CN115104012A - 集成式光电检测半导体光电部件 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量照射光电部件的二色光(DL)的两种颜色成分(C1、C2)中的每一种的强度(I1、I2)的集成式光电检测半导体光电部件(300)，包括：‑第一SPAD(306)，其适用于检测宽波长范围内的光子，该第一SPAD包括允许待检测光子进入第一SPAD的有效表面区域(340)；‑第二SPAD(308)，其适用于检测宽波长范围内的光子，该第二SPAD邻近第一SPAD(306)布置；‑半导体光学长通滤波器(310)，其至少部分覆盖第一SPAD的有效表面区域(340)，该长通滤波器(310)允许二色光(DL)的两种颜色成分中的第一颜色成分(C1)通过，并且阻挡二色光(DL)的两种颜色成分中的第二颜色成分(C2)；‑电子电路(304)，其用于读取和处理由所述第一和第二SPAD传递的检测信号(S1、S2)，该电子电路适于：i)基于由第一SPAD传递的检测信号(S1)来提供指示第一颜色成分(C1)的强度的第一强度输出信号I1；和ii)基于由所述第一和第二SPAD传递的检测信号(S1、S2)通过差分分析来提供指示所述第二颜色成分(C2)的强度的第二强度输出信号I2。

Description

集成式光电检测半导体光电部件
本申请要求德国专利申请No.102020201453.1的优先权。上述德国专利申请的公开内容在此通过引用结合到本申请中。
本公开还涉及广泛用作电子设备的一部分的光电检测部件，电子设备例如智能手机、可穿戴设备、平板电脑、显示器等。这样的部件/光学传感器可以扩展功能和/或帮助改进它们所集成到的电子设备的操作。
希望增强这些已知的光学传感器，以使它们能够同时快速地检测两个不同波长范围内的微弱光信号。在近红外和蓝色/紫外范围内进行快速、同时和高灵敏度的检测将是特别期望的，这是因为这将使配备有此类传感器的便携式电子设备更适合用作例如光谱仪或生命体征监视器。
同时，这些光学传感器应尽可能简单、便宜和小巧。否则，它们将不再适合大规模制造和集成到消费设备中。
因此，本公开的目的在于提供一种集成式光电检测半导体光电部件，能够快速、可靠、同时测量二色光的两种颜色成分中的每一种的强度，同时易于大规模制造。
根据本公开，该目的通过一种集成式光电检测半导体光电部件来实现，该光电部件用于测量照射该光电部件的二色光的两种颜色成分中的每一种的强度，该部件包括：
-第一SPAD，其适用于检测宽波长范围内的光子，第一SPAD包括允许待检测光子进入第一SPAD的有效表面区域；
-第二SPAD，其适用于检测宽波长范围内的光子，第二SPAD邻近第一SPAD布置；
-半导体光学长通滤波器，其至少部分覆盖第一SPAD的有效表面区域，该长通滤波器允许二色光的两种颜色成分中的第一颜色成分通过，并且阻挡二色光的两种颜色成分中的第二颜色成分；
-电子电路，其用于读取和处理由第一SPAD和第二SPAD传递的检测信号，该电子电路适于：
i)基于由第一SPAD传递的检测信号来提供指示第一颜色成分的强度的第一强度输出信号I1；和
ii)基于由第一SPAD和第二SPAD传递的检测信号通过差分分析来提供指示第二颜色成分的强度的第二强度输出信号I2。
通过使用SPAD作为部件的光检测元件，部件受益于SPAD固有的高灵敏度、大增益和快速响应。由于特定的长通滤波器与电子电路的差分分析相结合，该部件能够提供对两种颜色成分的强度的准确测量。诸如多晶硅的半导体材料在半导体制造厂很容易获得。因此，具有特色的长通滤波器以及本光电检测光电部件易于使用标准CMOS制造工艺制造。
根据优选实施例，本公开的部件可以以所有技术上可能的组合的形式包括以下特征中的一个、几个或全部：
-长通滤波器是沉积在第一SPAD的有效表面区域之上的单层半导体材料；
-长通滤波器的半导体材料为硅、锗、砷化镓或氮化镓；
-长通滤波器兼作作为电路一部分的功能性电子元件；
-长通滤波器的半导体材料被掺杂，使得长通滤波器的电材料特性适于其作为所述功能性电子元件的附加作用；
-长通滤波器兼作第一SPAD的无源淬灭电阻器；
-长通滤波器具有形成所述无源猝灭电阻器的曲折导电路径的形状；
-长通滤波器的曲折形状限定一组非过滤间隙，并且其中，所述间隙被对于二色光不透明的光学掩模覆盖，该光学掩模优选地由金属制成；
