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CN111509064A - 用于检测不同波长的光检测装置 - Google Patents

用于检测不同波长的光检测装置 Download PDF

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CN111509064A
CN111509064A CN202010010144.0A CN202010010144A CN111509064A CN 111509064 A CN111509064 A CN 111509064A CN 202010010144 A CN202010010144 A CN 202010010144A CN 111509064 A CN111509064 A CN 111509064A
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CN
China
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doped region
absorption
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doped
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CN202010010144.0A
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卢彦丞
那允中
陈书履
陈建宇
郑斯璘
林崇致
刘宇轩
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Original Assignee
Guangcheng Research And Creation Co ltd
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Abstract

用于检测不同波长的光检测装置包括第一光检测部件，其包括基板；以及第二光检测部件，其包括第二吸收区。基板具有第一吸收区，第一吸收区被配置为吸收具有第一峰值波长的光子并产生第一光载子。第二吸收区由基板支撑并且被配置为吸收具有第二峰值波长的光子并产生第二光载子。第一吸收区和第二吸收区沿垂直方向重叠。

Description

用于检测不同波长的光检测装置
技术领域
本发明有关于一种光检测装置，更具体地，有关于一种用于检测不同波长的光检测装置，包括两个感测器，其分别对两个不同峰值波长敏感的两个吸收区反应。
背景技术
近年来，利用卷积神经网络(convolutional neural networks，CNNs)进行图像识别已经取得了重大进展，并在许多应用中超过了人类的准确性。对于深度学习算法，输入信道越多以及每个输入通道之间的像素对齐的品质(如R、G、B、强度和深度)越好，错误率就越小。
发明内容
依据本申请内容之第一态样，提供一种光检测装置。光检测装置包括包含基板的第一光检测部件，以及包含第二吸收区的第二光检测部件。基板具有第一吸收区，第一吸收区被配置为吸收具有第一峰值波长的光子并产生第一光载子。第二吸收区由基板支撑并且被配置为吸收具有第二峰值波长的光子并产生第二光载子。第一吸收区和第二吸收区沿垂直方向重叠。
无在本申请内容之另一态样中，提供一种光检测装置。光检测装置包括第一光检测部件、包含第二吸收区的第二检测部件。第一光检测部件包括具有第一吸收区的基板。第一吸收区包括第一材料。第一材料具有第一能隙。第二吸收区在第一吸收区之上。第二吸收区包括第二材料。第二材料具有第二能隙。第二能隙小于第一能隙。第一光检测部件更包括第一导电类型的第一掺杂区，第一掺杂区邻近第一吸收区并与基板的表面接触。第一光检测部件更包括第二导电类型的第二掺杂区，第二掺杂区邻近第一吸收区并且与基板的表面接触，其中第一导电类型不同于第二导电类型。
在本申请内容之另一态样中，提供一种光检测装置。光检测装置包括第一光检测部件和包括第二吸收区的第二光检测部件。第一光检测部件包括基板、第一掺杂区和第二掺杂区。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间的第一吸收区。第二吸收区在第一吸收区上方，并且基板的第一表面在第二吸收区和第一吸收区之间。第一导电类型的第一掺杂区在基板中并与基板的第二表面接触。第二导电类型的第二掺杂区在基板中并与基板的第二表面接触。
在本申请内容之另一态样中，提供一种光检测装置。光检测装置包括包含光入射区的基板、由基板支撑的吸收层、在基板的第二表面上方的阻挡层、以及耦接至光入射区的光学结构。阻挡层包括沿垂直方向与吸收区重叠的开口。
附图说明
为了对本发明之各方面有更佳的了解，以下将配合所附图式详细说明。须注意的是，按照产业中的标准方法，各种结构未按比例绘制。实际上，为了清楚起见，可以任意增加或减小各种结构的尺寸。
图1示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图2示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图3A示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图3B示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的俯视图。
图3C示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图4A和4B示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图5示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图6A示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图6B和6C示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的俯视图。
图7A示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图7B和7C示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的俯视图。
图8示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图9示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图10A示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图10B示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的俯视图。
图10C示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图11A和11B示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图12A和12B示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图13A和13B示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图14示出根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。
图15A、15B、15C、15D、15E和15F示出根据本申请的一些具体实施例的第二光检测部件的剖面图。
图16A、16B和16C示出根据本申请的一些具体实施例的光检测器的俯视图。
图16D示出根据本申请的一些具体实施例的光检测器的底视图。
图16E示出根据本申请的一些具体实施例的光检测器的俯视图。
