CN108575098B - 集成光电检测器 - Google Patents

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Abstract

在所描述的示例中，集成电路(100)包括基板(102)、光电二极管(110)和菲涅耳结构(120)。光电二极管(110)形成在基板(102)上，并且光电二极管(110)具有p‑n结(116)。菲涅耳结构(120)形成在光电二极管(110)上方，并且菲涅耳结构(120)限定定位在p‑n结(116)的附近区域内的聚焦区(122)。一方面，菲涅耳结构(120)可以包括充当衍射装置的沟槽图案(132、134、136、138)以用于将入射光子重定向并且集中到聚焦区(124)。另一方面，菲涅耳结构(120)可以包括充当衍射装置的布线图案以用于将入射光子重定向并且集中到聚焦区(122)。又一方面，菲涅耳结构(120)可以包括充当折射装置的透明电介质图案以用于将入射光子重定向并且集中到聚焦区(122)。

Description

集成光电检测器
技术领域
本公开涉及用于生产集成光电检测器的系统和技术。
背景技术
光电检测器具有许多工业和商业应用。例如，光电检测器可以被配置为近程传感器，该近程传感器被用于各种消费电子产品中以用于感测用户的位置和运动。根据感测范围，近程传感器的应用可以被大致分类成两个类别：短距离近程传感器和远距离近程传感器。例如，短距离近程传感器可以被用在手持设备(诸如智能电话)中以用于激活和停用触摸屏以避免在电话呼叫期间的无意输入。远距离近程传感器可以被用在视频游戏系统(诸如运动传感器)中以用于在忽略背景的同时检测用户的相对运动。
光电检测器可以和其它电路一起制造在集成电路中。光电检测器的性能可以取决于其将入射光子转换成感测信号的能力。会聚透镜(例如，凸透镜)可以被用于聚焦入射光子以增强光电检测器的性能。然而，常规会聚透镜通常太昂贵而不能与光电检测器一起制造在集成电路中。此外，常规会聚透镜的安装可能与集成电路的制造工艺不相容。
发明内容
在所描述的示例中，集成光电检测器可以与光学设备一起制造在集成电路内。光学设备被构造和配置成将入射电磁(EM)波重定向在光电二极管的p-n结的附近区域(proximity)内。由于来自入射EM波的能量被吸收并且被转换成靠近p-n结的电子-空穴对，少数载流子可以更有效地行进以避免复合。这允许集成光电检测器产生具有较高振幅并且因此具有较好分辨率的感测信号。
在一个示例实施方式中，集成电路包括基板、光电二极管和菲涅耳结构。光电二极管形成在基板上，并且该光电二极管具有p-n结。菲涅耳结构形成在光电二极管的上方，并且该菲涅耳结构限定定位在p-n结的附近区域内的聚焦区。根据一方面，菲涅耳结构可以包括充当衍射装置的沟槽图案以用于将入射光子重定向并且集中到聚焦区。根据另一方面，菲涅耳结构可以包括充当衍射装置的布线图案以用于将入射光子重定向并且集中到聚焦区。根据又一方面，菲涅耳结构可以包括充当折射装置的透明电介质图案以用于将入射光子重定向并且集中到聚焦区。
在另一示例实施方式中，集成电路包括基板、光电二极管和衍射结构。光电二极管形成在基板上，并且该光电二极管具有p-n结。衍射结构形成在光电二极管的上方和集成电路的顶表面的下方。衍射结构被定位成将EM波从顶表面引导到p-n结的附近区域内的聚焦区。根据一方面，衍射结构可以包括沟槽图案，该沟槽图案被配置成将入射光子重定向并且集中到聚焦区。根据另一方面，衍射结构可以包括布线图案，该布线图案被配置成将入射光子重定向并且集中到聚焦区。
附图说明
图1A示出根据一方面的示例性集成电路的局部截面图。
图1B示出根据另一方面的示例性集成电路的局部截面图。
图1C示出根据另一方面的示例性集成电路的局部截面图。
图1D示出根据另一方面的示例性集成电路的局部截面图。
图2示出根据一方面的示例性菲涅耳结构的透视图。
图3示出根据一方面的具有圆环形图案的示例性菲涅耳结构的俯视图。
图4示出根据一方面的具有八边形环形图案的示例性菲涅耳结构的俯视图。
图5示出根据一方面的具有矩形环形图案的示例性菲涅耳结构的俯视图。
图6示出根据一方面的具有线性图案的示例性菲涅耳结构的俯视图。
图7示出根据一方面的示例性光电检测器电路的示意图。
具体实施例
各个附图中类似的附图标记指示类似的元件。附图并非按比例绘制。
示例实施例包括用于在集成电路内生产低成本且高性能的光电检测器的集成解决方案。
图1A示出根据一方面的示例性集成电路100的局部截面图。集成电路100制造在单个半导体管芯内。集成电路100形成在基板102上。基板102可以为包括半导体材料(诸如硅)的半导体基板。基板102可以掺杂有p型掺杂剂。如图1B所示，一个或多个外延层103可以直接生长在基板102上。
参考图7，集成电路100包括光电检测器电路700，该光电检测器电路700也形成在基板102和/或外延层103上。光电检测器电路700包括光电二极管702、菲涅耳结构704、放大器706和反馈电阻器708。菲涅耳结构704定位在光电二极管702上方，以用于将电磁(EM)波重定向到光电二极管702的p-n结的附近区域。光电二极管702的阳极耦合到接地端子，而光电二极管702的阴极耦合到放大器706的负输入电极712。放大器706可以为在其正输入电极714处被偏置电压(VB)偏置的跨阻放大器。放大器706被配置有负反馈回路，其中反馈电阻器708耦合在放大器706的负输入电极712和输出电极716之间。
