CN113169243A - 包括高灵敏度光子混合结构的高量子效率盖革模式雪崩二极管及其阵列 - Google Patents

包括高灵敏度光子混合结构的高量子效率盖革模式雪崩二极管及其阵列 Download PDF

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Abstract

一种光电探测器器件包括半导体材料层以及半导体材料层中的至少一个光电二极管。该至少一个光电二极管被配置为被偏置超过至少一个光电二极管的击穿电压，以响应于检测到入射光子而生成相应的电信号。相应的电信号独立于入射光子的光功率。纹理区耦接至半导体材料层并且纹理区包括光学结构，该光学结构被定位成在由至少一个光电二极管检测入射光子时与入射光子相互作用。两个或更多个光电二极管可以限定光电探测器器件的像素，且光学结构可以被配置为将入射光子引导至像素的两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管。

Description

包括高灵敏度光子混合结构的高量子效率盖革模式雪崩二极 管及其阵列
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年10月30日提交的名称为“High Quantum EfficiencyGeiger-Mode Avalanche Diodes andArrays Thereof(高量子效率盖革模式雪崩二极管及其阵列)”的美国临时专利申请No.62/752,718，以及于2018年12月4日在美国专利商标局提交的名称为“High Sensitivity Photon Mixing Structures(高灵敏度光子混合结构)”的美国临时专利申请No.62/775,105的优先权权益，专利申请No.62/752,718和专利申请No.62/775,105公开的内容通过引用并入本文。
技术领域
本文的主题总体上涉及图像传感器，并且更具体地涉及用于在LIDAR(光检测和测距)系统中成像的图像传感器。
背景技术
基于飞行时间(ToF)的成像用于包括测距、深度剖析和3D成像(例如，光检测和测距(LIDAR)，本文也被称为激光雷达)的许多应用中。ToF 3D成像系统可以利用直接ToF(dToF)测量(其中，在发射光信号和感测或检测从物体或其他目标反射之后的光信号之间的时间长度被测量以确定距离)或间接ToF(iToF)测量(其中，发射的光信号的振幅被调制并且反射的光信号的相位延迟或相移被测量，并且信号往返于物体所需的时间导致相移，该相移与行进的距离成比例)。然而，为了照亮大视场(FoV)(其在明亮的环境光条件下可以包括长距离和/或低反射率目标)并从中接收可识别的返回或反射的光信号(在本文中也被称为回波信号)，可能需要更高的光发射功率(并且因此需要更高的功耗)。
在一些应用(诸如激光雷达)中，可能期望检测非常暗和非常亮的回波信号两者。例如，在200米(m)的距离范围内的10％朗伯反射目标可以反射在1m的距离处由类似目标反射的光的1/2002，可以在1m的距离范围处反射由100％朗伯反射目标反射的光的1/(10×2002)，以及可以在1m的距离范围内反射由强回射目标反射的光的约1/(1000×2002)＝1/40,000,000。距离范围可以指目标与激光雷达检测器阵列之间的距离。因为一些电子电路可能具有固定的增益-带宽乘积，所以可能难以以非常高的时间精度检测非常暗和非常亮的目标两者。
一些传统的(诸如在美国专利申请No.2012/0146172中描述的)光电探测器器件，可以具有与照射或入射光功率成比例的电流响应度，例如0.4A/W。这样的器件因此可能具有有限的检测非常暗和非常亮的物体的能力。暗物体与亮物体之间的检测范围可称为器件的动态范围。这样的传统光电探测器器件通常可以响应于检测到到达的光信号而产生模拟信号。该模拟信号通常可以在奈奎斯特频率以上被采样，或者在所需信息的带宽的至少两倍处被采样。(例如，就器件上的占用面积或“有效面积”而言)这种采样可能是昂贵的、难以并行化和/或可能汲取大量功率。
为了提高光电探测器的灵敏度，一些传统的光电探测器器件可以包括硅的表面改性以降低反射率并且增大光吸收的波长范围，也被称为“黑硅”层，如例如在美国专利No.8,679,959中所描述的。光捕获结构也可以用于增加吸收概率。例如，在Yokogawa等人的“IRsensitivity enhancement of CMOS Image Sensor with diffractive light trappingpixels(具有衍射光捕获像素的CMOS图像传感器的IR灵敏度增强)”中描述了一些传统的衍射光捕获结构。
发明内容
根据一些实施例，一种光电探测器器件包括半导体材料层、以及该半导体材料层中的至少一个光电二极管，至少一个光电二极管被配置为被偏置超过至少一个光电二极管的击穿电压，以响应于检测到入射光子而生成相应的电信号，其中，相应的电信号独立于入射光子的光功率。纹理区耦接至半导体材料层并且纹理区包括光学结构，该光学结构被定位成在由至少一个光电二极管检测入射光子时与入射光子相互作用。
在一些实施例中，至少一个光电二极管包括限定了光电探测器器件的像素的两个或更多个光电二极管，并且光学结构被配置为将入射光子引导至该像素的两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管以由此进行检测。
在一些实施例中，相应的隔离区将该像素与该光电探测器器件的相邻像素分开，并且该像素在其两个或更多个光电二极管之间没有相应的隔离区。
在一些实施例中，相应的隔离区包括相应的深沟槽隔离(DTI)区。在像素中的两个或更多光电二极管之间设置有较浅沟槽隔离(SrTI)结构，其中，相应的DTI区远离两个或更多个光电二极管突出超过SrTI结构。
在一些实施例中，响应于由两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管检测到入射光子，由两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管生成的相应的电信号被配置为输出至相应的处理路径，相应的处理路径包括未被像素的两个或更多个光电二极管共享的相应的电子电路元件。
在一些实施例中，读出晶圆包括相应的电子电路元件，并且半导体材料层堆叠在读出晶圆的表面上。
在一些实施例中，相应的电子电路元件包括相应的淬火电路和/或再充电电路。
在一些实施例中，在读出晶圆中与读出晶圆表面邻近地设置有金属层结构。金属层结构沿着两个或更多个光电二极管且在两个或更多个光电二极管下方延伸，且金属层结构被配置为向两个或更多个光电二极管提供电信号或提供来自两个或更多个光电二极管的电信号。
在一些实施例中，相应的电子电路元件包括模拟时间积分器或模拟计数器，并且金属层结构包括对所述模拟时间积分器或所述模拟计数器的电容器进行积分或计数。
在一些实施例中，光学结构被配置为在由两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管进行检测之前，引导入射光子远离像素的两个或更多个光电二极管中的一个光电二极管。
在一些实施例中，光学结构是衍射元件，衍射元件分别包括小于入射光子的波长的一个或更多个尺寸。在一些实施例中，衍射元件可以是倒金字塔形阵列(IPA)结构。
在一些实施例中，该像素中的两个或更多个光电二极管中的至少一个光电二极管被配置为用于在一些实施例中响应于控制信号而彼此独立地被禁用，该控制信号是响应于从其输出的对应电信号而生成的。
在一些实施例中，沟槽隔离区将该像素与该光电探测器器件的相邻像素分开。第一电极和第二电极被配置为基于第一电极和第二电极之间的电压差将反向偏置施加到像素的两个或更多个光电二极管中的至少一个光电二极管，其中，电压差可以在大于击穿电压的第一电压与小于击穿电压的第二电压之间切换。
在一些实施例中，该至少一个光电二极管包括至少一个单光子雪崩检测器(SPAD)，该至少一个单光子雪崩检测器(SPAD)具有相应的半导体结，该半导体结包括基本上平面的区以及在该区的边缘处的保护环结构。
在一些实施例中，光电探测器器件是光学传感器阵列，光学传感器阵列包括在其多个像素之间的至少一个光电二极管。光学传感器阵列是光检测和测距(LIDAR)检测器阵列，并且入射光子的源是LIDAR发射器阵列。
根据一些实施例，光学传感器阵列包括多个像素、相应的隔离区以及光学结构；多个像素中的每一个包括被配置为响应于入射光子而生成相应的电信号的两个或更多个光电二极管，其中，相应的电信号独立于入射光子的光功率；相应的隔离区将像素中的相邻像素分开；光学结构定位在相应的隔离区之间且光学结构被配置为将入射光子引导至像素中的每一个像素的两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管。
在一些实施例中，像素中的每个像素在像素的两个或更多个光电二极管之间没有相应的隔离区，并且光学结构被配置为在由两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管进行检测之前将入射光子引导远离像素中的每个像素的两个或更多个光电二极管中的一个光电二极管。
在一些实施例中，相应的隔离区包括相应的深沟槽隔离(DTI)区。较浅沟槽隔离(SrTI)结构在像素中的两个或更多个光电二极管之间延伸，其中，相应的DTI区远离两个或更多个光电二极管突出超过SrTI结构。
在一些实施例中，光学结构是分别包括小于入射光子的波长的一个或更多个尺寸的衍射元件。衍射元件被配置为以用大于光学传感器阵列的表面与两个或更多个光电二极管中的一个光电二极管之间的距离的光学路径长度将入射光子引导至像素中的每个像素的两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管。