图17示出根据本申请的一些具体实施例的光检测器的剖面图。
图18A和18B示出根据本申请的一些具体实施例的光检测器的剖面图。
图19示出了根据本申请的一些具体实施例的光检测器的剖面图。
图20示出了根据本申请的一些具体实施例的光检测器的剖面图。
图21A示出了根据本申请的一些具体实施例的光检测器的剖面图。
图21B、21C和21D示出根据本申请的一些具体实施例的光子晶体结构的立体图。
图22A示出根据本申请的一些具体实施例的光检测器的剖面图。
图22B、22C和22D示出根据本申请的一些具体实施例的光检测器的俯视图。
具体实施方式
本申请案主张2019年1月6日提交的美国临时申请案62/788,931和2019年6月12日提交的美国临时申请案62/860,264的优先权。
以下揭露提供了许多不同的具体实施例或示例，用于实现所提供的标的的不同特征。以下描述组件和布置的特定示例以简化本发明。当然，这些仅仅是示例，并非用于限制本发明。例如，在下面的描述中，在第二特征上方或上的第一特征的形成可以包括第一和第二特征直接接触形成的具体实施例，并且还可以包括在第一与第二特征之间形成附加特征的具体实施例，使得第一和第二特征可以不直接接触。另外，本发明可以在各个示例中重复参考数字及/或字母。该重复是出于简单和清楚的目的，并且其本身并不影响所讨论的各种具体实施例及/或配置之间的关系。
此外，为了便于描述图式中的一个组件或特征与另一个或多个组件或特征的关系，在本文中可以使用诸如「在...下方」、「在…下面」、「低于」、「在...上方」、「高于」、「在...上面」之类的空间相对术语。除了在图中描述的方向之外，空间相对术语还意图涵盖装置在使用或操作中的不同方向。设备可以以其他方式定向(旋转90度或以其他方向)，并且在此使用的空间相对描述语可以同样地被相应地解释。
如本文中所使用的，诸如「第一」、「第二」和「第三」之类的术语描述了各种组件、组件、区域、层及/或部分，这些组件、组件、区域、层及/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅可用于将一个元素、组件、区域、层或部分与另一个做区分。除非上下文明确指出，否则本文中使用的诸如「第一」、「第二」和「第三」的术语并不暗示顺序或次序。
在本发明中，光检测装置能够将光信号转换成电信号。术语「锗硅(GeSi)」是指GexSi1-x，其中0＜x＜1。术语「本质的」是指不故意添加掺杂物的半导体材料。
在一些具体实施例中，基于锗的小能隙，硅结构上的锗结构可能潜在地与两个不同的光学波长带反应。在本申请的一些具体实施例中，锗感测器与硅感测器垂直整合，其中硅感测器被设计为与入射光的短波长部分反应，而锗感测器可以吸收其余较长的部分。同时，在一些具体实施例中，可以使用彩色滤光片来选择用于感测的期望波长，例如选择该波长可以被硅感测器吸收的波长，或者滤掉那些不想要的波长，例如那些被硅感测器和锗感测器部分吸收的波长。整合于一装置的锗和硅感测器，可以个别用作图像感测器或飞时测距(Time of Flight，TOF)感测器。或者，它们可以是图像传感器和飞时测距感测器，以分时多任务(TDM)交替使用。通过垂直堆叠硅和锗感测器，当硅传感器和锗传感器同时用作CMOS图像传感器或其中一传感器用作CMOS图像传感器而另一传感器用作飞时测距传感器，可以提高通道对准率。通过垂直堆栈硅和锗传感器，当硅传感器和锗传感器同时用作飞时测距传感器，可以提高去混叠(dealiasing)能力。
图1是根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。光检测装置可包括第一光检测部件(未标记)，其包括基板10，以及第二光检测部件(未标记)，其耦接至基板10。第一光检测部件包括在基板10中的第一吸收区100。第二光检测部件包括在第一吸收区100上方的第二吸收区200。第一吸收区100被配置为吸收具有第一峰值波长的光子并产生第一光载子。基板10包括第一表面101和与第一表面101相对的第二表面102。第一吸收区100在第一表面101和第二表面102之间。第二吸收区200由基板10支撑，例如，在基板10的第一表面101上方。虽未绘示于图1中，第二吸收区200可以各种程度的突出且部分地嵌入在基板10中。第二吸收区200被配置为吸收具有不同于第一峰值波长的第二峰值波长的光子，并产生第二光载子。在一些具体实施例中，第二峰值波长在不小于约800纳米(nm)的不可见波长范围内，例如850nm、940nm、1050nm、1064nm、1310nm、1350nm或1550nm。在一些具体实施例中，不可见波长范围不大于约2300nm。在一些具体实施例中，光子来自光信号。在一些具体实施例中，第一吸收区100被配置为吸收具有第一波长范围的光子并产生第一光载子。第二吸收区200被配置为吸收具有不同于第一波长范围的第二波长范围的光子并产生第二光载子。第二波长范围的一部分在不可见的波长范围内，例如在大约1000nm与大约2300nm之间。
在一些具体实施例中，第一吸收区100包括具有第一能隙的第一材料，并且第二吸收区200包括具有第二能隙的第二材料。在一些具体实施例中，第二能隙小于第一能隙。在一些具体实施例中，第一材料在约1000nm至约1600nm的波长范围内具有第一吸收系数。第二材料在约1000nm至约1600nm的波长范围内具有第二吸收系数。第二吸收系数大于第一吸收系数，例如，第二吸收系数比第一吸收系数大至少十倍。在一些具体实施例中，第二吸收系数比第一吸收系数大至少100倍。在一些具体实施例中，第一材料和第二材料包括半导体材料，半导体材料包括III族元素、IV族元素或V族元素。在一些具体实施例中，第二材料中的至少一个元素不同于第一材料中的元素。在一些具体实施例中，第二吸收区200包括锗锡(GeSn)、锗(Ge)、硅锗(SiGe)或锑化镓(GaSb)。在一些具体实施例中，第一吸收区100包括在300K下具有约1.11eV的能隙的硅(Si)，而第二吸收区200包括在300K下具有约0.67eV的能隙的锗。在一些具体实施例中，第一吸收区100和第二吸收区200沿着从第一吸收区100到第二吸收区200的垂直方向重叠。在一些具体实施例中，入射光信号从基板10的第二表面102进入第一吸收区100及第二吸收区200。
在一些具体实施例中，第二吸收区200的厚度取决于要检测的光子的波长和第二吸收区200的材料。在一些具体实施例中，第二吸收区200的厚度不小于0.1微米(μm)。在一些具体实施例中，第二吸收区200具有在0.1μm与2.5μm之间的厚度。在一些具体实施例中，第二吸收区200具有在1μm与2.5μm之间的厚度藉以有更高的量子效率。在一些具体实施例中，当第二吸收区200包括锗并且被设计成吸收具有不小于约800nm的波长的光子时，第二吸收区200具有不小于0.1μm的厚度。在一些具体实施例中，当第二吸收区200包括锗并且被设计成吸收具有在大约1000nm与大约2300nm之间的波长的光子时，第二吸收区200具有在0.1μm与2.5μm之间的厚度。
在一些具体实施例中，光检测装置可以包括阻挡层(未示出)，阻挡层具有用于定义第一吸收区100的位置的开口。换句话说，开口用于允许入射的光信号进入基板10，从而定义第一吸收区100在基板10中的位置。在一些具体实施例中，阻挡层位于基板10的第二表面102上。换句话说，阻挡层和第二吸收区200位于基板10的两个相对侧。在一些具体实施例中，从开口的俯视图看，开口的形状可为椭圆形，圆形、矩形、正方形、菱形、八边形或任何其他合适的形状。
如图2所示，在一些具体实施例中，第二吸收区200可以完全嵌入基板10中并且接近基板10的第一表面101。在一些具体实施例中，第二吸收区200的顶表面可以与基板10的第一表面101实质上共平面。在一些具体实施例中，第二吸收区200被基板10横向包围，例如，第二吸收区200的侧壁被基板10包围。
