(57)【要約】  光検出装置は半導体基板を備える。第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料が、半導体基板によって支持され、８００ｎｍより大きい第１の波長を有する第１の光学信号を吸収するように構成される。第１の金属線が、第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第１の領域に電気的に結合される。第２の金属線が、第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第２の領域に電気的に結合される。第１の領域はドープされないかまたは第１の種類のドーパントでドープされる。第２の領域は第２の種類のドーパントでドープされる。第１の金属線は、第２の領域によって収集されるように、第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の内部で発生させられるある量の第１の種類の光発生キャリアを制御するように構成される。
2021512503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板によって支持され、８００ｎｍより大きい第１の波長を有する第１の光学信号を吸収するように構成される第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料と、
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第１の領域に電気的に結合される第１の金属線と、
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第２の領域に電気的に結合される第２の金属線と、
を備え、
前記第１の領域はドープされないかまたは第１の種類のドーパントでドープされ、前記第２の領域は第２の種類のドーパントでドープされ、前記第１の金属線は、前記第２の領域によって収集されるように、前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の内部で発生させられるある量の第１の種類の光発生キャリアを制御するように構成される、光検出装置。
【請求項２】
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第３の領域に結合される第３の金属線と、
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第４の領域に結合される第４の金属線と、
を備え、
前記第３の領域はドープされないかまたは前記第１の種類のドーパントでドープされ、前記第４の領域は前記第２の種類のドーパントでドープされ、前記第３の金属線は、前記第４の領域によって収集されるように、前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の内部で発生させられる前記ある量の前記第１の種類の光発生キャリアを制御するように構成される、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第１の面から延びる前記第１の領域の深さは、前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の前記第１の面から延びる前記第２の領域の深さより小さい、請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記第１の領域、前記第２の領域、前記第３の領域、および前記第４の領域が形成される前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第１の面と反対の第２の面に形成される第５の領域を備え、前記第５の領域は前記第２の種類のドーパントでドープされる、請求項２に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料は前記第２の種類のドーパントでドープされる、請求項２に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記第１の種類のドーパントでドープされる前記第１の領域は低濃度でドープされる、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記第１の種類のドーパントのドーピング濃度が前記第２の種類のドーパントのドーピング濃度より低い、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項８】
前記半導体基板に前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の隣で配置される前記第１の種類のドーパントでのＵ字形ドープ領域を備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項９】
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料と前記半導体基板との間に埋め込まれる誘電層をさらに備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１０】
前記第１の領域を一部または全部で包囲する前記第２の種類のドーパントを伴うウェル領域をさらに備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１１】
前記第２の領域を一部または全部で包囲する前記第１の種類のドーパントを伴うウェル領域をさらに備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１２】
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第１の面に形成される保護層をさらに備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１３】
前記保護層の上方に形成され、前記第１の光学信号を反射させることができる位置に配置される金属板を備える、請求項１２に記載の光検出装置。
【請求項１４】
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料を一部または全部で包囲する隔離領域を備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１５】
第１のケイ化物が前記第１の金属線と前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料との間に形成され、第２のケイ化物が前記第２の金属線と前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料との間に形成される、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１６】
前記半導体基板によって支持される第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料を備え、
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料は、上方視点から、第１の長さおよび第１の幅を伴う第１の矩形を形成し、
前記第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料は、上方視点から、第２の長さおよび第２の幅を伴う第２の矩形を形成し、
前記第１の長さの方向と前記第２の長さの方向とは互いに対して垂直である、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１７】
前記半導体基板によって支持される第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料を備え、
前記第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料は、第２の波長を伴う第２の光学信号を吸収するように構成され、前記第２の波長は前記第１の波長と異なる、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１８】
前記半導体基板によって支持される第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料を備え、
