JP2014514733A - ３次元センサ、システム、および関連する方法 - Google Patents

３次元センサ、システム、および関連する方法 Download PDF

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Abstract

【解決手段】 ３Ｄセンサ、システム、および関連する方法が提供される。１つの態様では、例えば、赤外光および可視光を検出するためのモノリシック３Ｄセンサが、デバイス表面を有する半導体基板、前記デバイス表面に形成された少なくとも１つの可視光フォトダイオード、および前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードに近接して、前記デバイス表面に形成された少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードを含むことができる。前記デバイスにはさらに、前記少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードと機能的に結合し、電磁放射線と相互作用するような位置にある高量子効率赤外光領域を含めることができる。１つの態様では、前記高量子効率赤外光領域は前記デバイス表面に位置するテクスチャ領域である。
【選択図】 図２

Description

優先データ
本出願書類では、この参照により本明細書に組み込まれる、２０１１年３月１０日に提出された米国仮特許出願第６１／４５１，６２０号の利益を請求する。
光と半導体素子との相互作用は、多くの重要な革新の中心にある。太陽光発電、フォトダイオード、イメージャなどの半導体光検出デバイスは、例えば太陽電池、デジタルカメラ、光学式マウス、ビデオカメラ、テレビゲームのコントローラー、携帯電話など、様々な技術に利用されている。シリコンは電子デバイスにおいて最も普及した半導体であり、光学式検出器、画像センサ、および太陽電池などの光電子デバイスにも非常に広く利用されている。室温でのシリコンのバンドギャップは１．１２ｅＶであり、一般には、半導体はバンドギャップエネルギー未満のエネルギーを持つ光子を吸収しない。しかし、シリコンのバンドギャップよりも低いエネルギーレベルで光検出が必要な用途も多数ある。特に興味深いのは、例えば、０．９５ｅＶ（１３１０ｎｍ）および０．８ｅＶ（１５５０ｎｍ）のエネルギーレベルである。これらの用途では、ゲルマニウム、ヒ化インジウムガリウム、水銀カドミウムテルルなど、バンドギャップが小さい他の半導体が利用されることが多い。
本開示では、３Ｄセンサ、システム、および関連する方法を提供する。１つの態様では、例えば、赤外光および可視光を検出することができるモノリシック３Ｄセンサが提供される。そのようなデバイスには、デバイス表面を有する半導体基板、前記デバイス表面に形成される少なくとも１つの可視光フォトダイオード、および前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードに近接したデバイス表面に形成される少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードを含めることができる。前記デバイスにはさらに、前記少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードと機能的に結合し、電磁放射線と相互作用するような位置にある高量子効率赤外光領域を含むことができる。１つの態様では、前記高量子効率赤外光領域が前記デバイス表面に位置するテクスチャ領域であり、別の態様では、前記高量子効率赤外光領域が、パルス持続時間が約１フェムト秒〜約５００ピコ秒のパルスレーザーにより形成された表面構造を有する。さらに別の態様では、前記表面構造が平均約５ｎｍ〜約５００μｍの高さを有する。
様々なフォトダイオードの組み合わせが検討され、そのような可視光フォトダイオードおよび３Ｄフォトダイオードの組み合わせはすべて、本発明の中で検討される。１つの態様では、例えば、少なくとも１つの可視光フォトダイオードに、少なくとも１つの赤感光性フォトダイオード、少なくとも１つの青感光性フォトダイオード、少なくとも１つの緑感光性フォトダイオード、および少なくとも２つの３Ｄフォトダイオードを含む。別の態様では、前記３Ｄフォトダイオードを操作し、約８００ｎｍ以上の波長を有する赤外光を検出することができる。さらに別の態様では、前記デバイスにさらに、前記３Ｄフォトダイオードと光学的に結合し、前記３Ｄフォトダイオードの電磁放射線衝突をフィルタするために取りつけられた赤外狭帯域フィルタを含めることができる。さらなる態様では、前記デバイスに、少なくとも１つの可視光ダイオードと光学的に結合し、前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードの電磁放射線衝突をフィルタするために取りつけられた赤外線カットフィルタを含めることができる。
前記３Ｄフォトダイオードのデザインは、前記センサに望ましい機能性によって変化させることができる。１つの態様では、例えば、前記３Ｄフォトダイオードに、さらに、赤外光源からの赤外光パルスの検出に反応し、前記３Ｄフォトダイオードから発生した信号を捕獲するための回路を含む。別の態様では、前記３Ｄフォトダイオードがさらに、飛行時間情報を計算するための回路を含む。さらに別の態様では、前記デバイスがさらに、前記３Ｄフォトダイオードの光捕獲を赤外光源と同期させるための回路を含む。さらなる態様では、前記デバイスが、グローバルシャッターモードで機能させることができる前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードおよび前記少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードと機能的に結合した読み出し回路を含むことができる。
本開示はさらに、赤外光および可視光を検出するためのシステムを提供する。１つの態様では、そのようなシステムに赤外光および可視光を検出するためのモノリシック３Ｄセンサを含むことができ、そのようなモノリシックセンサはさらに、デバイス表面を有する半導体基板、前記デバイス表面に形成した少なくとも１つの可視光フォトダイオード、前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードに近接して形成した少なくとも１つの３Ｄフォトダイオード、および前記少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードに機能的に結合し、電磁放射線と相互作用するように配置した高量子効率赤外光領域を含む。前記システムには、前記３Ｄフォトダイオードにより検出可能な赤外光を放出する操作が可能な赤外光源、および前記赤外光源と前記３Ｄフォトダイオード間の同期回路を含み、赤外光３Ｄフォトダイオードの検出を赤外光源のパルスと同期化することもできる。
本開示の性質および利点をより完全に理解するため、添付の図に関連して、以下の本明細書の実施形態に関する詳細な説明を参照する。
図１は、飛行時間（ＴＯＦ）の基本原理を図示している。 図２は、本開示の１つの態様に従うモノリシックセンサの断面図である。 図３は、本開示の１つの態様に従うピクセル配列図を図示している。 図４は、本開示の１つの態様に従うピクセル配列図を図示している。 図５は、本開示の１つの態様に従うピクセル配列図を図示している。 図６は、本開示の１つの態様に従うピクセル配列図を図示している。 図７は、本開示の１つの態様に従う基本的なＴＯＦ ＣＭＯＳピクセル操作原理のタイミング概略図である。 図８は、本開示の１つの態様に従う３Ｄ ＴＯＦピクセルおよび可視（ＲＧＢ）ピクセルの断面図である。 図９は、本開示の１つの態様に従う６トランジスタグローバルシャッター可視（ＲＧＢ）ピクセル図である。 図１０は、本開示の１つの態様に従う可視６Ｔグローバルシャッターピクセルのタイミング図である。 図１１は、本開示の１つの態様に従う３Ｄ ＴＯＦグローバルシャッターＣＭＯＳピクセルの回路図である。 図１２は、本開示の１つの態様に従う３Ｄ ＴＯＦピクセル配列のタイミング図である。 図１３は、本開示の１つの態様に従うバックグラウンド信号抽出中の３Ｄ ＴＯＦピクセル配列のタイミング図である。 図１４は、本開示の１つの態様に従うモノリシックセンサを含むシステムの断面図である。 図１５は、標準イメージャを本開示の１つの態様に従う高量子効率のイメージャと比較したグラフ表示である。
