TWI841659B - 用於檢測不同波長的光檢測裝置 - Google Patents

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Abstract

用於檢測不同波長的光檢測裝置包括第一光檢測部件，其包括基板；以及第二光檢測部件，其包括第二吸收區。基板具有第一吸收區，第一吸收區被配置為吸收具有第一峰值波長的光子並產生第一光載子。第二吸收區由基板支撐並且被配置為吸收具有第二峰值波長的光子並產生第二光載子。第一吸收區和第二吸收區沿垂直方向重疊。

Description

用於檢測不同波長的光檢測裝置
本發明有關於一種光檢測裝置，更具體地，有關於一種用於檢測不同波長的光檢測裝置，包括兩個感測器，其分別對兩個不同峰值波長敏感的兩個吸收區反應。
近年來，利用卷積神經網絡（convolutional neural networks，CNNs）進行圖像識別已經取得了重大進展，並在許多應用中超過了人類的準確性。對於深度學習演算法，輸入通道越多以及每個輸入通道之間的像素對齊的品質（如R、G、B、強度和深度）越好，錯誤率就越小。
依據本申請內容之第一態樣，提供一種光檢測裝置。光檢測裝置包括包含基板的第一光檢測部件，以及包含第二吸收區的第二光檢測部件。基板具有第一吸收區，第一吸收區被配置為吸收具有第一峰值波長的光子並產生第一光載子。第二吸收區由基板支撐並且被配置為吸收具有第二峰值波長的光子並產生第二光載子。第一吸收區和第二吸收區沿垂直方向重疊。
在本申請內容之另一態樣中，提供一種光檢測裝置。光檢測裝置包括第一光檢測部件、包含第二吸收區的第二檢測部件。第一光檢測部件包括具有第一吸收區的基板。第一吸收區包括第一材料。第一材料具有第一能隙。第二吸收區在第一吸收區之上。第二吸收區包括第二材料。第二材料具有第二能隙。第二能隙小於第一能隙。第一光檢測部件更包括第一導電類型的第一摻雜區，第一摻雜區鄰近第一吸收區並與基板的表面接觸。第一光檢測部件更包括第二導電類型的第二摻雜區，第二摻雜區鄰近第一吸收區並且與基板的表面接觸，其中第一導電類型不同於第二導電類型。
在本申請內容之另一態樣中，提供一種光檢測裝置。光檢測裝置包括第一光檢測部件和包括第二吸收區的第二光檢測部件。第一光檢測部件包括基板、第一摻雜區和第二摻雜區。基板具有第一表面、第二表面以及在第二表面和第一表面之間的第一吸收區。第二吸收區在第一吸收區上方，並且基板的第一表面在第二吸收區和第一吸收區之間。第一導電類型的第一摻雜區在基板中並與基板的第二表面接觸。第二導電類型的第二摻雜區在基板中並與基板的第二表面接觸。
在本申請內容之另一態樣中，提供一種光檢測裝置。光檢測裝置包括包含光入射區的基板、由基板支撐的吸收層、在基板的第二表面上方的阻擋層、以及耦接至光入射區的光學結構。阻擋層包括沿垂直方向與吸收區重疊的開口。
本申請案主張2019年1月6日提交的美國臨時申請案62/788,931和2019年6月12日提交的美國臨時申請案62/860,264的優先權，於文中將其併入作為參考。
以下揭露提供了許多不同的具體實施例或示例，用於實現所提供的標的的不同特徵。以下描述元件和佈置的特定示例以簡化本發明。當然，這些僅僅是示例，並非用於限制本發明。例如，在下面的描述中，在第二特徵上方或上的第一特徵的形成可以包括第一和第二特徵直接接觸形成的具體實施例，並且還可以包括在第一與第二特徵之間形成附加特徵的具體實施例，使得第一和第二特徵可以不直接接觸。另外，本發明可以在各個示例中重複參考數字及/或字母。該重複是出於簡單和清楚的目的，並且其本身並不影響所討論的各種具體實施例及/或配置之間的關係。
此外，為了便於描述圖式中的一個元件或特徵與另一個或多個元件或特徵的關係，在本文中可以使用諸如「在...下方」、「在…下面」、「低於」、「在...上方」、「高於」、「在...上面」之類的空間相對術語。除了在圖中描述的方向之外，空間相對術語還意圖涵蓋裝置在使用或操作中的不同方向。設備可以以其他方式定向（旋轉90度或以其他方向），並且在此使用的空間相對描述語可以同樣地被相應地解釋。
如本文中所使用的，諸如「第一」、「第二」和「第三」之類的術語描述了各種元件、組件、區域、層及/或部分，這些元件、組件、區域、層及/或部分不應受這些術語的限制。這些術語僅可用於將一個元素、組件、區域、層或部分與另一個做區分。除非上下文明確指出，否則本文中使用的諸如「第一」、「第二」和「第三」的術語並不暗示順序或次序。
在本申請中，光檢測裝置能夠將光訊號轉換成電訊號。術語「鍺矽（GeSi）」是指Gex Si1-x ，其中0＜x＜1。術語「本質的」是指不故意添加摻雜物的半導體材料。
在一些具體實施例中，基於鍺的小能隙，矽結構上的鍺結構可能潛在地與兩個不同的光學波長帶反應。在本申請的一些具體實施例中，鍺感測器與矽感測器垂直整合，其中矽感測器被設計為與入射光的短波長部分反應，而鍺感測器可以吸收其餘較長的部分。同時，在一些具體實施例中，可以使用彩色濾光片來選擇用於感測的期望波長，例如選擇可以被矽感測器吸收的波長，或者濾掉那些不想要的波長，例如那些被矽感測器和鍺感測器部分吸收的波長。整合於一裝置的鍺和矽感測器，可以個別用作圖像感測器或飛時測距（Time of Flight ，TOF）感測器。或者，它們可以是圖像傳感器和飛時測距感測器，以分時多工（TDM）交替使用。通過垂直堆疊矽和鍺感測器，當矽感測器和鍺感測器同時用作CMOS圖像感測器或其中一感測器用作CMOS圖像感測器而另一感測器用作飛時測距感測器，可以提高通道對準率。通過垂直堆疊矽和鍺感測器，當矽感測器和鍺感測器同時用作飛時測距感測器，可以提高去混疊（dealiasing）能力。
圖1是根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。光檢測裝置可包括第一光檢測部件（未標記），其包括基板10，以及第二光檢測部件（未標記），其耦接至基板10。第一光檢測部件包括在基板10中的第一吸收區100。第二光檢測部件包括在第一吸收區100上方的第二吸收區200。第一吸收區100被配置為吸收具有第一峰值波長的光子並產生第一光載子。基板10包括第一表面101和與第一表面101相對的第二表面102。第一吸收區100在第一表面101和第二表面102之間。第二吸收區200由基板10支撐，例如，在基板10的第一表面101上方。雖未繪示於圖1中，第二吸收區200可以各種程度的突出且部分地嵌入在基板10中。第二吸收區200被配置為吸收具有不同於第一峰值波長的第二峰值波長的光子，並產生第二光載子。在一些具體實施例中，第二峰值波長在不小於約800奈米(nm)的不可見波長範圍內，例如850 nm、940 nm、1050 nm、1064 nm、1310 nm、1350 nm或1550 nm。在一些具體實施例中，不可見波長範圍不大於約2300nm。在一些具體實施例中，光子來自光訊號。在一些具體實施例中，第一吸收區100被配置為吸收具有第一波長範圍的光子並產生第一光載子。第二吸收區200被配置為吸收具有不同於第一波長範圍的第二波長範圍的光子並產生第二光載子。第二波長範圍的一部分在不可見的波長範圍內，例如在大約1000 nm與大約2300 nm之間。
