CN110870070B - 高速光感测设备ii - Google Patents

Abstract

一种光学设备，包含：半导体基板；由所述半导体基板支撑的第一光吸收区，所述第一光吸收区包含锗并被配置成吸收光子并从所吸收的光子生成光载流子；第一层，由所述第一光吸收区和所述半导体基板的至少一部分支撑，所述第一层不同于所述第一光吸收区；由第一控制信号控制的一个或多个第一开关，所述一个或多个第一开关被配置成基于所述第一控制信号收集光载流子的至少一部分；以及由第二控制信号控制的一个或多个第二开关，所述一个或多个第二开关被配置成基于所述第二控制信号收集光载流子的至少一部分，其中，所述第二控制信号不同于所述第一控制信号。

Description

高速光感测设备II

交叉申请的相关引用

本申请要求2017年2月28日提交的美国临时专利申请号62/465,139；2017年3月31日提交的美国临时专利申请号62/479,322；2017年5月10日提交的美国临时专利申请号62/504,531；2017年4月13日提交的美国临时专利申请号62/485,003；2017年5月27日提交的美国临时专利申请号62/511,977；2017年7月18日提交的美国临时专利申请号62/534,179；2017年9月21日提交的美国临时专利申请号62/561,266；2018年1月3日提交的美国临时专利申请号62/613,054；和2018年1月15日提交的美国临时专利申请号62/617,317的权益，所有这些都通过引用整体并入于此。

技术领域

本申请涉及利用光探测器来探测光。

背景技术

在自由空间或者光学介质中传播的光，耦合到将光信号转换为电信号用于处理的光探测器。

发明内容

根据本发明所描述的目标的创新性方面，三维对象所反射的光可以由成像系统的光探测器进行探测。此光探测器能将探测到的光转换为电荷。每个光探测器可包含收集电荷的两组开关。可依时序切换两组开关所控制的电荷收集过程，使得成像系统可以确认感测的光的相位信息。成像系统可以用相位信息来分析与三维对象关联的特性，包含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相关联的特性：眼睛追踪、体态辨识、三维对象扫描/影片录制、动作追踪和/或扩增/虚拟现实应用。

一般来说，本发明所描述的目标的创新性方面可以实现在光学设备中；所述光学设备包含：半导体基板；锗硅层，所述锗硅层耦合至半导体基板，锗硅层包含光探测器区，其被配置成吸收光子并从所吸收的光子生成光载流子；一个或多个第一开关，由第一控制信号控制，所述一个或多个第一开关被配置成基于第一控制信号收集光载流子的至少一部分；以及一个或多个第二开关，由第二控制信号控制，所述一个或多个第二开关被配置成基于第二控制信号收集光载流子的至少一部分，其中第二控制信号不同于第一控制信号。所述一个或多个第一开关包含位于锗硅层中的第一p掺杂区，第一p掺杂区由第一控制信号控制；及包含在锗硅层中的第一n掺杂区，第一n掺杂区耦合至第一读出集成电路。所述一个或多个第二开关包含在锗硅层中的第二p掺杂区，第二p掺杂区由第二控制信号控制；及包含位于锗硅层中的第二n掺杂区，第二n掺杂区耦合至第二读出集成电路。

此实施方式及其它实施方式可各视情况包含下列特征的一个或多个。锗硅层可包含第三n掺杂区及第四n掺杂区，第一p掺杂区的至少一部分可形成在第三n掺杂区中，而第二p掺杂区的至少一部分可形成在第四n掺杂区中。锗硅层可包含第三n掺杂区，第一p掺杂区的至少一部分及第二p掺杂区的一部分可形成在第三n掺杂区中。半导体基板可包含第三p掺杂区及一个或多个n掺杂区，锗硅层可配置在第三p掺杂区的上方，以及第三p掺杂区可与所述一个或多个n掺杂区电短路。

第一控制信号可以是固定偏置电压，第二控制信号可以是对第一控制信号的固定偏置电压进行偏置的可变偏置电压。锗硅层所吸收的光子可以是从三维目标的表面反射的；由所述一个或多个第一开关所收集的光载流子的部分以及由所述一个或多个第二开关所收集的光载流子的部分可被飞行时间(ToF)系统用来分析三维目标的深度信息或材料组成。

本发明所描述的目标的另一个创新性方面可以实现在光学设备中；所述光学设备包含：半导体基板；吸收层，耦合到半导体基板，吸收层包含光探测器区，光探测器区被配置成吸收光子并从所吸收的光子生成光载流子；一个或多个第一开关，由第一控制信号控制，所述一个或多个第一开关被配置成基于第一控制信号收集光载流子的至少一部分；以及一个或多个第二开关，由第二控制信号控制，所述一个或多个第二开关被配置成基于第二控制信号收集光载流子的至少一部分，第二控制信号不同于第一控制信号。所述一个或多个第一开关包含：第一p掺杂区，其位于半导体基板中并由第一控制信号控制；以及第一n掺杂区，其位于半导体基板中，第一n掺杂区耦合至第一读出集成电路。所述一个或多个第二开关包含：第二p掺杂区，其位于半导体基板中，其中第二p掺杂区由第二控制信号控制；以及第二n掺杂区，其位于半导体基板中，其中，第二n掺杂区耦合至第二读出集成电路。

此实施方式及其它实施方式可各视情况包含下列特征的一个或多个。半导体基板可包含第三n掺杂区及第四n掺杂区，第一p掺杂区的至少一部分可形成在第三n掺杂区中，以及第二p掺杂区的至少一部分可形成在第四n掺杂区中。半导体基板可包含第三n掺杂区，第一p掺杂区的至少一部分及第二p掺杂区的一部分可形成在第三n掺杂区中。半导体基板可包含一个或多个p阱区。

第一控制信号可以是固定偏置电压，第二控制信号可以是对第一控制信号的固定电压偏置的可变偏置电压。吸收区所吸收的光子可以是从三维目标的表面反射的，且由所述一个或多个第一开关所收集的光载流子的部分，以及由所述一个或多个第二开关所收集的光载流子的部分可被飞行时间系统用来分析三维目标的深度信息或材料组成。

本发明所描述的目标的又另一个创新性方面可以实现在光学设备中；所述光学设备包含：半导体基板；吸收层，耦合到半导体基板，吸收层包含光探测器区，光探测器区被配置成吸收光子并从所吸收的光子生成光载流子；一个或多个第一开关，由第一控制信号控制，所述一个或多个第一开关被配置成基于第一控制信号收集光载流子的至少一部分；以及一个或多个第二开关，由第二控制信号控制，所述一个或多个第二开关被配置成基于第二控制信号收集光载流子的至少一部分，第二控制信号不同于第一控制信号。所述一个或多个第一开关包含：多个第一p掺杂区，其位于半导体基板中并且所述多个第一p掺杂区由第一控制信号控制；以及多个第一n掺杂区，其位于半导体基板中，其中所述多个第一n掺杂区耦合至第一读出集成电路。所述一个或多个第二开关包含：多个第二p掺杂区，其位于半导体基板中，其中多个第二p掺杂区由第二控制信号控制；以及多个第二n掺杂区，其位于半导体基板中，其中，多个第二n掺杂区耦合至第二读出集成电路。

此实施方式及其它实施方式可各视情况包含下列特征的一个或多个。半导体基板可包含第三n掺杂区，所述多个第一p掺杂区的至少一部分及所述多个第二p掺杂区的一部分可形成在第三n掺杂区中。所述多个第一p掺杂区及所述多个第二p掺杂区可沿着半导体基板的第一平面呈指叉式排列，所述多个第一n掺杂区及所述多个第二n掺杂区可沿着半导体基板的第二平面呈指叉式排列，第二平面不同于第一平面。所述多个第一p掺杂区中的每个p掺杂区可配置在所述多个第二n掺杂区中对应的n掺杂区的上方，所述多个第二p掺杂区中的每个p掺杂区可配置在所述多个第二n掺杂区中对应的n掺杂区的上方。半导体基板可包含一个或多个p阱区。

第一控制信号可以是固定偏置电压，第二控制信号可以是对第一控制信号的固定电压偏置的可变偏置电压。吸收区所吸收的光子可以是从三维目标的表面反射的；由所述一个或多个第一开关所收集的光载流子的部分以及由所述一个或多个第二开关所收集的光载流子的部分可被飞行时间系统用来分析三维目标的深度信息或材料组成。

本发明所描述的目标的又另一个创新性方面可以实现在飞行时间系统中；所述飞行时间系统包含：光源；以及图像传感器，其包含制作在半导体基板上的多个像素，所述像素中的每个像素包含耦合到半导体基板的锗硅层。锗硅层包含：光探测器区，被配置成吸收光子并从所吸收的光子生成光载流子；一个或多个第一开关，由第一控制信号控制，所述一个或多个第一开关被配置成基于第一控制信号用于收集光载流子的至少一部分；以及一个或多个第二开关，由第二控制信号控制，所述一个或多个第二开关被配置成基于第二控制信号收集光载流子的至少一部分，第二控制信号不同于第一控制信号。

此实施方式及其它实施方式可各视情况包含下列特征的一个或多个。光源被配置成发射光脉冲，所述光脉冲具有低于50％但每光脉冲保持相同能量量的占空比。

本发明所描述的目标的又另一个创新性方面可以实现在光学设备中；所述光学设备包含：半导体基板；锗硅层，耦合到半导体基板，锗硅层包含光探测器区，光探测器区被配置成吸收光子并从所吸收的光子生成光载流子；一个或多个第一开关，由第一控制信号控制，所述一个或多个第一开关被配置成基于第一控制信号收集光载流子的至少一部分；以及一个或多个第二开关，由第二控制信号控制，所述一个或多个第二开关被配置成基于第二控制信号收集光载流子的至少一部分，第二控制信号不同于第一控制信号。所述一个或多个第一开关包含：第一p掺杂区，其位于锗硅中并由第一控制信号控制；以及第一n掺杂区，其位于半导体基板中，第一n掺杂区耦合至第一读出集成电路。所述一个或多个第二开关包含：第二p掺杂区，位于锗硅层中并由第二控制信号控制；以及第二n掺杂区，其位于半导体基板中，其中，第二n掺杂区耦合至第二读出集成电路。

此实施方式及其它实施方式可各视情况包含下列特征的一个或多个。锗硅层可包含第三n掺杂区及第四n掺杂区，第一p掺杂区的至少一部分可形成在第三n掺杂区中，而第二p掺杂区的至少一部分可形成在第四n掺杂区中。锗硅层可包含第三n掺杂区，第一p掺杂区的至少一部分及第二p掺杂区的部分可形成在第三n掺杂区中。半导体基板可包含一个或多个p阱区。

第一控制信号可以是固定偏置电压，第二控制信号可以是对第一控制信号的固定电压偏置的可变偏置电压。吸收区所吸收的光子可以是从三维目标的表面反射的；由所述一个或多个第一开关所收集的光载流子的部分，以及由所述一个或多个第二开关所收集的光载流子的部分可被飞行时间系统用来分析三维目标的深度信息或材料组成。

本发明所描述的目标的又另一个创新性方面可以实现在光学设备中；所述光学设备包含：半导体基板；第一光吸收区，所述第一光吸收区由所述半导体基板支撑，第一光吸收区包含锗，并被配置成吸收光子并从所吸收的光子生成光载流子；第一层，由第一光吸收区和半导体基板的至少一部分支撑，第一层不同于第一光吸收区；一个或多个第一开关，由第一控制信号控制，所述一个或多个第一开关被配置成基于第一控制信号收集光载流子的至少一部分；以及一个或多个第二开关，由第二控制信号控制，所述一个或多个第二开关被配置成基于第二控制信号收集光载流子的至少一部分，第二控制信号不同于第一控制信号。所述一个或多个第一开关包含：第一控制接触，耦合到第一层的第一控制区，其中第一控制区由第一控制信号控制；以及第一读出接触，耦合到第一层的第一读出区，其中第一读出区耦合至第一读出集成电路。所述一个或多个第二开关包含：第二控制接触，耦合到第一层的第二控制区，其中第二控制区由第二控制信号控制；以及第二读出接触，耦合到第一层的第二读出区，其中第二读出区耦合至第二读出集成电路。

光学设备的实施例可各视情况包含下列特征的一个或多个。例如，半导体基板能够包含凹部，且第一光吸收区的至少一部分能够嵌入在凹部中。第一层能够为硅层或锗硅层。第一层能够包含与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的材料。

第一光吸收区能够以锗或锗硅形成。

在一些实施例中，第一读出区能够包含第一n掺杂区，以及第二读出区能够包含第二n掺杂区。第一光吸收区能够支撑第一读出区及第二读出区，以及第一光吸收区能够支撑第一控制区及第二控制区。第一控制区可包含第一p掺杂区，以及第二控制区可包含第二p掺杂区。第一光吸收区可包含：位于第一层的第一控制区的下方的第三n掺杂区并接触第一p掺杂区；以及位于第一层的第二控制区的下方并接触第二p掺杂区的第四n掺杂区。第一光吸收区可包含第三p掺杂区及第四p掺杂区。

在一些实施例中，第一光吸收区可包含：位于第一层的第一控制区的下方的第三n掺杂区，以及位于第一层的第二控制区的下方的第四n掺杂区。

在一些实施例中，半导体基板能够支撑第一读出区及第二读出区，以及半导体基板能够支撑第一控制区及第二控制区。第一控制区可包含第一p掺杂区，以及第二控制区可包含第二p掺杂区。半导体基板可包含：位于第一层的第一控制区的下方并接触第一p掺杂区的第三n掺杂区；以及位于第一层的第二控制区的下方并接触第二p掺杂区的第四n掺杂区。半导体基板可包含第三p掺杂区及第四p掺杂区。

在一些实施例中，半导体基板可包含：位于第一层的第一控制区的下方的第三n掺杂区，以及位于第一层的第二控制区的下方的第四n掺杂区。

在一些实施例中，所述一个或多个第一开关可进一步包含：耦合到第一层的第一控制区的第三控制接触，其中第一光吸收区支撑第三控制区，第三控制区受控于第三控制信号；以及耦合到第一层的第四控制区的第四控制接触，其中第一光吸收区支撑第四控制区，第四控制区受控于第四控制信号。第三控制区可包含第三p掺杂区，以及第四控制区可包含第四p掺杂区。半导体基板可包含：位于第一层的第一控制区的下方并接触第一p掺杂区的第三n掺杂区：以及位于第一层的第二控制区的下方并接触第二p掺杂区的第四n掺杂区。第一光吸收区可包含：位于第一层的第三控制区的下方并接触第三p掺杂区的第五n掺杂区；以及位于第一层的第四控制区的下方并接触第四p掺杂区的第六n掺杂区。半导体基板可进一步包含第五p掺杂区及第六p掺杂区。

在一些实施例中，半导体基板可包含：位于第一层的第一控制区并接触第一p掺杂区的下方的第三n掺杂区；以及位于第一层的第二控制区的下方并接触第二p掺杂区的第四n掺杂区。第一光吸收区能够包含：位于第一层的第三控制区的下方的第五n掺杂区，以及位于第一层的第四控制区的下方的第六n掺杂区。

在一些实施例中，光学设备可包含第一双极性结晶体管及第二双极性结晶体管。第一双极性结晶体管能够包含：第一电子发射器，半导体基板支撑第一电子发射器；第一p掺杂区，以及第一n掺杂区。第二双极性结晶体管能够包含第二电子发射器，半导体基板支撑第二电子发射件；第二p掺杂区，以及第二n掺杂区。

本发明所描述的目标的再另一个创新性方面可以实现在光学设备中；所述光学设备包含：半导体基板；第一光吸收区，所述第一光吸收区由所述半导体基板支撑，第一光吸收区被配置成吸收光子并从所吸收的光子生成光载流子；一个或多个第一开关，由第一控制信号控制，所述一个或多个第一开关被配置成基于第一控制信号收集光载流子的至少一部分；一个或多个第二开关，由第二控制信号控制，所述一个或多个第二开关被配置成基于第二控制信号收集光载流子的至少一部分，其中第二控制信号不同于第一控制信号；以及反掺杂区，形成在第一光吸收区的第一区，反掺杂区包含第一掺杂物并具有第一净载流子掺杂浓度，第一净载流子浓度较第一光吸收区的第二部分的第二净载流子浓度低。所述一个或多个第一开关包含：第一控制接触，耦合到第一控制区，其中第一控制区由第一控制信号控制；以及第一读出接触，耦合到第一读出区，其中第一读出区耦合至第一读出集成电路。所述一个或多个第二开关包含：第二控制接触，耦合到第二控制区，其中第二控制区由第二控制信号控制；以及第二读出接触，耦合到第二读出区，其中第二读出区耦合至第二读出集成电路。

光学设备的实施例可各视情况包含下列特征的一个或多个。例如，在操作时，与没有反掺杂区的可比较的光学设备相比，反掺杂区能够降低在第一控制接触及第二控制接触之间传递的泄漏电流。

在一些实施例中，第一光吸收区支撑第一控制区、第一读出区、第二控制区及第二读出区；反掺杂区包含第一控制区、第一读出区、第二控制区及第二读出区的至少一部分。第一读出区可包含第一n掺杂区，以及第二读出区可包含第二n掺杂区。第一控制区可包含第一p掺杂区，以及第二控制区可包含第二p掺杂区。光学设备可进一步包含：第三n掺杂区，接触第一p掺杂区；以及第四n掺杂区，接触第二p掺杂区，其中在第三n掺杂区及第四n掺杂区之间的第一横向分隔小于在第一p掺杂区及第二p掺杂区之间的第二横向隔离。

第一光吸收区可包含锗或锗硅。反掺杂区的第一掺杂物可选自选自磷、砷、锑及氟所组成的组。反掺杂区的掺杂浓度可介于2*10¹³/cm³至5*10¹⁴/cm³的范围。反掺杂区的掺杂浓度可大于锗或锗硅的缺陷浓度。

在一些实施例中，光学设备可包含第一反射器，半导体基板支撑第一反射器。第一反射器能够是金属反射镜、电介质反射镜和分布式布拉格反射件中的一个或多个。光学设备能够进一步包含第二反射器，半导体基板支撑第二反射器；其中第一反射器及第二反射器位于第一光吸收区的相反侧。光学设备能够进一步包含第一抗反射层，半导体基板支撑第一抗反射层；其中第一反射器及第一抗反射层位于第一光吸收区的相反侧。

在一些实施例中，光学设备能够进一步包含透镜，半导体基板支撑透镜。透镜可一体成型在半导体基板上。光学设备能够进一步包含间隔层，半导体基板支撑间隔层，其中在与基板表面垂直的方向上，间隔层配置在第一光吸收区及透镜之间。光学设备能够进一步包含第二抗反射层，半导体基板支撑第二抗反射层，第二抗反射层配置在半导体基板及透镜之间。第二抗反射层的至少一部分的折射率可大于1.8。第二抗反射层能够包含与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的高k值材料。

在一些实施例中，光学设备可进一步包含由第一光吸收区和半导体基板的至少一部分支撑的第一层，第一层不同于第一光吸收区。

本发明所描述的目标的再另一创新性方面可以实现在光学设备中；所述光学设备包含：半导体基板；第一光吸收区，所述第一光吸收区由所述半导体基板支撑，第一光吸收区被配置成吸收光子并从所吸收的光子生成光载流子；一个或多个第一开关，由第一控制信号控制，所述一个或多个第一开关被配置成基于第一控制信号收集光载流子的至少一部分；以及一个或多个第二开关，由第二控制信号控制，所述一个或多个第二开关被配置成基于第二控制信号收集光载流子的至少一部分，其中第二控制信号不同于第一控制信号。所述一个或多个第一开关包含：第一p掺杂区，位于第一光吸收区中，其中第一p掺杂区由第一控制信号控制并具有第一p掺杂物浓度；第二p掺杂区，位于第一光吸收区中并接触第一p掺杂区的至少第一部分，其中第二p掺杂区具有低于第一p掺杂物浓度的第二p掺杂物浓度；以及第一n掺杂区，位于第一光吸收区中，其中第一n掺杂区耦合至第一控制集成电路并具有第一n掺杂物浓度。所述一个或多个第二开关包含：第三p掺杂区，位于第一光吸收区中，其中第三p掺杂区由第二控制信号控制并具有第三p掺杂物浓度；第四p掺杂区，位于第一光吸收区中并接触第三p掺杂区的至少第一部分，其中第四p掺杂区具有低于第三p掺杂物浓度的第四p掺杂物浓度；以及第二n掺杂区，位于第一光吸收区中，其中第二n掺杂区耦合至于第二控制集成电路并具有第二n掺杂物浓度。

光学设备的实施例可各视情况包含下列特征的一个或多个。例如，在操作时，与没有第二及第四p掺杂区的光学设备相较，第二p掺杂区可降低在第一p掺杂区及第一n掺杂区之间传递的第一暗电流，第四p掺杂区可降低在第三p掺杂区及第二n掺杂区之间传递的第二暗电流。

在一些实施例中，所述一个或多个第一开关能够进一步包含第三n掺杂区，位于第一光吸收区中并接触第一n掺杂区的至少一部分，其中第三n掺杂区具有低于第一掺杂物浓度的第三掺杂物浓度。所述一个或多个第二开关能够进一步包含第四n掺杂区，位于第一光吸收区中并接触第二n掺杂区的至少一部分，其中第四n掺杂区具有低于第二掺杂物浓度的第四掺杂物浓度。在操作时，相较于没有第三及第四n掺杂区的光学设备，第三n掺杂区可降低在第一p掺杂区及第一n掺杂区之间传递的第一暗电流，第四n掺杂区可降低在第三p掺杂区及第二n掺杂区之间传递的第二暗电流。

在一些实施例中，第一光吸收区包含锗或锗硅。光学设备能够进一步包含第一层，第一光吸收区支撑第一层，第一层不同于第一光吸收区。所述一个或多个第一开关能够进一步包含第五n掺杂区，其接触第一p掺杂区的第二部分；所述一个或多个第二开关能够进一步包含第六n掺杂区，其接触第三p掺杂区的第二部分。