光电二极管702以反向偏置模式配置，其中其阴极被调节到比其阳极(例如，VGND)更高的电压(例如，VB)。在反向偏置模式中，光电二极管702不传导任何电流。然而，当接收到足够量的光子时，光电二极管702将使入射光子转换成电子-空穴对。多数载流子将停留在当前区域，而少数载流子将行进穿过p-n结。例如，在光电二极管702的p掺杂区域(即，阳极)处产生的电子将行进到光电二极管702的n掺杂区域(即，阴极)。由于行进的少数载流子，光电二极管702产生感测电流(IS)，该感测电流(IS)立即拉低负输入电极712处的电势。放大器706通过增加输出电极716处的电势来响应。输出电极716处增加的电势经由反馈电阻器708补充在负输入电极712处排出的电荷。以这种方式，光电检测器电路700产生作为感测电流(IS)和反馈电阻器708的反馈电阻(R)的函数的输出电压(例如，VOUT)。菲涅耳结构704允许在靠近光电二极管702的p-n结处接收并且转换更多光子，从而增强感测电流(IS)的振幅。因此，增强的感测电流(IS)提高输出电压(VOUT)的灵敏度。
再次参考图1A，光电二极管110可以形成在基板102中，并且该光电二极管110可以实现如图7中所描述的光电二极管702的功能。光电二极管110包括p掺杂区域112、n掺杂区域114，以及邻接在p掺杂区域112和n掺杂区域之间的p-n结116。p掺杂区域112和n掺杂区域114两者都可以通过注入形成在基板102内或如图1B所示的外延层103内。p掺杂区域112为光电二极管110的阳极的一部分，而n掺杂区域114为光电二极管110的阴极的一部分。虽然图1A示出光电二极管110仅包括一个p掺杂区域112和一个n掺杂区域114，但是光电二极管110可以由多个p掺杂区域和n掺杂区域形成。
在一个示例实施方式中，光电二极管110可以由互补金属氧化物半导体(CMOS)器件(例如，NMOS或PMOS)形成。在另一示例实施方式中，光电二极管110可以由双极结型晶体管(BJT)器件形成。在又一示例实施方式中，光电二极管110可以由绝缘体上硅(SOI)器件形成。根据形成光电二极管110的器件的类型，p-n结116可以为竖直结、水平结或两者的组合。
集成电路100包括顶表面104和与顶表面104相对的底表面105。基板102通常形成底表面105，而一个或多个电介质层106形成顶表面。电介质层106可以为透明的或半透明的，这允许EM波190从顶表面104横穿到光电二极管110。集成电路100在其工艺流程中并入菲涅耳结构120，以用于重定向并且聚焦入射EM波190。菲涅耳结构120可以实现如图7所描述的菲涅耳结构704的功能。菲涅耳结构120定位在顶表面104和光电二极管110的p-n结116之间。虽然图1A至图1C示出菲涅耳结构120定位在光电二极管110上方，但是菲涅耳结构120也可以形成为光电二极管110的一部分。
菲涅耳结构120限定围绕焦点124的聚焦区122，入射EM波被重定向和焦中到该焦点124。焦点124通常位于聚焦区122内。焦点124的位置可以根据EM波190的波长而变化。聚焦区122定位在p-n结116的附近区域内。根据一方面，p-n结116的附近区域为在目标EM波的(一个或多个)波长的量级内的距离。在一个示例实施方式中，p-n结116的附近区域可以在距p-n结116半波长的径向距离内。在另一示例实施方式中，p-n结116的附近区域可以在距p-n结116一个波长的径向距离内。在又一示例实施方式中，p-n结116的附近区域可以在距p-n结116两个波长的径向距离内。
根据另一方面，p-n结116的附近区域可以取决于入射EM波190的穿透力。通常，具有较大波长的EM波较深地穿透到基板102(或如图1B所示的外延层103)中。因此，p-n结116的附近区域还可以为从菲涅耳结构120下降的竖直距离。在一个示例实施方式中，p-n结116的附近区域可以在1μm的竖直距离内，其中入射EM波190包括紫外线波。在另一示例实施方式中，p-n结116的附近区域可以在10μm的竖直距离内，其中入射EM波190包括可见光波。在又一示例实施方式中，p-n结116的附近区域可以在30μm的竖直距离内，其中入射EM波190包括近红外(NIR)波。
菲涅耳结构120包括直接定位在p-n结116的节段上方的中心区域131。菲涅耳结构120还包括从中心区域131向外布置的狭缝阵列。在如图1A至图1C所示的实施方式中，狭缝由蚀刻到基板102(或如图1B所示的外延层103)的表面中的沟槽图案限定。因此，当与常规会聚透镜相比时，制造菲涅耳结构120的成本和复杂性相对低。
沟槽图案用作用于衍射EM波190的衍射结构(例如，衍射光栅)，使得衍射的EM波190集中在聚焦区122内。在一个实施方式中，沟槽图案包括在中心区域131的每侧上的第一沟槽132、第二沟槽134、第三沟槽136和第四沟槽138。第一沟槽132、第二沟槽134、第三沟槽136和第四沟槽138中的每个邻近并且横向围绕中心区域131。此外，第一沟槽132、第二沟槽134、第三沟槽136和第四沟槽138中的每个沿中心区域131对称布置，从而在光电二极管110上方形成一对对称的狭缝。