本明細書で本開示について説明する前に、本開示は本明細書に開示された特定の構造、プロセス工程、または物質に限定されないが、関連分野の当業者が認識するとおり、その同等物に拡大適用されることは理解されるものとする。また、本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態のみを説明する目的で、制限する意図はないことも理解されるものとする。
定義
以下の専門用語は、以下に示す定義に従って使用される。
本明細書および添付の請求項に用いられるとおり、内容が明確にそうでないことを示していない限り、単数型の「ａ」、および「ｔｈｅ」は複数の言及も含めることにも注意する必要がある。したがって、例えば、「ａ ｄｏｐａｎｔ（ドーパント）」の言及は、１若しくはそれ以上の上記ドーパントを含み、「ｔｈｅ ｌａｙｅｒ（層）」の言及は１若しくはそれ以上の層の参照を含むことができる。
本明細書で使用するとおり、「光」および「電磁放射線」の用語は置き換えて使用可能であり、紫外、可視、近赤外、および赤外スペクトルの光または電磁放射線を指すことができる。前記用語は、さらにより広義に、ラジオ波、マイクロ波、ｘ線、およびγ線などの電磁放射線も含むことができる。したがって、前記「光」の用語は、可視スペクトルの電磁放射線に限定されない。本明細書に説明した光の多くの例は、具体的には、可視および赤外（および／または近赤外）スペクトルの電磁放射線を指す。本開示の目的で、可視範囲の波長は約３５０ｎｍ〜８００ｎｍと考え、非可視波長は８００ｎｍ超、または約３５０ｎｍ未満とする。赤外スペクトルには、約８００〜１１００ｎｍの波長を含む前記スペクトルの近赤外部分、約１１００ｎｍ〜３マイクロメートルの波長を含む前記スペクトルの短波赤外部分、および約３マイクロメートル〜約３０マイクロメートルの波長を含む前記スペクトルの中〜長波赤外（熱赤外）部分を含む。他に記載のない限り、これらは本明細書では、一般および集合的に前記電磁スペクトルの「赤外」部分と呼ぶ。
本明細書に用いるとおり、「量子効率」（ＱＥ）は光電子デバイスに入射し、電子に変換される光子の割合と定義される。外部ＱＥ（ＥＱＥ）は、入射する光子１つあたりの、前記デバイスの外で得られる電流と定義される。したがって、ＥＱＥはそれ自体、光子の吸収および電荷収集のいずれにも依存する。前記ＥＱＥは再結合効果および光学的損失（例えば、伝送および反射損失）のため、ＱＥよりも低い。
本明細書に使用するとおり、前記「３Ｄ」および「三次元」の用語は、置き換えて使用することができ、電磁放射線から距離情報を得ることを指す。
本明細書に使用するとおり、「不規則表面」および「テクスチャ表面」の用語は置き換えて使用することができ、ナノ〜ミクロンサイズの表面変動を示すトポロジーを有する表面を指す。このような表面トポロジーは、レーザーパルスの照射、化学エッチング、リソグラフィーパターン、複数の同時レーザーパルスの干渉、または反応性イオンエッチングにより形成することができる。そのような表面の特徴は使用する物質および技術によって変化する可能性があるが、１つの態様では、そのような表面が数百ナノメートルの厚さで、ナノ結晶（約１０〜約５０ナノメートル）およびナノ細孔により作られている。別の態様では、そのような表面がミクロンサイズの構造を含むことができる（例えば、約１μｍ〜約６０μｍ）。さらに別の態様では、前記表面が約５ｎｍ〜約５００μｍのナノサイズおよび／またはミクロンサイズの構造を含むことができる。様々な技術を利用し、そのような構造のサイズを測定することができる。例えば、錐体様の構造では、上記範囲が構造のピークから前記構造と隣接する構造との間に形成された谷までを測定することを意図している。ナノ細孔などの構造では、上記範囲がおおよその直径となることを意図している。さらに、前記表面構造は、互いに様々な平均距離で間隔を空けることができる。１つの態様では、隣接する構造と約５０ｎｍ〜約５０μｍの距離の間隔を空けることができる。別の態様では、隣接する構造と約５０ｎｍ〜約２μｍの距離の間隔を空けることができる。そのような間隔は、１つの構造の中心点から隣接する構造の中心点までを意図している。
本明細書に用いるとおり、「フルエンス」の用語は、単位面積を通過するレーザー放射線の単一パルスから発生するエネルギー量を指す。つまり、「フルエンス」は１レーザーパルスあたりのエネルギー密度として説明することができる。
本明細書に用いるとおり、「表面を修飾する」および「表面修飾」の用語は、レーザー照射、化学エッチング、反応性イオンエッチング、リソグラフィーパターンなどを用いて半導体材料表面を変化させることを指す。１つの具体的な態様では、表面修飾に、主にレーザー照射またはドーパントと組み合わせたレーザー照射を利用したプロセスが含まれ、前記レーザー照射は前記半導体材料表面への前記ドーパントの注入を促す。したがって、１つの態様では、表面修飾に半導体材料のドーピングが含まれる。
本明細書に用いるとおり、「対象領域」の用語は、ドーピングまたは表面を修飾することを意図した半導体材料の領域を指す。半導体材料の対象領域は、表面修飾プロセスが進行するにつれて変化する可能性がある。例えば、最初の対象領域をドーピングまたは表面修飾した後、同じ半導体材料で第２の対象領域を選択することができる。
本明細書に用いるとおり、「モノリシック」の用語は、同じ基板に電子部品が形成されている電子デバイスを指す。例えば、２つのモノリシック画素素子は、同じ半導体基板に形成された画素素子である。
本明細書に用いるとおり、「実質的に」の用語は、作用、特徴、性質、状態、構造、品目、または結果の完全またはほぼ完全な範囲または程度を指す。例えば、物体が「実質的に」含まれることは、前記物体が完全に含まれるか、またはほぼ完全に含まれることを意味する。絶対的完全性からの正確な許容される逸脱度は、一部の場合、具体的な内容による。ただし、一般的に言えば、完全に近いということは、絶対的および全体の完全性が得られたかのように、同じ全体的な結果を得るようにすることである。
本明細書に用いるとおり、「約」の用語は、任意の値が終点よりも「わずかに上」または「わずかに下」であることを示し、数値範囲の終点に柔軟性を与えるために用いられる。
本明細書に用いるとおり、品目、構造要素、組成要素、および／または物質は、便宜上、共通リストに示すことができる。ただし、これらのリストは、前記リストの各数量が個別および固有の数として個別に特定されるかのように理解する必要がある。そのため、そのようなリストに示される個々の数量は、それと反対であることが示されていない共通グループの表示のみに基づき、同じリストの他の要素と事実上同等であると解釈すべきではない。
濃度、量、および他の数値データは、本明細書では範囲の形式で表現または提示される。そのような範囲の形式は、単に便宜上および簡単に用いているにすぎないため、範囲の限度として明確に列挙されている数値を含めているだけでなく、各数値および部分的な範囲が明確に列挙されているものとして、その範囲内に含まれる個々の数値または部分的な範囲を含むものと柔軟に解釈する必要があることは理解されるものとする。説明として、「約１〜約５」の数値範囲は、約１〜約５の明確に列挙されている数値を含めているだけでなく、前記示された範囲内の個々の値および部分的な範囲も含めると解釈する必要がある。そのため、この数値範囲には、２、３、および４などの個々の値と、１〜３、２〜４、および３〜５などの部分的な範囲、また個別に１、２、３、４、および５が含まれる。
これと同じ原理は、最小値または最大値として１つの数値のみを列挙した範囲にも当てはまる。さらに、そのような解釈は、説明される範囲または特徴の幅にかかわらず当てはまる。
開示