参照图3A，在一些具体实施例中，第一光检测部件更包括在基板10中的第一掺杂区301和第二掺杂区302。第一吸收区100在第一掺杂区301和第二掺杂区302之间。第一掺杂区301可具有第一导电类型并且与第一吸收区100相邻。例如，第一掺杂区301可从邻近第一表面101的位置朝向基板10的第二表面102延伸，并且第一掺杂区301可沿着水平方向与第一吸收区100至少部分地横向重叠。第二掺杂区302可具有与第一导电类型不同的第二导电类型并且与第一吸收区100相邻。例如，第二掺杂区302可从邻近第一表面101的位置朝向基板10的第二表面102延伸，且第二掺杂区302可沿水平方向与第一吸收区100至少部分地横向重叠。在一些具体实施例中，第一导电类型可以是p型，第二导电类型可以是n型，而在一些其他具体实施例中，可以实现相反的导电类型。在一些具体实施例中，从光检测装置的剖面图看，第一吸收区100在第一掺杂区301和第二掺杂区302之间。在一些具体实施例中，阻挡层的开口的直径或宽度实质上等于第一掺杂区301和第二掺杂区302之间的最小距离D1。
第一掺杂区301和第二掺杂区302形成为收集由第一吸收区100产生的第一光载子。在一些具体实施例中，第一掺杂区301包括具有峰值浓度比基板10的掺杂物的峰值浓度高的掺杂物。在一些具体实施例中，基板10可以是本质的。在一些具体实施例中，第一掺杂区301的掺杂物的峰值浓度在大约5E18 cm-3至大约5E20 cm-3的范围内，以允许在载子控制端子401和第一掺杂区301之间形成欧姆接触。例如，第一掺杂区301可以具有p+掺杂，其中激活的掺杂物浓度可以与制造程序可以实现的浓度一样高。在一些具体实施例中，p掺杂的第一掺杂区301的掺杂浓度可以低于约5E20 cm-3，以减轻制造复杂性。类似地，在一些具体实施例中，第二掺杂区302包括峰值浓度在大约5E18 cm-3至大约5E20 cm-3范围内的掺杂物，以允许在载子控制端子401v和第二掺杂区302之间形成欧姆接触。例如，第二掺杂区302可以具有n+掺杂，其中激活的掺杂物浓度可以与制造程序可以实现的浓度一样高。在一些具体实施例中，n掺杂的第二掺杂区302的掺杂浓度可以低于约5E20 cm-3，以减轻制造复杂性。如图3A和3B所示，在一些具体实施例中，第一掺杂区301和第二掺杂区302足够深以部分地围绕第一吸收区100的两个横向侧面。在一些具体实施例中，p型掺杂物包括III族元素。在一些具体实施例中，p型掺杂物是硼。在一些具体实施例中，n型掺杂物包括V族元素。在一些具体实施例中，n型掺杂物是磷。
在一些具体实施例中，如图3A至图3C所示，载子控制端子401连接至用于第一吸收区100中产生的一种类型的光载子的读出电路，并且电耦接至第一掺杂区301或第二掺杂区302。读出电路可以是三晶体管配置，包括重置闸、源极随耦器和选择闸、或任何合适的用于处理电荷的电路。在这样的具体实施例中，取决于操作条件，可以将未耦接到读出电路的第一掺杂区301或第二掺杂区302藉由载子控制端子401v耦接至电压源或接地。在一些具体实施例中，读出电路包括四个或更多个晶体管(未示出)，或用于处理载子的任何合适的电子组件(未示出)。
在一些具体实施例中，第一光检测部件被设计为处理电子。例如，掺杂区301/302被设计为首先收集不同类型的第一光载子，其中第二掺杂区302(例如，n掺杂)被设计为收集电子，耦接至第二掺杂区302的载子控制端子401v连接到用于处理所收集之电子的读出电路，第一掺杂区301(例如，p掺杂)被设计为收集空穴，并且耦接到第一掺杂区301的载子控制端子401接地以排除空穴。在一些具体实施例中，第一光检测部件被设计为处理空穴，掺杂区301/302被设计为首先收集不同类型的第一光载子，其中第一掺杂区301(例如，p掺杂)被设计为收集空穴，且耦接到第一掺杂区301的载子控制端子401连接到用于处理所收集的空穴的读出电路，第二掺杂区302(例如，n掺杂)被设计为收集电子，且耦接到第二掺杂区302的载子控制端子401v偏压在适当的水平(例如，VDD)上，以排除电子。参考图3B，分别耦接到掺杂区301/302的载子控制端子401/410v可以是连接到不同偏压水平的两个分离的导电通道。在一些具体实施例中，载子控制端子401/401v包括金属或合金。例如，载子控制端子401/401v包括铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)、钽-氮化钽-铜(Ta-TaN-Cu)叠层或钛-氮化钛-钨(Ti-TiN-W)叠层。
参照图3C，在一些具体实施例中，第一掺杂区301和第二掺杂区302可以与基板10的第二表面102接触。第二表面102与第一表面101相对，从而第一掺杂区301和第二掺杂区302从邻近第二表面102的位置朝向第一表面101延伸。在一些具体实施例中，当第一掺杂区301和第二掺杂区302与基板10的第二表面102接触时，第二吸收区200的横向侧面不被第一掺杂区301和第二掺杂区302围绕。
参照图4A，在一些具体实施例中，第二吸收区200可以完全形成在基板10的第一表面101上。在一些具体实施例中，从光检测装置的剖面图来看，载子控制端子401、401v位于第二吸收区200的横向侧面。从光检测装置的剖面图来看，第一掺杂区301和第二掺杂区302在第一吸收区100的两个横向侧面。在一些具体实施例中，从光检测装置的剖面图来看，第一掺杂区301和第二掺杂区302之间的最小距离D1大于第二吸收区200的宽度。在一些具体实施例中，第二吸收区200可以部分地在基板10的第一表面101上并且部分地在基板10中。
参照图4B，在一些具体实施例中，第二吸收区200完全形成在基板10的第一表面101上，并且第一掺杂区301和第二掺杂区302与基板10的第二表面102接触。在一些具体实施例中，第一掺杂区301和第二掺杂区302可以在从第一吸收区100到第二吸收区200的垂直方向上与第二吸收区200重叠。在一些具体实施例中，第二吸收区200可以比第一吸收区100宽。虽未绘示于图4B中，根据各种制造考虑，第一吸收区100可以比第二吸收区200宽，使得第一掺杂区301和第二掺杂区302在垂直方向上不与第二吸收区200重叠。
参照图5，在一些具体实施例中，滤光器50可以从光信号L0滤出两个不同波长范围的光信号L1、L2基板10位在滤光器50以及第二吸收区200之间，藉以使滤出光信号从基板10的第二表面102进入第一吸收区100及第二吸收区200。在这样的具体实施例中，第一吸收区100可以吸收波长小于大约1000nm(例如介于400nm至800nm之间)的滤出光信号L2，而第二吸收区200可以吸收波长大于大约1000nm(例如介于1000nm至1600nm之间)的滤出光信号L1。藉由滤光器50的设计，可以移除不想要的波段，藉以降低第一光检测部件的噪声以及降低第二光检测部件的噪声。在一些具体实施例中，第二光检测部件可以用作飞时测距感测器，而第一吸收区100可以用作光信号强度感测器。换句话说，可以在单一光检测装置中的单个照明下获取两个资料通道。例如，一个通道是深度资料，另一个通道是光信号L0的强度资料。在一些具体实施例中，光信号L0从三维物体反射。
参照图6A，在一些具体实施例中，第一掺杂区301可以沿着第二吸收区200的侧壁和底表面延伸以分离第一吸收区100和第二吸收区200。在一些具体实施例中，第一掺杂区301可以包括p掺杂的硅且第二掺杂区302可以包括n掺杂的硅。基于包括第一掺杂区301、第一吸收区100和第二掺杂区302的这种PIN光检测器，可以形成面积增加的第一光检测部件。在一些具体实施例中，在形成第一掺杂区301时，可以在基板10中形成凹槽；接下来，可以通过诸如布植掺杂物等任何合适的方法在围绕凹槽的基板的表面上形成第一掺杂区301，然后可以用任何合适的方法例如磊晶成长将第二吸收区200的材料填充凹槽。如图6B和6C所示，从俯视图的角度来看，第二掺杂区302可以沿着第一吸收区100的外围形成。在一些具体实施例中，电耦接到第二掺杂区302的载子控制端子401v可以包括两个离散的导电塞，其布置在第一吸收区100和第二吸收区200的相对侧。前述的两个分离的导电塞可以进一步连接至第一偏压。同样地，电耦接到第一掺杂区301的载子控制端子401可以包括两个分离的导电塞，其布置在第一吸收区100和第二吸收区200的相对侧，如图6B所示。前述的两个分离的导电塞可以进一步连接到不同于第一偏压的第二偏压。在一些其他具体实施例中，从俯视图的角度来看，载子控制端子401v可以包括连续的导电塞，其沿着第一吸收区100的外围电耦接到第二掺杂区302，如图6C所示。在一些具体实施例中，从稍后描述的图7B的俯视图的角度来看，图6B中的第二掺杂区302可以形成在第一吸收区100的两个相对侧。