在一些实施例中，两个或更多个光电二极管分别包括半导体结，该半导体结包括基本上平面的区和在该区边缘处的保护环结构。该半导体结被配置为偏置超过其击穿电压，以响应于入射光子而生成相应的电信号。
在一些实施例中，响应于由两个或更多个光电二极管中的任一个检测到入射光子，由两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管生成的相应的电信号被配置为输出至相应的处理路径，相应的处理路径包括未被像素中的每个像素的两个或更多个光电二极管共享的相应的电子电路元件。
在一些实施例中，像素、相应的隔离区和光学结构设置在第一半导体层中或第一半导体层上，并且第二半导体层包括相应的电子电路元件。第一半导体层粘合至第二半导体层的表面。
在一些实施例中，该第二半导体层还包括控制器，该控制器被配置为接收由像素中的每个像素的两个或更多个光电二极管生成的相应的电信号并且执行在由相应的电信号指示的相应的到达时间之间的时间相关性。
在一些实施例中，光学传感器阵列是光检测和测距(LIDAR)检测器阵列，并且入射光子的源是闪存LIDAR发射器阵列。
在一些实施例中，光学传感器阵列是光检测和测距(LIDAR)检测器阵列，并且入射光子的源是扫描LIDAR发射器阵列。
根据一些实施例，光检测和测距(LIDAR)检测器阵列包括：半导体材料层、多个像素、相应的深沟槽隔离区、第一触点和第二触点以及衍射光学元件；该半导体材料层具有约1μm至约100μm的厚度；多个像素在半导体材料层中，像素分别包括由半导体结限定的至少一个光电二极管，该半导体结包括基本上平面的区和在该区的边缘处的保护环结构，并且半导体结被配置为当施加到该半导体结的反向偏置超过半导体结的击穿电压时响应于具有在约800纳米(nm)至约1200nm之间的波长的入射光子而生成电信号，其中，电信号独立于入射光子的光功率；该相应的深沟槽隔离区将像素中的相邻像素分开的；第一触点和第二触点在像素中的每个像素中与相应的深沟槽隔离区邻近，其中，第一触点和第二触点被配置为基于它们之间的电压差向半导体结施加反向偏置；该衍射光学元件定位位于像素与入射光子的源之间。
在审阅以下附图和详细描述时，根据一些实施例的其他器件、设备和/或方法对于本领域技术人员将变得显而易见。除了以上实施例的任何和所有组合之外，所有此类附加实施例旨在被包括在本说明书内、在本发明的范围内、并且由所附权利要求书保护。
附图说明
图1A、图1B和图1C是示出了根据本发明的一些实施例的示例光电探测器器件的剖视图。
图2A和图2B是示出了根据本发明的一些实施例的每个像素包括多个光电二极管的示例光电探测器器件的剖视图。
图3是示出了根据本发明的一些实施例的在每个像素的多个光电二极管之间包括浅隔离结构的示例光电探测器器件的剖视图。
图4是示出了根据本发明的一些实施例的堆叠在读出晶圆上的示例光电探测器器件的剖视图。
图5是示出了根据本发明的一些实施例的堆叠在包括电容器结构的读出晶圆上的示例光电探测器的剖视图。
图6A和图6B是示出了根据本发明的一些实施例的示例激光雷达系统或电路和相关组件的框图。
具体实施方式
可以将增强灵敏度的CMOS图像传感器设计为通过形成亚波长衍射光捕获结构(诸如倒金字塔形阵列(IPA)结构)来提高CMOS图像传感器的灵敏度，亚波长衍射光捕获结构以一定角度充分正常地折射入射光，使得其经历来自深沟槽隔离(DTI)结构的全内反射，该深沟槽隔离(DTI)结构将每个像素与其相邻像素分开。与不具有衍射光捕获结构的类似正常入射光相比，该光在硅中行进更长的路径。更长的路径可以增加吸收的概率，并且因此增加了器件的灵敏度。DTI结构可防止光子照射在一个像素上方以生成将被收集在邻近像素中的电荷。
这种传统的器件可以包括具有与入射光子的光功率成比例的电流响应度的光电探测器器件，从而使得入射光功率被转换成成比例的电流。这种光电探测器器件(也被称为子盖革光电二极管、子盖革雪崩光电二极管或雪崩光电二极管(APD))可以具有有限的动态范围。例如，当在接近二极管的平面区的击穿电压、在二极管的平面区的击穿电压处或在超过二极管的平面区的击穿电压操作时由于可能易于过早击穿的非平面半导体结区，所以子盖革光电二极管不能在超过击穿电压时操作，该过早击穿可能导致损坏或可靠性降低。在这种子盖革光电二极管的典型实施方式中，时间响应度也可能不太准确，因此限制了这种传感器准确地测量光子的到达时间的能力。
相反，本发明的实施例提供了包括盖革模式光电二极管的高量子效率光电探测器器件和/或高灵敏度光电探测器器件，其可以生成独立于入射光子的光功率的电信号。本文描述的一些实施例是针对单光子雪崩二极管(SPAD)，单光子雪崩二极管(SPAD)也被称为盖革模式雪崩二极管。具体实施例涉及硅SPAD，但是本发明不限于硅并且因此可以应用或概括为包括其他半导体材料。即，虽然参考硅进行了描述，但是可以在适合于结合到光电子器件中的其他半导体材料中实施本发明的实施例。
在盖革模式雪崩二极管的操作中，施加超过二极管的击穿电压的反向偏置以产生足够大小的电场，使得被引入到器件的耗尽层中的单个电荷载流子可以被加速至其携带足够动能以通过被称为碰撞电离的过程产生次级电荷对的点。以此方式，单个吸收的光子可以触发自保持电离级联，该电离级联将扩散遍及经受电场作用的结，该结将被击穿并且变得导电，从而有效地将原始电子空穴对放大成电流。雪崩可以由淬灭电路主动地或者被动地淬灭，该淬灭电路将由二极管承受的反向电压降低至低于其击穿电压的值，因此使雪崩停止以允许器件“复位”以进一步检测光子。
起始电荷载流子可由撞击高场区的单个入射光子而光电地生成。该单光子检测操作模式通常被称为‘盖革模式’。以盖革模式操作的单个SPAD传感器在‘开’或‘关’状态下用作光子触发的开关，这导致二进制输出，而不管在二极管内同时吸收的光子的数目如何，它将产生与单个光子的信号没有不同的信号。
盖革模式器件的各种实施方式可在前侧照亮模式中操作。由于硅在红色和近红外波长中的较低吸收系数，这些器件中的许多可能遭受大约小于1个百分点或小于几个百分点的低光子检测概率(PDP)的影响。可以通过在硅中形成更深和/或更宽的结来部分地解决该缺陷。然而，更深和/或更宽的耗尽区结通常是更低掺杂，并且因此可能遭受击穿电压不均匀性、尤其是跨器件阵列的击穿电压不均匀性的影响。此外，当这些器件的耗尽和/或倍增区的直径和/或体积增加时，定时分辨率可以增加，这可以转换成随后的雪崩的定时中的更宽泛的抖动。类似地，当从阳极或阴极节点到结的电气路径增加或当从阳极或阴极节点到结的电气路径弯曲时，串联电阻可以增加并且淬灭雪崩所需的时间和在雪崩期间消耗的功率可以增加。即使具有更深的结，PDP也可能很低，例如2％。
将晶圆的背侧背面研磨至适当的厚度并且从背侧照亮可以增加光子与硅之间的相互作用长度，并且因此增加长波长光子的吸收概率。已经证明晶圆厚度约为3-6微米。薄晶圆可以粘合到第二CMOS晶圆上，该第二CMOS晶圆包含器件的正确操作所需的电路。然而，甚至这些背侧照亮器件通常也仅提供有限的PDP，例如4％。吸收区的进一步扩展可能由于电荷扩散到邻近像素而导致光学串扰。此扩散可通过产生电场而减少，该电场可部分包含这些电荷，但随着硅基板深度增加，限制光生电荷的能力降低。而且，虽然一些器件可以包括抗反射(AR)涂层以增加灵敏度，和/或可以包括在光电二极管后面的金属化层以增加硅中的光子的有效光学路径长度，垂直于SPAD的表面照射的光子可以继续在(例如，没有衍射的)相同的轨迹上行进，并且因此可能不被给予更高的吸收概率。
本发明的一些实施例提供了光电探测器器件和传感器阵列，光电探测器器件和传感器阵列包括与纹理区和/或隔离区组合的盖革模式光电二极管，纹理区和/或隔离区被配置为用于增加入射光子的吸收概率。例如，本文所述的实施例可以包括在像素的一个或更多个表面中或在像素的一个或更多个表面上的光学结构(诸如黑硅和/或衍射光捕获结构)，光学结构包括一个或更多个光电二极管。在一些实施例中，光学结构可以在光电二极管与由其成像的场景或视场之间。本文所述的实施例可涉及例如使用激光器制备粗糙表面，而本文所述的衍射光学元件提供结构，该结构可能大约是波长或波长以下，该结构将光从传感器的表面折射并且远离最近的光电二极管，使得硅中的光的光学路径长度增加并且因此增加吸收概率。
设计基于SPAD的焦平面成像阵列可能涉及冲突的设计目标。一方面，可能期望减小SPAD器件的物理尺寸。在雪崩期间和在其再充电期间在SPAD中流动的电流与其电容成正比，该电容进而与其面积成正比。而且，更小、更低电容的SPAD可以提供更短的死区时间，可以更频繁地检测光子，并且因此可以具有比较大SPAD更高的动态范围。因此，为了减小由单个SPAD(或者甚至更是如此，由大的SPAD阵列)消耗的总电流、功率和热量，并且为了提供更高的动态范围，可以期望减小二极管的面积。此外，SPAD中的某些噪声源(如后脉冲)可以与SPAD面积成比例。另一方面，例如，由于包含雪崩且其中无法进行检测的保护环结构，减小SPAD的尺寸通常导致填充因子的减小。此外，一些光学系统的分辨率可以通过其光学器件来确定，并且这个分辨率可以低于小型SPAD的间距。微透镜的收集效率也是它们的尺寸的函数，并且具体地，可以在它们的数值孔径方面受到限制，并且因此有时可以改善较低间距二极管的收集效率。
本发明的一些实施例提供了像素阵列，该像素阵列维持小型SPAD器件的益处，并且还提供了较低间距阵列的优点。具体地，一些实施例可以提供较低功率操作而不损失收集效率或有效填充因子，并且可以与具有减小的点扩散函数的较低成本光学器件的分辨率相匹配。