以下の開示は、上記デバイスを作成する関連方法を含め、奥行き情報（つまり、３Ｄ情報）を提供するために利用される、可視光および赤外光を検出することのできる感光性ダイオード、ピクセル、およびイメージャに関する。そのようなデバイスは、さらに、吸収および量子効率が向上していることが示される。１つの態様では、例えば、上記の３Ｄイメージャが、物体の距離を検出することができる、少なくとも１つの第１半導体ピクセル、少なくとも１つの第２半導体ピクセル、少なくとも１つの第３半導体ピクセル、および少なくとも１つの３Ｄ半導体ピクセルを含むことができる。この３Ｄピクセルは他の半導体ピクセルとモノリシックに配列することができる。前記第１、第２、第３、および３Ｄ半導体ピクセルを構成し、それぞれ第１、第２、第３、および第４の波長を有する光を検出することができる。さらに、前記第１の波長は、約４００ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲、前記第２の波長は約５００ｎｍ〜約５５０ｎｍの範囲、前記第３の波長は約５５０ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲、および前記第４の波長は約７００ｎｍ〜約１２００ｎｍの範囲とすることができる。一部の態様では、モノリシックセンサに、異なる波長を検出する操作が可能な複数の３Ｄピクセルを含めることができる。例えば、異なる３Ｄピクセルを例えば、８５０ｎｍ、９６０ｎｍ、１０６４ｎｍなどの具体的な波長に調節することができる。同じ波長を検出する操作が可能な複数の３Ｄピクセルを含めることも有益である。１つの限定されない例として、モノリシックセンサが１０６４ｎｍで検出する操作が可能な複数の３Ｄピクセル、および９６０で検出する操作が可能な複数の３Ｄピクセルを含めることができる。ピクセルタイプおよびピクセル数の様々な配列および組み合わせが検討され、そのような組み合わせも本発明の範囲内であると考えられることは理解されるものとする。
１つの実施形態では、前記３Ｄ半導体ピクセルに半導体基板、前記半導体基板に、またはこれから形成された半導体層、および前記半導体層と結合した高量子効率赤外光領域を含めることができる。１つの態様では、前記高量子効率赤外光領域をテクスチャ領域とすることができる。別の態様では、前記半導体基板および前記半導体層がシリコンから成る。
深度の情報を利用した用途は多数あり、その限定されない例には、ハンズフリージェスチャーコントロール、テレビゲーム、医療用途、機械視覚などを含めることができる。飛行時間（ＴＯＦ）は深度の情報を決定する１つの典型的な方法であり、これは、レーダーおよびＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ：光検出および測距）システムで使用するために開発された。ＴＯＦの基本原理には、信号を送信し、対象から戻ってきた信号の性質を測定することが関与する。測定された性質を用い、前記ＴＯＦを決定する。前記距離は、前記ＴＯＦの１／２とアプリケーション媒体の信号速度を乗じて導き出す。
図１は、空間的に分かれた複数の表面を有する対象と汎用ＴＯＦ測定の図を示している。式Ｉは、そのような距離測定をどのように計算することができるかの１つの例を示している。
Figure 2014514733
式中、ｄは距離の測定値、ｃは光の速度である。光１０２が対象１０４まで往来するのにかかる時間（例えば、ＴＯＦ）を測定することで、発光ダイオード（ＬＥＤ）と前記対象表面との間の距離を導き出すことができる。イメージャでは、各ピクセルで上記ＴＯＦ測定を行うことができる場合、特定のレンズ系では、前記対象の優れた３Ｄ画像が得られる。真空中での光の速度は３ｅ８ｍ／ｓｅｃであるため、この速度で移動する光は、１ナノセカンドで３０ｃｍのところにある対象に到達する。そのため、多くの３Ｄ撮像用途ではこのようになることが多いが、前記対象が光源に比較的近い場合、ＴＯＦ法により距離を測定することが困難となる可能性がある。この問題を克服するための、ＴＯＦ測定法の限定されない１つの例では、変調光パルスを利用し、放射光と受信光の間の位相後退を測定する。位相後退およびパルス幅に基づき、前記ＴＯＦを導き出すことができる。そのような光パルスは、例えば、ＬＥＤ光源から放出される可能性がある。
さらに、多くの電流ピクセルまたはイメージャは、エピタキシャル（ＥＰＩ）に成長したシリコン素材で製造される。最もエピタキシャルに成長したシリコンは比較的薄く（例えば、３０μｍ未満）、そのため、前記物質を吸収／検出することができる赤外電磁放射線の量が限定され、ピクセル量子効率が近赤外および赤外波長付近で低くなる。そのようなデバイスの許容できる信号：ノイズ比を得るためには、前記赤外信号を発生させるため、高出力ＬＥＤが必要である。そのような高出力ＬＥＤがないと、測定可能な距離範囲が非常に短くなり、結果として高くなった電子クロストークが深度図の空間分解能に大きく影響する可能性がある。逆に、そのようなピクセルでＥＰＩの厚さが増す場合、赤外量子効率が高くなる可能性があるが、多くの用途で許容できるレベルまで高くはならない。しかし、前記ＥＰＩの厚さが増すと、復調性能で電子移動および分解が大幅に遅くなる可能性がある。これにより、深度の精度が低くなる、言い換えれば、深度のノイズが高くなる可能性がある。本開示の態様に従うピクセルは、これまで深度測定に関連していた問題を克服している。例えば、１つの態様では、そのようなデバイスが約２μｍ〜約５μｍの厚さを有するシリコンＥＰＩ層を利用することができ、赤外波長でのＱＥを高くすることができる。
１つの典型的態様では、図２に示すとおり、赤外および可視光を検出するモノリシック３Ｄセンサが提供される。そのようなセンサには、デバイス表面２０４を有する半導体基板２０２、前記デバイス表面２０４で、またはそこから形成された少なくとも１つの可視光フォトダイオード２０６、および前記少なくとも１つの可視光フォトダイオード２０６に近接した前記デバイス表面２０４で、またはそこから形成された少なくとも１つの３Ｄフォトダイオード２０８を含めることができる。そのため、前記センサの前記フォトダイオードは、互いにモノリシックに配列することができる。前記モノリシック３Ｄセンサには、前記少なくとも１つの３Ｄフォトダイオード２０８と機能的に結合し、電磁放射線と相互作用するような位置にある高量子効率赤外光領域２１０も含めることができる。一部の態様では、様々な層が、これに限定されるものではないが、酸化物層を含む前記高量子効率赤外光領域および前記３Ｄフォトダイオードを分けている可能性があることに注意する必要がある。したがって、前記３Ｄフォトダイオードは、前記光スペクトルの赤外領域で反応性および／または検出能が向上する。前記デバイス表面は前記半導体基板の一部とすることができ、または前記デバイス表面は、前記基質に形成される、エピタキシャルに成長した層などの追加層とすることができることに注意する。
一部の態様では、前記少なくとも１つの可視光フォトダイオード２０６，および前記少なくとも１つの３Ｄフォトダイオード２０８を、様々なトレンチ分離構造２１２または前記フォトダイオード間の光学的および／または電子的クロストークを低下または除去させる他の技術により、互いに分離させることができる。一部の態様では、前記トレンチ分離構造自体が本明細書で考察されるとおり、テクスチャ化および／またはドーピングされる可能性がある。さらに、前記トレンチ分離構造は酸化物材料で満たすことができる。前記様々なフォトダイオードそれぞれが複数のドーピング領域を有し、少なくとも１つの接合点を形成する可能性があることに注意する。一部の態様では、ドーピング領域にｎ型ドーパントおよび／またはｐ型ドーパントを含み、それによってｐｎ接合を形成することができる。他の態様では、感光性デバイスがｉ型領域を含み、ｐｉｎ接合を形成することができる。本明細書では、様々なドーパントおよびドーパントプロフィールについて、さらに考察する。
別の態様では、フォトダイオードが半導体基板に結合し、前記接合から電子信号を移す操作が可能な電子移動要素を含むことができる。電子移動要素の限定されない例には、トランジスタ、移動ゲート、ＭＯＳＦＥＴ、ＰＭＯＳ移動ゲートなど、様々なデバイスを含むことができる。
一般に、フォトダイオードは、パッシブピクセルセンサ（ＰＰＳ）、アクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）、デジタルピクセルセンサイメージャ（ＤＰＳ）などを含むことができ、１つの違いはイメージセンサの読み出しアーキテクチャである。例えば、半導体フォトダイオードは３、４、５、または６トランジスタアクティブピクセルセンサ（３Ｔ、４Ｔ、５Ｔ、または６Ｔ ＡＰＳ）とすることができる。６トランジスタ以上を有するデバイスも本発明の範囲内である。
