减小图像传感器的操作电压。合金材料内的组分梯度可以减小二极管暗电流。传感器部件能够容易地与现有CMOS传感器技术集成。
在附图和下面的描述中阐述了一种或者多种实施方式的细节。其它潜在的特征和优点将通过说明书、附图、和权利要求书而变得显而易见。
附图说明
图1A和图1B示出了梯度材料光学传感器的示例。
图2A-图2J图示了用于在绝缘体上硅(SOI)衬底上制造梯度材料光学传感器的示例设计。
图3A-图3J图示了用于在硅衬底上制造梯度材料光学传感器的示例设计。
图4A-图4C示出了梯度材料光学传感器的示例。
图5示出了光学传感器阵列的示例。
图6A-图6C图示了用于使用横向应变稀释技术来制造光学传感器的示例设计。
图7示出了由横向应变稀释技术形成的光学传感器阵列的示例。
图8A-图8B示出了由横向应变稀释技术形成的光学传感器的设计示例。
图9示出了由横向应变稀释技术形成的光学传感器阵列的示例。
图10A-图10F图示了用于使用横向应变稀释技术来制造光学传感器的示例设计。
图11A-图11B示出了由横向应变稀释技术形成的光学传感器的设计示例。
图12示出了能量图的示例。
图13示出了示例能量选择传感器。
在各种附图中的相似的附图标记和指示表示相似的元件。还应当理解的是，在附图中示出的各种示例性实施例仅仅是说明性表示，并且不一定按比例绘制。
具体实施方式
梯度材料传感器
通常，材料吸收各种波长的光以根据与材料相关联的能带隙生成自由载流子。例如，硅可以具有1.12eV的能带隙，锗可以具有0.66eV的能带隙，以及根据组分，锗硅合金可以具有在0.66eV到1.12eV之间的能带隙。具有较低能带隙的材料在特定波长处具有较高的吸收系数。如果材料的吸收系数过低，则不能够有效地将光信号转换成电信号。然而，如果材料的吸收系数过高，则将在材料的表面附近生成自由载流子，可以重新组合这些自由载流子以降低效率。硅针对NIR波长不是有效传感器材料。另一方面，锗具有对于较短波长(例如，蓝色的)可能是过高的吸收系数，其中，可以在表面处重新组合自由载流子。结合梯度材料结构设计(其中，锗硅组分沿着光学传感器中的光的传播而变化)使光学传感器能够具有宽的吸收光谱。
图1A是用于将光信号转换成电信号的示例梯度材料光学传感器100。梯度材料光学传感器100包括第一材料层111、第二材料层113、以及介于第一材料层111与第二材料层113之间的梯度材料层115。梯度材料光学传感器100可以吸收沿着从第一材料层111朝向第二材料层113的方向传播的光。通常，第一材料层111具有大于第二材料层113的能带隙ΔE2的能带隙ΔE1。梯度材料层115具有介于ΔE1与ΔE2之间的能带隙，并且在从第一材料层111到第二材料层113的方向上减小，使得可以在梯度材料光学传感器100内侧高效地吸收宽波长光谱的光。例如，具有较短波长(例如，蓝色的)的光信号将会被由硅形成的第一材料层111和具有低锗组分的梯度材料层115的前部吸收。具有较长波长(例如，NIR)的光信号将不会被由硅形成的第一材料层111或者具有低锗组分的梯度材料层115的前部吸收，但将会被具有高锗组分的梯度材料层115的背部和由锗形成的第二材料层113吸收。
在一些实施方式中，可以使用第一材料来形成第一材料层111。例如，第一材料可以是硅、锗、或者任何其它合适的半导体材料。在一些实施方式中，可以使用不同材料的合金来形成第一材料层111。例如，可以使用锗硅来形成第一材料层111。在一些实施方式中，可以使用第二材料来形成第二材料层113。例如，第二材料可以是硅、锗、或者任何其它合适的半导体材料。在一些实施方式中，可以使用不同材料的合金来形成第二材料层113。例如，可以使用锗硅来形成第二材料层113。在一些实施方式中，可以使用至少第一材料和第二材料的合金来形成梯度材料层115。例如，可以使用锗硅来形成梯度材料层115。
在一些实施方式中，第一材料层111、第二材料层113、和/或梯度材料层115可以是掺杂的，以控制材料的费米级(Fermi level)。例如，第一材料层111可以是重度p-型掺杂，第二材料层113可以是重度n-型掺杂，并且梯度材料层115可以是固有的或者梯度掺杂的。当达到热平衡时，可以在梯度材料层115中形成电场。电场增强了自由载流子(例如，电子或者空穴)朝向载流子收集电路系统的转移，以提高灵敏度并且降低光学传感器的串扰。