在一些具體實施例中，第一吸收區100包括具有第一能隙的第一材料，並且第二吸收區200包括具有第二能隙的第二材料。在一些具體實施例中，第二能隙小於第一能隙。在一些具體實施例中，第一材料在約1000 nm至約1600 nm的波長範圍內具有第一吸收係數。第二材料在約1000 nm至約1600 nm的波長範圍內具有第二吸收係數。第二吸收係數大於第一吸收係數，例如，第二吸收係數比第一吸收係數大至少十倍。在一些具體實施例中，第二吸收係數比第一吸收係數大至少100倍。在一些具體實施例中，第一材料和第二材料包括半導體材料，半導體材料包括III族元素、 IV族元素或V族元素。在一些具體實施例中，第二材料中的至少一個元素不同於第一材料中的元素。在一些具體實施例中，第二吸收區200包括鍺錫（GeSn）、鍺（Ge）、矽鍺（SiGe）或銻化鎵（GaSb）。在一些具體實施例中，第一吸收區100包括在300K下具有約1.11 eV的能隙的矽（Si），而第二吸收區200包括在300 K下具有約0.67 eV的能隙的鍺。在一些具體實施例中，第一吸收區100和第二吸收區200沿著從第一吸收區100到第二吸收區200的垂直方向重疊。在一些具體實施例中，入射光訊號從基板10的第二表面102進入第一吸收區100及第二吸收區200。
在一些具體實施例中，第二吸收區200的厚度取決於要檢測的光子的波長和第二吸收區200的材料。在一些具體實施例中，第二吸收區200的厚度不小於0.1微米(μm)。在一些具體實施例中，第二吸收區200具有在0.1 μm與2.5 μm之間的厚度。在一些具體實施例中，第二吸收區200具有在1 μm與2.5 μm之間的厚度藉以有更高的量子效率。在一些具體實施例中，當第二吸收區200包括鍺並且被設計成吸收具有不小於約800 nm的波長的光子時，第二吸收區200具有不小於0.1 μm的厚度。在一些具體實施例中，當第二吸收區200包括鍺並且被設計成吸收具有在大約1000 nm與大約2300 nm之間的波長的光子時，第二吸收區200具有在0.1 μm與2.5 μm之間的厚度。
在一些具體實施例中，光檢測裝置可以包括阻擋層（未示出），阻擋層具有用於定義第一吸收區100的位置的開口。換句話說，開口用於允許入射的光訊號進入基板10，從而定義第一吸收區100在基板10中的位置。在一些具體實施例中，阻擋層位於基板10的第二表面102上。換句話說，阻擋層和第二吸收區200位於基板10的兩個相對側。在一些具體實施例中，從開口的俯視圖看，開口的形狀可為橢圓形，圓形、矩形、正方形、菱形、八邊形或任何其他合適的形狀。
如圖2所示，在一些具體實施例中，第二吸收區200可以完全嵌入基板10中並且接近基板10的第一表面101。在一些具體實施例中，第二吸收區200的頂表面可以與基板10的第一表面101實質上共平面。在一些具體實施例中，第二吸收區200被基板10橫向包圍，例如，第二吸收區200的側壁被基板10包圍。
參照圖3A，在一些具體實施例中，第一光檢測部件更包括在基板10中的第一摻雜區301和第二摻雜區302。第一吸收區100在第一摻雜區301和第二摻雜區302之間。第一摻雜區301可具有第一導電類型並且與第一吸收區100相鄰。例如，第一摻雜區301可從鄰近第一表面101的位置朝向基板10的第二表面102延伸，並且第一摻雜區301可沿著水平方向與第一吸收區100至少部分地橫向重疊。第二摻雜區302可具有與第一導電類型不同的第二導電類型並且與第一吸收區100相鄰。例如，第二摻雜區302可從鄰近第一表面101的位置朝向基板10的第二表面102延伸，且第二摻雜區302可沿水平方向與第一吸收區100至少部分地橫向重疊。在一些具體實施例中，第一導電類型可以是p型，第二導電類型可以是n型，而在一些其他具體實施例中，可以實現相反的導電類型。在一些具體實施例中，從光檢測裝置的剖面圖看，第一吸收區100在第一摻雜區301和第二摻雜區302之間。在一些具體實施例中，阻擋層的開口的直徑或寬度實質上等於第一摻雜區301和第二摻雜區302之間的最小距離D1。
第一摻雜區301和第二摻雜區302形成為收集由第一吸收區100產生的第一光載子。在一些具體實施例中，第一摻雜區301包括具有峰值濃度比基板10的摻雜物的峰值濃度高的摻雜物。在一些具體實施例中，基板10可以是本質的。在一些具體實施例中，第一摻雜區301的摻雜物的峰值濃度在大約5E18 cm-3 至大約5E20 cm-3 的範圍內，以允許在載子控制端子401和第一摻雜區301之間形成歐姆接觸。例如，第一摻雜區301可以具有p+摻雜，其中激活的摻雜物濃度可以與製造程序可以實現的濃度一樣高。在一些具體實施例中，p摻雜的第一摻雜區301的摻雜濃度可以低於約5E20 cm-3 ，以減輕製造複雜性。類似地，在一些具體實施例中，第二摻雜區302包括峰值濃度在大約5E18 cm-3 至大約5E20 cm-3 範圍內的摻雜物，以允許在載子控制端子401v和第二摻雜區302之間形成歐姆接觸。例如，第二摻雜區302可以具有n+摻雜，其中激活的摻雜物濃度可以與製造程序可以實現的濃度一樣高。在一些具體實施例中，n摻雜的第二摻雜區302的摻雜濃度可以低於約5E20 cm-3 ，以減輕製造複雜性。如圖3A和3B所示，在一些具體實施例中，第一摻雜區301和第二摻雜區302足夠深以部分地圍繞第一吸收區100的兩個橫向側面。在一些具體實施例中，p型摻雜物包括III族元素。在一些具體實施例中，p型摻雜物是硼。在一些具體實施例中，n型摻雜物包括V族元素。在一些具體實施例中，n型摻雜物是磷。
在一些具體實施例中，如圖3A至圖3C所示，載子控制端子401連接至用於第一吸收區100中產生的一種類型的光載子的讀出電路，並且電耦接至第一摻雜區301或第二摻雜區302。讀出電路可以是三晶體管配置，包括重置閘、源極隨耦器和選擇閘、或任何合適的用於處理電荷的電路。在這樣的具體實施例中，取決於操作條件，可以將未耦接到讀出電路的第一摻雜區301或第二摻雜區302藉由載子控制端子401v耦接至電壓源或接地。在一些具體實施例中，讀出電路包括四個或更多個晶體管（未示出），或用於處理載子的任何合適的電子組件（未示出）。
在一些具體實施例中，第一光檢測部件被設計為處理電子。例如，摻雜區301/302被設計為首先收集不同類型的第一光載子，其中第二摻雜區302（例如，n摻雜）被設計為收集電子，耦接至第二摻雜區302的載子控制端子401v連接到用於處理所收集之電子的讀出電路，第一摻雜區301（例如，p摻雜）被設計為收集電洞，並且耦接到第一摻雜區301的載子控制端子401接地以排除電洞。在一些具體實施例中，第一光檢測部件被設計為處理電洞，摻雜區301/302被設計為首先收集不同類型的第一光載子，其中第一摻雜區301（例如，p摻雜）被設計為收集電洞，且耦接到第一摻雜區301的載子控制端子401連接到用於處理所收集的電洞的讀出電路，第二摻雜區302（例如，n摻雜）被設計為收集電子，且耦接到第二摻雜區302的載子控制端子401v偏壓在適當的水平（例如，VDD ）上，以排除電子。參考圖3B，分別耦接到摻雜區301/302的載子控制端子401/410v可以是連接到不同偏壓水平的兩個分離的導電通道。在一些具體實施例中，載子控制端子401/401v包括金屬或合金。例如，載子控制端子401/401v包括鋁（Al）、銅（Cu）、鎢（W）、鈦（Ti）、鉭-氮化鉭-銅（Ta-TaN-Cu）疊層或鈦-氮化鈦-鎢（Ti-TiN-W）疊層。
參照圖3C，在一些具體實施例中，第一摻雜區301和第二摻雜區302可以與基板10的第二表面102接觸。第二表面102與第一表面101相對，從而第一摻雜區301和第二摻雜區302從鄰近第二表面102的位置朝向第一表面101延伸。在一些具體實施例中，當第一摻雜區301和第二摻雜區302與基板10的第二表面102接觸時，第二吸收區200的橫向側面不被第一摻雜區301和第二摻雜區302圍繞。
