優(yōu)先權(quán)數(shù)據(jù)

本申請要求2010年6月18日提交的美國臨時專利申請序列號61/356,536的權(quán)益，其內(nèi)容以參考方式合并于此。

背景技術(shù)：

許多成像應(yīng)用例如免手持姿態(tài)控制、視頻游戲、醫(yī)療和機器視覺以及通信應(yīng)用使用各種光電子設(shè)備，例如光電探測器和光電探測器的成像陣列。通信應(yīng)用通常使用例如光纖網(wǎng)絡(luò)，因為這種網(wǎng)絡(luò)在光纖經(jīng)歷較低的信號損失的近紅外波長的光中效果良好。激光標記和距離測定的應(yīng)用一般使用具有近紅外波長例如1064nm的激光。其他應(yīng)用例如深度感知應(yīng)用使用能夠檢測近紅外波長例如850nm或940nm的成像器。這些波長一般由用砷化鎵(GaAs)制造的發(fā)光二極管或激光二極管生成。所有這些應(yīng)用都要求探測器或探測器陣列具有快速響應(yīng)時間，一般比利用厚的(例如，大于100μm)硅有源層可以實現(xiàn)的響應(yīng)時間更快。因此，用于這些應(yīng)用的硅設(shè)備通常是薄的，并且將具體設(shè)計考慮考慮在內(nèi)以便降低響應(yīng)時間。然而，隨著硅有源層變得更薄，在更長波長(例如，850nm、940nm和1064nm)下的響應(yīng)比厚硅設(shè)備層的響應(yīng)低得多。另一方面，在更長波長下具有更高響應(yīng)的厚硅設(shè)備具有緩慢的響應(yīng)時間并且難以耗盡。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供高速光電子設(shè)備及相關(guān)方法。在一個方面，例如，高速光電子設(shè)備可以包括具有入射光表面的硅材料、在硅材料中形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)以及耦合到硅材料并被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)。對于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。在另一方面，對于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有大于或等于大約0.5A/W的靈敏度。在另一方面，對于具有大約850nm的波長的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有大于或等于大約0.45A/W的靈敏度。在進一步的方面，該硅材料具有從大約1μm到大約100μm的厚度。在更進一步的方面，在工作期間該設(shè)備的暗電流是從大約100pA/cm²到大約10nA/cm²。

在另一個方面，一種高速光電子設(shè)備可以包括具有入射光表面的硅材料、在硅材料中形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)以及耦合到硅材料并被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)。對于具有大約940nm的波長的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時間和大于或等于大約0.3A/W的靈敏度。

在另一個方面，一種高速光電子設(shè)備可以包括具有入射光表面的硅材料、在硅材料中形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)以及耦合到硅材料并被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)。對于具有大約1060nm的波長的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時間和大于或等于大約0.05A/W的靈敏度。

在另一個方面，一種光電二極管陣列可以包括具有入射光表面的硅材料，在硅材料中的至少兩個光電二極管，每個光電二極管包括形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)，以及耦合到硅材料并被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)。對于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電二極管陣列具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。在一個方面，該硅材料具有從大約1μm到大約100μm的厚度。

在另一個方面，一種提高光電子設(shè)備的速度的方法包括對硅材料中的至少兩個區(qū)進行摻雜以形成至少一個結(jié)，以及使得硅材料具有紋理結(jié)構(gòu)，從而形成定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)。對于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。在一個方面，該設(shè)備可以包括用于將載流子從與結(jié)相反的一側(cè)帶到結(jié)區(qū)的額外摻雜區(qū)。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個方面與基于硅但是具有紋理區(qū)的光電探測設(shè)備的吸收特性相比較的基于標準硅的快速(或薄的)光電探測器設(shè)備的吸收特性的圖形表示；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光敏設(shè)備的示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的再一方面的光敏設(shè)備的示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的進一步方面的光敏設(shè)備的示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的更進一步方面的光敏設(shè)備的示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光敏設(shè)備的示意圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的再一方面的光敏設(shè)備的示意圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明的進一步方面的光敏陣列設(shè)備的示意圖；

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的另一方面的渡越時間(time of flight)測量；

圖10a是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光學(xué)成像器陣列的像素結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖10b是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光學(xué)成像器陣列的像素結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖10c是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光學(xué)成像器陣列的像素結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的六晶體管成像器的示意圖；

圖12是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的十一晶體管成像器的示意圖；

圖13是根據(jù)本發(fā)明的更進一步方面的光敏陣列設(shè)備的示意圖；

圖14是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光敏陣列設(shè)備的示意圖；以及

圖15描述根據(jù)本發(fā)明的再一方面的提高光電子設(shè)備的速度的方法。

具體實施方式

在本文中描述本發(fā)明之前，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于特定的結(jié)構(gòu)、處理步驟或本文中公開的材料，而是延伸至本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到的這些內(nèi)容的等價物。還應(yīng)當理解的是，本文中使用的術(shù)語僅僅是為了描述特定的實施例而非進行限制。

定義

將根據(jù)以下闡述的定義使用下面的術(shù)語。

應(yīng)當注意，如說明書和隨附權(quán)利要求中所用，單數(shù)形式“一個”和“該”可以包括復(fù)數(shù)個對象，除非上下文中以其他方式明確地指示。因此，例如，“一種摻雜劑”的指代內(nèi)容可以包括一種或更多種此類摻雜劑，“該層”的指代內(nèi)容可以包括指代一個或更多個此類層。

如本文所用，“量子效率”(QE)被定義為入射到光電子設(shè)備上的光子被轉(zhuǎn)換成電子的百分比。外部量子效率(EQE)被定義為針對每一入射光子在設(shè)備外部獲得的電流。因此EQE同時取決于光子的吸收和電荷的采集。由于復(fù)合效應(yīng)和光損耗(例如，傳輸損耗和反射損耗)，EQE比QE更低。

如本文所用，“靈敏度”是探測器系統(tǒng)的輸入-輸出增益的度量。在光電探測器的情況中，靈敏度是每一光輸入的電輸出的度量。光電探測器的靈敏度用入射的輻射功率的每瓦特安培數(shù)表示。此外，靈敏度是入射輻射的波長和設(shè)備特性例如制造設(shè)備的材料的能帶隙的函數(shù)。等式I中示出靈敏度(R_λ)的一個表達式，其中η是針對給定波長(λ)的探測器的外部量子效率，q是電子電荷，h是普朗克常量，以及v是光頻率。

如本文所用，術(shù)語“電磁輻射”和“光”可以交替地使用，并且可以表示寬范圍內(nèi)的波長，包括可見光波長(大約350nm到800nm)和不可見光波長(大于大約800nm或小于350nm)。紅外光譜通常被描述為包括大約800nm到1300nm的波長的近紅外光譜部分、包括大約1300nm到3μm(微米)的波長的短波紅外光譜部分以及包括大于大約3μm至高達大約30μm的波長的中長波紅外(或熱紅外)光譜部分。這些在本文中一般統(tǒng)稱為電磁光譜的“紅外”部分，除非另有說明。