本開示の別の態様では、３Ｄ光電子デバイスが提供される。そのようなデバイスには、デバイス表面を有する半導体基板、前記デバイス表面に形成される少なくとも１つの３Ｄフォトダイオード、および前記少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードと機能的に結合し、電磁放射線と相互作用するような位置にある高量子効率赤外光領域を含むことができる。
モノリシックセンサまたはモノリシックセンサアレイについては、様々な配置が考えられる。可視光フォトダイオード（またはピクセル）および３Ｄフォトダイオード（またはピクセル）は様々な組み合わせが可能であり、そのような組み合わせは本発明の範囲内であると考えられることに注意する必要がある。例えば、図３は１つの態様において、色センサにみられる「ベイヤー」パターンと同様の基本ピクセルアレイ配列を示している。ベイヤーパターンは、典型的には赤ピクセル、青ピクセル、および前記パターンの反対コーナーに位置する２つの緑ピクセルを有する。図３に見られるとおり、同様のレイアウトで１つの青ピクセル３０２、１つの赤ピクセル３０４、１つの緑ピクセル３０６、および１つの３Ｄピクセル３０８を含むことができる。図４は、１つの青ピクセル４０２、１つの赤ピクセル４０４、１つの緑ピクセル４０６、および２つの３Ｄピクセル４０８、４１０（３Ｄ ＴＯＦ＿１、および３Ｄ ＴＯＦ＿２）の配列を示している。２つの３Ｄピクセルを組み合わせるなど、複数の３Ｄピクセルを持つことで、深度の認識を改善させることができる。一部の態様では、図３および４の配列は大きなピクセルデザインに有益である可能性がある。
別の態様では、図５に示されるとおり、前記ピクセル配列にベイヤー型パターンのイメージャおよび２セットの３Ｄ ＴＯＦピクセルが含まれる。基本的に、１つのＴＯＦピクセルは一象限のＲＧＧ Ｂピクセルデザインを置換する。この構造では、いくつかの緑ピクセルを追加することで、緑色の感度に必要な緑色波長をより捉えることができるようになり、同時に、深度を認識するための赤外光を捉えることができるようになる。さらに別の態様では、図６が、これに従った、色ピクセルおよび３Ｄピクセルの別の可能な配列を示している。図５および６のピクセル配列は、特に、小さいピクセルサイズに有益である可能性がある。他の配列も本開示の範囲内と考えられることに注意する必要がある。
モノリシック３Ｄセンサは、様々な異なるスキームおよびアーキテクチャに従って操作することができ、そのため、本発明の範囲は説明された前記スキームおよびアーキテクチャに限定されるべきではない。例えば図７は、１つの態様に従うモノリシック感光性３Ｄイメージャまたは３Ｄセンサの１つの考えられる操作スキームをスキームにより示している。シングル３Ｄフォトダイオードでは、全集積化時間が２つの別の部分に分かれる。集積化１は、ＬＥＤなどの赤外光源からの駆動信号と同期している。集積化２は前記ＬＥＤの駆動信号と対向する。受信光の信号は、集積化１と集積化２に分けることができる。集積化サイクルは、累積信号が読み出される前に数回繰り返すことができる。Ｓ１とＳ２の比を用い、式ＩＩ、ＩＩＩ、およびＩＶによって示されるとおり、放射光に対する受信光の位相シフトを導き出すことができる。
Figure 2014514733
式中、ｄは前記物体までの距離、ＴｗはＬＥＤ変調の期間であり（秒単位、例えば、Ｔｗ＝１／ｆでは、ｆが変調周波数である）、Ｓ１＿ＬＥＤおよびＳ２＿ｌｅｄはＬＥＤ照明による信号レベルであり、ｃは光の速度である。上記の式では、整数の数字がエイリアシング係数（例えば、曖昧性）を表す。ＳＯは、前記ピクセルの周辺光と暗電流によって生じるオフセット信号である。前記オフセット信号を全信号から差し引き、前記距離を正確に導き出すことができる。前記オフセットは前記対象の各位置での周辺光および周辺温度に依存する（例えば、暗電流）。位相シフトの情報を導き出すには、前記オフセットが分からなければならない。
既知のＴＯＦ法は精度の問題（例えば、曖昧性の問題）を有する可能性がある。例えば、曖昧性のある距離の値はｃＴｗ／４であり、上記の式から導き出すことができる。そのため、距離ｄにある物体の位相シフトを導出すると、ｄ＋ｎ（ｃＴｗ／４）の距離にある物体と同じであり、ｎ＝０、１、２．．．である。この問題を解決するため、複数のＬＥＤ変調周波数を用い、曖昧性を軽減することができる。別の態様では、曖昧性を回避するため、前記測定をｃＴｗ／４未満の距離に限定することができる。
感光性イメージャはｆｒｏｎｔ ｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ（ＦＳＩ）型またはｂａｃｋ ｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ（ＢＳＩ）型デバイスとすることができる。典型的なＦＳＩ型イメージャでは、入射光は最初にトランジスタおよび金属回路を通過することで、半導体デバイスに入る。しかし、前記光は前記イメージャの感光部に入る前に、前記トランジスタおよび回路から散乱するため、光学的損失とノイズが生じる。レンズはＦＳＩピクセルの上側に並べ、前記入射光を前記デバイスの感光性活性領域に向け、焦点を合わせることができ、そのため前記回路を部分的に回避する。一方、ＢＳＩイメージャは、前記回路と反対に、前記デバイスの感光部を有するように構成されている。入射光は前記感光部から前記デバイスに入り、ほとんどの場合、前記回路に到達する前に吸収される。ＢＳＩのデザインでは、前記イメージャのピクセルアーキテクチャをより小さく、曲線因子を高くすることができる。上述のとおり、本開示の態様に従うデバイスでは、いずれかの配置を適応することができる。本開示の態様に従うデバイスは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージャアーキテクチャまたは電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージャアーキテクチャに組み込むことができることも理解する必要がある。
モノリシック３Ｄセンサの１つの例が図８に示されており、右に可視フォトダイオード、左に３Ｄフォトダイオードの断面図が示されている。前記可視および３Ｄフォトダイオードは、いずれもＢＳＩアーキテクチャでデザインされている。前記ＢＳＩアーキテクチャも、可視スペクトルのＱＥ反応が改善するため有用である。前記モノリシック３Ｄセンサには、キャリアウエハ８０２、誘電体層８０４、回路層８０６、８０８、および８１０、ビア８１２、および移動ゲート８１４を含むことができる。前記モノリシック３Ｄセンサには、さらに、第１のドーピング領域８１６（例えば、この実施形態ではｐ＋）、第２のドーピング領域８１８（例えば、この実施形態では、ｎ型）、半導体層８２０、絶縁機能８２２、反射防止層８２４、入射電磁放射線の焦点を合わせる赤外フィルタおよびレンズ８２６を含むことができる。さらに、前記３Ｄフォトダイオードは、高量子効率赤外光領域８２８を有することができる。一部の態様では、前記可視光フォトダイオードが高量子効率赤外光領域も含むことができる（図示せず）。
前記３Ｄフォトダイオードには、オンピクセル光学狭帯域フィルタ８３２も含むことができる。前記狭帯域フィルタデザインは、調光源（例えば、ＬＥＤまたはレーザー）放射スペクトルとマッチする。前記狭帯域フィルタでは、不要な周辺光を大幅に縮小し、これがさらに変調したＮＩＲ光のＳＮＲを増す。ＮＩＲのＱＥが増加することの別の利益は、高速３Ｄ画像取得の高フレームレート操作が可能なことである。可視ピクセルはオンピクセルカラーフィルタレイ（ＣＦＡ）およびＩＲカットフィルタを有する。組み込まれたＩＲカットフィルタは、高い忠実性の演色で高品質の可視画像を可能とする。前記センサチップに赤外カットフィルタを組み込むことで、（例えば、赤外フィルタガラスを除去できるため）全システムコストを削減し、モジュールプロフィールを低下させることができる。２０１０年９月１７日に提出され、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許出願第１２／８８５，１５８号で開示されているとおり、前記３Ｄフォトダイオードは光を吸収する性質および要素を有することができる。
