TW202118036A - 光學感測器 - Google Patents

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Abstract

一光學感測器包含一半導體基板、一第一光吸收區、一第二光吸收區及一感測控制信號；第一光吸收區形成於半導體基板上方，並用以吸收具有一第一波段之複數光子並產生複數光載子；第二光吸收區形成於第一吸收區上方，並用以吸收具有一第二波段之複數光子並產生複數光載子；感測控制信號耦接於第二吸收區，並用以提供至少一第一控制準位及一第二控制準位。

Description

光學感測器
本發明關於一種半導體裝置，且特別是關於一種用以感測光之一半導體光吸收裝置。
光感測器主要用以將耦合於其上之在自由空間中或光學介質中傳遞之光信號轉換成為電信號，以供進行後續傳遞。
半導體光吸收裝置，例如︰一光電二極體，可用以感測複數光信號，並將光信號轉會為複數電信號以供其它電路進行處理。光吸收光電二極體可用於消費性電子產品、影像感測器、資訊傳輸、時差測距(time-of-flight；簡稱TOF)應用、醫療器材及其它合適應用領域。一般來說，矽是用以製作一影像感測器的材料；然而，歸因於矽對近紅外光信號(near-infrared，簡稱NIR)或其它較紅外光信號波長更長的光信號的光學吸收係數低，故本發明提供利用其它材料及/或材料合金，例如︰鍺、鍺矽或鍺錫，以作為影像感測器材料的光學裝置結構設計。根據本發明提供一種光學感測器，其利用例如是鍺或鍺矽材料以增加裝置的速度及/或靈敏度及/或動態範圍(dynamic range)操作及/或偵測波長範圍。在一實施方式中，利用鍺或鍺矽形成之複數光電二極體和利用矽形成的光電二極體可整合於一共同基板上以產生具有一較大操作波段之一光電二極體陣列。
根據本發明提供之一光學感測器，包含一半導體基板、一第一光吸收區、一第二光吸收區及一感測器控制信號；第一光吸收區形成於半導體基板上方，第一光吸收區用以吸收在第一波段範圍內之複數光子，並以所吸收到的光子產生複數光載子；第二光吸收區形成於第一光吸收區上方，第二光吸收區用以吸收在第二波段範圍內之複數光子，並以所吸收到的光子產生複數光載子；感測器控制信號耦接於第二光吸收區，感測器控制信號用以提供至少一第一控制準位及一第二控制準位。在第一控制準位時，第一光吸收區及第二光吸收區之一能帶差(energy band)高於一臨界值，前述臨界值是用以阻擋由第二光吸收區產生之一特定極性的光載子進入第一光吸收區。在第二控制位準時，第一光吸收區及第二光吸收區之能帶差低於前述臨界值，前述臨界值是用以阻擋第二光吸收區產生之具有前述特定極性的光載子進入第一光吸收區。
在本發明之一實施方式中，可選擇性地包含一或多個下述特徵。第一光吸收區可包含一n-摻雜矽區及一p-摻雜區，p-摻雜區位於n-摻雜區上方。第二光吸收區可包含一本質區及一p-摻雜區，本質區位於第一光吸收區之p-摻雜矽區上方，且本質區包含鍺；p-摻雜區位於本質區上方。光感測器可包含一n-摻雜讀出區及一閘極，n-摻雜讀出區耦接於一讀出電路；閘極耦接於一閘極控制信號，閘極用以控制在第一光吸收區及n-摻雜讀出區之間傳遞之一載子。第二光吸收區可包含一平台(mesa)，平台中含有鍺。第二光吸收區可包含一薄膜，薄膜中含有鍺。
本發明另提供一種光學感測器，其包含一第一二極體、一NMOS電晶體、一第二二極體及一PMOS電晶體。第一二極體利用一第一材料形成，並包含一n-摻雜區及一p-摻雜區。NMOS電晶體包含一源極區、一閘極區及一汲極區，源極區耦接於第一二極體之n-摻雜區，閘極區耦接於一NMOS控制信號。第二二極體利用一第二材料形成，並包含一n-摻雜區及一p-摻雜區，n-摻雜區耦接於一第一偏壓源。PMOS電晶體包含一源極區、一閘極區及一汲極區，源極區耦接於第一二極體的p-摻雜區及第二二極體的p-摻雜區，閘極區耦接於一PMOS閘極控制信號。
在本發明之一實施方式中，可選擇性地包含一或多個下述特徵。NMOS電晶體可耦接於一第一讀出電路。PMOS電晶體的汲極區可耦接於一第二偏壓源，藉此(i)第一讀出電路會收集、儲存及處理由第一二極體產生之複數電子，(ii)PMOS電晶體的汲極區會將第一二極體產生的複數電洞傳遞至第二偏壓源，以及(iii)PMOS電晶體的汲極區會將第二二極體產生的複數電洞傳遞至第二偏壓源。第一二極體可用以吸收在可見光波段的光並產生複數電子及電洞。
PMOS電晶體的汲極區可耦接於一第二讀出電路。NMOS電晶體的汲極區可耦接於一第三偏壓源，藉此(i)NMOS電晶體的汲極可將第一二極體產生的複數電子傳遞至第三偏壓源，(ii)第二讀出電路收集、儲存及處理由第一二極體產生的複數電洞，(iii)第二讀出電路收集、儲存及處理由第二二極體產生的複數電洞。第二二極體可用以吸收在近紅外光波段的光並產生複數電子及電洞。
光感測器可進一步包含一基板；其中，第一二極體、NMOS電晶體及PMOS電晶體設於基板中。第二二極體可進一步包含一本質區；其中，第二二極體的p-摻雜區位在第一二極體的p-摻雜區的上方，第二二極體的本質區位於第二二極體的p-摻雜區上方，且第二二極體的p-摻雜區位於第二二極體的本質區上方。第一二極體可為包含矽之一二極體，且第二二極體可為包含鍺之一二極體。
本發明更提供一種光學感測器，包含一半導體基板，一第一光吸收區、一第二光吸收區、第一讀出區、一第一閘極、一第二讀出區及一第二閘極。第一光吸收區形成於半導體基板中，第一光吸收區用以吸收在第一波段範圍內之複數光子，並以所吸收到的光子產生複數光載子；第一光吸收區包含一第一載子收集區及一第二載子收集區，第一載子收集區用以收集複數電子，第二載子收集區用以收集複數電洞。第二光吸收區位在第一光吸收區的其中一部分上方，第二光吸收區用以吸收在第二波段範圍內之複數光子，並以所吸收到的光子產生複數光載子。第一讀出區耦接於第一讀出電路，第一讀出區用以將第一載子收集區收集到的電子提供給第一讀出電路；其中，第一光吸收區提供第一載子收集區收集的電子。第一閘極耦接於一第一控制信號，第一控制信號用以控制在第一載子收集區及第一讀出電路之間傳輸之一載子。第二讀出區耦接於一第二讀出電路，第二讀出區用以將第二載子收集區收集到的電洞提供給第二讀出電路；其中，第二光吸收區提供第二載子收集區收集到的電洞。第二閘極耦接於一第二控制信號，第二控制信號用以控制在第二載子收集區及第二讀出區之間傳輸之一載子。
在本發明之一實施方式中，可選擇性地包含一或多個下述特徵。第二光吸收區可包含一p-摻雜區、一本質鍺矽區及一n-摻雜區；p-摻雜區包含在第一光吸收區上方的鍺，本質鍺矽區包含在p-摻雜區上方的鍺，n-摻雜區包含在本質區上方的鍺。p-摻雜區可具有一第一應變能量及一第一面積，且本質區可包含一第二應變能量及一第二面積，第二應變能量小於第應變能量，第二面積大於第一面積。
第二光吸收區可位在第二載子收集區的其中一部分上方，但不得再第一載子收集區上方。第一光吸收區及第二光吸收區可用以接收不同位置的光。第一光吸收區及第二光吸收區可耦接於一或多個互連件，互連件用以接合二摻雜晶圓。
光學感測器可包含一第三讀出區及一第三閘極；第三讀出電路耦接於一第三讀出電路。第三讀出區用以將第二載子收集區收集到的電洞提供給第三讀出電路。第三閘極耦接於一第三控制信號，第三控制信號供控制於第二載子收集區及第三讀出區之間傳遞之一載子。光學感測器可包含一第四讀出區及一第四閘極；第四讀出區耦接於一第四讀出電路，第四讀出區用以將第二載子收集區收集到的電子提供給第四讀出電路。第四閘極耦接於一第四控制信號，第四控制信號供控制於第二載子收集區及第四讀出區之間傳遞至一載子。
鍺為一種對近紅外光信號具有極佳吸收率的材料，這可以降低因使用吸收效率差之材料(例如矽)所導致之基板深處光載子生成緩慢的問題。整體頻寬的增加允許光偵測器被使用在具有高調變頻率的光感測系統，並具有例如是高深度解析度之優點。以一鍺矽材料作為吸收層可提供高於傳統矽材料的光吸收效率，這除了可以提供對於可見光信號或近紅外光信號更為靈敏的光偵測器及降低相鄰像素間串擾(crosstalk)的問題外，更可以像素的尺寸達到縮減的效果。一貫穿式(punch-through或reach-through)光學感測器設計使得單一像素光電二極體(single-pixel photodiode)或陣列像素光電二極體(array-pixel photodiodes)可偵測在可見光波段及近紅外光波段的光。一混合式光學感測器設計讓相同的感測陣列可用於時差測距(time-of-flight；簡稱TOF)、近紅外影像及可見影像的感測。整體頻寬的增加允許光偵測器被使用在具有高調變頻率的時差測距系統，並具有例如是高深度解析度之優點。在貫穿式光學感測器及混合式光學感測器可經控制以避免暗電流從鍺矽區洩漏到矽區，進而避免整體效能下降。再者，本發明的一光學感測器可操作在兩種模式中(可見光模式及近紅外光模式)，相較於傳統需要兩個分離的感測器而言，可降低製作成本，可增加在給定區域內的可用像素，並可降低封裝複雜度。
參考隨附圖式，本發明之以上及額外目的、特徵及優點將透過下文中所述之該(該等)實施方式之以下闡釋性及非限制性詳細描述予以更好地理解；在隨附圖式中，相同參考數字係用於同一元件或類似元件。