參照圖4A，在一些具體實施例中，第二吸收區200可以完全形成在基板10的第一表面101上。在一些具體實施例中，從光檢測裝置的剖面圖來看，載子控制端子401、401v位於第二吸收區200的橫向側面。從光檢測裝置的剖面圖來看，第一摻雜區301和第二摻雜區302在第一吸收區100的兩個橫向側面。在一些具體實施例中，從光檢測裝置的剖面圖來看，第一摻雜區301和第二摻雜區302之間的最小距離D1大於第二吸收區200的寬度。在一些具體實施例中，第二吸收區200可以部分地在基板10的第一表面101上並且部分地在基板10中。
參照圖4B，在一些具體實施例中，第二吸收區200完全形成在基板10的第一表面101上，並且第一摻雜區301和第二摻雜區302與基板10的第二表面102接觸。在一些具體實施例中，第一摻雜區301和第二摻雜區302可以在從第一吸收區100到第二吸收區200的垂直方向上與第二吸收區200重疊。在一些具體實施例中，第二吸收區200可以比第一吸收區100寬。雖未繪示於圖4B中，根據各種製造考慮，第一吸收區100可以比第二吸收區200寬，使得第一摻雜區301和第二摻雜區302在垂直方向上不與第二吸收區200重疊。
參照圖5，在一些具體實施例中，濾光器50可以從光訊號L0 濾出兩個不同波長範圍的光訊號L1 、 L2 。基板10位在濾光器50以及第二吸收區200之間，藉以使濾出光訊號從基板10的第二表面102進入第一吸收區100及第二吸收區200。在這樣的具體實施例中，第一吸收區100可以吸收波長小於大約1000 nm（例如介於400 nm至800 nm之間）的濾出光訊號L2 ，而第二吸收區200可以吸收波長大於大約1000 nm（例如介於1000 nm至1600 nm之間）的濾出光訊號L1 。藉由濾光器50的設計，可以移除不想要的波段，藉以降低第一光檢測部件的雜訊以及降低第二光檢測部件的雜訊。在一些具體實施例中，第二光檢測部件可以用作飛時測距感測器，而第一吸收區100可以用作光訊號強度感測器。換句話說，可以在單個光檢測裝置中的單一照明下獲取兩個資料通道。例如，一個通道是深度資料，另一個通道是光訊號L1 的強度資料。在一些具體實施例中，光訊號L0 從三維物體反射。
參照圖6A，在一些具體實施例中，第一摻雜區301可以沿著第二吸收區200的側壁和底表面延伸以分離第一吸收區100和第二吸收區200。在一些具體實施例中，第一摻雜區301可以包括p摻雜的矽且第二摻雜區302可以包括n摻雜的矽。基於包括第一摻雜區301、第一吸收區100和第二摻雜區302的這種PIN光檢測器，可以形成面積增加的第一光檢測部件。在一些具體實施例中，在形成第一摻雜區301時，可以在基板10中形成凹槽；接下來，可以通過諸如佈植摻雜物等任何合適的方法在圍繞凹槽的基板的表面上形成第一摻雜區301，然後可以用任何合適的方法例如磊晶成長將第二吸收區200的材料填充凹槽。如圖6B和6C所示，從俯視圖的角度來看，第二摻雜區302可以沿著第一吸收區100的外圍形成。在一些具體實施例中，電耦接到第二摻雜區302的載子控制端子401v可以包括兩個分離的導電塞，其佈置在第一吸收區100和第二吸收區200的相對側。前述的兩個分離的導電塞可以進一步連接至第一偏壓。同樣地，電耦接到第一摻雜區301的載子控制端子401可以包括兩個分離的導電塞，其佈置在第一吸收區100和第二吸收區200的相對側，如圖6B所示。前述的兩個分離的導電塞可以進一步連接到不同於第一偏壓的第二偏壓。在一些其他具體實施例中，從俯視圖的角度來看，載子控制端子401v可以包括連續的導電塞，其沿著第一吸收區100的外圍且電耦接到第二摻雜區302，如圖6C所示。在一些具體實施例中，從稍後描述的圖7B的俯視圖的角度來看，圖6B中的第二摻雜區302可以形成在第一吸收區100的兩個相對側。
參照圖7A，在一些具體實施例中，第二吸收區200形成在基板10的第一表面101上方，並且第一摻雜區301沿著第二吸收區200的底表面延伸以將第一吸收區100和第二吸收區200分開。在這樣的具體實施例中，在形成第一摻雜區301之前，不需要在基板10中形成凹槽。如圖7B所示，在一些具體實施例中，在俯視圖角度中，第二摻雜區302可以形成在第一吸收區100的兩個相對側，並且電耦接到第二摻雜區302的載子控制端子401v可以包括設置在第一吸收區100的相對側的兩個分離的導電塞。在一些其他具體實施例中，如圖7C所示，從俯視圖的角度看，第二摻雜區302和電耦接到第二摻雜區302的載子控制端子401v均沿著第一吸收區100的外圍形成，並且都是連續的。
參照圖8，在一些具體實施例中，第二摻雜區302可以是任何合適形式的連續區域。例如，第二摻雜區302可以包括垂直部分和水平部分，水平部分在鄰近基板10的第二表面102處延伸。第一吸收區100被第一摻雜區301和第二摻雜區302夾在中間。圖9的光檢測裝置類似於圖8，除了第二吸收區200在基板10的第一表面101上並且第一吸收區100的形狀與圖8中的第一吸收區100的形狀不同之外。
在一些具體實施例中，圖3A至圖9的光檢測裝置中的第一光檢測部件可以是互補式金屬氧化物半導體（CMOS）圖像感測器。在一些具體實施例中，第一光檢測部件以不大於每秒1000幀（fps）的幀速率進行操作。
參照圖10A，在一些具體實施例中，第一光檢測部件更包括在基板10中的第一導電類型的第三摻雜區303，其中第一摻雜區301和第三摻雜區303設置在第一吸收區100和第二吸收區200的相對側。在這樣的具體實施例中，第一光檢測部件更包括在基板10中的第二導電類型的第四摻雜區304，其中第二摻雜區302和第四摻雜區304設置在第一吸收區100和第二吸收區200的相對側。如圖10A所示，在這樣的具體實施例中，載子控制端子601a和601b可以一對一的關係連接到兩個第一控制電路。載子控制端子401a和401b可以一對一的關係連接到用於第一吸收區100中產生的第一光載子的兩個第一讀出電路。在一些具體實施例中，電連接到載子控制端子401a的第一讀出電路與電連接到載子控制端子401b的第一讀出電路分開。兩個第一控制電路分別通過載子控制端子601a和601b電耦接到第二摻雜區302和第四摻雜區304，而兩個第一讀出電路分別通過載子控制端子401a和401b電耦接到第一摻雜區301和第三摻雜區303。在一些具體實施例中，第一摻雜區301和第三摻雜區303是n摻雜的，第二摻雜區302和第四摻雜區304是p摻雜的。在一些具體實施例中，第二摻雜區302和第四摻雜區304比第一摻雜區301和第三摻雜區303更靠近第一吸收區100。在一些具體實施例中，載子控制端子401a、401b、601a和601b包括與如圖3A至3C所述的載子控制端子401 / 401v的材料相似的材料。
在一些具體實施例中，第三摻雜區303包括峰值濃度高於基板10的摻雜物的峰值濃度的摻雜物。在一些具體實施例中，基板10可以是本質的。在一些具體實施例中，第三摻雜區303的摻雜物的峰值濃度在大約5E18 cm-3 至大約5E20 cm-3 的範圍內，以允許在載子控制端子401b和第三摻雜區303之間形成歐姆接觸。例如，第三摻雜區303可以具有n+摻雜，其中激活的摻雜物濃度可以與製造程序可以實現的濃度一樣高。在一些具體實施例中，n摻雜的第三摻雜區303的摻雜濃度可以低於約5E20 cm-3 ，以減輕製造複雜性。在一些具體實施例中，第四摻雜區304包括峰值濃度高於基板10的摻雜物的峰值濃度的摻雜物。在一些具體實施例中，基板10可以是本質的。在一些具體實施例中，第四摻雜區304可以具有p+摻雜，其中激活的摻雜物濃度可以與製造程序可以實現的濃度一樣高。在一些具體實施例中，p摻雜的第四摻雜區304的摻雜濃度可以低於大約5E20 cm-3 ，以減輕製造複雜性。類似地，在一些具體實施例中，第四摻雜區304包括峰值濃度在從大約5E18 cm-3 到大約5E20 cm-3 的範圍內的摻雜物，以允許在載子控制端子601b和第四摻雜區304之間形成歐姆接觸。
