CN115824395A - 宽频谱光学传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及“宽频谱光学传感器”，公开了一种光学传感器，包括：半导体基板；形成在半导体基板中的包括收集电子的第一载流子收集区和收集空穴的第二载流子收集区的第一光吸收区，其吸收第一波长范围内的光子并产生光载流子；在第一光吸收区的一部分上的第二光吸收区，其吸收第二波长范围内的光子并产生光载流子；耦合到第一读取电路并向其提供由第一载流子收集区收集的电子的第一读取区；耦合到控制第一载流子收集区和第一读取区之间的载流子传输的第一控制信号的第一栅极；耦合到第二读取电路并向其提供由第二载流子收集区收集的空穴的第二读取区；和耦合到控制第二载流子收集区和第二读取区之间的载流子传输的第二控制信号的第二栅极。

Description

宽频谱光学传感器
本申请是国家申请号为202210396041.1(发明名称“宽频谱光学传感器”)之申请的分案申请。其中，所述申请202210396041.1是国家申请号为201680056263.1(国际申请号PCT/US2016/048915，国际申请日2016年8月26日，发明名称“宽频谱光学传感器”)之申请的分案申请。
相关申请交叉引用
本专利申请要求以下专利申请的权益：2015年8月27日提交的美国临时专利申请62/210,946号、2015年8月28日提交的美国临时专利申请62/210,991号、2015年8月28日提交的美国临时专利申请62/211,004号、2015年9月9日提交的美国临时专利申请62/216,344号、2015年9月11日提交的美国临时专利申请62/217,031号、2015年11月6日提交的美国临时专利申请62/251,691号以及2015年12月28日提交的美国临时专利申请62/271,386号，这些专利申请均以引用方式并入本文。
背景技术
本说明书涉及使用基于半导体的光吸收装置来检测光。
光在自由空间中传播，或者光学介质耦合到将光信号转化为电信号以进行处理的基于半导体的光吸收装置。
发明内容
基于半导体的光吸收装置诸如光电二极管可以用于检测光信号，并且将光信号转化为可以由其他电路进一步处理的电信号。此类光吸收光学传感器可以用于消费电子产品、图像传感器、数据通信、飞行时间(TOF)应用、医疗设备、安防/监视，以及许多其他合适的应用中。硅通常用作图像传感器材料，但是对于近红外(NIR)频谱波长或更长波长而言，硅的光吸收率较低。其他材料和/或材料合金，诸如锗、锗硅或锗锡，可以结合本说明书中所述的创新型光学器件结构设计，用作图像传感器材料。根据本说明书所述主题的一个创新方面，用诸如锗或锗硅等材料来形成光电二极管，以提高所述器件的速度、和/或敏感度、和/或动态范围、和/或工作波长范围。在一个实施方案中，可以在同一基板上集成用锗或锗硅形成的光电二极管以及用硅形成的光电二极管，以得到工作波长范围更大的光电二极管阵列。
一般来说，本说明书中所述主题的一个创新方面可以体现在光学中，该光学包括：半导体基板；形成在半导体基板中的第一光吸收区，该第一光吸收区被配置用于吸收第一波长范围内的光子并由所吸收的光子产生光载流子；在第一光吸收区上的第二光吸收区，该第二光吸收区被配置用于吸收第二波长范围内的光子并由所吸收的光子产生光载流子；以及耦合到第二光吸收区的传感器控制信号，该传感器控制信号被配置用于提供至少第一控制电平和第二控制电平。在第一控制电平下，第一光吸收区和第二光吸收区的界面处的能带差高于用于阻挡由第二光吸收区产生的一种特定极性的光载流子进入第一光吸收区的阈值。在第二控制电平下，第一光吸收区和第二光吸收区的界面处的能带差低于用于阻挡由第二光吸收区产生的一种特定极性的光载流子进入第一光吸收区的阈值。
此具体实施和其它具体实施均可任选地包括一种或多种以下特征。第一光吸收区可以包括n掺杂硅区；和在n掺杂硅区上的p掺杂硅区。第二光吸收区可以包括在第一光吸收区的p掺杂硅区上的本征区，该本征区包含锗；和在本征区上的包含锗的p掺杂区。光学传感器可以包括耦合到读取电路的n掺杂读取区；和耦合到栅极控制信号的栅极，该栅极被配置用于控制第一光吸收区和n掺杂读取区之间的载流子传送。第二光吸收区可以包括台面，该台面包含锗。第二光吸收区可以包括膜，该膜包含锗。
本说明书中所述主题的另一创新方面可以体现在光学传感器中，该光学传感器包括：使用第一材料形成的第一二极管，该第一二极管包括n掺杂区和p掺杂区；NMOS晶体管，该晶体管包括耦合到第一二极管的n掺杂区的源极区；耦合到NMOS栅极控制信号的栅极区；和漏极区；使用第二材料形成的第二二极管，该第二二极管包括耦合到第一偏置信号的n掺杂区；和p掺杂区；以及PMOS晶体管，该晶体管包括耦合到第一二极管的p掺杂区和第二二极管的p掺杂区的源极区；耦合到PMOS栅极控制信号的栅极区；和漏极区。
此具体实施和其它具体实施均可任选地包括一种或多种以下特征。NMOS晶体管的漏极区可以耦合到第一读取电路。PMOS晶体管的漏极区可以耦合到第二偏置源，使得(i)第一读取电路收集、存储并处理由第一二极管产生的电子，(ii)PMOS晶体管的漏极区将由第一二极管产生的空穴转移到第二偏置源，以及(iii)PMOS晶体管的漏极区将由第二二极管产生的空穴转移到第二偏置源。第一二极管可以被配置用于吸收可见波长处的光以产生电子和空穴。
PMOS晶体管的漏极区可以耦合到第二读取电路。NMOS晶体管的漏极区可以耦合到第三偏置源，使得(i)NMOS晶体管的漏极区将由第一二极管产生的电子转移到第三偏置源，(ii)第二读取电路收集、存储并处理由第一二极管产生的空穴，以及(iii)第二读取电路收集、存储并处理由第二二极管产生的空穴。第二二极管可以被配置用于吸收近红外或红外波长处的光以产生电子和空穴。
光学传感器还可以包括基板，其中第一二极管、NMOS晶体管和PMOS晶体管形成在该基板中。第二二极管还可以包括本征区，其中第二二极管的p掺杂区在第一二极管的p掺杂区上，其中第二二极管的本征区在第二二极管的p掺杂区上，并且其中第二二极管的n掺杂区在第二二极管的本征区上。第一二极管可以是包含硅的二极管，而第二二极管可以是包含锗的二极管。
本说明书中所述主题的另一创新方面可以体现在光学传感器中，该光学传感器包括：半导体基板；形成在半导体基板中的第一光吸收区，该第一光吸收区被配置用于吸收第一波长范围内的光子并由所吸收的光子产生光载流子，该第一光吸收区包括：被配置用于收集电子的第一载流子收集区；和被配置用于收集空穴的第二载流子收集区；在第一光吸收区的一部分上的第二光吸收区，该第二光吸收区被配置用于吸收第二波长范围内的光子并由所吸收的光子产生光载流子；耦合到第一读取电路的第一读取区，该第一读取区被配置用于向第一读取电路提供由第一载流子收集区收集的电子，其中由第一载流子收集区收集的电子由第一光吸收区提供；第一栅极，所述第一栅极耦合到第一控制信号，所述第一控制信号控制所述第一载流子收集区和所述第一读取区之间的载流子传输；耦合到第二读取电路的第二读取区，该第二读取区被配置用于向第二读取电路提供由第二载流子收集区收集的空穴，其中由第二载流子收集区收集的空穴由第二光吸收区提供；和第二栅极，其耦合到第二控制信号，该第二控制信号控制第二载流子收集区和第二读取区之间的载流子传输。
此具体实施和其它具体实施均可任选地包括一种或多种以下特征。第二光吸收区可以包括在第一光吸收区上的p掺杂区，该p掺杂区包含锗；和在p掺杂区上的包含锗的本征区；和在本征区上的包含锗的n掺杂区。p掺杂区可以具有第一应变和第一面积，并且本征区可以具有比第一应变低的第二应变，并且本征区可以具有比第一面积大的第二面积。
第二光吸收区可以在第二载流子收集区的一部分上，而不在第一载流子收集区上。第一光吸收区和第二光吸收区可以被配置用于接收不同位置处的光。第一光吸收区和第二光吸收区可以由通过接合两个供体晶圆而形成的一个或多个互连件来耦合。
光学传感器可以包括：耦合到第三读取电路的第三读取区，该第三读取区被配置用于向第三读取电路提供由第二载流子收集区收集的空穴；和第三栅极，其耦合到第三控制信号，该第三控制信号控制第二载流子收集区和第三读取区之间的载流子传输。光学传感器可以包括：耦合到第四读取电路的第四读取区，该第四读取区被配置用于向第四读取电路提供由第二载流子收集区收集的空穴；和第四栅极，其耦合到第四控制信号，该第四控制信号控制第二载流子收集区和第四读取区之间的载流子传输。
