TWI545792B - 光混合器及其之使用 - Google Patents

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Description

光混合器及其之使用
本發明係有關於一種光混合器(photonic mixer)，該光混合器具備具有場區(field area)之半導體基板及用以在該半導體基板中產生多數載子(majority carrier)電流和伴隨電場之裝置，該半導體基板被以第一導電型態實施摻雜，使得當電磁輻射照射於該場區內之該基板上時，成對之多數和少數載子(minority carrier)被產生於該基板之中，而造成一少數載子之光電流(photocurrent)，該基板包含；至少一個第一導電型態之注入接觸區域(injecting contact region)，以藉由將該多數載子電流注入該半導體基板而產生該多數載子電流及該伴隨電場，該接觸區域相對於該半導體基板具有較高之掺雜物濃度，以及至少一個第二導電型態之偵測器區域(detector region)，用以收集該光電流，該第二導電型態與該第一導電型態相反，該偵測器區域與該基板有接面，環繞該接面之基板區域係空乏基板區域(depleted substrate zone)。
本發明亦有關於此種光混合器之使用。
此種光混合器被稱為EP-A 1513202。此種光混合器預定用於諸如"飛行時間(time of flight；TOF)"測距(range-finding)應用。先前技術文件WO98/10255及WO99/60629闡釋用於測距應用之飛行時間量測之基本原理。光源調變於從1 MHz到1 GHZ的頻率範圍。光照亮物體和場景，而部分之反射光經由聚焦透鏡進入測距攝影機。藉由在每一像素量測入射光之相位，可以估計該像素和其在該場景中的共軛(光反射)像素區域間之距離。以此種方式，其可以估計及記錄物體之距離以及物體之形狀。
光混合器係一種用以精確量測反射光相位的裝置。該相位的精確度極為重要，因為其影響到距離估計之準確性。光混合器在偵測器中直接混合入射光，而非在連接的電子混合器之中。其因此達成低雜訊，以及較佳的信號對雜訊比和估計距離上一較小的誤差。光混合器的運作上特別重要的是施加至基板的電氣信號與電磁輻射具有相同的調變頻率。以此方式，信號的混合直接發生於基板之中。在傳統的光偵測器之中，上述之混合係於較晚的階段在分離的混合器中進行。
圖6A例示一先前技術光混合器之實施例，其透過電源90混合入射之振幅調變電磁輻射與一施加至基板1-基本地磊晶層-之電氣信號。圖6B顯示在例示於圖6A中的裝置之截線III-III'處之剖面圖。電源90施加的電氣信號產生一穿過基板1的多數電流(majority current)，例如，多數電洞流(hole current) 99。施加之電氣信號基本上係與電磁輻射以同一頻率調變，該電磁輻射基本上是光。當光子從電磁輻射照射到基板之場區而進入基板的場域之時，被轉換成為成對的電子和電洞。如同p基板1中的電子，少數載子將感受到所施加多數電洞流99產生的電場，且將朝例如電洞之多數載子之第一源極漂移，其在此實例之中例示為p+接觸區域61。接著其將擴散入包含井區(well)或集極區域67和接觸區域63之相鄰第一偵測器區域。以此方式，其變成左側混合器連接點Mix1之一輸出光電流的一部分。可能的電子軌道為軌道66，如圖6B所例示。當施加之電壓或電氣信號如圖6C所示被反相之時，多數電流的流動方向被反向，使得少數載子朝互補之接觸區域p+指狀區62漂移。之後，大部分的少數載子，意即電子，經由n井區68擴散入第二偵測器區域64，而成為右側混合器連接點Mix2之輸出光電流的部分。可能的電子軌道之一係軌道69，如圖6C所顯示。以此種方式，對入射光子敏感的場區擴大，而偵測器區域63、64由於其有限的指狀區域故僅具有一微小的電容值。諸如金屬區域60的電磁遮罩可用以防止諸如光之入射電磁輻射穿透不該進入之區域。
在先前技術的光混合器實驗中觀察到，其獲得的調變頻率明顯低於理論上估算出的最大值。其缺點在於光混合器之頻寬受限。該頻寬限制不僅限制了裝置的整體速度，同時亦在其準確性加上限制。
因此，本發明之一目的在於提出一種在前述發明所屬之技術領域段落中提及的光混合器，其適以使用於更大的調變頻率，諸如10 MHz以上，特別是100 MHz以上。
上述之目的由如申請專利範圍第1項所述之裝置達成，其中該注入接觸區域和該偵測區域形成配對，該配對更進一步包含該第一導電型態之場域整形區(field shaping zone)，界定該配對之側邊並具有掺雜物濃度高於前述半導體基板之掺雜物濃度，例如，介於半導體基板和注入接觸區域的掺雜物濃度之間，該場域整形區係設計以在側向限制前述之空乏基板區域。
