CN111725246A - 飞行时间传感器设备和飞行时间传感器布置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及飞行时间传感器设备和飞行时间传感器布置。飞行时间传感器设备包括半导体衬底，其包括转换区域，以转换在光生电荷载流子中的电磁信号，并且半导体衬底包括衬底掺杂区域，衬底掺杂区域具有n掺杂类型，其中衬底掺杂区域从半导体衬底的第一主表面区域延伸到半导体衬底中，其中半导体衬底具有与衬底掺杂区域相邻的p掺杂区域，以及其中衬底掺杂区域至少部分地形成半导体衬底中的转换区域；读出节点，被布置在衬底掺杂区域内的半导体衬底中，并且读出节点具有n掺杂类型，其中读出节点配置为读出光生电荷载流子；以及控制电极，其被布置在半导体衬底的衬底掺杂区域中，并且控制电极被布置在衬底掺杂区域中并具有p掺杂类型。

Description

飞行时间传感器设备和飞行时间传感器布置
技术领域
实施例总体上涉及集成电路领域，并且更具体地，涉及适配于检测电磁信号的飞行时间的光学传感器设备的领域。因此，实施例涉及飞行时间(TOF)传感器设备。其它实施例涉及在半导体衬底(例如，体或外延生长的半导体衬底)中具有n掺杂的半导体区域的N-epi飞行时间传感器设备。
背景技术
现有光学飞行时间传感器采用光电门结构以用于将在半导体衬底中的光生电荷载流子重新引导到读出节点，以用于获得由辐射源生成的经调幅电磁信号的飞行时间信息，其中电磁信号被引导到物体并被反射到飞行时间传感器设备。
然而，光学飞行时间传感器设备的现有设计受到传感器信号质量(即，在将光生电荷传递到(多个)读出节点的传输效率上)的限制，无法获得较好的信噪比和高温可操作性(即，在将光生电荷传递到(多个)读出节点的传输效率上)。
因此，具有增强能力的经改善光学飞行时间传感器设备需要将接收的光信号转换成电信号。
此类需要可以通过根据独立权利要求的飞行时间传感器设备来解决。另外，飞行时间传感器的不同实施例的指定实现在独立权利要求中被定义。
发明内容
根据一个实施例，飞行时间传感器设备包括：半导体衬底，其包括转换区域以转换在光生电荷载流子中的电磁信号，并且包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域，其中衬底掺杂区域从半导体衬底的第一主表面区域延伸到半导体衬底中，其中半导体衬底具有与衬底掺杂区域相邻的p掺杂区域，并且其中半导体衬底具有与衬底掺杂区域相邻的p掺杂区域，以及其中衬底掺杂区域至少部分地形成半导体衬底中的转换区域；读出节点，其被布置在衬底掺杂区域内的半导体衬底中，并且该读出节点具有p掺杂类型，其中读出节点被配置为读出光生电荷载流子；以及控制电极，其被布置在衬底掺杂区域中，并且控制电极具有p掺杂类型。
根据另一实施例，飞行时间传感器设备包括：半导体衬底，其包括转换区域以转换在光生电荷载流子中的电磁信号，并且包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域，其中衬底掺杂区域从半导体衬底的第一主表面区域延伸到半导体衬底中，其中半导体衬底具有与衬底掺杂区域相邻的p掺杂区域，并且其中衬底掺杂区域至少部分地形成半导体衬底中的转换区域；读出节点，被布置在衬底掺杂区域内的半导体衬底中，并且读出节点具有n掺杂类型，其中读出节点被配置为读出光生电荷载流子；控制电极，被布置在半导体衬底的衬底掺杂区域中，或者该控制电极被布置在半导体衬底的衬底掺杂区域上；以及掩埋掺杂层，相比于与衬底掺杂区域相邻的半导体衬底的p掺杂区域，掩埋掺杂层具有更高的p掺杂类型的浓度，其中掩埋掺杂层被形成在半导体衬底中，并且在半导体衬底中的衬底掺杂区域竖直下方。
根据另一实施例，飞行时间传感器设备包括：半导体衬底，其包括转换区域以转换在光生电荷载流子中的电磁信号，并且半导体衬底包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域，其中衬底掺杂区域从半导体衬底的第一主表面区域延伸到半导体衬底中，其中半导体衬底具有与衬底掺杂区域相邻的p掺杂区域，以及其中衬底掺杂区域至少部分地形成半导体衬底中的转换区域；读出节点，其被布置在衬底掺杂区域内的半导体衬底中，并且该读出节点具有n掺杂类型，其中读出节点被配置为读出光生电荷载流子；控制电极，被布置在半导体衬底的衬底掺杂区域中，或是被布置在半导体衬底的衬底掺杂区域上，以及沟槽结构，该沟槽结构被相对于衬底掺杂区域横向布置，并且该沟槽结构相对于半导体衬底的第一主表面区域在半导体衬底中竖直延伸。
根据另一实施例，飞行时间传感器布置包括：多个飞行时间传感器设备，其中飞行时间传感器设备被布置在阵列中；以及控制器，用于将控制信号提供给控制电极。
附图说明
在本文中参考附图和绘图来描述飞行时间传感器设备的实施例。
图1A示出了根据一个实施例的飞行时间传感器设备的示意性横截面视图。
图1B至图1C示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备的示意性横截面视图。
图1D至图1E示出了沿着根据其它实施例的飞行时间传感器设备的竖直轴线的示意性横截面视图。
图2A示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备的示意性横截面视图。
图2B示出了在半导体衬底的深度方向(z方向)上如在图2A中示出的掩埋掺杂层的掺杂浓度的示意图。
图3A至图3H示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备的示意性横截面视图。
图3I示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备的示意性横截面视图。
图4示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备的示意性横截面视图。
图5A至图5B示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备的示意性横截面视图。
图6示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备的示意性横截面视图。
图7示出了根据其它实施例的飞行时间传感器布置的示例性示意电路图。
在使用附图进一步详细讨论所呈现的实施例之前，要指出的是，在附图和说明书中，相同的元件和具有相同功能和/或相同技术或物理效果的元件通常被设置为具有相同的附图标记或利用相同的名称标识，以便在不同实施例中对这些元件及其功能的描述是可以互换的，或者可以在不同实施例中彼此应用。
具体实施方式
在下面的描述中，实施例被详细讨论，然而应当认识到，实施例提供了可以在各种各样的半导体设备中被实施的许多可应用概念。被讨论的指定实施例仅是制造和使用本概念的指定方式的说明，并且不限制实施例的范围。在以下实施例的描述中，具有相同功能的相同或相似元件具有相同的附图标记或相同的名称，并且将不会在每个实施例中重复此类元件的描述。而且，除非另外特别指出，否则下文描述的不同实施例的特征可以彼此组合。
应该理解的是，当元件被称为“被连接”或“被耦合”到另一个元件时，它可以被直接连接或被直接耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接”连接到另一个“被连接”或“被耦合”的元件时，则没有中间元件。用于描述在元件之间的关系的其他术语也应当以类似的方式解释(例如，“在……之间”相对于“直接在……之间”、“相邻”相对于“直接相邻”、以及“在……上”相对于“直接在……上”)。
为了便于描述不同的实施例，附图包括笛卡尔坐标系x、y、z，其中x-y平面对应于(即，平行于)半导体衬底的第一主表面区域，并且其中竖直于第一主表面区域并进入半导体衬底的深度方向对应于“z”方向(即，与z方向平行)。在以下描述中，术语“横向”意味着与x方向平行的方向，其中术语“竖直”意味着与z方向平行的方向。
图1A示出了根据一个实施例的飞行时间传感器设备100的示意性横截面视图。
如在图1A中示出的，飞行时间(TOF)传感器设备100包括半导体衬底110。例如，半导体衬底110沿着竖直轴线(即，在深度方向或z方向上)呈现总体上是矩形的横截面。半导体衬底110包括转换区域112，以将电磁信号“S1”转换为光生电荷载流子114a、114b，其中半导体衬底100还包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域116。衬底掺杂区域116从半导体衬底110的第一主表面区域110-A(其可以形成半导体衬底110的顶表面)延伸到半导体衬底110中(在深度方向或z方向上)。半导体衬底110可以包括：硅、锗或任何其他半导体材料。半导体衬底110可以包括：体或外延生长的半导体材料。
与衬底掺杂区域116相邻的半导体衬底110-1的剩余区域110-1具有p掺杂类型。衬底掺杂区116至少部分地形成半导体衬底110中的转换区域112。读出节点120被布置在衬底掺杂区域116内的半导体衬底110中，并且读出节点120具有n掺杂类型，例如具有比衬底掺杂区域116更高的掺杂浓度。读出节点120被配置为读出光生电荷载流子114b(例如，光生电子)。光生电荷载流子114b(电子)具有与衬底区域110-1中的少数载流子相同的类型。读出节点120可以被形成为半导体衬底110中的植入掺杂区域。
转换区域112还被称为在半导体衬底110中的吸收区域转换区域112用于接收电磁信号S1，该电磁信号S1被入射到半导体衬底110的第一主表面区域110-A，并且转换区域112用于生成电子-空穴对(e/h对)。因此，进入转换区域112的入射电磁信号S1的一部分被至少部分地转换为光生电荷载流子114a、114b(e/h对)中，其中例如负电荷载流子114b(电子)被移位至读出节点120。
TOF传感器设备100还包括控制电极122，控制电极122被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中，该衬底掺杂区域116与半导体衬底110的第一主表面区域110-A相邻。控制电极122具有p掺杂类型。如在图1A中示出的，控制电极122可以可选择地被进一步布置在与半导体衬底110的第一主表面区域110-A相邻的转换区域112中。控制电极122可以被形成为半导体衬底110中的植入掺杂区域。
TOF传感器设备100还可以包括衬底接触126，该衬底接触126可以被布置在与衬底掺杂区域116相邻的半导体衬底110的p掺杂类型区域110-1处。例如，衬底接触126可以被布置为接收和释放正电荷载流子114a(例如，在转换区域112中光生的空穴)。这可以避免由正电荷载流子114a(空穴)而使半导体衬底110饱和。
例如，衬底掺杂区域116可以包括范围在1E12个原子/cm3至1E16个原子/cm3之间、或在1E13个原子/cm3至1E15个原子/cm3至1E16个原子/cm3之间的(掺杂原子的)n类型掺杂浓度。例如，衬底掺杂区域116可以在半导体衬底110中的1μm至100μm之间、2μm至50μm之间或3μm至20μm之间延伸。
应当注意的是，1EX个原子/cm3的形式旨在等同于10X个原子/cm3的形式。
掺杂区域116的纵横比(即相对于掺杂区域116的横向延伸的掺杂区域116最大竖直延伸)可以在0.2与5之间，在一些实施例中掺杂区域116的纵横比在0.5与2之间，并且在一些实施例中掺杂区域116的纵横比在0.75与1.25之间。
根据一个实施例，转换区域112的最小掺杂浓度在n掺杂的衬底掺杂区域116内。最小均值或平均掺杂浓度可以指最小数目的掺杂原子(独立于其电荷，因此为正和负)每立方厘米。
例如，半导体衬底110的p掺杂区域110-1可以包括范围在1E12个原子/cm3至1E19个原子/cm3之间、在1E14个原子/cm3至1E18个原子/cm3之间、或在1E15个原子/cm3至1E17个原子/cm3之间的p类型掺杂浓度(＝衬底掺杂浓度)。