在一些实施方式中，可以向梯度材料光学传感器100施加控制偏压。尽管在图1A中未示出，但是梯度材料光学传感器100可以包括可以耦合至控制源的接触垫和控制电路系统。例如，控制偏压可以是电压上的反向偏压。控制偏压可以增加第一材料层111与第二材料层113之间的电场，这可以进一步增强自由载流子朝向载流子收集电路系统的转移。
图1B是用于将光信号转换为电信号的示例梯度材料光学传感器101。梯度材料光学传感器101包括第一材料层121、第二材料层123、和介于第一材料层121与第二材料层123之间的梯度材料层125。梯度材料光学传感器101与参照图1A描述的梯度材料光学传感器100相似。梯度材料层125包括N个材料层G1至GN，其中，N是整数。可以使用至少第一材料和第二材料的合金来形成材料层G1至GN中的每一层。例如，材料层G1可以具有Ge0.1Si0.9的材料组分，材料层G2可以具有Ge0.2Si0.8的材料组分，并且随着层数增加，锗组分可以增加。在一些实施方式中，可以控制材料层G1至GN中的每一层的厚度。在一些实施方式中，可以控制材料层G1至GN中的每一层的掺杂。在一些实施方式中，可以控制材料层G1至GN中的每一层的锗组分。
图2A-图2J图示了用于在绝缘体上硅(SOI)衬底上制造梯度材料光学传感器结构的示例设计200。参照图2A，SOI衬底包括硅衬底层211、氧化层213、和硅层215。硅层215可以由具有特定晶体定向或者特定厚度的外延硅形成，或者硅层215可以由具有特定厚度的非晶硅形成。参照图2B，可以在硅层215中形成隔离层217和装置层219。可以使用任何合适的技术来形成隔离层217。例如，可以通过以特定离子能量进行离子注入以实现特定损伤深度来形成隔离层217，或者可以通过原位掺杂外延以产生隔离层与衬底层之间的去除速率对比来形成隔离层217。装置层219可以是本征硅或者掺杂硅。在一些实施方式中，可以通过外延或者沉积来形成装置层219。
参照图2C，在装置层219中形成第一材料层221。可以通过掺杂装置层219来形成第一材料层221。第一材料层221可以与如参照图1A和图1B描述的第一材料层111或者第一材料层121相似。在一些实施方式中，掺杂层可以限于整个晶片区域的确定百分比。在一些实施方式中，可以在第一材料层221内形成电路系统。
参照图2D，在第一材料层221上形成梯度材料223。梯度材料层223可以与如参照图1A和图1B描述的梯度材料层115或者梯度材料层125相似。例如，梯度材料层223可以是锗硅合金，其中，锗组分随着厚度增加而增加。可以通过任何合适的制造技术来形成梯度材料层223。例如，可以通过具有动态气体控制的化学气相沉积(CVD)系统，通过外延生长来形成梯度材料层223。在一些实施方式中，梯度材料层223可以是梯度掺杂的。例如，梯度材料层223可以用磷掺杂，其中，磷浓度将随着厚度增加而增加。在一些实施方式中，可以在梯度材料层223内形成电路系统。
参照图2E，在梯度材料层223上形成第二材料层225。第二材料层225可以与如参照图1A和图1B描述的第二材料层113或者第二材料层123相似。例如，可以使用掺杂的锗来形成第二材料层225。在一些实施方式中，可以在第二材料层225内形成电路系统。
参照图2F，在第二材料层225上形成介电层227。介电层227可以是诸如氧化物的任何合适的绝缘体。可以使用诸如CVD的任何合适的制造技术来形成介电层227。在一些实施方式中，可以在介电层227中形成互连229。可以通过穿过介电层227蚀刻接触孔并且通过导电材料填充该接触孔来形成互连229。例如，可以通过穿过介电层227干法蚀刻接触孔并且使用CVD用铜填充该接触孔来形成互连229。
参照图2G，IC(集成电路)载体衬底231的介电层233与衬底211的介电层227结合。IC载体衬底231可以是硅衬底，其中，可以在硅衬底上形成电路系统的一个或多个层。电路系统可以是用于光学传感器的控制电路系统、读出电路系统、模数转换器(ADC)、放大器、行/列解码器、和/或任何其它合适的电路系统。在IC载体衬底上形成介电层233和互连235。虽然在示意图中未示出，但是在一些实施方式中，可以通过任何合适的技术在介电层227和介电层233中形成对准标记。IC载体衬底231的介电层233之间的结合可以通过诸如热增强结合或者混合结合的任何合适的技术与衬底211的介电层227结合。