可視波長を検出するように構成されたフォトダイオード（ピクセル）には、カラーフィルタレイ（ＣＦＡ）および赤外カットフィルタ８３０を有することは除き、前記３Ｄフォトダイオードと同じ要素を含むことができる。特に、狭帯域ＮＩＲフィルタおよびＩＲカットフィルタは、様々な多層干渉型スキームにより作成することができる。オンチップピクセルレベルの光学フィルタでは、深度マップおよびカラー画像のいずれも高品質画像が可能である。
上述のとおり、様々なフォトダイオードがあらゆる数のトランジスタおよびトランジスタアーキテクチャを有することができる。１つの態様では、例えば、前記可視ピクセルが６トランジスタ（６−Ｔ）アーキテクチャを有し、グローバルシャッター操作が可能となる。そのような６−Ｔアーキテクチャの１つの例を図９に示す。このピクセルアーキテクチャには、フォトダイオード（ＰＤ）９０２、グローバルリセット（グローバル＿ＲＳＴ）９０４、グローバル移動ゲート（グローバル＿ＲＳＴ）９０６、ストーレージノード９０８、移動ゲート（ＴＸＩ）９１０、リセット（ＲＳＴ）９１２、ソースフォロアー（ＳＦ）９１４、フローティング・ディフュージョン（ＦＤ）９１６、行選択トランジスタ（ＲＳ）９１８、電力供給（Ｖａａｐｉｘ）９２０、および電圧出力（Ｖｏｕｔ）９２２を含むことができる。追加の移動ゲートおよびストーレージノードを使用しているため、相関２重サンプリング（ＣＤＳ）が可能である。したがって、読み出しノイズは典型的なＣＭＯＳ ４Ｔピクセルと同等である必要がある。
短時間で集積化するための１つの典型的グローバルシャッターのタイミングを図１０に示す。グローバルシャッターでは、ブルーミングを防ぐ目的で、前記グローバル＿ＲＳＴを高い状態で維持することができる。グローバル＿ＲＳＴは低状態（またはオフ）に設定し、前記ピクセルアレイの集積化を開始する。集積化の最後に、グローバル＿ＴＸをパルスし、前記アレイの各ピクセルで集積回路を前記フォトダイオード９０２から前記ストーレージノード９０８に移す（図９）。回路を移した後、ブルーミングを防ぐ目的で、フレーム読み出し中に前記グローバル＿ＲＳＴの信号を再び高い状態に設定することができる。各行の読み出しは、４Ｔピクセルの操作と同様とすることができる。フローティング・ディフュージョン（ＦＤ）ノード９１６は、信号電荷を前記ストーレージノードから移す前にサンプリング用にリセットすることができる。これで、相関２重サンプリングの機能は、低読み出しノイズとなる可能性がある。ブルーミング防止、グローバルシャッター、相関２重サンプリングなどに関するさらなる情報は、２０１１年１２月２１日に提出され、この参照により本明細書に組み込まれる米国特許第１３／３３３，５３７号に見ることができる。
別の態様について、３Ｄピクセルの図を図１１に示す。この典型的な３Ｄピクセルには、前記対象の深度を測定するため、１１のトランジスタを含むことができる。１１のトランジスタは限定的なものと見るべきではなく、他のトランジスタアーキテクチャも検討されることに注意する必要がある。ただし、この態様では、３Ｄピクセルはフォトダイオード（ＰＤ）１１０２、グローバルリセット（グローバル＿ＲＳＴ）１１０４、第１グローバル移動ゲート（グローバル＿ＴＸ１）１１０６、第１ストーレージノード１１０８、第１移動ゲート（ＴＸｌ）１１１０、第１リセット（ＲＳＴ１）１１１２、第１ソースフォロアー（ＳＦ１）１１１４、第１フローティング・ディフュージョン（ＦＤｌ）１１１６、第１行選択トランジスタ（ＲＳ１）１１８８、第２グローバル移動ゲート（グローバル＿ＴＸ２）１１２０、第２ストーレージノード１１２２、第２移動ゲート（ＴＸ２）１１２４、第２リセット（ＲＳＴ２）１１２６、第２ソースフォロアー（ＳＦ２）１１２８、第２フローティング・ディフュージョン（ＦＤ２）１１３０、第２行選択トランジスタ（ＲＳ２）１１３２、電源供給（Ｖａａｐｉｘ）１１３４、および電圧出力（Ｖｏｕｔ）１１３６を有することができる。他のトランジスタを３Ｄアーキテクチャに含めることもでき、本開示の範囲内と考える必要がある。１１のトランジスタを用いた具体的な態様では、前記グローバルシャッターを操作するため、動きアーチファクトが低下し、より正確な測定が可能となる。
３Ｄピクセルのタイミングは様々な方法で行うことができ、そのため、以下のタイミング図および説明は限定的なものとして見るべきではないが、望ましい結果を達成する典型的な方法にすぎない。図１１の図のタイミングに対応する典型的なタイミング図を図１２に示す。図１２は、５０％のデューティサイクルで８５０ｎｍ ＬＥＤの出力を示している。グローバル＿ＲＳＴは各ＬＥＤサイクルの開始時および終了時にパルスを発し、前記フォトダイオードをリセットする。そのため、前記ＬＥＤが点灯すると、前記フォトダイオードがリセットされ、集積化が始まる。グローバル＿ＴＸ１ではＬＥＤの位相の最後にパルスを発し、集積回路をストーレージ１に移し、前記フォトダイオードがリセットされる。グローバル＿ＴＸ２ではオフサイクルのＬＥＤの最後にパルスを発し、前記フォトダイオードからストーレージ２に集積回路が移る。望みの回数の集積化サイクル後、ストーレージ１およびストーレージ２の電荷がＦＤ１およびＦＤ２に移り、グローバルシャッターモードにより読み出し、比較して距離情報を決定する。
さらに、バックグラウンドの赤外レベルが距離測定に誤差を導入する可能性がある。このバックグラウンド信号は測定し、実際の信号から差し引き、より正確に距離を決定することができる。そのようなバックグラウンド測定を行うための１つの技術に関するタイミング図を図１３に示す。そのため、図１２に示したタイミングはＬＥＤをオフにして行うことができ、得られたバックグラウンド信号はＬＥＤをオンにしたときに得られた信号から差し引き、距離の測定を改善することができる。実際の距離測定に関し、前記バックグラウンド測定はいつでも行うことができる。例えば、１つの態様では、前記バックグラウンド測定を各グローバル読み出しサイクルの間に行うことができる。別の態様では、前記バックグラウンド測定を、１秒ごと、１０秒ごと、３０秒ごと、１分ごとなど、一定の時間間隔で行うことができる。そのようなバックグラウンドの読み出しは、センサの動作を改善するためにバックグラウンドの赤外レベルを確認することが望ましい場合はいつでも行うことができる。
本開示はさらに、赤外光および可視光を検出するためのシステムを提供する。１つの態様では、例えば図１４に示すとおり、そのようなシステムは赤外光および可視光を検出するためのモノリシック３Ｄセンサ１４０２を含むことができ、そのようなモノリシックセンサは、デバイス表面１４０６を有する半導体基板１４０４、前記デバイス表面に形成した少なくとも１つの可視光フォトダイオード１４０８、前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードに近接して前記デバイスに形成した少なくとも１つの３Ｄフォトダイオード１４１０、および前記少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードに機能的に結合し、電磁放射線と相互作用するように配置した高量子効率赤外光領域１４１２を有する。前記システムはさらに、前記３Ｄフォトダイオードにより検出可能な赤外光を放出する操作が可能な赤外光源１４１４、および前記赤外光源と前記３Ｄフォトダイオード間の同期回路１４１８を含み、赤外光３Ｄフォトダイオードの検出を赤外光源のパルスと同期化することもできる。
本開示の態様に従う様々なデバイスで、従来のフォトダイオードデバイスと比較し、量子効率（ＱＥ）が向上している。そのようなデバイスのＱＥ改善の１つの例は、図１５のＱＥスペクトル曲線に見ることができる。図１５の曲線は、特に赤外波長で、標準的なイメージャと高量子効率のイメージャを示している。高ＱＥイメージャと標準的イメージャでは、シリコンの厚さが同等で約５μｍである。前記高ＱＥイメージャの厚さおよび応答速度は、速度および検出が向上するため、３Ｄピクセル操作に重大な影響を持つ可能性がある。ＱＥの向上は画像の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を高くする可能性があり、深度誤差を大幅に低くする。さらに、厚さが５μｍ未満のシリコンでＱＥが上昇すると、前記ピクセルで前記信号の拡散成分を減少させることができ、電荷収集および電荷移動が増加するようになり、これは３Ｄピクセルの操作に理想的である。一般に、前記ピクセル内に作成された光発生キャリアは、ドリフトと拡散の２つの回収メカニズムに依存する。波長の短い光については、前記キャリアのほとんどがデバイスの浅部領域および前記フォトダイオードの空乏層に作成される。これらのキャリアは比較的早く、ドリフトによって回収することができる。ただし、赤外光については、光キャリアの大部分がシリコンの背面に向かって作成される。そのため、これらのキャリアはダイオードの空乏領域外に作成され、回収は拡散に依存する。拡散はドリフトよりもはるかに遅い。３Ｄ ＴＯＰピクセルについては、光電荷の高速サンプリングが有用である。高ＱＥは、本開示の技術により、エピタキシャルに成長した非常に薄い（つまり、５μｍ未満）シリコン層内で達成することができる。したがって、作成されたキャリアのすべてではないにしてもほとんどが、ドリフトのメカニズムにより回収される可能性がある。これにより、非常に高速で電荷収集および移動が可能である。この技術により、高速変調赤外ＬＥＤでより高い変調周波数を使用するため、深さ分解能が大きく向上する可能性がある。