半導體光學感測器(semiconductor based optical sensors)，例如光電二極體，可用以感測複數光信號，並將光信號轉換為複數電信號以供後續處理。一般來說，一般來說，材料的能帶間隙(energy gap)為其能吸收不同波長的光以產生自由載子的重要參數。舉例來說，在室溫下，矽的能帶間隙為1.12電子伏特(electron volt；符號為eV)，鍺的能帶間隙為0.66電子伏特，鍺矽合金(germanium-silicon alloy；下文簡稱鍺矽)的能帶間隙可依矽含量和鍺含量的不同而介於0.66電子伏特至1.12電子伏特之間。在另一例子中，錫(Tin；化學符號Sn)的能帶間隙約為0電子伏特，鍺錫合金(germanium-tin alloy；化學符號Gex Sn1-x )的能帶間隙可依鍺含量及錫含量的不同介於0至0.66電子伏特之間。其次，半導體材料的光吸收率是入射光波長的函數，主要是當入射光子能量大於能帶間隙時，才會被吸收；因此，就特定波長的光信號而言，低能帶間隙材料的吸收係數(absorption coefficient)高。若材料的吸收係數過低，光信號無法被有效地轉換成為電信號；相反地，若材料的吸收係數過高，則將因自由載子表面複合而造成較低的效率。舉例來說，矽對近紅外光信號(near-infrared，簡稱NIR)具有低吸收係數，而鍺對短波長的光信號(例如藍光)則具有過高的吸收係數以至於引起表面複合。因此，將矽及相異材料(例如︰鍺、矽鍺、鍺錫)整合於一共同基板上，利用矽感測可見光，而以非矽材料感測近紅外光，可有助於使光電二極體陣列具有寬廣的感測光譜。在本文中，所使用的術語「光電二極體(photodiode)」可以作為術語「光學感測器(optical sensor)」的代稱。在本文中，所使用的術語「鍺矽(germanium-silicon；分子式GeSi)」及術語「矽鍺(silicon-germanium；分子式SiGe)可交替使用，且兩者之中的鍺含量可以多達100%，矽含量可高於90%。在本文中，所使用的術語「鍺錫(germanium-tin；分子式GeSn)」中，包含兩者之中的鍺含量可以多達100%，錫含量可高於90%。在本文中，鍺矽層可利用全面磊晶(blanket epitaxy)技術、選擇性磊晶(selective epitaxy)技術或其它技術來實現。又，鍺矽層可形成在一平面、一平台面、或一溝槽/穿洞區並至少部分由絕緣物(例如︰氧化物、氮化物(nitride))或半導體(例如︰矽、鍺)或其等之組合。要特別說明的是，少量摻雜區的摻雜濃度可至少為1015 cm-3 至1019 cm-3 。一形變超晶格(strained super lattice)結構可被使用於吸收或形成一量子井結構；其中，形變超晶格結構包含多層例如是具有不同矽、鍺含量之交錯矽鍺層。
請參見圖1，其繪示本發明之一整合矽和鍺矽之一光電二極體陣列100之示意圖。一光學影像感測器可例如為一光電二極體陣列。在圖1中，光電二極體陣列100包含一基板102、一積體電路層104、一互連層106、一感測層108、一濾光層110及一透鏡層112。透鏡層112可用以會聚光信號、發散(或稱擴展)準直光信號；因此，當一單波長的光信號或一多波長的光信號通過透鏡層112後，可依透鏡層112的設計而成為會聚光、準直光、擴展光或具有其它光形束。透鏡可為凹透鏡、凸透鏡、菲涅耳透鏡(Fresnel lens)或表面具有其它形狀的平面透鏡，且透鏡的形狀並不侷限為圖式所示。
通過透鏡層112整形後的光信號會進入濾光層110；濾光層110供介於一特定波長範圍內的光信號通過，意即濾光層110會濾除非介於前述特定波長範圍內的光信號。舉例來說，一濾光層110中的濾光器可以用以供介於一藍光波段(例如460nm±40nm)及一近紅外波段(例如為850nm±40nm、940nm±40nm，或大於1µm)的光通過。濾光層110中的另一濾光器可用以供介於一綠光波段(540nm±40nm)及近紅外光波段的光通過。在某些實施方式中，在濾光層110中的一或多個濾光器可包含一電容式微機電系統(microelectromechanical systems；簡稱MEMS)結構以調整可供通過之光波段。感光層108中的複數光電二極體用以將入射的光轉換為複數自由載子。積體電路層104收集通過互連層106的自由載子，並進一步地對自由載子依應用領域對自由載子進行相應的處理。
基板102可為一矽基板、一絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator；簡稱SOI)基板，或以其它合適材料製成之承載基板。在積體電路層104中之複數電路，以及在互連層106中之複數互連件可利用互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor；簡稱CMOS)處理技術來製作。舉例來說，互連件可以是先利用乾式蝕刻於一介電層上蝕刻出一接觸區，再利用電化學沉積(electroplating)技術以於接觸孔中填充銅來實現。
感測層108包含複數群光電二極體以供感測可見光及/或近紅外光。每一光電二極體可利用間隔件(sidewall spacer)、溝槽或其它適合的隔離結構與其它光電二極體進行分隔。在某些實施方式中，可利用濾光層110中之濾光器來控制一光電二極體的感測波段。舉例來說，一光電二極體可用以接收一紅光波段(例如620nm±40nm)及近紅外光波段的光，則設在光電二極體上方的濾波器可用以限制通過之光的波段及中心波長。在某些實施方式中，一光電二極體所能感測的波段可由其材料組成來控制；舉例來說，增加鍺矽合金中的鍺含量，可以增加光電二極體對長波長光的感測靈敏度。在某些實施方式中，一光電二極體的感測波段可由濾光器及光電二極體本身的材料的組合來控制。
如在圖2及圖4中的說明，在某些實施方式中，光電二極體陣列100中的複數光電二極體可經控制以將可見光或近紅外光產生的複數光載子轉移到一讀出電路以進行其它處理。舉例來說，在白天時，光電二極體陣列100中的光電二極體可經控制以將因可見光產生的複數光載子轉移至讀出電路以進行後續處理；在夜晚時，前述的光電二極體可經控制以將因紅外光產生的複數光載子轉移至讀出電路以進行後續處理，以供夜視應用。在其它實施方式中，光學感測器可經控制以同時感測可見光及近紅外光，或者交錯進行可見光及近紅外光的感測。
如在圖5至圖10中的說明，在某些實施方式中，光電二極體陣列100中的光電二極體可經控制以將可見光或近紅外光產生的複數光載子轉移到不同的讀出電路以進行其它處理。舉例來說，光電二極體陣列100中的光電二極體可經控制以將因可見光產生的複數自由電子轉移至一第一讀出電路以進行後續處理，並將因紅外光產生的複數自由電洞轉移至一第二讀出電路進行後續處理。在其它實施方式中，光學感測器可經控制以同時感測可見光及近紅外光，或者交錯進行可見光及近紅外光的感測。
在圖13及圖14中的說明，在某些實施方式中，在光電二極體陣列100中不同的光電二極體可經控制以感測可見光及/或近紅外光。舉例來說，在光電二極體陣列100中，光電二極體的一像素可經控制以將因可見光產生的複數自由電子轉移至一第一讀出電路來進行後續處理，而光電二極體的另一像素可經控制以將因近紅外光產生之複數自由電洞轉移至一第二讀出電路來進行後續處理。在某些實施方式中，前述用以將可見光產生之自由電子轉移至第一讀出電路，以及用以將近紅外光產生之自由電洞轉移至第二讀出電路的像素可共享部分結構，例如摻雜區。
請參見圖2，其繪示依照本發明之一具有一貫穿結構以供感測可見光及近紅外光之光電二極體200之示意圖。在圖2中，光電二極體200包含一第一吸收區及一第二吸收區，第一吸收區用以將一可見光信號轉換為複數光載子(即複數電子電洞對)，第二吸收區用以將一近紅外光信號轉換為複數光載子。一感測器控制信號226可控制可見光轉換的光載子或近紅外光轉換後的光載子，使其轉移至讀出電路224。光電二極體200可例如為在圖1中所繪示之感測層108中的光電二極體。
光電二極體200包含一p-矽基板202、一p+矽區204、一n-矽區206、一p-矽區208、一本質鍺矽區210、一p+鍺矽區212、一閘極214、一n+矽區216、一閘極控制信號222、感測器控制信號226及讀出電路224；閘極控制信號222耦接於閘極214，感測器控制信號226耦接於p+鍺矽區212，讀出電路224耦接於n+矽區216。在某些實施方式中，用以將一可見光信號轉換為複數載子的第一吸收區可包含p+矽區204、n-矽區206及p-矽區208。p+矽區204可具有一p+摻雜，且p+矽區204的p+摻雜的摻雜濃度可為製程所能達到的最大濃度，例如︰約5x1020 cm-3 的硼。n-矽區206可少量摻雜有一n-雜質，例如︰磷。在某些實施方式中，用以將一近紅外光信號轉換為複數光載子的第二吸收區可包含本質鍺矽區210及p+鍺矽區212。p+鍺矽區212可具有一p+摻雜；當本質鍺矽區210為鍺且摻雜有硼時，其摻雜濃度可為製程所能達到的最大濃度，例如︰約5x1020 cm-3 。在此，本質鍺矽區210為一鍺矽薄膜。p-基板202可少量摻雜有一p雜質，例如︰硼。
光電二極體200的第一光吸收區吸收光信號220。光信號220可為一可見光信號或一近紅外光信號。在某些實施方式中，光信號220可先利用一濾光器(未圖示)進行波段篩選；其中，前述濾光器可例如為在圖1所示之濾光層110中的濾光器。在某些實施方式中，光信號220的光型可由圖2中未示出的透鏡加以整形；其中，前述透鏡可例如為圖1所示之透鏡層112中的透鏡。當光信號220為一可見光信號時，第一吸收區可吸收可見光信號並產生複數光載子；當光信號220為一近紅外光信號時，第一吸收區可對近紅外光呈現光學透明或近光學透明，且第二吸收區可吸收近紅外光信號並產生複數光載子。當應用一貫穿式濾波器時，感測器控制信號226可控制在可見光模組或近紅外光模式操作的光電二極體200。