有利的具体实施可包括一个或多个以下特征。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，锗可减少在更大基板深度处生成光载流子较慢的问题。增加的器件带宽允许在光学感测系统中使用更高的调制频率，从而在采用创新型器件设计的情况下获得诸如更高的深度分辨率和更高的帧速率等益处。像具有创新型器件设计的光吸收层一样的合金锗硅材料提供比常规Si材料更高的光吸收效率，这可以提供可见频谱与近红外频谱中更灵敏的传感器，可以降低相邻像素之间的串扰，并且可以实现像素大小的降低。穿通式(或透穿式)传感器设计可以使单像素光电二极管或阵列像素光电二极管能够检测可见频谱与近红外频谱两者中的光。混合式传感器设计可以在同一感测阵列内支持飞行时间(TOF)、近红外、和可见图像感测。增加的器件带宽允许在飞行时间系统中使用更高的调制频率，从而得到更高的深度分辨率。可以控制穿通式传感器设计和混合式传感器设计，以防止来自锗硅区的暗电流泄漏到硅区中，从而避免性能下降。具有一个具有两种模式(例如，VIS模式和NIR模式)的传感器而不需要两个单独的传感器可以降低制造成本、可以增加给定区中可用像素的数量，并且可以降低封装复杂性。
一种或多种具体实施的详细内容在附图及下文的具体实施方式中进行说明。其它潜在特征与优点将从具体实施方式、附图以及权利要求书中变得显而易见。
附图说明
图1是光电二极管阵列的示例。
图2至图4是用于检测可见光和/或NIR光的具有穿通式结构的光电二极管的示例。
图5是用于检测可见光和/或NIR光的光电二极管的示例。
图6A至图6C是表示参考图5描述的光电二极管的电路示意图的示例。
图7至图10是用于检测可见光和/或NIR光的多栅极光电二极管的示例。
图11是用于检测可见光和/或NIR光的集成光电二极管的示例。
图12是用于检测可见光和/或NIR光的集成光电二极管的示例。
图13至图14是用于检测可见光和/或NIR光的多栅极光电二极管的示例。
图15是多栅极光电二极管的示例。
在各个附图中，相似的参考编号和名称表示相似的元件。也应当理解，附图所示的各个示例性实施方案仅为说明性表达，不一定按照比例进行绘制。
具体实施方式
基于半导体的光学传感器诸如光电二极管可以用于检测光信号，并且将光信号转化为可以由其他电路进一步处理的电信号。一般来说，材料吸收不同波长的光，以根据与材料相关联的能带间隙来生成自由载流子。例如，在室温下，硅(Si)可以具有1.12eV的能带间隙。又如，在室温下，锗(Ge)可以具有0.66eV的能带间隙，并且根据成分的不同，锗硅合金(GexSi1-x)可以具有介于0.66eV和1.12eV之间的能带间隙。又如，在室温下，锡(Sn)可以具有约0eV的能带间隙，并且根据成分的不同，锗锡合金(GexSn1-x)可以具有介于0eV和0.66eV之间的能带间隙。一般来说，能带间隙越小的材料，其在更宽的波长范围中具有越高的吸收系数。如果材料的吸收系数过低，则无法高效地将光信号转化为电信号。然而，如果材料的吸收系数过高，则自由载流子将在材料的表面附近产生，导致效率降低。由于硅的能带间隙较大，因此其不是针对NIR波长高效的传感器材料。另一方面，锗或锡具有对于较短波长(例如，蓝色波长)而言太高的吸收系数，其中自由载流子可能在表面发生重组。在同一基板上集成硅和不同材料诸如锗或锗硅、锗锡的光学传感器(其中该光学传感器使用硅来检测可见光，并且使用该不同材料来检测NIR光)将使得该光学传感器具有宽泛的检测频谱。在此应用中，术语“光电二极管”可以与术语“光学传感器”互换使用。在此应用中，术语“锗硅(GeSi)”、“硅锗(SiGe)”可互换使用，并且两者包括所有合适的SiGe成分的组合，从100％的锗(Ge)到超过90％的硅(Si)。在此应用中，术语“锗锡(GeSn)”包括所有合适的GeSn成分的组合，从100％的锗(Ge)到超过90％的锡(Sn)。在此应用中，可以使用全包性外延、选择性外延或其他适用的技术来形成GeSi层。此外，GeSi层可以形成在至少部分地被绝缘体(例如：氧化物、亚硝酸盐)或半导体(例如：Si、Ge)或其组合围绕的平坦表面、台面表面或沟槽/孔洞区上。还需注意，在此应用中，轻掺杂区可以具有从1015到1019cm-3的掺杂级。此外，包括多层诸如具有不同成分的GeSi交替层的紧凑型超晶格结构可以用于进行吸收或形成量子阱结构。
图1是光电二极管阵列100的示例，其中通过将硅与锗硅集成而形成光电二极管。光学图像传感器阵列是光电二极管阵列的一个示例。光电二极管阵列100包括基板102、集成电路层104、互连件层106、传感器层108、滤波器层110、和透镜层112。一般来说，单波长或多波长的光进入透镜层112，所述光在该透镜层聚焦、校直、扩大、或根据透镜设计进行处理。透镜形状可以是凹形、凸形或与表面结构诸如菲涅耳透镜齐平，或者是其他形状，并且其形状不应受到此处的示例性附图限制。
然后光进入滤波器层110，其中滤波器层110可以被配置用于使一个或多个特定波长范围内的光透过。滤波器可通过沉积介电材料层来形成，使得波长在特定波长范围内的光会穿透该滤波器，波长在特定波长范围以外的光会被该滤波器折射。例如，滤波器层110的滤波器可以被配置用于使蓝色波长范围(例如，460nm±40nm)和NIR波长范围(例如，850nm±40nm、940nm±40nm，或>1μm)内的光透过，而滤波器层110的另一滤波器可以被配置用于使绿色波长范围(例如，540nm±40nm)和NIR波长范围内的光透过。在一些具体实施中，滤波器层110的一个或多个滤波器可以通过包括电容性微电子机械系统(MEMS)结构来以可调方式透过波长。传感器层108中的光电二极管将入射光转化为自由载流子。集成电路层104通过互连件层106收集自由载流子，并根据特定应用来处理自由载流子。
一般来说，基板102可以是硅基板、绝缘体上的硅(SOI)基板、或任何其它合适的载体基板材料。集成电路层104的集成电路和互连件层106的互连件可通过CMOS加工技术进行装配。例如，可通过以孔洞或沟槽的形式穿透介电层对接触区进行干蚀刻并使用电镀工艺用铜填充该接触区来形成互连件。
传感器层108包括用于检测可见光和/或NIR光的多个光电二极管。每个光电二极管可通过使以下项绝缘而隔离开来：侧壁间隔片、沟槽、或其它合适的隔离结构。在一些具体实施中，光电二极管被配置用于检测的波长范围可以由滤波器层110中的滤波器进行控制。例如，光电二极管可以被配置用于接收红色波长范围(例如，620nm±40nm)和NIR波长范围，其中中心波长和波长范围的限值由光电二极管上方的滤波器的特性控制。在一些具体实施中，光电二极管被配置用于检测的波长范围可通过光电二极管的材料成分进行控制。例如，锗硅合金中锗成分的增加会增加光电二极管对更长波长的灵敏度。在一些具体实施中，光电二极管被配置用于检测的波长范围可通过滤波器和光电二极管的材料成分一起进行控制。
如参考图2至图4更详细所述，在一些具体实施中，光电二极管阵列100中的光电二极管可以被控制为将由可见光或NIR光中的任一者产生的光载流子转移到读取电路以进行进一步处理。例如，光电二极管阵列100中的光电二极管可以被控制为在白天将由可见光产生的光载流子转移到读取电路以进行进一步处理，并且这些光电二极管可以被控制为在夜间将由NIR光产生的光载流子转移到读取电路以进行进一步处理，从而用于夜视应用。又如，光学传感器可以被控制为同时或以交替顺序收集可见光和NIR光两者。
如参考图5至图10更详细所述，在一些具体实施中，光电二极管阵列100中的光电二极管可以被控制为将由可见光或NIR光中的任一者产生的光载流子转移到不同的读取电路以进行进一步处理。例如，光电二极管阵列100中的光电二极管可以被控制为将由可见光产生的自由电子转移到第一读取电路，并且将由NIR光产生的自由空穴转移到第二读取电路以进行进一步处理。又如，光学传感器可以被控制为同时或以交替顺序收集可见光和NIR光两者。
如参考图13至图14更详细所述，在一些具体实施中，光电二极管阵列100中的不同光电二极管可以被控制为检测可见光和/或NIR光。例如，光电二极管阵列100中的光电二极管的一个像素可以被控制为将由可见光产生的自由电子转移到第一读取电路，而光电二极管阵列100中的光电二极管的另一像素可以被控制为将由NIR光产生的自由空穴转移到第二读取电路以进行进一步处理。在一些具体实施中，两个像素都可以共享结构的一部分，诸如掺杂区。
图2示出了用于检测可见光信号和近红外光信号的具有穿通式结构的示例性光电二极管200。一般来说，示例性光电二极管200包括用于将可见光信号转化为光载流子(即，电子-空穴对)的第一吸收区和用于将NIR光信号转化为光载流子的第二吸收区。传感器控制信号226可以控制由可见光信号产生的光载流子或由NIR光信号产生的光载流子向读取电路224的转移。光电二极管200可以是例如参考图1描述的传感器层108中的光电二极管中的一者。