-由电子电路执行以提供第二强度输出信号I2的差分分析包括以下步骤：
-根据由第一SPAD传递的输出信号确定第一光子检测率N1；
-根据由第二SPAD传递的输出信号确定第二光子检测率N2；和
-使用以下公式计算第二强度输出信号I2：
I2＝a×N2-b×N1
其中，a和b是常数，由第一SPAD和第二SPAD在对应于两种颜色成分的波长处的光子探测效率预先确定；
-电子电路包括用于飞行时间测量的时间数字转换器；
-第一SPAD和第二SPAD具有相同的p-n结结构；
-二色光的两种颜色成分分别是近红外光和近紫外-蓝光；
-用于测量入射光的一种或更多种附加颜色成分的强度的、具有一个或更多个相应的附加半导体光学长通滤波器的一个或更多个附加的SPAD。
本公开还涉及制造如上定义的光电子部件的方法。
本公开还涉及一种包括如上定义的光电组件的电子设备，例如智能电话、小配件或可穿戴设备。
现在将参照附图详细描述本公开的优选实施例，在附图中：
图1是根据本公开的光电检测光电部件的一种设置的功能框图；
图2是图1的光电检测光电部件的SPAD组件的第一实施例的截面图；
图3是图1的光电检测光电部件的SPAD组件的第二实施例的截面图；
图4是图3中箭头VI所示的俯视图；和
图5至图10示出了形成图3的第二实施例的电阻滤波器堆叠的过程的不同步骤。
图1示出了根据本公开的集成式光电检测半导体光电部件300。部件300由图1中的虚线多边形界定。部件300也可以作为光电检测器。这些类型的光电检测器通常可以内置到各种电子设备中，例如智能手机和可穿戴设备。
光电检测器300被设计成测量照射光电检测器300的二色光的两种颜色成分中的每一种的强度。该二色光DL可以来自专用光源360。光源360可以包括一个或更多个发光二极管(LED)和/或激光器。一个或更多个激光器可以是垂直腔表面发射类型(即VCSEL–型)。
在优选的应用中，例如来自光源360的二色光DL的两种颜色成分C1、C2分别是近红外或NIR光(C1)和近紫外-蓝光(C2)。例如当光电检测器300用于生命体征监测或光谱学时可以是这种情况。在这种应用中，来自光源360的二色光DL照射到待分析的物体表面S上。然后由光检测器300检测从表面S反射的二色光DL。在图1中，二色光DL的第一颜色成分C1(例如，近红外或NIR)由虚线箭头表示。第二种颜色成分C2(例如蓝色-紫外线)由点划线箭头表示。
光电检测器300包括由入射的二色光DL触发的SPAD组件302，以及用于读出和处理由SPAD组件302传递的检测信号S1和S2的电子电路304。
SPAD组件302包括第一单光子雪崩二极管或SPAD 306、第二单光子雪崩二极管或SPAD 308和半导体光学长通滤波器310。SPAD 306、308均适于检测宽波长范围内的光子。这意味着SPAD 306、308两者的光敏感度覆盖从红外到可见光再到紫外光的光谱。SPAD 306和308两者都布置成彼此非常接近。
在替代实施例中，SPAD组件302可以由SPAD阵列组件代替。在该替代实施例中，每个SPAD 306、308由SPAD阵列代替，例如SiPM。
半导体光学长通滤波器310与第一SPAD 306相关联。它允许二色光DL的两种颜色成分中的第一颜色成分C1通过，并阻挡二色光的两种颜色成分中的第二颜色成分C2。
电子电路304包括读出电子器件312、微处理器314和时间-数字转换器(TDC)316。读出电子器件312调节由SPAD 306和308传递的两个检测信号S1和S2，然后将经调节的信号N1、N2传送到处理器314进行分析。读出电子器件312还基于检测信号S1和S2将触发信号T1和T2传递到TDC 316。
在图1所示的示例中，读出电子器件312包括三级，即分离器级318、鉴别器级320和转换级322。分离器级318的功能是复制每个检测信号S1和S2，以便它们可用于转换级322以及TDC 316。在图1中，分离器级318包括用于两个SPAD 306和308中的每一个的单独的分离器。根据其复制功能，分离器级318向鉴别器级320提供四个信号S1.1、S1.2、S2.1和S2.2。在鉴别器级320中，四个信号经过阈值处理以提高信噪比并防止错误检测。在图1中，鉴别器级320包括四个单独的鉴别器。鉴别器级320输出四个阈值信号T1、T2、T3和T4，其中两个(T1、T2)被馈送到时间数字转换器316，而另外两个(T3、T4)被馈送到转换级322。