本发明所描述的目标的再又创新性方面可以实现在光学设备中；所述光学设备包含：半导体基板；第一光吸收区，所述第一光吸收区由所述半导体基板支撑，第一光吸收区被配置成吸收光子并从所吸收的光子生成光载流子；一个或多个第一开关，由第一控制信号控制，所述一个或多个第一开关被配置成基于第一控制信号收集光载流子的至少一部分；以及一个或多个第二开关，由第二控制信号控制，所述一个或多个第二开关被配置以用于基于第二控制信号收集光载流子的至少一部分，其中第二控制信号不同于第一控制信号。所述一个或多个第一开关包含：第一p掺杂区，其位于第一光吸收区中，其中第一p掺杂区由第一控制信号控制并具有第一p掺杂物浓度；第一n掺杂区，位于第一光吸收区中，其中第一n掺杂区耦合至第一读出集成电路并具有第一n掺杂物浓度；以及第一沟槽，位于第一p掺杂区及第一n掺杂区之间。所述一个或多个第二开关包含：第二p掺杂区，位于第一光吸收区中，其中第二p掺杂区由第二控制信号控制并具有第二p掺杂物浓度；第二n掺杂区，位于第一光吸收区中，其中第二n掺杂区耦合至第二读出集成电路并具有第二n掺杂物浓度；以及第二沟槽，位于第二p掺杂区及第二n掺杂区之间。

光学设备的实施例可各视情况包含下列特征的一个或多个。例如，在操作时，相较于没有第一及第二沟槽的可比较的光学设备而言，第一沟槽能够降低在第一p掺杂区及第一n掺杂区之间传递的第一暗电流，第二沟槽能够降低在第二p掺杂区及第二n掺杂区之间传递的第二暗电流。

在一些实施例中，第一光吸收区包含锗或锗硅。所述一个或多个第一开关可进一步包含：第三p掺杂区，位于第一光吸收区中并接触第一p掺杂区的至少第一部分，其中第三p掺杂区具有低于第一p掺杂物浓度的第三p掺杂物浓度；以及第三n掺杂区，位于第一光吸收区中并接触第一n掺杂区的至少一部分，其中第三n掺杂区具有低于第一n掺杂物浓度的第三n掺杂物浓度。所述一个或多个第二开关能够进一步包含：第四p掺杂区，位于第一光吸收区中并接触第二p掺杂区的至少第一部分，其中第四p掺杂区具有低于第二p掺杂物浓度的第四p掺杂物浓度；以及第四n掺杂区，位于第一光吸收区中并接触第二n掺杂区的至少一部分，其中第四n掺杂区具有低于第二n掺杂物浓度的第四n掺杂物浓度。在操作时，相较于没有第三和第四n掺杂区及第三和第四p掺杂区的光学设备而言，第三n掺杂区及第三p掺杂区能够降低在第一p掺杂区及第一n掺杂区之间传递的第一暗电流，第四n掺杂区及第四p掺杂区能够降低在第二p掺杂区及第二n掺杂区之间传递的第二暗电流。

在一些实施例中，光学设备可进一步包含第一层，第一光吸收区支撑第一层，第一层不同于第一光吸收区并覆盖第一沟槽及第二沟槽。所述一个或多个第一开关可进一步包含第五n掺杂区，其接触第一p掺杂区的第二部分。所述一个或多个第二开关可进一步包含第六n掺杂区，其接触第二p掺杂区的第二部分。

在一些实施例中，第一沟槽及第二沟槽的至少部分中填充有电介质材料。

光学设备的实施例可各视情况包含下列特征的一个或多个。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，锗可以减少在基板深处生成光载流子较慢的问题。对于n及p掺杂区制作在不同深度的光探测器而言，光载流子的传输距离受到吸收材料的深度而非宽度的限制。因此，即使使用具有短吸收长度的有效吸收材料，也能够让p和n掺杂区之间的距离变短，如此一来，小偏置电压可建立强电场从而增加操作速度。对这样的光探测器而言，可插入两组的开关并配置使其呈横向指叉排列来替ToF系统收集不同光学相位的光载流子。操作速度的增加允许在ToF系统中使用更高的调制频率，从而获得更高的深度分辨率。在ToF系统中，光脉冲的峰值强度系于其占空比降低时增加，这可在保持ToF系统能耗不变的前提下提升信噪比(及深度准确度)。若增加操作速度，从而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比﹐即可实现上述状况。此外，当以锗作为吸收区时，能够使用波长大于1μm的光脉冲。波长更长的NIR光(例如，1.31μm、1.4μm、1.55μm)通常被认为对人眼更安全，故长波长的光脉冲能够在满足眼睛安全要求的前提下以更高的强度输出，从而提高信噪比(甚至是深度准确度)。

一种或多种实施方式的详细内容在附图及下文的实施方式中进行说明。其它潜在特征与优点将从实施方式、附图及权利要求中变得显而易见。

附图说明

图1A、1B、1C及1D是开关光探测器的示例。

图2A、2B、2C及2D是开关光探测器的示例。

图3A、3B、3C及3D是开关光探测器的示例。

图4A、4B、4C、4D及4E是开关光探测器的示例。

图5A-5C是光探测器的示例。

图5D-5K是开关光探测器的示例。

图6A-6B是开关光探测器的示例。

图7A-7B是将透镜与光探测器整合的示例结构的剖视图。

图8A-8C是开关光探测器的开关的示例。

图9A-9E是开关光探测器的电端子的示例。

图10A-10I是具有吸收区及基板的光探测器的示例结构。

图11A-11F是开关光探测器的示例的俯视图及侧视图。

图12A-12H是开关光探测器的示例的俯视图及侧视图。

图13A-13G是开关光探测器的示例的俯视图及侧视图。

图14A-14B是开关光探测器的示例的俯视图。

图15A-15G是传感器像素隔离的示例结构的侧视图。

图16A-16J是光探测器的示例结构的剖视图。

图17A-17E为吸收区表面改质的示例结构的剖视图。

图18A-18G是开关光探测器的示例的俯视图及侧视图。

图19A-19H是开关光探测器的示例的俯视图及侧视图。

图20A-20L是开关光探测器的示例的俯视图及侧视图。

图21A-21F是开关光探测器的示例的俯视图及侧视图。

图22A-22D是开关光探测器的示例的俯视图及侧视图。

图23A-23B是开关光探测器的示例的俯视图及侧视图。

图24A-24G是开关光探测器的示例的俯视图及侧视图。

图25A-25H是开关光探测器的示例的俯视图及侧视图。

图26是矩形光探测器的单位晶胞的示例。

图27是具有光敏晶体管增益的矩形开关光探测器的示例。

图28A是成像系统的示例的方块图。

图28B-28C示出使用成像系统来确定对象特性的技术的示例。

图29示出使用成像系统来确定对象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器件。也应当理解，附图所示的各个示例性实施方式仅为说明性表达，不一定按照比例进行绘制。

具体实施方式

光探测器可用于探测光信号，并且将光信号转换为可以由其它电路进一步处理电信号。在飞行时间(time-of-flight；ToF)应用中，三维对象的深度信息可通过所传递的光脉冲与所探测的光脉冲之间的相位差来确定。例如，可以利用像素的二维阵列来重建三维对象的三维图像，其中每个像素可包含一个或多个光探测器，用于得到三维对象的相位信息。在一些实施例中，飞行时间应用使用波长在近红外(NIR)范围内的光源。例如，发光二极管(LED)的波长可以是850nm、940nm、1050nm或1.3μm至1.6μm。一些光探测器可以将硅作吸收材料，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(例如，深度大于10μm)生成生成，这些光载流子慢慢漂移和/或扩散至光探测器的结，而这导致设备的操作速度的降低。其次，为了使能耗最小，通常用小量的电压振幅来控制光探测器的操作。对于较大的吸收区(例如，直径10μm)，小量的电压振幅仅可以在整个较大吸收区内形成较小的横向/纵向电场，这影响横扫整个吸收区的光载流子的漂移速度。因此，设备的操作速度进一步受到限制。对于使用NIR波长的ToF应用，将锗硅(GeSi)作为吸收材料的光探测器解决了上文讨论的技术问题。在此应用中，术语“光探测器”可以与术语“光学传感器”互换使用。在此应用中，术语“锗硅(GeSi)”指从99％的锗(意即1％的硅)到1％的锗(意即99％的硅)的GeSi合金。在此应用中，可通过毯式外延生长技术、选择性外延生长技术或其它适用的技术来形成GeSi材料。其次，包含GeSi层的吸收层可以形成被绝缘体(例如，氧化物、氮化物)、半导体(例如，硅、锗)或其结合围绕的平面、台面顶面或沟槽底面。此外，包含诸如成分不同的锗硅交替层等多层的应变超晶格结构或多量子阱结构可被使用于吸收层。又，低锗浓度(例如，<10％)的硅层或锗硅层可以用于钝化高锗浓度(例如，>50％)的锗硅层的表面，这可以降低高锗浓度的锗硅层表面的暗电流或泄漏电流。

图1A是开关光探测器100的示例，其中开关光探测器100用于将光信号转换为电信号。开关光探测器100包含制作在基板102上的吸收层106。基板102可以是任何合适将半导体器件制作在其上的基板。例如，基板102可以是硅基板。吸收层106包含第一开关108及第二开关110。

一般来说，吸收层106接收光信号112，并将光信号112转换为电信号。吸收层106可以是本征、p型或n型。在一些实施例中，吸收层106可以由p型锗硅材料形成。吸收层106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106可以是GeSi台面，其中锗硅吸收光信号112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技术或应用。在一些实施例中，吸收层106经设计具有厚度t。例如，对于850nm或940nm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。在一些实施例中，吸收层106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112在锗硅台面顶面的空间剖面。在一些实施例中，吸收层106被设计为具有横向尺寸d，用于接收光信号112。例如，锗硅平面可以是圆形或矩形，其中d的范围为1μm至50μm。

第一开关108及第二开关110制作在吸收层106中，第一开关108耦合至第一控制信号122及第一读出电路124。第二开关110耦合至第二控制信号132及第二读出电路134。一般来说，第一读出电路124或第二读出电路134根据第一控制信号122及第二控制信号132的控制来决定收集电子或空穴。

在一些实施例中，第一开关108及第二开关110被制作用于收集电子。在这样的情况下，第一开关108包含p掺杂区128和n掺杂区126。例如，p掺杂区128可以具有p+掺杂，其中活化掺杂物浓度可与制作工艺所能达成的程度一样高，例如当吸收层106是锗并且掺杂了硼时，为约5x10²⁰cm^-3。在一些实施例中，p掺杂区128的掺杂浓度可以低于5x10²⁰cm^-3，以便以增加接触电阻的代价简化制作复杂度。n掺杂区126可具有n+掺杂，其中活化掺杂物浓度可与制作工艺所能达成的程度一样高；例如，当吸收层106是锗并且掺杂了磷时，约为1x10²⁰cm^-3。在一些实施例中，n掺杂区126的掺杂浓度可以是低于1x10²⁰cm^-3，以便以增加接触电阻的代价简化制作复杂度。p掺杂区128及n掺杂区126间的距离可以基于制造工艺设计规则来设计。一般来说，p掺杂区128及n掺杂区126间的距离愈近，生成光载流子的切换效率愈高。然而，减少p掺杂区128和n掺杂区126之间的距离可能增加与p掺杂区128和n掺杂区126之间PN结相关的暗电流。因此，距离可以是取决于开关光探测器100的性能来设定。第二开关110包含p掺杂区138和n掺杂区136，p掺杂区138类似于p掺杂区128，并且n掺杂区136类似于n掺杂区126。

在一些实施方式中，p掺杂区128耦合至第一控制信号122。例如，p掺杂区128可耦合至电压源，其中第一控制信号122可以是来自于电压源的AC电压信号。在一些实施方式中，n掺杂区126耦合至读出电路124。读出电路124可为三晶体管配置，该配置由复位栅极、源随耦器、和选择栅极、或任何适合处理电荷的电路构成。在一些实施方式中，读出电路124可制作在基板102上。在一些其它实施方式中，读出电路124可制作在另一基板上，并通过晶片/晶圆接合或堆叠与开关光探测器100整合或是共同封装在一起。

p掺杂区138耦合至第二控制信号132。例如，p掺杂区138可耦合至电压源，其中第二控制信号132可以是AC电压信号，并且其相位与第一控制信号122相反。在一些实施方式中，n掺杂区136可耦合至读出电路134。读出电路134可类似于读出电路124。

第一控制信号122及第二控制信号132用于控制吸收光子所生成的电子的收集过程。例如，当第一控制信号122不同于第二控制信号132，p掺杂区128及p掺杂区138之间形成电场，且自由电子根据电场的方向而漂移至p掺杂区128或p掺杂区138。在一些实施方式中，第一控制信号122可固定在电压值V_i，第二控制信号132可在V_i±ΔV间变换。偏置值决定电子的漂移方向。据此，当其中的开关(例如，第一开关108)导“通”(即电子往p掺杂区128漂移)时，另一开关(例如，第二开关110)关“断”(即电子受到p掺杂区138阻挡)。在一些实施方式中，第一控制信号122及第二控制信号132可具有不同电压值。

一般来说，p掺杂区的费米能级与n掺杂区的费米能级之间的差异在这两个区域之间形成电场。在第一开关108中，电场形成在p掺杂区128及n掺杂区126之间。类似地，在第二开关110中，电场形成在p掺杂区138及n掺杂区136之间。当第一开关108导“通”(on)且第二开关110关“断”(off)时，电子漂移到p掺杂区128，并且在p掺杂区128及n掺杂区126之间的电场进一步地移动电子到n掺杂区126。读出电路124可接着处理n掺杂区126收集到的电荷。相反地，当第二开关110导通且第一开关108截止时，电子漂移到p掺杂区138，并且在p掺杂区138及n掺杂区136之间的电场进一步地移动电子到n掺杂区136。读出电路134可以接着处理n掺杂区136收集到的电荷。

在一些实施方式中，可以在开关的p掺杂区及n掺杂区之间施加电压，使开关在雪崩机制中操作来增加双开关光探测器100的灵敏度。例如，在锗硅层106包含锗硅的情况下，当p掺杂区128和n掺杂区126之间的距离约为100nm时，可施加低于7V的电压以在p掺杂区128及n掺杂区126之间建立雪崩增益。

在一些实施方式中，基板102可耦合至外部控制116。例如，基板102可耦合至电接地或低于n掺杂区126和136的电压的默认电压。在一些其它实施方式中，基板102可浮接或不耦合至任何的外部控制。

图1B是开关光探测器160的示例，其中开关光探测器160用于将光信号转换为电信号。开关光探测器160类似于图1A示出的开关光探测器100，但是第一开关108及第二开关110还分别包含n阱区152和n阱区154。此外，吸收区106可以是p掺杂区。在一些实施方式中，n阱区152和154的掺杂等级范围可以是10¹⁵cm^-3至10¹⁷cm^-3，吸收区106的掺杂等级范围可以是10¹⁴cm^-3至10¹⁶cm^-3。

p掺杂区128、n阱区152、p掺杂吸收区106、n阱区154及p掺杂区138的排列形成PNPNP结结构。一般来说，PNPNP结结构降低从第一控制信号122至第二控制信号132的泄漏电流，或从第二控制信号132至第一控制信号122的泄漏电流。n掺杂区126、p掺杂吸收区106及n掺杂区136的排列形成NPN结结构。一般来说，NPN结结构降低从第一读出电路124至第二读出电路134的电荷耦合，或从第二读出电路134往第一读出电路124的电荷耦合。

在一些实施方式中，p掺杂区128完全地形成在n阱区152内。在一些实施方式中，p掺杂区128部分地形成在n阱区152中。例如，p掺杂区128的部分可通过注入p掺杂物而形成在n阱区152中，并且p掺杂区128的另一部分可通过注入p掺杂物而形成在吸收层106中。类似地，在一些实施方式中，p掺杂区128完全地形成在n阱区154内。在一些其它实施方式中，p掺杂区138部分地形成在n阱区154中。在一些实施方式中，n阱区152和154的深度较p掺杂区128和138的深度浅。

图1C是开关光探测器170的示例，其中开关光探测器170用于将光信号转换为电信号。开关光探测器170类似于图1A示出的开关光探测器100，但是吸收层106进一步包含n阱区156。此外，吸收区106可以是p掺杂区。在一些实施方式中，n阱区156的掺杂等级范围可以是10¹⁵cm^-3至10¹⁷cm^-3，吸收层106的掺杂等级范围可以是10¹⁴cm^-3至10¹⁶cm^-3。

p掺杂区128、n阱区156及p掺杂区138的排列形成PNP结结构。一般来说，PNP结结构降低了从第一控制信号122至第二控制信号132、或从第二控制信号132至第一控制信号122的泄漏电流。n掺杂区126、p掺杂吸收层106及n掺杂区136的排列形成NPN结结构。一般来说，NPN结结构降低了从第一读出电路124至第二读出电路134、或从第二读出电路134至第一读出电路124的电荷耦合。在一些实施方式中，当n阱区156深，则n掺杂区126、p掺杂区106、n阱区156、p掺杂吸收区106及n掺杂区136的排列可形成NPNPN结结构，以进一步地降低从第一读出电路124至第二读出电路134，或者由第二读出电路134到第一读出电路124的电荷耦合。

在一些实施方式中，p掺杂区128和138完全地形成在n阱区156内。在一些实施方式中，p掺杂区128和138部分地形成在n阱区156中。例如，p掺杂区128的部分可通过注入p掺杂物而形成在n阱区156中，p掺杂区128的另一部分可通过注入p掺杂物而形成在吸收层106中。在一些实施方式中，n阱区的深度较p掺杂区128和138的深度浅。

图1D是开关光探测器180的示例，其中开关光探测器180用于将光信号转换为电信号。开关光探测器180类似于图1A示出的开关光探测器100，但是开关光探测器180进一步包含p阱区104以及n阱区142和144。在一些实施方式中，n阱区142和144的掺杂等级范围可以是10¹⁶cm^-3至10²⁰cm^-3，p阱区104的掺杂等级范围可以是10¹⁶cm^-3至10²⁰cm^-3。

在一些实施方式中，吸收层106可不完全地吸收入射光信号112中的光子。例如，若GeSi台面不完全地吸收入射NIR光信号112中的光子，NIR光信号112可深入硅基板102，硅基板102可吸收深入其中的光子并在硅基板102的深处生成复合慢的光载流子。这些复合慢的光载流子对开关光探测器的操作速度生成负面反应。其次，硅基板102中生成的光载流子可以被邻近的像素收集，这造成不被想要的像素之间的信号串扰。此外，硅基板102中生成的光载流子导致基板102带电，这引发开关光探测器的可靠度问题。

为了移除复合慢的光载流子，开关光探测器180可包含使让n阱区142、144与p阱区104短路的连接件。例如，可通过金属硅化工艺或沉积金属垫来连结p阱区104和n阱区142、144以形成此连接件。在n阱区142、144及p阱区104之间的短路允许于基板102中生成的光载流子于短路节点再复合，进而提升开关光探测器的操作速度和/或可靠度。在一些实施方式中，为了减少设备暗电流，p阱区104被用于保护或缩小在吸收层106和基板102之间围绕界面缺陷的电场。

尽管图1A-1D未示出，但是在一些实施方式中，光信号可以是从开关光探测器的基板102的背侧进入开关光探测器。一个或多个光学器件(例如，微透镜或光导)可制作在基板102的背侧，以聚焦、校直、散焦、滤波或以其他方式操纵光信号。

尽管图1A-1D未示出，但是在一些其它实施方式中，第一开关108及第二开关110可替选地制作成收集空穴，而非电子。在此情况下，p掺杂区128和p掺杂区138将由n掺杂区替代，n掺杂区126和n掺杂区136将由p掺杂区替代，n阱区142、144、152、154和156将由p阱区替代，p阱区104将由n阱区替代。

尽管图1A-1D未示出，但是在一些实施方式中，吸收层106可以在形成开关光探测器100、160、170和180后与基板接合。基板可以是允许光电号112传递至开关光探测器的任何材料。例如，基板可以是聚合物或玻璃。在一些实施方式中，一个或多个光学器件(例如，微透镜或光导)可制作在承载基板上，以聚焦、校直、散焦、滤波或以其他方式操纵光信号。

尽管图1A-1D未示出，但是在一些实施方式中，开关光探测器100、160、170和180可以(例如，通过金属-金属接合、氧化物-氧化物接合、混合接合)而与包含控制信号电路和/或读出电路和/或相位锁相回路(PLL)和/或模拟数字转换器电路的第二基板接合。开关光探测器的顶部可以沉积金属层，用于做为反射器而来反射从基板102的背侧入射的光信号。增加类似反射镜的金属层可以增加吸收层106的吸收效率(量子效率)。例如，通过增加反射金属层，光探测器操作在范围为1.0μm至1.6μm的长NIR波长的吸收效率可以被大幅地提升。金属层和吸收层之间也可包含氧化层来增加反射率。金属层也可以做为晶圆接合工艺时的接合层。在一些实施方式中，能够增加类似于第一开关108和第二开关110的一个或多个开关来链接控制信号/读出电路。

尽管图1A-1D中未示出，但在一些实施方式中，吸收层106可部分地或完全地嵌入或凹入在基板102中以缓和表面形貌和便于制作。前述技术在名称为“Germanium-SiliconLight Sensing Apparatus”的美国专利公开号US 20170040362 A1中描述。

图2A是开关光探测器200的示例，其中开关光探测器200用于将光信号转换为电信号。第一开关208及第二开关210制作在基板202上。开关光探测器200包含制作在基板202上的吸收层206。基板202可以是任何合适将半导体器件配置在其上的基板。例如，基板202可以是硅基板。

一般来说，吸收层206接收光信号212，并将光信号212转换为电信号。吸收层206类似于吸收层106。吸收层206可以是本征、p型或n型。在一些实施方式中，吸收层206可以由p型GeSi材料形成。在一些实施方式中，吸收层206可包含p掺杂区209。p掺杂区209可斥拒从吸收区206传递至基板202的光电子，从而增加操作速度。例如，p掺杂区209可具有p+掺杂，其中p+掺杂物的浓度可与制作工艺所能到达的程度一样高，例如当吸收层206为锗并且掺杂了硼时，为约5x1020cm-3。在一些实施方式中，p掺杂区209的掺杂浓度可低于5x1020cm-3，以便以增加接触电阻的代价简化制作复杂度。在一些实施方式中，p掺杂区209可以是梯度p掺杂区。