沟槽图案还包括分隔上述沟槽的壕沟(moat)区域阵列。例如，第一沟槽132和第二沟槽134由第一壕沟区域133分隔开，第二沟槽134和第三沟槽136由第二壕沟区域135分隔开，并且第三沟槽136和第四沟槽138由第三壕沟区域137分隔开。最外面的沟槽(例如，第四沟槽138)被最外面的壕沟区域(例如，第四壕沟区域139)围绕。在一方面，如图1A至图1C所示，中心区域131可以包括中心壕沟区域。并且在另一方面，中心壕沟区域可以进一步限定中心沟槽(未示出)，该中心沟槽可以用作中心狭缝(未示出)。这些壕沟区域(例如，131、133、135、137和139)用作用于阻挡异相EM波190的装置，而由沟槽(例如，132、134、136和138)限定的狭缝用作用于使同相EM波190通过的装置。而且，沟槽和壕沟区域衍射入射EM波190，以在聚焦区122内产生相长干涉。
沟槽(例如，132、134、136和138)可以在浅沟槽隔离工艺期间形成，这是用于制造集成电路100的工艺流程的一部分。壕沟区域(例如，131、133、135、137和139)可以用于形成用于与光电二极管110对接的一个或多个电路。例如，壕沟区域可以用于形成如图7所描述的放大器706。为了将形成在一个壕沟区域(例如，133)上的电路与形成在另一壕沟区域(例如，135)上的另一电路隔离，可以在沟槽(例如，134)中沉积场氧化物材料以分隔这两个壕沟区域。
根据一方面，场氧化物材料可以形成一个或多个折射结构，以用于增强如图1A和图1B所描述的衍射结构的性能。参考图1C，例如，菲涅耳结构120可以进一步包括折射结构，该折射结构被配置为使入射EM波190折射以集中在聚焦区122内。在一个实施方式中，折射结构包括图案化的透明电介质(TD)块，诸如第一TD块142、第二TD块144、第三TD块146和第四TD块148。第一TD块142、第二TD块144、第三TD块146和第四TD块148分别沉积到第一沟槽132、第二沟槽134、第三沟槽136和第四沟槽138中，并且从而占据第一沟槽132、第二沟槽134、第三沟槽136和第四沟槽138。因此，第一TD块142、第二TD块144、第三TD块146和第四TD块148中的每个邻近并且横向围绕中心区域131。此外，第一TD块142、第二TD块144、第三TD块146和第四TD块148中的每个沿中心区域131对称布置，从而在光电二极管110上方形成一对对称的狭缝。
透明电介质材料可以为透明氧化物材料，诸如氧化硅，或在集成电路100的制造工艺期间使用的任何其它透明电介质材料。在一个实施方式中，第一TD块142、第二TD块144、第三TD块146和第四TD块148中的每个可以具有相对平坦的顶表面，该顶表面与基板102(或如图1B所示的外延层103)的顶表面基本上共面。在另一实施方式中，第一TD块142、第二TD块144、第三TD块146和第四TD块148中的每个可以具有远离中心区域131而略微倾斜的顶表面，以增强折射结构的总折光力。因此，第一TD块142、第二TD块144、第三TD块146和第四TD块148中的每个可以具有较靠近中心区域131的近侧壁和较远离中心区域131的远侧壁。近侧壁可以沉积有更透明的电介质材料，使得近侧壁通常高于相应的远侧壁。
图1A至图1C示出菲涅耳结构120可以形成在基板102上或基板102上方的外延层103上。根据附加方面，菲涅耳结构还可以形成在一个或多个导电布线层上，这些导电布线层定位在基板(例如，102)和外延层(例如，103)上方。参考图1D，例如，菲涅耳结构160可以形成在基板102上方的一个或多个导电布线层中。布线层可以包括但不限于形成在壕沟区域(例如，如图1A至图1C所示的121、133、135、137和139)上的多晶硅层和/或形成在电介质层(例如，106)上的互连金属层。类似于菲涅耳结构120，菲涅耳结构160被配置成重定向并且聚焦入射EM波190，并且菲涅耳结构160还可以实现如图7中所描述的菲涅耳结构704的功能。
菲涅耳结构160定位在集成电路100的顶表面104和光电二极管110的p-n结116之间。菲涅耳结构160限定围绕焦点164的聚焦区162，入射EM波被重定向到该焦点164。焦点164的位置可以根据EM波的波长而变化。无论如何，焦点164通常位于聚焦区162内。因为菲涅耳结构160被定位成比菲涅耳结构120更远离光电二极管110，所以菲涅耳结构160的焦距166通常大于菲涅耳结构120的焦距126(参见例如图1A)。聚焦区162定位在p-n结116的附近区域内。根据一方面，p-n结116的附近区域为在目标EM波的(一个或多个)波长的量级内的距离。在一个示例实施方式中，p-n结116的附近区域可以在距p-n结116半波长的径向距离内。在另一示例实施方式中，p-n结116的附近区域可以在距p-n结116一个波长的径向距离内。在又一示例实施方式中，p-n结116的附近区域可以在距p-n结116两个波长的径向距离内。
根据另一方面，p-n结116的附近区域可以取决于入射EM波190的穿透力。具有较大波长的EM波190通常较深地穿透到基板102(或如图1B所示的外延层103)中。因此，p-n结116的附近区域还可以为从菲涅耳结构160下降的竖直距离。在一个示例实施方式中，p-n结116的附近区域可以在1μm的竖直距离内，其中目标EM波190包括紫外线波。在另一示例实施方式中，p-n结116的附近区域可以在10μm的竖直距离内，其中目标EM波190包括可见光波。在又一示例实施方式中，p-n结116的附近区域可以在30μm的竖直距离内，其中目标EM波190包括近红外(NIR)波。