在可見光模式，光信號220為一可見光信號；第一吸收區吸收可見光信號並產生複數光載子。於p+矽區204及n-矽區206的一內嵌電位在此二區建立一電場；其中，由n-矽區206產生的複數自由電子因電場而漂移/擴散至位於p+矽區204下方的一區。p-矽區208用以防止存在本質鍺矽區210中的自由電子進入第一吸收區；藉此，可減少光電二極體200的暗電流。感測器控制信號226用以提供一第一感測器控制準位，用以進一步地防止在本質鍺矽區210中的自由電子進入第一吸收區；如此一來，光電二極體200的暗電流可更進一步地降低。舉例來說，p+鍺矽區212可耦接於一電壓源；其中，感測器控制信號226可為電壓源提供之一時變電壓信號(time-varying voltage signal)。第一感測器控制準位可為0伏特；藉此，在p-矽區208及本質鍺矽區210的一能帶差(energy band difference)可防止在本質鍺矽區210中的複數自由載子進入p-矽區208。在某些實施方式中，一本質矽層或非蓄意摻雜矽層(unintentionally doped Si layer)可插入位於n-矽層206及p-矽層208之間，藉以增加第一吸收區的光吸收作用。
閘極214可耦接於閘極控制信號222。舉例來說，閘極214可耦接於一電壓源；其中，閘極控制信號222可為電壓源提供之時變電壓信號。閘極控制信號222控制一自由電子流，使自由電子流由p+矽區204下方的一區往n+矽區216傳遞。舉例來說，當閘極控制信號222之一電壓超過一臨界電壓時，堆積在p+矽區204下方之一區的自由電子會漂移至n+矽區216。
n+矽區216可耦接於讀出電路224。讀出電路224可為由一重置閘極(reset gate)、一源極隨耦器(source-follower)及一選擇閘極(selection gate)所構成之一三電晶體結構(three-transistor)或其它用以處理自由載子的電路。在某些實施方式中，讀出電路224可製作在設有光電二極體200的基板上。在某些實施方式中，讀出電路224可製作在另一基板上，並與光電二極體200利用晶片/晶圓接合或堆疊技術形成共同封裝。舉例來說，讀出電路224可製造在如圖1所述之積體電路層104。
在近紅外光模式，光信號220為一紅外光信號；其中，歸因於第一吸收區中的矽對紅外光信號的吸收係數低，故光信號220通過第一吸收區。第二吸收區吸收紅外光信號並產生複數光載子。本質鍺矽區210接收一光信號220，並將光信號220轉換為複數電信號。在某些實施方式中，本質鍺矽區210的厚度可介於0.05μm至2μm之間。在某些實施方式中，本質鍺矽區210可包含一p+鍺矽區212。p+鍺矽區212可排斥從本質鍺矽區210產生的光載子，藉以避免表面複合，進而增加載子收集效率。
在近紅外光模式，感測器控制信號226用以提供一第二感測器控制準位以允許在本質鍺矽區210中的複數自由電子進入第一吸收區。舉例來說，第二感測器控制準位可為-1.2伏特，藉此，p-矽區208為空乏區，且在本質鍺矽區210中的自由電子可進入n-矽區206，並漂移或擴散至低於p+矽區204的一區。類似於在可見光模式，藉由控制閘極控制信號222，堆積在p+矽區204下方之一區的自由電子會傳遞至讀出電路224。
雖然在圖2中並未示出，然而在某些實施方式中，光電二極體200中的第一吸收區及第二吸收區可選擇性地被製作成收集電洞而非收集電子。在前述條件下，p-矽區202可由一n-矽區所取代，p+矽區204可由一n+矽區所取代，n-矽區206可由一p-矽區所取代，p-矽區208可由一n-矽區所取代，p-基板202可由一n-基板取代，n+矽區216可由一p+矽區所取代，以及p+鍺矽區212可由一n+鍺矽區所取代。
請參見圖3，其繪示依照本發明之另一具有一貫穿結構以供感測可見光信號及近紅外光信號之光電二極體300之示意圖。光電二極體300包含一第一吸收區及一第二吸收區，第一吸收區用以將一可見光信號轉換為複數光載子，第二吸收區用以將一近紅外光信號轉換為複數光載子。一感測器控制信號326控制可見光轉換的光載子或近紅外光轉換後的光載子，使其轉移至一讀出電路324。光電二極體300可例如為在圖1中所繪示之感測層108中的光電二極體。
光電二極體300包含p-矽基板302、一p-矽區304、一n-矽區306、一本質鍺矽區310、一p+鍺矽區312、一閘極314、一n+矽區316、一閘極控制信號322、感測器控制信號326及讀出電路324。閘極控制信號322耦接於閘極314，感測器控制信號326耦接於p+鍺矽區312，讀出電路324耦接於n+矽區316。在某些實施方式中，用以將一可見光信號轉換為複數載子的第一吸收區可包含p-矽區304及n-矽區306。n-矽區306可少量摻雜有一n-雜質，p-矽區304可少量摻雜有一p-雜質，例如︰硼。在某些實施方式中，用以將一近紅外光信號轉換為複數光載子的第二吸收區可包含本質鍺矽區310及p+鍺矽區312。p+鍺矽區312可具有一p+摻雜，當本質鍺矽區310為鍺，且摻雜有硼時，p+鍺矽區312的摻雜濃度可為一製程所能達到的最大濃度，例如︰約5x1020 cm-3 。在此，本質鍺矽區310為一鍺矽平台(germanium-silicon mesa)。p-基板302可少量摻雜有一p-雜質，例如︰硼。
光電二極體300的第一光吸收區吸收光信號320。光信號320可類似於在圖2中所述的光信號220，並可為一可見光信號或一近紅外光信號。當光信號320為一可見光信號時，第一吸收區可吸收可見光信號並產生複數光載子。當光信號320為一近紅外光信號時，第一吸收區可對近紅外光呈現光學透明或近光學透明，且第二吸收區可吸收近紅外光信號並產生複數光載子。當應用一貫穿式濾波器時，感測器控制信號326可控制在可見光模組或近紅外光模式操作的光電二極體300。
在可見光模組，光信號320為一可見光信號；第一吸收區吸收可見光信號並產生複數光載子。於p-矽區304及n-矽區306之一內嵌電位在此二區建立一電場；其中，由n-矽區306產生的複數自由電子因電場而漂移/擴散至位於p-矽區304下方的一區。P-矽區304用以防止在本質鍺矽區310中的自由電子進入第一吸收區；藉此，可減少光電二極體300的暗電流。感測器控制信號326用以提供一第一感測器控制準位，藉以防止在本質鍺矽區310中的自由電子進入第一吸收區；如此一來，光電二極體300的暗電流可更進一步地降低。舉例來說，第一感測器控制準位可為0伏特，藉此在p-矽區304及本質鍺矽區310的一能帶差可防止在本質鍺矽區310中的複數自由載子進入p-矽區304。在某些實施方式中，一本質矽層或非蓄意摻雜矽層可用以取代n-矽層304及n-矽層306，藉以增加第一吸收區的光吸收作用。
閘極314可耦接於閘極控制信號322。閘極控制信號322控制一自由電子流，使自由電子流由p-矽區304往n+矽區316傳遞。舉例來說，當閘極控制信號322之一電壓超過一臨界電壓時，堆積在p+矽區304下方之一區的自由電子會漂移至n+矽區316。n+矽區316可耦接於讀出電路324；讀出電路324可類似於在圖2中所述的讀出電路224。
在近紅外光模式，光信號320為一近紅外光信號；其中，歸因於矽對近紅外光信號的低吸收率，光信號320會通過第一吸收區，而第二吸收區會吸收光信號320並產生複數光載子。本質鍺矽區310接收一光信號320，並將光信號320轉換為複數電信號。p+鍺矽區312可排斥本質鍺矽區310產生的光電子，藉以避免表面複合，進而增加載子收集效率。
在近紅外光模式，感測器控制信號326用以提供一第二感測器控制準位以允許在本質鍺矽區310中的複數自由電子進入第一吸收區。舉例來說，第二感測器控制準位可為-1.2伏特，藉此p-矽區208為空乏區，且在本質鍺矽區310中的自由電子可進入n-矽區306。類似於在可見光模式所述方式控制閘極控制信號322，在n-矽區306所收集的自由電子可傳遞至讀出電路324。
雖然在圖3中並未示出，然而在某些實施方式中，光電二極體300中的第一吸收區及第二吸收區可經製作而改以收集電洞而非收集電子。在前述條件下，p-矽基板302可由一n-矽基板所取代，p-矽區304可由一n-矽區所取代，n-矽區306可由一p-矽區所取代，n+矽區316可由一p+矽區所取代，以及p+鍺矽區312可由一n+鍺矽區所取代。
請參見圖4，其繪示依照本發明之又一具有貫穿結構以供感測可見光信號及近紅外光信號之光電二極體400之示意圖。在圖4中，光電二極體400包含一第一吸收區及一第二吸收區；第一吸收區用以將一可見光信號轉換為複數光載子，第二吸收區用以將一近紅外光信號轉換為複數光載子。一感測器控制信號426控制可見光轉換的光載子或近紅外光轉換後的光載子，使其轉移至一讀出電路424。光電二極體400可例如為在圖1中所繪示之感測層108中的光電二極體。
光電二極體400包含p-矽基板402、一p+矽區404、一n-矽區406、一p-矽區408、一本質鍺矽區410、一p+鍺矽區412、一閘極414、一n+矽區416、一閘極控制信號422、感測器控制信號426及讀出電路424；閘極控制信號422耦接於閘極414，感測器控制信號426耦接於p+鍺矽區412，讀出電路424耦接於n+矽區416。在某些實施方式中，用以將一可見光信號轉換為複數載子的第一吸收區可包含p+矽區404、n-矽區406及p-矽區408；p+矽區404、n-矽區406及p-矽區408類似於在圖2中所述的p+矽區204、n-矽區206及p-矽區208。在某些實施方式中，用以將一近紅外光信號轉換為複數載子的第二吸收區可包含本質鍺矽區410及p+鍺矽區412。p+鍺矽區412可具有一p+摻雜；其中，當本質鍺矽區410為鍺，且摻雜有硼時，摻雜濃度可為製程所能提供的最大摻雜濃度，例如︰約5x1020 cm-3 。在此，本質鍺矽區410為一平台結構，並由一絕緣材430所圍繞，本質鍺矽區410可使用選擇性鍺磊晶成長技術來實現。