前記第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料は第２の光学信号を吸収するように構成され、前記第１の光学信号は第１の変調信号で適用され、前記第２の光学信号は第２の変調信号で適用され、前記第１の変調と前記第２の変調とは異なる、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１９】
光学信号を送信するためのレーザードライバに結合されるレーザーを備え、
前記光学信号は、多重時間フレームのための複数の所定の位相を伴う第１の変調信号によって変調され、前記第１の光学信号は、物体から反射される前記光学信号であり、前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料によって吸収される前記第１の光学信号は、前記多重時間フレームのための第１の単一の所定の位相を伴う第２の変調信号によって復調される、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項２０】
前記半導体基板によって支持される第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料を備え、
前記第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料によって吸収される前記第１の光学信号は、前記多重時間フレームのための第２の単一の所定の位相を伴う前記第２の変調信号によって復調され、前記第２の単一の所定の位相は、前記第１の単一の所定の位相に対して直交する位相である、請求項１９に記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、参照により本明細書において組み込まれている２０１８年２月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／６３４，７４１号、２０１８年４月８日に出願された米国仮特許出願第６２／６５４，４５４号、２０１８年４月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／６６０，２５２号、２０１８年７月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／６９８，２６３号、２０１８年６月８日に出願された米国仮特許出願第６２／６８２，２５４号、２０１８年６月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／６８６，６９７号、２０１８年７月８日に出願された米国仮特許出願第６２／６９５，０６０号、２０１８年７月８日に出願された米国仮特許出願第６２／６９５，０５８号、２０１８年１０月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７５２，２８５号、２０１８年８月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／７１７，９０８号、２０１８年１１月５日に出願された米国仮特許出願第６２／７５５，５８１号、２０１８年１１月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／７７０，１９６号、および２０１８年１２月７日に出願された米国仮特許出願第６２／７７６，９９５号の便益を請求する。
【背景技術】
【０００２】
光検出器は、光学信号を検出し、その光学信号を、別の回路によってさらに処理され得る電気信号へと変換するために使用され得る。光検出器は、家電製品、画像センサ、データ通信、飛行時間（ＴＯＦ）測距または撮像センサ、医療装置、および多くの他の適切な用途において使用され得る。しかしながら、光検出器が、単一または配列の構成でこれらの用途に適用されるとき、漏れ電流、暗電流、電気的／光学的クロストーク、および電力消費が性能を低下させる可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示の実施形態によれば、光検出装置が提供される。光検出装置は半導体基板を備える。第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料が、半導体基板によって支持され、８００ｎｍより大きい第１の波長を有する第１の光学信号を吸収するように構成される。第１の金属線が、第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第１の領域に電気的に結合される。第２の金属線が、第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第２の領域に電気的に結合される。第１の領域は第１の種類のドーパントでドープされないかまたはドープされる。第２の領域は第２の種類のドーパントでドープされる。第１の金属線は、第２の領域によって収集されるように、第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の内部で発生させられるある量の第１の種類の光発生キャリアを制御するように構成される。
【０００４】
本開示の実施形態によれば、光検出方法が提供される。光検出方法は、第１の変調信号によって変調される光学信号を送信するステップを含み、光学信号は、多重時間フレームのための１つまたは複数の所定の位相を伴う第１の変調信号によって変調される。反射された光学信号は光検出器によって受け入れられる。反射された光学信号は１つまたは複数の復調信号によって復調され、１つまたは複数の復調信号は、多重時間フレームのための１つまたは複数の所定の位相を伴う信号である。少なくとも１つの電圧信号がコンデンサにおいて出力される。
【０００５】
本明細書に開示されている実施形態のいくつかの利点および便益の中でも、実施形態は、それらに限定はされるが少なくとも近赤外（ＮＩＲ）光または短波赤外（ＳＷＩＲ）光を吸収することができる光検出装置を提供する。一部の実施形態では、光検出装置は、チップサイズの小型化のために、大きな復調コントラスト、小さい漏れ電流、小さい暗電流、小さい電力消費、小さい電気的／光学的クロストークおよび／またはアーキテクチャを提供する。一部の実施形態では、光検出装置は、異なる変調スキームおよび／または時間分割の機能を含め、複数の波長で入射光学信号を処理することができる。さらに、光検出装置が、可視波長と比較して、可視波長（例えば、ＮＩＲ範囲およびＳＷＩＲ範囲）と比較して長い波長で動作できる飛行時間（ＴｏＦ）の用途で使用できる。装置／材料の実施者は、前述の波長において光を吸収するための光吸収材料として、内因性または外因性のいずれかで、１００％のゲルマニウム、または、所定の割合のゲルマニウム（例えば、８０％超のＧｅ）を伴う合金（例えばＧｅＳｉ）を設計／製作することができる。
【０００６】
本開示のこれらの目的および他の目的は、様々な図および図面において示されている代替の実施形態の以下の詳細な記載を読んだ後、当業者には明らかとなる。
【０００７】
本出願の前述の態様および付随する利点の多くは、添付の図面と合わされるとき、以下の詳細な記載を参照することでより良く理解されることになるため、より容易に評価されることになる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】一部の実施形態による光検出装置の断面図である。
【図１Ｂ】一部の実施形態による光検出装置の断面図である。
【図１Ｃ】一部の実施形態による光検出装置の断面図である。
【図１Ｄ】一部の実施形態による光検出装置の断面図である。
【図１Ｅ】一部の実施形態による光検出装置の断面図である。
【図１Ｆ】一部の実施形態による光検出装置の断面図である。
【図２Ａ】一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図である。
【図２Ｂ】一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図である。
【図２Ｃ】一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図である。
【図２Ｄ】一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図である。
【図２Ｅ】一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図である。
【図２Ｆ】一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図である。
【図２Ｇ】一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図である。