菲涅耳结构160包括直接定位在p-n结116的节段上方的中心区域171。菲涅耳结构160还包括从中心区域171向外布置的狭缝阵列(即，162、164、166和168)。在该实施方式中，狭缝由一个或多个互连布线层内的波带板图案限定。因此，当与常规会聚透镜相比时，制造菲涅耳结构160的成本和复杂性相对低。
布线图案用作衍射结构(例如，衍射光栅)，以用于衍射EM波190，使得衍射的EM波190集中在聚焦区162内。布线图案包括波带板阵列以形成衍射光栅。在一个示例实施方式中，布线图案包括处于中心区域171的中心波带板、第一波带板173、第二波带板175、第三波带板177和第四波带板179。这些波带板(例如，171、173、175、177和179)用作用于阻挡异相EM波190的装置。此外，这些波带板(例如，171、173、175、177和179)限定狭缝阵列，该狭缝阵列用作用于使同相EM波190通过的装置。在一个示例实施方式中，波带板光栅限定第一狭缝172、第二狭缝174、第三狭缝176和第四狭缝178。这些狭缝限定在中心区域171的两侧上。第一狭缝172、第二狭缝174、第三狭缝176和第四狭缝178中的每个邻近并且横向围绕中心区域171。此外，第一狭缝172、第二狭缝174、第三狭缝176和第四狭缝178中的每个沿中心区域171对称布置，从而在光电二极管110上方形成一对对称的狭缝。而且，沟槽和壕沟区域衍射入射EM波190，以在聚焦区162内产生相长干涉。
波带板(例如，171、173、175、177和179)和狭缝(例如，172、174、176和178)可以在一个或多个布线沉积工艺(例如，多晶硅沉积和/或金属沉积)期间形成。因此，波带板和狭缝的形成可以在集成电路100的制造工艺流程内实现。在波带板(例如，171、173、175、177和179)形成在多晶硅布线层中的实施方式中，波带板可以直接定位在壕沟区域(例如，如图1A至图1C所示的131、133、135、137和139)上或上方。因此，波带板中的每个可以与特定的壕沟区域对齐并且重叠，以增加每个狭缝的竖直尺寸。在此特定实施方式中，菲涅耳结构120与菲涅耳结构160组合以形成狭缝阵列，狭缝中的每个包括由对应的沟槽(例如，132、134、136或138)和一对波带板(例如，171、173、175、177和/或179)限定的一对细长侧壁。
波带板(例如，171、173、175、177和179)也可以形成在多晶硅布线层上方的金属布线层中。在包括菲涅耳结构120的实施方式中，波带板可以定位在光电二极管110上方，而不阻挡来自菲涅耳结构120的入射EM波190。在此特定实施方式中，与沟槽(例如，132、134、136或138)自中心区域131进行布置相比，波带板(例如，171、173、175、177和179)被布置得更远离中心区域171，以便使沟槽上方的竖直区域基本上无阻碍。替代地，在不包括菲涅耳结构120的实施方式中，波带板(例如，171、173、175、177和179)可以定位成较靠近中心区域171。例如，波带板(例如，171、173、175、177和179)可以直接定位在原本应该形成壕沟区域(例如，131、133、135、137和139)(如果包括的话)的位置的上方。
图2示出根据一方面的示例性菲涅耳结构200的透视图。菲涅耳结构200用作菲涅耳结构120和菲涅耳结构160的模型。例如，菲涅耳结构200有助于示出菲涅耳结构120和菲涅耳结构160的光栅图案的相应尺寸。菲涅耳结构200包括对称布置的条形图案，该条形图案限定对称布置的狭缝图案。条形图案包括中心条BC、一对第一侧条B1、一对第二侧条B2和一对第三侧条B3。狭缝图案包括一对第一狭缝S1、一对第二狭缝S2和一对第三狭缝S3。
条形图案用作菲涅耳结构120的壕沟区域(例如，131、133、135和137)的模型，并且用作菲涅耳结构160的波带板(例如，171、173、175和177)的模型。类似地，狭缝图案用作菲涅耳结构120的沟槽(例如，132、134和136)的模型，并且用作菲涅耳结构160的狭缝(例如，172、174和176)的模型。因此，如图2所示的径向距离(r1、r2、r3和r4)对应于如图1A至图1C所示的径向距离(r1、r2、r3和r4)。此外，如图1A至图1C所示的沟槽宽度(例如，W1和W2)由图2中的狭缝(例如，S1和S2)建模，而如图1D所示的板宽度(例如，WP1、WP2和WP3)由条(例如，BC、B1和B2)建模。此外，焦距(f)表示菲涅耳结构120的焦距126和菲涅耳结构160的焦距166的模型。
条和狭缝的相应宽度可以表达为径向距离的函数。例如，中心条BC的宽度由第一径向距离r1的两倍限定。又例如，第一狭缝S1的宽度由第二径向距离r2和第一径向距离r1之间的差值限定。再例如，第一侧条B1的宽度由第三径向距离r3和第二径向距离r2之间的差值限定。并且类似地，第二狭缝S2的宽度由第四径向距离r4和第三径向距离r3之间的差值限定。由此，可以导出第n侧条Bn的宽度由第(2n+1)径向距离r(2n+1)和第2n径向距离r(2n)之间的差值限定，而第n狭缝Sn的宽度由第(2n)径向距离r(2n)和第(2n-1)径向距离r(2n-1)之间的差值限定。
为了在聚焦区(例如，聚焦区122或聚焦区162)内实现相长干涉，衍射距离(例如，dn)和焦距(f)可以以半波长(即，λ/2)的量级分隔开。因此，第n衍射距离(dn)可以由下列等式(1)表达：
Figure BDA0001743437460000091