其發現提供此等區域導致調變頻率之增加。咸信此等區域的提供造成場域更深入地擴充入基板內部。其亦意義重大地發現，該偵測區域與基板形成pn接面，而該至少一個場域整形區並未出現於偵測器區域下方。此不樂見之情況將阻礙少數帶電載子，基本上是電子，擴散至偵測器區域。
空乏基板區域之側向限制可以是因場域整形區對空乏基板區域劃定界限而造成。或者，該限制可以是由於電性之原因，意即，由於延伸穿過場域整形區之場域限制了空乏基板區域之擴充。又或者，該限制可以是由於幾何性之原因，意即，上述之接面具有平面或拋物線或類似形狀，而該空乏基板區域局限於其中。顯而易見地，此等限制之效應亦可以結合在一起而產生影響。一種使得該接面在一剖面視圖上具有拋物線形狀之設計被認為係有高度效益性。
在本發明之一實施例中，該偵測器區域包含偵測器接觸區域以及一偵測器集極區域彼此交接於一共同界面，該偵測器集極區域相較於該偵測器接觸區域以較低之濃度實施摻雜且被與基板間之該接面劃定界限。提供偵測器集極區域導致該接面具有較大之交界面積且使得該接面深入該基板中的程度更深。二個效果促成光電流之有效收集。該接面所處之深度可以小於、等於或大於前述場域整形區延伸之深度。該接面可以是處於大約與該場域整形區延伸之相同深度。
偵測器區域可以與其周圍之至少一個場域整形區形成pn接面。然而，其不一定要如此，且輕度摻雜之基板(基本上是p--)可以位於偵測器區域(基本上是n-)與該至少一個場域整形區(基本上是p-)之間。
在一實施例之中，該場區被至少一個接觸側向地劃定界限。此接觸在較佳實施例中係界定於該半導體基板中之一接觸區域且摻雜第一導電型態之掺雜物。更適切之情況是，該掺雜物濃度等於注入接觸區域之掺雜物濃度。選擇性地，此接觸區域與額外之場域整形區之間可以具有界面。此場域整形區在較佳實施例中側向地對該場區劃定界限。其觀察到，該至少一個接觸可以具有環形，但替代性地，亦可以是U形、L形且可以是由超過一個接觸所構成，諸如第一及第二U形接觸，或者是第一及第二長方形接觸。當該接觸具有受限制的延伸之時，任何場域整形區最好是環形而非接觸區域，該接觸可以是位於半導體基板頂部之金屬接觸或是在半導體基板中之渠狀結構內之接觸。
在另一實施例中，該半導體基板包含具有第一側和對立之第二側的作用層(active layer)，其中該偵測器區域和該注入接觸區域係位於該第一側而用以收集多數載子電流之接觸係位於該作用層之該對立之第二側。雖然之前實施例中的場域延伸主要是側向的，但此實施例具有之場域之定位主要是垂直方向，例如，垂直於該作用層之該第一側。本文以下之實施例將分別稱其為側向接觸及垂直接觸。另外之選擇係側向接觸及垂直接觸同時存在。
垂直接觸位於該作用層之該第二側。其實施方式有許多選擇，例如，該接觸可以是位於半導體基板第二側上之金屬接觸，此種情況下上述之作用層構成基板之主體。金屬接觸可以覆蓋第二側之全部，但不一定要如此。金屬接觸亦可以是位於半導體基板中自第二側蝕刻之腔穴。上述之垂直接觸或者可以是第一導電型態之隱埋區域(buried region)。此區域可以是耦接於通往作用層之第一側，例如半導體基板之主表面，的插件或是其他垂直連接。該垂直接觸在另一種形式上可以是導電(例如，經過摻雜的)基板層，例如p+基板，之頂部界面。更特定之實施方式對相關領域之熟習者應是顯而易見的。
垂直接觸之優點係較高之解析度，可以輕易地即有10倍的解析度。較高之解析度可以用以在單位表面區域上提供更多的個別混合器，或是降低光混合器之尺寸。
在極其重要的實施例之中，該光混合器係差動式光混合器。據此，至少二個由電流注入接觸區域和至少一個偵測器區域構成之配對存在於該場區之內。相對一僅具配對之光混合器，意即單端式光混合器，差動式光混合器之優點在於量測時間之降低。在其他實施例之中，場區內甚至可以存在三或更多個此等配對。第三配對允許對頻率範圍之進一步調整。具有四個配對則更有利於降低量測時間。藉由如此，在三個維度上定位物體可以在單一量測之內達成。以二個配對，在三個維度上定位一物體需要二個量測。該四個配對最好是成對運作，意即，以差動式光混合器之方式運作。然而並不排除個別運作。
其可以是僅存在垂直接觸或是側向接觸，或是二者皆存在。此實施例允許產生具有直流和交流成分之場域。交流成分之產生在於多數載子電流交替地自配對中之接觸區域注入。因此，此等接觸區域可以被提供於不同的電壓，特別是在參考位準附近之反相電壓。該參考位準基本上係接地位準(0V)，但其可以是其他數值。
其發現具有第一及第二配對以及一接觸一側向接觸或是垂直接觸-之裝置極其有利。已確知解調效率因而增加10-20%。此解調效率定義出電荷在光混合器中分離之效率，因此係電場對於形成光電流的帶電載子之影響之量測。此增加係極為可觀的，其在量測系統的速度上產生三倍的提昇。除了效能直接更好之外，額外之優點在於系統中光發射器之數目可以減少。特別是，在速度上增加二倍，光發射器之數目可以縮減四倍。