光电二极管200包括p-Si基板202、p+Si区204、n-Si区206、p-Si区208、本征GeSi区210、p+GeSi区212、栅极214、n+Si区216、耦合到栅极214的栅极控制信号222、耦合到p+GeSi区212的传感器控制信号226，以及耦合到n+Si区216的读取电路224。在一些具体实施中，用于将可见光信号转化为光载流子的第一吸收区可以包括p+Si区204、n-Si区206和p-Si区208。p+Si区204可以具有p+掺杂，其中活化掺杂物浓度可以与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，掺杂约5×1020cm-3的硼。n-Si区206可以轻掺杂n型掺杂物，例如磷。p-Si区208可以轻掺杂p型掺杂物，例如硼。在一些具体实施中，用于将NIR光信号转化为光载流子的第二吸收区可包括本征GeSi区210和p+GeSi区212。p+GeSi区212可以具有p+掺杂，其中掺杂物浓度可以与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，当本征GeSi区210为锗并且掺杂了硼时，为约5×1020cm-3。这里，本征GeSi区210为锗硅膜。p-Si基板202可以轻掺杂p型掺杂物，例如硼。
一般来说，光电二极管200的第一吸收区接收光信号220。光信号220可以是可见光信号或NIR光信号。在一些具体实施中，光信号220可以由本附图中未示出的波长滤波器(诸如参见图1所述的滤波器层110中的滤波器)过滤。在一些具体实施中，光信号220的光束剖面可以由本附图中未示出的透镜(诸如参见图1所述的透镜层112中的透镜)进行塑形。在光信号220是可见光信号的情况下，第一吸收区可以吸收可见光信号并产生光载流子。在光信号220是NIR光信号的情况下，第一吸收区对于NIR光信号可以是透明或几乎透明的，而第二吸收区可以吸收NIR光信号并产生光载流子。在应用可调波长滤波器时，传感器控制信号226可以控制光电二极管200是以可见光模式操作、还是以NIR光模式操作。
在可见光模式下，光信号220是可见光信号，此时第一吸收区吸收可见光信号并产生光载流子。p+Si区204与n-Si区206之间的内建电势在这两个区之间形成电场，此时该电场使从n-Si区206产生的自由电子漂移/扩散到p+Si区204下方的区。p-Si区208被配置用于排斥本征GeSi区210中的自由电子进入第一吸收区，使得光电二极管200的暗电流可以减小。传感器控制信号226被配置用于能够施加第一传感器控制信号电平以进一步防止本征GeSi区210中的自由电子进入第一吸收区，使得光电二极管200的暗电流可以进一步减小。例如，p+GeSi区212可以耦合到电压源，此时传感器控制信号226可以是来自电压源的时变电压信号。第一传感器控制信号电平可以是0V，使得p-Si区208和本征GeSi区210之间的能带差进一步防止本征GeSi区210中的自由电子进入p-Si区208。在一些具体实施中，本征Si层或非故意掺杂的Si层可以被插入在n-Si层206和p-Si层208之间，以增加第一吸收区的光吸收。
栅极214可以耦合到栅极控制信号222。例如，栅极214可以耦合到电压源，此时栅极控制信号222可以是来自电压源的时变电压信号。栅极控制信号222控制自由电子从p+Si区204下方的区向n+Si区216的流动。例如，如果栅极控制信号222的电压超过阈值电压，则积聚在p+Si区204下方的区中的自由电子将漂移或扩散到n+Si区216。
n+Si区216可以耦合到读取电路224。读取电路224可以采取三晶体管配置，该配置由复位栅极、源极跟随器和选择栅极、或任何适用于处理自由载流子的电路构成。在一些具体实施中，读取电路224可以装配在与光电二极管200共同的基板上。在一些其他具体实施中，读取电路224可以装配在另一个基板上，并经由芯片/晶圆接合或堆叠与光电二极管200共同封装在一起。例如，读取电路224可以装配在如参见图1所述的集成电路层104上。
在NIR光模式下，光信号220为NIR光信号，此时光信号220由于硅的NIR吸收系数低而穿过第一吸收区，而第二吸收区随后吸收该NIR光信号以产生光载流子。一般来说，本征GeSi区210接收光信号220，并将光信号220转化为电信号。在一些具体实施中，本征GeSi区210的厚度可以介于0.05μm至2μm之间。在一些具体实施中，本征GeSi区210可以包括p+GeSi区212。p+GeSi区212可以将从本征GeSi区210产生的光电子逐出，以避免发生表面复合，从而可以增加载流子收集效率。
在NIR光模式下，传感器控制信号226被配置用于施加第二传感器控制信号电平，以允许本征GeSi区210中的自由电子进入第一吸收区。例如，第二传感器控制信号电平可以是-1.2V，使得p-Si区208被耗尽，因此本征GeSi区210中的自由电子可以进入n-Si区206并且漂移或扩散到p+Si区204下方。通过按照与之前参照可见模式所述类似的方式控制栅极控制信号222，可以将积聚在p+Si区204下方的区中的自由电子转移到读取电路224。
尽管在图2中未示出，但是在一些其他具体实施中，光电二极管200的第一吸收区和第二吸收区可以作为替代被设计成相反的极性以收集空穴。在这种情况下，p-Si基板202将由n-Si基板替代，p+Si区204将由n+Si区替代，n-Si区206将由p-Si区替代，p-Si区208将由n-Si区替代，p-Si基板202将由n-Si基板替代，n+Si区216将由p+Si区替代，而p+GeSi区212将由n+GeSi区替代。
图3展示了具有穿通式结构的示例光电二极管300，该光电二极管用于检测可见光信号和近红外光信号。一般来说，示例光电二极管300包括用于将可见光信号转化为光载流子的第一吸收区和用于将NIR光信号转化为光载流子的第二吸收区。传感器控制信号326可以控制由可见光信号产生的光载流子或由NIR光信号产生的光载流子向读取电路324的转移。光电二极管300可以是(例如)如参见图1所述的传感器层108中的光电二极管之一。
光电二极管300包括p-Si基板302、p-Si区304、n-Si区306、本征GeSi区310、p+GeSi区312、栅极314、n+Si区316、耦合到栅极314的栅极控制信号322、耦合到p+GeSi区312的传感器控制信号326，以及耦合到n+Si区316的读取电路324。在一些具体实施中，用于将可见光信号转化为光载流子的第一吸收区可以包括p-Si区304和n-Si区306。n-Si区306可以轻掺杂n型掺杂物，例如磷。p-Si区304可以轻掺杂p型掺杂物，例如硼。在一些具体实施中，用于将NIR光信号转化为光载流子的第二吸收区可以包括本征GeSi区310和p+GeSi区312。p+GeSi区312可以具有p+掺杂，其中掺杂物浓度可以与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，当本征GeSi区310为锗并且掺杂了硼时，为约5×1020cm-3。这里，本征GeSi区310为锗硅台面。p-Si基板302可以轻掺杂p型掺杂物，例如硼。
一般来说，光电二极管300的第一吸收区接收光信号320。光信号320可以是与如参见图2所述的光信号220类似的可见光信号或NIR光信号。在光信号320是可见光信号的情况下，第一吸收区可以吸收可见光信号并产生光载流子。在光信号320是NIR光信号的情况下，第一吸收区对于NIR光信号可以是透明或几乎透明的，而第二吸收区可以吸收NIR光信号并产生光载流子。在应用可调波长滤波器时，传感器控制信号326可以控制光电二极管300是以可见光模式操作、还是以NIR光模式操作。
在可见光模式下，光信号320是可见光信号，此时第一吸收区吸收可见光信号并产生光载流子。p-Si区304与n-Si区306之间的内建电势在这两个区之间形成电场，此时该电场使从n-Si区306产生的自由电子漂移/扩散到p-Si区304下方的区。p-Si区304被配置用于排斥本征GeSi区310中的自由电子进入第一吸收区，使得光电二极管300的暗电流可以减小。传感器控制信号326被配置用于能够施加第一传感器控制信号电平以进一步防止本征GeSi区310中的自由电子进入第一吸收区，使得光电二极管300的暗电流可以进一步减小。例如，第一传感器控制信号电平可以是0V，使得p-Si区304和本征GeSi区310之间的能带差进一步防止本征GeSi区310中的自由电子进入p-Si区304。在一些具体实施中，i-Si或非故意掺杂的Si层可以被插入在n-Si层304和p-Si层306之间，以增加第一吸收区的光吸收。
栅极314可以耦合到栅极控制信号322。栅极控制信号322控制自由电子从p-Si区304下方的区向n+Si区316的流动。例如，如果栅极控制信号322的电压超过阈值电压，则积聚在p+Si区304下方的区中的自由电子将漂移或扩散到n+Si区316。n+Si区316可以耦合到读取电路324。读取电路324可以类似于如参见图2所述的读取电路224。
在NIR光模式下，光信号320为NIR光信号，此时光信号320由于硅的NIR吸收系数低而穿过第一吸收区，而第二吸收区随后吸收该NIR光信号以产生光载流子。一般来说，本征GeSi区310接收光信号320，并将光信号320转化为电信号。p+GeSi区312可以将从本征GeSi区310产生的光电子逐出，以避免发生表面复合，从而可以增加载流子收集效率。