感光性イメージャは一定の条件（固定電圧または電流）で維持し、直線性および均一性を向上させることができる。すでに説明したとおり、前記イメージャと前記デバイスの層間の連結は、タングステンまたはタンタルなどの高融点金属から製造したビアを用いて達成することができる。ストーレージ要素をイメージャの下に配置すると、様々な光通信上の利点がある。例えば、ピクセルアレイ全体を信号処理に当てることができる。これにより、低レベルのピクセル信号にアクセスすることができるため、性能を高くすることができる。
さらに、ピクセルプロセッサにより、超並列操作を行うことができる。例えば、アナログからデジタルへの変換、ノイズリダクション（つまり、真の相関２重サンプリング）、電力調節、最近傍画素処理、圧縮、融合、および色多重化操作を行うことができる。
フォトダイオード自体については、そのようなデバイスと使用するため、様々な半導体材料が検討されている。そのような半導体材料の限定されない例には、ＩＶ材料、ＩＩ族およびＶＩ族材料を有する化合物および合金、ＩＩＩ族およびＶ族材料を有する化合物および合金、およびその組み合わせを含むことができる。より具体的には、典型的なＩＶ族材料にシリコン、カーボン（例えば、ダイアモンド）、ゲルマニウム、およびその組み合わせを含むことができる。ＩＶ族材料の様々な典型的組み合わせには炭化ケイ素（ＳｉＣ）およびシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を含むことができる。１つの具体的態様では、前記半導体材料がシリコンであるか、シリコンを含むことができる。典型的なシリコン材料には、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、微結晶シリコン、多結晶シリコン、および単結晶シリコン、また他の結晶タイプを含むことができる。別の態様では、前記半導体材料に少なくとも１つのシリコン、カーボン、ゲルマニウム、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、ヒ化インジウムガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、およびその組み合わせを含むことができる。
ＩＩ〜ＶＩ族材料の典型的な組み合わせには、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ、ＣＺＴ）、水銀カドミウムテルル（ＨｇＣｄＴｅ）、テルル化水銀亜鉛（ＨｇＺｎＴｅ）、セレン化水銀亜鉛（ＨｇＺｎＳｅ）、およびその組み合わせを含むことができる。
ＩＩＩ〜Ｖ族材料の典型的な組み合わせには、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、ヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、リン化アルミニウム（ＡｌＰ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、リン化ホウ素（ＢＰ）、ヒ化ホウ素（ＢＡｓ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、リン化インジウム（ＭＰ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ、ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ、ＩｎｘＧａｌ−ｘＡｓ）、リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ）、ヒ化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＡｓ）、アンチモン化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＳｂ）、窒化ガリウムヒ素（ＧａＡｓＮ）、リン化ガリウムヒ素（ＧａＡｓＰ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、リン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＰ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、アンチモン化インジウムヒ素（ＩｎＡｓＳｂ）、アンチモン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＳｂ）、リン化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａｌｎＰ）、リン化アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓＰ）、リン化インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓＰ）、リン化アルミニウムインジウムヒ素（ＡｌＩｎＡｓＰ）、窒化アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓＮ）、窒化インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓＮ）、窒化インジウムアルミニウムヒ素（ＩｎＡｌＡｓＮ）、窒化ガリウムヒ素アンチモン（ＧａＡｓＳｂＮ）、アンチモン化ガリウムインジウム窒素ヒ素（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ）、リン化ガリウムインジウムヒ素アンチモン（ＧａＩｎＡｓＳｂＰ）、およびその組み合わせを含むことができる。
さらに、前記半導体デバイス層は電磁放射線の検出と変換機能が可能ないかなる厚さであってもよく、そのため、そのような厚さの半導体デバイス層はすべて本発明の範囲内であると考えられる。一部の態様では、テクスチャ領域を前記半導体デバイス層に適用し、前記デバイスの効率を上昇させることができ、前記半導体デバイス層はこれまで可能であった厚さよりも薄くすることができる。前記半導体の厚さを薄くすると、そのようなデバイスの作成に必要な、コストのかかることが多い半導体材料の量が減る。１つの態様では、例えば、前記半導体デバイスの層が約５００ｎｍ〜約５０μｍの厚さである。別の態様では、前記半導体デバイスの層が約５００μｍ以下の厚さである。さらに別の態様では、前記半導体デバイスの層が約２μｍ〜約１０μｍの厚さである。さらなる態様では、前記半導体デバイスの層を約５μｍ〜約７５０μｍの厚さとすることができる。さらなる態様では、前記半導体デバイスの層を約５μｍ〜約１００μｍの厚さとすることができる。他の態様では、前記半導体デバイスの層を約２μｍ〜約５μｍの厚さとすることができる。
テクスチャ領域（つまり、高量子効率赤外光領域）を生成する１つの効率的な方法は、レーザー加工である。そのようなレーザー加工により、テクスチャ化する半導体基板を離れた場所にすることが可能である。テクスチャ領域を形成するため、様々なレーザー加工技術が検討され、そのような領域を形成することのできるすべての技術が本発明の範囲内であると考えるべきである。レーザー処理または加工は、特に、吸収特性を向上することができるため、電磁放射線の焦点調節および検出が向上する。前記レーザー処理した領域は衝突した電磁放射線が最も近い表面と結合するか、または前記レーザー処理した表面が衝突した電磁放射線と反対にある表面と結合することができ、それによって前記放射線がレーザー処理した領域を通過する前に前記半導体を通過することができる。