接觸區域之側向限制係被置於未振盪之電壓下，但在光子混合動作期間具有固定數值。其因此提供直流成分。此側向限制接觸區域之電壓最好是使得光電流被導向場域之中心。該側向限制接觸區域當用以在特定直流電壓位準提供相反電極時並非電流注入接觸區域。場域整形區可以位於此接觸區域下方，但不一定要如此。
前述之垂直接觸或側向接觸在較佳實施例中係做為快門(shutter)。藉此，其改變接觸上的電壓以關閉場域之直流成分，且以此確保少數載子將不會被接觸區域所吸引。其不將該快門功能實施於側向接觸或垂直接觸之上，而是進一步透過配對中的注入接觸區域實施，特別是在存在超過一個配對之情況。
在此實施例之較佳形式之中，當自上視圖查看之時，每一該配對均具有大致長方形之形狀，具有邊緣，長度及寬度界定於0.05至20間之長/寬比例，該邊緣係由至少一個場域整形區形成。在最適切之情況下，該設計使得其中之長方形形狀之配對具有中心，在該處存在具有下層場域整形區之接觸區域，一個環形或複數偵測器區域存在該邊緣內之該接觸區域之對立側上。結果證明產生之設計極其有利。上述之'大致長方形'一詞包含具有裁修角隅之長方形形狀之特別實施方式。在較佳實施例中，該注入電流區域及該偵測器區域具有拉長形狀，或是具有拉長形狀之部分。有效區域因此得以增加，從而在效能上得到提昇。
在第二特色之中，本發明提出一種光混合器，該光混合器具備具有場區之半導體基板及用以在該半導體基板中產生多數載子電流和伴隨電場之裝置，該半導體基板被以第一導電型態實施摻雜，使得當電磁輻射照射於該場區內之該基板上時，成對之多數和少數載子產生於該基板之中，而造成少數載子之光電流，該基板包含由用以將該多數載子電流注入該半導體基板之注入接觸區域以及用以收集該光電流之偵測器區域組成之配對，該注入接觸區域以高於該半導體基板之掺雜物濃度的該第一導電型態之掺雜物來摻雜，而該偵測器區域摻雜與該第一導電型態相反之第二導電型態之摻雜物，且與該半導體基板間有接面，該半導體基板在該接面周圍之區域係空乏基板區域，其中該偵測器區域係環形形狀且延伸於該注入接觸區域周圍，具有高於該半導體基板掺雜物濃度之該第一導電型態之場域整形區側向延伸於該偵測器區域周圍。
在第三特色之中，本發明提出一種光混合器，該光混合器具備具有場區之半導體基板及用以在該半導體基板中產生多數載子電流和伴隨電場之裝置，該半導體基板被以第一導電型態實施摻雜，使得當電磁輻射照射於該場區內之該基板上時，成對之多數和少數載子產生於該基板之中，而造成少數載子之光電流，該基板包含由用以將該多數載子電流注入該半導體基板之注入接觸區域以及用以收集該光電流之偵測器區域組成之配對，該注入接觸區域以高於該半導體基板之掺雜物濃度的該第一導電型態之掺雜物來摻雜，而該偵測器區域摻雜與該第一導電型態相反之第二導電型態之摻雜物，且與該半導體基板間有接面，該半導體基板在該接面周圍之區域係空乏基板區域，其中該半導體基板包含具有第一側和對立之第二側的作用層，其中該偵測器區域和該注入接觸區域係位於該第一側而用以收集該多數載子電流之接觸係位於該作用層之該對立之第二側。
本發明之前述第二及第三特色可以與任何進一步之特定實施方式以及如針對第一特色及圖式說明所述之實施例相結合。
在進一步的特色之中，本發明係有關於一種用於介於第一及第二物體間距離量測之系統，特別是針對飛行時間(TOF)之應用。此系統包含至少一個發射器，在第一調變頻率發射調變電磁輻射。其更包含光混合器，用以偵測該發射及選擇性地反射之調變電磁輻射且即時將產生之光電流混合施加之振盪信號，該振盪信號振盪於該調變頻率，該光混合器提供代表偵測到的輻射相位之輸出信號。特別是，其呈現依據本發明之光混合器。
依據本發明之光混合器之前述及其他特色將配合圖式進一步加以闡述。
本說明書之圖式並未成比例繪製，且其目的僅係用以例示。不同圖式中相同之參照編號表示相同之構件。
圖1A係本發明第一實施例之示意性上視圖，而圖1B係如圖1A所示之第一實施例於圖1A截面線條D處之示意性剖面視圖。此光混合器包含一半導體基板1。半導體基板1包含例如p型摻雜之主體矽基板。其或者可以包含其他載體，包含玻璃、藍寶石(sapphire)。該基板可以進一步是具有隱埋絕緣層之SOI型基板。半導體基板1的顯示部分在此實例之中係低摻雜磊晶成長矽晶層(epitaxially grown silicon layer；epi-layer，以下或簡稱磊晶層)，諸如基本上適用於半導體元件之定義者。在此實例之中所使用者係由p型基板所製成，且該磊晶層係p--摻雜型，如習於斯藝者所習知。其適以具有一介於10和50微米之間的厚度。該半導體基板1可以包含Si(矽)以外的其他材料，諸如SiGe、SiC、GaN、GaAs、InP。