参照图7A，在一些具体实施例中，第二吸收区200形成在基板10的第一表面101上方，并且第一掺杂区301沿着第二吸收区200的底表面延伸以将第一吸收区100和第二吸收区200分开。在这样的具体实施例中，在形成第一掺杂区301之前，不需要在基板10中形成凹槽。如图7B所示，在一些具体实施例中，在俯视图角度中，第二掺杂区302可以形成在第一吸收区100的两个相对侧，并且电耦接到第二掺杂区302的载子控制端子401v可以包括设置在第一吸收区100的相对侧的两个分离的导电塞。在一些其他具体实施例中，如图7C所示，从俯视图的角度看，第二掺杂区302和电耦接到第二掺杂区302的载子控制端子401v均沿着第一吸收区100的外围形成，并且都是连续的。
参照图8，在一些具体实施例中，第二掺杂区302可以是任何合适形式的连续区域。例如，第二掺杂区302可以包括垂直部分和水平部分，水平部分在邻近基板10的第二表面102处延伸。第一吸收区100被第一掺杂区301和第二掺杂区302夹在中间。图9的光检测装置类似于图8，除了第二吸收区200在基板10的第一表面101上并且第一吸收区100的形状与图8中的第一吸收区100的形状不同之外。
在一些具体实施例中，图3A至图9的光检测装置中的第一光检测部件可以是互补式金属氧化物半导体(CMOS)图像感测器。在一些具体实施例中，第一光检测部件以不大于每秒1000帧(fps)的帧速率进行操作。
参照图10A，在一些具体实施例中，第一光检测部件更包括在基板10中的第一导电类型的第三掺杂区303，其中第一掺杂区301和第三掺杂区303设置在第一吸收区100和第二吸收区200的相对侧。在这样的具体实施例中，第一光检测部件更包括在基板10中的第二导电类型的第四掺杂区304，其中第二掺杂区302和第四掺杂区304设置在第一吸收区100和第二吸收区200的相对侧。如图10A所示，在这样的具体实施例中，载子控制端子601a和601b可以一对一的关系连接到两个第一控制电路。载子控制端子401a和401b可以一对一的关系连接到用于第一吸收区100中产生的第一光载子的两个第一读出电路。在一些具体实施例中，电连接到载子控制端子401a的第一读出电路与电连接到载子控制端子401b的第一读出电路分开。两个第一控制电路分别通过载子控制端子601a和601b电耦接到第二掺杂区302和第四掺杂区304，而两个第一读出电路分别通过载子控制端子401a和401b电耦接到第一掺杂区301和第三掺杂区303。在一些具体实施例中，第一掺杂区301和第三掺杂区303是n掺杂的，第二掺杂区302和第四掺杂区304是p掺杂的。在一些具体实施例中，第二掺杂区302和第四掺杂区304比第一掺杂区301和第三掺杂区303更靠近第一吸收区100。在一些具体实施例中，载子控制端子401a、401b、601a和601b包括与如图3A至3C所述的载子控制端子401/401v的材料相似的材料。
在一些具体实施例中，第三掺杂区303包括峰值浓度高于基板10的掺杂物的峰值浓度的掺杂物。在一些具体实施例中，基板10可以是本质的。在一些具体实施例中，第三掺杂区303的掺杂物的峰值浓度在大约5E18 cm-3至大约5E20 cm-3的范围内，以允许在载子控制端子401b和第三掺杂区303之间形成欧姆接触。例如，第三掺杂区303可以具有n+掺杂，其中激活的掺杂物浓度可以与制造程序可以实现的浓度一样高。在一些具体实施例中，n掺杂的第三掺杂区303的掺杂浓度可以低于约5E20 cm-3，以减轻制造复杂性。在一些具体实施例中，第四掺杂区304包括峰值浓度高于基板10的掺杂物的峰值浓度的掺杂物。在一些具体实施例中，基板10可以是本质的。在一些具体实施例中，第四掺杂区304可以具有p+掺杂，其中激活的掺杂物浓度可以与制造程序可以实现的浓度一样高。在一些具体实施例中，p掺杂的第四掺杂区304的掺杂浓度可以低于大约5E20 cm-3，以减轻制造复杂性。类似地，在一些具体实施例中，第四掺杂区304包括峰值浓度在从大约5E18 cm-3到大约5E20 cm-3的范围内的掺杂物，以允许在载子控制端子601b和第四掺杂区304之间形成欧姆接触。
两个第一控制电路可以提供控制信号，以控制由第一吸收区100中吸收的光子所产生的光载子(例如电子)的收集。举例来说，参照图10A，当电连接到载子控制端子601a的第一控制电路相对于电连接到载子控制端子601b的第一控制电路偏压时，在第二掺杂区302和第四掺杂区304之间产生电场，并且根据电场的方向，自由电子可以朝第二掺杂区302或第四掺杂区304漂移。第二掺杂区302和第一掺杂区301之间的电场将电子进一步引导到第一掺杂区301。然后，可以使电连接到载子控制端子401a的第一读出电路能够处理由第一掺杂区301收集的电子。在一些具体实施例中，电连接到载子控制端子601a的第一控制电路可以固定在电压值Vi，并且电连接到载子控制端子601b的另一个第一控制电路可以在电压值Vi±ΔV之间交替。偏压值的方向决定了电子的漂移方向。因此，当包括电连接到载子控制端子401a的第一读出电路和电连接到载子控制端子601a的第一控制电路的开关被「接通」时(亦即，电子向第二掺杂区302漂移)，包括电连接到载子控制端子401b的第一读出电路和电连接到载子控制端子601b的第一控制电路的另一开关被「断开」(亦即，电子从第四掺杂区304被阻挡)。在一些具体实施例中，分别电连接到载子控制端子601a和601b的两个第一控制电路可以被施加到彼此差分的电压。在一些具体实施例中，电连接到载子控制端子601a的第一控制电路被固定在电压值V(例如0.5V)，并且电连接到载子控制端子601b的第一控制电路是变化的电压信号(例如，在0V或1V下运行之正弦信号、时钟信号或脉冲信号)。在一些实施例中，两个第一控制电路各包含一电压源。在一些实施例中，其中一第一控制电路的电压源的信号的相位不同于，例如，相反于另一第一控制电路的电压源的信号的相位。
图10B以俯视图示出了光检测装置。光检测装置包括在第一吸收区100的左侧的第一开关1001a和在第一吸收区100的右侧的第二开关1001b。通过在第一开关1001a和第二开关1001b之间进行适当的时间调制，可以收集在第一吸收区100中产生的第一光载子。在一些具体实施例中，图10A中的第一光检测部件可以是飞时测距光检测器。参照图10B，在一些具体实施例中，电连接到载子控制端子601a和601b的两个第一控制电路分别电耦接到第二掺杂区302和第四掺杂区304，载子控制端子601a和601b是两个分离的导电塞，其设置在第一吸收区100和第二吸收区200的相对侧。分别电耦接到第一掺杂区301和第三掺杂区303的载子控制端子401a和401b可以是设置在第一吸收区100和第二吸收区200的相对侧的两个分离的导电塞。两个第一读出电路可以类似于如图3A至3C中所描述的读出电路。例如，两个第一读出电路的皆可以包括用于分别处理由第一掺杂区301和第三掺杂区303所收集的载子的重置闸、源极随耦器和选择闸。
如图10C所示，在一些具体实施例中，第二吸收区200可以完全嵌入基板10中并且接近第一表面101。在一些具体实施例中，掺杂区301、302、303和304都与基板10的第二表面102接触。在一些具体实施例中，掺杂区301、302、303和304可以在垂直方向上与第二吸收区200重叠。换句话说，那些掺杂区301、302、303和304在第二吸收区200的垂直投影下。虽图10C中未绘示，在一些具体实施例中，第二吸收区200可以比第一吸收区100更窄。
类似于图10A和10C所示的具体实施例，在一些具体实施例中，第二吸收区200可以形成在基板10的第一表面101上方，如图11A和11B所示。图11A和11B的描述可参照图10A和10C的段落，为简便起见，在此省略。