１つの態様では、例えば、前記半導体材料の対象領域にレーザー光線を照射してテクスチャ領域を形成することができる。そのような加工の例は、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第７，０５７，２５６号、第７，３５４，７９２号、および第７，４４２，６２９号明細書でさらに詳細に説明されている。簡単に述べると、半導体材料の表面にレーザー光線を照射し、テクスチャまたは表面修飾領域を形成する。そのようなレーザー加工はドーパント材料の有無にかかわらず、行うことができる。ドーパントが使用されるこのような態様では、レーザーはドーパントキャリアを通過し、前記半導体表面に到達することができる。このようにして、ドーパントキャリアのドーパントが前記半導体材料の対象領域に導入される。半導体材料に組み込まれたそのような領域は、本開示の態様に従い、様々な利点を有することができる。例えば、前記対象領域は典型的にはテクスチャ領域を有し、これは前記レーザー処理した領域の表面を増加し、本明細書で説明されたメカニズムにより放射線吸収の可能性を上昇する。１つの態様では、そのような対象領域が、レーザーテクスチャリングにより生成したミクロンおよび／またはナノサイズの表面の特徴を含む、実質的にテクスチャリングされた表面である。別の態様では、半導体材料表面の照射が、ドーパントにレーザー照射し、この照射が前記半導体に前記ドーパントを組み込むようにする工程を含む。当該分野では様々なドーパント材料が知られており、本明細書でより詳細に報告されている。
したがって、前記半導体材料の表面は、レーザー処理により化学的および／構造的に変更され、一部の態様では、これによって表面の特徴が形成され、微細構造または表面でパターン化された領域として見え、ドーパントが使用されていれば、そのようなドーパントが前記半導体材料に組み込まれる。一部の態様では、前記表面の特徴または微細構造をおよそ５ｎｍ〜５００μｍのサイズとすることができ、電磁放射線の吸収を助けることができる。つまり、テクスチャ化された表面は、入射放射線が前記半導体材料により吸収される可能性を上昇させることができる。別の態様では、前記表面サイズの特徴を約１０ｎｍ〜約２０μｍとすることができる。
半導体材料の表面修飾に用いるレーザー光線のタイプは、前記材料および対象とする修飾によって変わる可能性がある。当該分野で既知のいかなるレーザー光線も、本開示のデバイスおよび方法と使用することができる。ただし、これに限定されるものではないが、レーザー光線、パルス幅、パルスフルエンス、パルス周波数、偏光、半導体材料に対するレーザー伝搬の方向などを含め、表面修飾プロセスおよび／または得られる製品に影響する可能性があるレーザーの特徴は数多くある。１つの態様では、レーザーを構成し、半導体材料をパルスレーザー発振することができる。短パルスレーザーは、フェムト秒またはピコ秒のパルス持続時間とすることができる。レーザーパルスでは、中心波長を約１０ｎｍ〜約８μｍ、より具体的には約２００ｎｍ〜約１２００ｎｍの範囲とすることができる。前記レーザー光線のパルス幅は、約数十フェムト秒〜約数百ナノ秒の範囲とすることができる。１つの態様では、レーザーパルス幅を約５０フェムト秒〜約５０ピコ秒の範囲とすることができる。別の態様では、レーザーパルス幅が約５０フェムト秒〜約５００フェムト秒の範囲である。
対象領域に照射するレーザーパルス数は約１〜約２０００の範囲とすることができる。１つの態様では、半導体の対象領域に照射するレーザーパルス数を約２〜約１０００の範囲とすることができる。さらに、前記パルスの繰り返し率または周波数は、約１０Ｈｚ〜約１０μＨｚの範囲、または約１ｋＨｚ〜約１ＭＨｚの範囲、または約１０Ｈｚ〜約１ｋＨｚの範囲となるように選択することができる。さらに、各レーザーパルスのフルエンスは約１ｋＪ／ｍ２〜約２０ｋＪ／ｍ２の範囲、または約３ｋＪ／ｍ２〜約８ｋＪ／ｍ２の範囲とすることができる。
高量子効率赤外光領域をテクスチャリングする他の技術も本発明の範囲内と考えられることに注意する必要がある。限定されない例には、化学エッチング、物理吸収、材料堆積などが含まれる。
様々なドーパント材料が検討され、本開示の態様に従って半導体材料の表面を修飾するレーザー処理プロセスに使用することのできるそのような材料はすべて、本発明の範囲内であると考えられる。利用される特定のドーパントは、レーザー処理される半導体材料、および得られた半導体材料の使用目的によって変わる可能性があることに注意する必要がある。例えば、考えられるドーパントの選択は、感光デバイスのチューニングが望ましいか否かによって変化する可能性がある。さらに、そのようなドーパントをテクスチャ領域または前記デバイスの他の様々なドーピング領域に利用することができる。
ドーパントは電子供与性またはホール供与性のいずれかとすることができる。１つの態様では、ドーパント材料の限定されない例にＳ、Ｆ、Ｂ、Ｐ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇｅ、Ａｒ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｂ、およびその組み合わせを含むことができる。ドーパント材料の範囲には、ドーパント材料自体だけでなく、そのようなドーパントを送達する形態の材料（つまり、ドーパントキャリア）も含める必要があることに注意する必要がある。例えば、Ｓドーパント材料にはＳだけでなく、例えば、その組み合わせを含めＨ２Ｓ、ＳＦ６、ＳＯ２など、前記対象領域にＳをドーピングするために使用可能なすべての材料を含む。１つの具体的な態様では、前記ドーパントをＳとすることができる。硫黄は約５×１０１４および約１×１０１６イオン／ｃｍ２のイオン投与量で存在することができる。フッ素含有化合物の限定されない例には、ＣｌＦ３、ＰＦ５、Ｆ２ＳＦ６、ＢＦ３、ＧｅＦ４、ＷＦ６、ＳｉＦ４、ＨＦ、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３など、およびその組み合わせを含めることができる。ホウ素含有化合物の限定されない例には、その組み合わせを含むＢ（ＣＨ３）３、ＢＦ３、ＢＣｌ３、ＢＮ、Ｃ２Ｂ１０Ｈ１２、ホウケイ酸、Ｂ２Ｈ６などを含めることができる。リン含有化合物の限定されない例には、その組み合わせを含むＰＦ５、ＰＨ３などを含めることができる。塩素含有化合物の限定されない例には、その組み合わせを含むＣｌ２、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＳｉＣｌ４、などを含めることができる。ドーパントには、ＡｓＨ３などのヒ素含有化合物、およびアンチモン含有化合物も含めることができる。さらに、ドーパント材料には、ドーパントのグループを超えた混合物または組み合わせ、つまり、硫黄含有化合物と塩素含有化合物の混合物を含めることができる。１つの態様では、前記ドーパント材料が空気以上の密度を有することができる。１つの具体的な態様では、前記ドーパント材料にＳｅ、Ｈ２Ｓ、ＳＦ６、またはその組み合わせを含めることができる。さらに別の態様では、前記ドーパントをＳＦ６とすることができ、約５．０×１０−８ｍｏｌ／ｃｍ３〜約５．０×１０−４ｍｏｌ／ｃｍ３の所定の濃度範囲を有することができる。ＳＦ６ガスはレーザー加工により前記半導体材料に硫黄を組み込むための良好なキャリアであり、前記半導体材料に対して重大な有害作用はない。さらに、ドーパントは、水、アルコール、または酸または塩基溶液などの溶液に溶解したｎ型またはｐ型ドーパント材料の液体溶液とすることもできることに注意する必要がある。ドーパントはウエハーに塗布し乾燥した粉末または懸濁液として適用される固体材料とすることもできる。
さらに、前記半導体デバイスの層は、ドーパント活性化、半導体材料の修復などを含む様々な理由で焼鈍される可能性がある。レーザーテクスチャ領域を含むこれらの態様では、レーザー処理前、レーザー処理後、レーザー処理中、またはレーザー処理の前後いずれにも前記半導体材料が焼鈍される可能性がある。焼鈍しは、前記半導体材料の光応答特性の向上など、前記デバイスの半導体特性を向上する可能性がある。さらに、焼鈍しは、加工が続くことによるダメージを抑制することができる。