此外，本发明的一些实施例提供了光子混合光电子结构，用于在包括两个或更多个光电二极管的像素中以增加的灵敏度检测光子。在不失一般性的情况下，在一些实施例中，每个像素包含一个以上的光电二极管，但是被定位或以其他方式用于对二维光学传感器的视场的一个区进行成像或采样。因此，当光子进入对应于该像素的孔径区时，这个光子具有在该像素中的多个光电二极管中的任何一个中正在被吸收的相等概率。在一些实施例中，像素中的每个光电二极管被配置为生成要由对应的电子电路元件处理的相应的电信号。在一些实施例中，来自像素中的一个以上的光电二极管的电信号(例如，通过对应的电路元件)被比较、被相关或经历布尔运算，以便生成期望的信息。例如，可执行由相应的电信号指示的相应的到达时间之间的相关性。在一些实施例中，可以全局地或基于每个像素，(例如，在给定时间)静态地或(例如，响应于FoV的改变和/或响应于(例如，如本文中所描述的由控制电路605所提供的)控制信号)动态地禁用像素中的一个或更多个光电二极管。控制信号可以响应于由像素接收的信号电平而生成。例如，响应于来自目标的相对强的信号的初始检测，可以停用限定像素的四个SPAD中的三个SPAD，从而使得像素的功耗降低。
图1A是示出了根据本发明的一些实施例的光电子器件或光电探测器器件形式的结构的剖视图。如图1A所示，光电探测器器件100a包括半导体材料层或传感器晶圆101，半导体材料层或传感器晶圆101中具有一个或更多个光电二极管105。例如，半导体材料层101可包括具有入射光表面的硅(或其他半导体)材料。(例如，通过掺杂)可以在半导体材料层101中形成第一区和第二区，以限定光电二极管105的半导体结(例如，p-n结)105n/105p。在一些实施例中，半导体材料层101可以具有从约1μm至约100μm的厚度。光电二极管105可以具有从约0.1μm2至约1000μm2的表面积。光电探测器器件100a可以表示包括多个成像像素的光学传感器阵列的一部分(例如，像素结构，也被称为像素)。
光电二极管105可以是盖革模式光电二极管，诸如单光子雪崩检测器(SPAD)，光电二极管105被配置为被偏置超过其击穿电压，以响应于检测到入射电磁辐射(示出为入射光子10)而生成电信号，由光电二极管105生成的该电信号独立于入射光子10的光功率。即，光电探测器器件100a具有独立于电磁辐射10的照射光功率的二元响应度。在一些实施例中，光电二极管105可以被配置为(例如，通过在入射光子10的路径中包括波长选择性过滤器)检测具有在从约800纳米(nm)至约1200nm的范围中的至少一个波长的电磁辐射。光电二极管105还包括用于控制雪崩过程的保护环结构105g、以及耦接至半导体材料层101的纹理区115。所绘出的(P-)保护环105g仅用于说明性目的，并且在不失一般性的情况下可以被本领域已知的许多其他保护环替换。
纹理区115包括光学结构，该光学结构被定位成在由光电二极管105进行的检测中与入射光子10相互作用。例如，纹理区115可以包括具有带有纳米级至微米级的表面变型的拓扑结构的表面。纹理区115的特性可以根据所采用的材料和技术而变化。在一些实施例中，纹理区115可以是几百纳米厚并且由(例如，从约10nm到约50nm的)纳米微晶和纳米孔构成。在一些实施例中，纹理区115可以包括(例如，约1μm至约60μm的)微米级的结构。在一些实施例中，纹理区115a可以包括从约5nm至约10μm的纳米级的结构和/或微米级的结构。
在一些实施例中，纹理区115可以形成在半导体材料层101的表面中。例如，可以使用具有足够能量来纹理化半导体材料层101的表面的一个或更多个激光束形成在其中具有光电二极管105的传感器晶圆或半导体材料层101的背表面或背侧101b中来纹理化纹理区115。作为另一示例，可以使用反应性化学溶液执行半导体材料层101的背表面101b的纹理化，以形成纹理区115。
纹理区115被配置为具体地，通过增加半导体材料层101中的入射光子10的光学路径长度，来增加半导体材料层101中的(一个或更多个)光电二极管105吸收入射光子10的概率。即，对于入射在表面101b上的光子10，纹理区115被配置为(与光子直接从表面101b行进到下面的光电二极管105的距离相比)增加在由光电二极管105进行检测之前光子10在晶圆101内行进的路径，其中，更长的光学路径长度可以增加光子10的吸收概率并且因此增加器件100a的灵敏度。例如，可以增加可以由基于飞行时间的测量系统的(一个或更多个)发射器使用的(例如，约800nm至约1200nm的)长波长光子的吸收概率。尽管纹理区115图示为定位于光电二极管105与电磁辐射源10之间，然而将理解，在一些实施例中，纹理区115可被定位于与入射光子10的源相对的半导体材料层101的侧面上(例如，光电二极管105被定位于纹理区115a与入射光子10的源之间)。更一般地，纹理区115可设置在半导体材料层101的一个或更多个表面或区域中，以便与通过半导体材料层101中的一个或更多个光电二极管105对入射光子10进行的检测相互作用。
仍参考图1A，光电探测器器件100a可以进一步包括第一电极107n和第二电极107p。电极107n、107p被配置为基于电极107n、107p之间的电压差使光电二极管105偏置超过其击穿电压。具体地，电极107n、107p可以限定为光电二极管105的阳极和阴极，并且可以跨电极107n、107p施加反向偏置电压。在一些实施例中，反向偏置电压可以为约10V至约200V。电极107n、107p之间的电压差限定了电场梯度，该电场梯度将响应于检测到入射光子10而生成的电荷拉到耗尽区，以便在光电二极管105中产生雪崩条件。在一些实施例中，电极107n、107p之间的电压差可以在第一电压与第二电压之间切换，该第一电压大于光电二极管105的击穿电压，该第二电压小于光电二极管105的击穿电压。在一些实施例中，限定光电二极管105的阳极和阴极的电极107n、107p可以连接至淬灭电路和/或再充电电路。
在一些实施例中，可以在纹理区115上或围绕纹理区115设置背侧电极107b。在一些实施例中，可以邻近隔离区110和/或沿着隔离区110延伸设置附加电极107e。电极107b、107e可以被配置为将光生电荷限制于像素区域以减少串扰。(作为示例示出为深沟槽隔离(DTI)结构或区110的)隔离区可以用电介质材料(诸如SiO2)填充并且例如用高掺杂的半导体材料钝化，以便避免在半导体材料层101中形成缺陷。在一些实施例中，半导体材料层101可以是结晶硅基板。
光电二极管105可以包括用于更均匀的雪崩击穿的保护环结构105g。在一些实施例中，光电二极管105可以包括基本上平面的半导体结105n/105p和在结105n/105p的边缘处或沿着结105n/105p的外围的保护环结构105g，使得在结105n/105p被反向偏置时形成的电场足够均匀。照此，在雪崩击穿时，大部分雪崩电流可以在结105n/105p的平面区内流动，而不是在结105n/105p的边缘或结105n/105p的拐角处流动。虽然本文主要参考围绕在P型基板105p中形成的p-n结105n/105p作为半导体材料层101的扩散P型保护环105g进行了说明，但是应当理解，本发明的实施例可以包括相反导电类型的光电探测器器件(例如，作为半导体材料层的N型基板，其中，扩散n型保护环围绕p-n结)和/或其他光电二极管类型。
图1B和图1C是示出了根据本发明的一些实施例的光电探测器器件100b、100c的剖视图。如图1B和图1C所示，光电探测器器件100b、100c包括半导体材料层或传感器晶圆101的布置，半导体材料层或传感器晶圆101包括具有保护环结构105g的单个盖革模式光电二极管105。光电二极管105通过隔离区(作为示例示出为深沟槽隔离(DTI)结构或区110)与半导体材料层101中的其他盖革模式光电二极管分离。隔离区可以限定在邻近光电二极管105之间形成的势垒，从而提供对应像素结构的边界。在不失一般性的情况下，该势垒可以是沟槽、钝化沟槽、填充沟槽、填充钝化沟槽、由晶圆(例如，硅材料晶圆)的前表面上的电极限定的电场、由晶圆的背表面上的电极限定的电场、由沟槽上或沟槽中的电极限定的电场、以及由带电硅通孔限定的电场的形式。
在图1B和图1C中，DTI区110形式的隔离区围绕传感器晶圆101中的光电二极管105。DTI区110限定由光电二极管105限定的像素的边界。在图1B中，电极107e在光电二极管105的相对侧沿着DTI区110延伸。在图1C中，背侧电极107b也沿着DTI区110延伸并且沿着光电二极管105上方的光学结构115’延伸。电极107n、107p、107b、107e可以由对于与待检测的光信号对应的波长范围的光子10基本透明的材料(诸如氧化铟锡(ITO))形成。在一些实施例中，此类透明电极107n、107p、107b、107e可以跨光学结构115’的大部分或整体延伸。在一些实施例中，由于盖革模式光电二极管105中可能存在相对高的电场，则可以将钝化应用于DTI区110，使得半导体材料层(例如，硅)101的晶体结构中的不连续性不会将电荷注入到高电场区，从而导致高的暗计数率。
包括光学结构115’的纹理区被定位于光电二极管105和入射光子10的源之间的光电探测器器件100b、100c的光接收表面上，以与半导体材料层101中的光电二极管105相互作用并且增加入射光子10被半导体材料层101中的光电二极管105吸收的概率。如以上参考图1A类似地讨论，光学结构115’被配置为具体地，通过增加半导体材料层101中的入射光子10的光学路径长度，来增加光电二极管105吸收入射光子10的概率。在图1B和图1C中，光学结构115’是衍射元件，该衍射元件被示出为从传感器晶圆101的背侧101b朝向光电二极管105突出的倒金字塔形阵列(IPA)结构。衍射元件115’可以各自包括一个或更多个尺寸，一个或更多个尺寸小于入射光子20的波长。在一些实施例中，衍射元件115’可以被配置为以一定角度折射入射光子10，使得入射光子10经历来自相应的隔离区110的全内反射。