图2H图示了结合的光学传感器200，其中，IC载体衬底231的介电层233与衬底211的介电层227结合以形成介电层237，并且其中，连接互连229和互连235以形成互连239。在一些实施方式中，金属垫能够被包括在互连229和235的顶部以促进晶片结合工艺。
参照图2I，通过诸如化学机械抛光(CMP)或者蚀刻的任何合适的技术去除衬底211、氧化层213、和隔离层217。在一些实施方式中，可以通过诸如CMP或者蚀刻的任何合适的技术去除第一材料层221的部分221a。在一些实施方式中，可以形成一个或多个金属布线层。
虽然此处未示出，但是在一些其它实施方式中，不需要形成隔离层217。在不需要形成隔离层217的情况下，可以通过诸如CMP或者蚀刻的任何合适的技术去除衬底211和氧化层213以暴露出第一材料层221。然后可以通过诸如CMP或者蚀刻的任何合适的技术去除第一材料层221的部分221a。
参照图2J，可以在第一材料层221上形成一个或多个涂层241。涂层241可以起到这种作用，诸如，波长滤波、抗反射、和/或任何其它作用。可以使用诸如溅射、蒸镀、和/或等离子体增强CVD的任何合适的膜沉积技术来形成一个或多个涂层241。在一些实施方式中，可以在一个或多个涂层241上形成微透镜243。微透镜243可以用作聚焦透镜、准直器、或者任何其它合适的光学功能。
图3A-图3J图示了用于在衬底上制造梯度材料光学传感器结构的示例设计300。图3A示出了衬底311。衬底311可以是硅衬底或者任何其它合适的衬底。可以通过具有特定晶体定向或者特定厚度的外延硅或者通过具有特定厚度的非晶硅来形成衬底。参照图3B，可以在衬底层311中形成隔离层317和装置层319。可以使用与参照图2B描述的技术相似的任何合适的技术来形成隔离层317。装置层319可以是本征硅或者掺杂硅。在一些实施方式中，可以通过外延或者沉积来形成装置层319。
参照图3C，在装置层319中形成第一材料层321。可以通过与参照图2C描述的技术相似的任何合适的技术来形成第一材料层321。参照图3D，在第一材料层321上形成梯度材料323。可以通过与参照图2D描述的技术相似的任何合适的技术来形成梯度材料层323。在一些实施方式中，可以在第一材料层321内形成电路系统。在一些实施方式中，可以在梯度材料层323内形成电路系统。
参照图3E，在梯度材料层323上形成第二材料层325。可以通过与参照图2E描述的技术相似的任何合适的技术来形成第二材料层325。在一些实施方式中，可以在第二材料层325内形成电路系统。
参照图3F，在第二材料层325上形成介电层327。可以通过与参照图2F描述的技术相似的任何合适的技术来形成介电层327。在一些实施方式中，可以在介电层327中形成互连329。可以通过与参照图2F描述的技术相似的任何合适的技术来形成互连329。
参照图3G，IC载体衬底331的介电层333与衬底311的介电层327结合。IC载体衬底331与如参照图2G描述的IC载体衬底231相似。通过与参照图2G描述的技术相似的任何合适的技术在IC载体衬底上形成介电层333和互连335。IC载体衬底331的介电层333之间的结合可以通过与参照图2G描述的技术相似的任何合适的技术与衬底311的介电层327结合。
图3H图示了结合的光学传感器300，其中，IC载体衬底331的介电层333与衬底311的介电层327结合以形成介电层337，并且其中，连接互连329和互连335以形成互连339。在一些实施方式中，金属垫能够被包括在互连329和335的顶部上以促进晶片结合工艺。参照图3I，通过如参照图2I描述的任何合适的技术去除衬底311和隔离层317。在一些实施方式中，可以通过诸如CMP或者蚀刻的任何合适的技术去除第一材料层321的部分321a。在一些实施方式中，可以形成一个或多个金属布线层。
参照图3J，可以在第一材料层321上形成一个或多个涂层341。涂层341可以起到这种作用，诸如，波长滤波、抗反射、和/或任何其它作用。可以使用诸如溅射、蒸镀、和/或等离子体增强CVD的任何合适的膜沉积技术来形成一个或多个涂层341。在一些实施方式中，可以在一个或多个涂层341上形成微透镜343。微透镜343可以用作聚焦透镜、准直器、或者任何其它合适的光学功能。