接觸區域3、4和偵測器區域7、8係藉由將掺雜物原子以習知的方式植入基板之中而形成。接觸區域3、4係p+或p++摻雜型態。在此實例之中，偵測器區域7、8包含偵測器接觸區域(n+)以及偵測器集極區域(n-)，彼此交接於一共同之界面。偵測器區域7、8係摻雜以與第一導電型態相反之第二導電型態之掺雜物，例如，n型摻雜。偵測器接觸區域(n+)之掺雜物濃度高於偵測器集極區域(n-)之掺雜物濃度。偵測器區域7、8-在此實例之中係其中的偵測器集極區域-與基板1之間具有界面，其係接面，意即pn接面。運作時，該pn接面基本上被加上逆向偏壓。空乏基板區域101、102位於基板1中之該接面11、12的周圍。
依據本發明，其存在場域整形區13、14。該等場域整形區13、14係第一導電型態(p型)。其大致在垂直於半導體基板1之方向延伸。該等場域整形區13、14具有掺雜物濃度(p-)高於基板1之掺雜物濃度(p--)，例如介於基板1(p--)與注入接觸區域3、4(p+)的掺雜物濃度之間。該至少一個偵測器區域7、8於上視圖觀察時係位於第一及第二場域整形區13、14之間，以側向地限制該空乏基板區域101、102。場域整形區13、14延伸入基板1之例如0.5-5微米之深度，在較佳實施例中係1-2微米。第一導電型態之場域整形區13、14界定出一對注入接觸區域3、4及偵測區域7、8之側邊113。
若無該場域整形區13、14，則空乏基板區域101、102將更遠為擴大，特別是以球形延伸至基板的表面。此外，其將具有不對稱之形狀；接觸區域3、4之存在將在一側對其加以限制，但未在另一側對其加以限制。
在具有場域整形區13、14的情況下，接面11、12於如圖1B所示的剖面視圖之中具有拋物線形狀。空乏區域101、102實際上包覆於接面11、12周圍。因此，其相對於基板表面往垂直方向(亦稱為直立方向)延伸的程度高於側向延伸。當偵測器區域7、8深入基板1之程度大於場域整形區13、14時之情況亦然。
當偵測器區域7、8被限制於接觸區域(n+)之時，接面之形狀並非拋物線形或類似拋物線形。然而，場域整形區13、14在此例中將空乏區域直接側向限制於，例如，介於其間的基板區域。
在此實施例之中，光學透明電極50位於基板1的表面之上。其藉由絕緣層52，諸如氧化物，與基板表面分隔。然而，其以可以替代性地使用諸如氧化鉭(tantalumoxide)之高K介電質。該光學透明電極50可以是多晶矽(polysilicon)之疊層。其可以摻雜適當之掺雜物以增加導電性。電極50可用以藉由對電子施加排斥力而降低表面再結合(recombination)。在運作當中，其可以施加電壓於此電極50之上以增強上述之排斥力。是故，其上具有接頭51。電極50被圖案化以使其不覆蓋偵測器區域7、8、接觸區域3、4以及場域整形區13、14。其不需要覆蓋整個場區2。
圖1A之上視圖顯示此第一實施例之佈局。場域整形區13、14分別位於場區2之對立側，電磁輻射將於該處照射基板以被轉換成少數及多數載子。偵測器區域7、8和接觸區域3、4係彼此平行之拉長形區域，且分別配具接頭9、10及5、6。該等接頭9、10、5、6在此實例中被限制於區域7、8、3、4之一端，但其不一定要恰好位於該處。同一接觸區域之上可以有多個接頭。遮罩21覆蓋偵測器區域7、8以遮蔽進入之電磁輻射。
圖2係本發明一第二實施例之示意性上視圖。雖然在圖1A之中，二對偵測器區域及接觸區域被界定於場區2之邊緣處，但此實施例包含四個接觸區域3、4、15、16以及僅有二個偵測器區域7、8。額外之接觸區域15、16係位於場區2之兩端邊緣處。場域整形區19、20被界定於該等額外接觸區域15、16之下方而接頭17、18被界定於其上方。額外之接觸區域15、16係設計以在光混合動作期間被施加一固定電壓。接觸區域3、4則預定被施加交流電壓。基於此方式，其可以施加兼具交流成分及直流成分之場域。其發現此場域之施用可以限制干擾。
省略偵測器區域7、8的其中之一係本實施例之選項。其效益在於對較小之裝置縮減偵測器區域。此選項並不限於此處顯示之佈局，而是對於任何具有第一及第二對偵測器區域及接觸區域結合做為一直流反相電極之側向遠端接觸區域之實施例均有效之選項。然而，省略偵測器區域對於整體收集光電流以及光混合器之效率均可能具有重大的負面影響。在圖2的實例之中，偵測器係拉長之形式，其影響預期不大。
移除第二偵測器區域的另一個後果係循序執行的量測數目可能增加。其需要至少三個不同相位之量測以在飛行時間方法中得到一物體的距離量測。具有一個偵測器區域之情形，其僅有輸出，故依序需要三次量測。具有二個偵測器區域之情形，二次依序之量測即已足矣。若具有四個偵測器區域，則一次量測即足夠。