如图1A、图1B和图1C所示，传感器晶圆101可以粘合到或以其他方式堆叠在读出晶圆102的表面上。读出晶圆102包括金属化件108和耦接至光电二极管105的电子电路元件，以提供用于响应于入射光子10由光电二极管105生成的电信号(在本文中也被称为检测信号)的处理路径199。在一些实施例中，读出晶圆102的电子电路元件可以包括用于每个光电二极管105的有源淬灭电路和/或无源淬灭电路和/或再充电电路，例如在名称为“Methodsand Systems for High-Resolution Long Range Flash Lidar(用于高分辨率长距离闪存激光雷达的方法和系统)”的美国专利申请No.2019/0250257中所描述的，该专利申请的公开内容通过引用并入本文。读出晶圆102还可以包括控制器、定时电路和/或被配置为执行如本文所述的ToF测量操作的(例如，如参考图6A和图6B所讨论的)相关电路。
本发明的进一步的实施例针对光电探测器器件和光学传感器阵列，其中隔离区在光电二极管之间延伸或围绕光电二极管。这些多个光电二极管可以一起启动，或者仅部分地启动，使得光电二极管的子集被启动。例如，响应于检测到来自目标的相对强的信号，可以仅启动限定像素的四个SPAD中的一个SPAD，从而使得像素的功耗减少75％。可以单独地读取这些多个光电二极管，即，可以使用未被隔离区之间的一些其他光电二极管或所有其他光电二极管共享的相应的电子器件和/或电路路径对它们的输出进行采样。隔离区之间的光电二极管组或光电二极管集可以限定产生图像的单个元素的像素，其中，该图像可以指像素阵列的集体输出，并且可以包含任何输出，例如，光子通量、光子偏振、光子到达时间等。因此，在像素结构上、在像素结构中或在像素结构上方的任何地方照射在光学结构(例如，IPA)上的光子可以由任何光电二极管在像素体积中的任何地方吸收，并且所生成的电荷可以由像素中的任何光电二极管收集并输出，以在空间上“混合”入射光子以便对由此成像的视场进行更均匀的采样。即，每个像素的两个或更多个光电二极管和/或衍射光学元件被配置为跨多个光电二极管分布入射通量，这可以减少或避免像素的光电二极管中的任何一个的饱和，从而增加动态范围。
相反，当使用一些传统的光学器件时，吸收的概率通常是不均匀的，并且通常在像素中的一个光斑中增大或最大化，传统的光学器件为诸如管芯外部的宏透镜(macrolens)和晶圆顶部的微透镜(即，没有衍射光结构的光学器件)。这在具有多个光电二极管的像素的情况下(诸如在相关检测像素中)可能是不期望的，因为跨光电二极管的吸收概率可能不是均衡的。如果每个光电二极管使用一个微透镜，则每个光电二极管正在感测的体积可能与相关光电二极管正在感测的体积不完全重叠，并且因此可能无法实现来自物体的光子到达的真实相关。此外，使用IPA结构的一些传统器件可以包括光电二极管之间的DTI区，DTI区在比结的击穿电压更低的电压下被反向偏置，以便限制反射光子在邻近的光电二极管中被吸收。这些DTI区通常一直从硅的表面延伸到背侧，使得任何光生电荷通常将扩散并且在它们的吸收区下方仅被光电二极管收集。
图2A和图2B是示出了根据本发明的一些实施例的在隔离区之间包括多个光电二极管的示例光电探测器器件的剖视图，其中，光电二极管中的每一个提供用于经由相应的电子电路进行读出的相应的电输出。如图2A和图2B所示，光电探测器器件200a、200b包括其中具有两个或更多个光电二极管105a、105b的半导体材料层或传感器晶圆201。光电二极管105a、105b中的每一个可以包括限定半导体结(例如，p-n结)105n/105p的第一区和第二区。光电二极管105a、105b包括用于更均匀的雪崩击穿的保护环结构105g，其中，光电二极管中的每一个可以包括基本上平面的半导体结105n/105p，保护环结构105g位于结105n/105p的边缘处或沿着结105n/105p的外围。在图2A-图2C的示例中，共用保护环结构105g围绕多个光电二极管105a、105b延伸，但本发明的实施例不限于此，并且在一些实施例中，每个光电二极管105a和105b可以包括相应的保护环105g。光电二极管105a、105b可以是盖革模式光电二极管(诸如SPAD)，它们各自被配置为偏置超过其击穿电压以便响应于检测到入射光子10而生成电信号。光电探测器器件200a、200b各自可以表示包括多个成像像素的光学传感器阵列的一部分(例如，像素)，其中，两个或更多个光电二极管105a、105b限定每个像素。
图2A和图2B的光电探测器器件200a、200b进一步包括将限定像素的两个或更多个光电二极管105a、105b与光电探测器器件的相邻像素分开的隔离区。在图2A和图2B的示例中，隔离区被示为DTI区110，但是应当理解，本发明的实施例可以包括其他势垒作为邻近像素之间的隔离区。在一些实施例中，DTI区110从与光电二极管105a、105b邻近的表面延伸到半导体材料层201的表面(图示出为背侧201b)，由此在相邻像素之间提供基本上和/或完全的隔离。每个像素的两个或更多个光电二极管105a、105b之间没有相应的DTI区110，因此能够通过每个像素中的多个光电二极管105a、105b中的任一个来检测入射光子10。例如，光电二极管105a、105b可以由相应的SPAD实现，其中，每个像素限定复合SPAD结构(例如，每个像素中的四元SPAD阵列，在图2A-图2C的剖面中仅示出了SPAD 105a和105b中的两个)。这种布置提供了对视场的相同角度区进行采样的多个光电二极管105、105b，其中，光电二极管105a、105b中的每一个对角度区的相应的角度子部分进行采样，而不与光电二极管105a、105b中的其他者隔离。
光电探测器器件200a、200b可以进一步包括光学结构115、115’，光学结构115、115’被配置为用于将入射光子10引导至每个像素中的两个或更多个光电二极管105a、105b中的任一个光电二极管，而不是引导至特定的光电二极管。例如，光学结构115、115’被定位于光电二极管105a、105b与入射光子10的源之间。在图2A中，纹理区(例如，传感器晶圆201的半导体材料层的纹理表面)提供光学结构115，而在图2B中，光学结构115’被实施为衍射元件的阵列(图示出为朝向每个像素的两个或更多个光电二极管105a、105b突出的IPA结构)。
在一些实施例中，光学结构115、115’可以具有本文所述的各种尺寸和形状，并且可包括具有小于入射光子10的波长的一个或更多个尺寸的相应的元件(例如，相应的IPA的金字塔形结构)。例如，衍射元件115’可以被配置为以一定角度折射入射光子10，使得入射光子10经历来自相应的隔离区110的全内反射。光学结构115、115’被配置为在由像素的光电二极管105a或105b中的一个进行检测到之前，例如，通过引导光子10远离光电二极管105a中(较近)的一个并且朝向光电二极管105b中(较远)的另一个来增加光子10在像素的体积内行进的路径(与光子直接从表面201b行进到下面的光电二极管105a或105b的距离相比)。更一般地，光学结构115、115’被配置为相对于垂直于表面(例如，背侧201b)的入射光将行进到达直接位于光电探测器器件200a、200b的光电二极管105a或105b下方的距离(例如，对应于晶圆201的厚度的距离)，来增加光电探测器器件200a、200b中的入射光子10的光学路径长度(以及因此增加光电探测器器件200a、200b中的入射光子10的吸收或检测概率)。
限定了每个像素中的多个光电二极管105a、105b的组、和/或限定了光学结构115、115’的布置以将入射光子10引导至每个像素中的多个光电二极管105a中的任一个的隔离区110的布置，可以提供光子混合结构以用于视场的更均匀成像(本文中也称为采样)。例如，如图2A和图2B中的箭头所示，隔离区110和/或光学结构115，115’被配置为例如，通过引导光子10从每个像素内的隔离区110和/或隔离区110之间的其他反射表面反射，来增加入射到左和右光电二极管105a和105b上的光子10的光学路径长度并在空间上混合入射到左和右光电二极管105a和105b上的光子10。具体地，如图2A和图2B中的箭头所示，入射在左光电二极管105a上方的背侧201b上的光子10可以通过光学结构115、115’被重定向远离最近的光电二极管105a，并且在被右光电二极管105b吸收之前从传感器晶圆201的相对表面和/或保护环105g的表面反射多次。
光电二极管105a和105b各自被定向，以对像素的视场的相应的子部分(例如，像素的1°视场的相应的子部分)进行采样。换言之，每个光电二极管105a、105b被定位以对由像素成像的角区的相应的角子区进行采样，以及由隔离区110和/或光学结构115、115’限定的光子混合结构被配置为以空间分辨率为代价将入射通量10分布在每个像素的多个光电二极管105a、105b上以提供由像素成像的角区的更均匀的采样。因此，光电探测器器件200a、200b被配置为响应于由每个像素中的两个或更多个光电二极管105a、105b中的任一个检测到入射光子10而生成相应的电信号，以及光子混合结构可以避免(或降低其可能性)光电二极管105a、105b中任一个的饱和度，从而增加光电探测器器件200a、200b的动态范围。
仍参考图2A和图2B，光电探测器器件200a、200b可以包括第一电极和第二电极107n、107p，第一电极和第二电极107n、107p被配置为基于电极之间的电压差使光电二极管105a、105b中的每一个偏置超过其相应的击穿电压。电极107n、107p可以限定像素中的每个光电二极管105a、105b的相应的阳极和阴极，使得每个像素中的光电二极管105a、105b的不同子集或子组可以被单独地启动或停用以用于检测入射光子。在一些实施例中，电极107n、107p之间的电压差可以在第一电压与第二电压之间切换，该第一电压大于相应的击穿电压以启动相应的光电二极管105a和/或105b，该第二电压小于相应的击穿电压以停用相应的光电二极管105a和/或105b。例如，响应于由像素的多个光电二极管105a和105b检测到入射光子，光电二极管105a和105b的子集可以被停用以减少功耗。