参照图12A、12B、13A和13B，在一些具体实施例中，先前在图10A中描述的第二掺杂区302和第四掺杂区304可以被轻掺杂区302a和304a或本文所述的本质区代替。图12A、12B、13A和13B的具体实施例示出了第二吸收区200可以形成在基板10上方或嵌入在基板10中。在一些具体实施例中，掺杂区301、302、303和304可以与第二吸收区200重叠。在一些具体实施例中，轻掺杂区302a和304a或本质区的峰值浓度可以低于约10E17 cm-3。在一些具体实施例中，轻掺杂区302a和304a或本质区分别形成一肖特基接合(Schottky junction)至载子控制端子601a和601b。取决于第一掺杂区301和第三掺杂区303的导电类型，轻掺杂区302a和304a中的掺杂物可以是第一导电类型或第二导电类型。在一些具体实施例中，轻掺杂区302a和304a的导电类型与第一掺杂区301和第三掺杂区303的导电类型不同。例如，如果第一掺杂区301和第三掺杂区303为n型，则轻掺杂区302a和304b可为轻p掺杂。
如图14所示，在一些具体实施例中，第一光检测部件更包括分别围绕掺杂区301、302、303和304的多个第一阱区300a、300b、300c和300d。这样的第一阱区可以减小第一光检测部件的泄漏电流及/或暗电流。在一些具体实施例中，第一阱区300a、300b、300c和300d可以部分地围绕每个掺杂区301、302、303和304，如图14所示。尽管在图14中未绘示，在一些其他具体实施例中，第一阱区(300a、300b、300c和300d)可以完全围绕每个掺杂区(301、302、303和304)，即围绕每个掺杂区301、302、303和304中的每一个侧面和底部。
在一些具体实施例中，第一掺杂区301的导电类型与第一阱区300a的导电类型不同。第二掺杂区302的导电类型与第一阱区300b的导电类型不同。第三掺杂区303的导电类型与第一阱区300c的导电类型不同。第四掺杂区304的导电类型与第一阱区300d的导电类型不同。
在一些具体实施例中，第一阱区300b和300d中的掺杂物的峰值浓度分别低于第二掺杂区302和第四掺杂区304中的掺杂物的峰值浓度。在一些具体实施例中，每个第一阱区300b和300d中的掺杂物的峰值浓度可以在大约10E15 cm-3至大约10E17 cm-3的范围内。在一些具体实施例中，第一阱区300a和300c中的掺杂物的峰值浓度分别低于第一掺杂区301和第三掺杂区303中的掺杂物的峰值浓度。在一些具体实施例中，每个第一阱区300a和300c中的掺杂物的峰值浓度可以在大约10E15 cm-3至大约10E17 cm-3的范围内。上面的描述揭露了第一光检测部件的结构。在一些具体实施例中，包括第二吸收区200的第二光检测部件更包括掺杂区和耦接到掺杂区的电路，并且第二光检测组件更被配置为将光信号转换为电信号。因此，通过垂直整合由诸如锗和硅的不同材料制成的吸收区，光检测装置可以在两个不同的调制频率下操作，并且提高了精准度和去混叠能力。
参照图15A和15B，第二光检测部件可以用作互补式金属氧化物半导体(CMOS)图像感测器，其在第二吸收区200中包括具有第一导电类型的第五掺杂区305。第五掺杂区305与第二吸收区200的表面201接触。第二光检测部件更包括位于第二吸收区200中且具有第二导电类型的第六掺杂区306。第六掺杂区306与第二吸收区200的表面201接触。在这样的具体实施例中，载子控制端子402连接第五掺杂区305和用于处理在第二吸收区200中产生的第二光载子的第二读出电路。第二读出电路可以与第一读出电路分离，藉以使第一光载子和第二光载子分别被第一读出电路和第二读出电路处理。在一些具体实施例中，取决于操作条件，第五掺杂区305或第六掺杂区306可以通过载子控制端子402v或402耦接到电压源或接地。举例来说，在第二光检测部件设计为处理在第二吸收区200中产生的第二光载子中的空穴的情况下，例如，如图15A所示，第二读出电路通过载子控制端子402电耦接到第五掺杂区305(例如，p掺杂)，并且VDD可以被施加到第六掺杂区306(例如，n掺杂)以通过载子控制端子402v来排除电子。在第二光检测部件被设计为处理电子的情况下，如图15B所示，第二读出电路402通过载子控制端子402电耦接到第六掺杂区306(例如，n掺杂)，以及第五掺杂区305(例如，p掺杂)可以接地以排除空穴。
参照图15C至15F，第二光检测部件可以用作飞时测距感测器，其更包括接近第二吸收区200一侧的第一导电类型的第七掺杂区307和第二导电类型的第八掺杂区308，而第五掺杂区305和第六掺杂区306接近第二吸收区200的另一侧。在一些具体实施例中，第六掺杂区306和第八掺杂区308在第五掺杂区305和第七掺杂区307之间。
在一些具体实施例中，第五掺杂区305包括峰值浓度高于第二吸收区200的掺杂物的峰值浓度的掺杂物。在一些具体实施例中，第二吸收区200可以是本质的。在一些具体实施例中，由于在第二吸收区200的形成期间形成的材料缺陷，包括本质锗的第二吸收区200是p型的，其中，缺陷密度为10E13 cm-3至10E15 cm-3。在一些具体实施例中，第五掺杂区305的掺杂物的峰值浓度在大约5E18 cm-3至大约5E20cm-3的范围内，以允许在载子控制端子402a与第五掺杂区305之间形成欧姆接触。例如，第五掺杂区305可以具有n+掺杂，其中激活的掺杂物浓度可以与制造作业可以达到的浓度一样高。在一些具体实施例中，n掺杂的第五掺杂区305的掺杂浓度可以低于大约5E20 cm-3，以减轻制造复杂性。在一些具体实施例中，第六掺杂区306包括峰值浓度高于第二吸收区200的掺杂物的峰值浓度的掺杂物。在一些具体实施例中，第二吸收区200可以是本质的。在一些具体实施例中，第六掺杂区306可以具有p+掺杂，其中激活的掺杂物浓度可以与制造程序可以实现的一样高。在一些具体实施例中，p掺杂的第六掺杂区306的掺杂浓度可以低于约5E20 cm-3，以减轻制造复杂性。类似地，在一些具体实施例中，第六掺杂区306包括峰值浓度在大约5E18 cm-3至大约5E20 cm-3的范围内的掺杂物，以允许在载子控制端子602a与第六掺杂区306之间形成欧姆接触。
在一些具体实施例中，第七掺杂区307包括峰值浓度高于第二吸收区200的掺杂物的峰值浓度的掺杂物。在一些具体实施例中，第二吸收区200可以是本质的。在一些具体实施例中，由于在第二吸收区200的形成期间形成的材料缺陷，包括本质锗的第二吸收区200是p型的，其中，缺陷密度为10E13 cm-3至10E15 cm-3。在一些具体实施例中，第七掺杂区307的掺杂物的峰值浓度在大约5E18 cm-3至大约5E20cm-3的范围内，以允许在载子控制端子402b与第七掺杂区307之间形成欧姆接触。例如，第七掺杂区307可以具有n+掺杂，其中激活的掺杂物浓度可以与制造程序可以实现的一样高。在一些具体实施例中，n掺杂的第七掺杂区307的掺杂浓度可以低于约5E20 cm-3，以减轻制造复杂性。在一些具体实施例中，第八掺杂区308包括峰值浓度高于第二吸收区200的掺杂物的峰值浓度的掺杂物。在一些具体实施例中，第二吸收区200可以是本质的。在一些具体实施例中，第八掺杂区308可以具有p+掺杂，其中激活的掺杂物浓度可以与制造程序可以实现的一样高。在一些具体实施例中，p掺杂的第八掺杂区308的掺杂浓度可以低于约5E20 cm-3，以减轻制造复杂性。类似地，在一些具体实施例中，第八掺杂区308包括峰值浓度在约5E18 cm-3至约5E20 cm-3范围内的掺杂物，以允许在载子控制端子602b和第八掺杂区308之间形成欧姆接触。
在这样的具体实施例中，第二光检测部件更包括两个第二控制电路，其分别电连接到载子控制端子602a和602b，藉以用于第二吸收区200中产生的第二光载子。这两个第二控制电路分别通过载子控制端子602a和602b电耦接到第六掺杂区306和第八掺杂区308。另外，用于处理在第二吸收区200中产生的第二光载子的两个第二读出电路分别通过载子控制端子402a和402b电耦接到第五掺杂区305和第七掺杂区307。于一些实施例中，两个第二控制电路各包含一电压源。在一些实施例中，其中一第二控制电路的电压源的信号的相位不同于，例如，相反于另一第二控制电路的电压源的信号的相位。第二读出电路和第二控制电路的描述可以参考用于第一吸收区100中产生的第一光载子的第一读出电路和第一控制电路，如图10A中所揭露的，为简洁起见在此省略。