第一开关208及第二开关210可制作在基板202中。第一开关208耦合至第一控制信号222和第一读出电路224。第二开关210耦合至第二控制信号232和第二读出电路234。一般来说，第一读出电路224或第二读出电路234根据第一控制信号222及第二控制信号232的控制来决定收集电子或空穴。第一控制信号222类似于第一控制信号122，第二控制信号232类似于第二控制信号132；第一读出电路224类似于第一读出电路124，第二读出电路234类似于第二读出电路134。

在一些实施方式中，第一开关208及第二开关210被制作以收集吸收区206生成的电子。在这样的情况下，第一开关208包含p掺杂区228和n掺杂区226。例如，p掺杂区228可以是具有p+掺杂，其中活化掺杂物浓度可与制作工艺所能达成的程度一样高，例如当基板202为硅并且掺杂了硼时，约为2x1020cm-3。在一些实施方式中，p掺杂区228的掺杂浓度可低于2x1020cm-3，以便以增加接触电阻的代价简化制作复杂度。n掺杂区226可以具有n+掺杂，其中活化掺杂物浓度可与制作工艺所能达成的程度一样高，例如当基板202为硅并且掺杂了磷时，约为5x1020cm-3。在一些实施方式中，n掺杂区226的掺杂浓度可低于5x1020cm-³，以便以增加接触电阻的代价简化制作复杂度。p掺杂区228及n掺杂区226间的距离可以基于制造工艺设计规则来设计。一般来说，p掺杂区228及n掺杂区226之间的距离愈近，生成光载流子的切换效率愈高。第二开关210包含p掺杂区238和n掺杂区236。p掺杂区238类似于p掺杂区228，n掺杂区236类似于n掺杂区226。

在一些实施方式中，p掺杂区228耦合至第一控制信号222，n掺杂区226耦合至读出电路224。p掺杂区238耦合至第二控制信号232。n掺杂区236耦合至读出电路234。第一控制信号222及第二控制信号232用于控制吸收光子所生成的电子的收集过程。例如，当吸收层206吸收光信号212中的光子时，生成电子空穴对并漂移或扩散进入基板202。当施加电压时，若第一控制信号222相对于第二控制信号232偏置，p掺杂区228及p掺杂区238之间形成电场，且自由电子根据电场的方向而从吸收层206漂移至p掺杂区228或p掺杂区238。在一些实施方式中，第一控制信号222可固定在电压值Vi，第二控制信号可在Vi±ΔV间变换。偏置值决定电子的漂移方向。据此，当其中的开关(例如，第一开关208)被接“通”(即电子往p掺杂区228漂移)，另一开关(例如，第二开关210)被关“断”(即电子受到p掺杂区238阻挡)。在一些实施方式中，第一控制信号222及第二控制信号232可以是彼此不同的电压值。

在第一开关208中，电场形成在p掺杂区228及n掺杂区226之间。类似地，在第二开关210中，电场形成在p掺杂区238及n掺杂区236之间。当第一开关208被接“通”而第二开关210被关“断”时，电子漂移到p掺杂区228，并且p掺杂区228及n掺杂区226之间的电场进一步地移动电子到n掺杂区226。然后使得读出电路224能够处理n掺杂区226收集到的电荷。相反地，当第二开关210被接“通”而第一开关208被关“断”时，电子漂移到p掺杂区238，并且在p掺杂区238及n掺杂区236之间的电场进一步地移动电子到n掺杂区236。读出电路234可以接着处理n掺杂区236收集到的电荷。

在一些实施方式中，可在开关的p掺杂区及n掺杂区之间施加电压，使开关操作在雪崩机制中来增加开关光探测器200的灵敏度。例如，在基板202包含GeSi的情况下，当p掺杂区228及n掺杂区226之间的距离约为100nm时，可施加低于7V的电压以在p掺杂区228及n掺杂区226之间建立雪崩增益。

在一些实施方式中，p掺杂区209可耦合到外部控制214，例如，p掺杂区209可耦合至接地。在一些实施方式中，p掺杂区209可浮接或不耦合至任何外部控制。在一些实施方式中，基板202可耦合至外部控制216。例如，基板202可耦合至电接地或低于n掺杂区226和236的电压的默认电压。在一些其它实施方式中，基板202可浮接或不耦合至任何外部控制。

图2B是开关光探测器250的示例，其中开关光探测器250用于将光信号转换为电信号。开关光探测器250类似于图2A示出的开关光探测器200，但是第一开关208及第二开关210进一步分别包含n阱区252和n阱区254。此外，吸收层206可以是p掺杂区，基板202可以是p掺杂基板。在一些实施方式中，n阱区252和254的掺杂等级范围可以是1015cm-3至1017cm-3，基板202的掺杂等级范围可以是1014cm-3至1016cm-3。

p掺杂区228、n阱区252、p掺杂基板202、n阱区254及p掺杂区238的排列形成PNPNP结结构。一般来说，PNPNP结结构降低了从第一控制信号222至第二控制信号232、或从第二控制信号232至第一控制信号222的泄漏电流。n掺杂区226、p掺杂基板202及n掺杂区236的排列形成NPN结结构。一般来说，NPN结结构降低从第一读出电路224至第二读出电路234、或从第二读出电路234至第一读出电路224的电荷耦合。

在一些实施方式中，p掺杂区228完全地形成在n阱区252内。在一些实施方式中，p掺杂区228部分地形成在n阱区252中。例如，p掺杂区228的部分可通过注入p掺杂物而形成在n阱区252中，p掺杂区228的另一部分可通过注入p掺杂物而形成在基板202中。类似地，在一些实施方式中，p掺杂区238完全地形成在n阱区254内。在一些实施方式中，p掺杂区238部分地形成在n阱区254中。在一些实施方式中，n阱区252的深度较p掺杂区228和238的深度浅。

图2C是开关光探测器260的示例，其中开关光探测器260用于将光信号转换为电信号。开关光探测器260类似于图2A示出的开关光探测器200，但是基板202进一步包含n阱区244。此外，吸收层206可以是p掺杂区，基板202可以是p掺杂基板。在一些实施方式中，n阱区244的掺杂等级范围可以是1015cm-3至1017cm-3，吸收层206和基板202的掺杂等级范围可以是1014cm-3至1016cm-3。

p掺杂区228、n阱区244及p掺杂区238的排列形成PNP结结构。一般来说，PNP结结构降低从第一控制信号222至第二控制信号232、或从第二控制信号232至第一控制信号222的泄漏电流。n掺杂区226、p掺杂基板202及n掺杂区236的排列形成NPN结结构。一般来说，NPN结结构降低了从第一读出电路224至第二读出电路234、或者从第二读出电路234至第一读出电路224的电荷耦合。在一些实施方式中，如果n阱区244的深度深，则n掺杂区226、p掺杂基板202、n阱区244、p掺杂基板202及n掺杂区236的排列可形成NPNPN结结构，其进一步地降低从第一读出电路224至第二读出电路234、或者从第二读出电路234至第一读出电路224的电荷耦合。在一些实施方式中，n阱区244也有效地降低电子从吸收层206往基板202流动时所感知的势能垒。

在一些实施方式中，p掺杂区228及238完全地形成在n阱区244内。在一些其它实施方式中，p掺杂区228和238部分地形成在n阱区244中。例如，p掺杂区228的部分可通过注入p掺杂物而形成在n阱区244中，p掺杂区228的另一部分可通过注入p掺杂物而形成在基板202中。在一些实施方式中，n阱区244的深度较p掺杂区228和238的深度浅。

图2D是用于将光信号转换为电信号的开关光探测器270的示例。开关光探测器270类似于图2A示出的开关光探测器200，但进一步包含一个或多个p阱区246和一个或多个p阱区248。在一些实施方式中，一个或多个p阱区246和一个或多个p阱区246可以是环状结构的部分；环状结构围绕第一开关208和第二开关210。在一些实施方式中，所述一个或多个p阱区246和248的掺杂等级范围可以是1015cm-3至1020cm-3。所述一个或多个p阱区246和248可以用于对来自相邻像素的光电子的隔离。

尽管图2A-2D未示出，但是在一些实施方式中，光信号可以从开关光探测器的基板202的背侧进入开关光探测器。一个或多个光学器件(例如，微透镜或光导)可制作在基板202的背侧，以聚焦、校直、散焦、滤波或以其他方式操纵光信号。

尽管在图2A-2D未示出，但是在一些实施方式中，第一开关208及第二开关210可替选地制作为收集空穴而非电子；在此情况下，p掺杂区228、p掺杂区238和p掺杂区209将由n掺杂区替代，n掺杂区226和n掺杂区236将由p掺杂区替代，n阱区252、254和244将由p阱区替代，p阱区246和248将由n阱区替代。

尽管图2A-2D未示出，但是在一些实施方式中，吸收层206可以在制造开关光探测器200、250、260及270后与基板接合。承载基板可以是允许光信号212传递至开关光探测器的任何材料。例如，基板可以是聚合物或玻璃。在一些实施方式中，一个或多个光学器件(例如，微透镜或光导)可制作在承载基板上，以聚焦、校直、散焦、滤波或以其他方式操纵光信号。

尽管图2A-2D未示出，但是在一些实施方式中，开关光探测器200、250、260及270可以(例如，通过金属-金属接合、氧化物-氧化物接合、混合接合)而与包含控制信号电路和/或读出电路和/或相位锁相回路和/或模拟数字转换器电路的第二基板接合。开关光探测器的顶部可以沉积金属层，用于做为反射器而来反射从基板202的背侧入射的光信号。增加类似反射镜的金属层可以增加吸收层206的吸收效率(量子效率)。例如，通过增加反射金属层，光探测器操作在范围为1.0μm至1.6μm的长NIR波长的吸收效率可以被大幅地提升。金属层及吸收层之间可包含氧化层来增加反射率。金属层也可以作做晶圆接合工艺时的接合层。在一些实施方式中，能够增加类似于第一开关208和第二开关210的一个或多个开关来链接控制信号/读出电路。

尽管图2A-2D未示出，但是在一些实施方式中，吸收层206可部分地或完全地嵌入或凹入在基板202中以缓和表面形貌且便于制作。前述技术在美国专利公开US20170040362A1中描述。

图3A是用于将光信号转换为电信号的开关光探测器300的示例。在图3A中，第一开关308a和308b，以及第二开关310a和310b以垂直配置制作在基板302上。开关光探测器100或开关光探测器200的一个特征为：光学窗尺寸d越大，电子由其中的开关漂移或扩散至另一开关的光电子传输时间越长。这影响开关光探测器的操作速度。开关光探测器300可通过垂直排列的p掺杂区及n掺杂区而进一步地提升操作速度。通过这样的垂直排列，光电子传输距离将受限于吸收层的厚度t(例如，约1μm)﹐而非受限于吸收层的光学窗尺寸d(例如，约10μm)。开关光探测器300包含制作在基板302上的吸收层306。基板302可以是任何合适将半导体器件配置在其上的基板。例如，基板302可以是硅基板。

一般来说，吸收层306接收光信号312，并将光信号312转换为电信号。吸收层306类似于吸收层206。吸收层306可以是本征、p型或n型。在一些实施方式中，吸收层206可由p型锗硅材料形成。在一些实施方式中，吸收层306可包含p掺杂区309；p掺杂区309类似于p掺杂区209。

第一开关308a和308b以及第二开关310a和310b制作在基板302中。在此要特别说明的是，尽管图3A示出了两个第一开关308a和308b，以及两个第二开关310a及310b，但是第一开关及第二开关的数量可以更多或更少。第一开关308a及308b耦合至第一控制信号322及第第一读出电路324，第二开关310a及310b耦合至第二控制信号332及第二读出电路334。

一般来说，第一读出电路324或第二读出电路334根据第一控制信号322及第二控制信号332的控制来决定收集电子或空穴。第一控制信号322类似于第一控制信号122，第二控制信号332类似于第二控制信号132，第一读出电路324类似于第一读出电路124，第二读出电路334类似于第二读出电路134。在一些实施方式中，第一开关308和308b以及第二开关310a和310b被制作用于收集吸收层306生成的电子。在这样的情况下，第一开关308a和308b分别包含p掺杂区328a、328b及n掺杂区326a、326b。例如，p掺杂区328a和328b可具有p+掺杂，其中活化掺杂物浓度可与制作工艺所能达成的程度一样高，例如当基板302是硅并且掺杂了硼时，约为2x1020cm-3。在一些实施方式中，p掺杂区328a和328b的掺杂浓度可低于2x1020cm-3，以便以增加接触电阻的代价简化制作复杂度。n掺杂区326a和326b可具有n+掺杂，其中活化掺杂物浓度可与制作工艺所能达成的程度一样高，例如当基板302是硅并且掺杂了磷时，约为5x1020cm-3。在一些实施方式中，n掺杂区326a及326b的掺杂浓度可低于5x1020cm-3，以便以增加接触电阻的代价简化制作复杂度。p掺杂区328a及n掺杂区326a之间的距离可以基于制造工艺设计规则来设计。例如，p掺杂区328a及n掺杂区326a之间的距离可以根据与注入掺杂物关联的能量来控制。一般来说，当p掺杂区328a/328b及n掺杂区326a/326b之间的距离愈靠近，生成光载流子的切换效率愈高。第二开关310a及310b分别包含p掺杂区338a和338b，以及n掺杂区336a和336b。p掺杂区338a/338b类似于p掺杂区328a/328b，n掺杂区336a/336b类似于n掺杂区326a/326b。

在一些实施方式中，p掺杂区328a和328b耦合至第一控制信号322。n掺杂区326a和326b耦合至读出电路324。p掺杂区338a和338b耦合至第二控制信号332。n掺杂区336a和336b耦合至读出电路332。第一控制信号322及第二控制信号332用于控制吸收光子所生成的电子的收集过程。例如，当吸收层306吸收光信号312中的光子时，电子空穴对被生成并漂移或扩散至基板302。当使用电压时，若第一控制信号322针对第二控制信号332偏置，p掺杂区309和p掺杂区328a/328b或p掺杂区338a/338b之间建立电场，且自由电子根据电场的方向从吸收层306漂移至p掺杂区328a/328b或p掺杂区338a/338b。在一些实施方式中，第一控制信号322可固定在电压值Vi，第二控制信号332可在Vi±ΔV间变换。偏置值决定电子的漂移方向。据此，当一组开关(例如，第一开关308a和308b)被接“通”(即电子往p掺杂区328a和328b漂移)时，另一组开关(例如，第二开关310a和310b)被关“断”(即电子受到p掺杂区338a和338b阻挡)。在一些实施方式中，第一控制信号322及第二控制信号332可具有不同的电压值。

在每个第一开关308a/308b中，电场系建立于p掺杂区328a/328b及n掺杂区326a/326b之间。类似地，在每个第二开关310a/310b中，电场建立在p掺杂区338a/338b及n掺杂区336a/336b之间。当第一开关308a和308b被接“通”而第二开关310a和310b被关“断”时，电子漂移到p掺杂区328a和328b，并且p掺杂区328a及n掺杂区326a之间的电场进一步地移动电子到n掺杂区326a。类似地，p掺杂区328b及n掺杂区326b之间的电场也移动电子到n掺杂区326b。读出电路324可以接着处理n掺杂区326a和326b收集到的电荷。相反地，当第二开关310a和310b被接“通”而第一开关308a和308b被关“断”时，电子漂移到p掺杂区338a和338b，并且在p掺杂区338a及n掺杂区336a之间的电场进一步地移动电子到n掺杂区336a。类似地，p掺杂区338b及n掺杂区336b之间的电场也移动电子到n掺杂区336b。读出电路334可以接着处理n掺杂区336a和336b收集到的电荷。

在一些实施方式中，可在开关的p掺杂区及n掺杂区之间施加电压，使开关操作在在雪崩机制中来增加开关光探测器300的灵敏度。例如，在基板302包含GeSi的情况下，当p掺杂区328a及n掺杂区326a之间的距离约为100nm时，可施加低于7V的电压以在p掺杂区328a及n掺杂区326a之间建立雪崩增益。

在一些实施方式中，p掺杂区309可耦合到外部控制314，例如，p掺杂区309可耦合至电接地。在一些实施方式中，p掺杂区309可浮接或不耦合到任何外部控制。在一些实施方式中，基板302可耦合至外部控制316。例如，基板302可耦合至电接地。在一些实施方式中，基板302可浮接或不耦合至任何外部控制。

图3B是开关光探测器360的示例，其中开关光探测器360用于将光信号转换为电信号。开关光探测器360类似于图3A的开关光探测器300，但是开关光探测器360进一步包含n阱区344。此外，吸收区360可以是p掺杂区，基板可以是p掺杂基板。在一些实施方式中，n阱区344的掺杂等级范围可以是1015cm-3至1017cm-3，基板302的掺杂等级范围可以是1014cm-3至1016cm-3。

p掺杂区328a、n阱区344及p掺杂区338a的排列形成PNP结结构；类似地，p掺杂区328b、n阱区344及p掺杂区338b的排列形成另一PNP结结构。一般来说，PNP结结构降低了从第一控制信号322至第二控制信号332、或从第二控制信号332至第一控制信号322的泄漏电流。n掺杂区326a、p掺杂基板302及n掺杂区336a的排列形成NPN结结构；类似地，n掺杂区326b、p掺杂基板302及n掺杂区336b的排列形成NPN结结构。一般来说，NPN结结构降低了从第一读出电路324至第二读出电路334、或从第二读出电路334至第一读出电路324的电荷耦合。在一些实施方式中，n阱区344也有效地降低电子从吸收层306至基板302流动时所感知的势能垒。

在一些实施方式中，p掺杂区328a、338a、328b及338b完全地形成在n阱区344内。在一些其它实施方式中，p掺杂区328a、338a、328b和338b部分地形成在n阱区344中。例如，可通过在n阱区344中注入p掺杂物形成p掺杂区328a的部分，并且可通过在基板302中注入p掺杂物形成p掺杂区328a的另一部分。在一些实施方式中，n阱区的深度较p掺杂区328a、338a、328b和338b的深度浅。

图3C是用于将光信号转换为电信号的示例开关光探测器370。开关光探测器370类似于图3A示出的开关光探测器300，但是进一步包含一个或多个p阱区346和一个或多个p阱区348。在一些实施方式中，一个或多个p阱区346和一个或多个p阱区348可以是围绕第一开关308a、308b及第二开关310a、310b的环状结构的部分。在一些实施方式中，一个或多个p阱区的掺杂等级范围可以是1015cm-3至1020cm-3。一个或多个p阱区246和248可以用作对来自相邻像素的光电子的隔离。

图3D是示例开关光探测器380的剖视图。在图3D中，第一开关308a、308b的p掺杂区328a、328b以及第二开关310a、310b的p掺杂区338a、338b可以呈指叉式排列地配置在基板302的第一平面362上。图3D进一步示出了第一开关308a和308b的n掺杂区326a和326b以及第二开关310a和310b的n掺杂区336a和336b可以指叉式排列地配置在基板302的第二平面364上。

尽管图3A-3D未示出，但是在一些实施方式中，光信号可以从开关光探测器的基板302的背侧进入开关光探测器。一个或多个光学器件(例如，微透镜或光导)可制作在基板302的背侧以聚焦、校直、散焦、滤波或以其他方式操纵光信号。

尽管图3A-3D未示出，但是在一些实施方式中，第一开关308a和308b以及第二开关310a和310b可替选地制作成收集空穴，而非电子；在这种情况下，p掺杂区328a和328b、p掺杂区338a和338b以及p掺杂区309将由n掺杂区替代，n掺杂区326a和326b以及n掺杂区336a和336b将由p掺杂区替代，n阱区344将由p阱区替代，p阱区346及348将由n阱区替代。

尽管图3A-3D未示出，但是在一些其它实施方式中，吸收层306可以在完成制作开关光探测器300、360、370及380后与基板接合。基板可以是为允许光信号312传输至开关光探测器的任何材料。例如，基板可以是聚合物或玻璃。在一些实施方式中，一个或多个光学器件可制作在承载基板上，以聚焦、校直、散焦、滤波或以其他方式操纵光信号312。

尽管图3A-3D未示出，但是在一些实施方式中，开关光探测器300、360、370及380可以接合(例如，通过金属-金属接合、氧化物-氧化物接合、混合接合)到具有包含控制信号电路和/或读出电路和/或相位锁相回路和/或模拟数字转换器电路的电路的第二基板。开关光探测器的顶部可以沉积金属层，用于做为反射器而来反射从基板302的背侧入射的光信号。增加类似反射镜的金属层可以增加吸收层306的吸收效率(量子效率)。例如，通过增加反射金属层，光探测器操作在范围为1.0μm至1.6μm的长NIR波长的吸收效率可以被大幅地提升。金属层及吸收层之间可包含氧化层来增加反射率。金属层也可以作做晶圆接合工艺时的接合层。在一些实施方式中，可加入类似于第一开关308a(或308b)和第二开关310a(或310b)的一个或多个开关以结合控制信号/读出电路。

尽管图3A-3D未示出，但是在一些实施方式中，吸收层306可部分地或完全地嵌入或凹入在基板302中以缓和表面形貌且便于制作。前述技术在美国专利公开US20170040362A1中描述。

图4A是开关光探测器400的示例，其中开关光探测器400用于将光信号转换为电信号。开关光探测器400包含制作在基板402上的吸收层406。基板402可以是任何合适将半导体器件配置在其上的基板。例如，基板402可以是硅基板。吸收层406包含第一开关408及第二开关410。

一般来说，吸收层406接收光信号412，并将光信号412转换为电信号。吸收层406可以是本征、p型或n型。在一些实施方式中，吸收层406可以由p型GeSi材料形成。吸收层406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406可以是GeSi台面，其中GeSi吸收光信号412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技术或应用。在一些实施方式中，吸收层406经设计，具有厚度t。例如，对于850nm或940nm的波长，GeSi台面的厚度可以是大约1μm以具有足够大的量子效率。在一些实施方式中，吸收层406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412在GeSi台面的表面的空间剖面。在一些实施方式中，吸收层106被设计为具有横向尺寸d，用于接收光信号412。例如，GeSi台面可以是圆形或矩形，其中d的范围为1μm至50μm。

第一开关408及第二开关410制作在吸收层406和基板402中。第一开关408耦合至第一控制信号422及第一读出电路424。第二开关410耦合至第二控制信号432及第二读出电路434。一般来说，第一读出电路424或第二读出电路434根据第一控制信号422及第二控制信号432的控制来决定收集电子或空穴。