像素的每个光电二极管105a、105b可以被配置为响应于检测到入射光子10而向(例如，如由读出电路提供的)相应的处理路径输出相应的电信号读出A、读出B。可以在传感器晶圆201上或在不同的基板上(例如，在如本文所述的读出晶圆202、302、402、502上)提供读出电路。相应的处理路径可以包括未被每个像素的两个或更多个光电二极管105a、105b共享的相应的电子电路元件。
在一些实施例中，读出电路可以包括相关器或控制器电路，该相关器或控制器电路被配置为基于两个或更多个光子相对于彼此在预定的相关时间内的相应的到达时间，将对应于从飞行时间测量系统(例如，激光雷达发射器阵列)输出的光信号的入射光子与环境光进行区分。在例如在名称为“Methods and Systems for High-Resolution Long RangeFlash Lidar(用于高分辨率长距离闪存激光雷达的方法和系统)”的美国专利申请No.2019/0250257中描述了此类相关器电路，该专利申请的公开内容通过引用并入本文。由光电二极管105a、105b生成的相应的电信号读出A、读出B可以经由相应的传输路径被输出到(例如，如在读出晶圆202、302、402、502中提供的)读出电路。读出电路可以被配置为基于光子10的相对到达时间(时间相关)和/或相应的波长(光谱相关)，在响应于入射光子10的相应的电信号读出A、读出B输出之间执行时间和/或光谱相关。
例如，在环境光条件下操作LIDAR系统时，基于SPAD的光电探测器器件或光学传感器阵列可能难以区分来自环境光的光子(也被称为背景光子)与来自由(一个或更多个)激光雷达发射器输出的光信号的光子(也被称为信号光子)。读出电路可以包括相关器和光子计数器或时间积分器，该读出电路具有分别地响应于检测到入射光子10而由光电二极管105a和105b生成的电信号读出A和读出B的相应的输入，该光子计数器或时间积分器可以被配置为基于光子的相应的到达时间之间的时间相关性(也被称为重合或相关性检测)来选择性地对光子进行计数，这可以减少被处理的入射光子的量。例如，基于以下认识：源自脉冲LIDAR发射器(例如，激光器)并且由目标反射的光子可以在相对窄的时间窗口或相关窗口中到达，则读出电路可选择性地利用在ToF测量计算中的相关窗口内接收的电信号读出A和读出B中的一些，同时拒绝或丢弃由于源自环境光源(例如，太阳)的不相关光子导致的落在相关窗口之外的电信号读出A和读出B中的其他。这样的时间相关性操作可以在高环境光条件下增加光电探测器器件200a、200b的信号与背景的比率。
在一些实施例中，可以在每个像素中的两个或更多个光电二极管105a、105b之间设置较浅沟槽隔离(SrTI)结构。图3中示出了在DTI区之间的多个光电二极管的示例结构，其中在像素的邻近光电二极管之间具有SrTI结构。
图3是示出了根据本发明的一些实施例的在每个像素的多个光电二极管之间包括SrTI结构的示例光电探测器器件的剖视图，其中，光电二极管中的每一个经由相应的电子电路提供用于读出的相应的电输出。如图3所示，光电探测器器件300包括半导体层或传感器晶圆301。传感器晶圆301可以包括与图2的传感器晶圆201类似或对应的元件，传感器晶圆301包括：两个或更多个光电二极管105a、105b、隔离区110和光学结构115’，两个或更多个光电二极管105a、105b限定了多个像素中的一个像素，隔离区110将光电二极管105a、105b与相邻像素分开，光学结构115’被配置为将入射光子10引导至每个像素中的两个或更多个光电二极管105a、105b中的任一个，而不是特定的光电二极管。传感器晶圆301还包括形成在像素的两个光电二极管105a、105b之间的较浅沟槽隔离(SrTI)结构311。SrTI结构311比每个像素的边界处的DTI区110更浅。即，相应的DTI区110远离光电二极管105a、105b朝向光接收表面(图示出为背侧301b)突出而超过SrTI结构311(即高出SrTI结构311或比SrTI结构311更高)。
在图3的示例中，每个光电二极管105a和105b包括相应的保护环结构105g，其中，SrTI结构311位于相应的保护环结构105g之间。SrTI结构311具有高度或深度，该高度或深度足以允许在由光电探测器器件300限定的像素内的入射光子10(在图3中由实线箭头示出)的增加的光学路径长度，但该高度或深度足以降低光电二极管105a、105b之一中(图3中虚线箭头所示)热电子生成的次级光子的吸收概率，而无法到达光电二极管105a、105b中的其他光电二极管上方的区。例如，当雪崩流过第一光电二极管105a的结105n/105p时，热电子可以重组，从而导致在该过程中次级“热电子”光子的重新发射。这些热电子光子可能在像素的(一个或更多个)邻近光电二极管105b中诱发次级相关的雪崩，这可能是不期望的。这样，SrTI结构311比DTI区110更浅，以允许信号光子10跨越像素中的多个光电二极管105a、105b分布，但是SrTI结构311足够深，以降低热电子生成的次级光子到达在相同的DTI区110之间的邻近或相邻的光电二极管105a或105b上方的区的概率，从而降低像素中的光电二极管105a、105b之间的光学串扰的概率。
在一些实施例中，SrTI结构311可以朝向光接收表面(示出为背侧301b)远离结105n/105p突出并且超出光电二极管105a、105b的相应的保护环结构105g，并且DTI区110可以突出超出SrTI结构311。即，SrTI结构311高出保护环结构105g或比保护环结构105g更高，并且DTI区110高出SrTI结构311或比SrTI结构311更高。SrTI结构311可以由具有比传感器晶圆301的材料更大的击穿强度的绝缘材料形成，允许光电二极管105a、105b更接近横向放置，其中，在光电二极管105a、105b间具有较小的电场干扰。例如，传感器晶圆301可以是基于硅(Si)的，并且SrTI结构311可以是二氧化硅(SiO2)，二氧化硅(SiO2)的击穿强度大约是Si的10倍。在一些实施例中，SrTI结构311可以由与DTI区110相同或相似的材料形成。
图4是示出了根据本发明的一些实施例的示例光电探测器器件的剖视图。如图4所示，光电探测器器件400包括在读出晶圆402上具有传感器晶圆401的堆叠结构。传感器晶圆401可以包括与图3的传感器晶圆301类似或对应的元件，传感器晶圆401包括：两个或更多个光电二极管105a、105b、隔离区110和光学结构115’和SrTI结构311，两个或更多个光电二极管105a、105b限定了多个像素中的一个像素，隔离区110将光电二极管105a、105b与相邻像素分开，光学结构115’被配置为将入射光子10引导至每个像素中的两个或更多个光电二极管105a、105b中的任一个，而不是特定的光电二极管，SrTI结构311在像素的两个光电二极管105a、105b之间。
在光电探测器器件400中，传感器晶圆401粘合到读出晶圆402的表面。读出晶圆402包括用于光电二极管105a、105b的相应的电信号输出读出A、读出B的相应的电处理路径499a、499b。读出晶圆402的相应的处理路径499a、499b可以包括未被像素的光电二极管105a、105b共享的相应的电子电路元件。特别地，处理路径499a可以将从光电二极管105a输出的电信号读出A提供给下面的读出晶圆402的晶体管(示出为MOSFETA)，而处理路径499b可以将从光电二极管105b输出的电信号读出B单独提供给下面的读出晶圆402的晶体管(示出为MOSFET B)。如上所述，读出晶圆402的相应的处理路径499a、499b可以包括未被同一像素的光电二极管105a、105b共享的附加电路元件，诸如有源淬灭电路和/或无源淬灭电路和/或再充电电路。读出晶圆402还可以包括可以被像素的光电二极管105a、105b共享的电路元件，诸如控制器、定时和/或被配置为执行如本文所述的ToF测量操作的相关电路。
在一些实施例中，一个或更多个金属层或结构被定位成与读出晶圆的表面邻近，该表面提供与传感器晶圆的界面。图5是示出了根据本发明的一些实施例的示例光电探测器器件的剖视图。如图5所示，光电探测器器件500包括在读出晶圆502上具有传感器晶圆501的堆叠结构。传感器晶圆501可以包括与图4的传感器晶圆401类似或对应的元件，传感器晶圆501包括：两个或更多个光电二极管105a、105b、隔离区110、光学结构115’和SrTI结构311，两个或更多个光电二极管105a、105b限定了多个像素中的一个像素，隔离区110将光电二极管105a、105b与相邻像素分开，光学结构115’被配置为将入射光子10引导至每个像素中的两个或更多个光电二极管105a、105b中的任一个，而不是特定的光电二极管，以及将入射光子10引导至在像素的两个光电二极管105a、105b之间的SrTI结构311。
在光电探测器器件500中，传感器晶圆501粘合到读出晶圆502的表面。读出晶圆502包括在与传感器晶圆501的界面处与读出晶圆502的表面邻近的金属层508a、508b。如在图5中所示的示例结构500中可以看出，由光学结构115’和DTI区110形成的像素区域或“立方体”在光电探测器器件500的前侧501f上是开放的或相对无阻碍的，在光电二极管105a、105b与前侧501f之间设置有金属层508a、508b，使得像素区域实质上被光学密封。金属层508a、508b可以被配置为向光电二极管105a、105b提供电信号或提供来自光电二极管105a、105b的电信号(例如，以偏置器件105a、105b或用于载运从光电二极管105a、105b输出的信号)。