略去場區2邊緣之額外接觸區域15、16下方的場域整形區19、20係本實施例之另一選項。由於該等額外接觸區域15、16緊鄰的鄰近區域中並無接面及空乏基板區域，故其影響不大。然而加入此等場域整形區19、20看來有利於電場之形狀，特別是欲建立一對稱的場域之時。
圖3A-3F及圖4A-4F以簡化之示意性上視圖總共顯示十二種設計。圖3B顯示圖2中光混合器之一簡化示意性上視圖，此處僅示出必需的構件子集合。厚實心線表示用以施用多數電流之第一導電型態p+區域之接觸區域3、4、15、16。厚虛線表示偵測區域7、8。點狀線條表示偵測器集極區域與周圍區域間之交接界面11、12。厚實心線周圍之虛線表示場域整形區13、14、19、20之外邊。
圖3A係大部分與圖3B之設計相同之設計。差異處在於場域整形區內之偵測器區域及接觸區域的位置。在圖3A的設計之中，偵測器區域7、8被界定於接觸區域3、4和場區2邊緣的額外接觸區域15、16之間。在圖3B的設計之中，偵測器區域3、4被界定於接觸區域7、8和場區2邊緣的額外接觸區域15、16之間。圖3A的配置傾向於提升擴散流程之速度，其中之少數帶電載子擴散至偵測器區域7、8以構成光電流。
圖3C-3F和圖4A-4F顯示在場區2邊緣處包含環形額外接觸區域30之設計。此處該等設計之優點係場域被定位至中心而非介於第一和第二拉長型且平行的接觸區域之間。其認為此中心定位式場域有利於進一步增加調變頻率。該額外接觸區域30係位於一場域整形區31之內。圖4E及圖4F分別等同於圖3E及圖4A，除了省略場區2邊緣處環形接觸區域下方的場域整形區之外。接觸區域及偵測器區域成對出現且具有一由場域整形區所界定之長方形形狀。
第一群組之設計顯示於圖3C、圖4A及圖4D之中。此等設計包含至少一個接觸區域3、4及二偵測器區域32、33和36、37之配對。配對之邊緣由場域整形區13、14所界定。窗口區34、35及38、39位於偵測器區域32、33及36、37周圍的單一場域整形區13、14之內。接觸區域3、4位於第一及一第二偵測器區域之間。接觸區域3、4及偵測器區域32、33、36、37全部均係拉長形狀，或是包含拉長的部分。在此實例之中，各配對之定位均相同，更具體而言，二配對中之偵測器區域32、33、36、37互相平行且各自位於單一列之中，且使其較長之側邊朝向彼此。但其不一定要如此。所有的定位均可以是使得二配對中之偵測器區域32、33、36、37位於各包含二區域之二列之中，且以其較短側邊朝向彼此。其中一對可以朝另一對挪移。該二配對亦可以是位於一對角線上。該二配對之定位可以包含介於-90及+90度間的任何角度。然而，在較佳實施例中，其設計係使得配對中的接觸區域3、4平行於位於場區2邊緣處的環形接觸區域30。此外，該等配對的中心最好是位於場區2之一中線或一對角線之上。此等定位產生最規律的電場較佳對稱配置，且因此具有一干擾最少的場域。
相較於圖3C，圖4A包含每對二個額外接觸區域40、41及42、43。額外接觸區域40-43係界定於偵測器區域32、33、36、37和配對13、14的邊緣之間。雖然所顯示之U形較佳，但不排除長方形形狀或L形。相較於圖4A，圖4D之設計具有更多接觸區域。在此設計之中，顯示於圖4A中的每對中的三個接觸區域3,41,42及4,43,44被合併成8字形的接觸區域3、4。此有利於場域之分佈。
該等設計中之一第二子集合包含圖3F、圖4B及圖4C。其中之配對被構建成一連串之環形。在圖3F顯示之設計中，偵測器7、8位於各對之中心。環形接觸區域3、4環繞偵測器7、8。圖4B顯示之設計在第一場域整形區13、14之內具有內部接觸區域3、4，且在第二場域整形區23、24之內具有環形偵測器區域7、8和環形接觸區域44、45。圖4C顯示類似之設計，其中缺較外圍之環形接觸區域，使得第二場域整形區23、24空浮於最外圍。此種設計之優點在於徑向對稱延伸至每一對之中。咸信其造成極為均勻之分佈電場。選擇性地，場域整形區13、14比側向限制場域整形區23、24更加深入半導體基板。舉例而言，此可以藉由針對場域整形區13、14使用一習於斯藝者稱為深P井(Deep Pwell)之植入形式而達成。較內圍之場域整形區之較深延伸進一步改善電場之分佈。此外，該較深延伸增進接觸區域3、4及基板1之品質。特別是，該品質係藉由防止或至少降低任何源於該典型n型偵測器區域7、8之散離之負面影響而得以增進。
該較深延伸特別有利於此第二子集合之設計，且最適於結合其中之第二場域整形區23、24空浮於外圍之設計。然而，使用更深入基板的植入方式亦可以套用於任一其他子集合。例如，在圖4A所示的設計之中，較深的植入可以是位於接觸區域4下方。在該種情形下，從深井區到場域整形區的其餘部分有漸進的轉變。該深井區於此處最好是局部地置於該配對之中心。