在NIR光模式下，传感器控制信号326被配置用于施加第二传感器控制信号电平，以允许本征GeSi区310中的自由电子进入第一吸收区。例如，第二传感器控制信号电平可以是-1.2，使得p-Si区304被耗尽，因此本征GeSi区310中的自由电子可以进入n-Si区306。通过按照与之前参照可见模式所述类似的方式控制栅极控制信号322，可以将收集在n-Si区306中的自由电子转移到读取电路324。
尽管在图3中未示出，但是在一些其他具体实施中，光电二极管300的第一吸收区和第二吸收区可以作为替代被设计成相反的极性以收集空穴。在这种情况下，p-Si基板302将由n-Si基板替代，p-Si区304将由n-Si区替代，n-Si区306将由p-Si区替代、p-Si基板302将由n-Si基板替代，n+Si区316将由p+Si区替代，而p+GeSi区312将由n+GeSi区替代。
图4展示了具有穿通式结构的示例光电二极管400，该光电二极管用于检测可见光信号和近红外光信号。一般来说，示例光电二极管400包括用于将可见光信号转化为光载流子的第一吸收区和用于将NIR光信号转化为光载流子的第二吸收区。传感器控制信号426可以控制由可见光信号产生的光载流子或由NIR光信号产生的光载流子向读取电路424的转移。光电二极管400可以是(例如)如参见图1所述的传感器层108中的光电二极管之一。
光电二极管400包括p-Si基板402、p+Si区404、n-Si区406、p-Si区408、本征GeSi区410、p+GeSi区412、栅极414、n+Si区416、耦合到栅极414的栅极控制信号422、耦合到p+GeSi区412的传感器控制信号426，以及耦合到n+Si区416的读取电路424。在一些具体实施中，用于将可见光信号转化为光载流子的第一吸收区可以包括p+Si区404、n-Si区406和p-Si区408。p+Si区404、n-Si区406和p-Si区408与如参见图2所述的p+Si区204、n-Si区206和p-Si区208类似。在一些具体实施中，用于将NIR光信号转化为光载流子的第二吸收区可以包括本征GeSi区410和p+GeSi区412。p+GeSi区412可以具有p+掺杂，其中掺杂物浓度可以与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，当本征GeSi区410为锗并且掺杂了硼时，为约5×1020cm-3。这里，本征GeSi区410是被绝缘体层430围绕的台面结构，并且可以通过选择性Ge外延生长来制造。
一般来说，光电二极管400的第一吸收区接收光信号420。光信号420可以是与如参见图2所述的光信号220类似的可见光信号或NIR光信号。在光信号420是可见光信号的情况下，第一吸收区可以吸收可见光信号并产生光载流子。在光信号420是NIR光信号的情况下，第一吸收区对于NIR光信号可以是透明或几乎透明的，而第二吸收区可以吸收NIR光信号并产生光载流子。传感器控制信号426可以控制光电二极管400是以可见光模式操作、还是以NIR光模式操作，这里的可见光模式操作和NIR光模式操作与参见图2所述的可见光模式操作和NIR光模式操作类似。
尽管在图4中未示出，但是在一些其他具体实施中，光电二极管400的第一吸收区和第二吸收区可以作为替代被设计成相反的极性以收集空穴。在这种情况下，p-Si基板402将由n-Si基板替代，p+Si区404将由n+Si区替代，n-Si区406将由p-Si区替代，p-Si区408将由n-Si区替代，p-Si基板402将由n-Si基板替代，n+Si区416将由p+Si区替代，而p+GeSi区412将由n+GeSi区替代。
图5展示了具有混合结构的示例光电二极管500，该光电二极管用于检测可见光信号和NIR光信号。示例光电二极管500包括用于将可见光信号转化为光载流子的第一二极管、用于将NIR光信号转化为光载流子的第二二极管、用于将由第一二极管产生的光载流子(主要是电子)传输到第一读取电路的NMOS晶体管，以及用于将由第二二极管产生的光载流子(主要是空穴)传输到第二读取电路的PMOS晶体管。光电二极管500可以是(例如)如参见图1所述的传感器层108中的光电二极管之一。
第一二极管可以包括装配在轻掺杂p型掺杂物(例如硼)的p-Si基板502中的n-Si区504和p-Si区506。n-Si区504可以轻掺杂n型掺杂物，例如磷。p-Si区506可以轻掺杂p型掺杂物，例如硼。NMOS晶体管可以包括第一n+Si区514、p-Si区518、第二n+Si区516和NMOS栅极520。NMOS栅极控制信号522可以耦合到NMOS栅极520，而第一读取电路524可以耦合到第二n+Si区516。
第二二极管可以包括p-GeSi区508、本征GeSi区510和n+GeSi区512。在一些具体实施中，本征GeSi区510的厚度可以介于0.05μm至2μm之间。n+GeSi区512可以具有n+掺杂，其中掺杂物浓度可以与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，当本征GeSi区510为锗并且掺杂了磷时，为约5×1020cm-3。当本征GeSi区510为锗时，p-GeSi区508可以轻掺杂p型掺杂物，例如硼。PMOS晶体管可以包括第一p+Si区534、n-Si区528、第二p+Si区536和PMOS栅极530。PMOS栅极控制信号538可以耦合到PMOS栅极530，而第二读取电路532可以耦合到第二p+Si区536。尽管在图5中未示出，但是n+GeSi区512可以具有相反的极性，即成为p+GeSi区，从而在GeSi区中形成p-i-p垂直掺杂分布。
图6A至图6C展示了示例电路600，该电路用于举例说明光电二极管500或具有类似器件设计理念的其他结构的操作。参照图6A，电路600包括硅二极管606、锗硅二极管604、PMOS晶体管602和NMOS晶体管608，这些部件可以分别对应于如参见图5所述的第一二极管、第二二极管、PMOS晶体管和NMOS晶体管。NMOS晶体管608的源极耦合到硅二极管606的n端，NMOS晶体管608的漏极耦合到第一读取电路624，而NMOS晶体管608的栅极耦合到NMOS栅极控制信号622。PMOS晶体管602的源极耦合到硅二极管606的p端和锗硅二极管604的p端，PMOS晶体管602的漏极耦合到第二读取电路632，而PMOS晶体管602的栅极耦合到PMOS栅极控制信号638。锗硅二极管604的n端耦合到电压源VDD。尽管图6A中未示出，但是第一读取电路624和第二读取电路632各自可以采取三晶体管配置，该配置由复位栅极、源极跟随器和选择栅极、或任何适用于处理自由载流子的电路构成。
参照图6B，在可见光模式下，PMOS晶体管602的漏极耦合到电压源VSS。这可以通过激活第二读取电路632的复位栅极，以将PMOS晶体管602的漏极耦合到第二读取电路632的电压源VSS来实现。在可见光模式下，硅二极管606吸收输入光信号并产生电子-空穴对。例如，参照图5，如果光信号540处于可见波长频谱中，则n-Si区504将吸收光信号540以产生电子-空穴对。VDD和VSS这两者的示例值可以为1.2V和-1.2V。
重新参照图6B，通过使用NMOS栅极控制信号622接通NMOS晶体管608，可以将由硅二极管606产生的自由电子转移到第一读取电路624。例如，参照图5，通过使用NMOS栅极控制信号522接通NMOS栅极520，积聚在n-Si区504中的自由电子可以从第一n+Si区514转移到第二n+Si区516，此时第一读取电路524可以收集、存储并处理这些自由电子。
重新参照图6B，通过使用PMOS栅极控制信号638接通PMOS晶体管602，可以将由硅二极管606产生的自由空穴转移到电压源VSS。一般来说，期望最小化或消除在可见光模式下来自锗硅二极管604的噪声电流，诸如暗电流，原因是锗硅光电二极管的暗电流通常比硅光电二极管的暗电流大得多。由于锗硅二极管604的n端耦合到电压源VDD，所以由锗硅二极管604产生的自由电子将被转移到电压源VDD。类似地，由于通过接通PMOS晶体管将锗硅二极管604的p端耦合到电压源VSS，所以由锗硅二极管604产生的自由空穴将被转移到电压源VSS。因此，由锗硅二极管604产生的光载流子将不会转移到第一读取电路624，从而改善光电二极管600在可见光模式下的整体性能。
参照图6C，在NIR光模式下，NMOS晶体管608的漏极耦合到电压源VDD。这可以通过激活第一读取电路624的复位栅极，以将NMOS晶体管608的漏极耦合到第一读取电路624的电压源VDD来实现。在NIR光模式下，锗硅二极管604吸收输入光信号并产生电子-空穴对。例如，参照图5，如果光信号540处于NIR波长频谱中，则n-Si区504和p-Si区506对于光信号540将是透明的，并且本征GeSi区510将吸收光信号540以产生电子-空穴对。VDD的示例值可以为1.2V。