金属层508a、508b可以被配置为执行多个功能或服务于多个目的。在电学上，金属层508a、508b可用作电容器以在光电二极管105a、105b附近存储电荷。例如，光电二极管105a、105b可以是SPAD，该SPAD(在ToF应用中)可以具有纳秒(ns)或皮秒(ps)量级的定时要求。由于电容可影响光电二极管105a、105b的再充电时间、暗计数率和/或脉冲后，提供邻近于与传感器晶圆501的界面(且因此紧邻相应的光电二极管105a、105b)的金属层508a、508b可在由金属层508a、508b和光电二极管105a、105b的结105n/105p限定的电荷存储节点之间提供相对低的电感，使得电容器508a、508b可以更快地充电和放电。
另外地或可替代地，金属层508a、508b可以被配置为充当作为用于相关SPAD像素的模拟时间积分器或模拟计数器的一部分的电容器。例如，读出晶圆502可以包括限定模拟时间积分器或模拟计数器的相应的电子电路元件，并且金属层508a、508b可以限定对模拟时间积分器或模拟计数器的电容器进行积分或计数。
另外地或可替代地，金属层508a、508b可以包括一个或更多个表面，一个或更多个表面被配置为增加入射光子的光学路径长度，即，将光反射回到(由图5中的实线箭头示出)像素区域中，且因此进一步增加检测概率。即，金属层508a、508b可以包括反射表面，该反射表面在光电二极管105a、105b下方延伸且该反射表面被配置为提供将光反射到像素中的相应的电荷存储节点。在一些实施例中，金属层508a、508b可被实现为金属-绝缘体-金属(MiM)结构或金属-氧化物-金属(MoM)结构。
在一些实施例中，限定了每个像素的隔离区110的间距可以沿着光电探测器器件100a、100b、100c、200a、200b、300、400、500或由其限定的光学传感器阵列的光接收表面在不同的方向(例如，水平和垂直)上不同。例如，隔离区110的垂直间距可以不同于隔离区110的水平间距。这可提供跨轴(例如，在沿着光学传感器阵列的光接收表面的不同方向上，诸如沿着X轴和Y轴)不对称的像素结构，从而跨像素结构(在一些情况下，近似均匀地)扩散光子而不使用诸如非球面透镜的光学元件。
在一些实施例中，光电探测器器件100b、100c、200b、300、400、500的像素结构可以进一步包括纹理区115，该纹理区115被定位成与结合衍射元件115’的入射电磁辐射10相互作用。例如，纹理区115可以被提供为黑硅的层或黑硅的区，该层或区被定位成与光电探测器器件100b、100c、200b、300、400、500的前侧邻近，与在其上包括衍射元件115’的背侧101b、201b、301b、401b、501b相对。黑硅区可以被配置为减小反射率且增加由每个像素的光电二极管吸收的光的波长范围。
更一般地，在本文中描述的实施例可以使用光学结构(包括IPA或其他衍射结构)来使跨被包括在一个像素中的多个光电二极管的检测均匀化，其中，DTI区(或其他隔离结构)将限定每个像素的光电二极管组分开。DTI区和IPA被布置或以其他方式被配置为产生“光子混合器”，该“光子混合器”将光子发送到在邻近的DTI区之间限定的像素中的各种光电二极管，而不管光子来自视场中的何处。
本发明的实施例可以用于光学传感器阵列中，诸如基于ToF的成像应用中的检测器阵列中。例如，闪存LIDAR可以使用脉冲发光阵列在相对大的区域上短时间内发射光以基于反射光发射的感测来采集图像，从而提供大视场的固态成像。非闪存或扫描LIDAR系统可通过扫描视场或场景上的光发射(例如，使用点扫描或线扫描(例如，从一维(1D)发射器阵列发射)，来发射每个点的必需功率且循序扫描以重建全FoV)来生成图像帧。非范围选通LIDAR系统可以照亮整个感兴趣范围并从整个感兴趣范围收集回波。间接飞行时间(iToF)LIDAR系统可以通过检测参考所发射的信号的回波的相位偏移来测量范围，而直接飞行时间(dToF)激光雷达通过检测从发射光脉冲到接收器检测到光脉冲的时间来测量范围。在具体应用中，可以使用盖革模式单光子检测器的检测器阵列(如SPAD检测器阵列)来执行由光电探测器器件对反射光的感测。SPAD检测器阵列可以在其中期望高灵敏度和定时分辨率的成像应用中用作固态检测器。
图6A和图6B示出了根据本发明的一些实施例的激光雷达应用中的示例飞行时间测量系统600a和600b以及相关组件。如图6A所示，激光雷达ToF电路或系统600a可以包括控制器或控制电路605、定时发生器或驱动器电路616以及检测器元件的阵列610；定时发生器或驱动器电路616控制照明源(示出为发射器元件的阵列615)的定时和振幅，检测器元件的阵列610(举例来说被示出为SPAD阵列)被配置为生成独立于入射光子的光功率的电信号。发射器阵列615在由控制器605和/或驱动器电路616控制的时间发射辐射脉冲作为光信号630。反射光信号(回波信号)635形式的辐射从目标650反射，并且由SPAD阵列610检测或感测，例如，如本文所描述的入射光子10。控制器605实现像素处理器，该像素处理器使用直接或间接ToF测量技术来测量照明脉冲630、635在从发射器阵列615到目标650并且回到检测器阵列610的行程上的飞行时间。
图6B更详细地示出了根据本发明的一些实施例的激光雷达ToF电路或系统600b。系统600b包括控制电路605、定时电路606、照明源(图示为包括多个发射器615e的发射器阵列615)以及包括多个检测器像素610d的检测器阵列610。发射器阵列615的发射器元件615e的一个或更多个可以限定发射器单元，该发射器单元在由定时发生器或驱动器电路616控制的时间和重复率下(例如，通过扩散器或光学过滤器614)分别发射辐射脉冲或连续波信号。在特定实施例中，发射器615e可为脉冲光源，诸如LED或激光器(诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和/或边缘发射激光器)。
在一些实施例中，发射器模块或电路可以包括发射器元件615e的阵列615、耦接至发射器元件中的一个或更多个的光学元件613、614的对应阵列(例如，(一个或更多个)透镜613(诸如微透镜)和/或扩散器614)以及驱动器电路616。在一些实施例中，发射器阵列615中的每个发射器元件615e连接至相应的驱动器电路616并且由相应的驱动器电路616控制。在其他实施例中，发射器阵列615中的各组发射器元件615e(例如，空间上彼此接近的发射器元件615e)可连接到同一驱动器电路616。驱动器电路616可以包括一个或更多个驱动器晶体管，一个或更多个驱动器晶体管被配置为控制从发射器615e输出的光学发射信号的脉冲重复率、定时和振幅。
在一些实施例中，检测器模块或电路包括检测器像素610d的阵列610、接收器光学器件612(例如，在阵列610的FoV 690上收集光的一个或更多个透镜)以及(包括定时电路606的)接收器电子器件，接收器电子器件被配置为对检测器阵列610的全部或部分供电、启用和禁用检测器阵列610的全部或部分，并且向检测器阵列610提供定时信号。接收器光学器件612可以包括宏透镜、光谱过滤器611、微透镜和/或抗反射涂层，该宏透镜被配置为收集来自可由激光雷达系统成像的最大FoV的光；光谱过滤器611通过或允许足够高的‘信号’光的部分(即，与从发射器输出的光信号的那些波长对应的波长的光)通过，但基本上拒绝或防止非信号或‘背景’光(即，与从发射器输出的光信号的波长不同的波长的光)通过；微透镜用于提高检测像素的收集效率；抗反射涂层用于减少或防止杂散光的检测。
检测器像素610d包括飞行时间传感器(例如，单光子检测器阵列，诸如盖革模式雪崩二极管(例如，SPAD))。检测器阵列610可以包括在本文中描述的光电探测器器件100a-100c、200a-200b、300、400、500中的任一个，其中，每个检测器像素610d包括在本文中描述的光电二极管105、105a、105b中的一个或更多个，光电二极管105、105a、105b中的一个或更多个被配置为独立于入射光子的光功率而生成电信号。即，检测器阵列610可以包括由在本文中描述的光电探测器器件100a-100c、200a-200b、300、400、500表示的像素结构的任何组合。
定时电路606可以控制检测器阵列610的定时和增益/灵敏度。在一些实施例中，检测器阵列610的定时电路606可被锁相到发射器阵列615的驱动器电路616。定时电路606还可以控制每个检测器像素610d、检测器像素组或每个检测器像素610d的相应的光电二极管的灵敏度。例如，当检测器像素610d包括反向偏置盖革模式光电二极管时，可以(例如，基于在本文中描述的电极107n、107p的电压差)调整施加到每个光电二极管的反向偏置，由此，过偏置越高，灵敏度越高。检测器像素610d可以以至少纳秒精度启动或停用，并且检测器像素610d的光电二极管可以是可单独寻址的、可由组寻址的和/或可全局寻址的。
如图6B中所示，从发射器615e中的一个或更多个发射器输出的光发射照射在一个或更多个目标650上且由一个或更多个目标650反射，并且由检测器像素610d中的一个或更多个检测器像素将反射光检测为回波信号，反射光被转换成电信号表示(在本文中被称为检测信号)，并且反射光(例如，基于飞行时间)被处理以限定视场690内的场景的3D点云表示670。根据本文描述的本发明的实施例的LIDAR系统的操作可由一个或更多个处理器或控制器(诸如图6A和图6B的控制电路605)执行。