此外，第一衍射距离(d1)可以通过整数乘数1与第一径向距离(r1)相关联。第一衍射距离(d1)和第一径向距离(r1)可以结合焦距(f)以形成第一直角三角形。在此三角原理下，第n衍射距离(dn)可以通过整数乘数n与第n径向距离(rn)相关联以与焦距(f)一起形成第n直角三角形。为了求解特定的径向距离rn，可以应用如下列等式(2.1)和(2.2)所表达的毕达哥拉斯定理(Pythagoras Theorem)：
Figure BDA0001743437460000092
Figure BDA0001743437460000093
假设入射EM波190的波长(λ)远远小于焦距(f)，则特定的径向距离rn可以由等式(3)近似：
Figure BDA0001743437460000101
因此，第n阶的径向距离可以根据由相应聚焦区(例如，122和162)限定的焦距(f)、与第n阶相关联的整数乘数(n)以及待检测的EM波的波长(λ)确定。因为聚焦区(例如，122)位于光电二极管(例如，110)的p-n结(例如，116)的附近区域内，所以可以根据一个或多个方面通过将光电二极管与菲涅耳结构(例如，120和/或160)集成来减少少数载流子的扩散距离。并且因为扩散距离决定光电检测器(例如，700)的频率响应，所以菲涅耳结构(例如，120和/或160)可以显著增强光电检测器的性能。在一个示例实施方式中，通过并入菲涅耳结构(例如，120和/或160)可以将光电检测器的频率响应从100kHz提高到10MHz。
如上所述的集成菲涅耳结构(例如，120和160)可以采用各种平面图案。例如，图3至图6示出这些平面图案中的几个，每个平面图案可以被采用以形成如图1A至图1D所示的菲涅耳结构的截面配置。
图3示出根据一方面的具有圆环形图案300的示例性菲涅耳结构的俯视图。圆环形图案300平行于集成电路基板(例如，102)的顶表面。圆环形图案300包括：圆形中心板331，该圆形中心板331与菲涅耳结构的中心区域(例如，131和171)重叠；第一圆环形板331，该第一圆环形板331围绕圆形中心板331；第二圆环形板333，该第二圆环形板333与第一圆环形板331同心；第三圆环形板335，该第三圆环形板335与第二圆环形板333同心；第四圆环形板337，该第四圆环形板337与第三圆环形板335同心；以及第五圆环形板339，该第五圆环形板339与第四圆环形板337同心。
而且，圆形中心板331和圆环形板333、335、337和339限定若干圆环形狭缝，包括：第一圆环形狭缝332，该第一圆环形狭缝332限定在圆形中心板331和第一圆环形板333之间；第二圆环形狭缝334，该第二圆环形狭缝334限定在第二圆环形板333和第二圆环形板335之间；第三圆环形狭缝336，该第三圆环形狭缝336限定在第三圆环形板335和第四圆环形板337之间；以及第四圆环形狭缝338，该第四圆环形狭缝338限定在第四圆环形板337和第五圆环形板339之间。
根据一方面，圆环形图案300的截面A可以被视为如图1A至图1C所示和所述的菲涅耳结构120的截面图。因此，圆环形狭缝332、334、336和338可以分别对应于沟槽132、134、136和138。为此，沟槽132、134、136和138中的每个是采用圆环形图案300的平面配置的圆环形沟槽。此外，圆环形板333、335、337和339可以分别对应于壕沟区域133、135、137和139。为此，壕沟区域133、135、137和139中的每个是采用圆环形图案300的平面配置的圆形壕沟环。
根据另一方面，圆环形图案300的截面A可以被视为如图1D所示和所述的菲涅耳结构160的截面图。因此，圆环形狭缝332、334、336和338可以分别对应于狭缝172、174、176和178。为此，狭缝172、174、176和178中的每个是采用圆环形图案300的平面配置的圆环形狭缝。此外，圆环形板333、335、337和339可以分别对应于波带板173、175、177和179。为此，波带板173、175、177和179中的每个是采用圆环形图案300的平面配置的圆环形板。
图4示出根据一方面的具有八边形环形图案400的示例性菲涅耳结构的俯视图。八边形环形图案400平行于集成电路基板(例如，102)的顶表面。八边形环形图案400包括：八边形中心板431，该八边形中心板431与菲涅耳结构的中心区域(例如，131和171)重叠；第一八边形环形板431，该第一八边形环形板431围绕八边形中心板431；第二八边形环形板433，该第二八边形环形板433与第一八边形环形板431同心；第三八边形环形板435，该第三八边形环形板435与第二八边形环形板433同心；第四八边形环形板437，该第四八边形环形板437与第三八边形环形板435同心；第五八边形环形板439，该第五八边形环形板439与第四八边形环形板437同心。
而且，八边形中心板431和八边形环形板433、435、437和439限定若干八边形环形狭缝，包括：第一八边形环形狭缝432，该第一八边形环形狭缝432限定在八边形中心板431和第一八边形环形板433之间；第二八边形环形狭缝434，该第二八边形环形狭缝434限定在第二八边形环形板433和第二八边形环形板435之间；第三八边形环形狭缝436，该第三八边形环形狭缝436限定在第三八边形环形板435和第四八边形环形板437之间；以及第四八边形环形狭缝438，该第四八边形环形狭缝438限定在第四八边形环形板437和第五八边形环形板439之间。