光電二極體400的第一光吸收區吸收光信號420。光信號420可類似於在圖2中所述的光信號220，並可為一可見光信號或一近紅外光信號。當光信號420為一可見光信號時，第一吸收區可吸收可見光信號並產生複數光載子。當光信號220為一近紅外光信號時，第一吸收區可對近紅外光呈現光學透明或近光學透明，且第二吸收區可吸收近紅外光信號並產生複數光載子。當應用一貫穿式濾波器時，感測器控制信號426可控制在可見光模組或近紅外光模式操作的光電二極體400。
雖然在圖4中並未示出，然而在某些實施方式中，光電二極體400中的第一吸收區及第二吸收區可經製作而改以收集電洞而非收集電子。在前述條件下，p-矽基板402可由一n-矽基板所取代，p+矽區404可由一n+矽區所取代，n-矽區406可由一p-矽區所取代，p-矽區408可由一n-矽區來取代，n+矽區416可由一p+矽區所取代，以及p+鍺矽區412可由一n+鍺矽區所取代。
請參見圖5，其繪示依照本發明之一具有一混合結構以供感測可見光信號及近紅外光信號之光電二極體500之示意圖。在圖5中，光電二極體500包含一第一二極體、一第二二極體、一NMOS電晶體及一PMOS電晶體；第一二極體用以將一可見光信號轉換為複數光載子，第二二極體用以將一近紅外光信號轉換為複數光載子；NMOS電晶體用以將第一二極體產生的光載子（主要為電子）傳遞至一第一讀出電路，PMOS電晶體用以將第二二極體產生的光載子、主要電洞傳遞至一第二讀出電路。光電二極體500可例如為在圖1中所繪示之感測層108中的光電二極體。
光電二極體500包含製造於一p-矽基板502上方之一n-矽區504及一p-矽區506，p-矽基板502可少量摻雜有一p-雜質，p-雜質可例如為硼。n-矽區504可少量摻雜有一n-雜質，n-雜質可例如磷。p-矽層506可少量摻雜有一p-雜質，p-雜質可例如硼。NMOS電晶體可包含一第一n+矽區514、一p-矽區518、一第二n+矽區516及一NMOS閘極520；一NMOS閘極控制信號522可耦接於NMOS閘極520，且一第一讀出電路524可耦接於第二n+矽區516。
第二二極體可包含一p-鍺矽區508、一本質鍺矽區510及一n+鍺矽區512。在某些實施方式中，本質鍺矽區510的厚度可介於0.05μm至2μm之間。n+鍺矽層512可具有一n+摻雜；其中，當本質鍺矽區510為鍺，且摻雜有磷時，n+鍺矽層512的n+摻雜的摻雜濃度可為製程所能達到的最高濃度，例如︰約5x1020 cm-3 。p-鍺矽區508可少量摻雜有p-雜質；舉例來說，當p-鍺矽區508為鍺時，p-雜質可為硼。PMOS電晶體可包含一第一p+矽區534、一n-矽區528、一第二p+矽區536及一PMOS閘極530；一PMOS閘極控制信號538可耦接於PMOS閘極530，一第二讀出電路532可耦接於第二p+矽區536。雖然在圖5中並未示出，但n+鍺矽區512可具有相反極性；也就是說，n+鍺矽區512可為一p+鍺矽區，藉以在鍺矽區形成一p-i-n垂直摻雜分布。
請參見圖6A至6C，其等分別繪示依照本發明之一供操作光電二極體500或其它類似結構之電路系統600之示意圖。在圖6A中，電路系統600包含一矽二極體606、一鍺矽二極體604、一PMOS電晶體602及一NMOS電晶體608；矽二極體606、鍺矽二極體604、PMOS電晶體602及NMOS電晶體608可分別對應於圖5所示的第一二極體、第二二極體、PMOS電晶體及NMOS電晶體。NMOS電晶體608的源極耦接於矽二極體606的n端，NMOS電晶體608的汲極耦接於一第一讀出電路624，NMOS電晶體608的閘極耦接於一NMOS閘極控制信號622。PMOS電晶體602的源極耦接於矽二極體606及鍺矽二極體604的p端，PMOS電晶體608的汲極耦接於一第二讀出電路632，PMOS電晶體608的閘極耦接於一PMOS閘極控制信號638。鍺二極體604的n端耦接於一電壓源VDD。雖然在圖6A中並未示出，然第一讀出電路624及第二讀出電路632可分別為由一重置閘極、一源極隨耦器及一選擇閘極所構成之一三電晶體結構或其它用以處理自由載子的電路。
請參見圖6B，在可見光模式，PMOS電晶體602的汲極耦接於一電壓源VSS；藉由激活第二讀出電路632的重置閘極以耦接PMOS電晶體602的汲極於第二讀出電路632的電壓源VSS，即可實現上述耦接。在可見光模組中，矽二極體606吸收光信號並產生複數電子電洞對。舉例來說，在圖5中，當光信號504落在可見光光譜中時，n-矽區504會吸收光信號504並產生電子電洞對。電壓源VDD及VSS可分別為1.2伏特及-1.2伏特。
在圖6B中，當NMOS電晶體608接收NMOS閘極控制信號622而導通時，由矽二極體606產生的複數自由電子可經由導通的NMOS電晶體608傳遞至第一讀出電路624。舉例來說，在圖5中，當NMOS閘極520接收NMOS閘極控制信號522而導通時，堆積在n-矽區504的複數自由電子可由第一n+矽區514往第二n+矽區516傳遞；其中，第一讀出電路524可收集、儲存或處理電子。
復參見圖6B，當PMOS電晶體602接收PMOS閘極控制信號638而導通時，由矽二極體606產生的複數自由電洞可經由導通的PMOS電晶體602傳遞至電壓源VSS。歸因於鍺矽二極體的暗電流遠大於矽二極體的暗電流，故在可見光模式中，需由鍺矽二極體604來盡量降低或消除雜訊電流(例如暗電流)。其次，因鍺矽二極體604的n端耦接於一電壓源VDD，因此，由鍺矽二極體604產生的自由電子會傳遞至電壓源VDD。類似地，因鍺矽二極體604的p端耦接於用以導通PMOS電晶體602的一電壓源VSS，故由鍺矽二極體604產生的自由電洞會傳遞至電壓源VSS。由鍺矽二極體604產生的複數光載子不會傳遞至第一讀出電路624，藉此可增加光電二極體600在可見光模式的整體效能。
請參見圖6C。在近紅外光模式，NMOS電晶體608的汲極耦接於一電壓源VDD；這可藉由激活第一讀出電路624的重置閘極以讓NMOS電晶體608的汲極耦接於第一讀出電路624的電壓源VDD來實現。在近紅外光模式，鍺矽二極體604吸收光信號並產生複數電子電洞對；舉例來說，若圖5中所示的光信號540落在紅外光光譜中時，n-矽區504及p-矽區506對光信號540呈現光學透明，本質鍺矽區510會吸收光信號540以產生複數電子電動對。電壓源VDD可為1.2伏特。
在圖6C中，當PMOS電晶體602受PMOS閘極控制信號638致能而導通時，由鍺矽二極體604產生的自由電子可傳遞至第二讀出電路632。舉例來說，在圖5中，當PMOS閘極530受PMOS閘極信號致能時，堆積在p-矽區506的自由電洞可從第一第一p+矽區534向第二p+矽區536傳遞；其中，第二讀出電路532可收集、儲存及處理電洞。
復參閱圖6C，由鍺矽二極體604產生的自由電子可傳遞至耦接於鍺矽二極體604的n端的電壓源VDD。歸因於矽二極體606的p端耦接於PMOS電晶體602，由矽二極體606產生的自由電子也會傳遞至第二讀出電路632。因矽二極體的暗電流會遠小於鍺矽二極體的暗電流，上述狀況尚能被接受。其次，歸因於矽二極體606的n端耦接於一電壓源VDD以供使NMOS電晶體導通，故由矽二極體606產生的自由電子會被傳遞至電壓源VDD。
雖然在圖5及圖6A中並未示出，但在某些實施方式中，第一二極體(例如︰矽二極體606)及第二二極體(例如︰鍺矽二極體604)可選擇性地設計使具有相反極性來收集複數電洞及複數電子。在前述條件下，p-矽基板502可由一n-矽基板所取代，p-矽區506可由一n-矽區所取代，n-矽區504可由一p-矽區所取代，p+鍺矽區512可由一n+鍺矽區所取代，p+鍺矽區512可由一n+鍺矽區所取代，NMOS電晶體可由一PMOS電晶體所取代，且PMOS電晶體可由一NMOS電晶體所取代。在某些實施方式中，第一二極體及第二二極體可使用不同的材料製成。舉例來說，第二二極體可用鍺錫合金以供感測紅外光波段內的光信號。
請參閱圖7，其繪示依照本發明之一具有一混合結構以供感測可見光信號及近紅外光信號之光電二極體700之示意圖。在圖7中，光電二極體700包含一第一吸收區及一第二吸收區；第一吸收區用以將一可見光信號轉換為複數電子電洞，第二吸收區用以將一紅外光信號轉換為複數電子電洞控制﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽。第一吸收區產生的複數自由電子受第一閘極控制信號722的控制以傳遞一第一讀出電路724，第二吸收區產生的複數自由電洞受第二閘極控制信號738的控制以傳遞至一第二讀出電路732，光電二極體700可例如為在圖1中所繪示之感測層108中的光電二極體。
在某些實施方式中，第一吸收區可包含一n-矽區704及一p-矽區706，n-矽區704及p-矽區706製造於一p-矽基板702中；p-矽基板702可少量摻雜有一p-雜質，p-雜質例如為硼。n-矽區704可少量摻雜有一n-雜質，n-雜質例如為磷。p-矽區706可少量摻雜一p-雜質，p-雜質例如為硼。第二吸收區可包含一p-鍺矽區708、一本質鍺矽區710及一n+鍺矽區712。在某些實施方式中，本質鍺矽區710的厚度可例如介於0.05μm至2μm之間。n+鍺矽區712可具有一n+摻雜；其中，當本質鍺矽區710為鍺，且摻雜有磷時，n+鍺矽區712的n+摻雜的摻雜濃度可為製程所能達到的最高濃度，例如︰5x1020 cm-3 。p-鍺矽區708可少量摻雜有一p-摻雜；舉例來說，當本質鍺矽區710為鍺時，p-鍺矽區708可摻雜硼。