在一些实施方式中，第一开关408及第二开关410可以被制作成收集电子。在前述状况下，第一开关408包含注入在吸收层406中的p掺杂区428以及注入在基板402中的n掺杂区426。例如，p掺杂区428可具有p+掺杂，其中活化掺杂物浓度可与制作工艺所能达成的程度一样高，例如当吸收层106为锗并且掺杂了硼时，约为5x1020cm-3。在一些实施方式中，p掺杂区428的掺杂浓度可低于5x1020cm-3，以便以增加接触电阻的代价简化制作复杂度。n掺杂区426可具有n+掺杂，其中活化掺杂物浓度可与制作工艺所能达成的程度一样高，例如当基板402为硅并且掺杂了磷时，约为5x1020cm-3。在一些实施方式中，n掺杂区426的掺杂浓度可低于5x1020cm-3，以便以增加接触电阻的代价简化制作复杂度。p掺杂区428及n掺杂区426间的距离可以基于制造工艺设计规则来设计。一般来说，p掺杂区428及n掺杂区426之间的距离愈近，生成的光载流子的切换效率愈高。第二开关410包含p掺杂区438和n掺杂区436，p掺杂区438类似于p掺杂区428，且n掺杂区436类似于n掺杂区426。

在一些实施方式中，p掺杂区428耦合至第一控制信号422。例如，p掺杂区448可耦合至电压源，其中第一控制信号422可以是来自于电压源的AC电压信号。在一些实施方式中，n掺杂区426耦合至读出电路424。读出电路424可以由复位栅极、源随耦器、和选择栅极构成的三晶体管配置，包括四个或更多个晶体管的电路，或任何适合处理电荷的电路。在一些实施方式中，读出电路424可制作在基板402上。在一些其它实施方式中，读出电路424可制作在另一基板上，并与开关光探测器400利用芯片/晶圆接合或堆叠技术而整合或共同封装。

p掺杂区438耦合至第二控制信号432。例如，p掺杂区438可耦合至电压源；其中，第二控制信号462可以是AC电压信号，并且其相位与第一控制信号122相反。在一些实施方式中，n掺杂区436耦合至读出电路434，读出电路434可类似于读出电路424。

第一控制信号422及第二控制信号432用于控制吸收光子所生成的电子的收集过程。例如，如果第一控制信号422对第二控制信号432偏置，p掺杂区428及p掺杂区438之间形成电场，且自由电子根据电场的方向而漂移p掺杂区428或p掺杂区438。

在一些实施方式中，第一控制信号422可固定在电压值Vi，第二控制信号432可在Vi±ΔV间变换。偏置值决定电子的漂移方向。据此，当一开关(例如，第一开关408)被接“通”(即电子往p掺杂区428漂移)时，另一开关(例如，第二开关410)被关“断”(即电子受到p掺杂区438阻挡)。在一些实施方式中，第一控制信号422及第二控制信号432可具有不同电压值。

一般而言，p掺杂区的费米能级及n掺杂区的费米能级之间的(在平衡前的)差异在这二区之间形成电场。在第一开关中408，电场形成在p掺杂区428及n掺杂区426之间。类似地，在第二开关410中，电场形成在p掺杂区438及n掺杂区436之间。当第一开关408被接“通”且第二开关410被关“断”时，电子漂移到p掺杂区428，并且在p掺杂区428及n掺杂区426的电场进一步带着电子到n掺杂区426。然后可以使得读出电路424能够处理n掺杂区426收集的电荷。另一方面，当第二开关410被接“通”且第一开关408被关“断”时，电子漂移到p掺杂区438，并且在p掺杂区438及n掺杂区436之间的电场进一步带着电子到n掺杂区436。读出电路434可接着处理n掺杂区436收集的电荷。

在一些实施方式中，基板402耦合到外部控制416，例如，基板402可耦合至电接地，或低于n掺杂区426和436的电压的预设电压。在一些实施方式中，基板402可浮接或不耦合至任何的外部控制。

图4B是开关光探测器450的示例，其中开关光探测器450用于将光信号转换为电信号。开关光探测器450类似于图4A示出的开关光探测器400，但是第一开关408及第二开关410进一步分别包含n阱区452和n阱区454。此外，吸收区406可以是p掺杂层，基板402可以是p掺杂基板。在一些实施方式中，n阱区452的掺杂等级范围可以是1015cm-3至1017cm-3，基板402的掺杂等级范围可以是1014cm-3至1016cm-3。

p掺杂区428、n阱区452、吸收区406、n阱区454及p掺杂区438的排列形成PNPNP结结构。一般来说，PNPNP结结构降低了从第一控制信号422至第二控制信号432、或者从第二控制信号432至第一控制信号422的泄漏电流。

n掺杂区426、p掺杂基板402及n掺杂区436的排列形成NPN结结构。一般来说，NPN结结构降低了从第一读出电路424至第二读出电路434、或者从第二读出电路434至第一读出电路424的电荷耦合。

在一些实施方式中，p掺杂区428完全地形成在n阱区452内。在一些其它实施方式中，p掺杂区428部分地形成在n阱区452中。例如，可通过在n阱区452中注入p掺杂物形成p掺杂区428的部分，并且可通过在吸收层406中注入p掺杂物而形成p掺杂区428的另一部分。类似地，在一些其它实施方式中，p掺杂区438完全地形成在n阱区454中。在一些实施方式中，p掺杂区438部分地形成在n阱区454中。在一些实施方式中，n阱区452和454的深度较p掺杂区的深度浅。

图4C是开关光探测器460的示例，其中光探测器460用于将光信号转换为电信号。开关光探测器460类似于图4A示出的开关光探测器400，但是吸收层406进一步包含n阱区456。此外，吸收区406可以是p掺杂区，基板402可以是p掺杂基板。在一些实施方式中，n阱区456的掺杂等级范围可以是1015cm-3至1017cm-3，吸收层406及基板402的掺杂等级范围可以是1014cm-3至1016cm-3。

p掺杂区428、n阱区456及p掺杂区438的排列形成PNP结结构。一般来说，PNP结结构降低了从第一控制信号422至第二控制信号432，或者从第二控制信号432至第一控制信号422的泄漏电流。

n掺杂区426、p掺杂吸收层406及n掺杂区436的排列形成NPN结结构。一般来说，NPN结结构降低了从第一读出电路424至第二读出电路434，或者从第二读出电路434至第一读出电路424的电荷耦合。

在一些实施方式中，p掺杂区428和438完全地形成在n阱区456内。在一些其它实施方式中，p掺杂区428和438部分地形成在n阱区456中。例如，可通过在n阱区456中注入p掺杂物而形成p掺杂区428的部分，可通过在吸收层406中注入p掺杂物而形成p掺杂区428的另一部分。在一些实施方式中，n阱区的深度较p掺杂区428和438的深度浅。

图4D是用于将光信号转换为电信号的开关光探测器470的示例。开关光探测器470类似于图4C示出的开关光探测器460，但是它的n阱区458被形成为由吸收区406延伸至基板402。此外，吸收区406可以是p掺杂区，基板402可以是p掺杂基板。在一些实施方式中，n阱区456的掺杂等级范围可以是1015cm-3至1017cm-3。吸收层406及基板402的掺杂等级范围可以是1014cm-3至1016cm-3。

p掺杂区428、n阱区458及p掺杂区438的排列形成PNP结结构，这可进一步地降低从第一控制信号422至第二控制信号432，或者从第二控制信号432至第一控制信号422的泄漏电流。n掺杂区426、p掺杂基板402、n阱区458、p掺杂基板402及n掺杂区436形成NPNPN结结构，其降低从第一读出电路424至第二读出电路434、或者由从二读出电路434至第一读出电路424的电荷耦合。在一些实施方式中，n阱区458可以有效地降低电子所感知的由吸收层406至基板402流动时的潜在势垒。

图4E是开关光探测器480的示例，其中光探测器480用于将光信号转换为电信号。开关光探测器480类似于图4A示出的开关光探测器400，但是开关光探测器480进一步包含一个或多个p阱区446和一个或多个p阱区448。在一些实施方式中，一个或多个p阱区446和一个或多个p阱区448可以是环状结构的部分；环状结构围绕第一开关408及第二开关410。在一些实施方式中，p阱区446和448的掺杂等级范围可以是1015cm-3至1020cm-3。所述一个或多个p阱区246和248可以用作对来自相邻像素的光电子的隔离。

尽管图4A-4D未示出，但是在一些实施方式中，光信号可从开关光探测器的基板402的背侧进入开关光探测器。一个或多个光学器件(例如，微透镜或光导)可制作在基板402的背侧，以聚焦、校直、散焦、滤波或以其他方式操纵光信号。

尽管图4A-4E未示出，但在一些实施方式中，第一开关408及第二开关410可替选地制作成收集空穴，而非电子；在此情况下，p掺杂区428及p掺杂区438将由n掺杂区替代，n掺杂区426及n掺杂区436将由p掺杂区替代，n阱区452、454、456及458将由p阱区替代，p阱区446及448将由n阱区替代。

尽管图4A-4E未示出，但是在一些实施方式中，吸收层406可以在形成开关光探测器400、450、460、470及480后与基板接合。基板可以允许光电号412传输至开关光探测器的任何材料。例如，基板可以是聚合物或玻璃。在一些实施方式中，一个或多个光学器件(例如，微透镜或光导)可制作在承载基板上以聚焦、校直、散焦、滤波或以其他方式操纵光信号。

尽管图4A-4E未示出，但是在一些实施方式中，开关光探测器400、450、460、470及480可以(例如，通过金属-金属接合、氧化物-氧化物接合、混合接合)而与包含控制信号电路和/或读出电路和/或相位锁相回路和/或模拟数字转换器电路的第二基板接合。开关光探测器的顶部可以沉积金属层，用于做为反射器而来反射从基板402的背侧入射的光信号。增加像反射镜的金属层可以增加吸收层406的吸收效率(量子效率)。例如，通过增加反射金属层，光探测器操作在范围为1.0μm至1.6μm的长NIR波长的吸收效率可以被大幅地提升。金属层及吸收层之间可包含氧化层来增加反射率。金属层也可以作做晶圆接合工艺时的接合层。在一些实施方式中，能够增加类似于第一开关408和第二开关410的一个或多个开关来链接控制信号/读出电路。

尽管图4A-4E未示出，但是在一些实施方式中，吸收层406可部分地或完全地嵌入或凹入在基板402中以缓和表面形貌且便于制作。前述技术在美国专利公开US20170040362A1中描述。

图5A是开关光探测器500的示例，其中开关光探测器500用于将光信号转换为电信号。开关光探测器500包含制作在基板502上的吸收层506以及形成在吸收层506及基板502的上方的第一层508。基板502可以类似于前述的基板102，吸收层506可以类似于前述的吸收层106，并可例如由Ge或GeSi形成，Ge的浓度范围为1-99％。Ge或GeSi吸收层506的背景掺杂极性可以是p型且掺杂等级范围可以是10¹⁴cm^-3至10¹⁶cm^-3。所述背景掺杂等级可以取决于例如掺杂的显式合并，或者在形成吸收层506时引入的材料缺陷。开关光探测器500的吸收层506具有平台结构，基板502支撑此平台结构。虽然在图标范例中﹐侧壁可以是垂直，平台结构的侧壁轮廓可视吸收层506的生长及制作工艺的特性而有不同。

第一层508覆盖吸收层506的上表面及侧面以及基板502形成有吸收层506的上表面的部分。第一层508可由与CMOS工艺兼容的材料形成，例如：非晶硅、多晶硅、外延生长的硅、氧化铝家族(例如，Al₂O₃)、氧化硅家族(例如，SiO2)、氧化锗家族(例如，GeO2)、GeSi家族(例如，Ge0.4Si0.6)、氮化硅家族(例如，Si3N4)、高k值材料(例如，HfOx、ZnOx、LaOx、LaSiOx)及其等的任意组合。出现在吸收层506表面的上的第一层508可具有不同的效果。例如，第一层508可作为吸收层506的表面钝化层，从而可以降低出现在吸收层506表面的缺陷所生成的暗电流或泄漏电流。在锗(Ge)吸收层或锗硅(GeSi)吸收层506的情况下，表面缺陷可以是暗电流或泄漏电流的重要来源，这增加开关光探测器500生成的光电流中的噪声强度。通过在吸收层506的表面上形成第一层508，可以降低暗电流或泄漏电流，进而降低光探测器500的噪声量。在其它示例中，第一层508可调整在形成在开关光探测器500上的接触和吸收层506和/或基板502之间的肖特基势垒。所述势垒调整效果将详细说明如后。

图5B是用于将光信号转换为电信号的开关光探测器510的示例。开关光探测器510类似于图5A中示出的开关光探测器500，但是差异在于吸收层506部分地嵌入在形成在基板502上的凹部中，且开关光探测器510进一步进一部包含间隔件512。所述间隔件512可以是电介质材料，例如，将吸收层506的侧壁从基板502上分离的各种氧化物和氮化物。在一些实施方式中，间隔件512可被省略，并且吸收层506的嵌入部分可以直接地接触形成在基板502中的凹部的表面，例如，硅基板的[110]侧壁。嵌入技术在美国专利公开US 20170040362 A1中描述。

图5C是用于将光信号转换为电信号的开关光探测器520的示例。开关光探测器520类似于图5B示出的开关光探测器510，但不同之处在于吸收层506完全地嵌入在形成在基板502上的凹部。嵌入技术在美国专利公开US20170040362A1中描述。

图5D是用于将光信号转换为电信号的开关光探测器530的示例。开关光探测器530类似于图5B中图示的开关光探测器510，但不同之处在于第一开关532及第二开关542被制作在吸收层506及第一层508中。第一开关532类似于图1A示出的第一开关108，但是进一步包含耦合至第一n掺杂区534的第一读出接触535以及耦合至第一p掺杂区537的第一控制接触538。类似地，第二开关542类似于图1A示出的第二开关110，但是进一步包含耦合到第二n掺杂区544的第二读出接触545以及耦合到第二p掺杂区547的第二控制接触548。第一p掺杂区537和第二p掺杂区547可以是控制区以及第一n掺杂区534和第二n掺杂区544可以是读出区。第一读出接触535及第二读出接触545连接至类似于图1A示出的读出电路124和134所对应的读出电路。第一控制接触538及第二控制接触548连接至类似于图1A示出的控制信号122和132所对应的控制信号。

接触535、538、545和548为相应的掺杂区提供电接触，并可以是以不同的导电材料形成。示例性的接触材料包含不同的金属硅化物、Ta-TaN-Cu堆叠、Ti-TiN-W堆叠、铝及这些材料的多种组合。在一些实施方式中，读出接触535和545与控制接触538和548可以是以不同的材料形成。接触535、538、545及548可以具有各种物理构成。接触的直径或宽度可小至数十纳米。尽管只示出了单一接触535、538、545或548耦合到掺杂区，但是类似惯用的半导体器件制作工艺，两个或更多个接触可耦合至掺杂区来降低接触电阻或提升可靠度。

图5E是开关光探测器550的示例，其中开关光探测器550用于将光信号转换为电信号。开关光探测器550类似于图5D示出的开关光探测器530，但不同之处在于第一开关532及第二开关542进一步分别包含n阱区539和549以及p阱区536和546。添加n阱区及p阱区可以调整开关光探测器550的电子和/或光学特性。在一些实施方式中，n阱区539和549以及p阱区536和546的掺杂等级范围可以是1015cm-3至1017cm-3。

p阱区537、n阱区539、p型吸收层506、n阱区549及p掺杂区547的排列形成PNPNP结结构。一般来说，PNPNP结结构降低从第一控制信号122至第二控制信号132、或从第二控制信号132至第一控制信号122的泄漏电流。n掺杂区534、p阱区536、p型吸收层506、p阱区546及n掺杂区544的排列形成NPN结结构。一般来说，NPN结结构降低从第一读出电路124至第二读出电路134、或从第二读出电路134至第一读出电路124的电荷耦合。

在一些实施方式中，p掺杂区537完全地形成在n阱区539内。在一些其它实施方式中，p掺杂区537部分地形成在n阱区539中。例如，可通过在n阱区539中注入p掺杂物而形成p掺杂区537的部分，可通过在吸收层506中注入p掺杂物而形成p掺杂区537的另一部分。类似地，在一些实施方式中，p掺杂区547完全地形成在n阱区549中。在一些其它实施方式中，p掺杂区547部分地形成在n阱区549中。在一些实施方式中，n阱区539和549形成包含p掺杂区537和547至少一部分的连续n阱区。

在一些实施方式中，n掺杂区534完全地形成在p阱区外。在一些其它实施方式中，n掺杂区534部分地形成在p阱区536中。例如，可通过在p阱区536中注入n掺杂物而形成n掺杂区534的部分，可通过在吸收层506中注入n掺杂物而形成n掺杂区534的另一部分。类似地，在一些实施方式中，n掺杂区544完全地形成在p阱区546外。在一些其它实施方式中，n掺杂544部分地形成在p阱区546中。

尽管图5D和5E示出具有部分嵌入吸收区506的开关光探测器，但是同样的结构能够被用在具有非嵌入吸收层506的开关光探测器500以及具有完全嵌入吸收层506的光开关探测器520中，以达成类似的效果。

虽然为了便于图示，n阱区539和549以及p阱区536和546被画在一起；但是在实际实施时，这些阱区可以独立实现，或者以任意结合方式实现。

图5F是用于将光信号转换为电信号的开关光探测器560的示例。开关光探测器560类似于图5D中示出的开关光探测器530，但不同之处在于开关532和开关542对应的p掺杂区537和547被省略。结果，第一控制接触538及第二控制接触548对第一层508形成肖特基结。肖特基结是当半导体未故意掺杂或掺杂中度杂杂物浓度例如低于1x1015 cm-3时形成在金属及半导体之间的电结。在第一控制接触538及第二控制接触548间穿过第一层508及吸收层506的区562标记有泄漏电流路径，此泄漏电流路径将参照图5G进行详细说明。

图5G是形成在控制接触538和548之间的泄漏电流路径的能带图570的示例。能带图570示出电荷载流子例如电子572和空穴574在泄漏电流路径不同位置的不同能级。纵轴对应能级E，横轴对应沿着形成在控制接触538和548之间的泄漏电流路径的位置x。在此示出第一控制接触538的电位高于第二控制接触548的电位(例如，第一控制信号122的电压较第二控制信号132的电压低)的一个示例场景。电位差以整个能带图的从第一控制接触538到第二控制接触548的下降斜率来表示。示出的能级和位置关系仅为了图示目的，可能并不表示实际数值。

电子势垒573和空穴势垒575是肖特基势垒的示例。肖特基结的特征为存在肖特基势垒，肖特基势垒是电子572及空穴574为了通过肖特基结所需克服的势能垒。势垒573和575的数值可依接触538和548的材料的功函数以及第一层508的材料而改变。这样，通过选择合适的接触和第一层材料组合，可以设定所需电子势垒573及空穴势垒575。

电子572必须克服第一控制接触538和第一层508之间的电子势垒573。通过提供足够高的电子势垒573，可以使提供给第一控制接触的控制信号122的电位不能克服势垒573。借此，电子势垒573可以阻挡电子572流动到吸收层506。在可能由于电子572的热能的统计波动(“热离子发射”)或量子隧穿电子572可穿越吸收层506并传递至与第二控制接触548相邻的第一层508的情况下，电子572可以流过吸收层506到邻近第二控制接触548的第一层508。另一电子势垒出现在吸收层506和第一层508之间的结，其进一步地阻止电子传递至第二控制接触548，进而降低电子572从第一控制接触538向第二控制接触548传递所生成的泄漏电流。

类似地，空穴574必须克服在第二控制接触548和第一层508之间的势垒575。通过提供足够高的空穴势垒575，可以让提供给第二控制接触的控制信号132的电位足以克服势垒575。借此，空穴势垒575可阻挡空穴574传递至吸收层506。在由于空穴574的热能的统计波动(“热离子发射”)或量子穿过校应空穴574可穿越吸收层506并传递至与第一控制接触538相邻的第一层508的情况下，空穴574可以流过吸收层506到邻近第一控制接触538的第一层508。另一空穴势垒出现在吸收层506和第一层508之间的结，其可以进一步阻挡空穴574传递至第一控制接触538，进而降低空穴从第二控制接触548向第一控制接触538传递所生成的泄漏电流。

当光照射吸收层506时，光的光子576可在吸收层506的价带被电子吸收，进而建立出如同光子576旁边以垂直箭头所指示的电子-空穴。电子-空穴对中的电子形成要被读出电路124和/或134所对应的读出接触535和/或545读取且不流动至控制接触538和548的光电流。在这种情况下，由第一层508和吸收层506间的结所形成的势垒可避免此流动，进而提升读出电路的光电流收集效率。

当第一层508(例如，非晶硅、多晶硅、结晶硅或锗硅)被插入控制接触538、548及吸收层506(例如，GeSi台面)之间时，金属半导体结的肖特基势垒被改变，使得可以部分遮蔽由接触538和548注入第一层508的电子或空穴。ToF像素例如在此描述的开关光探测器的能耗部分地取决于连接至二控制电路的二控制接触538和548间流动的部分泄漏电流。如此，通过部分遮蔽由接触538和548注入的电子或空穴，能够大幅地降低ToF像素的能耗。

图5H是开关光探测器580的示例，其中开关光探测器580用于将光信号转换为电信号。开关光探测器580类似于图5F示出的开关光探测器560，但不同之处在于开关光探测器580进一步包含n阱区539和549以及p阱区536和546，并且已经关于图5E描述n阱区539和549以及p阱区536和546的结构及效果。此外，n阱区539和549与在控制接触538、548下方的第一层508的部分重叠，这提高在吸收层506内部的电压降。提高吸收层506内部的电压降增加建立在吸收层506内部的电场强度，其进而提升由读出电路124和/或134通过对应的读出接触535和/或545捕获光生电子的能力。

图5I是用于将光信号转换为电信号的开关光探测器582的示例。开关光探测器582类似于图5E所示出的开关光探测器550，但不同之处在于第一开关532位于基板502上并邻接在吸收区506的左侧，第二开关542位于基板52上并邻接在吸收区506的右侧。开关光探测器582的操作类似于前述开关光探测器的操作。然而，相较于形成在接触及Ge或GeSi吸收层506之间的电接触，形成在接触例如读出接触535和545或控制接触538和548和硅基板502之间的电接触通常具有低暗电流或泄漏电流(例如，由于基板502与吸收层506相比具有更少的材料缺陷)，总体暗电流或泄漏电流可以比图5E示出的光探测器550的配置降低。此外，由于开关配置在基板502上，在吸收区506因吸收光而生成的光生载流子能够在到达读出电路124和134前从吸收区506流动至基板502。基于吸收区506及间隔件512的特定几何形状及其等材料的不同，光载流子可通过间隔件512传导，在间隔件512周边流动，或其组合。