如本文所用，“響應(yīng)時間”是指探測器設(shè)備的上升時間或下降時間。在一個方面，“上升時間”是光與設(shè)備相互作用生成的電信號的前沿輸出的峰值振幅的10％位置和90％位置之間的時間差?！跋陆禃r間”被測量為電信號后沿的90％位置和10％位置之間的時間差。在某些方面，下降時間可以被稱為衰減時間。

如本文所用，術(shù)語“無序表面”和“紋理表面”可以交替地使用，并且指代具有納米至微米尺寸的表面變化的拓撲結(jié)構(gòu)的表面。此類表面拓撲結(jié)構(gòu)可以通過激光脈沖或多個激光脈沖的照射、化學(xué)蝕刻、光刻圖案化、多個同時激光脈沖的干涉或反應(yīng)離子蝕刻來形成。盡管此類表面的特征可以根據(jù)所使用的材料和技術(shù)而改變，但是在一個方面，該表面可以是幾百納米厚并且由納米微晶(例如，從大約10納米到大約50納米)和納米孔構(gòu)成。在另一個方面，該表面可以包括微米尺寸的結(jié)構(gòu)(例如，大約1μm到大約60μm)。在又一個方面，該表面可以包括從大約5nm到大約500μm的納米尺寸和/或微米尺寸的結(jié)構(gòu)。

如本文所用，術(shù)語“能流”是指來自穿過單位面積的單個激光輻射脈沖的能量。換句話說，“能流”可以被描述為一個激光脈沖的能量密度。

如本文所用，術(shù)語“表面修飾”和“表面改性”是指利用激光照射、化學(xué)蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻、光刻圖案化等改變半導(dǎo)體材料的表面。在一個具體方面，表面改性可以包括主要利用激光輻射的過程或激光輻射結(jié)合摻雜的過程，因而激光輻射促進摻雜劑摻入半導(dǎo)體材料的表面。因此，在一個方面，表面改性包括半導(dǎo)體材料的摻雜。

如本文所用，術(shù)語“目標區(qū)”是指將要進行摻雜或表面改性的半導(dǎo)體材料的區(qū)域。半導(dǎo)體材料的目標區(qū)可以隨著表面修飾過程的進行而改變。例如，在對第一目標區(qū)進行摻雜或表面改性之后，可以在相同半導(dǎo)體材料上選擇第二目標區(qū)。

如本文所用，術(shù)語“檢測/探測”是指電磁輻射的感測、吸收和/或采集。

如本文所用，術(shù)語“充分地/基本”是指行為、特征、特性、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、物品或結(jié)果的完全或接近完全的范圍或程度。例如，被“充分”包圍的對象是指該對象被完全包圍或接近完全包圍。偏離絕對完全性的精確的可允許程度在某些情況下取決于特定的背景。然而，一般來說，接近完全的整體結(jié)果將與絕對的總體完全可獲得的整體結(jié)果相同。當用于負面含義時，使用“充分地/基本”同樣適用于指代完全或接近完全缺乏行為、特征、特性、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、物品或結(jié)果。例如，“基本無”粒子的成分將完全缺乏粒子或接近完全地缺乏粒子，其效果與完全缺乏粒子是相同的。換句話說，“基本無”配料或元素的成分實際上仍可以包含該項，只要其沒有可測量的效果。

如本文所用，術(shù)語“大約”被用于通過假設(shè)給定值可以“稍微高于”或“稍微低于”端點而向數(shù)值范圍端點提供靈活性。

如本文所用，為了方便起見，多個物品、結(jié)構(gòu)元件、組成元素和/或材料可以呈現(xiàn)在公共列表中。然而，這些列表應(yīng)當解釋為，列表的每個構(gòu)件被單獨地確定為分離和唯一的構(gòu)件。因此，不應(yīng)當僅基于呈現(xiàn)在公共組中并且沒有相反的指示而將此類列表的單獨構(gòu)件解釋為相同列表的任何其他構(gòu)件的實際上的等效物。

濃度、數(shù)量和其他數(shù)值數(shù)據(jù)可能在此通過范圍格式來表達或呈現(xiàn)。應(yīng)該理解的是，使用該范圍格式僅是為了方便和簡潔起見，因此，該范圍格式應(yīng)當靈活地解釋為不僅包括明確列舉為范圍極限的數(shù)值，而且包括涵蓋在該范圍內(nèi)的所有單獨的數(shù)值或子范圍，就好像明確地列舉每個數(shù)值和子范圍一樣。作為例證，“大約1到大約5”的數(shù)值范圍應(yīng)當解釋為不僅包括明確列舉的大約1到大約5的值，而且也包括在指示范圍內(nèi)的單獨值和子范圍。因此，包含在該數(shù)值范圍內(nèi)的是單獨值例如2、3、4和子范圍例如1-3、2-4和3-5等，以及單獨的1、2、3、4和5。

該相同的原理適用于只列舉一個數(shù)值作為最小值或最大值的范圍。而且，無論所描述的范圍或特征的廣度如何，都應(yīng)該適用這種解釋。

本公開內(nèi)容

光電子設(shè)備的許多應(yīng)用可以得益于高速操作。例如，用在諸如傳輸數(shù)據(jù)、激光測距、激光標記、渡越時間(time of flight)成像等應(yīng)用中的光電探測器可能是數(shù)據(jù)可以傳輸多快的限制因素。因此，具有更快靈敏度的光電探測器可以相應(yīng)地以更高的速率接收數(shù)據(jù)。許多光電子設(shè)備例如光電探測器的速度至少部分取決于電荷載流子掠過光電探測器的速度。載流子掠過光電探測器的速度可能取決于載流子需要前進的距離、載流子是否在具有電場的設(shè)備區(qū)內(nèi)生成以及載流子在設(shè)備層內(nèi)的缺陷中被捕獲或減慢的可能性。在某些情況下，偏壓可以被施加于光電探測器，從而通過增加載流子的漂移速度而降低響應(yīng)時間。此外，許多傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信應(yīng)用使用紅光光譜和紅外光譜中的電磁輻射作為數(shù)據(jù)載流子。在典型的硅設(shè)備中，紅光光譜和紅外光譜中的電磁輻射生成深入硅設(shè)備的載流子，因而增加載流子需要前進從而被采集的距離。因此，可能有利的是，光電探測器在薄設(shè)備中吸收紅外輻射以便提高通信速度并降低暗電流。

硅是一種可以用作光電探測器半導(dǎo)體的材料。然而，薄硅光電探測器在檢測紅外波長方面的能力有限，特別是當在較高數(shù)據(jù)通信速度下運行時。傳統(tǒng)的硅材料需要充分的吸收深度以檢測波長大于大約700nm的光子。雖然可見光能夠在硅中相對淺的深度處被吸收，但在薄晶片深度(例如，大約100μm)的硅中更長波長(例如，900nm)的吸收較差(如果有的話)。因為對硅基光電探測器而言短波紅外光是幾乎完全可穿透的，所以傳統(tǒng)上已經(jīng)使用其他材料(例如，InGaAs)來檢測波長大于大約1100nm的紅外電磁輻射。然而，利用所述其他材料是昂貴的，相對于硅設(shè)備增加了暗電流，并且限制了可見光譜(即可見光，350nm-800nm)的電磁輻射的檢測。因此，通常使用硅是因為它的制造相對便宜，并且能夠被用于檢測可見光譜中的波長。