根据一方面，八边形环形图案400的截面A可以被视为如图1A至图1C中所示和所述的菲涅耳结构120的截面图。因此，八边形环形狭缝432、434、436和438可以分别对应于沟槽132、134、136和138。为此，沟槽132、134、136和138中的每个是采用八边形环形图案400的平面配置的八边形环形沟槽。此外，八边形环形板433、435、437和439可以分别对应于壕沟区域143、135、137和139。为此，壕沟区域143、135、137和139中的每个是采用八边形环形图案400的平面配置的八边形壕沟环。
根据另一方面，八边形环形图案400的截面A可以被视为如图1D中所示和所述的菲涅耳结构160的截面图。因此，八边形环形狭缝432、434、436和438可以分别对应于狭缝172、174、176和178。为此，狭缝172、174、176和178中的每个是采用八边形环形图案400的平面配置的八边形环形狭缝。此外，八边形环形板433、435、437和439可以分别对应于波带板173、175、177和179。为此，波带板173、175、177和179中的每个是采用八边形环形图案400的平面配置的八边形环形板。
图5示出根据一方面的具有矩形环形图案500的示例性菲涅耳结构的俯视图。矩形环形图案500平行于集成电路基板(例如，102)的顶表面。矩形环形图案500包括：矩形中心板531，该矩形中心板531与菲涅耳结构的中心区域(例如，131和171)重叠；第一矩形环形板531，该第一矩形环形板531围绕矩形中心板531；第二矩形环形板533，该第二矩形环形板533与第一矩形环形板531同心；第三矩形环形板535，该第三矩形环形板535与第二矩形环形板533同心；第四矩形环形板537，该第四矩形环形板537与第三矩形环形板535同心；以及第五矩形环形板539，该第五矩形环形板539与第四矩形环形板537同心。
而且，矩形中心板531和矩形环形板533、535、537和539限定若干矩形环形狭缝，包括：第一矩形环形狭缝532，该第一矩形环形狭缝532限定在矩形中心板531和第一矩形环形板533之间；第二矩形环形狭缝534，该第二矩形环形狭缝534限定在第二矩形环形板533和第二矩形环形板535之间；第三矩形环形狭缝536，该第三矩形环形狭缝536限定在第三矩形环形板535和第四矩形环形板537之间；以及第四矩形环形狭缝538，该第四矩形环形狭缝538限定在第四矩形环形板537和第五矩形环形板539之间。
根据一方面，矩形环形图案500的截面A可以被视为如图1A至图1C中所示和所述的菲涅耳结构120的截面图。因此，矩形环形狭缝532、534、536和538可以分别对应于沟槽132、134、136和138。为此，沟槽132、134、136和138中的每个是采用矩形环形图案500的平面配置的矩形环形沟槽。此外，矩形环形板533、535、537和539可以分别对应于壕沟区域153、135、137和139。为此，壕沟区域153、135、137和139中的每个是采用矩形环形图案500的平面配置的矩形壕沟环。
根据另一方面，矩形环形图案500的截面A可以被视为如图1D中所示和所述的菲涅耳结构160的截面图。因此，矩形环形狭缝532、534、536和538可以分别对应于狭缝172、174、176和178。为此，狭缝172、174、176和178中的每个是采用矩形环形图案500的平面配置的矩形环形狭缝。此外，矩形环形板533、535、537和539可以分别对应于波带板173、175、177和179。为此，波带板173、175、177和179中的每个是采用矩形环形图案500的平面配置的矩形环形板。
图6示出根据一方面的具有线性图案600的示例性菲涅耳结构的俯视图。线性图案600平行于集成电路基板(例如，102)的顶表面。线性图案600包括：矩形中心板631，该矩形中心板631与菲涅耳结构的中心区域(例如，131和171)重叠；第一矩形条形板631，该第一矩形条形板631围绕矩形中心板631；第二矩形条形板633，该第二矩形条形板633与第一矩形条形板631同心；第三矩形条形板635，该第三矩形条形板635与第二矩形条形板633同心；第四矩形条形板637，该第四矩形条形板637与第三矩形条形板635同心；以及第五矩形条形板639，该第五矩形条形板639与第四矩形条形板637同心。
而且，矩形中心板631和矩形条形板633、635、637和639限定若干矩形条形狭缝，包括：第一矩形条形狭缝632，该第一矩形条形狭缝632限定在矩形中心板631和第一矩形条形板633之间；第二矩形条形狭缝634，该第二矩形条形狭缝634限定在第二矩形条形板633和第二矩形条形板635之间；第三矩形条形狭缝636，该第三矩形条形狭缝636限定在第三矩形条形板635和第四矩形条形板637之间；以及第四矩形条形狭缝638，该第四矩形条形狭缝638限定在第四矩形条形板637和第五矩形条形板639之间。
根据一方面，线性图案600的截面A可以被视为如图1A至图1C中所示和所述的菲涅耳结构120的截面图。因此，矩形条形狭缝632、634、636和638可以分别对应于沟槽132、134、136和138。为此，沟槽132、134、136和138中的每个是采用矩形条形图案600的平面配置的矩形条形沟槽。此外，矩形条形板633、635、637和639可以分别对应于壕沟区域163、135、137和139。为此，壕沟区域163、135、137和139中的每个是采用矩形条形图案600的平面配置的矩形壕沟条。