【図２Ｈ】一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図である。
【図３Ａ】一部の実施形態による、ゲートされた本体空乏モードでの光検出装置の断面図である。
【図３Ｂ】一部の実施形態による、ゲートされた本体空乏モードでの光検出装置の断面図である。
【図４Ａ】一部の実施形態による、より小さい漏れ電流とより小さい暗電流とを伴う光検出装置の断面図である。
【図４Ｂ】一部の実施形態による、より小さい漏れ電流とより小さい暗電流とを伴う光検出装置の断面図である。
【図４Ｃ】一部の実施形態による、より小さい漏れ電流とより小さい暗電流とを伴う光検出装置の断面図である。
【図４Ｄ】一部の実施形態による、より小さい漏れ電流とより小さい暗電流とを伴う光検出装置の断面図である。
【図５】一部の実施形態による、保護層を伴う光検出装置の断面図である。
【図６Ａ】一部の実施形態による、ブーストされた電荷移動速度での光検出装置の断面図である。
【図６Ｂ】一部の実施形態による、ブーストされた電荷移動速度での光検出装置の断面図である。
【図６Ｃ】一部の実施形態による、ブーストされた電荷移動速度での光検出装置の断面図である。
【図７Ａ】一部の実施形態による、表面空乏モードでの光検出装置の断面図である。
【図７Ｂ】一部の実施形態による、表面空乏モードでの光検出装置の断面図である。
【図７Ｃ】一部の実施形態による、表面空乏モードでの光検出装置の平面図である。
【図７Ｄ】一部の実施形態による、表面空乏モードでの光検出装置の平面図である。
【図８Ａ】一部の実施形態による、表面イオン注入を伴う光検出装置の断面図である。
【図８Ｂ】一部の実施形態による、表面イオン注入を伴う光検出装置の平面図である。
【図９Ａ】一部の実施形態による、画素同士の隔離を伴う光検出装置の断面図である。
【図９Ｂ】一部の実施形態による、画素同士の隔離を伴う光検出装置の平面図である。
【図９Ｃ】一部の実施形態による、画素同士の隔離を伴う光検出装置の断面図である。
【図９Ｄ】一部の実施形態による、画素同士の隔離を伴う光検出装置の断面図である。
【図９Ｅ】一部の実施形態による、画素同士の隔離を伴う光検出装置の断面図である。
【図１０Ａ】一部の実施形態による光検出装置の断面図である。
【図１０Ｂ】一部の実施形態による光検出装置の断面図である。
【図１０Ｃ】一部の実施形態による光検出装置の断面図である。
【図１０Ｄ】一部の実施形態による光検出装置の断面図である。
【図１１Ａ】一部の実施形態による、チップサイズの小型化を伴う光検出装置の平面図である。
【図１１Ｂ】一部の実施形態による、チップサイズの小型化を伴う光検出装置の平面図である。
【図１１Ｃ】一部の実施形態による、チップサイズの小型化を伴う光検出装置の平面図である。
【図１１Ｄ】一部の実施形態による、チップサイズの小型化を伴う光検出装置の平面図である。
【図１１Ｅ】一部の実施形態による、チップサイズの小型化を伴う光検出装置の平面図である。
【図１２Ａ】一部の実施形態による光検出装置の配列構成の平面図である。
【図１２Ｂ】一部の実施形態による光検出装置の配列構成の平面図である。
【図１３Ａ】一部の実施形態による、位相変化を伴う変調スキームを用いる光検出装置のブロック図である。
【図１３Ｂ】一部の実施形態による、位相変化を伴う変調スキームを用いる光検出装置のタイミング図である。
【図１３Ｃ】一部の実施形態による、位相変化を伴う変調スキームを用いる光検出装置のブロック図である。
【図１３Ｄ】一部の実施形態による、位相変化を伴う変調スキームを用いる光検出装置のタイミング図である。
【図１３Ｅ】一部の実施形態による、位相変化を伴う変調スキームを用いる光検出装置のタイミング図である。
【図１４】一部の実施形態による、位相変化を伴う変調スキームを用いる光検出装置を使用するための処理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１Ａは、一部の実施形態による光検出装置の断面図を示している。光検出装置１００ａは、半導体基板１０４によって支持されたゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２を備える。一部の実施では、半導体基板１０４は、シリコン、シリコン−ゲルマニウム、またはＩＩＩ−Ｖ族化合物によって作られる。ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２は、ここでは、内因性ゲルマニウム（１００％ゲルマニウム）、または、例えばシリコン−ゲルマニウム合金といった、１％から９９％の範囲のＧｅ濃度であるゲルマニウムを含む成分の合金を言っている。一部の実施では、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２は、ブランケットエピタキシ、選択エピタキシ、または他の適用可能な技術を用いて成長させられ得る。ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２は、図１Ａでは半導体基板１０４に埋め込まれており、代替の実施形態では、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２は、半導体基板１０４に一部埋め込まれ得る、または、半導体基板１０４において立設し得る。
【００１０】
光検出装置１００ａは制御金属線１０６ａと読み出し金属線１０８ａとを備える。制御金属線１０６ａと読み出し金属線１０８ａとは両方とも、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２の表面１０２ｓに電気的に結合されている。この実施形態では、制御金属線１０６ａは表面１０２ｓにおける非ドープ領域１０５ａに電気的に結合されており、非ドープ領域１０５ａはドーパントを有していない。読み出し金属線１０８ａは表面１０２ｓにおけるドープ領域１０１ａに電気的に結合されており、ドープ領域１０１ａはドーパントを有している。
【００１１】
ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２が内因性または外因性（例えば、低濃度のＰ型または低濃度のＮ型）として形成できることは、留意されている。ゲルマニウム材料の欠陥特性のため、追加のドーピング処理が導入されない場合であっても、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２はなおも低濃度のＰ型であり得る。したがって、非ドープ領域１０５ａも低濃度のＰ型であり得る。ドープ領域１０１ａは、収集される光キャリアの種類（つまり、正孔または電子）に依存して、Ｐ型ドーパントまたはＮ型ドーパントでドープされてもよい。一部の実施では、ドープ領域１０１ａは、熱拡散、イオン注入、または任意の他のドーピング処理によってドープされてもよい。
【００１２】
制御金属線１０６ａは、吸収された光子によって発生させられる電子または正孔の移動方向を制御するための制御信号ｃｓ１によって制御される。ドープ領域１０１ａがＮ型であると仮定すると、制御信号ｃｓ１は論理１にある。電界が制御金属線１０６ａからゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２へと発生させられる。電子は制御金属線１０６ａに向けて移動し、ドープ領域１０１ａによって収集される。逆に、ドープ領域１０１ａがＰ型である場合、正孔が代わりに収集される。代わりに、制御信号ｃｓ１が論理０にあるときにドープ領域１０１ａがＮ型であると仮定すると、異なる電界が制御金属線１０６ａからゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２へと発生させられる。電子は制御金属線１０６ａに向けて移動せず、そのためドープ領域１０１ａによって収集され得ない。逆に、ドープ領域１０１ａがＰ型である場合、正孔が代わりに収集されることもない。
【００１３】
図１Ａに示されている構造を用いると、目標物体（図１Ａには示されていない）によって反射され、光学窓ＷＤを通じて入る光学信号ＩＬは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２によって吸収でき、電子または正孔（ドープ領域１０１ａがＮ型であるかＰ型であるかに依存する）が制御信号ｃｓ１の断定に従ってコンデンサ１１０ａに向かって移動してコンデンサ１１０ａに保存されるように、電子正孔対を発生させることができる。吸収領域ＡＲは、光学窓ＷＤを通じて入ってくる光学信号ＩＬを受信する仮想領域である。光検出装置１００ａと目標物体（図１Ａには示されていない）との間に存在する距離のため、光学信号ＩＬは、送信機（図１Ａには示されていない）によって送信された、送信された光に対して位相遅れを有する。送信された光が変調信号によって変調され、電子正孔対が復調信号によって制御金属線１０６ａを通じて復調されるとき、コンデンサ１１０ａに保存されている電子または正孔は、距離に応じて変化させられる。そのため、光検出装置１００ａは、コンデンサ１１０ａにおける電圧ｖ１に基づいて距離情報を得ることができる。