因此，本公開提供了將薄硅設(shè)備的電磁輻射吸收范圍增加到紅外區(qū)的光電子設(shè)備及相關(guān)方法，因而允許此類設(shè)備吸收可見光和紅外光。此外，與在紅外光譜中工作的傳統(tǒng)薄硅設(shè)備相比，此類設(shè)備可以被配置為以更高的數(shù)據(jù)速率工作并且具有增加的外部量子效率和靈敏度。在一個方面，例如，提供的硅光電探測器包括紋理區(qū)以便增加在紅外波長的吸收、外部量子效率并降低響應(yīng)時間。該獨特且新穎的設(shè)備能夠在可見光譜和紅外光譜中以高數(shù)據(jù)速率工作。因此硅基設(shè)備的這種靈敏度增加可以降低光電探測器的處理成本，降低光源所需的功率，增加3D類型成像的深度分辨率，增加數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)木嚯x，改進激光測距，以及增加使用更長波長的電磁輻射進行數(shù)據(jù)通信的機會。

在一個方面，例如，提供一種高速光電子設(shè)備。該設(shè)備可以包括具有入射光表面的硅材料、在硅材料中形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)以及耦合到硅材料并被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)。對于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。例如，圖1示出了吸收/靈敏度圖，其中虛線12表示基于標準快速硅設(shè)備的光電探測器設(shè)備的吸收特性，實線14表示基于硅但具有紋理區(qū)的光電探測設(shè)備的吸收特性。很明顯，在紅外區(qū)即800nm到1200nm的區(qū)域中，標準快速硅光電二極管的吸收導(dǎo)致相對低的靈敏度。

此外，在一個方面，該光電子設(shè)備的響應(yīng)時間是從大約1皮秒到大約1納秒。在另一個方面，該光電子設(shè)備的響應(yīng)時間是從大約1皮秒到大約500皮秒。

在另一個方面，對于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有大于或等于大約0.5A/W的靈敏度。

在又一個方面，對于具有大約850nm的波長的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有大于或等于大約0.45A/W的靈敏度。在進一步的方面，對于具有大約940nm的波長的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有大于或等于大約0.3A/W的靈敏度。在更進一步的方面，對于具有大約1060nm的波長的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有大于或等于大約0.05A/W的靈敏度。

在某些方面，設(shè)備的厚度可以指示靈敏度和響應(yīng)時間。然而，標準硅設(shè)備需要比較厚即大于100μm，從而檢測在紅外光譜中的波長，并且這種厚設(shè)備的探測導(dǎo)致緩慢的響應(yīng)和較高的暗電流?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)可以提高設(shè)備對紅外光的吸收，因而提高紅外光靈敏度，同時允許快速操作。漫散射和反射可以導(dǎo)致吸收路徑長度增加，特別是如果與全內(nèi)反射結(jié)合起來，會導(dǎo)致硅光電二極管、光電探測器、光電二極管陣列等在紅外光譜中的靈敏度大大改善。由于吸收路徑長度的增加，所以較薄的硅材料可以用于吸收最高在紅外區(qū)內(nèi)的電磁輻射。較薄硅材料設(shè)備的一個優(yōu)勢是電荷載流子更快地掠過設(shè)備，因而降低響應(yīng)時間。相反，至少部分由于散射，厚硅材料設(shè)備更慢地掃描從其中經(jīng)過的電荷載流子。

因此，與傳統(tǒng)的硅設(shè)備相比，本發(fā)明的設(shè)備通過增加更長波長的吸收路徑長度來增加硅材料的吸收路徑長度。硅光電探測器中的吸收深度是進入硅中的深度，在該深度處輻射強度降低至硅材料表面處的值的大約36％。增加的吸收路徑長度導(dǎo)致吸收深度的明顯減小或減小的表觀或有效吸收深度。例如，可以減少硅的有效吸收深度，使得可以在小于或等于大約100μm的深度吸收更長的波長。通過增加吸收路徑長度，這些設(shè)備能夠在薄半導(dǎo)體材料內(nèi)吸收更長的波長(例如，對于硅大于1000nm)。除了降低有效吸收深度之外，可以利用更薄的半導(dǎo)體材料降低響應(yīng)時間。

因此，除此以外，根據(jù)本發(fā)明的一些方面的光電子設(shè)備提供在光譜的紅外光部分的增強的響應(yīng)以及在將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電信號的過程中的提高的響應(yīng)和量子效率。同樣地，比大約100μm更薄的設(shè)備在紅外光譜中可以獲得較高的量子效率和較高的速度。換句話說，在紅外波長下該響應(yīng)高于更厚設(shè)備中發(fā)現(xiàn)的響應(yīng)。

在一個方面，例如圖2中所示，光電子設(shè)備可以包括具有第一摻雜區(qū)24和與其關(guān)聯(lián)的第二摻雜區(qū)26的硅材料22。因此，第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)形成半導(dǎo)體結(jié)。許多結(jié)構(gòu)是可預(yù)期的，并且認為任何類型的結(jié)配置都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)可以彼此遠離、彼此接觸、彼此交疊等。在某些情況下，本征區(qū)可以至少部分位于第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)之間。

光電子設(shè)備還可以包括耦合到硅材料22并被定位成與入射的電磁輻射29相互作用的紋理區(qū)28。在這種情況下，紋理區(qū)位于與第一摻雜區(qū)24和第二摻雜區(qū)26相對的硅材料的側(cè)面上。穿過硅材料接觸紋理區(qū)的電磁輻射可以被反射回來穿過硅材料，因此有效地增加硅材料的吸收路徑長度。紋理區(qū)可以與硅材料的整個表面相關(guān)聯(lián)或只與其一部分相關(guān)聯(lián)。此外，在某些方面，紋理區(qū)可以被具體定位以最大化硅材料的吸收路徑長度。在其他方面，第三摻雜可以被包括在紋理區(qū)附近，從而提高在紋理區(qū)附近生成的載流子的采集。