例如，读出节点120可以包括大于1E14个原子/cm3的n类型掺杂浓度，或者读出节点120可以包括范围在1E14个原子/cm3至1E22个原子/cm3之间、或在1E16个原子/cm3至1E21个原子/cm3之间、或在1E18个原子/cm3至5E20个原子/cm3之间的n类型掺杂浓度。
例如，控制电极122可以包括大于1E14个原子/cm3的p类型掺杂浓度，或者读出节点122可以包括范围在1E14个原子/cm3至1E22个原子/cm3之间、在1E16个原子/cm3至1E21个原子/cm3之间、或在1E18个原子/cm3至5E20个原子/cm3之间的p类型掺杂浓度。植入的控制电极122可以延伸到半导体衬底110中的10μm、2μm或0.5μm的深度。
如在图1A中示出的，衬底掺杂区域116可以横向地(在±x方向上)延伸超过半导体衬底中的转换区域112。在这种情况下，仅一部分衬底掺杂区域116对在半导体衬底110中的转换区域112有贡献。
此外，转换区域112可以竖直地(在z方向或深度方向上)延伸超过半导体衬底110中的衬底掺杂区域116(例如，延伸到半导体衬底110的第二主表面区域110-B)。然后，转换区域112的底部部分由一部分区域110-1形成。
根据其它的实施例，半导体衬底110的整个衬底掺杂区域116可以是转换区域112的一部分。
在衬底掺杂区域116中并且与半导体衬底110的第一主表面区域110-A相邻的控制电极122可以被配置为：基于控制信号来提供在转换区域112中并且因此在衬底掺杂区域116中的电势分布，以用于提供在转换区域112中的光生电荷载流子114b的相位敏感的或运行时间敏感的解调。因此，光生电荷载流子114b的解调可以借助于到相应读出节点120的光生电荷载流子114b的基于漂移的传输来实现。控制器(在图1A中未示出)可以将控制信号施加到控制电极122。因此，控制电极122被用于解调光生电荷载流子114b。
总之，一种类型的光生电荷载流子(即电子114b)借助于(多个)控制电子122解调，其中，另一种类型的光生电荷载流子(即空穴114a)不被解调，而是流到公共衬底接触126中。
根据一个实施例，辐射源(在图1A中未示出)生成电磁信号S0，该电磁信号S0由调制信号调幅。电磁信号S0被引导到物体并且被反射至飞行时间传感器设备100。因此，电磁信号S0的经反射部分S1进入半导体衬底110中的转换区域112，并且生成光生电荷载流子114a、114b。在飞行时间传感器设备100的操作期间，与调制信号同相或具有与调制信号固定的相位关系的解调信号(＝控制信号)被施加到控制电极122。取决于被施加到控制电极122的解调信号、并且基于衬底掺杂区域116中所得到的电势分布，光生电荷载流子114b(即，电子114b)被引导到读出节点120。引导到读出节点120的光生电荷载流子114b被检测到，并且例如由处理设备或控制器(在图1A中未示出)可以确定在调制信号和电磁信号之间的相移，该电磁信号从物体反射并在TOF传感器设备处被检测到。因此，从读出节点120处提供的被检测到的光生载流子114b可以确定电磁信号S0的飞行时间和电磁信号S0的被反射部分S1的飞行时间。换言之，所接收的电磁辐射S1与施加到控制电极122的解调信号的混合被用于从由辐射源发射的辐射与由光学TOF传感器设备100接收的辐射之间的相移中确定飞行时间信息。
即使在转换区域112的竖直深处平躺区域，衬底掺杂区域116也提供有效的解调，并且因此在半导体衬底110的深处提供了光生电荷载流子114b的解调。这种体积内(in-volume)解调避免了较长的路径长度和缓慢的扩散传输。获得的高电场强度提供了生成的电荷载流子114b到相应读出节点的快速提取。
根据一个实施例，TOF传感器设备100可以可选择地包括其它控制电极122-1以可选择地提供一对控制电极122、122-1，以及包括其它读出节点120-1以可选择地提供一对读出节点120、120-1。
可选择的其它控制电极122-1还被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中，并且可选择的其它控制电极122-1具有p掺杂类型。如在图1A中示出的，其它控制电极122-1还可以被布置在与半导体衬底110的第一主表面区域110-A相邻的转换区域112中。其它控制电极122-1可以被形成为半导体衬底110中的植入掺杂区域。例如，其它控制电极122-1可以包括与控制电极122相同的p类型掺杂浓度。
在其它控制电极122-1被布置在飞行时间传感器设备100中的情况下，上文关于控制电极122的功能性的描述同等地可应用于其它控制电极122-1。
可选择的读出节点120-1被布置在衬底掺杂区域116内的半导体衬底110中，并且可选择的读出节点120-1具有n掺杂类型，例如可选择的读出节点120-1具有比衬底掺杂区域116更高的掺杂浓度。其它读出节点120-1还被配置为读出光生电荷载流子114b(例如，光生电子)。其它读出节点120-1可以形成为半导体衬底110中的其它植入掺杂区域。其它读出节点120-1可以包括与读出节点120相同的n类型掺杂浓度。
在其它读出节点120-1被布置在飞行时间传感器设备100中的情况下，上文关于读出节点120-1的功能性的描述同等地可应用于其它读出节点120-1。
因此，读出节点120、120-1与控制电极122、122-1可以被成对布置在衬底掺杂区域116中，并且读出节点120、120-1与控制电极122、122-1也可以被可选择地成对布置在转换区域112中，其中成对的读出节点120、120-1可以关于对称线110-C被对称布置(＝在中心线110-C的相对侧上)，该对称线110-C平行于z方向延伸，其中成对的控制电极122、122-1也可以关于对称线110-C被对称布置(＝在中心线110-C的相对侧上)。因此，成对布置的读出节点120、120-1可以各自具有平行于x方向的距中心线(对称线)110-C的相同距离x1，其中进一步地，成对布置的控制电极122、122-1可以各自具有的平行于x方向的距中心线110-C的相同距离x2。
上文所述的解调概念可以被进一步应用于成对布置的控制电极122、122-1与成对布置的读出节点120、120-1，其中取决于被施加在相应的控制电极122、122-1的解调信号，光生电荷载流子114b被引导至第一读出节点120并随后被引导至第二读出节点120-1。引导至相应的读出节点120、120-1的光生电荷载流子114b(例如，电子)被检测到，并且在调制信号和电磁信号S1之间的相移是可导出的，该电磁信号S1从物体反射并在飞行时间传感器设备100处被检测到。因此，接收到的辐射S1与解调信号的混合用于从来自辐射源的发射辐射S0和由光学飞行时间传感器设备100接收的辐射S1之间的相移中确定飞行时间信息。
如在图1A中示出的，其它衬底接触126-1可以被可选择地提供在半导体衬底110的p掺杂区域110-1处。在其它衬底接触126-1被布置的情况下，上文关于衬底接触126-1的功能性的描述同等地可应用于其它衬底接触126-1。
根据图1A的实施例，控制电极122和可选择的其它控制电极122-1形成为在具有n掺杂类型的衬底掺杂区域116中的p掺杂区域。基于控制电极122、122-1，被施加到相应的控制电极122、122-1的控制信号(解调信号)在半导体衬底中创建具有相对较深的等电位线的电场，以便光生电荷载流子的解调可以相对较深地被延伸到半导体衬底110中，并且提供光生电荷载流子的有效解调。随着至少一个“植入的”控制电极122、122-1可以相对较深地延伸到半导体衬底110中，该效果可以被有效地实现。
如关于图1A所描述的飞行时间传感器设备100的至少一个p掺杂控制电极122、122-1被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中，例如作为植入的掺杂区域，当与在半导体衬底110的主表面区域110-A上具有中间绝缘层的金属化或多晶硅区域形式的控制电极设计相比时，进入转换区域112的入射电磁信号S1的吸收损耗可以被避免或至少减少。
另外，如关于图1A所描述的随着光学飞行时间传感器设备100的至少一个p掺杂控制电极122、122-1被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中，例如作为植入的掺杂区域，减少的泄漏(发出噪声)可以被实现。泄漏(发出噪声)可以由接口(例如，在半导体衬底110的第一主表面区域110-a处的硅-二氧化硅接口)处的电子/空穴对生成造成的，并且该泄漏(发出噪声)可以由(多个)“植入的”控制电极122、122-1的设计有效地减少。因此，由于来自例如在氧化物接口处固有的e/h对生成的减少的暗电流，所以飞行时间传感器设备100可以提供高信噪比(SNR)。
根据一个实施例，光学飞行时间传感器设备100形成被称为像素的设备的一部分，该像素可以进一步包括其它部件(例如，处理电路系统)。该像素本身形成二维集成的像素阵列的一部分以用于接收由光源发射并由待感测物体反射的可见光或红外辐射，其中相应的像素提供电输出信号以用于通过测量可见光或红外辐射的飞行时间(行进时间)来确定到物体的距离。应当注意的是，飞行时间传感器设备100可以被用在包括单个像素的装置中或具有像素阵列的此类装置内。
如在图1A中进一步图示，并且无论是在本发明对应的实施例中，或是在本发明的任何实施例中，衬底掺杂区域116可选择地在传感器设备100的至少部分高度之上延伸到该传感器设备100的一侧或多侧(即，横向边缘)。例如，衬底掺杂区域116仅在衬底掺杂区域的部分高度之上延伸。例如，p掺杂区域110-1包括位于与衬底接触126和/或其它衬底接触126-1相邻、或位于衬底接触126和/或在其它衬底接触126-1下方的部分。备选地，衬底掺杂区域116延伸到传感器设备100的对应横向边缘附近中的主表面区域110-A。
例如，衬底掺杂区域116延伸到的给定传感器设备100的一侧或多侧是在像素阵列内的所考虑传感器设备100的位置的函数。
针对非边缘传感器设备100(即，不具有形成阵列的外边界的横向边缘的传感器设备100)，衬底掺杂区域116可以延伸到该传感器设备的全部横向边缘。
针对边缘传感器设备(即，具有形成阵列的外边界的一个或多个横向边缘的传感器设备100)，衬底掺杂区域116不能延伸到传感器设备100的(多个)对应的横向边缘，并且(多个)对应的横向边缘由p掺杂区域110-1的材料形成。
在阵列内，两个相邻传感器设备100可以彼此横向接触，在这种情况下，这两个相邻传感器设备100的相应的衬底掺杂区域116可以在传感器设备100的横向边缘的区域中彼此接触。
备选地，在阵列内的相邻传感器设备100可以不彼此接触。
在一些实施例中(无论是在图1A的实施例或是在任何其他实施例中)，在传感器设备100的一侧或多侧上，区域110-1被布置以便在传感器设备100的侧的整个跨度上形成壁拉伸。该壁可以在传感器设备的整个高度上或者在传感器设备的一部分高度上竖直拉伸，在这种情况下，衬底掺杂区域116可以延伸至在区域110-1上方的传感器设备的侧。
图1D示出了飞行时间传感器设备100的示意性横截面视图，其中绘图平面与y-z平面平行(＝垂直于图1A的绘图平面)。如在图1D中示出的，区域110-1被布置以便在传感器100的侧的整个跨度上形成壁拉伸。
然而备选地，区域110-1被布置以便形成多个竖直柱体，多个竖直柱体具有在其之间的间隙。然后，如在图1E中示意性示出的，衬底掺杂区域116延伸到在柱体之间形成的间隙之间的传感器设备100的对应侧。
在传感器设备100的侧上，无论在和区域110-1的剩余部分相同的过程步骤中，或是之前或之后的步骤中，区域110-1的物质可以例如由外延生长或由植入形成。
在下文中，示例性地描述飞行时间传感器设备100的多种不同的可能实现。