在一些具体实施例中，如图15D至15F所示，第二光检测部件更包括分别围绕掺杂区305、306，307和308的多个第二阱区309a、309b、309c和309d。这样的多个第二阱区309a、309b、309c和309d可以减少第二光检测部件的泄漏电流及/或暗电流。在一些其他具体实施例中，如图15D所示，掺杂区306和308皆被第二阱区309b和309d围绕，以减小掺杂区306和308之间的泄漏电流。在一些其他具体实施例中，如图15F所示，掺杂区305和307皆被第二阱区309a和309c围绕，以减少第二光检测部件的暗电流。在一些具体实施例中，第二阱区309a、309b、309c和309d可以分别围绕掺杂区305、306、307和308，如图15E所示，使得第二光检测部件具有较低的暗电流和较低的漏电流。第二阱区309a、309b、309c和309d的特征可以指的是如图14中所揭露的第一阱区的特征。例如，与第五掺杂区305相邻的第二阱区309a的导电类型不同于第五掺杂区305的第一导电类型。
在一些具体实施例中，掺杂区306和308的峰值浓度可以低于大约10E17 cm-3，以分别形成肖特基接合至载子控制端子602a和602b。在一些具体实施例中，第二光检测部件没有掺杂区306和308，并且本质区在载子控制端子602a和602b下方，以分别形成肖特基接合至载子控制端子602a和602b。
参照图15E至图15F，在一些具体实施例中，可以在第六掺杂区306和第八掺杂区308与载子控制端子602a和602b每一个之间插入绝缘层(未示出)。绝缘层可以防止电流直接从载子控制端子602a和602b传导到第六掺杂区306和第八掺杂区308，但是可针对施加至电连接到载子控制端子602a和602b的第二控制电路的电压，允许在第二吸收区200内建立电场。建立的电场可以吸引或排斥第二吸收区200内的电荷载子。绝缘层可以包括但不限于氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiOx)、氧化锗(GeOx)、氧化铝(Al2O3)、氧化钇(Y2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化钇(Y2O3)、二氧化铪(HfO2)或二氧化锆(ZrO2)。于一些具体实施例中，第一光检测部件可包括在第二掺杂区302和载子控制端子601a之间的一绝缘层。第一光检测部件可包括在第四掺杂区304和载子控制端子601b之间的另一绝缘层。
参照图11A、15D和16A，在一些具体实施例中，电连接到两个第一控制电路的载子控制端子601a、601b的布置、电连接到两个第一读出电路的载子控制端子401a、401b的布置、电连接到两个第二控制电路的载子控制端子602a、602b的布置和电连接到两个第二读出电路的载子控制端子402a，402b的布置在同一方向上大致上对准。在一些其他具体实施例中，参考图11A、15D和16B，电连接到两个第一控制电路的载子控制端子601a、601b的布置、以及电连接到两个第一读出电路的载子控制端子401a，401b的布置、以及电连接到两个第二控制电路的载子控制端子602a，602b的布置、以及电连接到两个第二读出电路的载子控制端子402a，402b可以在不同方向上对准，例如以正交布置。
图16C和16D分别从俯视图和底视图示出了光检测装置。图16C示出了耦接到第二吸收区200的载子控制端子402a、402b、602a和602b设置在基板10的第一表面101上。图16D示出了耦接到第一吸收区100的载子控制端子401a、401b、601a和601b被布置在基板10的第二表面102上。换句话说，耦接到第二吸收区200的载子控制端子402a、402b、602a和602b与耦接到第一吸收区100的载子控制端子401a、401b、601a和601b位在基板10的相对两侧。在一些具体实施例中，耦接到第二吸收区200且在第一表面101上的载子控制端子402a、402b、602a和602b可以不与耦接到在基板10的第二表面102上之第一吸收区100的载子控制端子401a、401b、601a和601b重叠。
参照图16E，在一些具体实施例中，可以通过将相邻像素布置为彼此正交来增加光检测装置的像素密度。通过使用图16E所示的正交布置，可以减少每个像素的平均面积。如图16E所示，第一吸收区100上的载子控制端子601a、601b、401a和401b和第二吸收区200上的载子控制端子402a、402b、602a和602b在不同的方向上对准，例如，以正交布置。此外，耦接到第一吸收区100的载子控制端子601a、601b、401a和401b以及耦接到第二吸收区200的载子控制端子402a、402b、602a和602b设置在基板10的相对表面上。虚线所示的载子控制端子601a、601b、401a和401b是指设置在基板10的第二表面102上的组件。在相邻像素中的第二吸收区200’上的载子控制端子402a’、402b’、602a’和602b’和第二吸收区200上的载子控制端子402a、402b、602a和602b在不同方向上对准，例如以正交布置。根据不同的像素密度要求，可以采用载子控制端子的各种设计。
在本揭露中，光检测装置包括第一光检测部件和第二光检测部件，以吸收来自不同波长的光子。此外，由第一光检测部件产生的第一光载子和由第二光检测部件产生的第二光载子被分别处理。换句话说，由第一光检测部件产生的第一光载子和由第二光检测部件产生的第二光载子分别被第一光检测部件的第一读出电路和第二光检测部件的第二读出电路处理。
图17是根据本申请的一些具体实施例的光检测装置的剖面图。光检测装置包括基板10’和由基板10’支撑的吸收区200’。基板10’的材料可以类似于图1至图15(图15A至15F)中描述的基板10的材料。吸收区200’可以类似于图1至图15中描述的第二吸收区200。光检测装置更包括用于分别电连接到两个读出电路的载子控制端子402a’、402b’。光检测装置更包括用于分别电连接到两个控制电路的载子控制端子602a’、602b’。载子控制端子402a’、402b’、602a’和602b’的材料和特征可以与图15中描述的载子控制端子402a、402b、602a和602b的材料和特征相似。如图15所示，光检测装置更可包括掺杂区305、307及/或306、308。如图15所示，光检测装置更可包括第二阱区309a、309c及/或309b、309d。
光检测装置更包括在吸收区200’上的覆盖层70。在一些具体实施例中，覆盖层70可以在吸收区200'与载子控制端子402a’、402b’、602a’和602b’之间。在一些具体实施例中，覆盖层70可以覆盖吸收区200’的表面201’。在一些具体实施例中，覆盖层70可以覆盖基板10’的第一表面101’的一部分。覆盖层70可以由互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程兼容性材料(CPCM)形成，诸如非晶硅、多晶硅、磊晶硅、氧化铝族(例如Al2O3)、氧化硅族(例如SiO2)、锗氧化物族(例如GeO2)、锗硅族(例如Ge0.4Si0.6)、氮化硅族(例如Si3N4)、高介电材料(例如HfOx，ZnOx，LaOx和LaSiOx)及其任何组合。在吸收区200’的表面201’上存在覆盖层70可以具有各种效果。例如，覆盖层70可以用作吸收区200’的表面钝化层，这可以减少存在于吸收区200’的暴露表面上的缺陷所产生的暗电流或漏电流。在锗或硅锗为吸收区200’的情况下，表面缺陷可能是暗电流或泄漏电流的来源，这导致光检测装置产生的光电流的干扰水平增加。通过在吸收区200’的表面上形成覆盖层70，可以减少暗电流或漏电流，从而降低光检测装置的干扰水平。作为另一示例，覆盖层70可以调制在形成于吸收区200’上的载子控制端子402a’、402b’、602a’和602b’和吸收区200’之间调制肖特基能障水平。