图4A是梯度材料光学传感器400的示例。梯度材料光学传感器400包括第一梯度材料层411、第二梯度材料层413、和吸收层415。第一梯度材料层411包括梯度材料G11至G1m的m层，并且第二梯度材料层413包括梯度材料G21至G2n的n层，其中，m和n是整数。第一梯度材料层411和第二梯度材料层413中的每一层可以是锗硅合金。吸收层415可以是锗。通常，半导体表面和异质结接口由于材料的不连续性而通常在缺陷密度上是较高。这些缺陷继而充当少数载流子的重组位点。对于光学传感器，如果光生成的少数载流子与表面和/或接口缺陷接触，则这些表面和/或接口缺陷可能是不利的。如果在高度掺杂的接触区域内生成大比例的载流子，则该问题可能尤为严重。失去重组的载流子将会影响光学传感器的灵敏度/动态范围。对于锗硅光学传感器装置或者系统，该问题可能尤为严重，其中，锗或者锗硅在硅衬底上外延生长。能够在锗硅异质结接口以及终止外延的位置处观察到高密度的缺陷。在光学传感器中并入梯度材料结构设计允许通过穿过在梯度材料层之间的带隙差创建内置电场而将少数载流子引导远离吸收层表面和/或锗硅异质结接口。
图4B是梯度材料光学传感器401的示例。梯度材料光学传感器401包括第一梯度材料层421、第二梯度材料层423、吸收层425、和金属接触点428和429。第一梯度材料层421中的硅组分在从吸收材料425到金属接触点428的方向上逐渐增加，其中，相对应的能带隙相应地增加。在第二梯度材料层423中的硅组分还在从吸收材料425到金属接触点429的方向上逐渐增加，其中，相对应的能带隙相应地增加。在一些实施方式中，可以将通过光信号的光生成的少数载流子引导远离高缺陷表面/接口，并且因此，能够减轻表面/接口重组。减轻表面/接口重组提高了光电二极管光电转换效率。由于少数载流子在高度掺杂区域内所耗费的总持续时间显著减少，所以还改善了光电二极管带宽。在一些实施方式中，根据带隙的增加，增加的Si组分可以减少由于减少的NIR吸收而生成的载流子的量。因此，减少接近表面/接口的光生成的少数载流子的总数，因此进一步减少到达层表面/接口的少数载流子。
在一些实施方式中，可以向梯度材料光学传感器401施加控制偏压427。例如，控制偏压可以是电压上的反向偏压。控制偏压可以增加第一梯度材料层421与第二梯度材料层423之间的电场，这可以进一步增强朝向耦合至金属接触点428和429的载流子收集电路系统的自由载流子转移。
图4C是梯度材料光学传感器402的示例。梯度材料光学传感器402包括第一梯度材料层431、第二梯度材料层433、吸收层435、以及金属接触点438和439。第一梯度材料层431可以具有与如参照图4B描述的第一梯度材料层421相似的合金组分。第二梯度材料层433可以具有与如参照图4B描述的第二梯度材料层423相似的合金组分。第一梯度材料层431中的p-型掺杂剂浓度在从吸收材料435到金属接触点438的方向上逐渐增加。第二梯度材料层433中的n-型掺杂剂浓度在从吸收材料435到金属接触点439的方向上逐渐增加。当达到热平衡时，可以在第一梯度材料层431和第二梯度材料层433中形成电场。电场增强了移出相应的未耗尽掺杂层的少数载流子的加速度。在一些实施方式中，可以向梯度材料光学传感器402施加控制偏压。控制偏压可以增加第一梯度材料层431与第二梯度材料层433之间的电场，这可以进一步增强移出相应的未耗尽掺杂层的少数载流子的加速度。
图5示出了光学传感器阵列501的示例。光学传感器阵列501包括载体衬底531、集成电路层533、传感器层535、互连层537、滤光层539、和透镜层541。传感器层535可以被形成为梯度材料光学传感器的一维或者二维阵列。与图2A-图2J和图3A至图3J中描述的相似，在衬底(未示出)上形成传感器层535之后，可以在传感器层535上形成互连层537，并且可以将互连层537结合至集成电路层533。在结合之后，可以在传感器层535上形成滤光层539和透镜层541。这可以被称为“背侧”配置。示例性字母W、B、G、R分别是指“白色的”、“蓝色的”、“绿色的”、“红色的”像素。在一些其它实施方式中，可以应用R、G、B或者R、G、G、B或者其它布置。
使用横向应变稀释技术形成的传感器