硅材料可以具有允許電磁輻射檢測和轉(zhuǎn)換功能的任何厚度，因此認為任何此類厚度的硅材料都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。盡管認為任何厚度的硅材料都在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但是在降低設(shè)備的響應(yīng)時間和/或電容方面薄硅層材料是特別有利的。如前所述，與較厚的硅材料層相比，電荷載流子可以更快速地掠過更薄的硅材料層。硅越薄，電子/空穴需要穿過越少的材料以便被采集，并且生成的電荷載流子遇到將捕獲或減慢載流子的采集的缺陷的可能性越低。因此，實施快速光子響應(yīng)的一個目標是利用薄硅材料作為光電二極管的主體區(qū)。通過光電二極管的內(nèi)建電勢和施加的任何偏壓，該設(shè)備可以接近耗盡電荷載流子，從而通過在電場中的漂移提供光生載流子的快速采集。保留在光電二極管的任何未耗盡區(qū)中的電荷載流子通過擴散運輸來采集，這比漂移運輸更慢。為此，期望使擴散可能占主導(dǎo)地位的任何區(qū)域的厚度比耗盡的漂移區(qū)薄得多。在具有適當摻雜的硅材料中，提供沒有施加偏壓的大約10μm的耗盡區(qū)。因此，在某些方面，可能有利的是使用厚度小于大約100μm或小于大約10μm的硅材料層。在另一方面，硅材料可以具有某一厚度和襯底摻雜濃度，使得所施加的偏壓生成足夠用于電荷載流子的飽和速度的電場。應(yīng)當注意，在零偏壓下操作本文公開的光電二極管可能導(dǎo)致噪聲較低，但是響應(yīng)時間較長。然而，當施加偏壓時，暗電流增加，導(dǎo)致噪聲較高，但是響應(yīng)時間下降。如果入射的輻射信號較強，則可以補償增加的暗電流。然而，利用更薄的設(shè)備層可以使增加的暗電流量最小化。

因此，在一個方面，硅材料具有從大約1μm到大約100μm的厚度。在另一個方面，硅材料具有從大約1μm到大約50μm的厚度。在又一方面，硅材料具有從大約5μm到大約10μm的厚度。在進一步的方面，硅材料具有從大約1μm到大約5μm的厚度。

如前所述，光電子設(shè)備的響應(yīng)時間受到光生載流子橫穿襯底厚度的通過時間(transit time)限制。通過利用小負載電阻器并且通過限制硅材料的摻雜密度與光電二極管的面積保持光電二極管的電容較小，整個電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的負載電阻(R)和電容(C)的RC時間常量可以被保持為小于該通過時間值。例如，以10¹⁵/cm³的密度摻雜的光電二極管可以在沒有施加任何偏壓的情況下具有10nF/cm²的電容。具有50ohm(歐姆)負載電阻器的小面積光電二極管可以具有非常快的RC時間常量。面積為0.01cm²的光電二極管可以具有0.5納秒的RC時間常量。假設(shè)響應(yīng)時間將由穿過光電二極管的最大電荷載流子通過時間限制，則擴散速率可以為不同厚度的光電二極管的響應(yīng)時間設(shè)置上限。例如，如果光電二極管具有小于d＝100μm的厚度，則可以由以下等式(II)計算擴散通過時間，其中D是電子的擴散系數(shù)。

響應(yīng)時間由2μs的上限約束。對于具有大約900nm的波長的光，只有大約35％的光在首次通過時被吸收或被吸收到比100μm更薄的設(shè)備中，并且大約30％的光在第一表面處被反射，因而給出在10％的量級或0.1A/W的靈敏度。通過利用多次內(nèi)反射實現(xiàn)數(shù)值R＝0.5A/W可以使靈敏度R至少增加四倍。

在一個方面，光電二極管可以具有小于大約d＝10μm的厚度。利用以上的等式(I)，最終得到的響應(yīng)時間上限是大約20ns。對于波長為大約700nm、首次通過被吸收大約33％并且在第一表面處被反射大約30％的光，靈敏度可以在10％的量級或0.3安培/瓦特。通過利用本文中所述的多次內(nèi)反射實現(xiàn)數(shù)值R＝0.6A/W可以使靈敏度R至少增加一倍。

在一個方面，例如，光電子設(shè)備具有從大約100皮秒到大約1納秒的響應(yīng)時間。在另一方面，相對于標準硅，對于從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長，光電子設(shè)備具有從大約0.4A/W到大約0.55A/W的靈敏度。在又一方面，相對于標準硅，對于從大約1000nm到大約1200nm的至少一個波長，光電子設(shè)備具有從大約0.1A/W到大約0.55A/W的靈敏度。在另一方面，相對于具有可比較的厚度和響應(yīng)時間的硅設(shè)備，對于從大約550nm到大約1200nm的至少一個波長，光電子設(shè)備的外部量子效率提高了至少10％。在另一方面，光電子設(shè)備具有的數(shù)據(jù)速率大于或等于大約1Gbs。在進一步的方面，光電子設(shè)備具有的數(shù)據(jù)速率大于或等于大約2Gbs。

如前所述，根據(jù)本發(fā)明的某些方面的光電子設(shè)備可以顯示出與傳統(tǒng)設(shè)備相比更低的暗電流。盡管可能存在多種原因，但是一個示例性的原因可能是更薄的硅材料層可以具有更少的負責生成暗電流的晶體缺陷。在一個方面，例如，光電子設(shè)備在工作期間的暗電流是從大約100pA/cm²到10nA/cm²。在另一個方面，光電子設(shè)備在工作期間的最大暗電流小于大約1nA/cm²。

不同類型的硅材料是可預(yù)期的，并且認為可以包含到光電子設(shè)備中的任何材料均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在一個方面，例如，硅材料是單晶體。在另一方面，硅材料是多晶體。在又一方面，硅材料是微晶體。

本發(fā)明的硅材料也可以利用多種制造工藝來制作。在某些情況下，制造步驟可能影響設(shè)備的效率，并且可以在實現(xiàn)預(yù)期結(jié)果時考慮在內(nèi)。示例性的制造工藝可以包括直拉(Cz)工藝、磁場直拉(mCz)工藝、浮區(qū)(FZ)工藝、外延生長或沉積工藝等。在一個方面，硅材料是外延生長的。

如前所述，紋理區(qū)可以起到擴散電磁輻射、重定向電磁輻射以及吸收電磁輻射的作用，因而增加設(shè)備的QE。紋理區(qū)可以包括用于增加硅材料的有效吸收長度的表面特征。所述表面特征可以是圓錐體、角錐體、柱狀、凸起物、顯微鏡頭、量子點、反轉(zhuǎn)特征等。諸如操縱特征尺寸、維數(shù)、材料類型、摻雜劑分布圖、紋理位置等的因素可以允許擴散區(qū)針對特定的波長是可調(diào)節(jié)的。在一個方面，調(diào)節(jié)設(shè)備可以允許吸收特定波長或波長范圍。在另一個方面，調(diào)節(jié)設(shè)備可以允許通過濾波來減少或消除特定波長或波長范圍。

如前所述，根據(jù)本發(fā)明的某些方面的紋理區(qū)可以允許硅材料經(jīng)歷入射電磁輻射在設(shè)備內(nèi)多次穿過，特別是在更長波長(即紅外光)下。這種內(nèi)反射使得有效吸收長度增加至大于半導(dǎo)體襯底的厚度。吸收長度的這種增加將增加設(shè)備的量子效率，從而導(dǎo)致改進的信噪比。紋理區(qū)可以與最接近射入的電磁輻射的表面相關(guān)聯(lián)，或者紋理區(qū)可以與射入的電磁輻射相反的表面相關(guān)聯(lián)，因而允許電磁輻射在達到紋理區(qū)之前穿過硅材料。此外，紋理區(qū)可以被摻雜。在一個方面，紋理區(qū)可以被摻雜到與硅襯底相同或相似的極性，以便在設(shè)備背面上提供摻雜的接觸區(qū)。