在一些实施方式中，p掺杂区537和547可以在类似于图5F示出的配置中进行省略。虽然n阱区539和549以及p阱区536和546为了图示目的被图示在一起，这些阱可以被省略、可以独立实现，或者以任意结合方式实现。

图5J是用于将光信号转换为电信号的开关光探测器586的示例。开关光探测器586类似于图5I示出的开关光探测器582，但不同之处在于开关532和542的相应p掺杂区537和547被省略；借此，第一控制接触538和548对第一层508形成肖特基结。肖特基结的效果已关于图5F-H进行了描述。由于变更后的开关光探测器586的几何形状与开关光探测器506相关，图5G示出的能带图570仍适用于开关光探测器586中的区562，形成在第一层508的势垒现在由对应的第一层508、基板502及间隔件512来形成。

虽然n阱区539和549以及p阱区536和546为图示的目的图示在一起，但这些阱可以省略、可以独立实现，或者以任意结合方式实现。

图5K是开关光探测器588的示例，其中开关光探测器588用于将光信号转换为电信号。开关光探测器588类似于图5I示出的开关光探测器582，但不同之处在于第一开关532进一步包含第二p掺杂区537a、耦合到第二p掺杂区537a的第三控制接触538a和与第二p掺杂区537a接触的第二n阱区539a，并且以及第二开关542进一步包含第二p掺杂区547a、耦合到第二p掺杂区547a的第四控制接触548a和与第二p掺杂区547a接触的第二n阱区549a。第二p掺杂区537a和537b分别类似于第二p掺杂区537和547。第二n阱区539a和549a分别类似于第二n阱区539和549。第三控制接触538a类似于第一控制接触538，第四控制接触548a类似于第二控制接触548。第三控制接触538a连接第一控制信号122，第四控制接触548a连接第二控制信号132。

第一控制接触538及关联的掺杂区并不是直接地接触吸收区506，因此将第一控制信号122施加到第一控制接触538而在吸收区506内部所建立的电场，与图5E示出的开关光探测器550将第一控制接触538直接地接触吸收层506所建立的电场相比弱。通过增加第三及第四控制接触538a和548a以及相关掺杂区，开关光探测器586的载流子收集控制效率可较图5I示出的开关光探测器582提升且与图5E示出的开关光探测器550的载流子收集控制效率相近；然而将接触移至基板502﹐仍能部分保留降低暗电流或泄漏电流的优点。此外，吸收区的大电场能够让光探测器的带宽增加，加快第一开关532及第二开关542的切换，且额外增加的控制接触538a和548a也可以提升光探测器584的操作速度。

尽管示出的第三控制接触538a和第四控制接触548a被示出为与第一控制接触538和第二控制接触548共享控制信号122和132，但是在一些实施方式中，接触538a和548a可耦合至不同于第一控制信号122和第二控制信号132的控制信号。例如，提供给第三控制接触538a的控制信号可小于提供给第一控制接触538的第一控制信号122，因为由于第二p掺杂区537a接近由吸收区506生成的载流子，相较于提供给第一控制接触538的第一控制信号122，提供给第三控制接触538a的控制信号能对光生载流子具有较大效果；同样的机制也适用于供给第四控制接触548a的控制信号。

在一些实施方式中，第二p掺杂区537a和547a可以被省略而形成肖特基结，其效果可参考图5F-5H的说明。为了方便绘制，n阱区539和549以及p阱区536和546被画在一起；但是在实际实施时，这些阱可以独立实现，或者以任意结合方式实现。

尽管图5D-5K描述了具有部分嵌入吸收层506的开关光探测器的多种结构，但所述结构也可以应用在具有完全突出吸收层506的开关光探测器例如图5A示出的结构以及具有完全嵌入吸收层506结构的开关光探测器例如图5C示出的结构并实现类似的效果。

在图5A-图5K中描述的开关光探测器可合并至前侧照射(FSI)图像传感器或后侧照射(BSI)图像传感器中。在FSI配置中，光从第一层508的顶部进入光探测器。在BSI配置中，光从基板502的底部进入光探测器。

控制区(例如，p掺杂区537和547)及读出区(例如，n掺杂区534和544)可具有不同高度。例如，对于开关光探测器530、550、560和580以及对于任何控制区和读出区位于吸收区506的结构，对应于读出区或控制区的部分吸收区506可以进行蚀刻，且读出区或控制区可以形成在蚀刻部分上，如此能够在控制区和读出区间形成垂直偏移。类似地，对于开关光探测器582、586和588以及对于任何控制区和读出区位于基板502的结构，对应于读出区或控制区的部分基板502可进行蚀刻，且读出区或控制区可以是形成在蚀刻部分，如此能够在控制区及读出区之间形成垂直偏移。

在一些实施方式中，透镜可配置在入射光的光学路径上。透镜可例如是微球透镜或菲涅尔环(FZP)透镜。在其它示例中，对于硅基板502，透镜可通过蚀刻基板502而直接形成在基板502上。透镜的详细结构将参照图7A-图7C进行详细说明。

在一些实施方式中，吸收层506及间隔件512之间的接口可分别掺杂有n或p型掺杂物以提升对空穴和电子的电隔离。在一些实施方式中，吸收层506和基板502之间的接口(例如，底接口)可掺杂有n或p型掺杂物，以提升对空穴和电子的电隔离。

图6A是用于将光信号转换为电信号的开关光探测器600的示例。开关光探测器600包含基板502、吸收区506、第一开关532、第二开关542和反掺杂区610。反掺杂区610配置在吸收区506内，第一开关532及第二开关542配置在吸收层506上；基板502、吸收区506、第一开关532以及第二开关542已经于图5D进行描述。

反掺杂区610是吸收区506的一部分，其中掺杂了掺杂物种来降低吸收区506的净载流子浓度。未掺杂的半导体材料具有可以对电流传导作出贡献的一定浓度的电荷载流子，即使在没有掺杂物的情况下——这被称为半导体的本征载流子浓度。吸收区506通常由半导体材料形成，例如：硅、Ge或两者的合金，并具有相关的本征载流子浓度。本征载流子浓度可根据不同的因素而变化，例如材料制备方法及缺陷等级(缺陷浓度)。材料制备方法例如包含外延生长、化学气相沉积(CVD)、有机金属化学气相沉积(MOCVD)及物理气相沉积(PVD)，且不同的材料制备方法可生成不同的材料缺陷等级。一般而言，材料缺陷越多﹐则本征载流子浓度量越高。例如，块状结晶的锗在室温下可以具有约2*1013cm-3的本征类p型载流子浓度，而外延生长的锗可具有约5*1014cm-3的更高一个数量级的本征类p型载流子浓度。取决于材料特性及缺陷的种类，半导体材料可以是p型或n型。

降低开关光探测器例如开关光探测器600的泄漏电流来降低能耗对ToF像素来说是重要的。开关光探测器的部分泄漏电流来自于在控制区之间流动的泄漏电流，例如在p掺杂区537和547之间流动的电流。降低这样的电流的一个方法是降低在p掺杂区537和547之间的吸收区506的净载流子浓度。净载流子浓度是在可用于传导电流的载流子浓度，并可通过结合本征载流子浓度及杂质贡献的外部载流子浓度进行判断。通过适当地选择杂质的电性、种类及浓度，可对本征载流子浓度进行补偿，或以掺杂物进行“反掺杂”来让半导体材料具有较低的净载流子浓度。典型地，当本征及净载流子具有相同极性即均为p型或n型时，在控制区之间的泄漏电流与净载流子浓度成比例。

在反掺杂区610的掺杂物的类型可依不同因素进行选择，例如形成吸收区506的材料或在吸收区506中的掺杂物的种类。例如，在Si基板502上外延生长的Ge一般是p型材料。在这种情况下，n型掺杂物例如磷、砷、锑、氟可用于掺杂反掺杂区610。掺杂可通过不同的方式执行，包含在材料生长期间进行注入、扩散及原地(in-situ)掺杂。在一些情况下，掺杂物例如氟可以钝化缺陷。钝化的缺陷将不再作为电荷载流子的来源，且掺杂了氟的吸收区506的净载流子浓度可降低并变得更为本征。

可基于吸收区506的本征载流子浓度选择用于反掺杂区610的掺杂物浓度。例如，本征载流子浓度约为5*1014cm-3的外延生长的锗可掺杂有约5*1014cm-3的反掺杂浓度，以朝向约为2*1013cm-3的块状结晶的Ge的本征载流子浓度减少本征载流子。一般来说，反掺杂浓度可在1*1013cm-3至1*1016cm-3的范围内。在一些实施方式中，反掺杂区610的不同区域可以具有不同的掺杂物浓度。例如，在接近材料接口处例如吸收器506的底面的区域可以由于增加的缺陷等级而具有较高的本征载流子浓度，高的反掺杂等级可以提供较佳的补偿。在一些实施方式中，反掺杂物浓度可高于吸收区506的本征载流子浓度；在这样的情况下，吸收区506的极性可从p型变更为n型，或由n型变更为p型。

虽然示出的反掺杂区610能够完全地覆盖n掺杂区534和544以及p掺杂区537、547；但是反掺杂区610也可仅覆盖p掺杂区537和547，或者n掺杂区534和544。其次，尽管示出的反掺杂区610是连续区，但是反掺杂区610也可以是两个或更多个分离区。此外，尽管示出的反掺杂区610是吸收区506的一部分，但是反掺杂区610也可横跨整个吸收区506。

在一些实施方式中，反掺杂区610可作为掺杂物扩散抑制器，并用于提供陡峭结轮廓的结构。在反掺杂区610及p掺杂区537和547之间的陡峭结轮廓的结构可以降低泄漏电流，从而降低ToF像素的能耗。例如，在Ge吸收区506中，氟掺杂可以抑制在n掺杂区534中的磷掺杂物扩散。

一般来说，反掺杂区610可以在不同的开关光探测器的实施例中实现，从而降低控制区之间的泄漏电流。

在一些实施方式中，p掺杂区537和547可以被省略，但是这导致肖特基结结构的生成，而其效果已关于图5F-5H进行描述。

图6B是用于将光信号转换为电信号的开关光探测器620的示例。开关光探测器620类似于图6A示出的开关光探测器600，但不同之处在于第一开关532和第二开关542进一步分别包含n阱区612和614。添加n阱区可以修改开关光探测器620的电气和/或光学特性。在一些实施方式中，n阱区612和614的掺杂等级范围可以是10¹⁵cm^-3至10¹⁷cm^-3。在一些实施方式中，n阱区612和614可从吸收区506的上表面延伸至反掺杂区610的下表面，或者吸收层506和基板502之间的界面。

p掺杂区537、n阱区612、反掺杂区610、n阱区614及p掺杂区547排列形成PNINP结结构。一般来说，PNINP结结构降低从第一控制信号122至第二控制信号132、或从第二控制信号132至第一控制信号122的泄漏电流。

在一些实施方式中，p掺杂区537完全地形成在n阱区612内。在一些其它实施方式中，p掺杂区537部分地形成在n阱区612中。例如，p掺杂区537的一部分可通过注入p掺杂物而形成在n阱区612中，p掺杂区537的另一部分可通过注入p掺杂物而形成在反掺杂区610中。类似地，在一些实施方式中，p掺杂区547完全地形成在n阱区614内。在一些其它实施方式中，p掺杂区547部分地形成在n阱区614中。在一些实施方式中，n阱区612和614形成同时包含p掺杂区537和547的至少一部分的连续n阱区。

开关光探测器的操作速度或带宽为应用时的重要性能参数，并且对高速光探测有益，例如ToF探测。能够影响开关光探测器带宽的开关光探测器的特性之一是光探测器的实体尺寸，例如光探测器能接收光的面积。降低开关光探测器的面积例如导致器件电容减少、载流子流动时间缩减或前述两者的组合，这通常导致开关光探测器的带宽增加。然而，减少开关光探测器的探测面积可以导致开关光探测器所测得的光量(即光子的数量)也减少。例如，对每单位面积预定光强度的光来说，降低探测器的面积减少其所能探测到的光。

对于同时受益于高带宽及高探测效率的应用例如ToF探测，在光探测器的前方增加微透镜可以是有利的。微透镜能够将入射光对焦在光探测器上，进而允许小面积的光探测器能够在大过其本身的面积上探测入射光。例如，适当设计的微透镜和间隔层(SL)的组合，可以通过微透镜的有效焦距将微透镜与光电检测器分开，从而可以将入射光聚焦到衍射极限点上，其量级为入射光的光波长的平方。这样的方案可以允许减小光电探测器面积，同时减轻光电探测器面积减小的潜在缺点。

图7A示出整合硅透镜于光探测器的示例结构700的剖视图。结构700包含供体晶圆710和承载晶圆730。供体晶圆710包含多个像素720a-720c(合称为像素720)、通孔714、金属垫716及第一接合层712；承载晶圆730包含第二接合层732。供体晶圆710及承载晶圆730通过第一接合层712及第二接合层732而彼此接合。基板710可以是类似于图5A示出的基板502，吸收区706可以是类似于图5A-5L示出的吸收区506。

像素720a-730c包含吸收区706a-706c以及微透镜722a-722c(合称为微透镜722)。微透镜722是整合在供体晶圆710中或在供体晶圆710上的凸透镜。在受益于高光收集效率的应用中，例如ToF探测，附加的微透镜722可能是有益的。微透镜722的凸结构能够让入射到微透镜722的光聚焦在吸收区706，这可以提升像素720的光收集效率，进而提升像素性能。在供体晶圆710的背侧配置具有微透镜722的像素720可以称为背照式技术。

微透镜722的特性影响其性能，包含其几何参数及其构成材料。微透镜722一般以平凸结构来实现；微透镜722的一个面对入射光的表面为凸面并具有曲率半径，另一个与供体晶圆710结合(微透镜722结合在供体晶圆710中或整合在供体晶圆710上)的表面为平面。平凸结构的微透镜722可以通过标准半导体工艺技术进行制作。微透镜722可具有高度HL和直径DL，并可以与吸收区706的透镜面对表面隔离高度HO。在一些实施方式中，HL的范围可以是1至4μm，HO的范围可以是8至12μm，HA的范围可以是1至1.5μm，DL的范围可以是5至15μm。在一些实施方式中，对球型微透镜722，其曲率半径可以被设定使得焦距大约等于HO以实现光最优聚焦至吸收区706。焦距及曲率半径的尺寸可以通过不同模拟技术决定，例如：射线传播法(BPM)和时域有限差分(FDTD)技术。在一些实施方式中，微透镜722为非球面透镜。

微透镜722能够由不同的材料和工艺形成。一般来说，能够对像素720所要探测的波长而言是透明的多种材料可以用于制作微透镜722。例如，微透镜722可以中高折射率(例如，大于1.5)的材料制作而成，例如：结晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、聚合物或其组合等组成。在可见光波长，一般使用聚合物材料制作微透镜。在NIR波长，多使用硅制作微透镜；这是因为硅对NIR波长来说是相对透明的，并具有高的折射率(在1000nm波长约为3.5)，因此硅是适合用于NIR波长的透镜材料。此外，硅对于可见光(例如，小于800nm)具有高吸收，硅微透镜可防止相当程度的可见光入射到吸收区706，这对于NIR波长探测的应用(例如，ToF探测)是有益的。可以通过图案化及蚀刻供体晶圆710的表面来制作结晶硅微透镜722，供体晶圆710是典型的结晶硅晶圆。在其它示例中，多晶硅或非晶硅可沉积在供体晶圆710的表面上，并经图案化及蚀刻进行类似的制作。通过蚀刻结晶硅供体晶圆710或者蚀刻沉积在供体晶圆710上的多晶硅或非晶硅的透镜形成是在供体晶圆710上一体形成微透镜722的示例性方法。

微透镜722的图案化工艺可例如使用灰阶微影技术来进行。在灰阶微影技术中，待图案化的特征(例如，微透镜)利用曝光剂量的局部分级进行曝光，其将光罩上的渐变厚度进行图案转移以便于进行显影。例如，光罩可以进行图案化而具有与微透镜722相类似的形状。然后通过半导体蚀刻技术，例如等离子基方向性蚀刻技术，将被图案化的形状转移到材料(例如结晶硅供体晶圆710)的底部来完成微透镜722的制作。在一些实施方式中，曝光的局部区域的阶度罩可以例如通过改变光罩上的次波长特征的填充因子来达成。

吸收区706可以类似于关于图5A描述的吸收区506，承载晶圆730可包含耦合至像素720的不同电子电路。例如，电子电路可通过例如是穿孔714的结构进行耦合。穿孔714可耦合至金属垫716并通过例如导线而接合外部的电子设备。

承载晶圆730和供体晶圆710彼此可以通过技术而接合或机械附着。例如，第一接合层712及第二接合层732可以是氧化物(例如，二氧化硅)，并以氧化物-氧化物接合技术而相互接合。在其它示例中，第一接合层712及第二接合层732可以是金属(例如，铜)，并以金属-金属接合技术而相互接合。在另一示例中，第一接合层712及第二接合层732可以是金属和氧化物的组合(例如，氧化硅和铜)，并以混合接合技术而相互接合。

图7B示出整合硅透镜于光探测器的示例结构740的剖视图。结构740包含微透镜742、抗反射涂覆(ARC)层744、间隔层746、第一层748、第二层750、硅层752及光探测器754。微透镜742支撑ARC层744，间隔层746支撑微透镜层742。硅层752可以支撑光探测器754，或者光探测器754可以形成在硅层752中。第一层748及第二层750可以是硅层752和间隔层746之间的中间层。

提供ARC层744以降低光入射到微透镜742的反射率。例如，ARC层744可以被设计成具有是微透镜742的折射率的平方根的折射率，并同时具有相当于入射波长的四分之一的厚度。在一些实施方式中，ARC层744可以由二氧化硅形成。在一些实施方式中，ARC层744可以是多层结构形成的多层ARC。

结构740可以是相当于整合透镜在背照式(BSI)图像感测结构。例如，硅层752能够是硅基板，例如图7A示出的基板710或图5D示出的基板502；光探测器754可例如为图5D的开关光探测器530。硅层752及第二层750之间的界面可以对应于图5D的基板502中与吸收区506相反的底面。在BSI配置中，形成在硅层752上的第二层750例如基板502的背侧能够包含通常以BSI图示的传感器晶圆制作的多种结构和层；这样的结构和层的示例包含用以降低光在硅层752的界面反射的ARC层以及用以阻挡进入除了用于接收光的区域的硅层752例如微透镜742的底部的光的金属网格，例如钨网格。第一层748可以是提升间隔层746到第二层750的粘附的薄层，并用于增加结构740的可制作性及可靠度等。第一层748的材料可以例如为各种的电介质材料(例如，SiO2、SiON和SiN)或聚合物。在一些实施方式中，第一层748可以视第二层750及间隔层746间的交互(例如，在间隔层746可与第二层750具有良好粘附的情况下)而被省略。

结构740可由下列方式制作：提供包含硅层752、光探测器754和第二层750的传感器晶圆，并依序沉积第一层748、间隔层746、微透镜742和ARC层744；接着再进行图案化及蚀刻而露出金属垫，金属垫类似于图7A示出的金属垫716。微透镜742可以通过图7A示出的用于制作微透镜722的技术进行图案化及蚀刻。尽管在此所示的ARC层744局限在微透镜742的表面，但是般来说，ARC层744可以延伸到其它表面，例如微透镜742的侧面或间隔层746的上表面。

在作为示例给出用于在工作波长为940nm的结构740在一特定实施时的各种器件特性。微透镜742具有1.5316的折射率、6μm的曲率半径、4μm的高度、以及10μm的直径DL。ARC层744以SiO2形成，且具有在940nm波长下1.46的折射率和160.96nm的厚度。间隔层746具有折射率为1.5604，厚度为10μm。第一层748具有折射率为1.5507，以及厚度为60nm。第二层750具有钨网格以及用于硅层752的ARC层。尽管已提供了前述参数，但结构740的特性仍然例如依照不同的工作波长、材料及光探测器754的尺寸进行调整。

在一些实施方式中，第二层750可以被称为“顶层”，这是因为第二层750形成在一BSI图像传感器的硅基板的顶部，并可以经调整而提升结构740的整体光学性能。如在前所述，第二层750包含嵌入在介电层中的金属网格，例如嵌入在SiO2中的钨网格。当光直接从空气进入硅层752时，SiO2层可以作为ARC层。然而，由于额外的微透镜742、间隔层746和第一层748的折射率远大空气的折射率(约为1.0)，故SiO2可能无法有效地降低在硅层752和堆叠的第一层748和/或间隔层746的界面的光学反射。

表1示出对应于结构740的仿真参数及计算得到的穿过率，层及厚度经修改和/或近似来让结构740在不同实现下能达到预期的穿过率。

参考表1，情况1对应的第二层750包含标准单层SiO2，其经模拟得到的穿过率约为79％。对于需要将入射光最大化的应用，诸如21％的入射光损失可能是无法接受的。通过在SiO2层及硅层752之间增加Si3N4层，可缓和穿过率降低的问题。通过增加约121nm的Si3N4，穿过率可提升至约97.6％。如此，中间层可以被称为ARC层。一般来说，折射率大于SiO2的各种光学透明材料可以用于替代Si3N4。示例材料包括可与CMOS工艺兼容的SiON、SiN、Al2O3、HfO2、ZrO2、La2O3以及高k值材料(例如，材料具有高介电常数)。适合的材料可以具有高于例如是1.6、1.7、1.8、1.9或2.0的折射率。材料的厚度应调整为进入材料内的光波长的四分之一的奇数倍。

直接在在硅层752上增加Si3N4或高k值的材料可能导致光探测器754的暗电流增加，这例如是由于相较于硅-SiO2界面，硅-Si3N4界面表面缺陷的增加。在一些实施方式中，能够通过将SiO2的第二层插入Si3N4层及硅层752之间来缓和增加的暗电流。插入SiO2的第二层的厚度的范围为10nm至50nm，让所对应的穿过率提升到约97.1％至85％。如此，插入例如10nm的薄SiO2，可以有利于在保持高光学穿过率的条件下，减轻暗电流的增加。