传统的Si CMOS图像传感器具有非常有限的NIR感测能力，这是由于Si材料对于超过800nm的波长的弱光吸收。一种可能的方法是将光敏材料从硅替换为锗硅，以将NIR感测从800nm改进为超过1000nm。然而，硅与锗硅之间的晶格失配可能会限制能够在硅上生长的锗硅层的临界厚度，该临界厚度可以比用于图像感测的期望厚度更薄。当锗硅层生长超过该临界厚度时，锗硅层可能变得有缺陷并且引入额外的暗电流。
基于通过使用横向应变稀释技术制造的颈缩区域结构设计的光学传感器可以共享并且稀释锗硅层的应变能量，并且因此，可以使锗硅层的厚度能够在没有缺陷形成的情况下延伸超过临界厚度。图6A-图6C图示了用于使用横向应变稀释技术来制造光学传感器的示例设计600。
参照图6A，在衬底611上形成介电层613。衬底611可以是硅衬底，并且介电层613可以是由诸如氧化物的任何合适的介电材料形成的。将介电层613的厚度选择为{h1+h2}，其中，h1和h2分别与颈缩区域和传感器区域的高度相对应。
参照图6B，在介电层613中形成颈缩区域621和传感器区域623。颈缩区域621具有面积A1和高度h1，并且传感器区域623具有面积A2和高度h2。通常，颈缩区域621的面积A1小于传感器区域623的面积A2。可以通过任何合适的技术形成颈缩区域621和传感器区域623。例如，颈缩区域621和传感器区域623可以通过介电层613的两步干法蚀刻来形成。
可以通过以下公式来定义应变能量Ee：
Figure BDA0001588094530000151
f＝(al-as)/as (2),
其中，f是晶格错配比、al是层晶格常数、as是衬底晶格常数、B是材料常数、A1和h1分别是颈缩621的面积和高度，并且A2和h2分别是传感器区域623的面积和高度。
参照图6C，在颈缩区域621和传感器区域623中选择性地生长锗硅。通常，应变能量主要来自颈缩区域621。传感器区域623不直接与硅衬底接口接触。因此，传感器区域623不直接由硅衬底611约束，并且能够用于吸收颈缩区域的应变能量。临界厚度能够扩展到～A2/A1的水平。因此，可以通过使用该横向应变共享方法来增强临界厚度。
在一些实施方式中，执行平坦化步骤(诸如，CMP)以使锗硅薄膜的表面区域平坦化。
图7示出了由横向应变稀释技术形成的示例光学传感器阵列700。光学传感器阵列700包括衬底711、集成电路层713、介电层715、光学传感器717、互连层719、涂层721、和透镜723。集成电路层713可以是外延生长的硅，在该外延生长的硅上形成有电路系统和接触点。可以使用如参照图6A-图6C描述的横向应变稀释技术在集成电路层713上形成具有颈缩区域结构设计的光学传感器717。当光从光学传感器717的正侧进入时，可以将光学传感器阵列700称为正侧入射光学传感器阵列。可以使用光学传感器阵列700来检测可见光信号和近红外光信号。
图8A示出了具有颈缩区域结构设计的双端子光学传感器801的示例。可以在正侧入射光学传感器阵列中使用双端子光学传感器801。双端子光学传感器801包括衬底811、集成电路层813、介电层815、和具有颈缩区域的锗硅传感器。锗硅传感器的传感器区域包括n型掺杂锗硅区域821和p+型掺杂锗硅区域823。
图8B示出了具有颈缩区域结构设计的三端子光学传感器802的示例。可以在正侧入射光学传感器阵列中使用三端子光学传感器802。三端子光学传感器802包括衬底811、集成电路层813、介电层815、和具有颈缩区域的锗硅传感器。锗硅传感器的传感器区域包括n型掺杂锗硅区域831和固有或者p-型掺杂锗硅区域833。在传感器区域上形成硅层，其中，硅层包括p+硅区域835、n-型掺杂硅区域837、p-型掺杂硅区域839、n+硅区域841、和传输栅843。
图9示出了由横向应变稀释技术形成的光学传感器阵列900的示例。光学传感器阵列900包括载体衬底911、集成电路层913、互连层915、介电层917、光学传感器919、涂层921、和透镜923。集成电路层913可以是外延生长的硅，在该外延生长的硅上形成有电路系统和接触点。可以形成使用如参照图6A-图6C描述的横向应变稀释技术的和具有颈缩区域结构设计的光学传感器919。然后可以使用参照图10A-图10E描述的技术将光学传感器919和互连层915晶片结合至集成电路层913。当光从光学传感器919的背侧进入时，可以将光学传感器阵列900称为背侧入射光学传感器阵列。可以使用光学传感器阵列900来检测可见光信号和近红外光信号。