紋理區(qū)可以通過各種技術(shù)形成，包括激光法、化學(xué)蝕刻(例如，各向異性蝕刻、各向同性蝕刻)、納米壓印光刻、額外材料沉積、反應(yīng)離子蝕刻等。產(chǎn)生紋理區(qū)的一種有效方法是通過激光加工。該激光加工允許為半導(dǎo)體襯底的離散位置提供紋理結(jié)構(gòu)。形成紋理區(qū)的多種激光加工技術(shù)是可預(yù)期的，并且能夠形成該區(qū)的任何技術(shù)都應(yīng)被視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。除此以外，激光處理或激光加工可以允許增強吸收性能，并因此提高電磁輻射聚焦和檢測。

在一個方面，例如，可以利用激光輻射來照射硅材料的目標區(qū)，從而形成紋理區(qū)。這種加工的示例已經(jīng)在美國專利7,057,256、7,354,792和7,442,629中更詳細地描述，其整體內(nèi)容以參考方式合并到本申請中。簡言之，利用激光輻射來照射硅材料的表面，從而形成紋理區(qū)或表面改性區(qū)。激光加工可以在具有或不具有摻雜劑材料的情況下發(fā)生。在使用摻雜劑的那些方面，激光可以被引導(dǎo)穿過摻雜劑載體并且到達硅表面上。以此方式，來自摻雜劑載體的摻雜劑被引入硅材料的目標區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的某些方面，加入硅材料的該區(qū)可以具有各種優(yōu)勢。例如，目標區(qū)通常具有通過本文描述的機制增加激光處理區(qū)的表面積和提高輻射吸收的可能性的紋理表面。在一個方面，該目標區(qū)是包括已經(jīng)由激光紋理化生成的微米尺寸和/或納米尺寸的表面特征的充分紋理化表面。在另一方面，照射硅材料的表面包括使激光輻射暴露于摻雜劑，使得輻射將摻雜劑加入半導(dǎo)體中。各種摻雜劑材料在本領(lǐng)域中是已知的，并且在此被更詳細地討論。還應(yīng)理解的是，在某些方面，此類激光加工可以在不充分摻雜硅材料的環(huán)境中(例如，氬氣氣氛)發(fā)生。

因此，通過激光處理在化學(xué)上和/或結(jié)構(gòu)上改變形成紋理區(qū)的硅材料的表面，其在某些方面可以導(dǎo)致形成表現(xiàn)為納米結(jié)構(gòu)、微米結(jié)構(gòu)和/或表面的圖案化區(qū)域的表面特征，以及如果使用摻雜劑，則將這些摻雜劑加入到半導(dǎo)體材料中。在某些方面，這些特征的尺寸可以是大約50nm到20um，并且可以有助于吸收電磁輻射。換句話說，紋理表面可以提高入射的輻射被硅材料吸收的可能性。

用于對硅材料進行表面改性的激光輻射的類型可以取決于材料和預(yù)期改性。本領(lǐng)域中已知的任何激光輻射都可以用于本發(fā)明的設(shè)備和方法。然而，存在許多可能影響表面改性過程和/或最終產(chǎn)品的激光特性，其包括但不限于激光輻射的波長、脈沖寬度、脈沖能流、脈沖頻率、極性、激光相對于硅材料的傳播方向等。在一個方面，激光器可以被配置為提供硅材料的脈動激射。短波脈沖激光器能夠生成飛秒、皮秒和/或納秒脈沖持續(xù)時間。激光脈沖可以具有在大約從大約10nm到大約12μm的范圍內(nèi)的中心波長，更具體地，從大約200nm到大約1600nm的范圍內(nèi)的中心波長。激光輻射的脈沖寬度可以在從大約幾十飛秒到大約幾百納秒的范圍內(nèi)。在一個方面，脈沖寬度可以在從大約50飛秒到大約50皮秒的范圍內(nèi)。在另一方面，激光脈沖寬度可以在從大約50皮秒到100納秒的范圍內(nèi)。在另一方面，激光脈沖寬度在從大約50飛秒到500飛秒的范圍內(nèi)。

照射目標區(qū)的激光脈沖的數(shù)量可以在從大約1到大約5000的范圍內(nèi)。在一個方面，照射目標區(qū)的激光脈沖的數(shù)量可以是從大約2到大約1000。進一步，脈沖的重復(fù)率或頻率可以被選擇為在從大約10Hz到大約10MHz的范圍內(nèi)，或者在從大約1Hz到大約1MHz的范圍內(nèi)，或者在從大約10Hz到大約10kHz的范圍內(nèi)。而且，每個激光脈沖的能流可以在從大約1kJ/m²到大約20kJ/m²的范圍內(nèi)，或者在從大約3kJ/m²到大約8kJ/m²的范圍內(nèi)。

各種摻雜劑是可預(yù)期的，并且可以用于對光電子設(shè)備的第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)、紋理區(qū)或任何其他摻雜區(qū)進行摻雜的任何材料都被視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。應(yīng)當注意，所使用的特定摻雜劑可以根據(jù)激光處理的硅材料和最終硅材料的預(yù)期用途而改變。

摻雜劑可以是電子施主或空穴施主。在一個方面，摻雜劑的非限制性示例包括S、F、B、P、N、As、Se、Te、Ge、Ar、Ga、In、Sb及其組合。應(yīng)當注意，摻雜劑的范圍不僅包括摻雜劑本身，而且包括表現(xiàn)為傳送此類摻雜劑的材料(即摻雜劑載體)。例如，S摻雜劑不僅包括S，而且包括能夠用于將S摻雜到目標區(qū)內(nèi)的任何材料，例如H₂S、SF₆、SO₂等，包括其組合物。在一個特定的方面，摻雜劑可以是S。硫能夠以在大約5×10¹⁴和大約1×10¹⁶個離子/cm²之間的離子劑量水平出現(xiàn)。含氟復(fù)合物的非限制性示例可以包括ClF₃、PF₅、F₂SF₆、BF₃、GeF₄、WF₆、SiF₄、HF、CF₄、CHF₃、CH₂F₂、CH₃F、C₂F₆、C₂HF₅、C₃F₈、C₄F₈、NF₃等，包括其組合物。含硼復(fù)合物的非限制性示例可以包括B(CH₃)₃、BF₃、BCl₃、BN、C₂B₁₀H₁₂、硼硅酸鹽、B₂H₆等，包括其組合物。含磷復(fù)合物的非限制性示例可以包括PF₅、PH₃等，包括其組合物。含氯復(fù)合物的非限制性示例可以包括Cl₂、SiH₂Cl₂、HCl、SiCl₄等，包括其組合物。摻雜劑還可以包括含砷復(fù)合物如AsH₃等以及含銻復(fù)合物。此外，摻雜劑材料可以包括摻雜劑組的混合物或組合物，例如含硫復(fù)合物與含氯復(fù)合物混合起來。在一個方面，摻雜劑材料可以具有大于空氣密度的密度。在一個具體方面，摻雜劑材料可以包括Se、H₂S、SF₆或其混合物。在另一個具體方面，摻雜劑可以是SF₆，并且可以具有大約5.0×10^-8mol/cm³到大約5.0×10^-4mol/cm³的預(yù)定濃度范圍。SF₆氣體是用于通過激光工藝將硫加入半導(dǎo)體材料的良好載體，而不會對硅材料產(chǎn)生顯著的不利影響。此外，應(yīng)當注意的是，摻雜劑還可以是n-型或p-型摻雜劑材料溶解在諸如水、酒精或酸性或堿性溶液等溶液中的液態(tài)溶液。摻雜劑還可以是作為粉末或作為干結(jié)到晶片上的懸浮物應(yīng)用的固態(tài)材料。