根据另一方面，线性图案600的截面A可以被视为如图1D中所示和所述的菲涅耳结构160的截面图。因此，矩形条形狭缝632、634、636和638可以分别对应于狭缝172、174、176和178。为此，狭缝172、174、176和178中的每个是采用矩形条形图案600的平面配置的矩形条形狭缝。此外，矩形条形板633、635、637和639可以分别对应于波带板173、175、177和179。为此，波带板173、175、177和179中的每个是采用矩形条形图案600的平面配置的矩形条形板。
在本说明书中，术语“被配置成”描述一个或多个有形非暂时性部件的结构特性和功能特性。例如，术语“被配置成”可以包括被设计成或专用于执行某种功能的特定配置。因此，如果设备包括可以被启用、激活或供电以执行某种功能的有形非暂时性部件，则该设备“被配置成”执行该某种功能。另外，例如，当用于描述设备时，术语“被配置成”不要求设备在任何给定的时间点可配置。
关于由本文上面描述的部件(例如，元件、资源)执行的各种功能，除非另有指示，否则用于描述此类部件的术语旨在对应于执行所描述部件的指定功能(例如，在功能上等同)的任何部件，即使在结构上不等同于所描述的结构。特定特征可以仅关于若干实施方式中的一个来描述，但是此类特征可以与其它实施方式的一个或多个其它特征组合。
本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征还可以在单个实施例中组合实现。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以合适的子组合来实现。
在权利要求的范围内，所描述的实施例中的修改是可能的，并且其它实施例是可能的。

Claims (30)

1.一种集成电路，包括：
基板；
光电二极管，所述光电二极管形成在所述基板的底表面上方，所述光电二极管具有p-n结；以及
菲涅耳结构，所述菲涅耳结构形成在所述光电二极管上方，所述菲涅耳结构限定定位在所述p-n结的附近区域内的聚焦区，其中所述菲涅耳结构包括形成在所述光电二极管上方的沟槽图案，所述沟槽图案包括：
第一沟槽，所述第一沟槽被定位成以第一径向距离与所述菲涅耳结构的中心区域相邻，所述第一沟槽被蚀刻到所述基板的顶表面中；以及
第二沟槽，所述第二沟槽被定位成以第三径向距离与所述菲涅耳结构的所述中心区域相邻，所述第二沟槽被蚀刻到所述基板的所述顶表面中。
2.根据权利要求1所述的集成电路，其中：
所述第一沟槽具有第一沟槽宽度，所述第一沟槽宽度基于第二径向距离和所述第一径向距离之间的第一差值；以及
所述第二沟槽具有第二沟槽宽度，所述第二沟槽宽度基于第四径向距离和所述第三径向距离之间的第二差值。
3.根据权利要求2所述的集成电路，其中：
所述第一径向距离基于由所述聚焦区限定的焦距、第一乘数，以及待由所述光电二极管检测的电磁波即EM波的波长；
所述第二径向距离基于所述焦距、大于所述第一乘数的第二乘数，以及待由所述光电二极管检测的所述EM波的所述波长；
所述第三径向距离基于所述焦距、大于所述第二乘数的第三乘数，以及待由所述光电二极管检测的所述EM波的所述波长；并且
所述第四径向距离基于所述焦距、大于所述第三乘数的第四乘数，以及待由所述光电二极管检测的所述EM波的所述波长。
4.根据权利要求1所述的集成电路，其中：
所述第一沟槽包括平行于所述基板的顶表面并且横向围绕所述菲涅耳结构的所述中心区域的第一环形沟槽；并且
所述第二沟槽包括平行于所述基板的所述顶表面并且横向围绕所述第一环形沟槽的第二环形沟槽。
5.根据权利要求4所述的集成电路，其中：
所述第一环形沟槽包括第一圆环形沟槽，所述第一圆环形沟槽具有与所述菲涅耳结构的所述中心区域重叠的中心；并且
所述第二环形沟槽包括与所述第一圆环形沟槽同心的第二圆环形沟槽。
6.根据权利要求4所述的集成电路，其中：
所述第一环形沟槽包括第一八边形环形沟槽，所述第一八边形环形沟槽具有与所述菲涅耳结构的所述中心区域重叠的中心；并且
所述第二环形沟槽包括与所述第一八边形环形沟槽同心的第二八边形环形沟槽。
7.根据权利要求4所述的集成电路，其中：
所述第一环形沟槽包括第一矩形环形沟槽，所述第一矩形环形沟槽具有与所述菲涅耳结构的所述中心区域重叠的中心；并且
所述第二环形沟槽包括与所述第一矩形环形沟槽同心的第二矩形环形沟槽。
8.根据权利要求1所述的集成电路，其中：
所述第一沟槽包括放置在所述菲涅耳结构的所述中心区域的相对侧上的第一对平行沟槽；并且
所述第二沟槽包括包围所述第一对平行沟槽的第二对平行沟槽。
9.根据权利要求1所述的集成电路，还包括：
沉积在所述第一沟槽内的第一透明电介质结构；以及
沉积在所述第二沟槽内的第二透明电介质结构。
10.根据权利要求9所述的集成电路，其中所述第一透明电介质结构和所述第二透明电介质结构中的至少一个包括远离所述中心区域而略微倾斜的顶表面。
11.根据权利要求2所述的集成电路，其中所述菲涅耳结构包括形成在所述光电二极管上方的布线图案，所述布线图案包括：
第一波带板，所述第一波带板形成在所述基板上方的布线层中，所述第一波带板被定位成以第一径向距离与所述菲涅耳结构的中心区域相邻，所述第一波带板具有第一宽度，所述第一宽度基于第二径向距离和所述第一径向距离之间的第一差值；以及
第二波带板，所述第二波带板形成在所述布线层中并且被定位成以第三径向距离与所述菲涅耳结构的所述中心区域相邻，所述第二波带板具有第二宽度，所述第二宽度基于第四径向距离和所述第三径向距离之间的第二差值。