在转换级322中，信号T3和T4各自被转换成初步强度信号N1和N2。转换级322可以实现为计数器。在这种情况下，初步强度信号N1、N2对应于每个SPAD 306和308的光子检测率，即每个SPAD单位时间被触发的频率。如果转换级322被实现为电荷数字转换器(QDC)，则初始强度信号N1、N2是时间积分信号。在下文中，我们将假设转换级322是数字计数器，因此初步强度信号N1、N2是光子检测率。
时间数字转换器(TDC)316是电子电路304的可选元件。它可以以使得光电检测器300能够进行飞行时间测量。如果光电检测器300配备有TDC 316，则后者优选地连接到光源360。光源360的光发射随后将开始TDC 316的时间记录。时间记录可以在TDC 316接收到来自读出电子装置312的触发信号T1和/或T2时停止。
处理器314从读出电子装置312接收光子检测率N1、N2作为输入。可选地，它还可以从TDC 316接收时间测量值M作为另外的输入。处理器314适于根据两个光子检测率N1和N2来提供指示第一颜色成分C1的强度的第一强度输出信号I1和指示第二颜色成分C2的强度的第二强度输出信号I2。I2由处理器314使用差分分析来确定，这将在下面进一步解释。
我们现在将转向图2，它示出了SPAD组件302结构的第一可行实施例。
图2中所示的SPAD组件302是优选用CMOS工艺制造的单片结构。两个SPAD 306和308彼此邻近地布置。SPAD 306和308两者是相同的。这意味着它们具有相同的PN结结构。SPAD 306和308两者的结构能够是任何标准设计。图2中所示的设计涉及深N阱326中的浅p+阳极324。每个SPAD 306、308可以具有保护环328和/或富集层330以防止过早的边缘击穿。每个SPAD 306、308还包括内部阳极触点332、中间阴极触点334和外部衬底触点336。衬底338可以是p型的。每个SPAD 306、308具有有效表面区域340，允许检测光子进入SPAD。每个SPAD 306、308的块体B可以包括局部富集区域342、344以分别改善块体B与衬底接触336之间或块体B与阴极接触电334之间的电流流动。在SPAD 306和308中使用的掺杂剂可以是硼和磷。
在根据图2的第一实施例中，半导体光学长通滤波器310完全覆盖第一SPAD 306的有效表面区域340。由于长通滤波器310，第一SPAD 306充当长波长敏感传感器。与此不同，第二SPAD 308没有长通滤波器，因此充当宽波长传感器。
图2所示的长通滤波器310是单层半导体材料。该单层直接沉积在第一SPAD 306的有效表面区域340上。内部阳极接触332围绕长通滤波器层310。用于长通滤波器310的优选半导体材料是硅、锗、砷化镓或氮化镓。用于长通滤波器310的特别优选的材料是多晶硅，这是因为它在半导体制造厂很容易获得。截止波长，即半导体滤光器310对电磁辐射不透明的波长，取决于其厚度E。因此，长通滤波器310的截止波长能够通过调整其厚度E来校准。在一个实施方式中，长通滤波器310可以将自身呈现为由多晶硅制成的半导体薄膜，其厚度约为500nm。这种滤光器的截止波长约为约400nm，因此可以阻挡紫外线(UV)辐射。
我们现在将转向图3和图4，它们与SPAD组件302的第二可行实施例有关。第二实施例在许多方面与图2的第一实施例相似。在下文中，我们将仅描述第二实施例相对于第一实施例的不同之处。关于相似之处，参考上述描述。
在图3的第二实施例中，第一SPAD 306的有效表面区域340被电阻滤波器堆叠346覆盖。电阻滤波器堆叠346包括五层：底部介电层348、覆盖底部介电层348的长通滤波器层310、覆盖长通滤波器层310的中间介电层350、电接触层352和覆盖中间介电层350的顶部图案化光学掩膜层354。在该实施例中，长通滤波器310兼作作为电子电路一部分的功能性电子元件。更准确地说，长通滤波器310兼作第一SPAD 306的无源猝灭电阻器。
底部介电层348是场氧化层。其充当电阻式长通滤波器310与第一SPAD 306的PN结的浅非本征半导体层324之间的电隔离器。电阻式长通滤波器310位于底部介电层348的顶部。