当然のことながら、上述の配列は本開示の原則の応用の一例にすぎないことは理解されることである。当業者は本開示の精神および範囲から離れずに、様々な修正および代わりの配列を考案することができ、添付の請求項はそのような修正および配列を含むことを意図している。そのため、本開示は、本開示の最も実際的な実施形態であると現在考えられている形態と関連して詳細に上述されているが、これに限定されるものではないが、本明細書に示された原則および概念から離れずに、サイズ、材料、形状、形態、操作の機能および方法、アセンブリ、および使用を含む多数の修正を行うことができることは、当業者に明らかであろう。

Claims (24)

  1. 赤外光および可視光を検出することができるモノリシック３Ｄセンサであって、
    デバイス表面を有する半導体基板と、
    前記デバイス表面に形成された少なくとも１つの可視光フォトダイオードと、
    前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードに近接して前記デバイス表面に形成された少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードと、
    前記少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードと機能的に結合し、且つ電磁放射線と相互作用するような位置にある高量子効率赤外光領域と
    を有するモノリシック３Ｄセンサ。
  2. 請求項１記載のセンサにおいて、前記高量子効率赤外光領域は前記デバイス表面に位置するテクスチャ領域であるセンサ。
  3. 請求項１記載のセンサにおいて、前記高量子効率赤外光領域は前記デバイス表面と反対の前記半導体基板側に位置するテクスチャ領域であるセンサ。
  4. 請求項１記載のセンサにおいて、前記高量子効率赤外光領域は、パルス持続時間が約１フェムト秒〜約５００ピコ秒のパルスレーザーを用いて形成された表面構造を有するものであるセンサ。
  5. 請求項４記載のセンサにおいて、前記表面構造が平均約５ｎｍ〜約５００μｍの高さを有するものであるセンサ。
  6. 請求項１記載のセンサにおいて、前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードは、少なくとも１つの赤感光性フォトダイオード、少なくとも１つの青感光性フォトダイオード、少なくとも１つの緑感光性フォトダイオード、および少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードを含むものであるセンサ。
  7. 請求項１記載のセンサにおいて、前記３Ｄフォトダイオードは操作されて、約８００ｎｍ以上の波長を有する赤外光を検出するものであるセンサ。
  8. 請求項１記載のセンサにおいて、このセンサは、さらに、
    前記３Ｄフォトダイオードと光学的に結合し、且つ前記３Ｄフォトダイオードの電磁放射線衝突をフィルタするために取りつけられた赤外狭帯域フィルタを有するものであるセンサ。
  9. 請求項１記載のセンサにおいて、このセンサは、さらに、
    少なくとも１つの可視光ダイオードと光学的に結合し、且つ前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードの赤外電磁放射線衝突をフィルタするために取りつけられた赤外線カットフィルタを有するものであるセンサ。
  10. 請求項１記載のセンサにおいて、前記３Ｄフォトダイオードは、さらに、赤外光源からの赤外光パルスの検出に反応し、前記３Ｄフォトダイオードによって発生した信号を捕捉するための回路を含むものであるセンサ。
  11. 請求項１記載のセンサにおいて、前記３Ｄフォトダイオードは、さらに、飛行時間情報を計算するための回路を含むものであるセンサ。
  12. 請求項１記載のセンサにおいて、このセンサは、さらに、
    前記３Ｄフォトダイオードの光捕獲を赤外光源と同期させるための回路を有するものであるセンサ。
  13. 請求項１記載のセンサにおいて、このセンサは、さらに、
    グローバルシャッターモードで機能させることができる前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードと前記少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードとに機能的に結合した読み出し回路を有するものであるセンサ。
  14. 請求項１記載のセンサにおいて、前記センサは背面照射センサとして構成されるものであるセンサ。
  15. 赤外光および可視光を検出するためのシステムであって、
    赤外光および可視光を検出するためのモノリシック３Ｄセンサであって、
    デバイス表面を有する半導体基板と、
    前記デバイス表面に形成された少なくとも１つの可視光フォトダイオードと、
    前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードに近接して前記デバイス表面に形成された少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードと、
    少なくとも１つの３Ｄフォトダイオードと機能的に結合し、且つ電磁放射線と相互作用するような位置にある高量子効率赤外光領域と
    を有する前記モノリシック３Ｄセンサと、
    前記３Ｄフォトダイオードによって検出可能な赤外光を放出する操作が可能な赤外光源と、
    赤外光３Ｄフォトダイオードの検出を赤外光源のパルスと同期化するための、前記赤外光源と前記３Ｄフォトダイオードとの間の同期回路と
    を有するものであるシステム。
  16. 請求項１５記載のシステムにおいて、前記高量子効率赤外光領域は前記デバイス表面に位置するテクスチャ領域であるシステム。
  17. 請求項１５記載のシステムにおいて、前記高量子効率赤外光領域は、パルス持続時間が約１フェムト秒〜約５００ピコ秒のパルスレーザーを用いて形成された表面構造を有するものであるシステム。
  18. 請求項１７記載のシステムにおいて、前記表面構造が平均約５ｎｍ〜約５００μｍの高さを有するものであるシステム。
  19. 請求項１５記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードは、少なくとも１つの赤感光性フォトダイオード、少なくとも１つの青感光性フォトダイオード、少なくとも１つの緑感光性フォトダイオード、および少なくとも２つの３Ｄフォトダイオードを含むものであるシステム。
  20. 請求項１５記載のシステムにおいて、前記３Ｄフォトダイオードは操作されて、前記赤外光源からの前記赤外光を検出するものであるシステム。
  21. 請求項２０記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、
    前記３Ｄフォトダイオードと光学的に結合し、且つ前記３Ｄフォトダイオードの電磁放射線衝突をフィルタするために取りつけられた赤外狭帯域フィルタを有し、前記赤外狭帯域フィルタは赤外光周波数と実質的に一致する通過帯域を有するものであるシステム。
  22. 請求項１５記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、
    少なくとも１つの可視光ダイオードと光学的に結合し、且つ前記少なくとも１つの可視光フォトダイオードの赤外電磁放射線衝突をフィルタするために取りつけられた赤外線カットフィルタを有するものであるシステム。
  23. 請求項１５記載のシステムにおいて、前記３Ｄフォトダイオードは、さらに、前記赤外光源からの前記赤外光パルスの検出に反応し、前記３Ｄフォトダイオードによって発生した信号を捕捉するための回路を含むものであるシステム。
  24. 請求項１５記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、
    前記３Ｄフォトダイオードの光捕獲を前記赤外光源によって発生した赤外光と同期させるための回路を有するものであるシステム。
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