因此，可以利用電子施主種類或空穴施主種類摻雜第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)，以促使這些區(qū)互相比較和/或與硅襯底相比變得極性更正或更負。在一個方面，例如，任一摻雜區(qū)均可以被p-摻雜。在另一方面，任一摻雜區(qū)均可以被n-摻雜。在一個方面，例如，通過用p+摻雜劑和n-摻雜劑進行摻雜可以使得第一摻雜區(qū)的極性為負且第二摻雜區(qū)的極性為正。在某些方面，可以使用這些區(qū)的n(--)、n(-)、n(+)、n(++)、p(--)、p(+)或p(++)類型摻雜的變體。此外，在某些方面，除了第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)之外還可以對硅材料進行摻雜。可以將硅材料摻雜為具有與第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)中的一個或多個不同的摻雜極性，或者可以將硅材料摻雜為具有與第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)中的一個或多個相同的摻雜極性。在一個特定方面，硅材料可以被摻雜為p-型的，而第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)中的一個或多個可以是n-型的。在另一個特定方面，硅材料可以被摻雜為n-型的，而第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)中的一個或多個可以是p-型的。在一個方面，第一摻雜區(qū)或第二摻雜區(qū)中的至少一個具有從大約0.1μm²到大約32μm²的表面積。

在另一個方面，可以利用摻雜劑摻雜紋理區(qū)和/或硅材料的至少一部分，從而生成背面場。背面場可以起到排斥來自設(shè)備背側(cè)并朝向結(jié)生成的電荷載流子的作用，從而提高采集效率和速度。增加背面場可以提高電荷載流子采集和消耗。背面場的存在還起到抑制來自設(shè)備表面的暗電流貢獻的作用。

在另一個方面，如圖3所示，光電子設(shè)備可以包括具有第一摻雜區(qū)34和與其相關(guān)聯(lián)的第二摻雜區(qū)36的硅材料32，其中第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)形成半導(dǎo)體光電二極管結(jié)。紋理區(qū)38與硅材料耦合并且被定位成與電磁輻射相互作用。光電子設(shè)備還可以包括用于提供電接觸至設(shè)備的一側(cè)的第一接觸端37和用于提供電接觸至設(shè)備的另一側(cè)的第二接觸端39。在一個方面，第一接觸端和第二接觸端的電壓極性彼此相反。應(yīng)當注意的是，在某些方面，第一接觸端和第二接觸端可以在設(shè)備的相同側(cè)面上(未示出)。此外，支撐襯底35可以耦合到設(shè)備，從而為其提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在一個方面，接觸端之一可以是紋理區(qū)的摻雜部分。可以摻雜一部分紋理區(qū)或整個紋理區(qū)，從而產(chǎn)生接觸端之一。

盡管根據(jù)本發(fā)明的某些方面的光電子設(shè)備可以在無偏壓的情況下以高速工作，但是在一個方面，反向偏壓被施加在第一接觸端和第二接觸端之間。這一反向偏壓可以起到通過更快速地掃描來自硅材料的電荷載流子而降低設(shè)備的響應(yīng)時間的作用。因此，對于使用偏壓的這些情況來說，能夠掃描來自硅材料的電荷載流子的任何偏置電壓被視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在一個方面，例如，反向偏壓在大約0.001V到大約20V的范圍內(nèi)。在另一個方面，反向偏壓在大約0.001V到大約10V的范圍內(nèi)。在又一個方面，反向偏壓在大約0.001V到大約5V的范圍內(nèi)。在進一步的方面，反向偏壓在大約0.001V到大約3V的范圍內(nèi)。在更進一步的方面，反向偏壓在大約3V到大約5V的范圍內(nèi)。在某些方面，可以沒有反向偏壓，或換句話說，在第一接觸端和第二接觸端之間施加0V電壓。在這些情況下，可以通過由第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)產(chǎn)生的結(jié)電勢耗盡來自硅材料的電荷載流子。

在某些方面，第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)可以在硅材料的相反側(cè)上。例如，如圖4所示，硅材料42可以包括與硅材料的一個表面相關(guān)聯(lián)的第一摻雜區(qū)44和與硅材料的相反側(cè)面相關(guān)聯(lián)的第二摻雜區(qū)46。而且，紋理區(qū)可以與任一摻雜區(qū)相關(guān)聯(lián)。例如，如圖5所示，硅材料52可以包括與硅材料的一個表面相關(guān)聯(lián)的第一摻雜區(qū)54和與硅材料的相反側(cè)面相關(guān)聯(lián)的第二摻雜區(qū)56，其中紋理區(qū)58與第一摻雜區(qū)相關(guān)聯(lián)。在另一方面，紋理區(qū)與第二摻雜區(qū)相關(guān)聯(lián)(未示出)。在進一步的方面，紋理區(qū)可以與每個摻雜區(qū)相關(guān)聯(lián)(未示出)。

在另一方面，如圖6所示，硅材料62可以具有在一個表面上的第一摻雜區(qū)64和第二摻雜區(qū)66以及在相反表面上的紋理區(qū)68。在該情況下，電磁輻射69入射到具有紋理表面的硅材料的側(cè)面上。在另一方面，如圖7所示，硅材料72可以在與紋理區(qū)78相反的表面上具有第一摻雜區(qū)74和第二摻雜區(qū)76。抗反射層77可以在與紋理層相反的表面上耦合到硅材料。在某些方面，抗反射層可以位于與紋理區(qū)相同的硅材料的側(cè)面上(未示出)。而且，在某些方面，透鏡可以光學(xué)耦合到硅材料，并且被定位成使入射的電磁輻射聚集到硅材料中。

在本發(fā)明的另一方面，提供一種光電二極管陣列。該陣列可以包括：具有入射光表面的硅材料；在硅材料中的至少兩個光電二極管，其中每個光電二極管包括形成結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)；以及耦合到硅材料并被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)。紋理區(qū)可以是單個紋理區(qū)或多個紋理區(qū)。此外，對于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電二極管陣列具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。