图10A-图10E图示了用于使用横向应变稀释技术来制造光学传感器的示例设计1000。参照图10A，使用如参照图6A-图6C描述的横向应变稀释技术在衬底1011上形成锗硅光学传感器1015。参照图10B，在锗硅光学传感器1015的正侧上形成互连1017A和1017B。
参照图10C，使用与参照图2G和图3G描述的技术相似的技术将在载体衬底上形成的集成电路层1023和互连层1025与介电层1013结合。参照图10D，通过诸如CMP或者蚀刻的技术去除衬底1011和锗硅光学传感器1015的颈缩区域。
参照图10E，在介电层1013中形成互连1027a和1027b。参照图10F，使用与参照图2J和图3J描述的技术相似的技术形成一个或多个涂层1031和透镜1033。
图11A示出了具有颈缩区域结构设计的双端子光学传感器1101的示例。可以在背侧入射光学传感器阵列中使用双端子光学传感器1101。双端子光学传感器1101包括衬底1111、集成电路层1113、互连层1115、介电层1117、和具有去除颈缩区域的锗硅传感器。锗硅传感器的传感器区域包括n-型掺杂锗硅区域1121和p+型掺杂锗硅区域1123。
图11B示出了具有颈缩区域结构设计的三端子光学传感器1102的示例。可以在背侧入射光学传感器阵列中使用三端子光学传感器1102。三端子光学传感器1102包括衬底1111、集成电路层1113、互连层1115、介电层1117、和具有去除颈缩区域的锗硅传感器。锗硅传感器的传感器区域包括n-型掺杂锗硅区域1131和固有或者p-型掺杂锗硅区域1133。在互连层1115中形成硅层，其中，硅层包括p+硅区域1135、n-型掺杂硅区域1137、p-型掺杂硅区域1139、n+硅区域1141、和传输栅1143。
能量选择光学传感器
通常，由光学传感器生成的电信号包括两个电流分量：暗电流和光电流。光电流是期望信号，并且通常将暗电流视作噪声。常规地，同时收集这两个电流分量，并且为了改善信噪比(SNR)，需要使暗电流分量最小化。然而，为了实现具有改善的吸收效率(即，以目标波长的更高的光电流)的更宽的感测光谱，需要使用更小的带隙材料(直接或者间接)，并且这通常会引起更高的暗电流。因此，常规地，在感测光谱/效率与暗电流之间存在材料诱导的折衷。改善的光电流(吸收效率)通常伴有较大的暗电流(噪声)。因此，改善光学传感器的SNR或者动态范围是困难的。
图12示出了示例能量图1200。参照图12，为了将光电流与暗电流分离开，关键在于其瞬态能级差。光电流与暗电流之间的、在其初始能量状态处的根本差异在于，与导带边缘(即，Eg 1203)周围的通常热生成的载流子(暗电流)相比，激发的光子(光电流分量)通常占据导带(即，EΓ1 1201)上的更高的能量状态。将会通过光子或者声子发射进程(在本公开中称为“弛豫”)将较高能量的光子激发载流子转变成较低的能量状态，并且当能量弛豫完成时，难以分辨出或者甚至无法分辨出光电流和暗电流。
常规地，将用于收集载流子的导电材料(不包括：金属)连接至吸收材料，这不会引入或者几乎不会引入能量势垒来收集载流子，从而收集光电流和暗电流分量。通过在1205处引入能量势垒，较低的能量状态暗电流分量被阻挡，而较高的能量状态光电流分量能够穿过阻挡材料并且由载流子收集器端子收集。在一些实施方式中，载流子转移时间优选地短于能量弛豫时间，使得在光电流与暗电流之间存在能量差。可以在两个端子之间施加电场以提供用于高效载流子收集的高转移时间。
图13图示了示例能量选择传感器1300。能量选择传感器1300包括吸收材料1311、能量滤光器1313、和载流子收集器1315。在吸收材料1311和能量滤光器1313的接口处的能带对准具有能量势垒，以防止较低的能量状态暗电流分量被收集，同时允许较高的能量状态光子激发的光电流分量通过阻挡材料并且在载流子收集端子处被收集。因此，能够收集大多数期望信号(光电流)，但不收集大部分噪声(暗电流)。
在一些实施方式中，在两个载流子提取接口之间的、在吸收材料内的距离被施加有电场，并且两个载流子提取接口之间的距离/厚度处于范围内，使得当所生成的光载流子行进至能量滤光器1313时，残余能量仍然高于暗电流分量使得能够通过这两个分量的能级来将这两个分量区分开，以允许阻挡机制仅起到电流分量中的一个(即，暗电流)的作用。即，光子激发的载流子行进至接口所耗的时间优选地短于能量弛豫时间或者与能量弛豫时间相当(不包括：更短数量级)。