【００１４】
図１Ａの実施形態は、距離情報を得るために１つの制御金属線１０６ａと１つの読み出し金属線１０８ａと使用するだけであるため、ワンタップ構造である。開示されている実施形態は、後で詳細に記載しているように、距離情報を得るために、２つ以上の制御線および読み出し線、ならびに多様な実施を用いることもできる。
【００１５】
図１Ｂは、一部の実施形態による光検出装置の断面図を示している。図１Ａの実施形態と比較して、図１Ｂにおける光検出装置１００ｂは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２における吸収された光子によって発生させられる電子または正孔の移動を制御するために、２つの制御金属線１０６ａ、１０６ｂを使用している。このような構造はツータップ構造と称されている。光検出装置１００ｂは制御金属線１０６ａ、１０６ｂと読み出し金属線１０８ａ、１０８ｂとを備える。制御金属線１０６ａ、１０６ｂと読み出し金属線１０８ａ、１０８ｂとは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２の表面１０２ｓに電気的に結合されている。この実施形態では、制御金属線１０６ａ、１０６ｂは表面１０２ｓにおける非ドープ領域１０５ａ、１０５ｂに電気的に結合されており、非ドープ領域１０５ａ、１０５ｂはドーパントを伴わない領域であり、読み出し金属線１０８ａ、１０８ｂは表面１０２ｓにおけるドープ領域１０１ａ、１０１ｂに電気的に結合されており、ドープ領域１０１ａ、１０１ｂはドーパントを伴う領域である。ドープ領域１０１ａ、１０１ｂはＰ型ドーパントまたはＮ型ドーパントでドープされ得る。
【００１６】
制御金属線１０６ａ、１０６ｂは、吸収された光子によって発生させられる電子または正孔の移動方向を制御するための制御信号ｃｓ１、ｃｓ２によってそれぞれ制御される。一部の実施では、制御信号ｃｓ１およびｃｓ２は異なる電圧信号である。一部の実施では、制御信号ｃｓ１およびｃｓ２の一方は一定の電圧信号（例えば、０．５Ｖ）であり、他方の制御信号は時間変化する電圧信号（例えば、０Ｖから１Ｖの間で動作させられる正弦波信号、クロック信号、またはパルス信号）である。
【００１７】
ドープ領域１０１ａ、１０１ｂはＮ型であり、制御信号ｃｓ１、ｃｓ２は、互いに対して１８０度の位相差を伴うクロック信号である。制御信号ｃｓ１が論理１にあり、制御信号ｃｓ２が論理０にあるとき、光検出装置１００ｂは、制御金属線１０６ａからゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２へと電界を発生させ、電子は、制御金属線１０６ａに向けて移動し、それからドープ領域１０１ａによって収集される。同様に、制御信号ｃｓ１が論理０にあり、制御信号ｃｓ２が論理１にあるとき、光検出装置１００ｂは、制御金属線１０６ｂからゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２へと電界を発生させ、電子は、制御金属線１０６ｂに向けて移動し、それからドープ領域１０１ｂによって収集される。逆に、ドープ領域１０１ａおよび１０１ｂがＰ型である場合、正孔が代わりに収集される。
【００１８】
このツータップ構造によれば、目標物体（図１Ｂには示されていない）によって反射される光学信号ＩＬは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２によって吸収でき、電子または正孔（ドープ領域１０１ａがＮ型およびＰ型であることに依存する）が制御信号ｃｓ１および制御信号ｃｓ２の断定に従ってコンデンサ１１０ａまたはコンデンサ１１０ｂに向かって移動してコンデンサ１１０ａまたはコンデンサ１１０ｂに保存されるように、電子正孔対を発生させる。光検出装置１００ｂと目標物体（図１Ｂには示されていない）との間に存在する距離のため、光学信号ＩＬは、送信機（図１Ｂには示されていない）によって送信された、送信された光に対して位相遅れを有する。送信された光が変調信号によって変調され、電子正孔対が復調信号によって制御金属線１０６ａおよび１０６ｂを通じて復調されるとき、コンデンサ１１０ａおよびコンデンサ１１０ｂに保存されている電子または正孔は、距離に応じて変化させられる。そのため、光検出装置１００ｂは、コンデンサ１１０ａにおける電圧ｖ１とコンデンサ１１０ｂにおける電圧ｖ２とに基づいて距離情報を得ることができる。一実施形態によれば、距離情報は、入力変数としての電圧ｖ１および電圧ｖ２との計算に基づいて導き出すことができる。一例について、パルス飛行時間構成では、電圧ｖ１および電圧ｖ２に関連する電圧比が入力変数として使用される。別の例について、連続波飛行時間構成では、電圧ｖ１および電圧ｖ２に関連する同相電圧および直交電圧が入力変数として使用される。
【００１９】
図１Ａにおける制御金属線１０６ａと、図１Ｂにおける制御金属線１０６ａ、１０６ｂとは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２の非ドープ領域に電気的に結合されている。他の実施形態では、後で記載しているように、特定の構造と制御金属線１０６ａ、１０６ｂとはドープ領域に電気的に結合される。
【００２０】
図１Ｃは、一部の実施形態による光検出装置の断面図を示している。図１Ａと同様に、光検出装置１００ｃは制御金属線１０６ａと読み出し金属線１０８ａとを備える。制御金属線１０６ａと読み出し金属線１０８ａとは両方とも、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２の表面１０２ｓに電気的に結合されている。この実施形態では、制御金属線１０６ａは表面１０２ｓにおけるドープ領域１０３ａに電気的に結合されており、ドープ領域１０３ａはドーパントを伴う領域であり、読み出し金属線１０８ａは表面１０２ｓにおけるドープ領域１０１ａに電気的に結合されており、ドープ領域１０１ａもドーパントを伴う領域である。この実施形態では、領域１０１ａおよび領域１０３ａは、異なる種類のドーパントでドープされている。例えば、ドープ領域１０１ａがＮ型ドーパントでドープされる場合、領域１０３ａはＰ型ドーパントでドープされ、ドープ領域１０１ａがＰ型ドーパントでドープされる場合、領域１０３ａはＮ型ドーパントでドープされる。
【００２１】
光検出装置１００ｃの動作は図１Ａの実施形態と同様である。制御金属線１０６ａは、電子または正孔をドープ領域１０３ａによって収集させるために、制御信号ｃｓ１に従って、吸収された光子によって発生させられる電子または正孔の移動方向を制御するために使用される。制御信号ｃｓ１を制御し、コンデンサ１１０ａにおける電圧ｖ１を読み取ることで、光検出装置１００ｃは、光検出装置１００ｃと目標物体（図１Ｃには示されていない）との間の距離情報を得ることができる。
【００２２】
図１Ｄは、一部の実施形態による光検出装置の断面図を示している。光検出装置１００ｂは制御金属線１０６ａ、１０６ｂと読み出し金属線１０８ａ、１０８ｂとを備える。制御金属線１０６ａ、１０６ｂと読み出し金属線１０８ａ、１０８ｂとは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２の表面１０２ｓに電気的に結合されている。この実施形態では、制御金属線１０６ａ、１０６ｂは表面１０２ｓにおけるドープ領域１０３ａ、１０３ｂにそれぞれ電気的に結合されており、ドープ領域１０３ａ、１０３ｂはドーパントを伴う領域である。読み出し金属線１０８ａ、１０８ｂは表面１０２ｓにおけるドープ領域１０１ａ、１０１ｂにそれぞれ電気的に結合されており、ドープ領域１０１ａ、１０１ｂはドーパントを伴う領域である。領域１０１ａ、１０１ｂ、１０３ａ、１０３ｂはＰ型ドーパントまたはＮ型ドーパントでドープされ得る。この実施形態では、ドープ領域１０１ａ、１０１ｂは同じ種類のドーパントでドープされており、ドープ領域１０３ａ、１０３ｂは同じ種類のドーパントでドープされている。しかしながら、ドープ領域１０１ａ、１０１ｂの種類はドープ領域１０３ａ、１０３ｂの種類と異なる。例えば、ドープ領域１０１ａ、１０１ｂがＮ型としてドープされる場合、ドープ領域１０３ａ、１０３ｂはＰ型としてドープされ、ドープ領域１０１ａ、１０１ｂがＰ型としてドープされる場合、ドープ領域１０３ａ、１０３ｂはＮ型としてドープされる。
【００２３】