設計之第三子集合包含圖3D及圖3E。此處，亦顯示於圖3A及圖3B中的拉長型配對係位於環形接觸區域所限制的場區之內。
圖7係關係圖，顯示先前技術之光混合器以及依據本發明之光混合器之實施例中，調變對比C與調變頻率f的關係。用以產生該實驗數據之光混合器具有如圖4A所示之設計。調變對比或調變效率定義出電荷在光混合器中分離之效率，因此係電場對於形成光電流的帶電載子之影響之量測。
先前技術之光混合器之調變對比在1 MHz以下已大幅降低。在1 MHz處，其大約是85%。在10 MHz處，其已然降低至大約40%。在100 MHz處，對比小於20%。此低對比度造成重大的缺點。依據本發明之光混合器的調變對比降低緩慢。在5 MHz處，其仍然有80%。在50 MHz附近，對比係60%，而在100 MHz處，對比仍有50%。此種優越的對比度足以達成適當之距離量測。在較高調變頻率處之對比度增加導致量測系統速度上的實質提升。除了效能直接更好之外，額外之優點在於系統中光發射器之數目可以減少。特別是，在速度上增加二倍，光發射器之數目可以縮減四倍。
圖5A係本發明第三實施例之示意性上視圖，而圖5B係如圖5A所示之第三實施例於圖5A截面線條D處之示意性剖面視圖。圖5顯示基板，其具有p--摻雜之作用層1以及在此例中p-摻雜之底部基板層80。或者，該底部基板層80可以具有較高之摻雜，諸如p+以具有導電性。此種基板係市面上可取得且為相關領域熟習者所習知。確切的摻雜程度係實施時之考量。相關領域之熟習者應能領略前述之底部基板層80係典型的單晶p摻雜型矽基板，而作用層1係磊晶層。底部接觸實際上係由該底部基板層80加上其上的金屬接觸81所構成。因此其係垂直接觸，如前所述。場域將延伸於注入接觸區域3、4和最終的金屬接觸81之間。由於底部基板層80增強之導電性，場域實際上延伸於注入接觸區域3、4和底部基板層80的頂端之間。基本上，電流經由接觸區域3、4以調變頻率注入作用層1，在第一接觸區域3和第二區域4之間交替。此等注入接觸區域3、4係位於其中之一側邊由場域整形區所界定的配對之內。
關於如前所述之發明，茲指出以下之選項：讀取電路和控制電路適於實施成單片式積體電路的形式，意即，電晶體及/或其他半導體組件係定義於半導體基板(的作用層)之中，且配具互連結構以界定所需之電路拓樸結構。光混合器之控制不僅有關於提供電壓至接觸區域，同時亦包含提供信號以重置光混合器，特別是在後續的量測之前。此種信號之提供基本上係以快門功能達成，如前所述。電磁輻射可以提供至基板的前側，但或者亦可以提供至基板的背側，特別是結合基板厚度之縮減以及選擇性地施加載體至前側。場區內可以有超過二個配對。垂直一詞在本文中之定義係參照處理期間半導體基板之方位，其中前側係位於頂端(上方)而基板表面界定側向延伸之方向。垂直從而係指正交於此基板表面。其不排除可以將拉長型之接觸區域、偵測器區域以及場域整形區域分成數個較小之區域/範圍。
本發明之特徵可以替代性地以如下之方式表示：一種光混合器，具備具有場區之半導體基板及用以在該半導體基板中產生多數載子電流和伴隨電場之裝置，該半導體基板被以第一導電型態實施摻雜，使得當電磁輻射照射於該場區內之該基板上時，成對之多數和少數載子產生於該基板之中，而造成少數載子之光電流，該基板包含：至少一個該第一導電型態之注入接觸區域，以藉由將該多數載子電流注入該半導體基板而產生該多數載子電流及該伴隨電場，該接觸區域相對於該半導體基板具有較高之掺雜物濃度；至少一個第二導電型態之偵測器區域，用以收集該光電流，該第二導電型態與該第一導電型態相反，該偵測器區域與該基板有接面，環繞該接面之基板區域係空乏基板區域；以及至少一個該第一導電型態之場域整形區，該至少一個區域大致垂直地延伸入該基板並具有高於該半導體基板掺雜物濃度之掺雜物濃度，例如介於該基板和該接觸區域的掺雜物濃度之間，該注入接觸區域與一場域整形區之間具有界面，其中該至少一個偵測器區域當在上視圖中觀看時係位於第一及第二場域整形區之間，或者場域整形區的第一及第二部分之間，以側向地限制該空乏基板區域。
1．．．半導體基板
2．．．場區
3、4．．．接觸區域
5、6．．．接頭
7、8．．．偵測器區域
9、10．．．接頭
11、12．．．接面
13、14．．．場域整形區
15、16．．．額外接觸區域
17、18．．．接頭
19、20．．．場域整形區
21．．．遮罩
30．．．額外接觸區域
31．．．場域整形區
32、33．．．偵測器區域
34、35．．．窗口區
36、37．．．偵測器區域
38、39．．．窗口區
40-43．．．額外接觸區域
44、45．．．環形接觸區域
50．．．光學透明電極
51．．．接頭
52．．．絕緣層
60．．．金屬區域/電磁遮罩