例如，如圖8所示，硅材料88可以包括至少兩個光電二極管83，每個光電二極管都具有第一摻雜區(qū)84和第二摻雜區(qū)86。紋理區(qū)88被定位成與電磁輻射相互作用。圖8示出了每個光電二極管的單獨紋理區(qū)。在某些方面，單個紋理區(qū)可以用于增加陣列中多個光電二極管的吸收路徑長度。而且，隔離結(jié)構(gòu)57可以被定位在光電二極管之間，從而電氣地和/或光學(xué)地隔離光電二極管。在另一方面，光電二極管陣列可以電子耦合到電子電路以處理由每個光電二極管生成的信號。

各種類型的隔離結(jié)構(gòu)都是可預(yù)期的，并且任何此類隔離結(jié)構(gòu)都應(yīng)視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。隔離結(jié)構(gòu)可以是淺槽隔離或深槽隔離。而且，隔離結(jié)構(gòu)可以包括在傳統(tǒng)的淺隔離和深隔離之間的深度，具體取決于設(shè)備的設(shè)計。隔離結(jié)構(gòu)可以包括介電材料、反射材料、導(dǎo)電材料及其組合，包括紋理區(qū)和其他光擴散特征。因此，隔離結(jié)構(gòu)可以被配置為反射入射的電磁輻射，在某些情況下直到電磁輻射被吸收，因而增加設(shè)備的有效吸收長度。

光電二極管陣列可以具有多種用途。例如，在一個方面，該陣列可以是成像器?？梢灶A(yù)期多種類型的成像器，并且任何此類成像器或成像應(yīng)用都被視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。非限制性示例包括三維成像、機器視覺、夜視、安全和監(jiān)視、各種商業(yè)應(yīng)用、激光測距和標記等。因此，在例如三維成像的情況下，該陣列可操作以便檢測反射的光學(xué)信號和發(fā)射的光學(xué)信號之間的相位延遲。

舉一個實例來說，各種應(yīng)用可以得益于深度信息，例如免手持姿態(tài)控制、視頻游戲、醫(yī)療應(yīng)用、機器視覺等。渡越時間(TOF)是被開發(fā)用于雷達和LIDAR(光探測和測距)系統(tǒng)以提供深度信息的技術(shù)。TOF的基本原理涉及發(fā)送信號并測量來自目標的返回信號的特性。所測量的特性被用于確定TOF。因此，通過使得TOF的一半與信號速度相乘獲得到目標的距離。

圖9示出了具有多個空間分離的表面的目標的飛行時間測量。等式(III)可以用于測量到目標的距離，其中d是到目標的距離并且c是光的速度。

通過測量光從光源92發(fā)射、傳播到目標94并從其返回所需的時間(例如，TOF)，可以推導(dǎo)出光源(例如，發(fā)光二極管(LED))與目標表面之間的距離。對于成像器而言，如果每個像素都可以執(zhí)行上述TOF測量，則可以實現(xiàn)目標的三維成像。當目標相對接近光源時，由于光速較大，利用TOF方法進行距離測量變得困難。因此，在一個方面，TOF測量可以利用調(diào)制的LED光脈沖，并且測量發(fā)射光與接收光之間的相位延遲?；谙辔谎舆t和LED脈沖寬度，可以推導(dǎo)出TOF。

TOF概念已經(jīng)被用于CMOS和CCD傳感器以獲得來自每個像素的深度信息。在許多傳統(tǒng)的三維TOF傳感器中，紅外光LED或激光器發(fā)射經(jīng)調(diào)制的光脈沖來照亮目標。測量的發(fā)射光和接收光之間的相位偏移可以用于推導(dǎo)出深度信息。然而，這些方法可能具有各種棘手的問題。例如，如果兩個目標之間的TOF之差等于光源調(diào)制頻率的半周期，則出現(xiàn)模糊(例如，混淆現(xiàn)象)。為了解決模糊問題，通常使用的方法是利用多個調(diào)制頻率測量相同的場景。此外，由于使用近紅外光LED或激光器，所以通過相同的三維TOF傳感器一般無法實現(xiàn)良好的彩色圖像，因為不能使用紅外(IR)截止濾波器。另外，許多當前的三維TOF傳感器以滾動快門模式工作。在滾動快門模式中，通過垂直地或水平地掃描越過一個幀來捕獲圖像。已知運動偽像伴隨使用滾動快門模式的攝像機并且可能嚴重地降低深度圖的質(zhì)量。當環(huán)境光在信號輸出中生成不期望的偏移時出現(xiàn)另一個問題。涉及信號偏移的光子快射噪聲將降低涉及經(jīng)調(diào)制的近紅外(NIR)發(fā)光二極管(LED)的有用信號的信噪比(SNR)。因此，許多當前的三維TOF成像器不能在戶外工作(例如，明亮的環(huán)境光)。除了環(huán)境光之外，任何暗電流也將促成不期望的偏移，其與正?？梢娤袼叵嗤?。

作為一個示例，具有增強的紅外響應(yīng)的三維像素如TOF三維像素可以提高深度準確性。在一個方面，光成像器陣列可以包括彼此單片/單獨地布置的至少一個三維紅外光檢測像素和至少一個可見光檢測像素。圖10a-c示出此類陣列的像素布置的非限制性示例配置。

圖10a示出了具有紅色像素102、藍色像素104和綠色像素106的像素陣列布置的一個示例。此外，還包括在光譜的紅外區(qū)具有增強的靈敏度或可檢測能力的兩個三維TOF像素(108和109)。兩個三維像素的組合允許更好的深度感知。在圖10b中，所示的像素布置包括圖10a中所描述的成像器，以及紅色像素、藍色像素和兩個綠色像素的三個陣列。本質(zhì)上，一個TOF像素(108和109)替換RGGB像素設(shè)計的四分之一。在該配置中，增加一些綠色像素允許捕獲更多人眼所需的綠色靈敏度所需的綠色波長，與此同時捕獲用于深度感知的紅外光。應(yīng)當注意，本發(fā)明的范圍不應(yīng)被像素陣列的數(shù)量或布置方式所限制，并且任何數(shù)量和/或布置方式都包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。圖10c示出了根據(jù)另一方面的像素的另一種布置。

可以預(yù)期各種成像器配置和部件，并且任何此類成像器配置和部件都應(yīng)視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這些部件的非限制性示例可以包括載體晶片、抗反射層、電介質(zhì)層、電路層、通孔(via)、傳輸門、紅外濾波器、顏色濾波器陣列(CFA)、紅外截止濾波器、隔離特征等。此外，這些設(shè)備可以具有光吸收特性和元件，其在2010年9月17日提交的美國專利申請?zhí)?2/885,158中已經(jīng)公開，該申請的整體內(nèi)容以參考方式合并于此。