在一些实施方式中，能够通过(a)使用量子限制效应(不包括，量子点、量子线、量子阱结构)、(b)间接或者直接带隙材料(谷内或者谷间过渡)的选择、(c)材料的密度状态及其占位、(d)入射光子能量来确定或者修改能量弛豫时间。在一些实施方式中，能够使用具有间接带隙、或者较大谷谷分离、或者较低密度状态的材料来增加能量弛豫时间。
在一些实施方式中，能量滤光器材料1313的带隙大于吸收材料1311，导带偏移高到足以阻挡暗电流并且低到足以允许光电流穿过。在一些实施方式中，能量滤光器材料能够具有甚至高于载流子收集器1315接口附近的光子激发的载流子的能级的显著能量势垒，但是包括具有通过诸如捕获辅助隧道的机制允许光子激发的载流子穿过能量滤光器1313的能级的至少一个捕获状态。在一些实施方式中，能量滤光器1313薄到足以允许较高的能量载流子直接隧穿穿过但阻挡较低的能量载流子。注意，施加电场将会使能带图弯曲并且增加载流子速度。
在一些实施方式中，入射光方向大体上与施加的电场在吸收材料中的方向不同(不包括：垂直)。在这种情况下，沿着入射光方向的距离/厚度能够长到足以吸收足够的入射光(光子)用于进一步的信号处理。在一些其它实施方式中，入射光方向大体上沿着施加的电场在吸收材料中的方向。在这种情况下，沿着入射光方向的距离/厚度的设计需要考虑目标吸收量和载流子转移时间(优选地，短于弛豫时间或者与弛豫时间相当)。
在一些实施方式中，可以将锗、硅、锗硅、梯度材料、III-V化合物、II-VI化合物、或者它们的组合用作吸收材料1311，并且可以将锗硅、硅、GeO、GeO2、氧化物、氮化物、梯度材料、或者它们的组合用作能量滤光器1313。在一些实施方式中，可以选择能量滤光器1313以滤波电子。在一些实施方式中，可以选择能量滤光器1313以滤波空穴。在一些实施方式中，能够使用钝化材料来使吸收材料的表面钝化，以减少表面重组用于更高效的光子激发的载流子收集。
在一些实施方式中，能够使用纳米晶体结构。纳米晶体能够进一步彼此结合以形成连续层。由于量子限制，可以使用纳米晶体结构来修改其能量弛豫时间。由于量子限制，纳米晶体结构可以进一步减少其固有暗电流生成。在一些实施方式中，纳米晶体能够包括Ge，并且能够通过在低温下使Ge沉积在非均质材料表面(不包括：Si)上来形成纳米晶体，使得Ge在表面上成核以形成纳米晶体。在一些实施方式中，能够经由PVD或者CVD沉积/生长Ge，并且Ge能够处于非晶相、多晶相、或者结晶相。能够通过施加如先前在本公开中描述的电场来完成载流子收集。
在一些实施方式中，吸收材料能够是能够吸收目标应用波长的Ge、Si、GeSi、Ill-V材料或者其它化合物、合金、二维材料、元素材料。能够使吸收材料应变或者弛豫以修改其带隙来获得期望的吸收率。在一些实施方式中，吸收材料甚至能够是多孔的。在一些实施方式中，能量滤光器材料能够是能够在其接口处向吸收材料引入能量势垒的Ge、Si、GeSi、氮化物、氧化物、掺杂氮化物、掺杂氧化物、III-V材料或者其它化合物、合金、元素材料。能量滤光器材料甚至能够是多孔的。在一些实施方式中，吸收材料是Ge，并且其厚度/尺寸小于100nm。在一些实施方式中，Ge的厚度能够为大约50nm，使得平均载流子转移时间小于500fs，数量级将会与其大约数百fs的能量弛豫时间相同。在一些实施方式中，施加至Ge吸收层的电压需要使大于1000V/cm的电场达到高载流子速度并且低于100000V/cm(将会低于击穿限制)。
在一些实施方式中，能量滤光器材料能够是具有较大带隙和I型或者II型(应变)能带对准的Si，以将较低的能量载流子限制在Ge吸收区域中。在一些实施方式中，当光子激发的载流子行进至吸收材料1311和能量滤光器1313的接口时，能量滤光器材料能够是氮化物，其内部引入了缺陷以形成与残余能量状态相对应的捕获能量状态。
已经描述了数个实施方式。然而，将会理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种修改。例如，可以使用上面示出的各种形式流程，其中，重新排序、添加、或者去除步骤。
为了便于描述和说明的目的，可能已经使用二维横截面讨论了各种实施方式。然而，三维变型和推导还应当被包括在本公开的范围内，只要三维结构中存在相对应的二维横截面即可。