61、62．．．接觸區域
63．．．接觸區域
64．．．偵測器區域
66．．．電子漂移軌道
67．．．集極區域
68．．．n井區
69．．．電子漂移軌道
90．．．電源
99．．．多數電洞流
101、102．．．空乏基板區域
113．．．側邊
圖1A係本發明第一實施例之示意性上視圖；
圖1B係如圖1A所示之第一實施例於圖1A截面線條D處之示意性剖面視圖；
圖2係本發明第二實施例之示意性上視圖；
圖3A-3F顯示配合上述第一及第二實施例使用之佈局示意圖；
圖4A-4F顯示另外六個佈局之示意圖；
圖5A係本發明第三實施例之示意性上視圖；
圖5B係該第三實施例之示意性剖面視圖；
圖6A係先前技術光混合器之示意性上視圖；
圖6B及6C係如圖6A所示之先前技術光混合器之示意性剖面視圖，該剖面係取自圖6A之截面線III-III'，以及
圖7係關係圖，其將解調對比顯示為調變頻率之函數。
1．．．半導體基板
3、4．．．接觸區域
7、8．．．偵測器區域
11、12．．．接面
13、14．．．場域整形區
21．．．遮罩
50．．．光學透明電極
52．．．絕緣層
101、102．．．空乏基板區域
113．．．側邊

Claims (19)

  1. 一種光混合器，具備具有場區之半導體基板及用以在該半導體基板上產生多數載子電流和伴隨電場之裝置，該半導體基板以第一導電型態摻雜，使得當電磁輻射照射於該場區內之該基板上時，成對之多數和少數載子電流被產生於該基板之中，而造成少數載子之光電流，該基板包含由用以將該多數載子電流注入該半導體基板之注入接觸區域以及用以收集該光電流之偵測器區域組成之配對，該注入接觸區域以高於該半導體基板之掺雜物濃度的該第一導電型態之掺雜物來摻雜，而該偵測器區域摻雜與該第一導電型態相反之第二導電型態之摻雜物，且與該半導體基板間有接面，該半導體基板在該接面周圍之區域係空乏基板區域，其中該配對更包含該第一導電型態之場域整形區界定該配對之側向邊緣且具有高於該半導體基板掺雜物濃度之掺雜物濃度，其中該場域整形區係設計以側向地限制該空乏基板區域。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光混合器，其中該偵測器區域包含彼此交接於共同界面的偵測器接觸區域以及偵測器集極區域，該偵測器集極區域相較於該偵測器接觸區域以較低之濃度來摻雜且被與該基板間之該接面劃定界限。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光混合器，其中該偵測器區域被單一場域整形區側向地圍住。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光混合器，其中該場區至少一接觸側向地劃定界限，其最好是界定於該半導體基板中之接觸區域且摻雜該第一導電型態之掺雜物。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光混合器，其中該配對具有當在上視圖中觀看時大致長方形之形狀，該長方形具有界定於0.05至20之間長寬比的長度和寬度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光混合器，其中該配對具有中心，在該處存在具有下層場域整形區之接觸區域，一環形或複數偵測器區域存在該配對內之該接觸區域之對立側上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光混合器，其中該光混合器係差動式光混合器，且除了該第一配對之外，第二配對存在該場區內，該第二配對包含注入接觸區域、偵測器區域以及場域整形區，該偵測器區域與該半導體基板和相連的空乏基板區域之間有接面，該場域整形區與該第一配對具有相同的摻雜物與摻雜物濃度，使得該場域整形區側向地限制住該空乏基板區域。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光混合器，其中第三及第四配對存在該場區之內。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光混合器，其中光學透明電極存在該場區之上，用於在該場區中感應出電荷分佈以限制表面再結合。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之光混合器，其中該光學透明電極包含多晶矽疊層。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之光混合器，其中該半 導體基板包含具有第一側和對立之第二側的作用層，其中該偵測器區域和該注入接觸區域係位於該第一側而用以收集該多數載子電流之接觸係位於該作用層之該對立之第二側。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之光混合器，其中該注入接觸區域包含與該第一導電型態之場域整形區間之界面，該場域整形區具有高於該半導體基板掺雜物濃度之掺雜物濃度，此場域整形區延伸入該半導體基板之程度大致比在該偵測器區域周圍側向延伸之場域整形區還深。