兩個第一控制電路可以提供控制訊號，以控制由第一吸收區100中吸收的光子所產生的光載子（例如電子）的收集。舉例來說，參照圖10A，當電連接到載子控制端子601a的第一控制電路相對於電連接到載子控制端子601b的第一控制電路偏壓時，在第二摻雜區302和第四摻雜區304之間產生電場，並且根據電場的方向，自由電子可以朝第二摻雜區302或第四摻雜區304漂移。第二摻雜區302和第一摻雜區301之間的電場將電子進一步引導到第一摻雜區301。然後，可以使電連接到載子控制端子401a的第一讀出電路能夠處理由第一摻雜區301收集的電子。在一些具體實施例中，電連接到載子控制端子601a的第一控制電路可以固定在電壓值Vi，並且電連接到載子控制端子601b的另一個第一控制電路可以在電壓值Vi±ΔV之間交替。偏壓值的方向決定了電子的漂移方向。因此，當包括電連接到載子控制端子401a的第一讀出電路和電連接到載子控制端子601a的第一控制電路的開關被「接通」時（亦即，電子向第二摻雜區302漂移），包括電連接到載子控制端子401b的第一讀出電路和電連接到載子控制端子601b的第一控制電路的另一開關被「斷開」（亦即，電子從第四摻雜區304被阻擋）。在一些具體實施例中，分別電連接到載子控制端子601a和601b的兩個第一控制電路可以被施加到彼此差分的電壓。在一些具體實施例中，電連接到載子控制端子601a的第一控制電路被固定在電壓值V（例如0.5 V），並且電連接到載子控制端子601b的第一控制電路是變化的電壓訊號（例如，在0 V或1 V下運行之正弦訊號、時鐘訊號或脈衝訊號）。在一些實施例中，兩個第一控制電路各包含一電壓源。在一些實施例中，其中一第一控制電路的電壓源的訊號的相位不同於，例如，相反於另一第一控制電路的電壓源的訊號的相位。
圖10B以俯視圖示出了光檢測裝置。光檢測裝置包括在第一吸收區100的左側的第一開關1001a和在第一吸收區100的右側的第二開關1001b。通過在第一開關1001a和第二開關1001b之間進行適當的時間調製，可以收集在第一吸收區100中產生的第一光載子。在一些具體實施例中，圖10A中的第一光檢測部件可以是飛時測距光檢測器。參照圖10B，在一些具體實施例中，電連接到載子控制端子601a和601b的兩個第一控制電路分別電耦接到第二摻雜區302和第四摻雜區304，載子控制端子601a和601b是兩個分離的導電塞，其設置在第一吸收區100和第二吸收區200的相對側。分別電耦接到第一摻雜區301和第三摻雜區303的載子控制端子401a和401b可以是設置在第一吸收區100和第二吸收區200的相對側的兩個分離的導電塞。兩個第一讀出電路可以類似於如圖3A至3C中所描述的讀出電路。例如，兩個第一讀出電路的皆可以包括用於分別處理由第一摻雜區301和第三摻雜區303所收集的載子的重置閘、源極隨耦器和選擇閘。
如圖10C所示，在一些具體實施例中，第二吸收區200可以完全嵌入基板10中並且接近第一表面101。在一些具體實施例中，摻雜區301、302、303和304都與基板10的第二表面102接觸。在一些具體實施例中，摻雜區301、302、303和304可以在垂直方向上與第二吸收區200重疊。換句話說，那些摻雜區301、302、303和304在第二吸收區200的垂直投影下。雖圖10C中未繪示，在一些具體實施例中，第二吸收區200可以比第一吸收區100更窄。
類似於圖10A和10C所示的具體實施例，在一些具體實施例中，第二吸收區200可以形成在基板10的第一表面101上方，如圖11A和11B所示。圖11A和11B的描述可參照圖10A和10C的段落，為簡便起見，在此省略。
參照圖12A、12B、13A和13B，在一些具體實施例中，先前在圖10A中描述的第二摻雜區302和第四摻雜區304可以被輕摻雜區302a和304a或本文所述的本質區代替。圖12A、12B、13A和13B的具體實施例示出了第二吸收區200可以形成在基板10上方或嵌入在基板10中。在一些具體實施例中，摻雜區301、302、303和304可以與第二吸收區200重疊。在一些具體實施例中，輕摻雜區302a和304a或本質區的峰值濃度可以低於約10E17 cm-3 。在一些具體實施例中，輕摻雜區302a和304a或本質區分別形成一蕭特基接合(Schottky junction)至載子控制端子601a和601b。取決於第一摻雜區301和第三摻雜區303的導電類型，輕摻雜區302a和304a中的摻雜物可以是第一導電類型或第二導電類型。在一些具體實施例中，輕摻雜區302a和304a的導電類型與第一摻雜區301和第三摻雜區303的導電類型不同。例如，如果第一摻雜區301和第三摻雜區303為n型，則輕摻雜區302a和304b可為輕p摻雜。
如圖14所示，在一些具體實施例中，第一光檢測部件更包括分別圍繞摻雜區301、302、303和304的多個第一井區300a、300b、300c和300d。這樣的第一井區可以減小第一光檢測部件的洩漏電流及/或暗電流。在一些具體實施例中，第一井區300a、300b、300c和300d可以部分地圍繞每個摻雜區301、302、303和304，如圖14所示。儘管在圖14中未繪示，在一些其他具體實施例中，第一井區（300a、300b、300c和300d）可以完全圍繞每個摻雜區（301、302、303和304），即圍繞每個摻雜區301、302、303和304中的每一個側面和底部。
在一些具體實施例中，第一摻雜區301的導電類型與第一井區300a的導電類型不同。第二摻雜區302的導電類型與第一井區300b的導電類型不同。第三摻雜區303的導電類型與第一井區300c的導電類型不同。第四摻雜區304的導電類型與第一井區300d的導電類型不同。
在一些具體實施例中，第一井區300b和300d中的摻雜物的峰值濃度分別低於第二摻雜區302和第四摻雜區304中的摻雜物的峰值濃度。在一些具體實施例中，每個第一井區300b和300d中的摻雜物的峰值濃度可以在大約10E15 cm-3 至大約10E17 cm-3 的範圍內。在一些具體實施例中，第一井區300a和300c中的摻雜物的峰值濃度分別低於第一摻雜區301和第三摻雜區303中的摻雜物的峰值濃度。在一些具體實施例中，每個第一井區300a和300c中的摻雜物的峰值濃度可以在大約10E15 cm-3 至大約10E17 cm-3 的範圍內。上面的描述揭露了第一光檢測部件的結構。在一些具體實施例中，包括第二吸收區200的第二光檢測部件更包括摻雜區和耦接到摻雜區的電路，並且第二光檢測組件更被配置為將光訊號轉換為電訊號。因此，通過垂直整合由諸如鍺和矽的不同材料製成的吸收區，光檢測裝置可以在兩個不同的調製頻率下操作，並且提高了精準度和去混疊能力。
參照圖15A和15B，第二光檢測部件可以用作互補式金屬氧化物半導體（CMOS）圖像感測器，其在第二吸收區200中包括具有第一導電類型的第五摻雜區305。第五摻雜區305與第二吸收區200的表面201接觸。第二光檢測部件更包括位於第二吸收區200中且具有第二導電類型的第六摻雜區306。第六摻雜區306與第二吸收區200的表面201接觸。在這樣的具體實施例中，載子控制端子402連接第五摻雜區305和用於處理在第二吸收區200中產生的第二光載子的第二讀出電路。第二讀出電路可以與第一讀出電路分離，藉以使第一光載子和第二光載子分別被第一讀出電路和第二讀出電路處理。在一些具體實施例中，取決於操作條件，第五摻雜區305或第六摻雜區306可以通過載子控制端子402v或402耦接到電壓源或接地。舉例來說，在第二光檢測部件設計為處理在第二吸收區200中產生的第二光載子中的電洞的情況下，例如，如圖15A所示，第二讀出電路通過載子控制端子402電耦接到第五摻雜區305（例如，p摻雜），並且VDD 可以被施加到第六摻雜區306（例如，n摻雜）以通過載子控制端子402v來排除電子。在第二光檢測部件被設計為處理電子的情況下，如圖15B所示，第二讀出電路402通過載子控制端子402電耦接到第六摻雜區306（例如，n摻雜），以及第五摻雜區305（例如，p摻雜）可以接地以排除電洞。