参照图4，图4为图3中箭头VI所示的俯视图。在图4的俯视图中，省略了中间介电层350和电触点352，以更好地显示光学掩模354和电阻式长通滤波器310的相对布置。从图4可以明显看出，长通滤波器310具有曲折的导电路径的形状，其形成电阻器。曲折路径可以是长轨道357和短轨道355的序列。长通滤波器310限定一组非过滤间隙359(见图3)。电阻式长通滤波器310的第一端356电连接到第一SPAD 306的PN结的浅非本征半导体层324。电阻式长通滤波器310的第二相对端358电连接到电触点352。因此，SPAD 306和电阻式长通滤波器310串联连接。
长通滤波器310的半导体材料被掺杂，使得长通滤波器的电材料特性适应其作为淬灭电阻器的额外的作用。长通滤波器310的半导体材料的掺杂可以是p+型掺杂，并且掺杂剂可以是硼。
中间介电层350覆盖整个长通滤波器结构310。中间介电层350可以例如由氮化硅制成。中间介电层350的材料填充空隙359。电绝缘层350对二色光DL是透明的。它还防止在电阻式长通滤波器310内发生短路。
电阻器触点352优选地由金属制成。它可以采取填充中间介电层350中的间隙的条的形式。
光学掩模354优选地由金属制成，并且对于二色光DL是不透明的。在图3和4所示的实施例中，它包括一组条361。每个条361直接位于其中一个空隙359的正上方(见图3)。因此，每个条361屏蔽其下方的空隙359免受二色光DL的影响。这样，整个间隙组359被形成光学掩模的一组条361覆盖。该组遮蔽条361在横向于光进入SPAD组件302的主方向D的方向X上相对于电阻式长通滤波器310的长轨道357组具有偏移。
电阻式滤光片堆叠346的效果是入射的二色光DL只能到达第一SPAD306的有效表面区域340的被长通滤波器310的长轨道357覆盖的那些区域。更准确地说，由于长轨道组357吸收了二色光DL的第二成分C2，因此仅二色光DL的第一颜色成分C1能够到达所述区域。因此，第一SPAD306的PN结仅检测到第一颜色成分C1。
处理器314优选地如下操作以产生第一强度输出信号I1和第二强度输出信号I2：
处理器314从计数器322获得第一光子检测率N1。然后它将该信号除以第一SPAD306在第一颜色成分C1的波长处的预定且已知的光子检测效率。结果是第一强度输出信号I1。
计算出第二强度输出信号I2的差分分析包括以下步骤：
处理器314首先从计数器322获得第一光子检测率N1和第二光子检测率N2。然后，它利用以下公式计算第二强度输出信号I2：
I2＝a×N2-b×N1
在该等式中，a和b是常数，其由第一SPAD 306和第二SPAD 308在对应于两种颜色成分C1和C2的波长处的光子检测效率预先确定。
图5至图10示出了在第一SPAD 306的顶部表面上形成电阻式滤波器堆叠346的示例性方法。
该方法从图5开始。通过注入、退火和蚀刻工艺实现的基本SPAD结构(由附图标记10标识)已经存在。它包括块体12和覆盖块体12的场氧化层14。
在一个实施例中，单个场氧化物层14可以被包括若干氧化物和金属层的优选地用CMOS工艺形成的层堆叠代替。
第一步是在场氧化层14中蚀刻出间隙16，以使一部分浅的非本征半导体层324裸露。第一步的结果如图6所示。
下一步是形成电阻式长通滤波器310。这首先通过沉积多晶硅层来完成。然后对该层进行图案化以获得交叉条纹几何形状。结果如图7所示。
随后是透明中间介电层350的沉积，其结果如图8所示。
下一步是蚀刻步骤，其在中间介电层350中产生间隙18。该间隙18露出长通滤波器310的第二端358。同时，另外的间隙20被蚀刻到场氧化层14中以提供到块体12中的富集层的通路。此步骤的结果如图9所示。
最后一步是金属化步骤。金属(例如铝)沉积在选定区域上以获得阴极触点334、衬底触点336、电阻器触点352和一组掩蔽条354。结果如图10所示。
在一个实施例中，金属层334、336、352和354可以被介电钝化层(例如，氧化物层)覆盖。
在另外的实施例中，本公开的集成式光电检测半导体光电子部件可以包括用于测量入射光的一种或更多种附加的颜色成分的强度的具有一个或更多个相应附加的半导体光学长通滤波器的一个或更多个附加的SPAD。附加的长通滤光片可以具有增加的截止波长。这可以通过使用不同厚度的吸收层来实现。然后可以相应地扩展差异分析。同样，人们也可以将一个或多个读出通道添加到电子电路。