12.根据权利要求11所述的集成电路，其中所述布线层包括形成在所述基板上方的电介质层上的多晶硅层。
13.根据权利要求11所述的集成电路，其中所述布线层包括形成在所述基板上方的电介质层上的金属层。
14.根据权利要求11所述的集成电路，其中：
所述第一径向距离基于由所述聚焦区限定的焦距、第一乘数，以及待由所述光电二极管检测的电磁波即EM波的波长；所述第二径向距离基于所述焦距、大于所述第一乘数的第二乘数，以及待由所述光电二极管检测的所述EM波的所述波长；
所述第三径向距离基于所述焦距、大于所述第二乘数的第三乘数，以及待由所述光电二极管检测的所述EM波的所述波长；并且所述第四径向距离基于所述焦距、大于所述第三乘数的第四乘数，以及待由所述光电二极管检测的所述EM波的所述波长。
15.根据权利要求11所述的集成电路，其中：
所述第一波带板包括平行于所述基板的顶表面并且横向围绕所述菲涅耳结构的所述中心区域的第一环形板；并且
所述第二波带板包括平行于所述基板的所述顶表面并且横向围绕所述第一环形板的第二环形板。
16.根据权利要求15所述的集成电路，其中：
所述第一环形板包括第一圆环形板，所述第一圆环形板具有与所述菲涅耳结构的所述中心区域重叠的中心；并且
所述第二环形板包括与所述第一圆环形板同心的第二圆环形板。
17.根据权利要求15所述的集成电路，其中：
所述第一环形板包括第一八边形环形板，所述第一八边形环形板具有与所述菲涅耳结构的所述中心区域重叠的中心；并且
所述第二环形板包括与所述第一八边形环形板同心的第二八边形环形板。
18.根据权利要求15所述的集成电路，其中：
所述第一环形板包括第一矩形环形板，所述第一矩形环形板具有与所述菲涅耳结构的所述中心区域重叠的中心；并且
所述第二环形板包括与所述第一矩形环形板同心的第二矩形环形板。
19.根据权利要求15所述的集成电路，其中：
所述第一波带板包括放置在所述菲涅耳结构的所述中心区域的相对侧上的第一对平行板；并且
所述第二波带板包括包围所述第一对平行板的第二对平行板。
20.一种集成电路，其包括：
基板；
顶表面，所述顶表面定位在所述基板上方；
外延层，所述外延层生长在所述基板上方和所述顶表面下方；
光电二极管，所述光电二极管形成在所述外延层中，所述光电二极管具有p-n结；以及
衍射结构，所述衍射结构形成在所述光电二极管的上方和所述顶表面的下方，所述衍射结构被定位成将电磁波即EM波从所述顶表面引导到所述p-n结的附近区域内的聚焦区，其中所述衍射结构限定定位在所述光电二极管上方的狭缝图案，所述狭缝图案包括：
第一狭缝，所述第一狭缝被定位成以第一径向距离与所述衍射结构的中心区域相邻，所述第一狭缝由蚀刻到所述外延层的顶表面中的第一沟槽限定，以及
第二狭缝，所述第二狭缝被定位成以第三径向距离与所述衍射结构的所述中心区域相邻，所述第二狭缝由蚀刻到所述外延层的所述顶表面中的第二沟槽限定。
21.根据权利要求20所述的集成电路，其中所述第一狭缝具有第一狭缝宽度，所述第一狭缝宽度基于第二径向距离和所述第一径向距离之间的第一差值；并且所述第二狭缝具有第二狭缝宽度，所述第二狭缝宽度基于第四径向距离和所述第三径向距离之间的第二差值。
22.根据权利要求21所述的集成电路，其中：
所述第一径向距离基于由所述聚焦区限定的焦距、第一乘数，以及所述EM波的波长；
所述第二径向距离基于所述焦距、大于所述第一乘数的第二乘数，以及所述EM波的所述波长；
所述第三径向距离基于所述焦距、大于所述第二乘数的第三乘数，以及所述EM波的所述波长；并且
所述第四径向距离基于所述焦距、大于所述第三乘数的第四乘数，以及所述EM波的所述波长。
23.根据权利要求20所述的集成电路，还包括：
沉积在所述第一沟槽内的第一透明电介质结构；以及
沉积在所述第二沟槽内的第二透明电介质结构，其中所述第一透明电介质结构和所述第二透明电介质结构中的至少一个包括远离所述中心区域而略微倾斜的顶表面。
24.根据权利要求21所述的集成电路，其中：
所述第一狭缝包括平行于所述顶表面并且横向围绕所述衍射结构的所述中心区域的第一环形狭缝；并且
所述第二狭缝包括平行于所述顶表面并且横向围绕所述第一环形狭缝的第二环形狭缝。
25.根据权利要求24所述的集成电路，其中：
所述第一环形狭缝包括第一圆环形狭缝，所述第一圆环形狭缝具有与所述衍射结构的所述中心区域重叠的中心；并且
所述第二环形狭缝包括与所述第一圆环形狭缝同心的第二圆环形狭缝。
26.根据权利要求24所述的集成电路，其中：
所述第一环形狭缝包括第一八边形环形狭缝，所述第一八边形环形狭缝具有与所述衍射结构的所述中心区域重叠的中心；并且
所述第二环形狭缝包括与所述第一八边形环形狭缝同心的第二八边形环形狭缝。
27.根据权利要求24所述的集成电路，其中：
所述第一环形狭缝包括第一矩形环形狭缝，所述第一矩形环形狭缝具有与所述衍射结构的所述中心区域重叠的中心；并且
所述第二环形狭缝包括与所述第一矩形环形狭缝同心的第二矩形环形狭缝。
28.根据权利要求21所述的集成电路，其中：
所述第一狭缝包括放置在所述衍射结构的所述中心区域的相对侧上的第一对平行狭缝；并且
所述第二狭缝包括包围所述第一对平行狭缝的第二对平行狭缝。
29.根据权利要求20所述的集成电路，其中所述衍射结构包括被蚀刻到生长在所述基板上方的顶部外延层中的浅沟槽。
30.根据权利要求20所述的集成电路，其中所述衍射结构包括形成在互连层中的线栅。
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