重新参照图6C，通过使用PMOS栅极控制信号638接通PMOS晶体管602，可以将由锗硅二极管604产生的自由空穴转移到第二读取电路632。例如，参照图5，通过使用PMOS栅极控制信号538接通PMOS栅极530，积聚在p-Si区506中的自由空穴可以从第一p+Si区534转移到第二p+Si区536，此时第二读取电路532可以收集、存储并处理这些自由空穴。
重新参照图6C，由锗硅二极管604产生的自由电子可以被转移至耦合到锗硅二极管604的n端的电压源VDD。由于硅二极管606的p端耦合到PMOS晶体管602，所以由硅二极管606产生的自由空穴也将被转移到第二读取电路632。这是可以接受的，因为硅二极管的暗电流通常比锗硅二极管的暗电流小得多。由于通过接通NMOS晶体管将硅二极管606的n端耦合到电压源VDD，所以由硅二极管608产生的自由电子将被转移到电压源VDD。
尽管在图5和图6A中未示出，但是在一些其他具体实施中，第一二极管(例如硅二极管606)和第二二极管(例如锗硅二极管604)可以作为替代被设计成相反的极性以分别收集空穴和电子。在这种情况下，p-Si基板502将由n-Si基板替代，p-Si区506将由n-Si区替代，n-Si区504将由p-Si区替代，p+GeSi区512将由n+GeSi区替代，p-GeSi区508将由n-GeSi区替代，NMOS晶体管将由PMOS晶体管替代，而PMOS晶体管将由NMOS晶体管替代。在一些其他具体实施中，第一二极管和第二二极管可以使用其他类型的材料来制造。例如，第二二极管可以由锗锡合金制造，用于检测IR波长频谱。
图7展示了具有混合结构的示例光电二极管700，该光电二极管用于检测可见光信号和NIR光信号。示例光电二极管700包括用于将可见光信号转化为光载流子的第一吸收区和用于将NIR光信号转化为光载流子的第二吸收区。第一栅极控制信号722控制由第一吸收区产生的自由电子向第一读取电路724的转移，第二栅极控制信号738控制由第二吸收区产生的自由空穴向第二读取电路732的转移。光电二极管700可以是(例如)如参见图1所述的传感器层108中的光电二极管之一。
在一些具体实施中，第一吸收区可以包括装配在可以轻掺杂p型掺杂物(例如硼)的p-Si基板702中的n-Si区704和p-Si区706。n-Si区704可以轻掺杂n型掺杂物，例如磷。p-Si区706可以轻掺杂p型掺杂物，例如硼。第二吸收区可以包括p-GeSi区708、本征GeSi区710和n+GeSi区712。在一些具体实施中，本征GeSi区710的厚度可以介于0.05μm至2μm之间。n+GeSi区712可以具有n+掺杂，其中掺杂物浓度可以与装配工艺所能达到的程度一样高，例如，当本征GeSi区710为锗并且掺杂了磷时，为约5×1020cm-3。当本征GeSi区710为锗时，p-GeSi区708可以轻掺杂p型掺杂物，例如硼。
一般来说，n-Si层704接收光信号740。如果光信号740为可见光信号，则n-Si区704吸收光信号740并将光信号740转化为自由载流子。p-Si区706与n-Si区704之间的内建电势在这两个区之间形成电场，此时该电场使从n-Si区704产生的自由电子朝向p-Si区706下方的区漂移/扩散。
第一栅极720可以耦合到第一栅极控制信号722。例如，第一栅极720可以耦合到电压源，此时第一栅极控制信号722可以是来自电压源的时变电压信号。第一栅极控制信号722控制自由电子从p-Si区706下方的区向n+Si区716的流动。例如，如果控制信号722的电压超过阈值电压，则积聚在p-Si区706下方的区中的自由电子将漂移或扩散到n+Si区716以便收集。n+Si区716可以耦合到第一读取电路724，该第一读取电路对所收集的电信号进行处理。第一读取电路724可以类似于如参见图2所述的读取电路224。
如果光信号740为NIR光信号，则NIR光信号传播通过第一吸收区，然后被第二吸收区接收。第二吸收区接收该NIR光信号并将该NIR光信号转化为电信号。由于p-GeSi区708的厚度一般较薄(例如50至150nm)，所以光信号740传播到本征GeSi区710中，此时本征GeSi区710吸收光信号740，并将光信号740转化为自由载流子。n+GeSi区712可以将从本征GeSi区710产生的空穴逐出，以避免发生表面复合，从而可以增加载流子收集效率。
本征GeSi区710中的光生自由空穴可以漂移或扩散到p-Si区706中。本征GeSi区710中的光生自由电子可以被p-GeSi区708逐出，这防止了自由电子进入p-Si区706。在一些具体实施中，漏极供电电压VDD可以耦合到n+GeSi区712，从而在第二吸收区内产生电场，使得自由空穴可以朝向p-Si区706漂移或扩散，而自由电子可以传输到VDD电压源。
第二栅极730可以耦合到第二栅极控制信号738。例如，第二栅极730可以耦合到电压源，此时第二栅极控制信号738可以是来自电压源的时变电压信号。第二栅极控制信号738控制自由空穴从p-Si区706向p+Si区736的流动。例如，如果第二栅极控制信号738的电压超过阈值电压，则积聚在p-Si区706中的自由空穴将朝向p+Si区736漂移或扩散。p+Si区736可以耦合到第二读取电路732，以对所收集的电信号进行进一步处理。
尽管在图7中未示出，但是在一些其他具体实施中，第一吸收区和第二吸收区可以作为替代被设计成相反的极性，以分别收集空穴和电子。在这种情况下，p-Si基板702将由n-Si基板替代，p-Si区706将由n-Si区替代，n-Si区704将由p-Si区替代，n+GeSi区712将由p+GeSi区替代，p+GeSi区708将由n+GeSi区替代，n+Si区716将由p+区替代，n-Si区728将由p-Si区替代，而p+Si区736将由n+区替代。尽管在图7中未示出，但是在一些具体实施中，n+GeSi区712可以具有不同的极性，即成为p+GeSi区，从而在GeSi区中形成p-i-p垂直掺杂分布。
图8展示了具有混合结构的示例光电二极管800，该光电二极管用于检测可见光信号和NIR光信号。与如参见图7所述的示例光电二极管700类似，光电二极管800包括用于将可见光信号转化为光载流子的第一吸收区和用于将NIR光信号转化为光载流子的第二吸收区。第一栅极控制信号822控制由第一吸收区产生的自由电子向第一读取电路824的转移，第二栅极控制信号838控制由第二吸收区产生的自由空穴向第二读取电路832的转移。光电二极管800可以是(例如)如参见图1所述的传感器层108中的光电二极管之一。
在一些具体实施中，第一吸收区可以包括装配在p-Si基板802中的n-Si区804和p+Si区806。第二吸收区可以包括p+GeSi区808、本征GeSi区810和n+GeSi区812。第一吸收区和第二吸收区使用第一供体晶圆850和第二供体晶圆852接合，并且第一吸收区和第二吸收区通过一个或多个互连件842电耦合。
如果光信号840为可见光信号，则光电二极管800的操作与如参见图7所述的光电二极管700的操作类似。如果光信号840为NIR光信号，则NIR光信号传播通过第一吸收区、第一供体晶圆850和第二供体晶圆852，然后被第二吸收区接收。第二吸收区接收该NIR光信号并将该NIR光信号转化为电信号。由于p+GeSi区808的厚度一般较薄(例如50至150nm)，所以光信号840传播到本征GeSi区810中，此时本征GeSi区810吸收光信号840，并将光信号840转化为自由载流子。n+GeSi区812可以将从本征GeSi区810产生的空穴逐出，以避免发生表面复合，从而可以增加载流子收集效率。本征GeSi区810中的光生自由空穴可以经由一个或多个互连件842传输到p-Si区806。本征GeSi区810中的光生自由电子可以被p+GeSi区808逐出，这防止了自由电子进入p+Si区806。
在一些具体实施中，漏极供电电压VDD可以耦合到n+GeSi区812，从而在第二吸收区内产生电场，使得自由空穴可以经由互连件842朝向p+Si区806漂移或扩散，而自由电子可以传输到VDD电压源。第二栅极830可以耦合到第二栅极控制信号838。第二栅极控制信号838控制自由空穴从p+Si区806向p+Si区836的流动。p+Si区836可以耦合到第二读取电路832，以对所收集的电信号进行进一步处理。
尽管在图8中未示出，但是在一些其他具体实施中，第一吸收区和第二吸收区可以作为替代被设计成相反的极性，以分别收集空穴和电子。在这种情况下，p-Si基板802将由n-Si基板替代，p+Si区806将由n+Si区替代，n-Si区804将由p-Si区替代，n+GeSi区812将由p+GeSi区替代，p+GeSi区808将由n+GeSi区替代，n+Si区816将由p+区替代，n-Si区828将由p-Si区替代，而p+Si区836将由n+区替代。