在一些比较具体实施例中，对于高速操作，有效吸收区通常在光检测装置的整个单元区域的大约5％至大约20％的范围内。即，如图17所示，大部分的光子被阻挡层60阻挡。为了增强光检测装置的杂讯比(SNR)，光检测装置可以包括光学结构以增强光子收集并且将更多的光子引导到吸收区200’中。
在一些具体实施例中，阻挡层60包括用于允许入射光信号进入吸收区200’的开口501。在一些具体实施例中，光学结构耦接到基板10’。在一些具体实施例中，光学结构沿着从基板10’到吸收区200’的垂直方向与阻挡层60的开口501重叠。
参照图17，在一些具体实施例中，基板10’包括与阻挡层60的开口501相邻的光入射区。光学结构形成在光入射区。在一些具体实施例中，光学结构包括具有外表面503的凸结构502。通过在基板10’的第二表面102’上形成这种凸结构502(例如，透镜结构)，可以将更多的光子收集到吸收区200’中。在一些具体实施例中，可以在外表面503上形成抗反射涂层。在一些具体实施例中，抗反射涂层可以包括或由氧化物、氮化物、氮氧化物、高介电材料、介电质组成或它们的组合。在一些具体实施例中，开口501的宽度不小于吸收区200’的宽度。在一些具体实施例中，从光检测装置的剖面图来看，透镜结构覆盖整个吸收区200’。
参考图18A和18B，在一些具体实施例中，光学结构在光入射区包括不规则粗糙表面504。不规则粗糙表面504的粗糙度(Ra)在大约0.1μm至大约10μm的范围内。在这样的具体实施例中，粗糙表面504可以延伸以与阻挡层60接触。可以通过不同的作业来制造图18A和18B所示之具体实施例，举例来说，在形成阻挡层60之前，通过适当的粗糙化作业(例如通过湿蚀刻或干蚀刻作业)形成如图18A之粗糙表面504。除了将更多的光子收集到吸收区200’中之外，这种粗糙表面504还可以增加基板10’和阻挡层60之间的黏着力。在一些具体实施例中，如图19所示，光学结构可以在光入射区处包括规则凹凸结构505。在一些具体实施例中，规则凹凸结构505可以由实质上规则的凹凸结构组成。凸起结构之一的高度在约0.1μm至约10μm的范围内。通过使用适当的微加工作业，可以形成规则凹凸结构505。这样，更多的光子可以被收集到吸收区200’。
参照图20，在一些具体实施例中，光学结构包括在基板10’的光入射区上的第一反射镜506。在一些具体实施例中，第一反射镜506在阻挡层60的开口501中。此外，光检测装置更包括第二反射镜507，第二反射镜507邻近基板10’的第一表面101’并且与第一反射镜506垂直对准。在一些具体实施例中，第一反射镜506是半反射镜，其可以针对单波长和宽带波长在特定的入射角处提供所需的反射/透射百分比。更准确地说，在相同波长下，第一反射镜506的反射率低于第二反射镜507的反射率。第一反射镜506允许一部分光及其能量透射到吸收区200’中，而第二反射镜507是全反射器，其将大部分的光及其能量反射回吸收区200’中。第二反射镜507可以将大部分光反射回吸收区200’中。在一些具体实施例中，第二反射镜507被设计为在入射光信号的峰值波长处具有高于50％的反射率。在一些具体实施例中，第二反射镜507被设计成具有制造程序所允许的尽可能高的反射率(即，大于90％或尽可能接近100％)。第二反射镜507和第一反射镜506可以是分布式布拉格反射器(DBR)、环形镜、角镜、金属镜、氧化物镜、氮化物镜、锥形DBR结构或以上各项的适当组合。
通过适当地设计第一反射镜506和第二反射镜507，可以减小多次反射的总干涉的幅度，例如达到临界耦接条件，即，光信号从第一反射镜506入射，会有部分光信号自第一反射镜506逃逸，其余的光会进入吸收区200’并被第二反射镜507反射回第一反射镜506°反射自第二反射镜507的光信号中，部分会再次从第一反射镜506逃逸，其余的光信号则会被第一反射镜506反射再次进入吸收区200’°自第一反射镜506逃逸出的光具有不同的相位，例如，彼此形成破坏性干涉，因此自第一反射镜506逃逸出的光的总能量将为零或接近零，因此光检测装置可以将大部分光子锁定在吸收区200’中并增加吸收的可能性。在一些具体实施例中，第一反射镜506可以包括由不同材料制成的多层结构，例如第一反射镜506和第二反射镜507皆可以包括多层结构，多层结构包括具有不同折射率的交替的第一层和第二层，其中第一层和相邻的第二层被视为一对。
参照图21A，在一些具体实施例中，光学结构包括在基板10’的光入射区处的光子晶体结构508。光子晶体结构508包括彼此分离的多个微结构。在一些具体实施例中，一个微结构的宽度W1不同于另一个微结构的宽度W2。在一些具体实施例中，两个相邻的微结构之间的距离D2不同于另外两个相邻的微结构之间的距离D3。通过利用如图21B至21D所示的光子晶体结构，可以通过适当的衍射设计将更多的光子收集到吸收区200’中。例如，可以根据将入射光子引导到吸收区200’中所需的衍射角，采用不同布置的微结构。在一些具体实施例中，可以通过增加微结构的密度来增加衍射角。例如，两个相邻的微结构之间的距离沿着远离光信号源的水平方向逐渐减小。又例如，两个相邻的微结构的宽度沿着远离光信号源的水平方向逐渐减小。在一些具体实施例中，如果光信号源位于基板10’的右下角，则两个相邻的微结构之间的距离从右到左逐渐减小。或者，相邻的微结构的宽度从右到左逐渐减小。在一些具体实施例中，光子晶体结构508可以包括如图21B所示之柱阵列，如图21C所示之沟槽阵列，或者如图21D所示之一维光栅。
参照图22A，在一些具体实施例中，光检测装置更包括布置在吸收区200’的两个相对侧的限制结构509。在一些具体实施例中，限制结构509的材料的折射率低于基板10’的材料的折射率。通过在吸收区200’附近插入由较低折射率材料制成的限制结构509，吸收区200’可以通过增强的内反射来收集更多的光子。在一些具体实施例中，限制结构509可以从第二表面102’朝向基板10’的第一表面101’延伸。在一些具体实施例中，限制结构509可以由二氧化硅(SiO2)、多孔结构或空隙组成。在一些具体实施例中，限制结构509包括介电质材料。在一些具体实施例中，限制结构509的材料的反射率高于基板10’的材料的反射率。在一些具体实施例中，限制结构509包括金属。通过在吸收区200’附近插入由较高反射率的材料制成的限制结构509，吸收区200’可以通过增强反射来收集更多的光子。
如图22B至22D所示，取决于不同的设计，限制结构509可以设置在吸收区200’的任何侧面。例如，限制结构509可以围绕整个吸收区200'，如图22B所示。
在一些具体实施例中，本申请的具体实施例中的结构可以被组合或改变。例如，图15中描述的第二光检测部件还可以包括覆盖层70。
在一个示例性方面，提供了一种光检测装置。光检测装置包括包含基板的第一光检测部件，以及包含第二吸收区的第二光检测部件。基板具有第一吸收区，第一吸收区被配置为吸收具有第一峰值波长的光子并产生第一光载子。第二吸收区由基板支撑并且被配置为吸收具有第二峰值波长的光子并产生第二光载子。第一吸收区和第二吸收区沿垂直方向重叠。
在另一个示例性方面，提供了一种光检测装置。光检测装置包括第一光检测部件、包含第二吸收区的第二检测部件。第一光检测部件包括具有第一吸收区的基板。第一吸收区包括第一材料。第一材料具有第一能隙。第二吸收区在第一吸收区之上。第二吸收区包括第二材料。第二材料具有第二能隙。第二能隙小于第一能隙。第一光检测部件更包括具有第一导电类型的第一掺杂区，第一掺杂区邻近第一吸收区并与基板的表面接触。第一光检测部件更包括具有第二导电类型的第二掺杂区，第二掺杂区邻近第一吸收区并且与基板的表面接触，其中第一导电类型不同于第二导电类型。
又再另一个示例性方面，提供了一种光检测装置。光检测装置包括第一光检测部件和包括第二吸收区的第二光检测部件。第一光检测部件包括基板、第一掺杂区和第二掺杂区。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间的第一吸收区。第二吸收区在第一吸收区上方，并且基板的第一表面在第二吸收区和第一吸收区之间。第一导电类型的第一掺杂区在基板中并与基板的第二表面接触。第二导电类型的第二掺杂区在基板中并与基板的第二表面接触。