光検出装置１００ｄの動作は図１Ｂの実施形態と同様である。制御金属線１０６ａ、１０６ｂは、電子または正孔をコンデンサ１１０ａまたはコンデンサ１１０ｂによって保存させるために、制御信号ｃｓ１、ｃｓ２に従って、吸収された光子によって発生させられる電子または正孔の移動方向を制御するために使用される。制御信号ｃｓ１、ｃｓ２を制御し、コンデンサ１１０ａ、１１０ｂにおける電圧ｖ１、ｖ２を読み取ることで、光検出装置１００ｄは、光検出装置１００ｄと目標物体（図１Ｄには示されていない）との間の距離情報を得ることができる。
【００２４】
図１Ｅは、一部の実施形態による光検出装置の断面図を示している。装置の動作は図１Ｄと同様であり、装置は、制御信号ｃｓ１、ｃｓ２を発生させ、コンデンサ１１０ａ、１１０ｂにおける電圧ｖ１、ｖ２を読み取ることを用いて、光検出装置１００ｄと目標物体（図１Ｅには示されていない）との間の距離情報を得ることができる。図１Ｄとの違いは、読み出し金属線１０８ａ、１０８ｂおよびドープ領域１０１ａ、１０１ｂが表面１０２ｓの反対の表面１０２ｓｓに配置されていることである。制御金属線１０６ａ、１０６ｂと読み出し金属線１０８ａ、１０８ｂとは鉛直方向で配置されるため、光検出装置１００ｅの水平領域は縮小させることができる。
【００２５】
図１Ｆは、一部の実施形態による光検出装置の断面図を示している。図１Ｅと比較して、図１Ｆにおける実施形態は、表面１０２ｓと反対の表面１０２ｓｓにおいてドープ領域１０１ａ、１０１ｂも配置しているが、読み出し金属線１０８ａ、１０８ｂは、半導体基板１０４ではなく表面１０２ｓに向けて延びている。このような配置は製作過程を単純化することができる。
【００２６】
一部の実施では、図１Ａ〜図１Ｆに示されている実施形態および以後における実施形態として、制御金属線１０６ａ、１０６ｂおよび表面１０２ｓは、ショットキー障壁を伴う金属−半導体接合（ＭＳ接合）として、または、金属と半導体との間における絶縁体として酸化物またはＨｉｇｈ−Ｋ誘電材料を導入することで金属−絶縁体−半導体コンデンサ（ＭＩＳコンデンサ）として作られてもよい。
【００２７】
図１Ａ〜図１Ｆに示された実施形態および以後における実施形態として、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２は、その断面視から矩形として作られているが、一部の実施では、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１０２は、その断面視から、逆さにされた台形または他のパターンとして作られてもよい。
【００２８】
本開示において図示されている光検出装置は、可視波長と比較して、より長い波長（例えば、ＮＩＲまたはＳＷＩＲの範囲）で動作できる飛行時間（ＴｏＦ）の用途で使用できる。波長は、８５０ｎｍ、９４０ｎｍ、１０５０ｎｍ、１０６４ｎｍ、１３１０ｎｍ、１３５０ｎｍ、または１５５０ｎｍなど、８００ｎｍ超であり得る。一方、装置／材料の実施者は、前述の波長において光を吸収するための光吸収材料として、内因性または外因性のいずれかで、１００％のゲルマニウム、または、所定の割合のゲルマニウム（例えば、８０％超のＧｅ）を伴う合金（例えばＧｅＳｉ）を設計／製作することができる。
【００２９】
本明細書における実施形態は、光検出装置が光学信号ＩＬを後側から吸収することを図示しているが、一部の実施では、光検出装置は、例えば２つの制御金属線１０６ａ、１０６ｂの間に光学窓ＷＤを作り出すことで、光学信号ＩＬを前側から吸収するように設計され得る。
【００３０】
図１Ａ〜図１Ｆに示されている実施形態は、一単位として供し、画素配列の各々の画素に適用できる単一の光検出器を備える。以下の記載は、図１Ａ〜図１Ｆに開示されているワンタップ構造またはツータップ構造のいずれかに基づかれる代替の実施形態である。以下の記載において、図１Ａ〜図１Ｆまでの１つまたは２つの実施形態が代表的な実施形態として選択され得る。当業者は、ツータップ構造をワンタップ構造で置き換えるなど、本明細書において開示されている構造を変更、改良、または組み合わせすることができる。
【００３１】
図２Ａは、一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図を示している。光検出装置２００ａは制御金属線２０６ａ、２０６ｂと読み出し金属線２０８ａ、２０８ｂとを備える。制御金属線２０６ａ、２０６ｂと読み出し金属線２０８ａ、２０８ｂとは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料２０２の表面２０２ｓに電気的に結合されている。制御金属線２０６ａ、２０６ｂは、表面２０２ｓにおけるＰ型領域２０３ａ、２０３ｂにそれぞれ電気的に連結されており、読み出し金属線２０８ａ、２０８ｂは、表面２０２ｓにおけるＮ型領域２０１ａ、２０１ｂにそれぞれ電気的に連結されている。一部の実施形態では、表面２０２ｓから延びるＰ型領域２０３ａ、２０３ｂの深さｄ１はＮ型領域２０１ａ、２０１ｂの深さｄ２より深く、ゲルマニウムに基づく光吸収材料２０２は低濃度のＮ型である。より深いＰ型領域２０３ａ、２０３ｂであれば、より大きい空乏領域が、より深いＰ型領域２０３ａ、２０３ｂとＮ型のゲルマニウムに基づく光吸収材料２０２との間に作り出され、これは、２つの異なる電圧が制御金属線２０６ａ、２０６ｂに印加され、それによって量子効率および復調コントラストを増加させるとき、電子をＮ型領域２０１ａ、２０１ｂに向けて移動させることができる。他の態様では、Ｐ型領域２０３ａ、２０３ｂの幅ｗ１、Ｎ型領域２０１ａ、２０１ｂの幅ｗ２、Ｐ型領域２０３ａ、２０３ｂのドーピング濃度、および／またはＮ型領域２０１ａ、２０１ｂのドーピング濃度は、空乏領域の面積を調節するためのパラメータでもある。
【００３２】
一部の実施形態では、Ｎ型のゲルマニウムに基づく光吸収材料２０２の本体を十分に空乏させるために、Ｎ型領域２０１ａ、２０１ｂおよび／またはＰ型領域２０３ａ、２０３ｂを通じて、その深さ、幅、またはドーピング濃度のいずれかを設計することができる。また、ゲルマニウムに基づく光吸収材料２０２の厚さもそれに応じて設計されるべきである。
【００３３】
図２Ｂは、一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図を示している。光検出装置２００ｂは、より浅いＰ型領域２０３ａ、２０３ｂで設計され得る。別の言い方をすれば、表面２０２ｓから延びるＰ型領域２０３ａ、２０３ｂの深さｄ１はＮ型領域２０１ａ、２０１ｂの深さｄ２より浅い。より浅いＰ型領域２０３ａ、２０３ｂを適用することで、Ｐ型領域２０３ａとＰ型領域２０３ｂとの間の漏れを低減することができる。
【００３４】
図２Ｃは、一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図を示している。光検出装置２００ｃの構造は光検出装置２００ａ、２００ｂと同様である。光検出装置２００ｃはバイアス電圧ｖｂ１を半導体基板２０４に印加する。このバイアス電圧ｖｂ１は、Ｎ型のゲルマニウムに基づく光吸収材料２０２とＰ型領域２０３ａ、２０３ｂとの間の接合にわたって逆バイアスを作り出すために印加される。結果として、Ｐ型領域２０３ａ、２０３ｂの下方の空乏領域が拡大され得る、または、さらに十分に空乏させられ得る。Ｐ型領域２０３ａ、２０３ｂの下方に発生させられるより大きい空乏領域のため、２つの異なる電圧が制御金属線２０６ａ、２０６ｂに印加され、したがって量子効率および復調コントラストを増加させるとき、電子をＮ型領域２０１ａ、２０１ｂに向けて移動させることができる。
【００３５】
図２Ｄは、一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図を示している。光検出装置２００ａ、２００ｂの構造と同様に、この実施形態は、ゲルマニウムに基づく光吸収材料２０２の内部の空乏領域を制御するために、バイアス電圧ｖｂ２をゲルマニウムに基づく光吸収材料２０２に印加する。明確には、バイアス電圧ｖｂ２は、Ｐ型領域２０３ａ、２０３ｂおよびＮ型のゲルマニウムに基づく光吸収材料２０２への逆バイアスであり、そのため、Ｐ型領域２０３ａ、２０３ｂを包囲する空乏領域を拡大することができる、または、十分に空乏させることさえできる。
【００３６】
ゲルマニウムに基づく光吸収材料２０２の内部にさらに大きい空乏領域を作り出すために、図２Ｅに示された実施形態が開示されている。光検出装置２００ｅはＮ型領域２０７ａ、２０７ｂを表面２０２ｓｓに備える。表面２０２ｓｓは表面２０２ｓの反対にある。Ｎ型領域２０７ａ、２０７ｂであれば、Ｐ型領域２０３ａとＮ型領域２０７ａとの間の空乏領域と、Ｐ型領域２０３ｂとＮ型領域２０７ｂとの間の空乏領域とが生成されるＰＮ接合が形成される。結果として、２つの異なる電圧が制御金属線２０６ａ、２０６ｂに印加されるとき、電界が吸収領域に作り出される。そのため、前記空乏領域／電界は、電子が移動する方向をＮ型領域２０１ａまたはＮ型領域２０１ｂのいずれかに向けて制御するために、制御信号ｃｓ１、ｃｓ２によって制御され得る。