如前所述，TOF像素可以具有關(guān)于像素(on-pixel)的光學(xué)窄帶帶通濾波器。窄帶帶通濾波器設(shè)計可以匹配經(jīng)調(diào)制的光源(LED或激光器)發(fā)射光譜，并且可以顯著降低不期望的環(huán)境光，這可能進一步提高經(jīng)調(diào)制的紅外光的信噪比。提高紅外QE的另一個益處是用于高速三維圖像捕獲的高幀速操作的可能性。集成的紅外截止濾波器可以允許具有高保真顏色渲染的高質(zhì)量可見圖像。將紅外截止濾波器集成到傳感器芯片上還可以降低攝像機模塊的總系統(tǒng)成本(由于去除了典型的IR濾光鏡)并精簡模塊輪廓(對移動應(yīng)用有好處)。

由于速度和檢測被提高，QE增強的成像器的厚度和靈敏度可能對TOF像素操作產(chǎn)生顯著影響。增大的QE將促使圖像信噪比更高，這將大大降低深度誤差。此外，厚度小于大約100μm的硅材料的增大的QE可以允許像素降低信號的擴散分量，從而可以提高電荷采集和轉(zhuǎn)移速度，這對TOF像素操作是有好處的。一般地，在像素內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子將取決于兩種采集機制：漂移和擴散。對于波長較短的光，大多數(shù)電荷載流子將在設(shè)備的淺區(qū)和二極管的耗盡區(qū)內(nèi)生成。這些載流子可以通過漂移相對快速地采集。對于紅外光，大多數(shù)光生載流子在硅材料內(nèi)的更深處生成。為了實現(xiàn)更高的QE，一般使用較厚的硅層。因此，大多數(shù)電荷載流子將在二極管的耗盡區(qū)外生成，并且將依賴于擴散進行采集。然而，對于三維TOF像素，光生載流子的快速采樣是有利的。

對于根據(jù)本發(fā)明的某些方面的設(shè)備，在硅材料的薄(即，小于100μm)層內(nèi)可以實現(xiàn)高QE。因此，可以通過漂移機制采集生成的基本所有載流子。這允許快速電荷采集和轉(zhuǎn)移。

圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的允許全局快門操作的六晶體管(6-T)結(jié)構(gòu)的示例性示意圖。該像素可以包括光電二極管(PD)、全局復(fù)位(Global_RST)、全局傳輸門(Global_TX)、存儲節(jié)點、傳輸門(TX1)、復(fù)位(RST)、源跟蹤器(SF)、浮動擴散(FD)、行選擇晶體管(RS)、電源(Vaapix)和電壓輸出(Vout)。由于使用額外的傳輸門和存儲節(jié)點，因此允許相關(guān)雙采樣(CDS)。因此，讀噪聲應(yīng)當能夠匹配典型的CMOS 4T像素。

圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的三維TOF像素的示例性示意圖。該三維TOF像素可以具有11個晶體管以便完成目標的深度測量。在該實施例中，三維像素可以包含光電二極管(PD)、全局復(fù)位(Global_RST)、第一全局傳輸門(Global_TX1)、第一存儲節(jié)點、第一傳輸門(TX1)、第一復(fù)位(RST1)、第一源跟蹤器(SF1)、第一浮動擴散(FD1)、第一行選擇晶體管(RS1)、第二全局傳輸門(Global_TX2)、第二存儲節(jié)點、第二傳輸門(TX2)、第二復(fù)位(RST2)、第二源跟蹤器(SF2)、第二浮動擴散(FD2)、第二行選擇晶體管(RS2)、電源(Vaapix)和電壓輸出(Vout)。其他晶體管可以包括在該三維結(jié)構(gòu)中，并且應(yīng)當視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。具有11個晶體管的特定實施例可以由于全局快門操作而減少運動偽像，因而提供更準確的測量。

如前所述，光電二極管陣列可以用于各種通信應(yīng)用。例如，該陣列可以用于檢測脈沖光信號。這些脈沖光信號可以用于高速傳輸數(shù)據(jù)。通過利用具有快速響應(yīng)時間的光電二極管，可以檢測非常短的脈沖寬度，因而提高數(shù)據(jù)通信的速度。在一個方面，例如，脈沖光信號可以具有從大約1飛秒到大約1微秒的脈沖寬度。在另一方面，至少兩個光電二極管可操作以便以至少1Gbps的速度發(fā)射數(shù)據(jù)。在另一方面，至少兩個光電二極管可操作以便以至少2Gbps的速度發(fā)射數(shù)據(jù)。

在一個方面，提供一種形成方形光電二極管陣列(方形陣列)的四光電二極管陣列。方形陣列可以用于多種應(yīng)用，包括通信、激光測距、激光準直等。在某些方面，四個光電二極管可以具有一致的光響應(yīng)，或換句話說，四個光電二極管對于相同的波長范圍是選擇性的。也可能有益的是，方形陣列中的光電二極管之間只有很少或沒有電串擾和/或光學(xué)串擾。為此，有利的是，隔離結(jié)構(gòu)可以布置在光電二極管之間。一些應(yīng)用也可以得益于根據(jù)本發(fā)明的某些方面的光電二極管的高速工作。圖13和圖4示出了方形陣列的示例性配置。圖13示出了包括硅材料132和摻雜區(qū)134的四個光電二極管130的方形陣列。摻雜區(qū)是由形成結(jié)的多個摻雜區(qū)組成的。隔離結(jié)構(gòu)136位于光電二極管之間，從而電氣和/或光學(xué)隔離光電二極管以免不期望的串擾。圖14示出圓形配置中的相似布置。該陣列包括四個光電二極管140，其中每個光電二極管140包括硅材料142、摻雜區(qū)144和隔離結(jié)構(gòu)146。除了本文中討論的這些材料之外，隔離結(jié)構(gòu)可以包括用于電隔離的電介質(zhì)材料和對入射到溝槽壁上的光具有高反射率的金屬材料。在一個方面，可以比硅材料更重地摻雜隔離區(qū)之間的二極管的側(cè)面和表面，從而約束在帶邊沿處的費米能級(Fermi level)并減少暗電流。光電二極管還可以包括與硅材料相反的導(dǎo)電類型的掩埋層。在某些方面，硅材料的摻雜可以保持為較低并且厚度可以變薄，從而提供對光信號更快的響應(yīng)時間。紋理區(qū)可以起到向后散射穿過硅材料的光的作用，因而提高近紅外靈敏度。

在另一個方面，提供一種提高光電子設(shè)備的速度的方法。如圖15所示，該方法可以包括對硅材料中的至少兩個區(qū)進行摻雜以形成至少一個結(jié)152，以及使得硅材料具有紋理結(jié)構(gòu)，從而形成定位成與電磁輻射154相互作用的紋理區(qū)。對于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。

當然，理解的是，以上所述的布置僅僅是為了說明本發(fā)明的原理的應(yīng)用。在不偏離本發(fā)明的精神和保護范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)想許多修改和變化布置，并且希望隨附的權(quán)利要求涵蓋這些修改和變化。因此，雖然以上結(jié)合目前被認為是本發(fā)明的最實際和最優(yōu)選的實施例特別詳細地描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，在不偏離本文中闡述的原理和概念的情況下，可以做出許多改進，包括但不限于尺寸變化、材料變化、形狀變化、形態(tài)變化、功能和操作方式變化、裝配及用途變化。