n-矽區704接收一光信號740。當光信號740為一可見光信號，n-矽區704吸收光信號740，並將光信號740轉換為複數自由電子。在p-矽區706及n-矽區704之間的一內嵌電位在此二區建立一電場；其中，由n-矽區704產生的複數自由電子會因電場而漂移/擴散至在p-矽區下方之一區。
一第一閘極720可耦接於第一閘極控制信號722。舉例來說，第一閘極720可耦接於一電壓源；其中，第一閘極控制信號722可為電壓源提供之一時變電壓信號。第一閘極控制信號722可控制一自由電子流，使自由電子流在低於p-矽區706之一區往一n+矽區716傳遞。舉例來說，當第一閘極控制信號722之一電壓超過一臨界電壓時，堆積在p-矽區706下方之一區的自由電子會漂移至n+矽區716以供收集。n+矽區716可耦接於第一讀出電路724；第一讀出電路724可類似於在圖2中所述的讀出電路224。
若光信號740為一紅外光信號，則紅外光信號會通過第一吸收區並由第二吸收區所吸收。第二吸收區接收紅外光信號，並將紅外光信號轉換為複數電信號。歸因為p-鍺矽區708的厚度薄(例如︰50~150nm)，因此光信號740會進入本質鍺矽區710；其中，本質鍺矽區710吸收光信號740，並將光信號740轉換為複數自由載子。n+鍺矽區712可防止本質鍺矽區710產生的電洞發生表面複合，藉此可增加載子收集效率。
在本質鍺矽區710的光生自由電洞可漂移或擴散至p-矽區706。p-鍺矽區708可斥拒在本質者矽區710的光生自由電子，藉以防止自由電子進入p-矽區706。在某些實施方式中，一電壓源VDD可耦接於n+鍺矽區712，藉以在第二吸收區建立一電場；如此一來，自由電洞可往p-矽區706漂移或擴散，而自由電子可傳遞至電壓源VDD。
第二閘極730可耦接於第二閘極控制信號738。舉例來說，第二閘極730可耦接於一電壓源；其中，第二閘極控制信號738可為電壓源提供之一時變電壓信號。第二閘極控制信號738控制一自由電洞流，使自由電洞流從p-矽區706往p+矽區736傳遞。舉例來說，當第二閘極控制信號738之一電壓超過一臨界電壓時，堆積在p-矽區706下方之一區的自由電子會漂移至一p+矽區736。p+矽區736可耦接於第二讀出電路732；其中，第二讀出電路732用以對所收集到的電信號進行進一步地處理。
雖然在圖7中並未示出，但在某些實施方式中，第一吸收區及第二吸收區可選擇性地設計使具有相反極性以供收集複數電洞及複數電子。在前述條件下，p-矽基板702可由一n-矽基板所取代，p-矽區706可由一n-矽區所取代，n-矽區704可由一p-矽區所取代，n+鍺矽區712可由一p+鍺矽區所取代，p-鍺矽區708可由一n-鍺矽區所取代，n+矽區716可由一p+矽區所取代，n-矽區728可由一p-矽區所取代，p+矽區736可由一n+矽區所取代。NMOS電晶體可由PMOS電晶體所取代，且PMOS電晶體可由NMOS電晶體所取代。又，雖然在圖7中並未示出，但在某些實施方式中，n+鍺矽區712可具有不同極性，意即n+鍺矽區712可為一p+鍺矽區，藉以在鍺矽區形成一p-i-p垂直摻雜分布。
請參閱圖8，其繪示依照本發明之另一具有一混合結構以供感測可見光信號及近紅外光信號之光電二極體800之示意圖。類似於圖7所繪示的光電二極體700，圖8所繪示的光電二極體800包含一第一吸收區及一第二吸收區；第一吸收區用以將一可見光信號轉換為複數自由電子，第二吸收區用以將一紅外光信號轉換為複數自由電洞控制﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽。第一吸收區產生的電子電洞受第一閘極控制信號822的控制以傳遞一第一讀出電路824，第二吸收區產生的電子電洞受第二閘極控制信號838的控制以傳遞至一第二讀出電路832，光電二極體800可例如為在圖1中所繪示之感測層108中的光電二極體。
在某些實施方式中，第一吸收區可包含一n-矽區804及一p+矽區806，n-矽區804及p+矽區806形成於p-矽基板802。第二吸收區可包含一p+鍺矽區808、一本質鍺矽區810及一n+鍺矽區812。第一吸收區及第二吸收區利用一第一摻雜晶圓850及第二摻雜晶圓852接合，且第一吸收區及第二吸收區電性耦接於一或多個互連件842。
當光信號840為一可見光信號時，光電二極體800的操作方式類似於在圖7中所示的光電二極體700。當光信號840為近紅外光信號時，則紅外光信號會通過第一吸收區、第一摻雜基板850及第二摻雜基板852，並由第二吸收區所接收。第二吸收區接收紅外光信號，並將紅外光信號轉換為複數電信號。歸因為p+鍺矽區808的厚度薄(例如︰50~150nm)，因此光信號840會進入本質鍺矽區810；其中，本質鍺矽區810吸收光信號840，並將光信號840轉換為複數自由載子。n+鍺矽區812可防止本質鍺矽區810產生的電洞發生表面複合，藉此可增加載子收集效率。在本質鍺矽區810中的光生自由電洞可經由一或多個互連件842傳遞至p+矽區806。在本質鍺矽區810中的光生自由電子可被p+鍺矽區808排斥，而避免進入p+矽區806。
在某些實施方式中，一(汲極供應)電壓源VDD可耦接於n+鍺矽層812以在第二吸收區建立一電場；藉此，自由電洞可經由互連件842向p+矽區806漂移或擴散，而自由電子可傳遞至電壓源VDD。第二閘極830可耦接於第二閘極控制信號838。第二閘極控制信號838可控制一自由電洞流，使自由電洞流由p+矽區806往一p+矽區836傳遞。p+矽區836可耦接於第二讀出電路832以對所收集到的電信號進行更進一步地處理。
雖然在圖8中並未示出，但在某些實施方式中，第一吸收區及第二吸收區可選擇性地設計使具有相反極性以供收集複數電洞及複數電子。在前述條件下，p-矽基板802可由一n-矽基板所取代，p+矽區806可由一n+矽區所取代，n-矽區804可由一p-矽區所取代，n+鍺矽區812可由一p+鍺矽區所取代，p+鍺矽區808可由一n+鍺矽區所取代，一n+矽區816可由一p+矽區所取代，一n-矽區828可由一p-矽區所取代，p+矽區836可由一n+矽區所取代。
請參閱圖9，其繪示依照本發明之再一具有一混合結構以供感測可見光信號及近紅外光信號之光電二極體900之示意圖。類似於圖7所繪示的光電二極體700，圖9所繪示的光電二極體900包含一第一吸收區及一第二吸收區；第一吸收區用以將一可見光信號轉換為複數光載子，第二吸收區用以將一紅外光信號轉換為複數控制﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽光載子。第一吸收區產生的複數自由電子受一第一閘極控制信號922的控制以傳遞一第一讀出電路924，第二吸收區產生的自由電洞受一第二閘極控制信號938的控制以傳遞至一第二讀出電路932，光電二極體900可例如為在圖1中所繪示之感測層108中的光電二極體。
在某些實施方式中，第一吸收區可包含一n-矽區904及一p-矽區906，第二吸收區可包含一p-鍺矽區908、一本質鍺矽區910及一n+鍺矽區912。p-鍺矽區908可利用一側向應變稀釋(lateral strain dilution)技術或一長寬比捕獲(aspect ratio trapping)技術以形成在一絕緣層(例如為氧化層)942的一蝕刻區中，藉以形成極少缺陷或零缺陷之鍺平台或鍺矽平台；如此一來，可以降低暗電流並具有極佳的靈敏度/動態範圍。側向應變稀釋技術係揭示於美國專利申請號15/216,924，專利名稱為「High Efficiency Wide Spectrum Sensor」之專利申請案中。
當光信號940為一可見光信號時，光電二極體900的操作方式類似於在圖7中所示的光電二極體700。當光信號940為近紅外光信號時，則紅外光信號會通過第一吸收區，並由第二吸收區所接收。第二吸收區接收紅外光信號，並將紅外光信號轉換為複數電信號。歸因為p-鍺矽區908的厚度薄(例如︰50~150nm)，因此光信號940會進入本質鍺矽區910；其中，本質鍺矽區910吸收光信號940，並將光信號940轉換為複數自由載子。n+鍺矽區912可防止本質鍺矽區910產生的電洞發生表面複合，藉此可增加載子收集效率。在本質鍺矽區910中的光生自由電洞可經由p-鍺矽層908傳遞至p-矽區906。在本質鍺矽區910中的光生自由電子可被p-鍺矽區908排斥，而避免進入p-矽區906。
在某些實施方式中，一(汲極供應)電壓源VDD可耦接於n+鍺矽層912，藉以在第二吸收區建立一電場；藉此，自由電洞可經由p-鍺矽區908向p-矽區906漂移或擴散，而自由電子可傳遞至電壓源VDD。第二閘極930可耦接於第二閘極控制信號938。第二閘極控制信號938可控制一自由電洞流，使自由電洞流由p-矽區906往一p+矽區936傳遞。p+矽區936可耦接於第二讀出電路932以對所收集到的電信號進行更進一步地處理。
雖然在圖9中並未示出，但在某些實施方式中，第一吸收區及第二吸收區可選擇性地設計使具有相反極性以供收集複數電洞及複數電子。在前述條件下，一p-矽基板902可由一n-矽基板所取代，p-矽區906可由一n-矽區所取代，n+鍺矽區912可由一p+鍺矽區所取代，p-鍺矽區908可由一n-鍺矽區所取代，一n+矽區916可由一p+矽區所取代，一n-矽區928可由一p-矽區所取代，p+矽區936可由一n+矽區所取代。