【００３７】
図２Ｆは、一部の実施形態による、本体空乏モードでの光検出装置の断面図を示している。光検出装置２００ｆは、Ｐ型領域２０３ａ、２０３ｂの下方に位置付けられるより幅広なＮ型領域２０７を備える。同様に、Ｎ型領域２０７は、Ｐ型領域２０３ａ、２０３ｂを包囲する空乏領域の発生を高め、そのため量子効率および復調コントラストを増加させることができる。Ｎ型領域２０７の幅が設計可能であり、図２ＦにおけるＮ型領域２０７の幅が参照のために描写されていることは、留意されている。
【００３８】
図２Ｇおよび図２Ｈは、Ｎ型領域２０７をバイアスするための手法を示す代替の実施形態を示している。図２Ｇは、Ｎ型領域２０７をバイアスするためにシリコン貫通ビア（ＴＳＶ）２０４ｖを適用しており、図２Ｇは、Ｎ型領域２０７をバイアスするために、表面２０２ｓから延びるゲルマニウム貫通ビア２０２ｖを適用している。
【００３９】
図２Ａ〜図２Ｈは、Ｐ型領域２０３ａ、２０３ｂの深さを設計すること、バイアス電圧ｖｂ１、ｖｂ２を半導体基板２０４またはゲルマニウムに基づく光吸収材料２０２のいずれかに印加すること、Ｎ型領域２０７、２０７ａ、２０７ｂをゲルマニウムに基づく光吸収材料２０２の内部に追加することなどを含め、本体空乏モードを使用する様々な実施形態を示している。これらの手法は、吸収された光子から発生させられる電子のＮ型領域２０１ａまたはＮ型領域２０１ｂのいずれかに向けた移動を制御するために、Ｐ型領域２０３ａ、２０３ｂの下方または周囲に空乏領域を作り出す。
【００４０】
図３Ａ〜図３Ｂは、一部の実施形態による、ゲートされた本体空乏モードを伴う光検出装置の断面図を示している。図２Ａ〜図２Ｈに示された実施形態にさらに付け加えて、誘電のゲートされた本体空乏モードが図３Ａ〜図３Ｂに開示されている。光検出装置３００ａは制御金属線３０６ａ、３０６ｂと読み出し金属線３０８ａ、３０８ｂとを備える。制御金属線３０６ａ、３０６ｂと読み出し金属線３０８ａ、３０８ｂとは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料３０２の表面３０２ｓに電気的に結合されている。制御金属線３０６ａ、３０６ｂは、表面３０２ｓにおけるＰ型領域３０３ａ、３０３ｂにそれぞれ電気的に連結されており、読み出し金属線３０８ａ、３０８ｂは、表面３０２ｓにおけるＮ型領域３０１ａ、３０１ｂにそれぞれ電気的に連結されている。ゲルマニウムに基づく光吸収材料３０２は低濃度のＮ型である。さらに、光検出装置３００ａは、表面３０２ｓｓにおけるＮ型領域３０７と、ゲルマニウムに基づく光吸収材料３０２と半導体基板３０４との間に形成された誘電層３１２と、シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）３１４とを備える。一部の実施形態では、誘電層３１２は金属（ビア３１４）と半導体（ゲルマニウムに基づく光吸収材料３０２）との間に配置され、これはＭＯＳ状の構造を形成する。誘電層３１２がＮ型領域３０７とビア３１４との間に形成されていれば、電子がＮ型領域３０７へと流れてビア３１４を介して漏れるのを低減または防止することができる。
【００４１】
一部の代替の実施形態では、誘電層３１２は、半導体基板３０４全体にわたる連続した層である必要はなくてもよく、Ｎ型領域３０７の下方に位置付けられる異なる領域へとパターン化させることができる。誘電層３１２は、複数の種類、材料の層、合金、または化合物を含め、薄くてもよく、または、何らかの所定の厚さであってもよい。例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ｈｉｇｈ−Ｋ誘電材料、またはそれらの組み合わせである。
【００４２】
図３Ｂは、一部の実施形態による、ゲートされた本体空乏モードでの光検出装置の断面図を示している。この実施形態は、表面３０２ｓｓにＮ型領域３０７を有していないが、ボディバイアスｖｂ２およびｖｂ３を通じて空乏領域３０９ａ、３０９ｂを発生させる。ボディバイアスｖｂ２およびボディバイアスｖｂ３は、空乏領域３０９ａ、３０９ｂの大きさを制御するために一緒にかまたは個別に適用され得る。ボディバイアスｖｂ２の個別に適用された電圧とボディバイアスｖｂ３の個別に適用された電圧とは同じであってもよいし異なってもよい。
【００４３】
図３Ａまたは図３Ｂのいずれにおいても、これらの実施形態は、誘電層３１２をゲルマニウムに基づく光吸収材料３０２と半導体基板３０４との間に挿入しており、ゲルマニウムに基づく光吸収材料３０２の内部の電子移動方向を制御するように、制御信号ｃｓ１、ｃｓ２およびボディバイアスｖｂ２、ｖｂ３に従って、Ｐ型領域３０３ａ、３０３ｂの下方に空乏領域（例えば、図３Ｂにおける符号３０９ａ、３０９ｂ）を発生させる。誘電層３１２の挿入のため、電子がＮ型領域３０７（図３Ａ）および空乏領域３０９ａ、３０９ｂ（図３Ｂ）へと流れてビア３１４（図３Ａと図３Ｂとの両方）を通じて漏れるのを低減または防止することができる。
【００４４】
図４Ａは、一部の実施形態による、より小さい漏れ電流とより小さい暗電流とを伴う光検出装置の断面図を示している。光検出装置４００ａは制御金属線４０６ａ、４０６ｂと読み出し金属線４０８ａ、４０８ｂとを備える。制御金属線４０６ａ、４０６ｂと読み出し金属線４０８ａ、４０８ｂとは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料４０２の表面４０２ｓに電気的に結合されている。制御金属線４０６ａ、４０６ｂは、表面４０２ｓにおけるＰ型領域４０３ａ、４０３ｂにそれぞれ電気的に連結されており、読み出し金属線４０８ａ、４０８ｂは、表面４０２ｓにおけるＮ型領域４０１ａ、４０１ｂにそれぞれ電気的に連結されている。図４Ａにおける装置の動作は、先に開示されている実施形態と同様である。図４Ａの実施形態は、Ｐ型領域４０３ａ、４０３ｂを全部で包囲するＮウェル４１１ａ、４１１ｂを追加する。これは、Ｐ型領域４０３ａ、４０３ｂの間の漏れ電流を低減する効果を有し得る。代替の実施形態では、Ｎウェル４１１ａ、４１１ｂは、図４Ｂに示されているように、Ｐ型領域４０３ａ、４０３ｂを一部包囲して追加され得る。これもまた、Ｐ型領域４０３ａ、４０３ｂの間の漏れ電流を低減する効果を有する。
【００４５】
図４Ａおよび図４Ｂに示された実施形態にさらに付け加えて、Ｐウェルが追加されてもよい。図４Ｃの実施形態は、Ｎ型領域４０１ａ、４０１ｂを全部で包囲するＰウェル４５１ａ、４５１ｂを追加する。これは、Ｎ型領域４０１ａ、４０１ｂにおいて起こる暗電流を低減する効果を有し得る。代替の実施形態では、Ｐウェル４５１ａ、４５１ｂは、図４Ｄに示されているように、Ｎ型領域４０１ａ、４０１ｂを一部包囲して追加され得る。これもまた、Ｎ型領域４０１ａ、４０１ｂにおいて起こる暗電流を低減する効果を有する。
【００４６】
図４Ａ〜図４Ｄに示された実施形態は、漏れ電流および暗電流を低減するために、ＮウェルおよびＰウェルをそれぞれ適用している。当業者は、設計要件に依存して、Ｎウェル４１１ａ、４１１ｂおよび／またはＰウェル４５１ａ、４５１ｂのパターンを変更または改良することができる。例えば、Ｎウェル４１１ａは、Ｐ型領域４０３ａを非対称の方法（例えば、Ｎウェル４１１ａの左手側の幅がＮウェル４１１ａの右手側の幅より広い）において全部で包囲して設計され得る。同様に、Ｎウェル４１１ｂは、Ｐ型領域４０３ｂを非対称の方法（例えば、Ｎウェル４１１ｂの右手側の幅がＮウェル４１１ｂの左手側の幅より広い）において全部で包囲して設計され得る。同様または改良の実施がＰウェル４５１ａ、４５１ｂに適用されてもよい。
【００４７】
図５は、一部の実施形態による、保護層を伴う光検出装置の断面図を示している。光検出装置５００ａは制御金属線５０６ａ、５０６ｂと読み出し金属線５０８ａ、５０８ｂとを備える。制御金属線５０６ａ、５０６ｂと読み出し金属線５０８ａ、５０８ｂとは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料５０２の表面５０２ｓに電気的に結合されている。制御金属線５０６ａ、５０６ｂは、表面５０２ｓにおけるＰ型領域５０３ａ、５０３ｂにそれぞれ電気的に連結されており、読み出し金属線５０８ａ、５０８ｂは、表面５０２ｓにおけるＮ型領域５０１ａ、５０１ｂにそれぞれ電気的に連結されている。図５の実施形態は、表面５０２ｓにわたって保護層５１４（例えば、アモルフォス−シリコン（ａ−Ｓｉ）、ＧｅＯｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２）を加え、読み出し金属線５０８ａとＮ型領域５０１ａとの間の連結部にシリサイド（例えば、ＮｉＳｉ２、ＣｏＳｉ２）５１３ａを加え、読み出し金属線５０８ｂとＮ型領域５０１ｂとの間の連結部にシリサイド５１３ｂを加え、制御金属線５０６ａとＰ型領域５０３ａとの間の連結部にシリサイド５１５ａを加え、制御金属線５０６ｂとＰ型領域５０３ｂとの間の連結部にシリサイド５１５ｂを加えている。