在本实施例的描述中，具有相同结构和/或功能的相同或相似元件被提供有相同的附图标记或相同的名称，其中此类元件的详细描述将不会针对每个实施例重复。因此，上文关于图1A的描述等同地可应用于下文所述的其它实施例。在以下描述中，详细讨论了与图1A中示出的实施例的本质上的区别(例如，附加元件)以及由此产生的(多种)技术效果。
图1B示出了根据其它实施例的光学飞行时间传感器设备的示意性横截面视图。
如在图1B中示出的，由形成半导体衬底110的隔离材料132可选择地分隔的传感器电极130(例如，被称为分隔门或光电门(调制门)可以被布置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上。如在图1B中示出的，传感器电极130可以被布置在控制电极122和读出节点120之间的横向方向上。基于被施加在传感器电极130的其它控制信号，传感器电极130可以被配置为修改衬底掺杂区域116中(例如，在控制节点122和读出节点120之间)的电势分布。传感器电极130可以提供控制电极122和读出节点120的电容性解耦，从而防止从控制电极122到读出节点120的串扰或偏置。
根据一个实施例，传感器电极130可以被布置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上、与至少一个读出节点120横向相邻的。即使在施加到控制电极122的电势被移除的情况下，传感器电极130可以帮助保持所收集或所引导的电荷载流子。为了这个目的，在n类型衬底掺杂区域116的情况下，恒定电势(例如，恒定正电压)可以被施加到其它控制电极130。施加到其它控制电极130的电势的幅度可以小于施加到读出节点120的反向电压的幅度，但是可以高于施加到控制电极122的最大电势的幅度。
如在图1B中示出的，飞行时间传感器设备100可以可选择地包括其它控制电极122-1和其它读出节点120-1，其中通过隔离材料132与半导体衬底110分隔的其它传感器电极130-1可以被布置在衬底掺杂区域116上，例如，横向地布置在其它控制电极122-1和其它读出节点120-1之间。
在其它控制电极122-1、其它读出电极120-1、和其它传感器电极130-1被布置在飞行时间传感器设备100中的情况下，上文关于鉴于控制电极122-1和读出节点120-1的传感器节点130的功能性描述同等地可应用于鉴于其它控制电极122-1和其它读出节点120-1的其它传感器电极130-1。
总之，如在图1B中示出的，传感器电极130可以结合控制电极122被提供在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上，用于将光生电荷载流子重新引导至读出节点120。
另外，其它传感器电极130-1可以结合其它控制电极122-1被可操作地提供在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上，用于将光生电荷载流子重新引导至其它读出节点120-1。
另外，其它传感器电极130-2……可以被提供在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上，用于将光生电荷载流子重新引导至相应的读出节点120、120-1。
基于至少一个控制电极122、122-1与至少一个传感器电极130、130-1、130-2……(例如，分隔门电极或光电门电极)的结合，实现了在转换区域112中的光生电荷载流子的有效解调。
图1C示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备100的示意性横截面视图。
如在图1C中示出的，飞行时间传感器设备包括控制电极120、120-1和相关联的读出节点122、122-1。另外，衬底接触126和可选择地其它衬底接触126-1被提供。如在图1C中示出的，具有p掺杂类型的其它掺杂区域136可以被布置在控制电极120和控制电极120-1之间的基底掺杂区域116中，该衬底掺杂区域116与半导体衬底110的第一主表面区域110-A相邻。其它掺杂区域136形成表面钉扎层，并且该其它掺杂区域136可以在半导体衬底110的第一主表面区域110-A处由掺杂物的植入形成。钉扎层136以及至少一个控制电极122、122-1可以被形成为植入掺杂区域，例如在同一植入步骤期间。
例如，钉扎层136可以包括浓度大于1E14个原子/cm3(诸如在1E14个原子/cm3至1E18个原子/cm3之间、或者在1E15个原子/cm3至1E17原子个/cm3之间、或者在5E15个原子/cm3至5E16个原子/cm3之间的浓度)的p类型掺杂浓度。
因此，与第一主表面区域110-A相邻并在两个控制电极(解调电极)122、122-1之间的半导体衬底110的p掺杂电阻性区域形式的钉扎层136被配置为抑制或至少减少在与其第一主表面区域110-A相邻的半导体衬底110中的泄漏电流生成。电阻性钉扎层的掺杂浓度提供高电阻性，以便实现来自半导体衬底110的第一主表面区域110-A处的电子/空穴对(即，在半导体/氧化物接口处)的低或被抑制的泄漏(发出噪声)。因此，从转换区域112到相应的读出节点120、120-1的光生电荷载流子(电子)114b的传输可以在空间上远离与第一主表面区域110-A直接相邻的半导体衬底110。
图2A示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备100的示意性横截面视图。
在图2A中示出的飞行时间传感器设备可以如关于图1A至图1C所描述地被实现，其中飞行时间传感器设备100还包括半导体衬底110中的掩埋掺杂层140。因此，上文关于图1A至图1C的描述等同地可应用于下文所述的其它实施例。
飞行时间传感器设备100包括半导体衬底110，该半导体衬底110包括转换区域112以转换光生电荷载流子114a、114b中的电磁信号S1，并且该半导体衬底110包括衬底掺杂区域116，该衬底掺杂区域116具有n掺杂类型；其中衬底掺杂区域116从半导体衬底110的第一主表面区域110-A延伸到半导体衬底110中。半导体衬底110具有与衬底掺杂区域116相邻的p掺杂区域110-1。衬底掺杂区域116在半导体衬底110中至少部分地形成转换区域112。至少一个读出节点120、120-1被布置在衬底掺杂区域116内的半导体衬底110中，并且具有n掺杂类型，其中至少一个读出节点120、120-1被配置为读出负电荷载流子114b。至少一个控制电极122、122-1被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中和衬底掺杂区域116中并且具有p掺杂类型。
掩埋掺杂层140被布置在衬底掺杂区域116和半导体衬底110的p掺杂区域110-1竖直(在z方向上)下方的半导体衬底中。例如，掩埋掺杂层140可以延伸到半导体衬底110的第二主表面区域110-B。掩埋掺杂层140可以是半导体衬底110的p掺杂区域110-1的一部分。相比于与衬底掺杂区域116相邻的半导体衬底110的p掺杂区域110-1，掩埋掺杂层140具有更高的p类型掺杂浓度。
如在图2A中示出的，转换区域112延伸到掩埋掺杂区域140中，其中掩埋掺杂层140的一部分为半导体衬底110中的转换区域112做出贡献，或者掩埋掺杂层140的一部分是半导体衬底110中的转换区域112的一部分。
根据其它实施例，完整的掩埋掺杂区域140可以是转换区域112的一部分。
根据一种其它实施例(在图2A中未示出)，掩埋掺杂层140可以在z方向上布置在与半导体衬底110中的衬底掺杂区域116直接相邻的半导体衬底110中。因此，掩埋掺杂层140也可以形成半导体衬底110的p掺杂区域110-1。
如在图2A中示出的，掩埋掺杂层140被形成在衬底掺杂区域116深度方向上(z方向上)竖直下方的半导体衬底110中，并且例如，该掩埋掺杂层140在半导体衬底110的深度方向上相对于衬底掺杂区域116竖直偏移。
图2B示出在半导体衬底110的深度方向上(＝z方向上)的掩埋半导体层140的掺杂轮廓D140的两个示例备选I、II。
如在图2B中示出的，根据掺杂浓度D的第一备选“I”，掩埋掺杂层140具有连续地(或单调地)增加的p类型掺杂浓度D140-1，该增加的p类型掺杂浓度D140-1从具有第一掺杂浓度D1的深度z1(＝在深度位置z1处与x-y平面平行的平面)开始，增加到最大掺杂浓度D2。
根据掺杂浓度D的第二备选“II”，掩埋掺杂层140在衬底掺杂区域116下方的半导体衬底110中提供梯度掺杂轮廓。梯度掺杂轮廓“II”在掩埋掺杂层140的深度z2(＝在深度位置z2处平行于x-y平面的平面)处的中间区域中具有p掺杂类型的最大掺杂浓度D3。因此，掩埋掺杂层140包括在深度方向上从掩埋掺杂层140的中间区域z2到第二主表面区域110-B的指数下降的掺杂浓度D140-2。
例如，掺杂浓度D1可以包括具有掺杂浓度高达1E15个原子/cm3或1E12个原子/cm3的p类型掺杂浓度。
例如，掺杂浓度D2可以包括范围在1E17个原子/cm3与1E20个原子/cm3之间、或在5E17个原子/cm3与5E19个原子/cm3之间的p类型掺杂浓度。
例如，掺杂浓度D3可以包括范围在1.1E15个原子/cm3与1E20个原子/cm3之间、或在5E17个原子/cm3与5E19个原子/cm3之间的p类型掺杂浓度。
例如，掺杂浓度D4可以包括范围在1E12个原子/cm3与1E18个原子/cm3之间、或在1E14个原子/cm3与1E17个原子/cm3之间的p型掺杂浓度。
例如，掩埋掺杂层140可以包括范围在1μm与30μm之间、或在3μm与10μm之间的通常厚度或最小厚度t140。
在掩埋掺杂层140延伸至半导体衬底110的第二主表面区域110-B的情况下，掩埋掺杂层140的厚度t140可以高达200μm或300μm。
根据备选I或II的掩埋掺杂层140为少数载流子提供漂移场，使光生电子在主表面的方向上并且朝向衬底掺杂区域116漂移。
而且，根据掩埋掺杂层140的备选II的梯度掺杂轮廓为半导体衬底110的半导体区域中生成的光生电荷载流子提供静电势垒，该静电势垒在深度方向上延伸超过具有最大掺杂浓度D3的掩埋掺杂层140的深度位置z2。因此，在半导体衬底110的更深区域中的光生电荷载流子114a、114b横向扩散，并且不影响或消极地影响衬底掺杂区域116中的光生电荷载流子的解调。因此，p类型掩埋掺杂层140有效地抑制或至少减少在半导体衬底110的更深区域中生成的“慢”(扩散)电荷载流子光到达衬底掺杂区域116。
此外，在n掺杂的衬底掺杂区116中的至少控制电极122、122-1与p掺杂的掩埋掺杂层140组合，为衬底掺杂区116中的光生电荷载流子114b(电子)提供有效的电漂移场，以用于光生电荷载流子114b到相应的读出节点120、120-1的基于漂移的传输。
基于在p掺杂的掩埋掺杂层140(或半导体衬底110的p掺杂区域110-1)和n掺杂的衬底掺杂区域116之间的p/n结，用于光生载流子的电漂移场在衬底掺杂区域116的相对较深的区域中延伸。
总之，基于p掺杂的掩埋掺杂层140，光生电荷载流子到半导体衬底110的表面110-A的相对缓慢的扩散可以被抑制或至少减小，否则电荷载流子将对所得解调对比度产生不利影响。
此外，如在图2B中示出的，掺杂层140的掩埋的梯度掺杂轮廓I、II为光生电荷载流子114b提供有效漂移场，以便敏感体积(即，利用光生载流子对传感器输出信号做出贡献的解调体积)可以被增加，并且可以实现快速电荷载流子提取。
此外，根据在图2B中示出的第二备选的梯度掺杂轮廓，慢的(例如，扩散的)电荷载流子可以由朝向衬底背侧110-B(即，半导体衬底110的第二主表面区域110-B)的掺杂轮廓的向下梯度(超出深度位置z2)拒绝。