如在前所述，流过开关光探测器的控制区的低泄漏电流是重要的性能参数，因为低的泄漏电流能够让包含光探测器的设备的能耗降低。另一个重要的性能参数是在开关光探测器的读出电路及控制区之间流动的暗电流，暗电流贡献于开关光探测器测得信号中的噪声且降低测量ToF信号的信噪比。

图8A是开关光探测器的开关800的示例。开关800可以被用于作为在各种开关光探测器中的第一或第二开关。如关于图5A所述，开关800形成在具有第一层508的吸收区506中。开关800包含n掺杂区802、耦合到n掺杂区802的读出接触804、轻微掺杂n阱区806、p掺杂区812、耦合到p掺杂区812的控制接触814、轻微掺杂p阱区816，以及n阱区818。n掺杂区802及p掺杂区812的边缘之间间隔距离S。n掺杂区802和p掺杂区812可以类似于图5E的第一n掺杂区534和第一p掺杂区537。n阱区818可以类似于图5E中的n阱区539。读出接触804和控制接触814可以类似于图5E中的第一读出接触535和第一控制接触538。p掺杂区812可以是控制区，n掺杂区802可以是读出区。

在由控制区(p掺杂区812)、吸收区506(未掺杂/本征)，以及读出区(n掺杂区802)形成的横向PIN二极管的暗电流的来源包含肖克利-瑞得-霍尔(Shockley-Read-Hall，SRH)生成及带间隧穿。出现在吸收区506表面的表面缺陷可能影响SRH生成。添加第一层508减少了部分的表面缺陷，而这可以降低因SRH生成的暗电流。增加n掺杂区802和p掺杂区812之间的距离S也能够例如由于在n掺杂区802和p掺杂区812之间的电场降低而降低暗电流，这同时也减少了在前述两区间的SRH生成率。例如，距离S应该保持在400nm以上。然而，增加距离S可以例如由于增加了载流子的流动时间而让光探测器的带宽缩小。增加低掺杂n阱区806、低掺杂p阱区816或其组合可有助于克服这样的权衡。

低掺杂区806和816的掺杂物浓度分别低于n掺杂区802和p掺杂区812的掺杂物浓度。例如，低掺杂区806和816的掺杂物浓度能够是1*1017cm-3级，这低于n掺杂区802和p掺杂区812在1*1019cm-3级的掺杂物浓度。存在低掺杂区可降低掺杂区802、812和吸收区506之间的掺杂物浓度不连续问题，并且低掺杂区可具有1*1015cm-3级或更低的掺杂物浓度。通过提供中间掺杂物浓度的区，能够减弱掺杂区802和812边缘的电场值。减弱电场值可降低带间隧穿，进而降低在二掺杂区802和812之间的暗电流。此外，可以降低SRH贡献的暗电流。一般来说，低掺杂区806和816的掺杂浓度可以根据不同的因素，例如开关的几何形状、掺杂区802和812的掺杂浓度及吸收区506的掺杂浓度进行调整。

图8B是开关光探测器的开关820的示例。开关820类似于图8A示出的开关800，但不同之处在于通过形成在吸收区506中的沟槽822来替代低掺杂区806和816，且沟槽822内填充有电介质填充物824。填充有电介质填充物824的沟槽822能够降低暗电流。

电介质填充物824通常是具有较周围吸收区506低的介电常数的电绝缘材料。相较于高介电常数的区，电场更能够贯穿具有低介电常数的区。通过安置填充物的沟槽822在掺杂区802和812附近，一些围绕在掺杂区802、812以及在掺杂区802、812周围的空乏区(“空间电荷区”)中的高电场区被带入电介质填充物824中；据此，降低了在吸收区506中的SRH生成和/或带间隧穿。此外，不同于锗吸收区506，电介质填充物824例如SiO2是绝缘体且不贡献于SRH生成和/或带间隧穿。因此，能够降低因SRH生成和/或由掺杂区802、812边缘的高电场引起的带间隧穿生成的暗电流。

沟槽822可通过干式蚀刻(例如，等离子蚀刻)或湿式蚀刻(例如，液体化学浴)技术来蚀刻吸收区来形成。沟槽822蚀刻的深度可类似于掺杂区802和812的深度(例如，10-200nm)。沟槽822至少与n掺杂区802或p掺杂区812周围的高电场区部分重叠。在一些实施方式中，沟槽822切入掺杂区802和812，移除n掺杂区802和p掺杂区812的一部分。一旦沟槽822形成后，第一层508可沉积在沟槽822上方以钝化出现在沟槽822表面的缺陷。对锗吸收区806来说，第一层508可以例如是非晶硅、多晶硅或其组合。之后，沟槽822中填充电介质填充物824，电介质填充物824可例如为SiO2。电介质填充物824应经过清洁使其不具有相当浓度的杂质来避免生成暗电流。

在一些实施方式中，沟槽的深度可较掺杂区802和812的深度深。例如，掺杂区802和812的深度可约为100nm，沟槽的深度可达到200nm以降低SRH生成和/或带间隧穿。在一些实施方式中，可观察到掺杂区802和812周围的SRH生成和/或带间隧穿有大于50％的减少。

图8C是开关光探测器的开关830的示例。开关830类似于图8A示出的开关800，但进一步包含图8B的沟槽822及电介质填充物824。较单独实现低掺杂区806、816或沟槽822，同时实现低掺杂区806和816以及沟槽822能够进一步地降低SRH生成和/或带间隧穿。

一般来说，利用低掺杂区806和816，或者沟槽822降低的暗电流取决于开关的特定设计和包含有开关的开关光探测器的整体设计。因此，即使图8C示出的开关同时包含低掺杂区806、816和沟槽822，但是实现低掺杂区、凹部或其结合关键仍然取决于开关光探测器中的开关的特定设计。此外，虽然仅示出了单沟槽822的示例，但一般来说，沟槽822可分割为两个或更多个沟槽。

尽管图8A-8D的实施方式中包含第一层508及n阱区818，但是在一些实施方式中，第一层508及/或n阱区818可以被省略。

到目前为止，已经描述了不同的开关光探测器及开关光探测器中的开关。现在，将描述开关光探测器的不同结构及器件。

开关光探测器一般制作在基板上，例如基板102、202、302、402及502。基板为其上制作开关光探测器承载的材料。半导体晶圆为基板的示例。基板可以是开关光探测器的部分；但是一般来说，基板可以仅提供其上制作开关光探测器的机械平台。基板可以使用不同的材料制成，例如硅、锗、化合物半导体(例如，III-V、II-VI)、碳化硅、玻璃以及蓝宝石。基板可包含在其中的不同层。例如，硅覆绝缘层(SOI)基板包含硅的基层、在硅的基层上的绝缘体层(例如，SiO2)以及在绝缘体层上的硅的器件层。SOI可额外包含器件层-绝缘体层对。例如，双SOI晶圆包含两个器件层-绝缘层对。

开关光探测器包含吸收层，其用于吸收入射光，并将入射光转换为电荷载流子。吸收层106、206、306、406以及吸收区506、706为吸收层的示例。吸收区可以由各种吸收开关光探测器操作波长的光的吸收材料形成。吸收区的示例材料包含硅、锗、IV-IV半导体合金(例如，GeSn、GeSi)、III-V族化合物半导体(例如，GaAs、InGaAs、InP、InAlAs、InGaAlAs)及在周期表第三、四、五族的其他材料。在一些实施方式中，吸收区可以是基板中的区。例如，硅基板中的区可用于可见光的吸收区。

在一些实施方式中，吸收区可以通过材料组成的改变(例如不同的GeSi组成)、掺杂吸收材料的区(例如，反掺杂区)，或者通过形成光学窗以供光通过(例如，在BSI图像传感器中的钨网格开口)而被定义在光吸收材料中。

吸收材料可沉积在基板上。例如，吸收材料可以毯覆式沉积在基板上。在一些实施方式中，吸收材料可沉积在形成在基板上的中间层上。一般来说，中间层可以基于吸收材料、基板或前述两者来选择。这样的中间层可以提升器件的可制作性和/或提升器件性能。中间层的材料的示例包含硅、渐变锗硅复合材料、渐变III-V材料、锗、GaN和SiC。渐变材料为沿着至少一方向改变其材料组成的材料。例如，在渐变GeSi材料中，其Ge成分从其一端的1％变化到另一端的99％。一般来说，开端及终端的成分可以例如视根据基板组成及吸收材料的组成进行设定。

在一些实施方式中，吸收层的材料可以在一个或两个步骤中外延生长在中间层上。例如，吸收层(例如，Ge、GeSi)可以沉积具有开口的中间层上，中间层开口至其下方的基板(例如，结晶硅基板)。当吸收材料沉积在具有不匹配晶格常数基板上时，多步骤生长工艺可以提升材料质量(例如，降低材料缺陷数量)。这样的多步骤生长工艺在美国专利第9786715号、标题为“High Efficiency Wide Spectrum Sensor”中，其通过引用完全并入于此。

图9A-9D示出用于开关光探测器中的电端子的示例。参考图9A，电端子900包含区902、接触金属904和掺杂区906。区902是其上形成电端子900的材料，并且可以对应至吸收区(例如，吸收区506)或基板(例如，基板502)。掺杂区906可以基于掺杂物的类型而为p型(受体)掺杂区或n型(供体)掺杂区。掺杂区906通常掺杂至高掺杂浓度(例如，1*1019至5*1020cm-3)以允许欧姆接触形成在接触金属904及区902之间。这种掺杂浓度的量可以被称为“退化掺杂”。

接触金属904为金属材料并与区902通过掺杂区906接触，接触金属可以基于区902的材料及掺杂区906的掺杂物而选自不同的金属或合金。示例包含Al、Cu、W、Ti、Ta-TaN-Cu堆叠、Ti-TiN-W堆叠以及各种金属硅化物。

参考图9B，电端子910类似于图9A示出的电端子900，但是差异在于掺杂区906被省略。接触金属904在没有掺杂区906的情况下直接地装配在区902可以形成肖特基接触、欧姆接触，或者介于前述两者之间的中间特性，这取决于各种因素包括区902的材料、接触金属904以及区902的杂质或缺陷等级。

参考图9C，电端子920类似于图9B示出的电端子910，但是差异在于接触金属904及区902之间插入了介电层922。例如，对结晶锗区902而言，介电层922可以是非晶硅、多晶硅或锗硅。在其它示例中，对结晶硅区902而言，介电层922可以是非晶硅、多晶硅或锗硅。插入电介质922可以形成肖特基接触、欧姆接触或介于前述两者组合的中间特性。

参考图9D，电端子930类似于图9B图示的电端子910，但不同之处在于接触金属904及区902之间插入绝缘层932。绝缘层932阻止了从接触金属904至区902的直流传导，但是在接触金属904施加电压后，可在区902中形成电场。所形成的电场可以吸引或排斥电荷载流子进入区902。绝缘层932可以是SiO2、Si3N4，或者高k值材料。

开关光探测器的开关例如图5D示出的第一开关532包含载流子控制端子和载流子收集(读出)端子。载流子控制端子为通过例如是外部偏置电路施加控制电压来让区902中的光生载流子指向某个方向(例如，朝向载流子收集端子)的端子。载流子控制端子的操作已在图1A中相关于控制信号122和132进行描述。不同类型的电端子可以用于实现载流子控制端子。例如，电端子900、910、920及930可以用于实现载流子控制端子。

载流子收集端子为用于收集在区902中的光载流子的端子。载流子收集端子可被配置成收集电子(例如，n型掺杂区906)或空穴(例如，p型掺杂区)。载流子收集端子已关于图1A中相关于读出电路124和134进行描述。不同类型的电端子可以用于实现载流子收集端子。例如，电端子900、910、及920可以用于实现载流子收集端子。

载流子控制端子及载流子收集端子的数量可以例如基于目标器件的性能进行调整。例如，开关光探测器可具有如下示例结构：两个载流子控制端子搭配两个载流子收集端子、两个载流子控制端子搭配一个载流子收集端子、四个载流子控制端子搭配两个载流子收集端子以及四个载流子控制端子搭配四个载流子收集端子。一般来说，开关光探测器所具有的载流子控制端子及载流子收集端子的数量大于1。

当开关光探测器包含多于两个控制端子时，可以使用所述电端子的各种组合。例如，组合欧姆、肖特基/欧姆端子(例如端子900和920)、欧姆和绝缘(例如，端子900和930)、绝缘和肖特基/欧姆(例如，端子930和920)、以及欧姆、肖特基/欧姆和绝缘端子(例如，端子900、920、930)。

当在开关光探测器中实现两个或更多载流子收集端子时﹐可以使用欧姆和肖特基/欧姆端子(例如，端子900和920)的组合。

电端子可以基于不同的考虑例如可制作性及器件性能而具有不同的形状。图9E示出不同形状的电端子的示例俯视图。端子940的形状可以是矩形、三角形、圆形、多边形或其组合。端子的角可以是尖锐的或被倒圆。能够使用掺杂区、金属硅化物、接触金属或其组合来定义形状。

吸收区及基板可以配置成不同的结构，且吸收区可以基于不同的考虑例如可制作性及器件性能而有不同的形状。参阅图10A-10I，其等示出了多种吸收区及基板的结构。具体地，在图10A中，结构1000包含基板1002以及突出在基板1002上表面的吸收区1004；基板1002可以类似于关于图5D描述的基板502，并且吸收区1004可以类似于关于图5D描述的吸收区506。可以通过在基板1002上沉积吸收区1004，再蚀刻吸收区1004以形成突出结构来制作结构1000。

参考图10B，结构1010类似于图10A示出的结构1000，但是进一步包含在吸收层1004及基板1002之间的中间层1006。中间层可以作为让吸收层1004易于生长在基板1002上方的缓冲层。结构1010可以通过在基板1002上沉积中间层1006、在中间层1006上沉积吸收层1004，再蚀刻吸收层1004及中间层1006以形成突出结构来制作。

参考图10C，结构1020类似于图10A示出的结构1000，但是其吸收层1004部分嵌入在基板1002中。结构1020可以通过在基板1002上形成凹部并在凹部中沉积吸收层1004来制作。结构1020可以如下方式制作：基板1002上方沉积牺牲层，蚀刻沉积的牺牲层以在基板1002上形成凹部，选择性地沉积吸收材料，通过执行平整化步骤例如化学机械抛光(CMP)来移除沉积在凹部外面的吸收材料，最后再通过选择性蚀刻例如湿式化学蚀刻移除牺牲层。

参考图10D，结构1030类似于图10C示出的结构1020，但是其吸收层1004完全地嵌入基板1002。结构1030可通过在基板1002上形成凹部、在基板1002上方沉积吸收材料的选择层，并通过执行平整化步骤例如CMP步骤移除沉积在凹部外面的吸收材料来制作。

参考图10E，结构1040类似于图10D所示出的结构1030，但是其凹部中的吸收层1004及基板1002之间插入中间层1006。结构1040可通过在基板1002上形成凹部，沉积中间层1006的共形层、在中间层1006上方沉积吸收材料的毯覆层，并通过执行平整化步骤例如CMP步骤移除沉积在凹部外面的吸收材料及中间层来制作。

参考图10F，结构1050类似于图10E所示出的结构1040，但是以第二中间层1008替代在吸收区1004的侧壁及基板1002的凹部的侧壁之间的第一中间层1006。结构1050可以如下方式制作：通过在基板1002上形成凹部、沉积第二中间层1008的共形层并执行各向异性毯覆式蚀刻以移除沿着垂直表面的第二中间层1008、沉积第一中间层1006的共形层、执行各向异性毯覆式蚀刻以移除沿着非垂直表面的第一中间层1006、沉积吸收材料的选择层，并通过执行平整化步骤(例如CMP步骤)移除沉积在凹部外面的吸收材料和第一中间层。在示例性的实施方式中，第一中间层1006可以由SiO2形成，第二中间层1008可以由GeSi形成。

参考图10G，结构1060类似于图10A的结构1000，但是包含其中嵌入吸收区1004的分层的中间层1062。分层的中间层1062包含直到基板1002的开口1064以及吸收区1004嵌入在其中的凹部1066。吸收区1004通过开口1064接触基板1002。结构1060可以如下方式制作：通过形成沉积中间层在基板1002上、蚀刻贯穿中间层整个厚度的开口1064、蚀刻在中间层中的凹部1066、在分层的中间层1062上沉积吸收区1004，并通过执行平整化步骤(例如CMP步骤)移除沉积在凹部1066外面的吸收材料。

参考图10H，结构1070类似于图10G的结构1060，但是包含凹部1066形成在其中的第二中间层1072。结构1070可以如下方式制作：通过沉积第一中间层1062在基板1002上、沉积第二中间层1072、蚀刻第一中间层1062及第二中间层1072以形成开口1064、在第二中间层1072中蚀刻凹部1066、沉积吸收层1004，并通过执行平整化步骤(例如CMP步骤)移除沉积在凹部1066外面的吸收材料。

参考图10I，结构1080类似于图10E的结构1040，但是包含形成在中间层1006上的开口1084。吸收区1004通过开口1084接触基板1002。结构1080可以如下方式制作：通过在基板1002上形成凹部、沉积中间层1006的共形层、蚀刻开口1084、在中间层1006的上方沉积吸收材料的毯覆层，并通过执行平整化步骤例如化学机械抛光CMP步骤移除沉积在凹部外面的吸收材料及中间层。

吸收区、载流子控制端子及载流子收集端子可以根据不同的考虑例如可制作性及器件性能，而配置在不同结构中。图11A-11B示出了例示性的开关光探测器1100的俯视图和侧视图，其中载流子控制端子及载流子收集端子装配在基板上，且基板的一部分是吸收区。在此示例中，开关光探测器1100包含基板1102、吸收区1104、载流子收集端子1106以及载流子控制端子1108。吸收区1104是基板1102中的区。例如，对硅基板1102而言，吸收区1104形成在硅中，并且吸收区1104用于吸收可见光。吸收区1104可以具有不同形状，例如在光探测器1100的俯视图中的正方形。吸收区1104可以从基板1102的上表面延伸到前述上表面下方所需深度处。例如，吸收区1104可延伸到基板1102的上表面的下方达1μm、2μm、3μm、5μm或10μm。邻近的一对载流子收集端子1106和载流子控制端子1108形成开关。吸收区1104配置在邻近的一对载流子收集端子1106和载流子控制端子1108之间。在一些实施方式中，邻近的一对载流子收集端子和载流子控制端子在吸收区1104周围呈对称配置(例如，在吸收区1104的相反侧或四侧)。这样的对称配置可以提升成对的两个开关的载流子控制及收集性能的匹配。

图11C-11F示出开关光探测器的俯视图及侧视图，其中吸收区以相异于基板的材料形成。参考图11C-11D，开关光探测器1120包含基板1102、吸收区1124、载流子收集端子1106及载流子控制端子1108。图11C示出开关光探测器1120的俯视图以及图11D示出开关光探测器1120的侧视图。开关光探测器1120类似于图11A-11B示出的开关光探测器1100，但是差异在于开关光探测器1120的吸收区1124以相异于基板1102的材料制成。例如，吸收区1124可以由锗形成，基板1102可以是硅基板。吸收区1124完全地嵌入在形成在基板1102中的凹部中。尽管嵌入结构的细节并未示出，但嵌入式吸收区1124可以例如如关于图10D-10F和图5C描述地来实现。

参考图11E，开关光探测器1130类似于图11C-11D示出的开关光探测器1120，但是吸收区1124部分地嵌入在基板1102中。尽管嵌入结构的细节并未示出，但部分嵌入吸收区1124可以如图10C和图5B描述地实现。

参考图11F，开关光探测器1140类似于图11C-11D示出的开关光探测器1120，但是吸收区1124完全地突出在基板1102上。尽管完全突出式结构的细节并未示出，但完全突出吸收区1124可以如图10A-10B及图5A描述地实现。

在一些开关光探测器的结构中，载流子收集端子、载流子控制端子，或者其两者可以装配在吸收区。为了简洁将省略基板、吸收区、载流子控制端子和载流子收集端子的详细实施细节。图12A-12B示出开关光探测器1200的示例的俯视图和侧视图，其中载流子收集端子装配在基板上，而载流子控制端子装配在吸收区。开关光探测器1200包含基板1202、吸收区1204、光接收区1205、载流子收集端子1206以及载流子控制端子1208。光接收区1205可以指示输入光入射到吸收区1204的一部分，并可以与吸收区1204的剩余部分具有实体上的区别。举例来说，光遮(例如，钨网格)和微透镜的结合可以阻挡和聚焦入射光在光接收区1205上。载流子收集端子1206装配在基板1202上，载流子控制端子1208装配在吸收区1204上不与光接收区1205重叠的位置。对于开关光探测器1200，吸收区1204完全地突出。吸收区1204可以对于开关光探测器1220如图12C示出地部分嵌入，或者对于开关光探测器1230如图12D示出的完全嵌入。

图12E-12F示出开关光探测器1240的示例的俯视图及侧视图，其中载流子收集端子及载流子控制端子装配在吸收区上。开关光探测器1240类似于图12A-12B示出的开关光探测器1200，但是差异在于载流子收集区1260现在在不与光接收区1205重叠的位置装配在吸收区1204上。对开关光探测器1240，吸收区1204是完全地突出。对于开关光探测器1240，吸收区1204完全地突出。吸收区1204可以对于开关光探测器1250如图12G示出地部分嵌入，或者对于开关光探测器1250如图12H示出的完全嵌入。

尽管图12A-12H示出的光接收区1205没有与载流子收集端子或载流子控制端子重叠，但实际上光接收区1205可以与载流子控制端子的至少一部分、载流子接收端子的至少一部分以及各种n掺杂区或p掺杂区的至少一部分重叠。例如，这样的重叠可出现在应用FSI和BSI配置的像素中。

在一些实施方式的开关光探测器中，每个开关可包含大于1个载流子收集端子、大于1个载流子控制端子，或者前述两者的数量皆大于1。为了简洁省略基板、吸收区、载流子控制端子及载流子收集端子的详细实施细节。图13A-13G示出具有包含载流子控制端子或载流子收集端子的开关的开关光探测器的示例的俯视图。在图13A中，开关光探测器1300包含基板1302、吸收区1304、光接收区1305、基板载流子收集端子1306、基板载流子控制端子1308及吸收器载流子控制端子1309。基板载流子收集端子1306为装配在基板例如基板1302上的载流子控制端子。基板载流子控制端子1308为装配在基板例如基板1302上的载流子控制端子。吸收器载流子控制端子1309为装配在吸收区例如吸收区1304上的载流子控制端子。组合吸收器载流子控制端子1309和基板载流子控制端子1308的效果及实施细节已关于图5K进行描述。在一些实施方式中，基板载流子收集端子1306、基板载流子控制端子1308及吸收器载流子控制端子1309将重复出现在图13B的第二列中。