图9展示了具有混合结构的示例光电二极管900，该光电二极管用于检测可见光信号和NIR光信号。与如参见图7所述的示例光电二极管700类似，光电二极管900包括用于将可见光信号转化为光载流子的第一吸收区和用于将NIR光信号转化为光载流子的第二吸收区。第一栅极控制信号922控制由第一吸收区产生的自由电子向第一读取电路924的转移，而第二栅极控制信号938控制由第二吸收区产生的自由空穴向第二读取电路932的转移。光电二极管900可以是(例如)如参见图1所述的传感器层108中的光电二极管之一。
在一些具体实施中，第一吸收区可以包括装配在p-Si基板902中的n-Si区904和p-Si区906。第二吸收区可以包括p-GeSi区908、本征GeSi区910和n+GeSi区912。可以使用横向应变稀释技术或纵横比俘获技术在绝缘体层942(例如氧化物)的蚀刻区中形成p-GeSi区908，以形成缺陷减少或无缺陷的锗或锗硅台面，这产生了更低的暗电流和更好的灵敏度/动态范围。横向应变稀释技术在名称为“High Efficiency Wide Spectrum Sensor”的美国专利申请15/216,924号中进行了描述，该专利申请以引用方式全文并入本文。
如果光信号940为可见光信号，则光电二极管900的操作与如参见图7所述的光电二极管700的操作类似。如果光信号940为NIR光信号，则NIR光信号传播通过第一吸收区，然后被第二吸收区接收。第二吸收区接收该NIR光信号并将该NIR光信号转化为电信号。由于p-GeSi区908的厚度一般较薄(例如50至150nm)，所以光信号940传播到本征GeSi区910中，此时本征GeSi区910吸收光信号940，并将光信号940转化为自由载流子。n+GeSi区912可以将从本征GeSi区910产生的空穴逐出，以避免发生表面复合，从而可以增加载流子收集效率。本征GeSi区910中的光生自由空穴可以经由p-GeSi区908传输到p-Si区906。本征GeSi区910中的光生自由电子可以被p-GeSi区908逐出，这防止了自由电子进入p-Si区906。
在一些具体实施中，漏极供电电压VDD可以耦合到n+GeSi区912，从而在第二吸收区内产生电场，使得自由空穴可以经由p-GeSi区908朝向p-Si区906漂移或扩散，而自由电子可以传输到VDD电压源。第二栅极930可以耦合到第二栅极控制信号938。第二栅极控制信号938控制自由空穴从p-Si区906向p+Si区936的流动。p+Si区936可以耦合到第二读取电路932，以对所收集的电信号进行进一步处理。
尽管在图9中未示出，但是在一些其他具体实施中，第一吸收区和第二吸收区可以作为替代被设计成相反的极性，以分别收集空穴和电子。在这种情况下，p-Si基板902将由n-Si基板替代，p-Si区906将由n-Si区替代，n-Si区904将由p-Si区替代，n+GeSi区912将由p+GeSi区替代，p-GeSi区908将由n-GeSi区替代，n+Si区916将由p+区替代，n-Si区928将由p-Si区替代，而p+Si区936将由n+区替代。
图10展示了具有混合结构的示例光电二极管1000，该光电二极管用于检测可见光信号和NIR光信号。与如参见图7所述的示例光电二极管700类似，光电二极管1000包括用于将可见光信号转化为光载流子的第一吸收区和用于将NIR光信号转化为光载流子的第二吸收区。第一栅极控制信号1022控制由第一吸收区产生的自由电子向第一读取电路1024的转移，第二栅极控制信号1038控制由第二吸收区产生的自由空穴向第二读取电路1032的转移。光电二极管1000可以是(例如)如参见图1所述的传感器层108中的光电二极管之一。
在一些具体实施中，第一吸收区可以包括装配在p-Si基板1002中的n-Si区1004和p+Si区1006。第二吸收区可以包括p+GeSi区1008、本征GeSi区1010和n+GeSi区1012。第一吸收区和第二吸收区使用第一供体晶圆1050和第二供体晶圆1052接合，并且第一吸收区和第二吸收区通过一个或多个互连件1044电耦合。可以使用横向应变稀释技术或纵横比俘获技术在绝缘体层(例如氧化物)1042的蚀刻区中形成n+GeSi区1012，以形成缺陷减少或无缺陷的锗或锗硅台面，这产生了更低的暗电流和更好的灵敏度/动态范围。横向应变稀释技术在名称为“High Efficiency Wide Spectrum Sensor”的美国专利申请15/216,924号中进行了描述，该专利申请以引用方式全文并入本文。
如果光信号1040为可见光信号，则光电二极管1000的操作与如参见图7所述的光电二极管700的操作类似。如果光信号1040为NIR光信号，则NIR光信号传播通过第一吸收区，然后被第二吸收区接收。第二吸收区接收该NIR光信号并将该NIR光信号转化为电信号。由于p+GeSi区1008的厚度一般较薄(例如50至150nm)，所以光信号1040传播到本征GeSi区1010中，此时本征GeSi区1010吸收光信号1040，并将光信号1040转化为自由载流子。n+GeSi区1012和绝缘体层1042可以将从本征GeSi区1010产生的空穴逐出，以避免发生表面复合，从而可以增加载流子收集效率。本征GeSi区1010中的光生自由空穴可以经由一个或多个互连件1044传输到p+Si区1006。本征GeSi区1010中的光生自由电子可以被p+GeSi区1008逐出，这防止了自由电子进入p+Si区1006。
在一些具体实施中，漏极供电电压VDD可以耦合到n+GeSi区1012，从而在第二吸收区内产生电场，使得自由空穴可以经由一个或多个互连件1044朝向p+Si区1006漂移或扩散，而自由电子可以传输到VDD电压源。第二栅极1030可以耦合到第二栅极控制信号1038。第二栅极控制信号1038控制自由空穴从p+Si区1006向p+Si区1036的流动。p+Si区1036可以耦合到第二读取电路1032，以对所收集的电信号进行进一步处理。
尽管在图10中未示出，但是在一些其他具体实施中，第一吸收区和第二吸收区可以作为替代被设计成相反的极性，以分别收集空穴和电子。在这种情况下，p-Si基板1002将由n-Si基板替代，p+Si区1006将由n+Si区替代，n-Si区1004将由p-Si区替代，n+GeSi区1012将由p+GeSi区替代，p+GeSi区1008将由n+GeSi区替代，n+Si区1016将由p+区替代，n-Si区1028将由p-Si区替代，而p+Si区1036将由n+区替代。
图11示出了示例集成光电二极管阵列1100的顶视图，该阵列既用于检测可见光和NIR光，又用于TOF应用。光电二极管阵列1100包括NIR/TOF/VIS像素1102。NIR/TOF/VIS像素1102包括NIR栅极1106、第一TOF栅极1112、第二TOF栅极1114和VIS栅极1108。使用NIR栅极1106和VIS栅极1108进行电荷读取的控件类似于如分别参见图2、图3、图4、图5、图7、图8、图9或图10所述的多栅极光电二极管200、300、400、500、700、800、900或1000。使用TOF栅极1112和1114进行电荷读出的控件类似于如参见图15所述的多栅极光电二极管1500，并且还在名称为“Germanium-Silicon Light Sensing Apparatus”的美国专利申请15/228,282号中进行了描述，该专利申请以引用方式全文并入本文。耦合到NIR栅极1106以及TOF栅极1112和1114的读取电路将收集相同类型的载流子，耦合到VIS栅极1108的读取电路将收集相反类型的载流子。例如，如果NIR栅极1106以及TOF栅极1112和1114的读取电路被配置用于收集电子，则耦合到VIS栅极1108的读取电路将被配置用于收集空穴。相反地，如果NIR栅极1106以及TOF栅极1112和1114的读取电路被配置用于收集空穴，则耦合到VIS栅极1108的读取电路将被配置用于收集电子。
图12示出了示例集成光电二极管阵列1200的顶视图，该阵列既用于检测可见光，又用于TOF应用。光电二极管阵列1200包括TOF/VIS像素1202。TOF/VIS像素1202包括第一TOF栅极1212、第二TOF栅极1214和VIS栅极1208。使用VIS栅极1208进行电荷读取的控件类似于如分别参见图2、图3、图4、图5、图7、图8、图9或图10所述的多栅极光电二极管200、300、400、500、700、800、900或1000。使用TOF栅极1212和1214进行电荷读出的控件类似于如参见图15所述的多栅极光电二极管1500，并且还在名称为“Germanium-Silicon Light SensingApparatus”的美国专利申请15/228,282号中进行了描述，该专利申请以引用方式全文并入本文。耦合到TOF栅极1212和1214的读取电路将收集相同类型的载流子，而耦合到VIS栅极1208的读取电路将收集相反类型的载流子。例如，如果TOF栅极1212和1214的读取电路被配置用于收集电子，则耦合到VIS栅极1208的读取电路将被配置用于收集空穴。相反地，如果TOF栅极1212和1214的读取电路被配置用于收集空穴，则耦合到VIS栅极1208的读取电路将被配置用于收集电子。