如在图2A至图2B中示出的，飞行时间传感器设备100的(多个)控制电极122、122-1可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中，并且可以具有p掺杂类型，例如作为在半导体衬底110中的植入的p掺杂区域。因此，飞行时间传感器设备300的(多个)控制电极122、122-1可以对应于飞行时间传感器设备100的(多个)控制电极122、122-1(例如，如关于图1A至图1C所描述的)。
备选地，飞行时间传感器设备100的(多个)控制电极122、122-1可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116上，并且可以由绝缘材料123与半导体衬底分隔，例如以在半导体衬底110的主表面区域110-a上具有中间绝缘层123的金属化或多晶硅区域122、122-1的形式。
图3A示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备100的示意横截面视图。
如在图3A中示出的飞行时间传感器设备可以如关于图1A至图1C和图2A至图2B所描述的那样被实现，其中飞行时间传感器设备100还包括在半导体衬底110中的沟槽结构150。因此，关于图1A至图1C和2A至图2B的上述描述等同地可应用于如下文所描述的其它实施例。
飞行时间传感器设备100包括半导体衬底110，该半导体衬底110包括：转换区域112以转换在光生电荷载流子114a、114b中的电磁信号S1，并且半导体衬底110包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域116，其中衬底掺杂区域116从半导体衬底110的第一主表面区域110-A延伸到半导体衬底110中。半导体衬底110具有与衬底掺杂区域116相邻的p掺杂区域110-1。衬底掺杂区域116至少部分地形成半导体衬底110中的转换区域112。至少一个读出节点120、120-1被布置在衬底掺杂区域116内的半导体衬底110中，并且至少一个读出节点120、120-1具有n掺杂类型，其中至少一个读出节点120、120-1被配置为读出光生电荷载流子114b。至少一个控制电极122、122-1被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中、以及衬底掺杂区域116中，并且至少一个控制电极122、122-1具有p掺杂类型。
此外，根据其它实施例的飞行时间传感器设备100包括沟槽结构150，该沟槽结构150被配置为例如抑制或至少减少在阵列内的相邻传感器设备100之间的串扰。
沟槽结构150在传感器设备中竖直延伸。根据一个实施例，它呈现了相对于设备的中心轴线对称的空间布置。例如，该中心轴线被限定为穿过在读出节点120和读出节点120-1之间的段的中部的竖直轴线(沿z方向拉伸)。
图3I示出了飞行时间传感器设备100的示意性横截面视图，其中绘制平面平行于x-y平面(＝垂直于图3A的绘制平面)。
例如，沟槽结构150沿着传感器设备100的竖直轴线呈现横截面，该横截面通常是四边形的(诸如，菱形的、矩形的或正方形的)。
沟槽结构可以被布置为使得沟槽结构的四边形横截面的侧与传感器设备的侧平行(见图3I-选项1和2)。例如，在此类配置中，沟槽结构被布置在传感器设备100的周边中。沟槽结构150可由单个连续沟槽组成(见图3I-选项1)。备选地，沟槽结构150包括彼此相距一定距离的多个沟槽，并且每个沟槽沿着沟槽结构150的四边形的一侧拉伸(见图3I-选项2)。
备选地，沟槽结构150相对于传感器设备100的侧被旋转(例如旋转45°)。例如，沟槽结构150的横截面的侧沿着与传感器设备100的面的中部和相邻面的中部相交的平面拉伸(见图3I–选项3和选项4)。沟槽结构150可由单个连续沟槽组成(见图3I-选项3)。备选地，沟槽结构150包括彼此相距一定距离的多个沟槽，每个沟槽沿着沟槽结构150的四边形的一侧拉伸(见图3I-选项4)。
沟槽结构150相对于衬底掺杂区域116的全部或部分横向布置。
沟槽结构150可以与衬底掺杂层116的横向侧面116-A的至少一部分邻接。换言之，沟槽结构150可以被布置在半导体衬底中以至少部分或完全横向包围或围绕衬底掺杂区域116。
在图3A的示例中，沟槽结构150被布置为在衬底掺杂区域116的整个或部分高度之上与衬底掺杂区域116的横侧面116-A直接相邻。因此，在对应的位置中，衬底掺杂区域116可以在横向布置的沟槽结构150的相对的部分之间完全延伸。在此类配置中，至少一个衬底接触126、126-1可以被布置为半导体衬底110的第二主表面区域110-b处的背侧接触，或者至少一个衬底接触126、126-1可以被横向布置为与半导体衬底110的p掺杂区域110-1接触(在图3A中未示出)。
沟槽结构150可以在传感器设备100的圆周的一部分之上形成传感器设备100的外边缘。备选地，沟槽结构150可以被掩埋在半导体衬底110中。
如在图3A中示出的，沟槽结构150可以在半导体衬底110内延伸至或进入半导体衬底110的p掺杂区域110-1，一直延伸至传感器设备100的底表面。备选地，沟槽结构150在与传感器设备100的底表面110-B距一定距离处结束。
此外，沟槽结构150可以在与第一主表面区域110-A距一定距离处结束。因此，衬底掺杂区域116可以延伸至沟槽结构上方的传感器设备100的横向边缘，并且可选择地在沟槽结构150和第一主表面区域110-A之间延伸。
备选地，沟槽结构可以一直延伸到第一主表面区域110-A。
沟槽结构150的内部体积可以利用介电材料填充，或者可以包括中空的空间(空隙或气体)，例如以便引起入射在沟槽结构150上的光的全内反射。
在一些实施例中，无论是图3A的结构还是包括沟槽结构150的任何结构，沟槽结构150可以被提供有包围沟槽结构150的全部或部分的衬垫156。衬垫156可以在相对于衬底掺杂区域116横向定位的沟槽的整个部分竖直地延伸。
衬垫156可从p掺杂区域110-1延伸。备选地，衬垫156可以延伸到p掺杂区域110-1中。
衬垫156充当用于沟槽对应区域的外边界。衬垫156可以将沟槽结构150包封在衬垫156存在的区域中。备选地，衬垫156可以只与沟槽结构150的一些侧邻接。
例如，衬垫156可以被配置为充当钉扎层。
衬垫156由p掺杂的材料制成。衬垫156可以由与p掺杂区域110-1相同的材料、或不同的材料制成。
衬垫156可以被外延生长、可以由外扩散形成(例如，从最初布置在沟槽中的氧化物或气体外扩散)、或由植入形成。
在下文中，示例性地描述具有沟槽结构150的飞行时间传感器设备100的多种不同的可能实现方式。参考图3A所描述的不同配置(尤其是依据沟槽结构150的结构和几何结构)适用于这些实现方式。
在本实施例的描述中，具有相同结构和/或功能的相同或相似元件具有相同的附图标记或相同的名称，其中此类元件的详细描述将不会针对每个实施例而被重复。因此，上文关于图3A的描述等同地可应用于下文描述的其它实施例。在以下描述中，详细讨论了与在图3A中示出的实施例的本质上的区别(例如，附加的元件)以及由此产生的(多种)技术效果。
图3B示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备的示意性横截面视图。
如在图3B中示出的，沟槽结构与掺杂区域116横向隔开(即，与衬底掺杂区域116的横向侧面116-A横向隔开)，其中半导体衬底110的p掺杂区域110-1的至少一部分在衬底掺杂区域116和沟槽结构150之间延伸。
如在图3B中示出的，借助于半导体衬底的p掺杂半导体区域110-1，沟槽结构150与衬底掺杂区域116横向隔开(即，沟槽结构150和衬底掺杂区域116不直接相邻)。基于该实现方式，在飞行时间传感器设备100的相邻传感器单元之间的串扰可以被抑制或至少减小。此外，在衬底掺杂区域116内的电势分布可以被改进，以提供到至少一个读出节点120、120-1的快速电荷载流子传输。
如在图3B中示出的，至少一个衬底接触126、126-1可以被布置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A(前侧)或第二主表面区域110-B(背侧)处，该至少一个衬底接触126、126-1与半导体衬底110的p掺杂区域110-1电接触。
注意，图3B的实施例可以被视为沟槽结构150至少部分地与设备100邻接的图3A的实施例，并且其中衬垫156仅靠近沟槽结构150的内表面而存在，并且衬垫156由与区域110-1相同的材料制成。
图3C示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备100的示意性横截面视图。
图3C的飞行时间传感器设备100的布置与图3A或图3B的飞行时间传感器设备100的布置的不同之处在于，半导体衬底110的p掺杂区域110-1在横向超过沟槽结构150并且进一步竖直于半导体衬底的第一主表面区域110-A的方向上在沟槽结构150的下方延伸，以提供半导体衬底的连续p掺杂区域110-1。因此，半导体衬底110的p掺杂区域110-1从主表面区域110-A(从相对于衬底掺杂区域116的沟槽结构150的相对侧)竖直地延伸到半导体衬底110中，并且在沟槽结构150的下方，半导体衬底110的p掺杂区域110-1在衬底掺杂区域116的竖直下方横向于半导体衬底110的区域延伸。
因此，至少一个衬底接触126可以被布置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A(前侧)处，以便在制造光学飞行时间传感器设备100期间，不需要半导体衬底(＝晶片)的背侧处理来提供至少一个衬底接触126。
在一些实施例中，半导体衬底110可以仅在(一个或多个)沟槽结构的下方延伸(即，不横向地延伸超过(一个或多个)沟槽结构)。
图3D示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备100的示意性横截面视图。
如在图3D中示出的，沟槽结构150被掩埋在半导体衬底110中。更具体而言，沟槽结构150的第一主表面区域150-A(例如，顶端)在半导体衬底110的深度方向上与第一主表面区域110-A偏移。在深度方向上，沟槽结构150的第二主表面区域150-B(例如，底端)到达半导体衬底的p掺杂区域110-1。因此，沟槽结构的第二主表面区域150-b接触半导体衬底110的p掺杂区域110-1。
如在图3D中示出的，p掺杂的衬底接触区域154被布置在半导体衬底110中，该衬底接触区域154具有比p掺杂区域110-1更高的掺杂浓度。衬底接触区域154被布置为与半导体衬底110的第一主表面区域110-A相邻。衬底接触区域154可以至少在半导体衬底的第一主表面区域110-A和掩埋沟槽结构150的第一主表面区域150-A之间延伸。另外，衬底掺杂区域116的上部部分在衬底接触区域154之间横向地延伸。因此，衬底掺杂区域116被横向限制在衬底接触区域154(的相对部分)和竖直跟随的沟槽结构150之间。
例如，p掺杂的衬底接触区域154可以包括范围在1E14个原子/cm3和1E20个原子/cm3之间、或者在1E16个原子/cm3和1E19个原子/cm3之间的p类型掺杂浓度。
根据图3D的实施例的飞行时间传感器设备100的实现方式在半导体衬底110的表面110-A上提供了更大的面积，该更大的面积可用于(可选的)有源设备(在图3D中未示出)。
图3E示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备的示意性横截面视图。