在图13B中，开关光探测器1310类似于图13A示出的开关光探测器1300，但不同之处在于基板载流子控制端子1308被省略，并增加了第二列中的一对端子1306及1309。相邻于第一对控制及收集端子的第二对控制及收集端子可以独立于第一对控制及收集端子或与其结合运作。

在图13C中，开关光探测器1320类似于图13B示出的开关光探测器1310，但不同之处在于移除在光接收区1305一侧的基板载流子收集端子1306。在光接收区1305一侧的一对吸收器载流子控制端子1309和对应的基板载流子收集端子1306的结合可以作为开关。

在图13D中，开关光探测器1330类似于图13B示出的开关光探测器1310，但不同之处在于基板载流子收集端子1306移到吸收区1304上以作为吸收器载流子收集端子1307。

在图13E中，开关光探测器1340类似于图13D示出的开关光探测器1330，但不同之处在于移除了在光接收区1305一侧的吸收器载流子收集端子1307。在光接收区1305一侧的一对吸收器载流子控制端子1309和对应的吸收器载流子收集端子1307的结合可以作为开关。

在图13F中，开关光探测器1350类似于图13D示出的开关光探测器1330，但不同之处在于移除了在光接收区1305一侧的吸收器载流子收集端子1307。在光接收区1305每一侧的一对吸收器载流子控制端子1309和对应的吸收器载流子控制端子1309的结合可以作为开关。

在图13G中，开关光探测器1360类似于图13D示出的开关光探测器1330，但不同之处在于四对吸收载流子收集及控制端子1307及1309对称地配置在光接收区1305的周围。任一对端子1307和1309可以作为开关。每个开关可单独操作或与其它开关协作。例如，东和西开关可以经控制而作为第一开关，南和北开关可以经控制而作为第二开关。在其它示例中，东及南开关可以经控制而作为第一开关，西和北开关可以经控制而作为第二开关。

尽管图13A-13G示出的光接收区1305没有和载流子收集端子或载流子控制端子重叠，一般地，光接收区1305可以和载流子控制端子的至少一部分、载流子接收端子的至少一部分以及各种n掺杂区或p掺杂区的至少一部分重叠。例如，这样的重叠可出现在用于FSI及BSI配置两者的像素中。

对于具有两个或更多个载流子控制端子的开关，可以施加独立控制偏置电压给每个载流子控制端子，或者用单个偏置电压进行偏置给彼此短路的载流子控制端子。图14A-14B示出具有包含多个载流子控制端子开关的开关光探测器示例的俯视图。在图14A中，开关光探测器1400类似于图13A的开关光探测器1300。在光接收区1305左侧的基板载流子收集端子1306、基板载流子控制端子1308和吸收器载流子控制端子1309形成第一开关1410，在光接收区1305右侧的基板载流子收集端子1306、基板载流子控制端子1308和吸收器载流子控制端子1309形成第二开关1420。

在开关1410及1420中，基板载流子控制端1308和吸收器载流子控制端子1309可以短路在一起并用单个偏置电压进行偏置，或者可以是分别以独立的控制偏置电压进行偏置。例如，对第一开关1410的基板载流子控制端子1308用电压VB1进行偏置，并对吸收器载流子控制端子1309用电压VA1进行偏置；类似地，对第二开关1420的基板载流子控制端子1308偏置电压VB2，并对吸收器载流子控制端子1309偏置电压VA2。在一些实施方式中，接近光接收区1305的控制端子例如吸收器载流子控制端子1309，可以分别偏置控制电压VA1及VA2来朝向偏置了电压Vc1及Vc2的基板载流子收集端子1306引导在光接收区1305中的光生载流子，如所示。同时，基板控制端子1308可以偏置到电压Vb1及Vb2，以在基板载流子控制端子1308及基板载流子收集端子1306之间建立高电场。当端子1308及1306之间的电场足够高时，可以在端子1308和1306之间建立雪崩倍增的区，对被吸收器载流子控制端子1309朝向基板载流子收集端子1306引导的光生载流子提供雪崩增益。借此，光生载流子可以因雪崩增益而倍增，这可以增加开关光探测器1400生成的光电流信号。

在图14B中，开关光探测器1430类似于图14A所示出的开关光探测器1400，但是差异在于基板载流子收集端子1306被重定位在吸收区1304上作为吸收器载流子收集端子1407，并且基板载流子控制端子1308被重定位在吸收区1304上作为吸收器载流子控制端子1409。不同偏置对端子的影响类似于关于图14A所描述的。

尽管在图14A-14B示出的光接收区1305没有和载流子收集端子或载流子控制端子重叠，一般地，光接收区1305可以和载流子控制端子的至少一部分、载流子接收端子的至少一部分以及各种n掺杂区或p掺杂区的至少一部分重叠。例如，这样的重叠可出现在应用FSI及BSI配置两者的像素中。

在典型的图像传感器的实施方式中，多个传感器像素(例如，光探测器)可以阵列排列以允许图像传感器捕获具有多个图像像素的图像。为了提供高积体密度，通常在公共基板上彼此接近地布置多个传感器像素。对于半导体基板例如p掺杂硅基板，传感器像素互相接近可能导致传感器像素之间的电气和/或光学串扰，这可能例如降低传感器像素的信噪比。在这样的情况下，可以通过引入各种隔离结构来提升传感器像素间的电气隔离。

图15A-15G是传感器像素隔离的示例结构的侧视图。在图15A中，一示例的配置1500包含基板1502、传感器像素1510a和1510b(合称为传感器像素1510)，以及隔离结构1506。传感器像素1510a、1510b包含对应的吸收区1504a和1504b。每个图像器像素1510可以是开关光探测器，例如图5A-5L所示的开关光探测器。为了清晰，省略传感器像素1510的细节。

隔离结构1506可增加在传感器像素1510a和1510b之间的电气隔离。在配置1500中，隔离结构从基板1502的上表面延伸至基板1502内部预定深度处。在一些实施方式中，隔离结构1506为掺杂有p型掺杂物或n型掺杂物的掺杂区。隔离结构1506的掺杂可建立阻碍电流跨越隔离配置1506的带隙偏移所致势能垒，并且提升像素1510a及1510b之间的电气隔离。在一些实施方式中，隔离结构1506为填充有不同于基板1502的半导体材料的沟槽。在基板1502及隔离结构1506的两个不同半导体间的界面可建立阻碍电流跨越隔离配置1506的带隙偏移所致势能垒，并提升像素1510a及1510b之间的电气隔离。

在一些实施方式中，隔离结构1506为填充有电介质或绝缘体的沟槽。填充有低导电率电介质或绝缘体的隔离结构1506可以在传感器像素1510a和1510b之间提供具有高电阻的区，阻碍电流跨越隔离结构1506，并提升像素1510a及1510b之间的电气隔离。

尽管只示出了单一隔离结构1506，一般地，多个隔离结构1506可配置在每个相邻成对的图像感测对1510中。例如，在传感器像素1510的二维阵列中，单个传感器像素1510可以被最邻近的四个传感器像素1510围绕。在这样的情况下，隔离结构1506可以沿着四个最邻近的界面装配。在一些实施方式中，隔离结构1506可以是围绕传感器像素1510的连续结构。可以在像素1510之间的界面共享隔离配置1506。

图15B示出示例配置1520的示例，其中配置1520类似于图15A的配置1500，但是差异在于吸收区1504a和1504b完全地嵌入在基板1502中。

图15C示出示例配置1530，其中配置1530类似于图15A的配置1500，但是差异在于隔离结构1506从基板1502的上表面通过整个基板1520的深度延伸至基板1502的下表面。配置1530可以移除让隔离结构1506转向的在图像传感器1510间的替代流动路径，并可以改善传感器像素1510之间的电气隔离。

参考图15D，示例配置1540类似于图15C的配置1530，但是差异在于吸收区1504a和1504b完全地嵌入在基板1502中。

参考图15E，示例配置1550包含基板1502、传感器像素1510a、1510b(合称为传感器像素1510)以及隔离结构1556a和1556b(合称为隔离结构1556)。隔离结构1556a和1556b类似于图15A所述隔离结构1506，但是差异在于隔离结构1556配置在基板1502的一部分之上，并恰好在相应吸收层1504的正下方。配置在吸收区1504和基板1502之间的隔离结构1556可以有助于把光生载流子限制在吸收区1504，并有助于降低泄漏到基板1502中的光生载流子。例如，传感器像素1510a及1510b可以被实现为图5D中的开关光探测器530，其具有装配在吸收区1504上的所有电端子。在这样的情况中，隔离结构1556(例如，薄的p掺杂层)提供的电气隔离可以提升光电流收集效率和/或传感器像素1510的带宽。

参考图15F，示例配置1560类似于图15E的配置1550，但是差异在于吸收区1504a和1504b完全地嵌入在基板1502中，且隔离结构1556部分地或完全地围绕吸收区1504。对于由绝缘体或电介质形成的隔离结构1556，隔离结构1556可包含开口，开口位于吸收器下并部分围绕嵌入吸收区1504。对于是掺杂区的隔离结构1556，隔离结构1556可以是连续结构，其没有开口地完全围绕嵌入吸收区1504。

尽管已经描述了是掺杂区、电介质材料或绝缘体的隔离结构，一般地，隔离结构可以是这些实施的组合。参考图15G，示例配置1570类似于图15A所示配置1500，但是差异在于隔离结构1506包含第一隔离结构1576及第二隔离结构1577。第一隔离结构1576可以是填充不同于基板1502的半导体材料的沟槽，或者是填充有电介质或绝缘体的沟槽。第二隔离结构1577可以是掺杂有p型掺杂物或n型掺杂物的掺杂区。相较于实现一个隔离的隔离结构，实现不同材料和掺杂区两者的隔离结构1504可以进一步地提升在传感器像素1510之间的电气隔离。在一些实施方式中，掺杂隔离可以用于形成第二隔离结构1577，而通过沟槽填充的材料隔离可以用于形成其中掺杂隔离较材料隔离浅的第一隔离结构1576。

光探测器例如开关光探测器的光探测效率可以通过增加调整光探测器的特性的各种结构而进行提升。例如，能够单独或同时增加反射镜、介电层和抗反射涂覆(ARC)层来达到不同的效果，包括通过吸收区增加光的吸收效率、创建光学共振腔和/或变更光探测器的光谱响应。图16A-16J为提升光探测器的探测效率的示例结构的剖面图。参考图16A，示例配置1600包含基板1602、吸收区1604，以及金属反射镜1606。吸收区1604形成光探测器。金属反射镜1606反射入射光。

如图所示，光信号1605从顶部入射在吸收区1604上，这可以被视为前侧照射(FSI)配置。在这样的结构中，光信号1605可以不被吸收区1604完全地吸收，且一部分的光信号1605可以穿过吸收区1604。穿过吸收区1604而没有被吸收区1604吸收的光可能降低光探测器的光探测效率。通过在基板1602的下表面装配金属反射镜1606以反射穿过吸收区1604的光信号1605，穿过吸收区1604的光信号1605可以被反射回吸收区1604而二次穿过吸收区1604，提升探测效率。

由吸收区1604吸收的光信号1605的部分可以是吸收区1604的光吸收系数、光吸收区1604沿着光入射方向(例如，沿着垂直方向)的厚度以及光信号1605的波长的函数。

金属反射镜1606可以由不同的光学反射金属形成，例如铜、铝、金和铂。在配置1600的光探测器的操作波长处金属镜1606可以具有高于50％、60％、70％、80％、90％，或者95％的反射率。金属反射镜1606的厚度可以大于金属的集肤深度。例如，金属反射镜1606可以具有从50nm至500nm的范围的厚度。

参考图16B，示例配置1610类似于图16A的配置1600，但是差异在于配置1610进一步包含配置在基板1602及金属反射镜1606之间的介电层1608。介电层1608可以改变金属反射镜1606的光学反射光谱。例如，通过介电层1608(例如，SiO2层)造成的薄膜干涉，金属反射镜1606(例如，铝层)对某些波长的入射至其上的光的反射率可以被提升(例如反射率可从小于90％提升至大于97％)，而其它波长的入射光的反射率则可能降低。

参考图16C，示例配置1620类似于图16A的配置1600，但是差异在于配置1600的金属反射镜1606被电介质反射镜1626替代。电介质反射镜1626可以是单层电介质薄膜或各种电介质薄膜的堆叠。电介质反射镜1626可以由各种电介质材料形成，例如SiO2、Si3N4、SiON及Si。在配置1620的光探测器的操作波长，电介质反射镜可以具有高达50％、60％、70％、80％、90％或95％的反射率。电介质反射镜1626可以具有在50nm至4000nm的范围的厚度。

参考图16D，示例配置1630类似于图16C的配置1620，但是差异在于配置1620中的电介质反射镜1626被分布式布拉格反射镜(DBR)1632替代。DBR反射镜包含交替地堆叠在彼此之上的第一介电层1634及第二介电层1636。第二介电层1636具有与第一介电层1634相异的折射率。第一介电层1634及第二介电层1636可以具对应于有在相应电介质材料中的操作波长的四分之一的厚度。反射率及反射带宽可以取决于厚度、第一介电层1634及第二介电层1636的折射率以及第一-第二层对的数量。

参考图16E，示例配置1640包含基板1602、吸收层1604和ARC层1648。ARC层1648可以降低光信号1605在入射到吸收区1604时的反射。ARC层1648可以类似于图7B中示出的ARC层744。

参考图16F，示例配置1650类似于图16A的配置1600，但是差异在于金属反射镜1606此时被装配在基板1602的上表面在吸收区1604侧。光信号1605此时通过基板1602的下表面入射到吸收区1604，这可以被称为后侧照射(BSI)配置。金属反射镜1606的效果类似于在图16A描述的效果。

参考图16G，示例配置1660类似于图16B示出的配置1610，但是差异在于介电层1608和金属反射镜1606此时被装配在基板1602的上表面在吸收区1604侧。光信号1605此时通过基板1602的下表面入射到吸收区1604，这可以被称为后侧照射(BSI)配置。介电层1608及金属反射镜1606的效果类似于在图16B描述的效果。

参考图16H，示例配置1670类似于图16C的配置1620，但是差异在于电介质反射镜1626此时被装配基板1602的上表面在吸收区1604侧。光信号1605此时通过基板1602的下表面入射到吸收区1604，这可以被称为后侧照射(BSI)配置。电介质反射镜1626的效果类似于在图16C描述的效果。

参考图16I，示例配置1680类似于图16D示出的配置1630，但是差异在于DBR反射镜1632此时被装配基板1602的上表面在吸收区1604侧。光信号1605此时通过基板1602的下表面入射到吸收区1604，这可以被称为后侧照射(BSI)配置。DBR反射镜1632的效果类似于在图16D描述的效果。

参考图16J，示例配置1690类似于图16E示出的配置1640，但是差异在于ARC层1648此时装配在基板1602的下表面在与吸收区1604相反的侧。光信号1605此时通过基板1602的下表面入射到吸收区1604，这可以被称为后侧照射(BSI)配置。ARC层1648的效果类似于在图16E描述的效果。

一般来说，反射镜结构例如金属反射镜1606、介电层1608、电介质反射镜1626和DBR反射镜1632可以使用不同的方法制作。例如，反射镜结构可以直接沉积在基板1602上。可选地或额外地，反射镜结构可以制作在分离基板上，并与基板1602利用晶圆接合技术进行接合。

尽管示出具有金属反射镜1606、介电层1608、电介质反射镜1626和DBR反射镜1632在基板1602的下表面或上表面的各个实施方式，但是在实际上，所述结构可以同时实施在基板1602的两侧。例如，DBR反射镜1632可以实施在基板1602的两侧，这可以在吸收区1604周围建立光学共振腔，变更光探测器的光谱响应。在其它示例中，ARC层1648可以实施在基板1602的上表面，与在基板1602的下表面的反射镜结构结合(例如，配置1600、1610、1620和1630)，以进一步地提升光探测器的光探测效率。一般来说，反射镜，例如金属反射镜1606、介电层1608、电介质反射镜1626和DBR反射镜1632可以部分反射和部分透射。

吸收区的表面可以不同的方式变更而调整光探测的各种性能特性。吸收区的表面的示例修改进一步包含：掺杂区的增加、异质元素的引进、材料成分的改变、吸收区的表面的形貌的引入以及电介质或半导体材料的沉积。示例的性能特性包含：光吸收效率、光学吸收光谱、载流子吸收效率、暗电流或泄漏电流、光探测器的操作功率以及光探测器的带宽。

图17A-17E为吸收区表面改质的示例结构的剖视图。在图17A中，表面改质吸收区1700包含基于锗硅的吸收区1704和表面改质层1706。基于锗硅的吸收区1704可以是开关光探测器的吸收区；所述开关光探测器的示例为图5D示出的开关光探测器530。

基于锗硅的吸收区1704可以为具有变化的成分(X)的SixGe1-x化合物。例如，成分(X)的变化范围可以从基于锗硅的吸收区1704具有接近Ge的特性0.01至基于锗硅的吸收区1704具有接近硅的特性的0.99。基于锗硅的吸收区的成分可以影响其对吸收波长的光吸收效率，并同时影响整体光学吸收光谱。例如，相较于高(X)组成所对应的高硅成分，低(X)成分所对应的高Ge浓度可大量地吸收近红外波长(例如，大于1μm)。

表面改质层1706可以改变基于锗硅的吸收区1704以及具有此吸收区1704的光探测器的光学和/或电特性。表面改质层可以由各种材料形成，例如非晶硅、多晶硅、外延生长的硅、具有可变成分(Y)的SiYGe1-Y化合物、具有可变成分(Z)的GeZSn1-Z化合物以及其任意组合。

在一些实施方式中，对于具有SixGe1-x成分的基于锗硅的吸收区1704，表面改质层1706可为SiYGe1-Y层，其中成分(Y)不同于成分(X)。例如，具有成分(X)高于成分(Y)时，相较基于锗硅的吸收区1704，表面改质层1706对长波长具有高吸收系数。在这样的情况下，长波长的入射光可以在表面改质层706被大量地吸收，而不深入基于锗硅的吸收区1704。通过在基于锗硅的吸收区1704的表面吸收入射光，可以提升含有吸收区1704的光探测器的带宽，这是由于降低了光生载流子在光吸收区1704中的扩散。在一些实施方式中，对于纯锗吸收区1704(即X＝0)，表面改质层1706可以是SiYGe1-Y层。在一些实施方式中，表面改质区1706及基于锗硅的吸收区1704的成分可以沿着一方向(例如，垂直方向)变更，形成渐变GeSi吸收区1704。GeSi成分的渐变可以进一步地提升光探测器的带宽。在一些实施方式中，表面改质层1706可以是多层的。例如，GeSi层可以沉积在基于锗硅的吸收区1704的顶部以提供钝化以及另一硅层可沉积在GeSi层的顶部以进一步的钝化。

在一些实施方式中，表面改质层1706可以是具有可变成分(Z)的锗锡合金GeZSn1-Z。增加锡在表面改质层1706可以提升长波长的光学吸收效率，例如在超过锗能带(约1.55μm)，一般超过此能带的纯锗的吸收效率大幅地下降。

参考图17B，表面改质层1710包含基于锗硅的吸收区1704及第一掺杂区1712。在一些实施方式中，第一掺杂区1712可以掺杂有p型或n型掺杂物。p型或n型的掺杂物可以改变吸收区1704的电性。例如，归因第一掺杂区1712，光生电子(或空穴)可以从表面被排斥，由此，避免表面复合，这在第一掺杂区1712具有p型(或n型)掺杂物时提供高吸收效率。在一些实施方式中，第一掺杂区1712可掺杂有杂质，例如硅或锡，以调整吸收区1704的光学特性。

参考图17C，表面改质层1720类似于表面改质层1710，但是差异在于进一步包含第二掺杂区1722。第二掺杂层1722可以类似于第一掺杂区1712或具有不同极性、深度或宽度，借此光生载流子可以受到第二掺杂区1722的吸引以及第一掺杂区1712的排斥。

参考图17D，表面改质层1730包含基于锗硅的吸收区1704以及电介质阱1732。电介质阱1732可以填充不同的电介质，例如SiO2、Si3N4以及高k值材料。当电介质阱配置在PN结内或夹在表面电端子之间时，可以降低暗电流或泄漏电流、降低光探测器的操作功率和/或提升光探测器的带宽。

参考图17E，开关光探测器1740包含如图17B示出的表面改质Ge吸收层1710。开关光探测器1740类似于图1B示出的开关光探测器160，但是差异在于进一步包含表面改质层1706以及图11A的载流子收集端子1106及载流子控制端子1108。增加表面改质层1706可以提升开关光探测器1740的各种性能特性，例如：光吸收效率、光吸收带宽、载流子收集效率、暗电流或泄漏电流、光探测器的操作功率以及光探测器的带宽。

尽管示出了吸收区的表面改质的单独实施方式，一般地，表面改质能够以不同的组合实施来达到期望的效果。例如，表面改质层1706可以和第一掺杂区1712和/或第二掺杂区1722结合实施。在另一示例中，表面改质层1706可以和电介质阱1732结合实施。在又一示例中，表面改质层1706可和第一掺杂区1712和/或第二掺杂区1722以及电介质阱1732结合实施。

各种掺杂区域和阱诸如p掺杂区和阱以及n掺杂区和阱可以配置在吸收区，基板或中间层的不同位置，以改变器件的性能特性。示例性的性能特性包含：光吸收效率、光吸收光谱、载流子收集效率、暗电流或泄漏电流、光探测器的操作功率以及光探测器带宽。

掺杂区和阱的深度可以基于各种考虑因素来确定，例如可制造性和器件性能。一个或多个掺杂阱和区可以连接到电压或电流源。一个或多个掺杂阱和区也可以不连接到电压或电流源(即浮接)和/或彼此连接(即短路)。