图13展示了示例光电二极管1300，该光电二极管用于检测可见光信号和近红外光信号。示例光电二极管1300包括用于收集空穴的NIR像素1350和用于收集电子的可见像素1352，其中NIR像素1350和可见像素1352在共同的基板上形成。NIR像素1350和可见像素1352可以不被隔离结构分开。NIR像素1350被配置用于检测波长在NIR范围内的光信号。可见像素1352被配置用于检测波长在可见范围内(例如，蓝色和/或绿色和/或红色)的光信号。NIR像素1350和可见像素1352可以是(例如)如参见图1所述的传感器层108中的光电二极管。
可见像素1350被配置用于收集从光生载流子产生的自由电子，并且包括n-Si区1304、n+Si区1316、p-Si区1306、第一栅极1320、耦合到第一栅极1320的第一栅极控制信号1322，以及耦合到n+Si区1316的第一读取电路1324。一般来说，p-Si层1306接收可见光信号1342。由于p-Si层1306的厚度一般较薄(例如50至150nm)，所以光信号1342传播到n-Si区1304中，此时n-Si区1304吸收光信号1342，并将光信号1342转化为自由载流子。在一些具体实施中，光信号1342可以由本附图中未示出的波长滤波器(诸如参见图1所述的滤波器层110中的滤波器)过滤。在一些具体实施中，光信号1342的光束剖面可以由本附图中未示出的透镜(诸如参见图1所述的透镜层112中的透镜)进行塑形。
一般来说，p-Si区1306与n-Si区1304之间的内建电势在这两个区之间形成电场，此时该电场使从n-Si区1304产生的自由电子朝向p-Si区1306下方的区漂移/扩散。第一栅极1320可以耦合到第一栅极控制信号1322。例如，第一栅极1320可以耦合到电压源，此时第一栅极控制信号1322可以是来自电压源的时变电压信号。第一栅极控制信号1322控制自由电子从p-Si区1306下方的区向n+Si区1316的流动。例如，如果第一栅极控制信号1322的电压超过阈值电压，则积聚在p-Si区1306下方的区中的自由电子将漂移或扩散到n+Si区1316以便收集。n+Si区1316可以耦合到第一读取电路1324，该第一读取电路对所收集的电信号进行处理。第一读取电路1324可以类似于如参见图2所述的读取电路224。
NIR像素1350被配置用于收集从光生载流子产生的自由空穴，并且包括n-Si区1328、p+Si区1336、第二栅极1330、耦合到第二栅极1330的第二栅极控制信号1338、耦合到p+Si区1336的第二读取电路1332、n+GeSi区1312、本征GeSi区1310和p-Ge区1308。另外，NIR像素1350与VIS像素1352共享p-Si区1306，但锗硅台面可以不在n-Si区1304上形成。
n+GeSi区1312接收NIR光信号1340，并将NIR光信号1340转化为电信号。由于n+GeSi层1312的厚度一般较薄(例如50至150nm)，所以光信号1340传播到本征GeSi区1310中，此时本征GeSi区1310吸收光信号1340，并将光信号1340转化为自由载流子。在一些具体实施中，本征GeSi区1310的厚度可以介于0.05μm至2μm之间。在一些具体实施中，n+GeSi区1312可以将从本征GeSi区1310产生的空穴逐出，以避免发生表面复合，从而可以增加载流子收集效率。
本征GeSi区1310中的光生自由空穴可以漂移或扩散到p-Si区1306中。本征GeSi区1310中的光生自由电子可以被p-GeSi区1308逐出，这防止了自由电子进入p-Si区1306。在一些具体实施中，可以对NIR像素1350施加漏极供电电压VDD，从而在n+GeSi区1312与p-Si区1308之间形成电场，使得自由空穴可以朝向p-Si区1306漂移或扩散，而自由电子可以朝向n+GeSi区1312漂移或扩散。
第二栅极1330可以耦合到第二栅极控制信号1338。第二控制信号1338控制自由空穴从p-Si区1306向p+Si区1336的流动。例如，如果第二栅极控制信号1338的电压超过阈值电压，则积聚在p-Si区1306中的自由空穴将朝向p+Si区1336漂移或扩散。p+Si区1336可以耦合到第二读取电路1332，以对所收集的电信号进行进一步处理。
尽管在图13中未示出，但是在一些其他具体实施中，可见像素1352可以作为替代被设计成相反的极性，以收集空穴而非电子；并且NIR像素1350可以作为替代被设计成相反的极性，以收集电子而非空穴。在这种情况下，p-Si基板1302将由n-Si基板替代，p-Si区1306将由n-Si区替代，n-Si区1304和1328将由p-Si区替代，p+Si区1336将由n+Si区替代，n+Si区1316将由p+Si区替代，n+GeSi区1312将由p+GeSi区替代，而p-GeSi区1308将由n-GeSi区替代。在一些具体实施中，图13中所示光信号的方向可以取决于设计、封装和应用而逆转。例如，NIR光信号1340可以穿过p-Si基板1302进入NIR像素1350，而可见光信号1342可以穿过p-Si基板1302和n-Si区1304进入可见像素1352。
图14展示了示例光电二极管1400，该光电二极管用于检测可见光信号和近红外光信号。与如参见图13所述的光电二极管1300类似，示例光电二极管1400包括用于收集空穴的NIR像素1450和用于收集电子的可见像素1452，其中NIR像素1450和可见像素1452在共同的基板上形成。可见像素1450包括n-Si区1404、n+Si区1416、p-Si区1406、第一栅极1420、耦合到第一栅极1420的第一栅极控制信号1422，以及耦合到n+Si区1416的第一读取电路1424。可见像素1450的操作类似于如参见图13所述的可见像素1350的操作。
NIR像素1450被配置用于收集从光生载流子产生的自由空穴，并且包括n-Si区1428、p+Si区1436、第二栅极1430、耦合到第二栅极1430的第二栅极控制信号1438、耦合到p+Si区1436的第二读取电路1432、n+GeSi区1412、本征GeSi区1410和p-Ge区1408。可以使用横向应变稀释技术或纵横比俘获技术在绝缘体层(例如氧化物)1442的蚀刻区中形成p-GeSi区1408，以形成缺陷减少或无缺陷的锗或锗硅台面，这产生了更低的暗电流和更好的灵敏度/动态范围。横向应变稀释技术在名称为“High Efficiency Wide SpectrumSensor”的美国专利申请15/216,924号中描述，该专利申请以引用方式全文并入本文。
n+GeSi区1412接收NIR光信号1440，并将NIR光信号1440转化为电信号。由于n+GeSi层1412的厚度一般较薄(例如50至150nm)，所以光信号1440传播到本征GeSi区1410中，此时本征GeSi区1410吸收光信号1440，并将光信号1440转化为自由载流子。在一些具体实施中，本征GeSi区1410的厚度可以介于0.05μm至2μm之间。在一些具体实施中，n+GeSi区1412可以将从本征GeSi区1410产生的空穴逐出，以避免发生表面复合，从而可以增加载流子收集效率。
本征GeSi区1410中的光生自由空穴可以经由p-GeSi区1408漂移或扩散到p-Si区1406中。本征GeSi区1410中的光生自由电子可以被p-GeSi区1408逐出，这防止了自由电子进入p-Si区1406。在一些具体实施中，可以对NIR像素1450施加漏极供电电压VDD，从而在n+GeSi区1412与p-Si区1408之间形成电场，使得自由空穴可以朝向p-Si区1406漂移或扩散，而自由电子可以朝向n+GeSi区1412漂移或扩散。
第二栅极1430可以耦合到第二栅极控制信号1438。第二控制信号1438控制自由空穴从p-Si区1406向p+Si区1436的流动。p+Si区1436可以耦合到第二读取电路1432，以对所收集的电信号进行进一步处理。
尽管在图14中未示出，但是在一些其他具体实施中，可见像素1452可以作为替代被设计成相反的极性，以收集空穴而非电子；并且NIR像素1450可以作为替代被设计成相反的极性，以收集电子而非空穴。在这种情况下，p-Si基板1402将由n-Si基板替代，p-Si区1406将由n-Si区替代，n-Si区1404和1428将由p-Si区替代，p+Si区1436将由n+Si区替代，n+Si区1416将由p+Si区替代，n+GeSi区1412将由p+GeSi区替代，而p-GeSi区1408将由n-GeSi区替代。在一些具体实施中，图14中所示光信号的方向可以取决于设计、封装和应用而逆转。例如，NIR光信号1440可以穿过p-Si基板1402进入NIR像素1450，而可见光信号1442可以穿过p-Si基板1402和n-Si区1404进入可见像素1452。