如在图3E中示出的，飞行时间传感器设备100额外地包括(如参考图3A的布置所述的)以半导体衬底110的p掺杂的电阻性区域的形式形成电阻性钉扎层156的竖直衬垫156，该电阻性钉扎层156至少横向地被布置在衬底掺杂区域116和沟槽结构150之间。电阻性钉扎层156可以被布置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A与半导体衬底110的p掺杂区域110-1之间。因此，电阻性钉扎层156(其至少部分地或完整地横向包围或围绕衬底掺杂区域116)可以从第一主表面区域110-A延伸到半导体衬底110的p掺杂区域110-1。
例如，钉扎层156的掺杂浓度大于1E14个原子/cm3、或者在1E14个原子/cm3和1E18个原子/cm3之间、或者在1E15个原子/cm3和1E17个原子/cm3之间、或者在5E15个原子/cm3和5E16个原子/cm3之间，并且因此，钉扎层156的掺杂浓度高于半导体衬底110的p掺杂区域110-1的掺杂浓度。
基于钉扎层156，来自在半导体衬底110的半导体材料和沟槽结构150的隔离(例如，介电)材料之间的接口(例如，SI/SIO2接口)处的电子/空穴对生成的泄漏(发出噪音)可以被抑制或至少减少。
要注意的是，图3E的实施例可以被看作是衬垫156延伸到区域110-1中、并且衬垫156由与区域110-1不同的材料制成、并且衬垫156仅靠近沟槽结构150的内表面而存在的图3A的实施例。
图3F示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备100的示意性截面视图。
如在图3F中示出的飞行时间传感器设备可以如关于图3A至图3E所描述的那样实现，以便关于图3A至图3E的上文描述等同地可应用于如下文所述的实施例。
如在图3F中示出的，飞行时间传感器设备100包括沟槽结构150(如关于图3D所描述的)，该沟槽结构150被掩埋在半导体衬底110中。更具体而言，沟槽结构150的第一主表面区域150-1在半导体衬底110的深度方向上与第一主表面区域110-A偏移。在深度方向上，沟槽结构150的第二主表面区域150-B到达半导体衬底的p掺杂区域110-1。因此，沟槽结构的第二主表面区域150-B接触半导体衬底110的p掺杂区域110-1。如在图3F中进一步示出的，p掺杂的衬底接触区域154被布置在与第一主表面区域110-A相邻的半导体衬底110中。衬底接触区域154可以在半导体衬底的第一主表面区域110-A和掩埋沟槽结构150的第一主表面区域150-A之间延伸。
如在图3F中示出的，飞行时间传感器设备100还包括以半导体衬底110的p掺杂电阻性区域形式的钉扎层156(如关于图3E所描述的)，该钉扎层156至少被横向布置在衬底掺杂区域116和沟槽结构150之间。
如在图3F中示出的，飞行时间传感器设备100还包括掩埋掺杂层140(如关于图2A至图2B所描述的)，掩埋掺杂层140被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116和p掺杂区域110-1竖直(在z方向上)下方的半导体衬底中。例如，掩埋掺杂层140可以延伸到半导体衬底110的第二主表面区域110-B。掩埋掺杂层140可以是半导体衬底110的p掺杂区域110-1的一部分。相比于与衬底掺杂区域116相邻的半导体衬底110的p掺杂区域110-1，掩埋掺杂层140具有更高的p类型掺杂浓度。
根据其它实施例(在图2A中未示出)，掩埋掺杂层140可以在z方向上布置在与半导体衬底110中的衬底掺杂区域116直接相邻的半导体衬底110中。因此，掩埋掺杂层140可以形成半导体衬底110的p掺杂区域110-1。
如在图3F中示出的，飞行时间传感器设备100还包括传感器电极130，例如被称为分隔门或光电门(调制门)，(如关于图1B所描述的)该传感器电极130由隔离材料132与半导体衬底110可选择地分隔，并且该传感器电极130可以被布置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上。如在图3F中示出的，传感器电极130可以在横向方向上布置在控制电极122和读出节点120之间。此外，其它传感器电极130-1可以与其它控制电极122-1相结合地设置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上。另外，(多个)其它传感器电极130-2、……，可以被设置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上，以用于将光生电荷载流子重新引导到相应的读出节点120、120-1。
基于根据图3F的飞行时间传感器设备100的实现方式，实现了转换区域112中的光生电荷载流子的非常有效的解调。
图3G示出了根据其他实施例的飞行时间传感器设备100的示意性横截面视图。
如在图3G中示出的(当与图3A的实现方式相比时)，填充沟槽结构150的沟槽材料包括邻近沟槽结构150的横向主表面区域150-C的电荷152(负电荷载流子或负电荷区域)。例如，介电沟槽填充材料可以包括Al2O3，其中Al2O3材料可以包括层状结构。负电荷载流子152可以在衬底掺杂区域116的横向区域116-A处从半导体衬底110的衬底材料吸引正电荷载流子(空穴)155。更精确地，负电荷152被存储在沟槽结构150的介电材料中，这导致在与沟槽结构150邻接的衬底掺杂区域116的横向区域116-A处的空穴155的累积。
在衬底掺杂区域116的横向区域116-A处的空穴155的累积影响衬底掺杂区域116中的等电位线，这导致光生电荷载流子114b的更有效解调。此外，来自半导体衬底110的半导体材料与沟槽结构150的介电材料之间的接口处的电子/空穴对生成的泄漏(发出噪声)可以被抑制或至少减少。基于根据图3G的实施例的飞行时间传感器设备100的实现方式，这些结果可以用最小的空间需求来实现。
图3H示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备100的示意性横截面视图。
图3H的飞行时间传感器设备100的布置与图3F的飞行时间传感器设备100的布置的不同之处在于，代替钉扎层156，填充沟槽结构150的沟槽材料包括邻近沟槽结构150的横向主表面区域150-C的电荷152(负电荷载流子或负带电区域)。
如在图3H中示出的，飞行时间传感器设备100包括被掩埋在半导体衬底110中的沟槽结构150。
飞行时间传感器设备100还包括掩埋掺杂层140，掩埋掺杂层140被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116和p掺杂的区域110-1的竖直(在z方向上)下方的半导体衬底110中。
另外，至少一个(多个)其它传感器电极130、130-1、130-2、……(例如，被称为分隔门或光电门(调制门))可以被设置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上，以用于将光生电荷载流子重新引导到相应的读出节点120、120-1。
基于根据图3F的飞行时间传感器设备100的实现方式，实现了在转换区域112中的光生电荷载流子的非常有效的解调。
如在图3A至图3H中示出的，飞行时间传感器设备100的(多个)控制电极122、122-1可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中，并且可以具有p掺杂类型，例如作为在半导体衬底110中的植入p掺杂区域。因此，飞行时间传感器设备300的(多个)控制电极122、122-1可以对应于飞行时间传感器设备100的(多个)控制电极122、122-1(例如，如关于图1A至图1C所描述的)。
备选地，飞行时间传感器设备100的(多个)控制电极122、122-1可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116上，并且可以由绝缘材料123与半导体衬底分开，例如以半导体衬底110的主表面区域110-A上具有中间绝缘体层123的金属化或多晶硅区域122、122-1的形式。
图4示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备200的示意性横截面视图。
根据另一实施例，飞行时间传感器设备200包括半导体衬底110。半导体衬底110包括转换区域112以转换在光生电荷载流子114a、114b中的电磁信号S1。半导体衬底110还包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域116，其中衬底掺杂区域116从半导体衬底110的第一主表面区域110-A(在深度方向或z方向上)延伸到半导体衬底110中。
半导体衬底110具有与衬底掺杂区域116相邻的p掺杂区域110-1，即与衬底掺杂区域116相邻的半导体衬底110-1的剩余区域110-1具有p掺杂类型。衬底掺杂区域116至少部分地形成半导体衬底中的转换区域112。读出节点120被布置在衬底掺杂区域116内的半导体衬底110中，并且读出节点120具有n掺杂类型，例如具有比衬底掺杂区域116更高的掺杂浓度。读出节点120被配置为读出光生电荷载流子114b，例如光生电子。
控制电极122被布置在半导体衬底的衬底掺杂区域中，或者半导体衬底的衬底掺杂区域上。半导体衬底中的具有比半导体衬底110的p掺杂区域110-1更高的p掺杂类型浓度的掩埋掺杂层140被布置为与衬底掺杂区域116相邻，其中掩埋掺杂层140被形成在半导体衬底110中的衬底掺杂区域116的竖直下方的半导体衬底110中。
如在图4中示例性示出的，飞行时间传感器设备200的(多个)控制电极122、122-1可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116上，并且可以由绝缘材料123与半导体衬底110分隔，例如以在半导体衬底110的主表面区域110-A上具有中间绝缘体层123的金属化或多晶硅区域122、122-1的形式。
备选地，(多个)控制电极122、122-1可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中，并且可以具有p掺杂类型，例如作为在半导体衬底110中的植入p掺杂区域。因此，(多个)控制电极122、122-1可以对应于飞行时间传感器设备100的(多个)控制电极122、122-1(例如，如关于图1A至图1C和图2A至图2B所描述的)。
根据一个实施例，图4的飞行时间传感器设备200的掩埋掺杂层140在结构上和功能上对应于图2A至图2B的飞行时间传感器设备100的掩埋掺杂层140，其中图4的掩埋掺杂层140的掺杂浓度在图2B中被示例性示出，作为具有在半导体衬底110的深度方向上(＝z方向)的掩埋半导体层140的掺杂轮廓D140的两个示例性备选I、II的示意图。因此上述飞行时间传感器设备100(例如，关于图2A至图2B)的掩埋掺杂层140的结构和功能性描述等同地可应用于关于图4所述的飞行时间传感器设备200的实施例。
根据其它实施例，飞行时间传感器设备200可以包括沟槽结构(在图4中未示出)，该沟槽结构相对于衬底掺杂区域116横向布置，并且相对于半导体衬底110的第一主表面区域110-A竖直延伸到半导体衬底110中。因此，上述飞行时间传感器设备100的沟槽结构150的结构和功能性描述等同地可应用于关于图4所述的飞行时间传感器设备200的实施例。
根据一个实施例，TOF传感器设备100可以可选择地包括其它控制电极122-1，以可选择地提供一对控制电极122、122-1，以及可选择地包括其它读出节点120-1，以可选择地提供一对读出节点120、120-1。
可选择的其它控制电极120-1也可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中，或者被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域上。如在图4中示出的，其它控制电极122-1也可以被布置在与半导体衬底110的第一主表面区域110-A相邻的转换区域112中。其它控制电极122-1可以被形成为半导体衬底110中的植入掺杂区域。例如，其它控制电极122-1可以包括与控制电极122相同的p类型掺杂浓度。