虽然本说明书包含许多细节，但这些细节不应当被解释为限制，而是作为对特定于具体实施例的特征的描述。在本说明书中在单独实施例的背景下描述的某些特征还可以组合地实施在单个实施例中。相反，在单个实施例的背景下描述的各种特征也可以单独地或者按照任何合适的子组合实施在多个实施例中。此外，虽然上文可能将特征描述为以某些组合来起作用并且最初甚至同样地对该特征进行了要求，但是在一些情况下可以从组合中删除来自所要求的组合的一个或多个特征。并且所要求的组合可以指向子组合或者子组合的变化。
同样，虽然在附图中按照特定顺序示出了操作，但是不应当将其理解为需要按照所示的特定顺序或者按照相继的顺序来进行这种操作，或者需要进行所有图示的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可以是有利的。此外，不应当将在上述实施例中的各种系统部件的分离理解为在所有实施方式中需要这种分离，并且应当理解的是，所描述的程序部件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。
因此，已经对各种实施例进行了描述。其它实施例在以下权利要求书的范围内。例如，在权利要求书中叙述的动作可以按照不同的顺序来进行并且仍然可以实现期望的结果。
以下是权利要求书。

Claims (11)

1.一种光学传感器，包括：
第一材料层，所述第一材料层至少包括第一材料，所述第一材料是硅；
第二材料层，所述第二材料层至少包括与所述第一材料不同的第二材料，其中，所述第二材料是锗；以及
梯度材料层，所述梯度材料层被布置在所述第一材料层与所述第二材料层之间，所述梯度材料层包括至少所述第一材料和所述第二材料的合金，所述合金具有所述第二材料的沿着从所述第一材料到所述第二材料的方向变化的组分，且所述梯度材料层是梯度p-型掺杂或梯度n-型掺杂的。
2.根据权利要求1所述的光学传感器，其中，所述梯度材料的锗的组分沿着从所述第一材料到所述第二材料的方向增加。
3.根据权利要求1所述的光学传感器，
其中，所述第一材料层包括具有第一锗组分的锗和硅的合金，
其中，所述第二材料层包括具有第二锗组分的锗和硅的合金，
其中，所述第一锗组分低于所述第二锗组分，以及
其中，所述梯度材料层的所述锗组分处于所述第一锗组分与所述第二锗组分之间。
4.根据权利要求1所述的光学传感器，其中，所述第一材料层和所述第二材料层是掺杂的。
5.根据权利要求1所述的光学传感器，所述光学传感器进一步包括：
衬底；以及
电路系统，所述电路系统被布置在所述衬底上方，
其中，所述第二材料层被布置在所述电路系统上方，以及
其中，所述第一材料层被布置在所述第二材料层上方。
6.根据权利要求5所述的光学传感器，进一步包括：在所述第一材料层上方的滤光器和透镜。
7.根据权利要求1所述的光学传感器，其中，所述梯度材料层为磷掺杂，且所述梯度掺杂沿着从所述第一材料到所述第二材料的方向增加。
8.一种用于制造光学传感器的方法，所述方法包括：
在衬底上方形成第一材料层，所述第一材料层至少包括第一材料；
在所述第一材料层上方形成梯度材料层，所述梯度材料层包括至少所述第一材料和第二材料的合金，所述合金具有所述第二材料的沿着与所述衬底垂直的方向变化的组分，且所述梯度材料层是梯度p-型掺杂或梯度n-型掺杂的；以及
在所述梯度材料上方形成第二材料层，所述第二材料层至少包括与所述第一材料不同的所述第二材料，其中，所述第一材料是硅，所述第二材料是锗。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：在所述第二材料层上方形成电路系统。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
在形成所述第一材料层之前，在所述衬底上形成隔离层；
将在所述衬底上形成的顶层结合至在载体衬底上形成的电路系统；以及
去除所述衬底和所述隔离层。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：所述第一材料层上方形成滤光器和透镜。
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