請參閱圖10，其繪示依照本發明之又一具有一混合結構以供感測可見光信號及近紅外光信號之光電二極體1000之示意圖。類似於圖7所繪示的光電二極體700，圖10所繪示的光電二極體1000包含一第一吸收區及一第二吸收區；第一吸收區用以將一可見光信號轉換為複數電子電洞，第二吸收區用以將一紅外光信號轉換為複數電子電洞控制﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽。第一吸收區產生的自由電子受一第一閘極控制信號1022的控制以傳遞一第一讀出電路1024，第二吸收區產生的自由電洞受第二閘極控制信號1038的控制以傳遞至一第二讀出電路1032，光電二極體1000可例如為在圖1中所繪示之感測層108中的光電二極體。
在某些實施方式中，第一吸收區可包含一n-矽區1004及一p+矽區1006；n-矽區1004及一p+矽區1006形成於一p-基板1002上方。第二吸收區可包含一p+鍺矽區1008、一本質鍺矽區1010及一n+鍺矽區1012。第一吸收區及第二吸收區利用一第一摻雜晶圓1050及第二摻雜晶圓1052接合，且第一吸收區及第二吸收區電性耦接於一或多個互連件1044。n+鍺矽區1012可利用一側向應變稀釋技術或一長寬比捕獲技術以形成在一絕緣層(例如為氧化層)1042的一蝕刻區中，藉以形成極少缺陷或無缺陷之鍺平台或鍺矽平台；如此一來，可以降低暗電流並具有極佳的靈敏度/動態範圍。側向應變稀釋技術係揭示於美國專利申請號15/216,924，專利名稱為「High Efficiency Wide Spectrum Sensor」之專利申請案中。
當光信號1040為一可見光信號時，光電二極體1000的操作方式類似於在圖7中所示的光電二極體700。當光信號1040為近紅外光信號時，則紅外光信號會通過第一吸收區，並由第二吸收區所接收。第二吸收區接收紅外光信號，並將紅外光信號轉換為複數電信號。歸因為p+鍺矽區1008的厚度薄(例如︰50~150nm)，因此光信號1040會進入本質鍺矽區1010；其中，本質鍺矽區1010吸收光信號1040，並將光信號1040轉換為複數自由載子。n+鍺矽區1012及絕緣層1042可防止本質鍺矽區1010產生的電洞發生表面複合，藉此可增加載子收集效率。在本質鍺矽區1010中的光生自由電洞可經由一或多個互連件1044傳遞至p+矽區1006。在本質鍺矽區1010中的光生自由電子可被p+鍺矽區1008排斥，而避免進入p+矽區1006。
在某些實施方式中，一(汲極供應)電壓源VDD可耦接於n+鍺矽層1012以在第二吸收區建立一電場；藉此，自由電洞可經由互連件1044向p+矽區1006漂移或擴散，而自由電子可傳遞至電壓源VDD。一第二閘極1030可耦接於第二閘極控制信號1038。第二閘極控制信號1038可控制一自由電洞流，使自由電洞流由p+矽區1006往一p+矽區1036傳遞。p+矽區1036可耦接於第二讀出電路1032以對所收集到的電信號進行更進一步地處理。
雖然在圖10中並未示出，但在某些實施方式中，第一吸收區及第二吸收區可選擇性地設計使具有相反極性以供收集複數電洞及複數電子。在前述條件下，p-矽基板1002可由一n-矽基板所取代，p+矽區1006可由一n+矽區所取代，n-矽區1004可由一p-矽區所取代，n+鍺矽區1012可由一p+鍺矽區所取代，p+鍺矽區1008可由一n+鍺矽區所取代，一n+矽區1016可由一p+矽區所取代，一n-矽區1028可由一p-矽區所取代，p+矽區1036可由一n+矽區所取代。
請參見圖11，其繪示依照本發明之一用以感測可見光信號、近紅外光信號並供時差測距應用之整合性光電二極體陣列1100之上視圖。在圖11中，光電二集體陣列1100包含包含一近紅外光(以下稱NIR)/時差測距(以下稱TOF)/可見光(以下稱VIS)像素1102；NIR/TOF/VIS像素1102包含一NIR閘極1106、一第一TOF閘極1112、一第二TOF閘極1114及一VIS閘極1108。NIR閘極1106及VIS閘極1108所使用的電荷讀出控制類似於在圖2、圖3、圖4、圖5、圖7、圖8、圖9或圖10中所述的光電二極體200、300、400、500、700、800、900或1000的讀出控制；第一TOF閘極1112及第二TOF閘極1114所使用的電荷讀出控制類似於在圖15中所示之光電二極體1500及美國專利申請號15/228,282之專利申請案中所記載的電荷讀出控制。耦接於NIR閘極1106、第一TOF閘極1112及第二TOF閘極1114的讀出電路會收集相同形式的載子，耦接於VIS閘極1108的讀出電路會收集相反形式的載子。舉例來說，若NIR閘極1106、第一TOF閘極1112及第二TOF閘極1114的讀出電路用以收集電子，則VIS閘極1108用以收集電洞。相反地，若NIR閘極1106、第一TOF閘極1112及第二TOF閘極1114的讀出電路用以收集電洞，則VIS閘極1108的讀出電路用以收集電子。
請參見圖12，其繪示本發明之另一用以感測可見光及供時差測距應用之整合性光電二極體陣列1200之上視圖。光電二極體陣列1200包含一TOF/VIS像素1202。TOF/VIS像素1202包含一第一TOF閘極1212、一第二TOF閘極1214及一VIS閘極1208。VIS閘極1208所使用的電荷讀出控制類似於在圖2、圖3、圖4、圖5、圖7、圖8、圖9或圖10中所述的光電二極體200、300、400、500、700、800、900或1000的讀出控制，第一TOF閘極1212及第二TOF閘極1214所使用電荷讀出控制類似於在圖15中所示之光電二極體1500及美國專利申請號15/228,282之專利申請案中所記載的電荷讀出控制。耦接於第一TOF閘極1212及第二TOF閘極1214的讀出電路會收集相同形式的載子，且耦接於VIS閘極1208的讀出電路會收集相反形式的載子。舉例來說，若第一TOF閘極1212及第二TOF閘極1214的讀出電路用以收集電子，則VIS閘極1208用以收集電洞；相反地，若第一TOF閘極1212及第二TOF閘極1214的讀出電路用以收集電洞，則VIS閘極1208的讀出電路用以收集電子。
請參見圖13，其繪示依照本發明之再一用以感測可見光信號及近紅外光信號之光電二極體1300之示意圖。在圖13中，光電二極體1300包含一近紅外光像素(以下稱NIR像素)1350以供收集複數電洞，以及一可見光像素1352以供收集電子；其中，NIR像素1350及可見光像素1352形成於一共同基板上方。NIR像素1350及可見光像素1352之間可不利用隔離結構進行分隔。NIR像素1350用以感測在近紅外光波段內之一光信號，可見光像素1352用以感測在可見光波段(例如︰藍光及/或綠光及/或紅光)之一光信號。NIR像素1350及可見光像素1352可例如為在圖1中所繪示之感測層108中的光電二極體。
可見光像素1350用以收集複數自由電子並產生光生載子；可見光像素1350包含一n-矽區1304、一n+矽區1316、一p-矽區1306、一第一閘極1320、一第一閘極控制信號1322及一第一讀出電路1324，第一閘極控制信號1322耦接於第一閘極1320，第一讀出電路1324耦接於n+矽區1316。歸因為p-矽區1306的厚度薄(例如︰50~150nm)，因此光信號1342會進入n-矽區1304；其中，n-矽區1304吸收光信號1342，並將光信號1342轉換為複數自由載子。在某些實施方式中，光信號1342可先利用一濾光器(未圖示)進行波段篩選；其中，前述濾光器可例如為在圖1所示之濾光層110中的濾光器。在某些實施方式中，光信號1342的光型可由圖13中未示出的透鏡加以整形；其中，前述透鏡可例如為圖1所示之透鏡層112中的透鏡。
一於p-矽區1306及n-矽區1304的內嵌電位在此二區建立一電場；其中，由n-矽區1304產生的複數自由電子因電場而漂移/擴散至位於p-矽區1306下方的一區。第一閘極1320可耦接於第一閘極控制信號1322。舉例來說，第一閘極1320可耦接於一電壓源；其中，第一閘極控制信號1322可為電壓源提供之一時變電壓信號。第一閘極控制信號1322控制一自由電子流，使自由電子流由p-矽區1306下方的一區往n+矽區1316傳遞。舉例來說，當閘極控制信號1322之一電壓超過一臨界電壓時，堆積在p-矽區1306下方之一區的自由電子會漂移或擴散至n+矽區1316以供收集。n+矽區1316可耦接於第一讀出電路1324；第一讀出電路1324用以處理所收集到的複數電路號，且第一讀出電路1324可類似於在圖2中所述的讀出電路224。
NIR像素1350用以收集複數自由電洞並產生複數光生載子。NIR像素1350包含一n-矽區1328、一p+矽區1336、一第二閘極1330、一第二閘極控制信號1338、一第二讀出電路1332、一n+鍺矽區1312、一本質鍺矽區1310及一p-鍺矽區1308，第二閘極控制信號1338耦接於第二閘極1330，第二讀出電路1332耦接於p+矽區1336。NIR像素1350和可見光像素1352共享p-矽區1306，但鍺矽平台可不形成在n-矽區1304上方。
n+鍺矽區1312接收一近紅外光信號1340，並將近紅外光信號1340轉換為複數電信號。歸因為n+鍺矽區1312的厚度薄(例如︰50~150nm)，因此近紅外光信號1340會進入本質鍺矽區1310；其中，本質鍺矽區1310吸收近紅外光信號1340，並將近紅外光信號1340轉換為複數自由載子。在某些實施方式中，本質鍺矽區1310的厚度可介於0.05μm至2μm之間。在某些實施方式中，n+鍺矽區1312可斥拒本質鍺矽區1310產生的電洞，藉以避免表面複合，進而增加載子收集效率。