如本文中所描述的本发明的实施例提供了高量子效率的盖革模式雪崩二极管及其光学传感器阵列。此外，本发明的实施例涉及灵敏度增强的光子混合图像传感器像素，该灵敏度增强的光子混合图像传感器像素在同一像素中包括多个光电二极管以更均匀地对像素的视场进行采样。传感器阵列的‘填充因子’可以通过减少或省略光电二极管之间的隔离区(例如，DTI区)而增加，否则隔离区可占据像素阵列的表面并减小可用像素区域。如本文描述的纹理区和/或其他光学结构可定位于光学传感器阵列中或光学传感器阵列上，以将入射光子引导至像素中的多个光电二极管中的任一个光电二极管。一些实施例可以通过使用复合像素结构来牺牲空间分辨率，该复合像素结构具有每像素多个光电二极管，该多个光电二极管对隔离区之间的相同角空间进行采样。本发明的实施例包括但不限于以下。
例如，在一些实施例中，光电子器件可以包括盖革模式雪崩光电二极管，盖革模式雪崩光电二极管可以包括具有入射光表面的半导体材料(例如，硅)、在半导体材料中形成半导体结(例如，p-n结)的第一区和第二区(例如，掺杂区)、用于控制雪崩过程的保护环结构以及纹理区，纹理区耦接至半导体材料并且被定位成与电磁辐射相互作用。该光电子器件具有独立于照射光功率的二元响应度，例如，具有在从约800纳米(nm)至约1200nm的范围内的至少一个波长的电磁辐射。
在一些实施例中，纹理区被定位于硅(或其他半导体)材料的与入射光表面相同的侧上。在一些实施例中，纹理区域被定位于硅(或其他半导体)材料的与入射光表面相对的侧上。
在一些实施例中，硅(或其他半导体)材料可以具有从约1微米(μm)至约100μm的厚度。在一些实施例中，半导体结可以具有从约0.1μm2至约1000μm2的表面积。
在一些实施例中，光电子器件可以被结构(例如，保护环结构)围绕，使得当结被反向偏置时形成的电场是足够均匀的。照此，在雪崩击穿时，大部分或基本上全部的雪崩电流可以在结的平面区内流动，而不是在结的边缘或拐角中流动。
在一些实施例中，光电子器件可以包括第一触点和第二触点。第一触点和第二触点可以限定光电二极管的阳极触点和阴极触点。第一触点和第二触点之间的电压差可以在低于(例如，稍微低于)结的击穿电压的第一电压与高于击穿电压(例如，足够高以用于雪崩操作)的第二电压之间切换。在一些实施例中，跨第一触点和第二触点施加反向偏置电压。例如，反向偏置可为约10V至约200V。
在一些实施例中，阳极或阴极或阳极和阴极两者可以电连接至淬灭电路和/或再充电电路。淬灭操作可以是有源或无源的。再充电操作可以是有源或无源的。
在一些实施例中，可以在邻近光电二极管之间形成势垒或隔离区。在不失一般性的情况下，可以以沟槽、钝化沟槽、填充沟槽、填充钝化沟槽、由晶圆(例如，硅材料晶圆)的前表面上的电极限定的电场、由晶圆的背表面上的电极限定的电场、由沟槽上或沟槽中的电极限定的电场、以及由带电硅通孔限定的电场的形式提供势垒。
在一些实施例中，光电二极管阵列可以包括具有入射光表面的硅材料、由硅材料中的半导电结形成并且限定光电二极管阵列的相应的像素的一个光电二极管、以及耦接至硅材料并且被定位成与电磁辐射相互作用的纹理区。光电二极管阵列的半导体结(或其部分)被配置为偏置超过击穿电压，使得当存在足够瞬时的光子组时，具有在从约800nm至约1200nm的范围内的至少一个波长，从而照射在结中的每个结上，相应的半导体结生成独立于足够瞬时的光子组的光功率的电信号。
在一些实施例中，光电二极管阵列可以包括具有入射光表面的硅材料、在硅材料中限定光电二极管阵列的像素(每个光电二极管包括相应的半导体结)的至少两个光电二极管、以及耦接至硅材料并且被定位成与电磁辐射相互作用的纹理区。光电二极管阵列的半导体结(或其部分)被配置为偏置超过击穿电压，使得当存在足够瞬时的光子组时，具有在从约800nm至约1200nm的范围内的至少一个波长，从而照射在结中的每个结上，相应的半导体结生成独立于足够瞬时的光子组的光功率的电信号。
在一些实施例中，硅材料可以具有从约1μm至约100μm的厚度。在一些实施例中，光电二极管阵列的每个像素可以包括形成四阵列的四个光电二极管。在一些实施例中，四阵列的四个光电二极管可以是选择性的以检测单个波长范围。
在一些实施例中，光电二极管阵列可以包括如在美国专利申请No.2019/0250257中描述的阵列和系统，该专利申请通过引用并入本文，其中，包括SPAD器件的硅晶圆进一步包括纹理区，该纹理区耦接至硅材料并且被定位成与电磁辐射相互作用。在一些实施例中，包括SPAD器件的晶圆可以在背侧被照亮。在一些实施例中，包括SPAD器件的晶圆可以仅包括SPAD器件(例如，晶圆可以没有非SPAD器件)，并且包括SPAD器件的晶圆可以进一步粘合和/或电互连至第二晶圆，该第二晶圆包括被配置为用于操作LIDAR系统的电路。
本文已经参考附图描述了各种实施例，在附图中示出了示例实施例。然而，这些实施例可以以不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并且将本发明构思充分传达给本领域技术人员。对本文描述的示例实施例和一般原理和特征的各种修改将是显而易见的。在附图中，层和区的尺寸和相对尺寸未按比例示出，并且在一些情况下，为了清楚起见可能被夸大。贯穿全文，相同的标记可以指代相同的元件。
主要根据特定实施方式中提供的特定方法和器件来描述示例实施例。然而，这些方法和器件可在其他实施方式中有效地操作。诸如“一些实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”的短语可以指相同或不同的实施例以及指多个实施例。将关于具有某些组件的系统和/或器件来描述实施例。然而，系统和/或器件可以包括比所示出的那些更少或更多的组件，并且可以在不脱离本发明构思的范围的情况下对组件的布置和类型做出变型。还将在具有某些步骤或操作的特定方法的背景中描述示例实施例。然而，对于具有不同和/或附加的步骤/操作以及与示例实施例不一致的不同顺序的步骤/操作的其他方法，该方法和器件可以有效地操作。由此，本发明构思不旨在限于所示出的实施例，而是要符合与本文描述的原理和特征一致的最宽范围。
将理解的是，当元件被称为或示出为“在另一个元件上”、“连接”至另一个元件或“耦接”至另一个元件时，其可以直接在另一个元件上、连接至另一个元件或耦接至另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一个元件上”、“直接连接”至另一个元件或“直接耦接”至另一个元件时，不存在中间元件。
还将理解的是，尽管术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。
此外，相对术语(诸如“下部”或“底部”以及“上部”或“顶部”)在本文中可以用于描述如附图中所示出的一个元件与另一个元件的关系。将理解的是，相对术语旨在涵盖除了附图中所描绘的取向之外的器件的不同取向。例如，如果将附图之一中的器件翻转，则被描述为在其他元件的“下部”侧上的元件将定向在其他元件的“上部”侧上。因此，取决于附图的具体取向，示例性术语“下部”可以涵盖“下部”和“上部”的取向。类似地，如果将附图之一中的器件翻转，则被描述为在其他元件“下方”或“之下”的元件将被定向为在其他元件“上方”。因此，示例性术语“下方”或“之下”可以涵盖上方和下方的取向。
在本文的本发明的描述中使用的术语仅用于描述具体实施例的目的并且不旨在限制本发明。如在本发明的说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确地指出。
还将理解的是，本文所使用的术语“和/或”是指并且涵盖一个或更多个相关联的所列项目的任何和所有可能的组合。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括(include)”、“包括(including)”、“包含(comprise)”和/或“包含(comprising)”时，指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组的存在或添加。
本文参考图示描述本发明的实施例，这些图示是本发明的理想化的实施例(和中间结构)的示意图。这样，例如由于制造技术和/或公差而引起的图示形状的变型是可以预期的。因此，附图中示出的区在本质上是示意性的，并且它们的形状不旨在示出器件的区的实际形状，并且不旨在限制本发明的范围。
除非另外定义，否则在公开本发明的实施例中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)均具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义，并且不一定限于在描述本发明时已知的具体定义。因而，这些术语可以包括在这样的时间之后创建的等同术语。将进一步理解的是，(如在常用字典中定义的那些)术语应被解释为具有与其在本说明书中和在相关技术的背景下的含义一致的含义，并且将不会以理想化或过于正式的意义进行解释，除非本文明确这样定义。所有提及的专利和/或公开物均通过引用并入本文。
在本文中已经结合以上描述和附图公开了许多不同的实施例。将理解的是，逐字地描述和说明这些实施例的每个组合和子组合将是不恰当地重复和混淆。因此，包括附图在内的本说明书应当被解释为构成本文所述的本发明的实施例的所有组合和子组合、以及制造和使用它们的方式和过程的完整书面描述，并且应当支持对任何这样的组合或子组合的权利要求。
尽管本文已经参考各种实施例描述了本发明，但将认识到，在本发明的原理的范围和精神内可以做出进一步的变型和修改。虽然采用了特定的术语，但是它们仅以一般和描述性的意义使用，而不是为了限制的目的。

Claims (26)

1.一种光电探测器器件，包括：
半导体材料层；