參照圖15C至15F，第二光檢測部件可以用作飛時測距感測器，其更包括接近第二吸收區200一側的第一導電類型的第七摻雜區307和第二導電類型的第八摻雜區308，而第五摻雜區305和第六摻雜區306接近第二吸收區200的另一側。在一些具體實施例中，第六摻雜區306和第八摻雜區308在第五摻雜區305和第七摻雜區307之間。
在一些具體實施例中，第五摻雜區305包括峰值濃度高於第二吸收區200的摻雜物的峰值濃度的摻雜物。在一些具體實施例中，第二吸收區200可以是本質的。在一些具體實施例中，由於在第二吸收區200的形成期間形成的材料缺陷，包括本質鍺的第二吸收區200是p型的，其中，缺陷密度為10E13 cm-3 至10E15 cm-3 。在一些具體實施例中，第五摻雜區305的摻雜物的峰值濃度在大約5E18 cm-3 至大約5E20 cm-3 的範圍內，以允許在載子控制端子402a與第五摻雜區305之間形成歐姆接觸。例如，第五摻雜區305可以具有n+摻雜，其中激活的摻雜物濃度可以與製造程序可以達到的濃度一樣高。在一些具體實施例中，n摻雜的第五摻雜區305的摻雜濃度可以低於大約5E20 cm-3 ，以減輕製造複雜性。在一些具體實施例中，第六摻雜區306包括峰值濃度高於第二吸收區200的摻雜物的峰值濃度的摻雜物。在一些具體實施例中，第二吸收區200可以是本質的。在一些具體實施例中，第六摻雜區306可以具有p+摻雜，其中激活的摻雜物濃度可以與製造程序可以實現的一樣高。在一些具體實施例中，p摻雜的第六摻雜區306的摻雜濃度可以低於約5E20 cm-3 ，以減輕製造複雜性。類似地，在一些具體實施例中，第六摻雜區306包括峰值濃度在大約5E18 cm-3 至大約5E20 cm-3 的範圍內的摻雜物，以允許在載子控制端子602a與第六摻雜區306之間形成歐姆接觸。
在一些具體實施例中，第七摻雜區307包括峰值濃度高於第二吸收區200的摻雜物的峰值濃度的摻雜物。在一些具體實施例中，第二吸收區200可以是本質的。在一些具體實施例中，由於在第二吸收區200的形成期間形成的材料缺陷，包括本質鍺的第二吸收區200是p型的，其中，缺陷密度為10E13 cm-3 至10E15 cm-3 。在一些具體實施例中，第七摻雜區307的摻雜物的峰值濃度在大約5E18 cm-3 至大約5E20 cm-3 的範圍內，以允許在載子控制端子402b與第七摻雜區307之間形成歐姆接觸。例如，第七摻雜區307可以具有n+摻雜，其中激活的摻雜物濃度可以與製造程序可以實現的一樣高。在一些具體實施例中，n摻雜的第七摻雜區307的摻雜濃度可以低於約5E20 cm-3 ，以減輕製造複雜性。在一些具體實施例中，第八摻雜區308包括峰值濃度高於第二吸收區200的摻雜物的峰值濃度的摻雜物。在一些具體實施例中，第二吸收區200可以是本質的。在一些具體實施例中，第八摻雜區308可以具有p+摻雜，其中激活的摻雜物濃度可以與製造程序可以實現的一樣高。在一些具體實施例中，p摻雜的第八摻雜區308的摻雜濃度可以低於約5E20 cm-3 ，以減輕製造複雜性。類似地，在一些具體實施例中，第八摻雜區308包括峰值濃度在約5E18 cm-3 至約5E20 cm-3 範圍內的摻雜物，以允許在載子控制端子602b和第八摻雜區308之間形成歐姆接觸。
在這樣的具體實施例中，第二光檢測部件更包括兩個第二控制電路，其分別電連接到載子控制端子602a和602b，藉以用於第二吸收區200中產生的第二光載子。這兩個第二控制電路分別通過載子控制端子602a和602b電耦接到第六摻雜區306和第八摻雜區308。另外，用於處理在第二吸收區200中產生的第二光載子的兩個第二讀出電路分別通過載子控制端子402a和402b電耦接到第五摻雜區305和第七摻雜區307。於一些實施例中，兩個第二控制電路各包含一電壓源。在一些實施例中，其中一第二控制電路的電壓源的訊號的相位不同於，例如，相反於另一第二控制電路的電壓源的訊號的相位。第二讀出電路和第二控制電路的描述可以參考用於第一吸收區100中產生的第一光載子的第一讀出電路和第一控制電路，如圖10A中所揭露的，為簡潔起見在此省略。
在一些具體實施例中，如圖15D至15F所示，第二光檢測部件更包括分別圍繞摻雜區305、306，307和308的多個第二井區309a、309b、309c和309d。這樣的多個第二井區309a、309b、309c和309d可以減少第二光檢測部件的洩漏電流及/或暗電流。在一些其他具體實施例中，如圖15D所示，摻雜區306和308皆被第二井區309b和309d圍繞，以減小摻雜區306和308之間的洩漏電流。在一些其他具體實施例中，如圖15F所示，摻雜區305和307皆被第二井區309a和309c圍繞，以減少第二光檢測部件的暗電流。在一些具體實施例中，第二井區309a、309b、309c和309d可以分別圍繞摻雜區305、306、307和308，如圖15E所示，使得第二光檢測部件具有較低的暗電流和較低的漏電流。第二井區309a、309b、309c和309d的特徵可以指的是如圖14中所揭露的第一井區的特徵。例如，與第五摻雜區305相鄰的第二井區309a的導電類型不同於第五摻雜區305的第一導電類型。
在一些具體實施例中，摻雜區306和308的峰值濃度可以低於大約10E17 cm-3 ，以分別形成蕭特基接合至載子控制端子602a和602b。在一些具體實施例中，第二光檢測部件沒有摻雜區306和308，並且本質區在載子控制端子602a和602b下方，以分別形成蕭特基接合至載子控制端子602a和602b。
參照圖15E至圖15F，在一些具體實施例中，可以在第六摻雜區306和第八摻雜區308與載子控制端子602a和602b每一個之間插入絕緣層（未示出）。絕緣層可以防止電流直接從載子控制端子602a和602b傳導到第六摻雜區306和第八摻雜區308，但是可針對施加至電連接到載子控制端子602a和602b的第二控制電路的電壓，允許在第二吸收區200內建立電場。建立的電場可以吸引或排斥第二吸收區200內的電荷載子。絕緣層可以包括但不限於氮化矽(Si3 N4 )、氮氧化矽(SiON)、氮化矽(SiNx )、氧化矽(SiOx )、氧化鍺(GeOx )、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化釔(Y2 O3 )、二氧化鈦(TiO2 )、氧化釔(Y2 O3 )、二氧化鉿(HfO2 )或二氧化鋯(ZrO2 )。於一些具體實施例中，第一光檢測部件可包括在第二摻雜區302和載子控制端子601a之間的一絕緣層。第一光檢測部件可包括在第四摻雜區304和載子控制端子601b之間的另一絕緣層。