备选地，其它控制电极122-1可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116上，并且由绝缘材料123与半导体衬底分隔，例如以在半导体衬底110的主表面区域110-A上具有中间绝缘体层123额的金属化或多晶硅区域122-1的形式。
可选择的其它读出节点120-1被布置在衬底掺杂区域116内的半导体衬底110中，并且具有n掺杂类型，例如具有比衬底掺杂区域116更高的掺杂浓度。其它读出节点120-1还被配置为读出光生电荷载流子114b(例如，光生电子)。其它读出节点120-1可以被形成为半导体衬底110中的植入掺杂区域。其它读出节点120-1可以包括与读出节点120相同的n类型掺杂浓度。
因此，上述飞行时间传感器设备100(例如，关于图1A至图1B)的其它读出节点120-1和其它控制电极122-1的结构和功能性描述等同地可应用于关于图4所述的飞行时间传感器设备200的实施例。
如在图4中示出的，其它衬底接触126-1可以可选择地提供在半导体衬底110的p掺杂区域110-1处。在其它衬底接触126-1被布置的情况下，上述飞行时间传感器设备100的衬底接触126-1的结构和功能性描述等同地可应用于飞行时间传感器设备100的其它衬底接触126-1。
图5A至图5B示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备的示意性横截面视图。
如在图5A中示出的飞行时间传感器设备200可以被实现为如关于图4所描述的，其中飞行时间传感器设备200还可以包括半导体衬底110中的沟槽结构150，该沟槽结构150相对于衬底掺杂区域116被横向布置，并且相对于半导体衬底110的第一主表面区域110-A竖直延伸到半导体衬底110中。沟槽结构150可以被掩埋在半导体衬底110中。因此，上述飞行时间传感器设备100(例如，关于图3A至图3H)的沟槽结构150的结构和功能性描述等同地可应用于关于图4所述的飞行时间传感器设备200的实施例。
如在图5A中示例性示出的，飞行时间传感器设备200的(多个)控制电极122、122-1可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116上，并且可以由绝缘材料123与半导体衬底分隔，例如以在半导体衬底110的主表面区域110-A上具有中间绝缘层123的在金属化或多晶硅区域122、122-1的形式。备选地，(多个)控制电极122可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中，并且具有p掺杂类型，例如作为半导体衬底110中的植入p掺杂区域。因此，飞行时间传感器设备200的(多个)控制电极122、122-1可以对应于飞行时间传感器设备100(例如，关于图1A至图1C和图2A和图2B所描述的)的(多个)控制电极122、122-1。
如在图5A中示出的，沟槽结构150被掩埋在半导体衬底110中，其中p掺杂的衬底接触区域154被布置在与半导体衬底110的第一主表面区域110-A相邻的半导体衬底110中，并且衬底接触区域154至少在半导体衬底的第一主表面区域110-A和掩埋沟槽结构150的第一主表面区域150-A之间延伸。沟槽结构的第二主表面区域150-b接触半导体衬底110的p掺杂区域110-1。
如在图5A中示出的，飞行时间传感器设备200还可以包括以半导体衬底110的p掺杂的电阻性区域形式的钉扎层156，该钉扎层156被横向布置在衬底掺杂区域116和沟槽结构150之间。飞行时间传感器设备200还可以包括掩埋掺杂层140，该掩埋掺杂层140被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116的竖直下方的半导体衬底。掩埋掺杂层140可以是半导体衬底110的p掺杂区域110-1的一部分。相比于与衬底掺杂区域116相邻的半导体衬底110的p掺杂区域110-，掩埋掺杂层140具有更高的p类型掺杂浓度。
如在图5A中示出的，飞行时间传感器设备200还包括传感器电极130，例如被称为分隔门或光电门(调制门)，(如关于图1B所述的)该传感器电极130通过隔离材料132与半导体衬底110可选择地分隔，并且该传感器电极130可以被布置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上。如在图5A中示出的，传感器电极130可以在横向方向上被布置在控制电极122和读出节点120之间。另外，其它传感器电极130-1可以结合其它控制电极122-1可选择地设置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上。另外，(多个)传感器电极130-2、……，可以被设置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上，以用于将光生电荷载流子重新引导到相应的读出节点120、120-1。
基于根据图5A的飞行时间传感器设备200的实现方式，实现了在转换区域112中的光生电荷载流子的非常有效的解调。
图5B示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备200的示意性横截面视图。飞行时间传感器设备200的布置与图5A的飞行时间传感器设备的布置的不同之处在于，代替钉扎层156，填充沟槽结构150的沟槽材料包括邻近沟槽结构150的横向主表面区域150-C的电荷152(负电荷载流子或负带电区域)。因此，上述飞行时间传感器设备100(例如，关于图3H)的沟槽结构150的结构和功能性描述等同地可应用于关于图5B所述的飞行时间传感器设备200的实施例。
如在图5B中示出的，飞行时间传感器设备200包括沟槽结构150，该沟槽结构150被掩埋在半导体衬底110中。飞行时间传感器设备200还包括掩埋掺杂层140，该掩埋掺杂层140被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116和p掺杂区域110-1的竖直(在z方向上)下方的半导体衬底中。
如在图5B中示例性示出的，飞行时间传感器设备200的(多个)控制电极122、122-1可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116上，并且可以由绝缘材料123与半导体衬底分隔，例如以在半导体衬底110的主表面区域110-A上具有中间绝缘体层123的金属化或多晶硅区域122、122-1的形式。备选地，(多个)控制电极122、122-1可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中，并且可以具有p掺杂类型，例如作为半导体衬底110中的植入p掺杂区域。因此，(多个)控制电极122、122-1可以对应于飞行时间传感器设备100(例如，关于图1A至图1C和图2A至图2B所述的)的(多个)控制电极122、122-1。
另外，至少一个(多个)附加传感器电极130、130-1、130-2、……(例如，被称为分隔门或光电门(调制门))可以被设置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A上，以用于将光生电荷载流子重新引导到相应的读出节点120、120-1。
图6示出了根据其它实施例的飞行时间传感器设备300的示意性横截面视图。
根据另一实施例，飞行时间传感器设备300包括半导体衬底110。半导体衬底110包括转换区域112以转换在光生电荷载流子114a、114b中的电磁信号S1。半导体衬底110还包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域116，其中衬底掺杂区域116(在深度方向或z方向上)从半导体衬底110的第一主表面区域110-A延伸到半导体衬底110中。
半导体衬底110具有与衬底掺杂区域116相邻的p掺杂区域110-1，即与衬底掺杂区域116相邻的半导体衬底110-1的剩余区域110-1具有p掺杂类型。衬底掺杂区域116至少部分地形成半导体衬底中的转换区域112.
读出节点120被布置在衬底掺杂区域116内的半导体衬底110中，并且具有n掺杂类型(例如，具有比衬底掺杂区域116更高的掺杂浓度)。读出节点120被配置为读出光生电荷载流子114b(例如，光生电子)。
控制电极122被布置在半导体衬底的衬底掺杂区域中，或在半导体衬底的衬底掺杂区域上。
飞行时间传感器设备300还包括半导体衬底10中的沟槽结构150，沟槽结构150相对于衬底掺杂区域116横向布置，并且该沟槽结构150相对于半导体衬底110的第一主表面区域110-A竖直延伸到半导体衬底110中。
因此，上述关于沟槽结构150(例如，相对于图3A至图3H)的结构和功能性的飞行时间传感器设备100的不同实现方式等同地可应用于关于图6描述的飞行时间传感器设备300。
如在图6中示例性示出的，飞行时间传感器设备300的(多个)控制电极122、122-1可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116上，并且可以由绝缘材料123与半导体衬底分隔，例如以在半导体衬底110的主表面区域110-A上具有中间绝缘体层123的金属化或多晶硅区域122、122-1的形式。
备选地，(多个)控制电极122、122-1可以被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中，并且可以具有n掺杂类型，例如作为半导体衬底110中的植入p掺杂区域。因此，飞行时间传感器设备300的(多个)控制电极122、122-1可以对应于飞行时间传感器设备100(例如，关于图1A至图1C和图2A至图2B所述的)的(多个)控制电极122、122-1。
根据其它实施例，沟槽结构150可以与衬底掺杂区域116横向间隔，其中半导体衬底110的p掺杂区域110-1的至少一部分被布置在衬底掺杂区域110-1和沟槽结构150之间(例如，同样参见图3B以及相关联的描述)。
根据其它实施例，沟槽结构150可以被布置为与衬底掺杂区域116直接相邻(例如，同样参见图3A以及相关联的描述)。
根据其它实施例，飞行时间传感器设备300可以进一步可选择地包括以半导体衬底110的p掺杂电阻性区域的形式的沟槽钉扎层156(在图6中未示出)，其中沟槽钉扎层156被布置为与沟槽结构150相邻，并且在沟槽结构150和衬底掺杂区域116之间，并且该沟槽钉扎层156延伸到半导体衬底110的p掺杂区域110-1(例如，同样参见图3E至图3F以及相关联的描述)。
根据其它实施例，具有p掺杂类型的其它掺杂区域(＝钉扎层)136可以被可选择地布置在控制电极122、122-1之间、与半导体衬底110的第一主表面区域110-A相邻的衬底掺杂区域116中(例如，同样参见图1C以及相关联的描述)。
根据其它实施例，沟槽结构150包括沟槽介电材料，沟槽介电材料在与衬底掺杂区域116相邻的该沟槽介电材料中具有存储的电荷载流子152(例如，同样参见图3G至图3H以及相关联的描述)。
根据其它实施例，沟槽结构150可以被掩埋在半导体衬底110中，并且可以在半导体衬底110的p掺杂区域110-1中延伸(例如，同样参见图3D、图3F、图3H以及相关联的描述)。
根据其它实施例，飞行时间传感器设备300可以进一步包括具有p掺杂类型的衬底接触区域154，该衬底接触区域154在半导体衬底110中，并且与半导体衬底110的第一主表面区域110相邻(例如，同样参见图3D、图3F、图3H以及相关联的描述)。