【００４８】
この実施形態によれば、ゲルマニウムに基づく光吸収材料５０２にわたる保護層５１４を形成することは、表面５０２ｓにおけるダングリングボンドを終結させ、そのため暗電流を低減させることができる。他方で、シリサイド（例えば、ＮｉＳｉ２、ＣｏＳｉ２）を追加することは、金属と半導体との間の接触または接合の抵抗を低減させることもでき、これは電圧降下を低減し、そのため電力消費を低減させる。
【００４９】
図６Ａは、一部の実施形態による、ブーストされた電荷移動速度での光検出装置の断面図を示している。光検出装置６００ａは制御金属線６０６ａ、６０６ｂと読み出し金属線６０８ａ、６０８ｂとを備える。制御金属線６０６ａ、６０６ｂと読み出し金属線６０８ａ、６０８ｂとは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料６０２の表面６０２ｓに電気的に結合されている。制御金属線６０６ａ、６０６ｂは、表面６０２ｓにおけるＰ型領域６０３ａ、６０３ｂにそれぞれ電気的に連結されており、読み出し金属線６０８ａ、６０８ｂは、表面６０２ｓにおけるＮ型領域６０１ａ、６０１ｂにそれぞれ電気的に連結されている。図６Ａの実施形態は、Ｎ型領域６１７を表面６０２ｓに追加し、Ｐ型領域６１９を表面６０２ｓｓに追加している。Ｎ型領域６１７およびＰ型領域６１９は、ゲルマニウムに基づく光吸収材料６０２の中心に実質的に形成され、この中心は光学信号ＩＬが通過できる場所である。Ｎ型領域６１７とＰ型領域６１９とはＰＮ接合として集合的に形成されているため、Ｎ型領域６１７とＰ型領域６１９との間に、内蔵された鉛直な電界が確立され、これは、吸収された光子によって発生させられた電子正孔対を分離することを助けることができ、電子はＮ型領域６１７に向けて移動しようとし、正孔はＰ型領域６１９に向けて移動しようとする。Ｎ型領域６１７は電子を収集するように動作させられ、Ｐ型領域６１９は正孔を収集するように動作させられる。Ｎ型領域６１７に保存された電子は、制御信号ｃｓ１、ｃｓ２に従って、Ｎ型領域６０１ａまたはＮ型領域６０１ｂへと移動させられ得る。特に、金属線６１０は、光検出装置６００ａの動作に依存して、浮動し得るか、または、バイアス電圧ｃａ１によってバイアスさせられ得る。一実施では、Ｎ型領域６０１ａ、６０１ｂのドーピング濃度はＮ型領域６１７のドーピング濃度より高い。
【００５０】
図６Ｂは、一部の実施形態による、ブーストされた電荷移動速度での光検出装置の断面図を示している。この実施形態は光検出装置６００ａと同様である。違いは、Ｐ型領域６１９がシリコンビア６０４ｖを通じてバイアスされ得ることであり、Ｐ型領域６１９において収集された正孔は、シリコンビア６０４ｖにおけるバイアス電圧ｃａ２によってバイアスされるシリコンビア６０４ｖを通じて放出できる。
【００５１】
図６Ｃは、一部の実施形態による、ブーストされた電荷移動速度での光検出装置の断面図を示している。図６Ｃの実施形態は光検出装置６００ｂと同様である。違いは、Ｐ型領域６１９が、ゲルマニウムに基づく光吸収材料６０２の下方においてゲルマニウムに基づく光吸収材料６０２を包囲するＵ字形または井戸形として形成されていることである。また、このＰ型領域６１９はバイアス電圧ｃａ２に電気的に結合されている。そのため、光発生正孔はＰ型領域６１９によって収集および放出され得る。
【００５２】
図７Ａは、一部の実施形態による、表面空乏モードでの光検出装置の断面図を示している。光検出装置７００ａは制御金属線７０６ａ、７０６ｂと読み出し金属線７０８ａ、７０８ｂとを備える。制御金属線７０６ａ、７０６ｂと読み出し金属線７０８ａ、７０８ｂとは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料７０２の表面７０２ｓに電気的に結合されている。制御金属線７０６ａ、７０６ｂは、表面７０２ｓにおけるＰ型領域７０３ａ、７０３ｂにそれぞれ電気的に連結されており、読み出し金属線７０８ａ、７０８ｂは、表面７０２ｓにおけるＮ型領域７０１ａ、７０１ｂにそれぞれ電気的に連結されている。この実施形態は、表面７０２ｓに中間層誘電体ＩＬＤを形成しており、中間層誘電体ＩＬＤに金属７２１、７１６ａ、７１６ｂ、７１８ａ、７１８ｂを形成している。これらの金属７２１、７１６ａ、７１６ｂ、７１８ａ、７１８ｂは、空乏領域７２１ｄ、７１６ａｄ、７１６ｂｄ、７１８ａｄ、７１８ｂｄを発生させるようにバイアスされ得る。金属７２１、７１６ａ、７１６ｂ、７１８ａ、７１８ｂに印加されたバイアスは、異なっても同じでもよい、または、金属７２１、７１６ａ、７１６ｂ、７１８ａ、７１８ｂの一部を浮動させてもよい。
【００５３】
空乏領域７１２ｄはＰ型領域７０３ａとＰ型領域７０３ｂとの間の暗電流を低減させることができる。空乏領域７１６ａｄはＰ型領域７０３ａとＮ型領域７０１ａとの間の暗電流を低減させることができる。空乏領域７１６ｂｄはＰ型領域７０３ｂとＮ型領域７０１ｂとの間の暗電流を低減させることができる。空乏領域７１８ａはＮ型領域７０１ａと別の画素（図７Ａでは示されていない）との間の暗電流を低減させることができる。空乏領域７１８ｂはＮ型領域７０１ｂと別の画素（図７Ａでは示されていない）との間の暗電流を低減させることができる。そのため、これらの表面空乏領域を形成することによって、電力消費およびノイズ発生が低減され得る。
【００５４】
前述したように、金属７２１、７１６ａ、７１６ｂ、７１８ａ、７１８ｂは、空乏領域７２１ｄ、７１６ａｄ、７１６ｂｄ、７１８ａｄ、および７１８ｂｄを発生させるようにバイアスされ得る。他の用途では、金属７２１、７１６ａ、７１６ｂ、７１８ａ、７１８ｂは、対応する領域７２１ｄ、７１６ａｄ、７１６ｂｄ、７１８ａｄ、７１８ｂｄを、空乏以外に、蓄積または反転させるためにバイアスされ得る。
【００５５】
漏れ低減に加えて、金属７２１、７１６ａ、７１６ｂ、７１８ａ、７１８ｂは、残留の光学信号ＩＬをゲルマニウムに基づく光吸収材料７０２へと反射させ、それによって電子正孔対へと変換させることができる。これらの金属７２１、７１６ａ、７１６ｂ、７１８ａ、７１８ｂは、完全に吸収されず、ゲルマニウムに基づく光吸収材料７０２によって変換されない光を、再度の吸収のためにゲルマニウムに基づく光吸収材料７０２へと戻すように反射する鏡のように供する。これは、全体の吸収効率を増加させ、そのためシステム性能を増加させる。
【００５６】
さらに、本開示の代替の実施形態が図７Ｂに示されている。図７Ａと比較して、この実施形態は、図７Ｂに示されているように、偏極された誘導体７２１ｅ、７１６ａｅ、７１６ｂｅ、７１８ａｅ、７１８ｂｅ（例えば、ＨｆＯ２）を追加している。偏極された誘導体７２１ｃ、７１６ａｅ、７１６ｂｅ、７１８ａｅ、７１８ｂｅに存在する双極子があるため、空乏／蓄積／反転の領域７２１ｄ、７１６ａｄ、７１６ｂｄ、７１８ａｄ、７１８ｂｄは、小さいバイアスで金属７２１、７１６ａ、７１６ｂ、７１８ａ、７１８ｂをバイアスしないかまたはバイアスして発生させられ得る。
【００５７】
図７Ｃは光検出装置７００ｂの平面図を示している。金属７２１、７１６ａ、７１６ｂ、７１８ａ、７１８ｂおよび偏極された誘導体７２１ｃ、７１６ａｅ、７１６ｂｅ、７１８ａｅ、７１８ｂｅは任意選択で形成され得ることは、留意されている。装置の実施者は、これらの要素を含むように、または、異なる筋書きに基づかれることなく、光検出装置を設計できる。さらに、図７Ｃに示されているように鉛直方向において金属および偏極された誘導体を追加することに加えて、金属７２３ａ、７２３ｂと、偏極された誘導体７２５ａ、７２５ｂとが水平方向において追加されている、図７Ｄに示されているような代替の実施形態もある。
【００５８】