參照圖11A、15D和16A，在一些具體實施例中，電連接到兩個第一控制電路的載子控制端子601a、601b的佈置、電連接到兩個第一讀出電路的載子控制端子401a、401b的佈置、電連接到兩個第二控制電路的載子控制端子602a、602b的佈置和電連接到兩個第二讀出電路的載子控制端子402a，402b的佈置在同一方向上大致上對準。在一些其他具體實施例中，參考圖11A、15D和16B，電連接到兩個第一控制電路的載子控制端子601a、601b的佈置、以及電連接到兩個第一讀出電路的載子控制端子401a，401b的佈置、以及電連接到兩個第二控制電路的載子控制端子602a，602b的佈置、以及電連接到兩個第二讀出電路的載子控制端子402a，402b可以在不同方向上對準，例如以正交佈置。
圖16C和16D分別從俯視圖和底視圖示出了光檢測裝置。圖16C示出了耦接到第二吸收區200的載子控制端子402a、402b、602a和602b設置在基板10的第一表面101上。圖16D示出了耦接到第一吸收區100的載子控制端子401a、401b、601a和601b被佈置在基板10的第二表面102上。換句話說，耦接到第二吸收區200的載子控制端子402a、402b、602a和602b與耦接到第一吸收區100的載子控制端子401a、401b、601a和601b位在基板10的相對兩側。在一些具體實施例中，耦接到第二吸收區200且在第一表面101上的載子控制端子402a、402b、602a和602b可以不與耦接到在基板10的第二表面102上之第一吸收區100的載子控制端子401a、401b、601a和601b重疊。
參照圖16E，在一些具體實施例中，可以通過將相鄰像素佈置為彼此正交來增加光檢測裝置的像素密度。通過使用圖16E所示的正交佈置，可以減少每個像素的平均面積。如圖16E所示，第一吸收區100上的載子控制端子601a、601b、401a和401b和第二吸收區200上的載子控制端子402a、402b、602a和602b在不同的方向上對準，例如，以正交佈置。此外，耦接到第一吸收區100的載子控制端子601a、601b、401a和401b以及耦接到第二吸收區200的載子控制端子402a、402b、602a和602b設置在基板10的相對表面上。虛線所示的載子控制端子601a、601b、401a和401b是指設置在基板10的第二表面102上的元件。在相鄰像素中的第二吸收區200’上的載子控制端子402a’、402b’、602a’和602b’和第二吸收區200上的載子控制端子402a、402b、602a和602b在不同方向上對準，例如以正交佈置。根據不同的像素密度要求，可以採用載子控制端子的各種設計。
在本揭露中，光檢測裝置包括第一光檢測部件和第二光檢測部件，以吸收來自不同波長的光子。此外，由第一光檢測部件產生的第一光載子和由第二光檢測部件產生的第二光載子被分別處理。換句話說，由第一光檢測部件產生的第一光載子和由第二光檢測部件產生的第二光載子分別被第一光檢測部件的第一讀出電路和第二光檢測部件的第二讀出電路處理。
圖17是根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。光檢測裝置包括基板10’和由基板10’支撐的吸收區200’。基板10’的材料可以類似於圖1至圖15（圖15A至15F）中描述的基板10的材料。吸收區200’可以類似於圖1至圖15中描述的第二吸收區200。光檢測裝置更包括用於分別電連接到兩個讀出電路的載子控制端子402a’、402b’。光檢測裝置更包括用於分別電連接到兩個控制電路的載子控制端子602a’、602b’。載子控制端子402a’、402b’、602a’和602b’的材料和特徵可以與圖15中描述的載子控制端子402a、402b、602a和602b的材料和特徵相似。如圖15所示，光檢測裝置更可包括摻雜區305、307及/或306、308。如圖15所示，光檢測裝置更可包括第二井區309a、309c及/或309b、309d。
光檢測裝置更包括在吸收區200’上的覆蓋層70。在一些具體實施例中，覆蓋層70可以在吸收區200'與載子控制端子402a’、402b’、602a’和602b’之間。在一些具體實施例中，覆蓋層70可以覆蓋吸收區200’的表面201’。在一些具體實施例中，覆蓋層70可以覆蓋基板10’的第一表面101’的一部分。覆蓋層70可以由互補式金屬氧化物半導體（CMOS）製程相容性材料（CPCM）形成，諸如非晶矽、多晶矽、磊晶矽、氧化鋁族（例如Al2 O3 ）、氧化矽族（例如SiO2 ）、鍺氧化物族（例如GeO2 ）、鍺矽族（例如Ge0.4 Si0.6 ）、氮化矽族（例如Si3 N4 ）、高介電材料（例如HfOx ，ZnOx ，LaOx 和LaSiOx ）及其任何組合。在吸收區200’的表面201’上存在覆蓋層70可以具有各種效果。例如，覆蓋層70可以用作吸收區200’的表面鈍化層，這可以減少存在於吸收區200’的暴露表面上的缺陷所產生的暗電流或漏電流。在鍺或矽鍺為吸收區200’的情況下，表面缺陷可能是暗電流或洩漏電流的來源，這導致光檢測裝置產生的光電流的干擾水平增加。通過在吸收區200’的表面上形成覆蓋層70，可以減少暗電流或漏電流，從而降低光檢測裝置的干擾水平。作為另一示例，覆蓋層70可以調製在形成於吸收區200’上的載子控制端子402a’、402b’、602a’和602b’ 和吸收區200’之間的蕭特基能障水平。
在一些比較具體實施例中，對於高速操作，有效吸收區通常在光檢測裝置的整個單元區域的大約5％至大約20％的範圍內。即，如圖17所示，大部分的光子被阻擋層60阻擋。為了增強光檢測裝置的雜訊比（SNR），光檢測裝置可以包括光學結構以增強光子收集並且將更多的光子引導到吸收區200’中。
在一些具體實施例中，阻擋層60包括用於允許入射光訊號進入吸收區200’的開口501。在一些具體實施例中，光學結構耦接到基板10’。在一些具體實施例中，光學結構沿著從基板10’到吸收區200’的垂直方向與阻擋層60的開口501重疊。
參照圖17，在一些具體實施例中，基板10’包括與阻擋層60的開口501相鄰的光入射區。光學結構形成在光入射區。在一些具體實施例中，光學結構包括具有外表面503的凸結構502。通過在基板10’的第二表面102’上形成這種凸結構502（例如，透鏡結構），可以將更多的光子收集到吸收區200’中。在一些具體實施例中，可以在外表面503上形成抗反射塗層。在一些具體實施例中，抗反射塗層可以包括或由氧化物、氮化物、氮氧化物、高介電材料、介電質組成或它們的組合。在一些具體實施例中，開口501的寬度不小於吸收區200’的寬度。在一些具體實施例中，從光檢測裝置的剖面圖來看，透鏡結構覆蓋整個吸收區200’。
參考圖18A和18B，在一些具體實施例中，光學結構在光入射區包括不規則粗糙表面504。不規則粗糙表面504的粗糙度（Ra）在大約0.1 μm至大約10 μm的範圍內。在這樣的具體實施例中，粗糙表面504可以延伸以與阻擋層60接觸。可以通過不同的作業來製造圖18A和18B所示之具體實施例，舉例來說，在形成阻擋層60之前，通過適當的粗糙化作業(例如通過濕蝕刻或乾蝕刻作業)形成如圖18A之粗糙表面504。除了將更多的光子收集到吸收區200’中之外，這種粗糙表面504還可以增加基板10’和阻擋層60之間的黏著力。在一些具體實施例中，如圖19所示，光學結構可以在光入射區處包括規則凹凸結構505。在一些具體實施例中，規則凹凸結構505可以由實質上規則的凹凸結構組成。凸起結構之一的高度在約0.1 μm至約10 μm的範圍內。通過使用適當的微加工作業，可以形成規則凹凸結構505。這樣，更多的光子可以被收集到吸收區200’。