本发明的集成式光电探测半导体光电部件尤其具有以下技术优势：
-它们能够以快速的时序响应、固有放大和非常高的精度同时检测低至单光子水平的两个不同波长间隔的光信号；
-它们无需昂贵的短通滤光器(如布拉格滤光器)即能够准确检测蓝光和紫外光；
-它们的制造与CMOS工艺兼容，从而降低了成本；
-在长通滤波器兼作功能性电子元件的变体中，它们具有特别高的几何填充因子并且易于制造。

Claims (13)

1.一种集成式光电检测半导体光电部件(300)，用于测量照射所述光电部件的二色光(DL)的两种颜色成分(C1、C2)中的每一种的强度(I1、I2)，所述部件(300)包括：
-第一SPAD(306)，其适用于检测宽波长范围内的光子，所述第一SPAD包括允许待检测光子进入所述第一SPAD的有效表面区域(340)；
-第二SPAD(308)，其适用于检测宽波长范围内的光子，所述第二SPAD邻近所述第一SPAD(306)布置；
-半导体光学长通滤波器(310)，其至少部分覆盖所述第一SPAD的有效表面区域(340)，所述长通滤波器(310)允许所述二色光(DL)的两种颜色成分中的第一颜色成分(C1)通过，并且阻挡所述二色光(DL)的两种颜色成分中的第二颜色成分(C2)；
-电子电路(304)，其用于读取和处理由所述第一SPAD和第二SPAD传递的检测信号(S1、S2)，所述电子电路适于：
i)基于由所述第一SPAD传递的检测信号(S1)来提供指示所述第一颜色成分(C1)的强度的第一强度输出信号I1；和
ii)基于由所述第一SPAD和第二SPAD传递的检测信号(S1、S2)通过差分分析来提供指示所述第二颜色成分(C2)的强度的第二强度输出信号I2。
2.根据权利要求1所述的部件(300)，其中，所述长通滤波器(310)是沉积在所述第一SPAD的有效表面区域(340)之上的单层半导体材料。
3.根据上述权利要求中任一项所述的部件(300)，其中，所述长通滤波器(310)的半导体材料为硅、锗、砷化镓或氮化镓。
4.根据上述权利要求中任一项所述的部件(300)，其中，所述长通滤波器(310)兼作作为电路一部分的功能性电子元件。
5.根据权利要求4所述的部件(300)，其中，所述长通滤波器(310)的半导体材料被掺杂，使得所述长通滤波器的电材料特性适于其作为所述功能性电子元件的附加作用。
6.根据权利要求4或5所述的部件(300)，其中，所述长通滤波器(310)兼作所述第一SPAD(306)的无源淬灭电阻器。
7.根据权利要求6所述的部件(300)，其中，所述长通滤波器(310)具有形成所述无源猝灭电阻器的曲折导电路径的形状。
8.根据权利要求7所述的部件(300)，其中，所述长通滤波器(310)的曲折形状限定一组非过滤间隙(359)，并且其中，所述间隙(359)被对于所述二色光(DL)不透明的光学掩模(354)覆盖，所述光学掩模(354)优选地由金属制成。
9.根据上述权利要求中任一项所述的部件(300)，其中，由所述电子电路(304)执行以提供所述第二强度输出信号I2的差分分析包括以下步骤：
-根据由所述第一SPAD(306)传递的输出信号(S1)确定第一光子检测率N1；
-根据由所述第二SPAD(308)传递的输出信号(S2)确定第二光子检测率N2；和
-使用以下公式计算所述第二强度输出信号I2：
I2＝a×N2-b×N1
其中，a和b是常数，由所述第一SPAD和第二SPAD在对应于所述两种颜色成分的波长处的光子探测效率预先确定。
10.根据上述权利要求中任一项所述的部件(300)，其中，所述电子电路(304)包括用于飞行时间测量的时间-数字转换器(316)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的部件(300)，其中，所述第一SPAD(306)和所述第二SPAD(308)具有相同的p-n结结构。
12.根据上述权利要求中任一项所述的部件(300)，其中，所述二色光的两种颜色成分(C1、C2)分别是近红外光和近紫外-蓝光。
13.根据上述权利要求中任一项所述的部件，还包括用于测量入射光的一种或更多种附加颜色成分的强度的、具有一个或更多个相应的附加半导体光学长通滤波器的一个或更多个附加的SPAD。
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