本質鍺矽區1310中的光生自由電洞可漂移或擴散進入p-矽區1306。p-鍺矽區1306可斥拒在本質鍺矽區1310中的光生自由電子，藉以避免自由電子進入p-鍺矽區1308。在某些實施方式中，(汲極供應)電壓源VDD可施加於NIR像素1350，藉以在n+鍺矽區1312及p-矽區1308建立一電場；如此一來，自由電洞可向p-矽區1306漂移或擴散，自由電子可向n+鍺矽區1312漂移或擴散。
第二閘極1330可耦接於第二閘極控制信號1338。第二閘極控制信號1338控制一自由電洞流，使自由電洞流由p-矽區1306往p+矽區1336傳遞。舉例來說，當第二閘極控制信號1338之一電壓超過一臨界電壓時，堆積在p-矽區1306的自由電洞會漂移或擴散至p+矽區1336。p+矽區1336可耦接於第二讀出電路1332；第二讀出電路1332用以處理所收集到的複數電信號。
雖然在圖13中並未示出，但在某些實施方式中，可見光像素1352可選擇性地設計使具有相反極性以供收集複數電洞而非複數電子，且NIR像素1350可選擇性地設計使具有相反極性以供收集複數電子而非複數電洞。在前述條件下，一p-矽基板1302可由一n-矽基板所取代，p-矽區1306可由一n-矽區所取代，n-矽區1304和1328可分別由p-矽區所取代，p+矽區1336可由一n+矽區所取代，n+矽區1316可由一p+矽區所取代，n+鍺區1316可由一p+矽區所取代，n+鍺矽區1312可由一p+鍺矽區所取代，p-鍺矽區1308可由一n-鍺矽區所取代。在某些實施方式中，在圖13中所示的光信號的傳遞方向可依設計、封裝或應用而反向。舉例來說，近紅外光信號1350可通過p-矽基板1302進入NIR像素1350，且可見光信號1342可通過p-矽基板1302及n-矽區1304進入可見光像素1352。
請參見圖14，其繪示依照本發明之又一用以感測可見光信號及紅外光信號之光電二極體1400之示意圖。類似於在圖13中所述的光電二極體1300，圖14所示的光電二極體1400包含一NIR像素1450以供收集複數電洞，以及一可見光像素1452以供收集複數電子；其中，NIR像素1450及可見光像素1452形成於一共同基板。可見光像素1450包含一n-矽區1404、一n+矽區1416、一p-矽區1406、一第一閘極1420、一第一閘極控制信號1422及一第一讀出電路1424，第一閘極控制信號1422耦接於第一閘極1420，第一讀出電路1424耦接於n+矽區1416。可見光像素1452的操作方式類似於在圖13中所述的可見光像素1350。
NIR像素1450用以收集複數自由電洞並產生複數光生載子。NIR像素1450包含一n-矽區1428、一p+矽區1436、一第二閘極1430、一第二閘極控制信號1438、一第二讀出電路1432、一n+鍺矽區1412、一本質鍺矽區1410及一p-鍺矽區1408，第二閘極控制信號1438耦接於第二閘極1430，第二讀出電路1432耦接於p+矽區1436。p-鍺矽區1408可利用一側向應變稀釋技術或一長寬比捕獲技術以形成在一絕緣層(例如為氧化層)1442的一蝕刻區中，藉以形成極少缺陷或零缺陷之鍺平台或鍺矽平台；如此一來，可以降低暗電流並具有極佳的靈敏度/動態範圍。側向應變稀釋技術係揭示於美國專利申請號15/216,924，專利名稱為「High Efficiency Wide Spectrum Sensor」之專利申請案中。
n+鍺矽區1412接收一近紅外光信號1440，並將近紅外光信1440號轉換為複數電信號。歸因為n+鍺矽區1412的厚度薄(例如︰50~150nm)，因此近紅外光光信號1440會進入本質鍺矽區1410；其中，本質鍺矽區1410吸收近紅外光光信號1440，並將近紅外光光信號1440轉換為複數自由載子。在某些實施方式中，本質鍺矽區1410的厚度可介於0.05μm至2μm之間。在某些實施方式中，n+鍺矽區1412可斥拒本質鍺矽區1410產生的電洞，藉以避免表面複合，進而增加載子收集效率。
本質鍺矽區1410中的光生自由電洞可漂移或擴散進入p-矽區1406。p-鍺矽區1406可斥拒在本質鍺矽區1410中的光生自由電子，藉以避免自由電子進入p-鍺矽區1408。在某些實施方式中，(汲極供應)電壓源VDD可施加於NIR像素1450，以在n+鍺矽區1412及p-矽區1408建立一電場；藉此，自由電洞可向p-矽區1406漂移或擴散，自由電子可向n+鍺矽區1412漂移或擴散。
第二閘極1430可耦接於第二閘極控制信號1438。第二閘極控制信號1438控制一自由電洞流，使自由電洞流由p-矽區1406往p+矽區1436傳遞。p+矽區1436可耦接於用以處理所收集到的複數電信號之第二讀出電路1432。
雖然在圖14中並未示出，但在某些實施方式中，可見光像素1452可選擇性地設計使具有相反極性以供收集複數電洞而非複數電子，且紅外光像素1450可選擇性地設計使具有相反極性以供收集複數電子而非複數電洞。在前述條件下，一p-矽基板1402可由一n-矽基板所取代，p-矽區1406可由一n-矽區所取代，n-矽區1404和1428可分別由p-矽區所取代，p+鍺區1436可由一n+矽區所取代，n+鍺區1416可由一p+矽區所取代，n+鍺矽區1412可由一p+鍺矽區所取代，p-鍺矽區1408可由一n-鍺矽區所取代。在某些實施方式中，在圖14中所示的光信號的傳遞方向可依設計、封裝或應用而反向。舉例來說，NIR光信號1450可通過p-基板1402進入NIR像素1450，且可見光信號1442可通過p-矽基板1402及n-矽區1404進入可見光像素1452。
請參見圖15，其繪示依照本發明之一用以感測光信號，並將光信號轉換為電信號之多閘極光電二極體1500。多閘極光電二極體1500包含製作於一基板1502上方之一吸收層1506。基板1502可為任何適合製作半導體裝置之基板；舉例來說，基板可以為矽基板。一第一閘極1508可控制吸收層1506及一第一p+矽區1512間的耦接。一第二閘極1510可控制吸收層1506及一第二p+矽區1514間的耦接。
吸收層1506接收一光信號1513，並將光信號1513轉換為複數電信號。雖然在圖15中並未示出，但在某些實施方式中，光信號1513的傳遞方向可依設計、封裝或應用而反向。舉例來說，光信號1513可經過基板1502進入多閘極光電二極體1500。吸收層1506可選擇使對需求波長的光信號具有高吸收係數。若光信號為紅外光，則吸收層1506可為一鍺矽平台；其中，鍺矽吸收在光信號1513中的光子，並產生電子電洞對。在鍺矽平台中，可依製程及應用領域選擇鍺含量及矽含量。在某些實施方式中，吸收層1506經設計使具有一厚度t。舉例來說，對波長為850nm來說，鍺矽平台的厚度約為1µm，以使其具有相當的量子效率。在某些實施方式中，吸收層1506可經設計使具有特定形狀。舉例來說，鍺矽平台的形狀可依光信號1513在鍺矽台面的空間分佈而為圓形、方形、或矩形。在某些實施方式中，吸收層1506可經設計以具有一側向尺寸大小以接收光信號1513。舉例來說，鍺矽檯面可為圓形，且其側向尺寸d(如圖7所示)的範圍可介於1µm至50µm。
在某些實施方式中，吸收層1506可包含一n+鍺矽區1531。n+鍺矽區1531可斥拒吸收區1506表面的電洞，進而可增加裝置頻寬。多閘極光電二極體1500還包含佈值於基板1502中的一p-井區1504。
第一閘極1508耦接於一第一閘極控制信號1522及一第一讀出電路1524。第二閘極1510耦接於一第二閘極控制信號1532及一第二讀出電路1534。第一閘極1508、第一閘極控制信號1522、第一讀出電路1524、第二閘極1510、第二閘極控制信號1532及第二讀出電路1534可類似於在圖14中所述的第二閘極1428、第二閘極控制信號1438及第二讀出電路1432。
第一閘極控制信號1522及第二閘極控制信號1532用以控制因吸收光子所生成之電洞的收集。舉例來說，當第一閘極1508導通(turn on)且第二閘極1510截止(turn off)時，電洞會由p-井區1504向p+矽區1512漂移。相反地，當第一閘極1508截止，第二閘極1510導通時，電洞會由p-井區1504向p+矽區1514漂移。在某些實施方式中，可施加一電壓在n+鍺矽區1531及p-井區1504之間，藉以在吸收層1506內部的電場，藉以使電洞向p-井區1504漂移。
雖然在圖15中並未示出，但在某些實施方式中，光電二極體1500可選擇性地設計使具有相反極性來收集複數電子。在前述條件下n-矽區1502可由一p-矽區所取代，p-井區1504可由一n-井區所取代，p+矽區1512和1514可分別由n+矽區所取代，以及n+鍺矽區1531可用p+鍺矽區所取代。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。舉例來說，在本文的各實施方式中的光電二極體中，一鍺矽合金可利用一鍺錫合金來取代，藉此，可在紅外光波段取得較長的操作波長。其次，在本發明中，鍺矽合金的鍺濃度可依應用及製程限制而變化。又，在本發明中所繪之圖式用以說明及解釋工作原理。舉例來說，在圖2中，並p+鍺矽區212的方位並未限制要在底部，以及p+矽區204設在頂部是為了便於封裝及操作便利。再者，由光信號220的方向即可得知光電二極體200的方位；意即第一吸收區會先於第二吸收區吸收光信號220。