參照圖20，在一些具體實施例中，光學結構包括在基板10’的光入射區上的第一反射鏡506。在一些具體實施例中，第一反射鏡506在阻擋層60的開口501中。此外，光檢測裝置更包括第二反射鏡507，第二反射鏡507鄰近基板10’的第一表面101’並且與第一反射鏡506垂直對準。在一些具體實施例中，第一反射鏡506是半反射鏡，其可以針對單波長和寬帶波長在特定的入射角處提供所需的反射/透射百分比。更準確地說，在相同波長下，第一反射鏡506的反射率低於第二反射鏡507的反射率。第一反射鏡506允許一部分光及其能量透射到吸收區200’中，而第二反射鏡507是全反射器，其將大部分的光及其能量反射回吸收區200’中。第二反射鏡507可以將大部分光反射回吸收區200’中。在一些具體實施例中，第二反射鏡507被設計為在入射光訊號的峰值波長處具有高於50％的反射率。在一些具體實施例中，第二反射鏡507被設計成具有製造程序所允許的盡可能高的反射率（即，大於90%或盡可能接近100％）。第二反射鏡507和第一反射鏡506可以是分佈式布拉格反射器（DBR）、環形鏡、角鏡、金屬鏡、氧化物鏡、氮化物鏡、錐形DBR結構或以上各項的適當組合。
通過適當地設計第一反射鏡506和第二反射鏡507，可以減小多次反射的總干涉的幅度，例如達到臨界耦接條件，即，光訊號從第一反射鏡506入射，會有部分光訊號自第一反射鏡506逃逸，其餘的光會進入吸收區200’並被第二反射鏡507反射回第一反射鏡506°反射自第二反射鏡507的光訊號中，部分會再次從第一反射鏡506逃逸，其餘的光訊號則會被第一反射鏡506反射再次進入吸收區200’°自第一反射鏡506逃逸出的光具有不同的相位，例如，彼此形成破壞性干涉，因此自第一反射鏡506逃逸出的光的總能量將為零或接近零，因此光檢測裝置可以將大部分光子鎖定在吸收區200’中並增加吸收的可能性。在一些具體實施例中，第一反射鏡506可以包括由不同材料製成的多層結構，例如第一反射鏡506和第二反射鏡507皆可以包括多層結構，多層結構包括具有不同折射率的交替的第一層和第二層，其中第一層和相鄰的第二層被視為一對。
參照圖21A，在一些具體實施例中，光學結構包括在基板10’的光入射區處的光子晶體結構508。光子晶體結構508包括彼此分離的多個微結構。在一些具體實施例中，一個微結構的寬度W1不同於另一個微結構的寬度W2。在一些具體實施例中，兩個相鄰的微結構之間的距離D2不同於另外兩個相鄰的微結構之間的距離D3。通過利用如圖21B至21D所示的光子晶體結構，可以通過適當的繞射設計將更多的光子收集到吸收區200’中。例如，可以根據將入射光子引導到吸收區200’中所需的繞射角，採用不同佈置的微結構。在一些具體實施例中，可以通過增加微結構的密度來增加繞射角。例如，兩個相鄰的微結構之間的距離沿著遠離光訊號源的水平方向逐漸減小。又例如，兩個相鄰的微結構的寬度沿著遠離光訊號源的水平方向逐漸減小。在一些具體實施例中，如果光訊號源位於基板10’的右下角，則兩個相鄰的微結構之間的距離從右到左逐漸減小。或者，相鄰的微結構的寬度從右到左逐漸減小。在一些具體實施例中，光子晶體結構508可以包括如圖21B所示之柱陣列，如圖21C所示之溝槽陣列，或者如圖21D所示之一維光柵。
參照圖22A，在一些具體實施例中，光檢測裝置更包括佈置在吸收區200’的兩個相對側的限制結構509。在一些具體實施例中，限制結構509的材料的折射率低於基板10’的材料的折射率。通過在吸收區200’附近插入由較低折射率材料製成的限制結構509，吸收區200’可以通過增強的內反射來收集更多的光子。在一些具體實施例中，限制結構509可以從第二表面102’朝向基板10’的第一表面101’延伸。在一些具體實施例中，限制結構509可以由二氧化矽(SiO2 )、多孔結構或空隙組成。在一些具體實施例中，限制結構509包括介電質材料。在一些具體實施例中，限制結構509的材料的反射率高於基板10’的材料的反射率。在一些具體實施例中，限制結構509包括金屬。通過在吸收區200’附近插入由較高反射率的材料製成的限制結構509，吸收區200’可以通過增強反射來收集更多的光子。
如圖22B至22D所示，取決於不同的設計，限制結構509可以設置在吸收區200’的任何側面。例如，限制結構509可以圍繞整個吸收區200'，如圖22B所示。
在一些具體實施例中，本申請的具體實施例中的結構可以被組合或改變。例如，圖15中描述的第二光檢測部件還可以包括覆蓋層70。
在一個示例性方面，提供了一種光檢測裝置。光檢測裝置包括包含基板的第一光檢測部件，以及包含第二吸收區的第二光檢測部件。基板具有第一吸收區，第一吸收區被配置為吸收具有第一峰值波長的光子並產生第一光載子。第二吸收區由基板支撐並且被配置為吸收具有第二峰值波長的光子並產生第二光載子。第一吸收區和第二吸收區沿垂直方向重疊。
在另一個示例性方面，提供了一種光檢測裝置。光檢測裝置包括第一光檢測部件、包含第二吸收區的第二檢測部件。第一光檢測部件包括具有第一吸收區的基板。第一吸收區包括第一材料。第一材料具有第一能隙。第二吸收區在第一吸收區之上。第二吸收區包括第二材料。第二材料具有第二能隙。第二能隙小於第一能隙。第一光檢測部件更包括具有第一導電類型的第一摻雜區，第一摻雜區鄰近第一吸收區並與基板的表面接觸。第一光檢測部件更包括具有第二導電類型的第二摻雜區，第二摻雜區鄰近到第一吸收區並且與基板的表面接觸，其中第一導電類型不同於第二導電類型。
又再另一個示例性方面，提供了一種光檢測裝置。光檢測裝置包括第一光檢測部件和包括第二吸收區的第二光檢測部件。第一光檢測部件包括基板、第一摻雜區和第二摻雜區。基板具有第一表面、第二表面以及在第二表面和第一表面之間的第一吸收區。第二吸收區在第一吸收區上方，並且基板的第一表面在第二吸收區和第一吸收區之間。第一導電類型的第一摻雜區在基板中並與基板的第二表面接觸。第二導電類型的第二摻雜區在基板中並與基板的第二表面接觸。
又再另一個示例性方面，提供了一種光檢測裝置。光檢測裝置包括包含光入射區的基板、由基板支撐的吸收層、在基板的第二表面上方的阻擋層、以及耦接至光入射區的光學結構。阻擋層包括沿垂直方向與吸收區重疊的開口。
前述概述了幾個具體實施例的結構，使得本領域技術人員可以更好地理解本發明的各方面。本領域技術人員應當理解，他們可以容易地將本發明作為基礎設計或修改其他過程和結構，以實現與本文介紹的具體實施例相同的目的及/或實現相同的優點。本領域技術人員還應該了解，這樣的等同構造不脫離本發明的精神和範圍，並且在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，它們可以在這裡進行各種改變，替換和變更。
10:基板 10’:基板 50:濾光器 60:阻擋層 70:覆蓋層 100:第一吸收區 101:第一表面 101’:第一表面 102:第二表面 102’:第二表面 200:第二吸收區 200’:吸收區、第二吸收區 201:表面 201’:表面 300a:第一井區 300b:第一井區 300c:第一井區 300d:第一井區 301:第一摻雜區 302:第二摻雜區 302a:輕摻雜區 303:第三摻雜區 304:第四摻雜區 304a:輕摻雜區 305:第五摻雜區 306:第六摻雜區 307:第七摻雜區 308:第八摻雜區 309a:第二井區 309b:第二井區 309c:第二井區 309d:第二井區 401:載子控制端子 401a:載子控制端子 401b:載子控制端子 401v:載子控制端子 402:載子控制端子 402v:載子控制端子 402a:載子控制端子 402a’:載子控制端子 402b:載子控制端子 402b’:載子控制端子 501:開口 502:凸結構 503:外表面 504:不規則粗糙表面 505:規則凹凸結構 506:第一反射鏡 507:第二反射鏡 508:光子晶體結構 509:限制結構 601a:載子控制端子 601b:載子控制端子 602a:載子控制端子 602a’:載子控制端子 602b:載子控制端子 602b’:載子控制端子 1001a:第一開關 1001b:第二開關 D1:距離 D2:距離 D3:距離 L0:光訊號 L1:光訊號 L2:光訊號 W1:寬度 W2:寬度