图18A-18B示出开关光探测器1800的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器1800类似于图1B示出的开关光探测器160，并且进一步包含图11A所示出的载流子收集端子1106和载流子控制端子1108。如先前在图1B所描述的，n阱区152和154可以降低从第一控制信号122至第二控制信号132的泄漏电流，并可以降低在n掺杂区126和136之间的电荷耦合。降低泄漏电流能够降低开关光探测器1800的操作功率。

图18C-18D示出开关光探测器1820的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器1800类似于图18A-18B的开关光探测器1800，但是进一步包含p阱区1822。p掺杂区1822可以类似于图2D示出的p阱区246和248。相较于开关光探测器1800，p阱区1822可以增加开关光探测器1820的光生电载流子的收集效率。

在一些情况中，n掺杂区126和136无法完全地吸收在吸收区106中的光生载流子。在这样的情况下，光生载流子可能抵达在基板102和吸收区106之间出现材料缺陷的材料表面。材料缺陷可以捕获光生载流子并在一段时间后释放这些载流子；n掺杂区126和136接着收集所述载流子。在界面的材料缺陷这样截取、释放载流子以及接续的n掺杂区126和136收集载流子的现象可能减少开关光探测器1800的带宽，这是由于截取及释放载流子的时间延迟效应。因此，增加p阱区1822可以减缓带宽的减少，因其可以通过不让光载流子抵达吸收区106和基板102之间的界面而防止载流子被n掺杂区126和136收集。

图18E示出开关光探测器1830的示例的俯视图。开关光探测器1830类似于图18C-18D的开关光探测器1820，但是进一步包含p阱区1832。P阱区1832类似于p阱区1822。p阱区1822和1832的结合围绕对应的n掺杂区126和136，这可以进一步地通过防止光生载流子抵达吸收区106及基板102之间的界面而防止载流子被n掺杂区126和136吸收。尽管在此示出了分离的p阱区1822和1832，但p阱区1822和1832可以结合成围绕对应n掺杂区的“C”形区。

图18F-图18G示出开关光探测器1840的示例的俯视及侧视图。开关光探测器1840类似于图18A-18B示出的开关光探测器1800，但是差异在于其省略n阱区152和154并包含p阱区1842。p阱区1842可以类似于图2D示出的p阱区246、248。p阱区1842围绕嵌入在基板102中的吸收区106。p阱区1842可以阻挡吸收区106的光生电子抵达基板102。相较于开关光探测器1800，这样的阻挡可以增加开关光探测器1840的光生载流子的收集效率。p掺杂区1842可以形成在吸收区106、基板102、在吸收区106和基板之间的中间层，或者其组合。

尽管示出了n阱区152和154、p阱区1822、1832和1842的单独实施方式，一般而言，所述n阱区及p阱区可以结合实施来达到期望的效果。

至此，已经介绍了若干开关光探测器的元素的具体实施及元素的各种排列。接着，将对前述元素的结合进行描述。在此所描述的组合非为所有组合的完整列举。

图19A-B示出开关光探测器1900的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器1900类似于图1A的开关光探测器100，但是差异在于开关光探测器1900的吸收区106完全地嵌入在基板102中以及进一步包含图11A的载流子收集端子1106及载流子控制端子1108。光接收区1205已关于图12A-12B进行描述。p掺杂区128和138的存在导致载流子控制端子1108和吸收区106之间的界面形成欧姆接触。

图19C-D示出开关光探测器1910的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器1910类似于图19A-19B示出的开关光探测器1900，但是差异在于p掺杂区128和138被省略。p掺杂区128和138的省略导致载流子控制端子1108和吸收区106之间的界面形成肖特基结。

图19E-F示出开关光探测器1920的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器1910类似于图19A-B示出的开关光探测器1900，但是差异在于增加了p掺杂区128和138，并在光接收区1205的每一侧增加了载流子控制端子1108。

图19G-H示出开关光探测器1930的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器1930类似于图19E-F示出的开关光探测器1920，但是差异在于p掺杂区128和138被省略。p掺杂区128和138的省略导致载流子控制端子1108和吸收区106之间的界面形成肖特基结。

图20A-B示出开关光探测器2000的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2000类似于图19A-B示出的开关光探测器1900，但是差异在于增加了图10I示出的中间层1006。如在图10I所描述的，中间层1006具有到基板102的开口，吸收区106填充到基板102的开口，且开口由中间层1006形成。在一些实施方式中，中间层1006可以是SiO2、SiNx、AlOx，或者任何氧化物或氮化物基绝缘体。

图20C-D示出开关光探测器2010的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2010类似于图19A-B示出的开关光探测器2000，但是差异在于图20A-B的中间层1006被另一中间层2012替代。中间层2012的材料类似于中间层1006的材料，但是差异在于中间层2012是均匀层，其横跨基板102的上表面并具有到基板的开口。吸收区106嵌入在中间层2012的开口中。在一些实施方式中，中间层2012可以是SiO2、SiNx、AlOx，或者任何氧化物或氮化物基绝缘体。

图20E-F示出开关光探测器2020的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2020类似于图20C-D示出的开关光探测器2010，但是差异在于p掺杂区128和138被省略。p掺杂区128和138的省略导致载流子控制端子1108和吸收区106之间的界面形成肖特基结。

图20G-H示出开关光探测器2030的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2030类似于图20C-D示出的开关光探测器2010，但是差异在于图20C-D的中间层2012被另一中间层2032所取代。中间层2032类似于图20C-D的中间层2012，但是差异在于中间层2032具有到基板102的第一开口2034以及大于第一开口2034的第二开口2036，第二开口2036的开口朝向中间层2032的上表面。

图20I-J示出开关光探测器2040的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2040类似于图20G-H示出的开关光探测器2030，但是差异在于p掺杂区128和138被省略。p掺杂区128和138的省略导致载流子控制端子1108和吸收区106之间的界面形成肖特基结。

图20K-L示出开关光探测器2050的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2050类似于图20G-H示出的开关光探测器2030，但是差异在于增加了n阱区152和154。n阱区152和154已关于图1B进行描述。

图21A-B示出开关光探测器2100的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2100类似于图19A-B示出的开关光探测器1900，但是差异在于n掺杂区126和136、p掺杂区128和138、载流子收集端子1106和载流子控制端子1108从吸收区106移到基板102。这样的端子1106和1108可以被称为基板载流子收集端子和基板载流子控制端子。

图21C-D示出开关光探测器2110的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2110类似于图21A-B示出的开关光探测器2100，但是差异在于吸收器p掺杂区2128和2138以及吸收器载流子控制端子2108被装配在吸收区106。基板载流子吸收端子1106、基板载流子控制端子1108和吸收器载流子控制端子2108可以类似于在图14A描述的基板载流子收集端子1306、基板载流子控制端子1308和吸收器载流子控制端子1309，并具有类似的效果。

图21E-F示出开关光探测器2120的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2120类似于图21C-D示出的开关光探测器2110，但是差异在于吸收器p掺杂区2128和2138被省略。吸收器p掺杂区2128和2138的省略导致吸收器载流子控制端子2108及吸收区106之间的界面形成肖特基结。

图22A-B示出开关光探测器2200的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2200类似于图18F-G示出的开关光探测器1840，但是差异在于增加了图18A-B中的n阱区152和154。

图22C-D示出开关光探测器2210的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2210类似于图21C-D的开关光探测器2110，但是差异在于增加了图18A-B中的n阱区152和154。

图23A示出开关光探测器2300的示例的俯视图以及图23B示出开关光探测器2300沿着线AA的示例的侧视图。开关光探测器2300类似于图21C-D示出的开关光探测器2110，但是差异在于吸收区106和基板102之间的界面增加了p阱区2302。p阱区2302可以有助于缓和在吸收区106及基板102之间的结的载流子补集和释放，这已关于图18C-D的进行描述。

图24A-B示出开关光探测器2400的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2400类似于图18C-D的开关光探测器1820，但是差异在于n阱区152和154被省略。

图24C示出开关光探测器2410的示例的俯视图。开关光探测器2410类似于图18E的开关光探测器1830，但差异在于图18E中的p阱区1822、1832被合并在连续的p阱区2412中。

图24D-E示出开关光探测器2420的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2420类似于图24A-B示出的开关光探测器2400，但是差异在于增加了电介质阱2422在n掺杂区126和136中。电介质阱2422类似于图17D中示出的电介质阱1732。电介质阱2422配置在载流子收集端子1106和载流子控制端子1108之间的n掺杂区126的部分中。电介质阱2422可以降低载流子收集端子1106和载流子控制端子1108之间的暗电流。电介质阱2422的深度可以小于、等于或者大于n掺杂区126的深度。

图24F-G示出开关光探测器2430的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2430类似于图24D-E的开关光探测器2420，但是差异在于电介质阱2422从n掺杂区126和136中移到p掺杂区128和138中。电介质阱2422的深度可以小于、等于或者大于p掺杂区128的深度。一般来说，电介质阱2422可以装配在n掺杂区126和p掺杂区128以及n掺杂区136和p掺杂区138之间的任意位置。

图25A-B示出开关光探测器2500的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2500类似于图19A-B示出的开关光探测器1900，但是差异在于增加了图16F示出的金属反射镜1606以作为金属反射镜2502，其中金属反射镜2502配置在吸收区106设有载流子收集端子1106和载流子控制端子1108的上表面上。金属反射镜2502可以装配在光接收区1205的上方。在一些实施方式中，金属反射镜2502可以通过CMOS工艺中的第一金属层(M1)或第二金属层(M2)来实现，或者是其组合。

图25C-D示出开关光探测器2510的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2510类似于图25A-B示出的开关光探测器2500，但是差异在于p掺杂区128和138被省略。p掺杂区128和138的省略导致载流子控制端子1108和吸收区106之间的界面形成肖特基结。

图25E-F示出开关光探测器2520的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2520类似于图20K-L示出的开关光探测器2050，但是差异在于增加了图16F示出的金属反射镜1606以作为金属反射镜2502，其中金属反射镜2502配置在吸收区106设有载流子收集端子1106和载流子控制端子1108的上表面上。金属反射镜2502可以装配在光接收区1205的上方。在一些实施方式中，金属反射镜2502可以通过CMOS工艺中的第一金属层(M1)或第二金属层(M2)来实现，或者是其组合。

图25G-H示出开关光探测器2530的示例的俯视图及侧视图。开关光探测器2530类似于图18F-G示出的开关光探测器1840，但是差异在于增加了图16F示出的金属反射镜1606以作为金属反射镜2502，其中金属反射镜2502配置在吸收区106设有载流子收集端子1106及载流子控制端子1108的上表面上。金属反射镜2502可以装配在光接收区1205的上方。在一些实施方式中，金属反射镜2502可以通过CMOS工艺中的第一金属层(M1)或第二金属层(M2)来实现，或者是其组合。

在典型的图像传感器的实施方式中，多个传感器像素(例如，开关光探测器)被布置成阵列以允许图像传感器捕获具有多个图像像素的图像。当从图像传感器的顶部观看在两侧具有相同尺寸的正方形传感器像素允许简单的二维阵列。但是对于某些应用，例如ToF，一些传感器像素可能不是正方形，而是矩形。例如，在图1B中，开关光探测器160具有两个载流子控制端子(例如，p掺杂区128和138)以及两个载流子收集端子(例如，n掺杂区126和136)。这四个端子一般是沿着线配置，这导致矩形传感器像素在沿着端子排列的线的形状较长(例如，图18A示出的开关光探测器1800)。

这种矩形传感器像素可能使像素的有效排列方面增加难度，这例如是由于代工厂中与半导体制作相关的设计规则。设计规则限制诸如掺杂区、掺杂阱、电介质阱和锗吸收区的类的特征的各种最小间隔。改善致密性和对称性的种方法是建立包含四个矩形光探测器的光探测器的单位单元。图26示出矩形光探测器的单位单元的示例。单位单元2600包含图18A示出的四个开关光探测器1800以及分别环绕在开关光探测器1800的四个隔离结构2602。隔离结构2602已关于图15A-D描述。单位单元2600可以改善矩形单位单元上的传感器像素的致密性和对称性。

图27示出具有光敏晶体管增益的矩形开关光探测器2700的示例的俯视图。开关光探测器2700类似于图18A示出的开关光探测器1800，但是差异在于在基板102上增加了电子发射器2710。电子发射器2710可以类似于n掺杂区126和136。开关光探测器1800的矩形形状允许光电流积分电容器(例如，浮动扩散电容)耦合到由n掺杂区126和136、p掺杂区128和138、电子发射器2710形成的双极性结晶体管(BJT)2720，产生NPN BJT。当适当偏置时，BJT2720可以响应于入射光信号而提供光敏晶体管增益，这可以提高光探测器2700的光至光电流转换效率。例如，BJT 2720可以被如下偏置：在1V和3V之间偏置n掺杂区126和136，在0V和1V之间偏置p掺杂区128和138，并且偏置电子发射器2710以低于对应的n掺杂区126和136的偏置。

一般来说，电子发射器2710和/或n掺杂区126和136应被偏置到外部电压，或通过金属连接件而与p掺杂区短路来允许电子由电子发射器2710发射。

尽管已经描述了具有n型和p型区和阱的特定组合和排列的开关光探测器的各种实施方式，但是通常掺杂区和阱的极性可以颠倒并且实现类似的操作和功能。例如，可以将p阱和p掺杂区的所有实例分别转换为n阱和n掺杂区，并且可以将所有n阱和n掺杂区对应地转换为p阱和p掺杂区。

图28A示出了用于确定目标对象2810的特性的示例成像系统2800。目标对象2810可以是三维对象。成像系统2800可包含发射器单元2802、接收器单元2804，以及处理单元2806。一般来说，发射器单元2802朝目标对象2810发射光2812；发射器单元2802可包含一个或多个光源、控制电路和/或光学元件。例如，发射器单元2802可包含一个或多个NIR LED或激光器；其中发射的光2812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2804接收目标对象2810反射的反射光2814。接收器单元2804可包含一个或多个光电二极管、控制电路和/或光学器件。例如，接收器单元2804可包含图像传感器；其中，图像传感器包含制作在半导体基板上的像素。每个像素可包含用于检测反射光2814的一个或多个开关光探测器，其中反射光2814可以聚焦到开关光探测器上。每个开关光探测器可以为本申请所公开的开关光探测器。

一般来说，处理单元2806处理接收器单元2804生成的光载流子，并确定目标对象2810的特性。处理单元2806可包含控制电路、一个或多个处理器和/或可储存用于确定目标物2810特性的指令的计算机储存接口。例如，处理单元2806可包含：读出电路及处理器，其中处理器可处理与收集到的光载流子相关的信息，以确定目标对象2810的特性。在一些实施方式中，目标对象2810的特性可以是目标对象2810的深度信息。在一些实施方式中，目标对象2810的特性可以是目标对象2810的材料成分。

图28B示出了用于确定目标对象2810的特性的一个示例性技术。发射器单元2802可发射在频率fm调制具有占空比为50％的光脉冲2812。接收器单元2804可接收相移为Φ的反射光脉冲2814。对开关光探测器进行控制，使得读出电路1读出所收集的相位与发射光脉冲同步的电荷Q1，读出电路2读出所收集的相位与发射光脉冲相反的电荷Q2。在一些实施方式中，成像系统2800与目标对象2810之间的距离D可通过以下公式获得：

其中c是光速。

图28C示出了用于确定目标对象2810特性的另一示例性技术。发射器单元2802可发射在频率fm调制具有小于50％的占空比的光脉冲2812。通过因子N降低光脉冲的占空比，但是同时通过因子N增加光脉冲2812的强度，可提升所接收到的反射光脉冲2814的信噪比，同时为成像系统2800维持基本相同的能耗。在器件带宽增加，这是可能的，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比。接收器单元2804可接收相移为Φ的反射光脉冲2814。对多栅光电二极管进行控制，使得读出电路1读出所收集的相位与发射光脉冲同步的电荷Q1’，读出电路2读出所收集的相位与发射光脉冲有时延的电荷Q2’。在一些实施方式中，成像系统2800及目标对象2810之间的距离D可通过以下公式获取：

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图29示出了通过成像系统来确定对象特性的流程图2900的示例。流程2900可以由诸如成像系统2800的系统来执行。

系统接收反射的光(2902)。例如，传送器单元2802可以朝向目标对象2810发射NIR光脉冲2812。接收器单元2804可接收目标对象2810反射的反射NIR光脉冲2814。

系统确定相位信息(2904)。例如，接收器单元2804可包含图像传感器，其中图像传感器包含制作在半导体基板上的多个像素。每个像素可包含用于探测反射光脉冲2814的一个或多个开关光探测器。开关光探测器的类型可以是本申请所公开的开关光探测器，其中相位信息可通过参考图28B或图28C所述的技术进行确定。

系统确定对象特性(2906)。例如，处理单元2806可以使用参考图28B或图28C所述的技术根据相位信息来确定对象2810的深度信息。

在一些实施方式中，图像传感器包含制作在半导体基板上的像素，其中每个像素可包含一个或多个开关光探测器100、160、170、180、200、250、260、270、300、360、370、380、400、450、460、470及480以如图28A及图28B所示用于探测反射光。这些像素间的隔离可基于绝缘体隔离例如氧化层或氮化层或基于注入隔离例如利用p型或n型区阻隔信号电子或空穴或基于本征内置能量势垒例如利用锗硅异质接口来实现。

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，可做出各种修改。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，其三维变形与衍生形式也应当涵盖在本公开范围内，只要在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，而应是专门针对具体实施方式的特征说明。在不同实施方式的上下文中，本说明书所述某些特征也可以在单个实施方式中一起实现。反过来，在单个实施方式的上下文中所述各种特征也可以分别在多个实施方式中实现，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，甚至在最初要求保护如此，但是在一些情况下，所要求保护组合中的一个或多个特征可以从此组合中删除，并且所要求保护组合可以是针对某子组合或子组合结合的变形。

类似地，尽管附图按具体顺序示出其操作，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，多任务处理和并行处理是有利的。而且，在上述实施方式中各个系统部件的分离不应理解为所有实施方式必须实现此类分离，而应理解为所述工艺部件和系统一般可以一起整合在单一软件产品中或封装到多个软件产品中。

由此，已经描述了特定实施例。其它实施例在以下权利要求的范围内。例如，权利要求所列的操作可按不同顺序来执行，并仍能获得理想效果。

Claims (16)

1.一种光学设备，包含：

半导体基板，所述半导体基板是硅基板；

由所述半导体基板支撑的第一光吸收区，所述第一光吸收区被配置成吸收光子并且从所吸收的光子生成光载流子，所述第一光吸收区包含锗或锗硅；

由第一控制信号控制的一个或多个第一开关，所述一个或多个第一开关被配置成基于所述第一控制信号收集所述光载流子的至少一部分；

由第二控制信号控制的一个或多个第二开关，所述一个或多个第二开关被配置成基于所述第二控制信号收集所述光载流子的至少一部分，其中，所述第二控制信号不同于所述第一控制信号；以及

形成在所述第一光吸收区的第一部分中的反掺杂区，所述反掺杂区包含第一掺杂物并且具有第一净载流子浓度，所述第一净载流子浓度低于所述第一光吸收区的第二部分的第二净载流子浓度，

其中，所述一个或多个第一开关包含：

耦合至第一控制区的第一控制接触，其中，所述第一控制区由所述第一控制信号控制；以及

耦合至第一读出区的第一读出接触，其中，所述第一读出区耦合至第一读出集成电路，

其中，所述一个或多个第二开关包含：

耦合至第二控制区的第二控制接触，其中，所述第二控制区由所述第二控制信号控制；以及

耦合至第二读出区的第二读出接触，其中，所述第二读出区耦合至第二读出集成电路，

其中，所述第一读出区包含第一n掺杂区并且所述第二读出区包含第二n掺杂区，

其中，所述第一控制区包含第一p掺杂区并且所述第二控制区包含第二p掺杂区，

其中，所述的光学设备还包含：

接触所述第一p掺杂区的第三n掺杂区；以及

接触所述第二p掺杂区的第四n掺杂区，

其中，所述第三n掺杂区与所述第四n掺杂区之间的第一横向分隔小于所述第一p掺杂区与所述第二p掺杂区之间的第二横向分隔。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，在操作期间，相对于没有所述反掺杂区的可比较的光学设备，所述反掺杂区减小在所述第一控制接触与所述第二控制接触之间流动的泄漏电流。

3.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一控制区、所述第一读出区、所述第二控制区和所述第二读出区由所述第一光吸收区支撑，并且

其中，所述反掺杂区包含所述第一控制区、所述第一读出区、所述第二控制区和所述第二读出区的至少一部分。

4.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述反掺杂区的所述第一掺杂物选自由磷、砷、锑和氟组成的组。

5.根据权利要求4所述的光学设备，其中，所述反掺杂区的掺杂浓度在2*10¹³/cm³与5*10¹⁴/cm³之间。

6.根据权利要求4所述的光学设备，其中，所述反掺杂区的掺杂浓度大于所述锗或所述锗硅的缺陷浓度。

7.根据权利要求1所述的光学设备，还包含：

由所述半导体基板支撑的第一反射器。

8.根据权利要求7所述的光学设备，其中，所述第一反射器是以下中的一个或多个：

金属反射镜；

电介质反射镜；以及

分布式布拉格反射器。

9.根据权利要求7所述的光学设备，还包含：

由所述半导体基板支撑的第二反射器，

其中，所述第一反射器和所述第二反射器位于所述第一光吸收区的相反侧。

10.根据权利要求7所述的光学设备，还包含：

由所述半导体基板支撑的第一抗反射层，

其中，所述第一反射器和所述第一抗反射层位于所述第一光吸收区的相反侧。

11.根据权利要求1所述的光学设备，还包含：

由所述半导体基板支撑的透镜。

12.根据权利要求11所述的光学设备，其中，所述透镜整体地形成在所述半导体基板上。

13.根据权利要求11所述的光学设备，还包含：

由所述半导体基板支撑的间隔层，

其中，在垂直于基板表面的方向上，所述间隔层布置在所述第一光吸收区与所述透镜之间。

14.根据权利要求11所述的光学设备，还包含：

由所述半导体基板支撑并且布置在所述半导体基板与所述透镜之间的第二抗反射层。

15.根据权利要求14所述的光学设备，其中，所述第二抗反射层包含与CMOS工艺兼容的高k材料。

16.根据权利要求1所述的光学设备，还包含由所述第一光吸收区和所述半导体基板的至少一部分支撑的第一层，

所述第一层不同于所述第一光吸收区。