图15为示例多栅极光电二极管1500，该光电二极管用于将光信号转化为电信号。多栅极光电二极管1500包括装配在基板1502上的吸收层1506。基板1502可以是能够在上面装配半导体器件的任何适宜基板。例如，基板1502可以是硅基板。吸收层1506与第一p+Si区1512之间的耦合受第一栅极1508控制。吸收层1506与第二p+Si区1514之间的耦合受第二栅极1510控制。
一般来说，吸收层1506接收光信号1512，并将光信号1512转化为电信号。尽管在图15中未示出，但是在一些具体实施中，光信号1512的方向可以取决于设计、封装和应用而逆转。例如，光信号1512可以穿过基板1502进入多栅极光电二极管1500。吸收层1506经选择，以便在期望的波长范围内具有高吸收系数。对于NIR波长，吸收层1506可以是GeSi台面，其中GeSi吸收光信号1512中的光子，并产生电子空穴对。GeSi台面中锗和硅的材料成分可以被选择用于特定工艺或应用。在一些具体实施中，吸收层1506经设计，以便具有厚度t。例如，对于850nm的波长，为了拥有很大的量子效率，GeSi台面的厚度可以为约1μm。在一些具体实施中，吸收层1506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，具体取决于光信号1512在GeSi台面表面上的空间剖面。在一些具体实施中，吸收层1506被设计为具有横向尺寸d，用于接收光信号1512。例如，GeSi台面可具有圆形形状，其中d的范围为1μm至50μm。
在一些具体实施中，吸收层1506可以包括n+GeSi区1531。n+GeSi区1531可以将空穴从吸收区1506的表面逐出，从而可以增加器件带宽。多栅极光电二极管1500包括植入基板1502中的p阱区1504。
第一栅极1508耦合到第一栅极控制信号1522和第一读取电路1524。第二栅极1510耦合到第二控制信号1532和第二读取电路1534。第一栅极1508、第一栅极控制信号1522、第一读取电路1524、第二栅极1510、第二栅极控制信号1532和第二读取电路1534类似于如参见图14所述的第二栅极1428、第二栅极控制信号1438和第二读取电路1432。
第一控制信号1522和第二控制信号1532用于控制所吸收光子产生的空穴的收集过程。例如，当第一栅极1508打开(“on”)且第二栅极1510关闭(“off”)时，空穴将从p阱区1504漂移到p+Si区1512。相反地，当第一栅极1508关闭(“off”)且第二栅极1510打开(“on”)时，空穴将从p阱区1504漂移到p+Si区1514。在一些具体实施中，可以在n+GeSi区1531与p阱1504之间施加电压，以增大吸收层1506内部的电场，从而使空穴朝向p阱区1504漂移。
尽管在图15中未示出，但是在一些其他具体实施中，光电二极管1500可以作为替代被设计成相反的极性以收集电子。在这种情况下，n-Si区1502将由n-Si区替代，p阱区1504将由n阱区替代，p+Si区1512和1514将由n+Si区替代，而n+GeSi区1531将由p+GeSi区替代。
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，可作出各种修改。例如，对于本申请中描述的示例光电二极管，锗硅合金可以被锗锡合金替代，以用于在红外区需要更长的工作波长的应用。再如，对于本申请中描述的示例光电二极管，锗硅合金的锗浓度可以基于应用或者工艺约束和/或要求而变化。本申请中所示的附图仅用于举例说明和解释工作原理。例如，图2并不将p+GeSi区212的取向局限于位于底部，也不将p+Si区204的取向局限于位于顶部，以用于封装或操作目的。而是光信号220的方向将告知光电二极管200的取向，即第一吸收区将在第二吸收区之前接收光信号220。
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，其三维变型与衍生形式也应当涵盖在本公开范围内，只要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，而应视作专门针对具体实施方案的特征说明。在不同实施方案的上下文中，本说明书所述的某些特征也可以在单个实施方案中一起实现。反过来，在单个实施方案的上下文中所述的各个特征也可以分别在多个实施方案中实现，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，甚至在最初声称如此，但是在一些情况下，所声称组合中的一个或多个特征可以从此组合中删除，并且所声称组合可以是针对某子组合或子组合的变型。
类似地，尽管附图按具体顺序示出各操作，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，多重任务处理和并行处理会是有利的。而且，在上述实施方案中各个系统部件的分离不应理解为所有实施方案必须实现此类分离，而应理解为所述程序部件和系统一般可以一起集成在单个软件产品中或封装到多个软件产品中。
由此，具体实施方案叙述完毕。其它实施方案均在以下权利要求书的范围内。例如，权利要求书中所列的操作可按不同顺序来执行，并仍能获得理想结果。

Claims (9)

1.一种光学传感器，包括：
半导体基板；
形成在所述半导体基板中的第一光吸收区，所述第一光吸收区被配置用于吸收第一波长范围内的光子并由所吸收的光子产生光载流子，所述第一光吸收区包括：
被配置用于收集电子的第一载流子收集区；和
被配置用于收集空穴的第二载流子收集区；
在所述第一光吸收区的一部分上的第二光吸收区，所述第二光吸收区被配置用于吸收第二波长范围内的光子并由所吸收的光子产生光载流子；
耦合到第一读取电路的第一读取区，所述第一读取区被配置用于向所述第一读取电路提供由所述第一载流子收集区收集的所述电子，其中由所述第一载流子收集区收集的所述电子由所述第一光吸收区提供；
第一栅极，所述第一栅极耦合到第一控制信号，所述第一控制信号控制所述第一载流子收集区和所述第一读取区之间的载流子传输；
耦合到第二读取电路的第二读取区，所述第二读取区被配置用于向所述第二读取电路提供由所述第二载流子收集区收集的所述空穴，其中由所述第二载流子收集区收集的所述空穴由所述第二光吸收区提供；和
第二栅极，所述第二栅极耦合到第二控制信号，所述第二控制信号控制所述第二载流子收集区和所述第二读取区之间的载流子传输。
2.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述第二光吸收区包括：
在所述第一光吸收区上的p掺杂区，所述p掺杂区包含锗；
在所述p掺杂区上的本征区，所述本征区包含锗；和
在所述本征区上的n掺杂区，所述n掺杂区包含锗。
3.根据权利要求2所述的光学传感器，
其中包含锗的所述p掺杂区具有第一应变和第一面积，并且
其中包含锗的所述本征区具有比所述第一应变低的第二应变，并且包含锗的所述本征区具有比所述第一面积大的第二面积。
4.根据权利要求2所述的光学传感器，
其中所述第二光吸收区在所述第二载流子收集区的一部分上，而不在所述第一载流子收集区上，
其中所述第一光吸收区和所述第二光吸收区被配置用于接收不同位置处的光。
5.根据权利要求4所述的光学传感器，
其中包含锗的所述p掺杂区具有第一应变和第一面积，并且
其中包含锗的所述本征区具有比所述第一应变低的第二应变，并且包含锗的所述本征区具有比所述第一面积大的第二面积。
6.根据权利要求2所述的光学传感器，其中所述第一光吸收区和所述第二光吸收区通过接合两个供体晶圆而形成的一个或多个互连件来耦合。
7.根据权利要求6所述的光学传感器，
其中包含锗的所述n掺杂区具有第一应变和第一面积，并且
其中包含锗的所述本征区具有比所述第一应变低的第二应变，并且包含锗的所述本征区具有比所述第一面积大的第二面积。
8.根据权利要求1所述的光学传感器，还包括：
耦合到第三读取电路的第三读取区，所述第三读取区被配置用于向所述第三读取电路提供由所述第二载流子收集区收集的所述空穴；和
第三栅极，所述第三栅极耦合到第三控制信号，所述第三控制信号控制所述第二载流子收集区和所述第三读取区之间的载流子传输。
9.根据权利要求8所述的光学传感器，还包括：
耦合到第四读取电路的第四读取区，所述第四读取区被配置用于向所述第四读取电路提供由所述第二载流子收集区收集的所述空穴；和
第四栅极，所述第四栅极耦合到第四控制信号，所述第四控制信号控制所述第二载流子收集区和所述第四读取区之间的载流子传输。
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