根据一个实施例，衬底接触区域154被布置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A和掩埋沟槽结构150之间(例如，同样参见图3D、图3F、图3H以及相关联的描述)。
根据其它实施例，沟槽结构150在衬底接触区域154和掩埋掺杂层140之间延伸(例如，同样参见图3F、图3H以及相关联的描述)。半导体衬底中的掩埋掺杂层140具有比半导体衬底110的p掺杂区域110-1更高的p类型掺杂浓度，该掩埋掺杂层140可以被布置为与衬底掺杂区域116相邻，其中掩埋掺杂层140被形成在半导体衬底110中，在半导体衬底110中的衬底掺杂区域116的竖直下方。因此，上述飞行时间传感器设备100(例如，关于图2A至图2B)的掩埋掺杂层140的结构和功能性描述等同地可应用于关于图6所述的飞行时间传感器设备300的实施例。
图7示出了根据其它实施例的飞行时间传感器布置的示例性示意电路图。
根据另一实施例，飞行时间传感器布置方式400包括：多个像素，该多个像素分别具有飞行时间传感器设备100、200、300中的一个飞行时间传感器设备，其中像素被布置在阵列410中(例如，n×m阵列，n≥2(2、3、4、5、……)且m≥2(2、3、4、5、……))；以及控制器420，该控制器420用于将控制信号Cxm提供给相应的多个)控制电极122、122-1。
光学飞行时间传感器设备100可以被配置为检测进入转换区域112的电磁信号S0、S1的飞行时间。为了此目的，光学飞行时间传感器设备100可以进一步包括控制器，控制器可以被配置为将变化的电势施加到(多个)控制电极122、122-1，以生成在衬底掺杂区域116和转换区域112中的电势分布，由此，取决于进入转换区域的电磁信号S0、S1的飞行时间，在转换区域112中的光生电荷载流子被引导向不同的方向，例如朝向(多个)读出区域122、122-1。
由控制器施加到(多个)控制电极的变化的电势是与电磁信号S0被调制的调制信号具有固定相位关系的解调信号。
控制器420可以被进一步配置为：基于在第一读出节点120处收集的电荷载流子量和/或在第二读出节点120-1处收集的电荷载流子量的关系来确定电磁信号S0、S1的飞行时间。在实施例中，控制器420可以由任何适合的集成电路形成，并且可以与光学飞行时间传感器设备100集成。在实施例中，控制器可以由与光学传感器设备的半导体衬底分隔的集成电路提供。在实施例中，控制器的至少部分可以由微处理器或FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)形成。
描述了可以单独使用或与本文描述的特征和功能组合使用的附加的实施例和方面。
根据一个实施例，飞行时间传感器设备100包括：半导体衬底110，该半导体衬底110包括转换区域112以转换在光生电荷载流子114a、114b中的电磁信号S，并且半导体衬底110包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域116，其中衬底掺杂区域116从半导体衬底110的第一主表面区域110-A延伸到半导体衬底110中，其中半导体衬底110具有与衬底掺杂区域116相邻的p掺杂区域110-1，以及其中衬底掺杂区域116至少部分地形成半导体衬底110中的转换区域112；读出节点120，该读出节点120被布置在衬底掺杂区域116内的半导体衬底110中，并且读出节点120具有n掺杂类型，其中读出节点120被配置为读出光生电荷载流子114b；以及控制电极122，该控制电极122被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中和衬底掺杂区域116中，并且该控制电极122具有p掺杂类型。
根据一方面，转换区域112竖直延伸超过半导体衬底110中的衬底掺杂区域116。
根据另一方面，飞行时间传感器设备100还包括：传感器电极130，该传感器电极130通过隔离材料132与半导体衬底130分隔，其中传感器电极130被配置为修改衬底掺杂区域116中的电势分布。
根据另一方面，飞行时间传感器设备100还包括：其它控制电极122-1，该其它控制电极122-1被布置在半导体衬底110的衬底掺杂区域116中，并且其它控制电极122-1具有p掺杂类型；以及以半导体衬底110的p掺杂电阻性区域形式的电阻性钉扎层136，其中电阻性钉扎层136被布置在与第一主表面区域110-A相邻的半导体衬底110中，并且在两个控制电极122、122-1之间。
根据另一方面，飞行时间传感器设备100还包括：掩埋掺杂层140，该掩埋掺杂层140在半导体衬底110中，该相比于与衬底掺杂层116相邻的半导体衬底110的p掺杂区域110-1，掩埋掺杂层140具有更高的p掺杂类型浓度，其中掩埋掺杂层140被形成在半导体衬底110中的衬底掺杂区域116的竖直下方。
根据另一方面，掩埋掺杂层140在半导体衬底110中提供梯度掺杂轮廓，梯度掺杂轮廓在掩埋掺杂层的中间区域140-1中具有p掺杂类型的最大掺杂浓度。
根据另一方面，飞行时间传感器设备100还包括：沟槽结构150，该沟槽结构150相对于衬底掺杂区域116被横向布置，并且该沟槽结构相对于半导体衬底110的第一主表面区域110-a在半导体衬底110中竖直延伸。
根据另一方面，沟槽结构150被布置为与衬底掺杂区域116直接相邻。
根据另一方面，沟槽结构150与衬底掺杂区域116横向间隔，其中半导体衬底110的p掺杂区域110-1的至少一部分被布置在衬底掺杂区域116和沟槽结构150之间。
根据另一方面，飞行时间传感器设备100还包括：以半导体衬底110的p掺杂电阻性区域形式的沟槽钉扎层156，其中沟槽钉扎层156被布置为与沟槽结构150相邻，并且沟槽钉扎层156被布置为至少在沟槽结构150和衬底掺杂区域116之间，并且沟槽钉扎层156被布置为延伸到半导体衬底110的p掺杂区域110-1。
根据另一方面，沟槽结构150包括沟槽介电材料，沟槽介电材料在与衬底掺杂区域116相邻的沟槽介电材料中具有存储的电荷载流子。
根据另一方面，沟槽结构150被掩埋在半导体衬底110中，并且在深度方向上达到半导体衬底110的p掺杂区域110-1。
根据另一方面，飞行时间传感器设备100还包括：衬底接触区域154，该衬底接触区域154在半导体衬底110中具有p掺杂类型，并且衬底接触区域154与半导体衬底110的第一主表面区域110-A相邻。
根据另一方面，衬底接触区域116被布置在半导体衬底110的第一主表面区域110-A与沟槽结构150之间。
根据另一方面，掩埋沟槽结构150在衬底接触区域154和掩埋掺杂层140之间延伸。
根据另一实施例，飞行时间传感器设备200包括：半导体衬底，该半导体衬底包括转换区域，以转换在光生电荷载流子中的电磁信号，并且包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域，其中衬底掺杂区域从半导体衬底的第一主表面区域延伸到半导体衬底中，其中半导体衬底具有与衬底掺杂区域相邻的p掺杂区域110-1，并且其中衬底掺杂区域在半导体衬底中至少部分地形成转换区域；读出节点，读出节点被布置在衬底掺杂区域内的半导体衬底中，并且读出节点具有n掺杂类型，其中读出节点被配置为读出所述光生电荷载流子；控制电极，该控制电极被布置在半导体衬底的衬底掺杂区域中，或者被布置在半导体衬底的衬底掺杂区域上；以及掩埋掺杂层140，该掩埋掺杂层140在半导体衬底中，相比于与衬底掺杂区域相邻的半导体衬底的p掺杂区域，掩埋掺杂层140具有更高的p掺杂类型的浓度，其中掩埋掺杂层被形成在半导体衬底中并且在半导体衬底110中的衬底掺杂区域116的竖直下方。
根据一方面，控制电极被布置在衬底掺杂区域中并且具有p掺杂类型，或者控制电极被布置在半导体衬底的衬底掺杂区域上，并且通过隔离材料与半导体衬底分隔。
根据另一方面，掩埋掺杂层在半导体衬底中提供梯度掺杂分布，梯度掺杂分布在掩埋掺杂层的中间区域具有p掺杂类型的最大掺杂浓度。
根据另一方面，飞行时间传感器设备还包括：沟槽结构，该沟槽结构相对于衬底掺杂区域被横向布置，并且沟槽结构相对于半导体衬底的第一主表面区域在半导体衬底中竖直延伸。
根据另一实施例，飞行时间传感器设备300包括：半导体衬底，该半导体衬底包括转换区域，以转换在光生电荷载流子中的电磁信号，并且该半导体衬底包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域，其中衬底掺杂区域从半导体衬底的第一主表面区域延伸到半导体衬底中，其中半导体衬底110具有与衬底掺杂区域116相邻的p掺杂区域110-1，并且其中衬底掺杂区域在半导体衬底中至少部分地形成转换区域；读出节点，该读出节点被布置在衬底掺杂区域内的半导体衬底中，并且读出节点具有n掺杂类型，其中该读出节点被配置为读出光生电荷载流子；控制电极，该控制电极被布置在半导体衬底的衬底掺杂区域中，或者半导体衬底的基地掺杂区域上；以及沟槽结构，该沟槽结构相对于衬底掺杂区域被横向地布置，并且沟槽结构相对于半导体衬底的第一主表面区域在半导体衬底中竖直地延伸。
根据一方面，控制电极被布置在衬底掺杂区域中，并且具有p掺杂类型，或者其中控制电极被布置在半导体衬底的衬底掺杂区域上，并且通过隔离材料与半导体衬底分隔。
根据另一方面，沟槽结构被布置为与衬底掺杂区域直接相邻。
根据另一方面，沟槽结构与衬底掺杂区域横向间隔，其中半导体衬底110的p掺杂区域110-1被设置在衬底掺杂区域与沟槽结构之间。
根据另一方面，飞行时间传感器设备300还包括：以半导体衬底的p掺杂电阻性区域形式的沟槽钉扎层，其中沟槽钉扎层被布置为与沟槽结构相邻，并且至少在沟槽结构和衬底掺杂区域之间，并且该沟槽钉扎层延伸至半导体衬底的p掺杂区域110-1。
根据另一方面，沟槽结构包括沟槽介电材料，沟槽介电材料在与衬底掺杂区域相邻的沟槽介电材料中具有存储的电荷载流子。
根据另一方面，沟槽结构被掩埋在半导体衬底中，并且沟槽结构在半导体衬底的p掺杂区域110-1中延伸。
根据另一方面，飞行时间传感器设备300还包括：在半导体衬底中具有p掺杂类型的衬底接触区域，并且该衬底接触区域与半导体衬底的第一主表面区域相邻。
根据另一方面，衬底接触区域被布置在半导体衬底的第一主表面区域和沟槽结构之间。
根据另一方面，沟槽结构在衬底接触区域和掩埋掺杂层140之间延伸。
根据另一实施例，飞行时间传感器设备400包括：多个飞行时间传感器设备100、200、300，其中飞行时间传感器设备100、200、300被布置在阵列中；以及控制器，其用于将控制信号提供给控制电极。
尽管一些方面被描述为装置的上下文中的特征，但明显的是，此类描述也可以被视为对方法的对应特征的描述。尽管一些方面被描述为方法的上下文中的特征，但明显的是，此类描述也可以被视为关于装置的功能的对应特征的描述。
在前面的具体实施方式中，可以看出的是为了简化公开的目的而将在示例中的各种特征分组在一起。本公开方法不应被解释为反映了这样一种意图：即所要求保护的示例需要比在每一权利要求中明确陈述的更多的特征。相反，如所附权利要求所反映的，主题可以存在于少于单个公开示例的所有特征。因此，所附权利要求在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求可以作为单独的示例而存在。虽然每个权利要求可以作为单独的示例而存在，但应当注意的是，虽然从属权利要求可以指在权利要求中与一项或多项其他权利要求的特定组合，但其他示例也可以包括从属权利要求与彼此从属的权利要求的主题的组合，或每个特征与其他从属或独立的权利要求的组合。除非说明不旨在进行特定组合，否则在此提出此类组合。此外，还旨在将权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求，即使该权利要求并非直接从属于该独立权利要求。