所述半导体材料层中的至少一个光电二极管，所述至少一个光电二极管被配置为被偏置超过所述至少一个光电二极管的击穿电压，以响应于检测到入射光子而生成相应的电信号，其中，所述相应的电信号独立于所述入射光子的光功率；以及
纹理区，所述纹理区耦接至所述半导体材料层，并且所述纹理区包括光学结构，所述光学结构被定位成在由所述至少一个光电二极管检测所述入射光子时与所述入射光子相互作用。
2.根据权利要求1所述的光电探测器器件，其中，所述至少一个光电二极管包括两个或更多个光电二极管，所述两个或更多个光电二极管限定了所述光电探测器器件的像素，其中，所述光学结构被配置为将所述入射光子引导至所述像素的两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管以由此进行检测。
3.根据权利要求2所述的光电探测器器件，还包括：
相应的隔离区，所述相应的隔离区将所述像素与所述光电探测器器件的相邻像素分开，其中，所述像素在所述像素的两个或更多个光电二极管之间没有所述相应的隔离区。
4.根据权利要求3所述的光电探测器器件，其中，所述相应的隔离区包括相应的深沟槽隔离(DTI)区，并且还包括：
较浅沟槽隔离(SrTI)结构，所述较浅沟槽隔离(SrTI)结构在所述像素中的所述两个或更多个光电二极管之间，其中，所述相应的DTI区远离所述两个或更多个光电二极管突出超过所述SrTI结构。
5.根据权利要求3所述的光电探测器器件，其中，响应于由所述两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管检测到所述入射光子，由所述两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管生成的所述相应的电信号被配置为输出至相应的处理路径，所述相应的处理路径包括未被所述像素的所述两个或更多个光电二极管共享的相应的电子电路元件。
6.根据权利要求5所述的光电探测器器件，还包括：
读出晶圆，所述读出晶圆包括所述相应的电子电路元件，其中，所述半导体材料层堆叠在所述读出晶圆的表面上。
7.根据权利要求6所述的光电探测器器件，其中，所述相应的电子电路元件包括相应的淬灭电路和/或再充电电路。
8.根据权利要求6所述的光电探测器器件，还包括：
金属层结构，所述金属层结构在所述读出晶圆中与所述读出晶圆的表面邻近，其中，所述金属层结构在所述两个或更多个光电二极管下方延伸并且所述金属层结构被配置为向所述两个或更多个光电二极管提供电信号或提供来自所述两个或更多个光电二极管的电信号。
9.根据权利要求8所述的光电探测器器件，其中，所述相应的电子电路元件包括模拟时间积分器或模拟计数器，并且所述金属层结构包括对所述模拟时间积分器或模拟计数器的电容器进行积分或计数。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的光电探测器器件，其中，所述光学结构被配置为在由所述两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管进行检测之前，引导所述入射光子远离所述像素的所述两个或更多个光电二极管中的一个光电二极管。
11.根据权利要求10所述的光电探测器器件，其中，所述光学结构是衍射元件，所述衍射元件分别包括小于所述入射光子的波长的一个或更多个尺寸，可选地，所述衍射元件包括倒金字塔形阵列(IPA)结构。
12.根据权利要求2所述的光电探测器器件，其中，所述像素中的所述两个或更多个光电二极管中的至少一个光电二极管被配置为独立于彼此而被禁用。
13.根据权利要求12所述的光电探测器器件，还包括：
沟槽隔离区，所述沟槽隔离区将所述像素与所述光电探测器器件的相邻像素分开；以及
第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极被配置为基于所述第一电极和所述第二电极之间的电压差，将反向偏置施加到所述像素的所述两个或更多个光电二极管中的所述至少一个光电二极管，其中，所述电压差在第一电压和第二电压之间切换，所述第一电压大于所述击穿电压，所述第二电压小于所述击穿电压。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器器件，其中，所述至少一个光电二极管包括至少一个单光子雪崩检测器(SPAD)，所述至少一个单光子雪崩检测器具有相应的半导体结，所述半导体结包括基本上平面的区以及在所述区的边缘处的保护环结构。
15.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器器件，其中，所述光电探测器器件包括光学传感器阵列，所述光学传感器阵列包括在所述光学传感器阵列的多个像素之间的所述至少一个光电二极管，其中，所述光学传感器阵列是光检测和测距(LIDAR)检测器阵列，其中，所述入射光子的源是LIDAR发射器阵列。
16.一种光学传感器阵列，包括：
多个像素，所述像素中的每一个包括两个或更多个光电二极管，所述两个或更多个光电二极管被配置为响应于入射光子而生成相应的电信号，其中，所述相应的电信号独立于所述入射光子的光功率；
相应的隔离区，所述相应的隔离区将所述像素中的相邻像素分开；以及
光学结构，所述光学结构定位在所述相应的隔离区之间，并且所述光学结构被配置为将所述入射光子引导至所述像素中的每个像素的所述两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管。
17.根据权利要求16所述的光学传感器阵列，其中，所述像素在所述像素的所述两个或更多个光电二极管之间没有所述相应的隔离区，其中，所述光学结构被配置为在由所述两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管进行检测之前，将所述入射光子引导远离所述像素中的每个像素的所述两个或更多个光电二极管中的一个光电二极管。
18.根据权利要求17所述的光学传感器阵列，其中，所述相应的隔离区包括相应的深沟槽隔离(DTI)区，并且还包括：
较浅沟槽隔离(SrTI)结构，所述较浅沟槽隔离(SrTI)结构在所述像素中的所述两个或更多个光电二极管之间，其中，所述相应的DTI区远离所述两个或更多个光电二极管突出超过所述SrTI结构。
19.根据权利要求17所述的光学传感器阵列，其中，所述光学结构是衍射元件，所述衍射元件分别包括小于所述入射光子的波长的一个或更多个尺寸，其中，所述衍射元件被配置为以用大于所述光学传感器阵列的表面与所述两个或更多个光电二极管中的所述一个光电二极管之间的距离的光学路径长度将所述入射光子引导至所述像素中的每个像素的所述两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管。
20.根据权利要求16所述的光学传感器阵列，其中，所述两个或更多个光电二极管分别包括半导体结，所述半导体结包括基本上平面的区和在所述区的边缘处的保护环结构，并且所述半导体结被配置为被偏置超过所述半导体结的击穿电压以响应于所述入射光子而生成所述相应的电信号。
21.根据权利要求20所述的光学传感器阵列，其中，响应于由所述两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管检测到所述入射光子，由所述两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管生成的所述相应的电信号被配置为输出至相应的处理路径，所述相应的处理路径包括未被所述像素中的每个像素的所述两个或更多个光电二极管共享的相应的电子电路元件。
22.根据权利要求21所述的光学传感器阵列，其中，所述像素、所述相应的隔离区和所述光学结构设置在第一半导体层中或第一半导体层上，并且所述光学传感器阵列还包括：
第二半导体层，所述第二半导体层包括相应的电子电路元件，其中，所述第一半导体层粘合至所述第二半导体层的表面。
23.根据权利要求22所述的光学传感器阵列，其中，所述第二半导体层还包括控制器，所述控制器被配置为接收由所述像素中的每个像素的所述两个或更多个光电二极管生成的所述相应的电信号并且执行在由所述相应的电信号指示的相应的到达时间之间的时间相关性。
24.根据权利要求16至21中任一项所述的光学传感器阵列，其中，所述光学传感器阵列是光检测和测距(LIDAR)检测器阵列，其中，所述入射光子的源是闪存LIDAR发射器阵列。
25.根据权利要求16至21中任一项所述的光学传感器阵列，其中，所述光学传感器阵列是光检测和测距(LIDAR)检测器阵列，其中，所述入射光子的源是扫描LIDAR发射器阵列。
26.一种光检测和测距(LIDAR)检测器阵列，包括：
半导体材料层，所述半导体材料层具有约1μm至约100μm的厚度；
多个像素，所述多个像素在所述半导体材料层中，所述像素分别包括由半导体结限定的至少一个光电二极管，所述半导体结包括基本上平面的区和在所述区的边缘处的保护环结构，并且所述至少一个光电二极管被配置为当施加到所述至少一个光电二极管的反向偏置超过所述至少一个光电二极管的击穿电压时响应于入射光子而生成电信号，所述入射光子包括在约800纳米(nm)至约1200nm之间的波长，其中，所述电信号独立于所述入射光子的光功率；
相应的深沟槽隔离区，所述相应的深沟槽隔离区将所述像素中的相邻像素分开；
第一触点和第二触点，所述第一触点和所述第二触点在所述像素中的每个像素中与所述相应的深沟槽隔离区邻近，其中，所述第一触点和第二触点被配置为基于所述第一触点和第二触点之间的电压差向所述半导体结施加所述反向偏置；以及
衍射光学元件，所述衍射光学元件定位于所述像素与所述入射光子的源之间。
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