為了對本發明之各方面有更佳的瞭解，以下將配合所附圖式詳細說明。須注意的是，按照產業中的標準方法，各種結構未按比例繪製。實際上，為了清楚起見，可以任意增加或減小各種結構的尺寸。
圖1示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖2示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖3A示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖3B示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的俯視圖。
圖3C示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖4A和4B示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖5示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖6A示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖6B和6C示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的俯視圖。
圖7A示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖7B和7C示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的俯視圖。
圖8示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖9示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖10A示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖10B示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的俯視圖。
圖10C示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖11A和11B示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖12A和12B示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖13A和13B示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖14示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖15A、15B、15C、15D、15E和15F示出根據本申請的一些具體實施例的第二光檢測部件的剖面圖。
圖16A、16B和16C示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的俯視圖。
圖16D示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的底視圖。
圖16E示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的俯視圖。
圖17示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖18A和18B示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖19示出了根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖20示出了根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖21A示出了根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖21B、21C和21D示出根據本申請的一些具體實施例的光子晶體結構的立體圖。
圖22A示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的剖面圖。
圖22B、22C和22D示出根據本申請的一些具體實施例的光檢測裝置的俯視圖。
10:基板
100:第一吸收區
101:第一表面
102:第二表面
200:第二吸收區

Claims (10)

  1. 一種光檢測裝置，包括：一基板，其包括矽；以及一光檢測部件，包括一吸收區嵌入該基板中並且接近該基板的一第一表面，該吸收區包括鍺，其被配置為吸收光子並產生光載子；其中，該基板於相對於該第一表面的一第二表面具有一光子晶體結構，用以調整繞射角以引導入射光子至該吸收區；以及其中，該基板更包括接近該基板的該第一表面的兩個載子控制端子。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光檢測裝置，其中該該光子晶體結構包括彼此分離的多個微結構，該等微結構之間的距離沿一水平方向逐漸減小。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光檢測裝置，其中該光子晶體結構包括彼此分離的多個微結構，該等微結構的寬度沿一水平方向逐漸減小。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的光檢測裝置，其中該光子晶體結構包括彼此分離的多個微結構，該等微結構至少包括一第一寬度以及相異於該第一寬度之一第二寬度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的光檢測裝置，其中該光子晶體結構包括 柱陣列。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的光檢測裝置，其中該光子晶體結構包括溝槽陣列。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的光檢測裝置，其中該光子晶體結構包括一維光柵。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的光檢測裝置，更包括一阻擋層，位於該基板的該第二表面，該阻擋層暴露該光子晶體結構。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的光檢測裝置，更包括一覆蓋層，位於該基板的該第一表面並覆蓋該吸收區。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的光檢測裝置，其中該覆蓋層的材料包含非晶矽、多晶矽、磊晶矽、氧化鋁族、氧化矽族、鍺氧化物族、鍺矽族、氮化矽族、高介電材料或其等的任何組合。
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