尽管本文已经示出和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离本实施例的范围的情况下，可以用各种备选和/或等效实现来代替所示出和描述的具体实施例。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施例的任何改编或变化。因此，本实施例仅受限于权利要求及其等效物。

Claims (30)

1.一种飞行时间传感器设备(100)，包括：
半导体衬底(110)，其包括转换区域(112)以转换在光生电荷载流子(114a、114b)中的电磁信号(S)，并且所述半导体衬底(110)包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域(116)，
其中所述衬底掺杂区域(116)从所述半导体衬底(110)的第一主表面区域(110-A)延伸到所述半导体衬底(110)中，
其中所述半导体衬底(110)具有与所述衬底掺杂区域(116)相邻的p掺杂区域(110-1)，以及
其中所述衬底掺杂区域(116)至少部分地形成所述半导体衬底(110)中的所述转换区域(112)，
读出节点(120)，其被布置在所述衬底掺杂区域(116)内的所述半导体衬底(110)中，并且所述读出节点(120)具有所述n掺杂类型，其中所述读出节点(120)被配置为读出所述光生电荷载流子(114b)；以及
控制电极(122)，被布置在衬底掺杂区域(116)中，并且所述控制电极(122)具有p掺杂类型。
2.根据权利要求1所述的飞行时间传感器设备(100)，其中所述转换区域(112)竖直延伸超过所述半导体衬底(110)中的所述衬底掺杂区域(116)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的飞行时间传感器设备(100)，还包括：
传感器电极(130)，其通过隔离材料(132)与所述半导体衬底(110)分隔，其中所述传感器电极(130)被配置为修改在所述衬底掺杂区域(116)中的电势分布。
4.根据前述权利要求中任一项所述的飞行时间传感器设备(100)，还包括：
其它控制电极(122-1)，被布置在所述半导体衬底(110)的所述衬底掺杂区域(116)中，并且所述其它控制电极(122-1)具有所述p掺杂类型，以及
以所述半导体衬底(110)的p掺杂电阻性区域形式的电阻性钉扎层(136)，其中所述电阻性钉扎层(136)被布置在与所述第一主表面区域(110-A)相邻的所述半导体衬底(110)中、并且在所述两个控制电极(122、122-1)之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的飞行时间传感器设备(100)，还包括：
掩埋掺杂层(140)，其在所述半导体基底(110)中，相比于与所述衬底掺杂区域(116)相邻的所述半导体衬底(110)的所述p掺杂区域(110-1)，所述掩埋掺杂层(140)具有更高的所述p掺杂类型的浓度，
其中所述掩埋掺杂层(140)被形成在所述半导体衬底(110)中的所述衬底掺杂区域(116)的竖直下方。
6.根据权利要求5所述的飞行时间传感器(100)设备，其中所述掩埋掺杂层(140)提供所述半导体衬底(110)中的梯度掺杂轮廓，所述梯度掺杂轮廓具有在所述掩埋掺杂层的中间区域(140-1)中的所述p掺杂类型的最大掺杂浓度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的飞行时间传感器设备(100)，还包括：
沟槽结构(150)，其相对于所述衬底掺杂区域(116)被横向布置，并且所述沟槽结构(150)相对于所述半导体衬底(110)的所述第一主表面区域(110-a)在所述半导体衬底(110)中竖直延伸。
8.根据权利要求7所述的飞行时间传感器设备(100)，其中所述沟槽结构(150)被布置为与所述衬底掺杂区域(116)直接相邻。
9.根据权利要求7所述的飞行时间传感器设备(100)，其中所述沟槽结构(150)与所述衬底掺杂区域(116)横向隔开，其中所述半导体衬底(110)的所述p掺杂区域(110-1)的至少一部分被布置在所述衬底掺杂区域(116)和所述沟槽结构(150)之间。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的飞行时间传感器设备(100)，还包括：
以所述半导体衬底(110)的p掺杂电阻性区域形式的沟槽钉扎层(156)，其中所述沟槽钉扎层(156)被布置为与所述沟槽结构(150)相邻，并且所述沟槽钉扎层(156)至少被布置在所述沟槽结构(150)和所述衬底掺杂区域(116)之间，并且所述沟槽钉扎层(156)延伸到所述半导体衬底(110)的所述p掺杂区域(110-1)。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的飞行时间传感器设备(100)，其中沟槽结构(150)包括沟槽介电材料，所述沟槽介电材料在与所述衬底掺杂区域(116)相邻的所述沟槽介电材料中具有存储的电荷载流子。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的飞行时间传感器设备(100)，其中所述沟槽结构(150)被掩埋在所述半导体衬底(110)中，并且所述沟槽结构(150)在深度方向上达到所述半导体衬底(110)的所述p掺杂区域(110-1)。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的飞行时间传感器设备(100)，还包括：
衬底接触区域(154)，其在所述半导体衬底(110)中具有所述p掺杂类型，并且所述衬底接触区域(154)与所述半导体衬底(110)的第一主表面区域(110-A)相邻。
14.根据权利要求13所述的飞行时间传感器设备(100)，其中所述衬底接触区域(154)被布置在所述半导体衬底(110)的所述第一主表面区域(110-A)和所述沟槽结构(150)之间。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的飞行时间传感器设备(100)，其中所述掩埋沟槽结构(150)在所述衬底接触区域(154)和所述掩埋掺杂层(140)之间延伸。
16.一种飞行时间传感器设备(200)，包括：
半导体衬底，其包括转换区域以转换在光生电荷载流子中的电磁信号，并且所述半导体衬底包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域，
其中所述衬底掺杂区域从所述半导体衬底的第一主表面区域延伸到所述半导体衬底中，
其中所述半导体衬底具有与所述衬底掺杂区域相邻的p掺杂区域(110-1)，以及
其中所述衬底掺杂区域至少部分地形成所述半导体衬底中的所述转换区域，
读出节点，其被布置在所述衬底掺杂区域内的所述半导体衬底中，并且所述读出节点具有所述n掺杂类型，其中所述读出节点被配置为读出所述光生电荷载流子，
控制电极，被布置在所述半导体衬底的所述衬底掺杂区域中，或是被布置在所述半导体衬底的所述衬底掺杂区域上，以及
掩埋掺杂层(140)，其在所述半导体衬底中，相比于与所述衬底掺杂区域相邻的所述半导体衬底的p掺杂区域，所述掩埋掺杂层(140)具有更高的所述p掺杂类型的浓度，
其中所述掩埋掺杂层被形成在所述半导体衬底中并且在所述半导体衬底(110)中的所述衬底掺杂区域(116)竖直下方。
17.根据权利要求16所述的飞行时间传感器设备(200)，其中所述控制电极被布置在所述衬底掺杂区域中，并且所述控制电极具有所述p掺杂类型，或者
其中所述控制电极被布置在所述半导体衬底的所述衬底掺杂区域上，并且所述控制电极通过隔离材料与所述半导体衬底分隔。
18.根据权利要求16或17所述的飞行时间传感器设备(200)，其中所述掩埋掺杂层提供所述半导体衬底中梯度掺杂轮廓，所述梯度掺杂轮廓具有在所述掩埋掺杂层的中间区域中的所述p掺杂类型的最大掺杂浓度。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的飞行时间传感器设备(200)，还包括：
沟槽结构，该沟槽结构相对于所述衬底掺杂区域被横向地布置，并且所述沟槽结构相对于所述半导体衬底的所述第一主表面区域在所述半导体衬底中竖直地延伸。
20.一种飞行时间传感器设备(300)，包括：
半导体衬底，其包括转换区域以转换在光生电荷载流子中的电磁信号，并且所述半导体衬底包括具有n掺杂类型的衬底掺杂区域，
其中所述衬底掺杂区域从所述半导体衬底的第一主表面区域延伸到所述半导体衬底中，
其中所述半导体衬底(110)具有与所述衬底掺杂区域(116)相邻的p掺杂区域(110-1)，以及
其中所述衬底掺杂区域至少部分地形成所述半导体衬底中的所述转换区域，
读出节点，其被布置在所述衬底掺杂区域内的所述半导体衬底中，并且所述读出节点具有所述n掺杂类型，其中所述读出节点被配置为读出所述光生电荷载流子；
控制电极，其被布置在所述半导体衬底的所述衬底掺杂区域中，或者被布置在所述半导体衬底的衬底掺杂区域上，以及
沟槽结构，其相对于所述衬底掺杂区域被横向布置，并且所述沟槽结构相对于所述半导体衬底的所述第一主表面区域在所述半导体衬底中竖直延伸。
21.根据权利要求20所述的飞行时间传感器设备(300)，其中所述控制电极被布置在所述衬底掺杂区域中，并且所述控制电极具有所述p掺杂类型，或者
其中所述控制电极被布置在所述半导体衬底的所述衬底掺杂区域上，并且所述控制电极通过隔离材料与所述半导体衬底分隔。
22.根据权利要求20或21所述的飞行时间传感器设备(300)，其中所述沟槽结构被布置为与所述衬底掺杂区域直接相邻。
23.根据权利要求20或21所述的飞行时间传感器设备(300)，其中所述沟槽结构与所述衬底掺杂区域横向隔开，其中所述半导体衬底(110)的所述p掺杂区域被布置在所述衬底掺杂区域和所述沟槽结构之间。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的飞行时间传感器设备(300)，还包括：
以所述半导体衬底的p掺杂电阻性区域形式的沟槽钉扎层(156)，其中所述沟槽钉扎层被布置为与所述沟槽结构相邻并且至少在所述沟槽结构和所述衬底掺杂区域之间，并且所述沟槽钉扎层延伸到所述半导体衬底的所述p掺杂区域(110-1)。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的飞行时间传感器设备(300)，其中所述沟槽结构包括：沟槽介电材料，所述沟槽介电材料在与所述衬底掺杂区域相邻的所述沟槽介电材料中具有存储的电荷载流子。
26.根据权利要求20至25中任一项所述的飞行时间传感器设备(300)，其中所述沟槽结构被掩埋在所述半导体衬底中，并且所述沟槽结构在所述半导体衬底的所述p掺杂区域(110-1)中延伸。
27.根据权利要求20至26中任一项所述的飞行时间传感器设备(300)，还包括：
衬底接触区域，其在所述半导体衬底中具有所述p掺杂类型，并且所述衬底接触区域与所述半导体衬底的所述第一主表面相邻。
28.根据权利要求27所述的飞行时间传感器设备(300)，其中所述衬底接触区域被布置在所述半导体衬底的所述第一主表面和所述沟槽结构之间。
29.根据权利要求20至28中任一项所述的飞行时间传感器设备(300)，其中所述沟槽结构在所述衬底接触区域和所述掩埋掺杂层(140)之间延伸。
30.一种飞行时间传感器布置(400)，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的多个飞行时间传感器设备(100、200、300)，其中所述飞行时间传感器设备(100、200、300)被布置在阵列中，以及
控制器，用于将控制信号提供给所述控制电极(122、122-1)。
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