  13. 一種光混合器，具備具有場區之半導體基板及用以在該半導體基板上產生多數載子電流和伴隨電場之裝置，該半導體基板以第一導電型態來摻雜，使得當電磁輻射照射於該場區內之該基板上時，成對之多數和少數載子電流被產生於該基板之中，而造成少數載子之光電流，該基板包含由用以將該多數載子電流注入該半導體基板之注入接觸區域以及用以收集該光電流之偵測器區域組成之配對，該注入接觸區域以高於該半導體基板之掺雜物濃度的該第一導電型態之掺雜物來摻雜，而該偵測器區域摻雜與該第一導電型態相反之第二導電型態之摻雜物，且與該半導體基板間有接面，該半導體基板在該接面周圍之區域係空乏基板區域，其中該偵測器區域係環形形狀且延伸於該注入接觸區域周圍，具有高於該半導體基板掺雜物濃度之該第一導電型態之場域整形區側向延伸於該偵測器區域周圍。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之光混合器，其中該 注入接觸區域包含與該第一導電型態之場域整形區間之界面，該場域整形區具有高於該半導體基板掺雜物濃度之掺雜物濃度，該場域整形區係設計以側向地限制該空乏基板區域。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之光混合器，其中該注入接觸區域包含與該第一導電型態之場域整形區間之界面，該場域整形區具有高於該半導體基板掺雜物濃度之掺雜物濃度，此場域整形區延伸入該半導體基板之程度大致比在該偵測器區域周圍側向延伸之場域整形區還深。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之光混合器，其中該半導體基板包含具有第一側和對立之第二側的作用層，其中該偵測器區域和該注入接觸區域係位於該第一側而用以收集該多數載子電流之接觸係位於該作用層之該對立之第二側。
  17. 一種光混合器，具備具有場區之半導體基板及用以在該半導體基板上產生多數載子電流和伴隨電場之裝置，該半導體基板以第一導電型態來摻雜，使得當電磁輻射照射於該場區內之該基板上時，成對之多數和少數載子電流被產生於該基板之中，而造成少數載子之光電流，該基板包含由用以將該多數載子電流注入該半導體基板之注入接觸區域以及用以收集該光電流之偵測器區域組成之配對，該注入接觸區域以高於該半導體基板之掺雜物濃度的該第一導電型態之掺雜物來摻雜，而該偵測器區域摻雜與該第一導電型態相反之第二導電型態之摻雜物，且與該半導體 基板間有接面，該半導體基板在該接面周圍之區域係空乏基板區域，其中該半導體基板包含具有第一側和對立之第二側的作用層，其中該偵測器區域和該注入接觸區域係位於該第一側而用以收集該多數載子電流之接觸係位於該作用層之該對立之第二側。
  18. 一種針對飛行時間之應用之量測距物體之距離的方法，包含：以經調變的光照射該物體；提供如申請專利範圍第1至17項任一項之光混合器，以量測由該物體所反射之入射光之相位；以及基於該入射光之經改變的相位決定該距離。
  19. 一種用於量測距物體之距離的系統，特別是針對飛行時間(TOF)之應用，包含：至少一個發射器，在調變頻率發射經過調變之電磁輻射；以及光混合器，用以偵測該發射及選擇性地反射之調變電磁輻射且即時將產生之光電流混合施加之信號，該信號振盪於該調變頻率，該光混合器提供代表偵測到的輻射之時間延遲之輸出信號，其中該光混合器具備具有場區之半導體基板及用以在該半導體基板上產生多數載子電流和伴隨電場之裝置，該半導體基板以第一導電型態來摻雜，使得當電磁輻射照射於該場區內之該基板上時，成對之多數和少數載子電流被產生於該基板之中，而造成少數載子之光電流，該基板包 含由用以將該多數載子電流注入該半導體基板之注入接觸區域以及用以收集該光電流之偵測器區域組成之配對，該注入接觸區域以高於該半導體基板之掺雜物濃度的該第一導電型態之掺雜物來摻雜，而該偵測器區域摻雜與該第一導電型態相反之第二導電型態之摻雜物，且與該半導體基板間有接面，該半導體基板在該接面周圍之區域係空乏基板區域，其中該配對更包含該第一導電型態之場域整形區界定該配對之側向邊緣且具有高於該半導體基板掺雜物濃度之掺雜物濃度，其中該場域整形區係設計以側向地限制該空乏基板區域。
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