又再另一个示例性方面，提供了一种光检测装置。光检测装置包括包含光入射区的基板、由基板支撑的吸收层、在基板的第二表面上方的阻挡层、以及耦接至光入射区的光学结构。阻挡层包括沿垂直方向与吸收区重叠的开口。
前述概述了几个具体实施例的结构，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的各方面。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地将本发明作为基础设计或修改其他过程和结构，以实现与本文介绍的具体实施例相同的目的及/或实现相同的优点。本领域技术人员还应该了解，这样的等同构造不脱离本发明的精神和范围，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，它们可以在这里进行各种改变，替换和变更。
符号说明
10 基板
10’ 基板
50 滤光器
60 阻挡层
70 覆盖层
100 第一吸收区
101 第一表面
101’ 第一表面
102 第二表面
102’ 第二表面
200 第二吸收区
200’ 吸收区、第二吸收区
201 表面
201’ 表面
300a 第一阱区
300b 第一阱区
300c 第一阱区
300d 第一阱区
301 第一掺杂区
302 第二掺杂区
302a 轻掺杂区
303 第三掺杂区
304 第四掺杂区
304a 轻掺杂区
305 第五掺杂区
306 第六掺杂区
307 第七掺杂区
308 第八掺杂区
309a 第二阱区
309b 第二阱区
309c 第二阱区
309d 第二阱区
401 载子控制端子
401a 载子控制端子
401b 载子控制端子
401v 载子控制端子
402 载子控制端子
402v 载子控制端子
402a 载子控制端子
402a’ 载子控制端子
402b 载子控制端子
402b’ 载子控制端子
501 开口
502 凸结构
503 外表面
504 不规则粗糙表面
505 规则凹凸结构
506 第一反射镜
507 第二反射镜
508 光子晶体结构
509 限制结构
601a 载子控制端子
601b 载子控制端子
602a 载子控制端子
602a’ 载子控制端子
602b 载子控制端子
602b’ 载子控制端子
1001a 第一开关
1001b 第二开关
D1 距离
D2 距离
D3 距离
L0 光信号
L1 光信号
L2 光信号
W1 宽度
W2 宽度

Claims (20)

1.一种光检测装置，包括：
一第一光检测部件，包括具有一第一吸收区的一基板，该第一吸收区被配置为吸收具有一第一峰值波长的光子并产生复数个第一光载子；以及
一第二光检测部件，包括一第二吸收区，该第二吸收区由该基板支撑且被配置为吸收具有一第二峰值波长的光子并产生复数个第二光载子；
其中该第一吸收区和该第二吸收区沿一垂直方向重叠。
2.如权利要求1所述的光检测装置，其中，该第一光检测部件更包括用于所述这些第一光载子的一第一读出电路，该第一读出电路电耦接至该第一吸收区。
3.如权利要求2所述的光检测装置，其中该第一光检测部件包括在该第一吸收区上方的至少两个分离的载子控制端子，其中所述这些载子控制端子其中之一电耦接至该第一读出电路。
4.如权利要求3所述的光检测装置，其中该第一光检测部件更包括：
具有一第一导电类型的一第一掺杂区，其邻近该第一吸收区并且接近该基板的一第一表面；以及
具有一第二导电类型的第二掺杂区，其邻近该第一吸收区且接近该基板的该第一表面，其中该第二导电类型不同于该第一导电类型，其中该第一掺杂区透过所述这些载子控制端子其中之一电耦接至该第一读出电路。
5.如权利要求2所述的光检测装置，其中该第二光检测部件更包括用于所述这些第二光载子的一第二读出电路，该第二读出电路电耦接至该第二吸收区且与该第一读出电路分离。
6.如权利要求5所述的光检测装置，其中该第二光检测部件包括至少两个分离的载子控制端子，该至少两个分离的载子控制端子电耦接至该第二吸收区，且所述这些载子控制端子其中之一电耦接至该第二读出电路。
7.如权利要求1所述的光检测装置，其中该第一光检测部件更包括两个第一读出电路和两个第一控制电路，用于所述这些第一光载子并电耦接至该第一吸收区。
8.如权利要求7所述的光检测装置，其中该第一光检测部件包括在该第一吸收区上方的至少四个分离的载子控制端子，其中该四个分离的载子控制端子与该两个第一读出电路及该两个第一控制电路一一对应。
9.如权利要求8所述的光检测装置，其中该第一光检测部件更包括：
具有一第一导电类型的一第一掺杂区，其邻近该第一吸收区并接近该基板的一第一表面；
具有一第二导电类型的一第二掺杂区，其邻近该第一吸收区并接近该基板的该第一表面，其中该第二导电类型不同于该第一导电类型，其中该第一掺杂区透过所述这些载子控制端子其中之一电耦接至该第一读出电路；
位于该基板中且具有该第一导电类型的一第三掺杂区，其中该第一掺杂区和该第三掺杂区设置在该第二吸收区的相对侧；以及
位于该基板中且具有该第二导电类型的一第四掺杂区，其中该第二掺杂区和该第四掺杂区设置在该第二吸收区的相对侧并且在该第一掺杂区和该第三掺杂区之间。
10.如权利要求7所述的光检测装置，其中该第二光检测部件更包括两个第二读出电路和两个第二控制电路，用于该第二光载子并电耦接至该第二吸收区，其中该两个第二读出电路与该两个第一读出电路分离，并且该两个第二控制电路与该两个第一控制电路分离。
11.如权利要求10所述的光检测装置，其中该第二光检测部件包括在该第二吸收区上方的至少四个分离的载子控制端子，其中该第二光检测部件的该四个分离的载子控制端子与该两个第二读出电路和该两个第二控制电路一一对应。
12.如权利要求10所述的光检测装置，其中该第二光检测部件更包括：
具有该第一导电类型的一第五掺杂区，其耦接到该第二吸收区并与该第二吸收区的一表面接触；以及
具有该第一导电类型的一第七掺杂区，其耦接到该第二吸收区并与该第二吸收区的该表面接触，其中该第五掺杂区电耦接至所述这些第二读出电路其中之一，且该第七掺杂区电耦接至所述这些第二读出电路的另一个。
13.如权利要求1所述的光检测装置，更包括：位于该基板的一第二表面处的一阻挡层；其中该阻挡层和该第二吸收区位于该基板的两个相对侧。
14.一种光检测装置，包括：
一第一光检测部件，包括：
一基板；
在该基板中的一第一吸收区，该第一吸收区包括具有一第一能隙的一第一材料；
具有一第一导电类型的一第一掺杂区，其与该第一吸收区相邻且与该基板的一表面接触，以及
具有一第二导电类型的一第二掺杂区，其与该第一吸收区相邻且与该基板的表面接触，其中该第一导电类型不同于该第二导电类型；以及
一第二光检测部件，包括：
在该第一吸收区上方的一第二吸收区，该第二吸收区包括具有一第二能隙的一第二材料，其中该第二能隙小于该第一能隙。
15.如权利要求14所述的光检测装置，其中该第一掺杂区沿着该第二吸收区的侧壁和底面延伸，以将该第一吸收区和该第二吸收区分开。
16.如权利要求14所述的光检测装置，其中该第一掺杂区和该第二掺杂区在该第二吸收区的垂直投影下方。
17.如权利要求14所述的光检测装置，其中该第一光检测部件更包括：
位于该基板中且具有该第一导电类型的一第三掺杂区，其中该第一掺杂区和该第三掺杂区设置在该第二吸收区的相对侧；以及
位于该基板中且具有该第二导电类型的一第四掺杂区，其中该第二掺杂区和该第四掺杂区设置在该第二吸收区的相对侧。
18.如权利要求14所述的光检测装置，其中该第二光检测部件更包括：
具有该第一导电类型的一第五掺杂区，其耦接到该第二吸收区并与该第二吸收区的一表面接触；以及
具有该第一导电类型的一第七掺杂区，其耦接到该第二吸收区并与该第二吸收区的该表面接触。
19.如权利要求18所述的光检测装置，更包括：
具有该第二导电类型的一第六掺杂区，其靠近该第五掺杂区；以及
具有该第二导电类型的一第八掺杂区，其靠近该第七掺杂区；
其中该第六掺杂区和该第八掺杂区位于该第五掺杂区和该第七掺杂区之间。
20.如权利要求19所述的光检测装置，其中该第一光检测部件更包括一第一读出电路，且该第二光检测部件更包括与该第一读出电路分离的一第二读出电路，其中该第一读出电路电耦接到该第一掺杂区，且该第二读出电路电耦接到该第五掺杂区。
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