為了便於描述和說明，在本文的多個實施方式中，是使用二維剖面以做為說明依據；然而，只要在三維結構中存在相對應的二維剖面，其三維變化也應當包括在本發明的範圍內。
雖然本文包含許多細節，但這是作為對特定實施例的特定特徵的描述，不應被用來限制本發明。在本文中，單獨實施例中描述的某些特徵可以只在單個實施例中實現，但在單獨實施例中描述的特徵也可以在多個實施例中單獨或以組合方式來實現。
100:光電二極體陣列
102:基板
104:積體電路層
106:互連層
108:感測層
110:濾光層
112:透鏡層
200、300、400、500、700、800、900、1000、1100、1300、1400、1500:光電二極體
202、302、402、502、702、802、902、1002、1302、1402:p-矽基板
204、404、736、806、836、936、1006、1036、1336、1436、1512、1514:p+矽區
206、306、406、504、528、704、728、804、828、904、928、1004、1028、1304、1328、1404、1428、1502:n-矽區
208、304、408、506、518、706、906、1306、1406:p-矽區
210、310、410、510、710、810、910、1010、1310、1410:本質鍺矽區
212、312、412、808、1008:p+鍺矽區
214、314、414:閘極
216、316、416、716、816、916、1016、1316、1416:n+矽區
220、320、420、540、740、840、840、1040、1342、1513:光信號
222、322、42:2閘極控制信號
224、324、424:讀出電路
226、326、426:感測器控制信號
430:絕緣材
508、708、908、1308、1408:p-鍺矽區
512、712、812、912、1012、1312、1412、1531:n+鍺矽區
514:第一n+矽區
516:第二n+矽區
520:NMOS閘極
522、622:NMOS閘極控制信號
524、624、724、824、924、1024、1324、1424、1524:第一讀出電路
530:PMOS閘極
532、632、732、832、932、1032、1332、1432、1534:第二讀出電路
534、1512:第一p+矽區
536、1514:第二p+矽區
538、638:PMOS閘極控制信號
600:電路系統
602:PMOS電晶體
604:鍺矽二極體
606:矽二極體
608:NMOS電晶體
VDD、VSS:電壓源
720、1320、1420、1508:第一閘極
730、830、930、1030、1330、1430、1510:第二閘極
1330:第二閘極
722、822、922、1022、1322、1422、1522:第一閘極控制信號
738、838、938、1038、1338、1438、1532:第二閘極控制信號
850、10502:第一摻雜晶圓
852、1052:第二摻雜晶圓
842、1044:互連件
942、1042:絕緣層
1100、1200:光電二極體陣列
1102:NIR/TOF/VIS像素
1106:NIR閘極
1108、1208:VIS閘極
1112、1212:第一TOF閘極
1114、1214:第二TOF閘極
1202:TOF/VIS像素
1340、1440:近紅外光信號
1342、1442:可見光信號
1350、1450:NIR像素
1352、1452:可見光像素
1502:基板
1504:p-井區
1506:吸收層
圖1繪示依照本發明之一光電二極體陣列之示意圖；
圖2繪示依照本發明之一具有貫穿結構以供感測可見光及/或紅外光之光電二極體之示意圖；
圖3繪示依照本發明之又一具有貫穿結構以供感測可見光及/或紅外光之光電二極體之示意圖；
圖4繪示依照本發明之再一具有貫穿結構以供感測可見光及/或紅外光之光電二極體之示意圖；
圖5繪示依照本發明之一供感測可見光及/或紅外光之光電二極體之示意圖；
圖6A-圖6C繪示依照本發明之一電路系統之電路方塊圖；
圖7繪示依照本發明之一混合式光電二極體之示意圖；
圖8繪示依照本發明之另一混合式光電二極體之示意圖；
圖9繪示依照本發明之再一混合式光電二極體之示意圖；
圖10繪示依照本發明之又一混合式光電二極體之示意圖；
圖11繪示依照本發明之一整合性光電二極體之示意圖；
圖12繪示依照本發明之另一整合性光電二極體之示意圖；
圖13繪示依照本發明之再一整合性光電二極體之示意圖；
圖14繪示依照本發明之又一整合性光電二極體之示意圖；以及
圖15繪示依照本發明之一多閘極光電二極體之示意圖。
200:光電二極體
202:p-矽基板
204:p+矽區
206:n-矽區
208:p-矽區
210:本質鍺矽區
212:p+鍺矽區
214:閘極
216:n+矽區
220:光信號
222:閘極控制信號
224:讀出電路
226:感測器控制信號

Claims (15)

  1. 一種光學感測器，包含： 一半導體基板； 一第一閘極，其形成於該半導體基板之上； 一晶片，其形成於該半導體基板之上； 一第一光吸收區形成於該晶片中，其中該第一光吸收區用以吸收具有一第一波段之複數第一光子並產生複數第一光載子； 一接合層，其位於該半導體基板以及該晶片之間，其中該接合層的一部份位於該第一閘極以及該晶片之間； 一第二光吸收區形成於該半導體基板中，其中該第二光吸收區用以吸收具有一第二波段之複數第二光子並產生複數第二光載子； 一第一載子收集區，其形成於該半導體基板中，其中該第一載子收集區用以收集部份複數第一光載子並且具有一極性；以及 一第二載子收集區，其形成於該半導體基板中，其中該第二載子收集區用以收集部份複數第二光載子並且具有一極性，該第二載子收集區的極性與該第一載子收集區的極性相反。
  2. 如請求項1所述的光學感測器，其中該第一載子收集區收集的該部份複數第一光載子是由該第一光吸收區提供，且該光學感測器更包含： 一第一讀出區，其耦接於一第一讀出電路且具有一極性，該第一讀出區用以將該第一載子收集區收集到的該部份複數第一光載子提供給該第一讀出電路；以及一第二讀出區，其耦接於一第二讀出電路，該第二讀出區具有一極性，該第二讀出區的該極性與該第一讀出區的該極性相反。
  3. 如請求項2所述的光學感測器，其更包含： 一第一控制信號，其耦接於該第一閘極，其中該第一控制信號控制在第一載子收集區及該第一讀出區之間的載子傳輸。
  4. 如請求項2所述的光學感測器，其更包含： 一第二閘極，其形成於該半導體基板之上；以及 一第二控制信號，其耦接於該第二閘極，其中該第二控制信號控制在該第二載子收集區及該第二讀出區之間的載子傳輸。
  5. 如請求項2所述的光學感測器，其中該部份複數第一光載子與該部份複數第二光載子不同。
  6. 如請求項2所述的光學感測器，其中該第二載子收集區收集的該部份複數第二光載子是由該第二光吸收區提供，且該第二讀出區用以將該第二載子收集區收集到的該部份複數第二光載子提供給該第二讀出電路。
  7. 如請求項2所述的光學感測器，其中該第一波段不同於該第二波段。
  8. 如請求項1所述的光學感測器，其中，該第一載子收集區位於該第二載子收集區以及該第一光吸收區之間。
  9. 一種光學感測器，包含： 一半導體基板； 一第一閘極，其形成於該半導體基板之上； 一晶片，其形成於該半導體基板之上； 一第一光吸收區形成於該晶片中，其中該第一光吸收區用以吸收具有一第一波段之複數第一光子並產生複數第一光載子； 一接合層，其位於該半導體基板以及該晶片之間，其中該接合層的一部份位於該第一閘極以及該晶片之間； 一第二光吸收區形成於該半導體基板中，其中該第二光吸收區用以吸收具有一第二波段之複數第二光子並產生複數第二光載子； 一第一讀出區，其耦接於一第一讀出電路且該第一讀出區具有一極性；以及 一第二讀出區，其耦接於一第二讀出電路，該第二讀出區具有一極性，該第二讀出區的該極性與該第一讀出區的該極性相反。
  10. 如請求項9所述的光學感測器，其更包含 ： 一第二閘極，其形成於該半導體基板之上，其中該接合層的一部份位於該第二閘極以及該晶片之間。
  11. 如請求項1所述的光學感測器，其中該第一波段不同於該第二波段。
  12. 如請求項1所述的光學感測器，其中該第一光吸收區位於該第二光吸收區之上方。
  13. 一種光學感測器，包含： 一半導體基板； 一第一閘極，其形成於該半導體基板之上； 一晶片，其形成於該半導體基板之上； 一第一光吸收區形成於該晶片中，其中該第一光吸收區用以吸收具有一第一波段之複數第一光子並產生複數第一光載子； 一接合層，其位於該半導體基板以及該晶片之間，其中該接合層的一部份位於該第一閘極以及該晶片之間； 一第二光吸收區形成於該半導體基板中，其中該第二光吸收區用以吸收具有一第二波段之複數第二光子並產生複數第二光載子； 一第一載子收集區，其形成於該半導體基板中；以及 一第二載子收集區，其形成於該半導體基板中，其中該第一載子收集區位於該第二載子收集區以及該第一光吸收區之間。
  14. 如請求項13所述的光學感測器，其更包含一第一讀出區，其耦接於一第一讀出電路，該第一讀出區用以將該第一載子收集區收集到的該部份複數第一光載子提供給該第一讀出電路。
  15. 如請求項14所述的光學感測器，其更包含一第二讀出區，其耦接於一第二讀出電路，該第二讀出區用以將該第二載子收集區收集到的該部份複數第二光載子提供給該第二讀出電路。
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