図８Ａは、一部の実施形態による、表面イオン注入を伴う光検出装置の断面図を示している。光検出装置８００ａは制御金属線８０６ａ、８０６ｂと読み出し金属線８０８ａ、８０８ｂとを備える。制御金属線８０６ａ、８０６ｂと読み出し金属線８０８ａ、８０８ｂとは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料８０２の表面８０２ｓに電気的に結合されている。制御金属線８０６ａ、８０６ｂは、表面８０２ｓにおけるＰ型領域８０３ａ、８０３ｂにそれぞれ電気的に連結されており、読み出し金属線８０８ａ、８０８ｂは、表面８０２ｓにおけるＮ型領域８０１ａ、８０１ｂにそれぞれ電気的に連結されている。漏れ電流の表面の抑制のために大きな表面抵抗を持たせるために、この実施形態は、中性イオン埋め込みを表面処理として利用している。この図に示されているように、イオン処理領域８２９、８３１ａ、８３１ｂ、８３３ａ、８３３ｂはイオン埋め込みされており（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｈ２）、加速されたイオンが物質と衝突し、埋め込みの領域における原子の周期性または結晶構造に損傷を与える。原子の空乏およびインタースティシャルなどの格子損傷は、電子殻の働きによって見られる周期ポテンシャルを破壊し、そのため電子／正孔はより高い散乱される可能性を得る。この効果はより小さい移動度をもたらし、ひいてはより大きい抵抗をもたらす。
【００５９】
図８Ｂは、一部の実施形態による、表面イオン注入を伴う光検出装置８００ａの平面図を示している。図に示されているように、イオン処理領域８２９、８３１ａ、８３１ｂ、８３３ａ、８３３ｂは、ドープ領域８０１ａ、８０１ｂ、８０３ａ、８０３ｂの間で鉛直に形成されている。一部の実施では、イオン処理された領域は他の場所に形成されてもよく、そのため本実施形態は、限定とはならず参考である。
【００６０】
図９Ａは、画素同士の隔離を伴う光検出装置の断面図を示している。光検出装置９００ａは制御金属線９０６ａ、９０６ｂと読み出し金属線９０８ａ、９０８ｂとを備える。制御金属線９０６ａ、９０６ｂと読み出し金属線９０８ａ、９０８ｂとは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料９０２の表面９０２ｓに電気的に結合されている。制御金属線９０６ａ、９０６ｂは、表面９０２ｓにおけるＰ型領域９０３ａ、９０３ｂにそれぞれ電気的に連結されており、読み出し金属線９０８ａ、９０８ｂは、表面９０２ｓにおけるＮ型領域９０１ａ、９０１ｂにそれぞれ電気的に連結されている。この実施形態は、ゲルマニウムに基づく光吸収材料９０２を包囲する輪として形成されている隔離領域９２４を備える。一実施では、隔離領域９２４はＮ型領域である。これは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料９０２、半導体基板９０４、および他の要因の種類に依存し、隔離領域９２４はＰ型領域によって実施され得る。この隔離領域９２４があれば、光検出装置９００ａは、近くの装置へのクロストーク信号および／または電力を低減する効果を有する。
【００６１】
図９Ｂは、画素同士の隔離を伴う光検出装置９００ｂの平面図を示している。図に示されているように、隔離領域９２４は環全体を形成している。他の実施では、隔離領域９２４は断片化または不連続とされ得る。
【００６２】
図９Ｃは、画素同士の隔離を伴う光検出装置の断面図を示している。光検出装置９００ｃは、追加的な細くて浅い隔離領域９２４ａを隔離領域９２４の内部に形成している。隔離領域９２４のドーピング濃度と隔離領域９２４ａのドーピング濃度とは異なる。これは、表面伝導経路を通じてのクロストークを防止するために適用され得る。
【００６３】
図９Ｄは、画素同士の隔離を伴う光検出装置の断面図を示している。光検出装置９００ｄは、隔離領域９２４ａから半導体基板９０４の底面へと延びる追加的なトレンチ隔離領域９２４ｂを形成している。トレンチ隔離領域９２４ｂは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料９０２と隣接する装置との間の電気経路を遮断する酸化物トレンチであり得る。
【００６４】
図９Ｅは、画素同士の隔離を伴う光検出装置の断面図を示している。光検出装置９００ｅは、半導体基板９０４の上面から半導体基板９０４の底面へと延びるトレンチ隔離領域９２４ｂを形成している。トレンチ隔離領域９２４ｂは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料９０２と隣接する装置との間の電気経路を遮断する酸化物トレンチであり得る。
【００６５】
図１０Ａは、一部の実施形態による光検出装置の断面図を示している。図１０Ａの実施形態は、上記の実施形態からの要素を備えて組み合わせている。光検出装置１０００ａは制御金属線１００６ａ、１００６ｂと読み出し金属線１００８ａ、１００８ｂとを備える。制御金属線１００６ａ、１００６ｂと読み出し金属線１００８ａ、１００８ｂとは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１００２の表面１００２ｓに電気的に結合されている。制御金属線１００６ａ、１００６ｂは表面１００２ｓにおけるＰ型領域１００３ａ、１００３ｂにそれぞれ電気的に結合されている。読み出し金属線１００８ａ、１００８ｂは表面１００２ｓにおけるＮ型領域１００１ａ、１００１ｂにそれぞれ電気的に結合されている。同様に、光検出装置１０００ａは、光学信号ＩＬによって距離情報を得ることができる。明確には、光学信号ＩＬは、吸収領域ＡＲに入るとき、電子正孔対へと変換されてから、Ｐ型領域１００３ａ、１００３ｂの間で発生させられる電界によって分離される。電子は、制御信号ｃｓ１、ｃｓ２に従って、Ｎ型領域１００１ａまたはＮ型領域１００１ｂのいずれかに向けて移動できる。一部の実施では、制御信号ｃｓ１およびｃｓ２は異なる電圧信号である。一部の実施では、制御信号ｃｓ１およびｃｓ２の一方は一定の電圧信号（例えば、０．５Ｖ）であり、他方の制御信号は時間変化する電圧信号（例えば、０Ｖから１Ｖの間での正弦波信号、クロック信号、またはパルス信号）である。光検出装置１０００ａと目標物体（図１０Ａには示されていない）との間に存在する距離のため、光学信号ＩＬは、送信機（図１０Ａには示されていない）によって送信された、送信された光に対して位相遅れを有する。送信された光は変調信号によって変調され、電子正孔対は別の復調信号によって制御金属線１００６ａおよび１００６ｂを通じて復調される。コンデンサ１０１０ａおよびコンデンサ１０１０ｂに保存されている電子または正孔は、距離に応じて変化させられる。そのため、光検出装置１０００ａは、コンデンサ１０１０ａにおける電圧ｖ１とコンデンサ１０１０ｂにおける電圧ｖ２とに基づいて距離情報を得ることができる。一実施形態によれば、距離情報は、入力変数としての電圧ｖ１および電圧ｖ２との計算に基づいて導き出すことができる。一例について、パルス飛行時間構成では、電圧ｖ１および電圧ｖ２に関連する電圧比が入力変数として使用される。別の例について、連続波飛行時間構成では、電圧ｖ１および電圧ｖ２に関連する同相電圧および直交電圧が入力変数として使用される。
【００６６】
距離を検出することに加えて、光検出装置１０００ａは、Ｎ型領域１００１ａ、１００１ｂおよびＰ型領域１００３ａ、１００３ｂについて異なる深さ設計を含み、Ｐ型領域１００３ａとＰ型領域１００３ｂとの間の漏れ電流を低減することができるＮウェル１０１１ａ、１０１１ｂも追加している。第二に、光検出装置１０００ａは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１００２を覆うウェル形のＰ型領域１０１９を備え、Ｐ型領域１０１９はバイアス電圧ｃａ２を通じて正孔を収集および放出できる。第三に、光検出装置１０００ａは、表面１００２ｓを、表面１００２ｓに存在する欠陥へと処理するために、保護層１０１４と中間層誘導体ＩＬＤとを備える。第四に、光検出装置１０００ａは、表面１００２ｓにおける空乏、反転、または蓄積を発生させるためにバイアスされてもされなくてもよい金属１０２１を備える。さらに、金属１０２１は、残留の光学信号ＩＬを電子正孔対へと変換されるようにゲルマニウムに基づく光吸収材料１００２へと戻すように反射するための鏡として使用され得る。第五に、光検出装置１０００ａは、電圧降下を低減するためにシリサイド１０１３ａ、１０１３ｂ、１０１５ａ、１０１５ｂを加えている。第六に、光検出装置１０００ａは、材料をドーピングするか酸化物を絶縁するかのいずれかによって実施される隔離領域１０２４を追加できる。隔離領域１０２４はバイアス電圧ｃａ３に電気的に結合され得る。一部の実施では、隔離領域１０２４とＰ型領域１０１９とは金属層によって電気的に一緒に結合でき、金属層は、浮動とされたままであるか、または、電圧減に電気的に結合されている。
【００６７】
図１０Ｂは、一部の実施形態による光検出装置の断面図を示している。光検出装置１０００ｂの構造は光検出装置１０００ａと同様である。違いは、図１０Ｂにおける制御金属線１００６ａ、１００６ｂが非ドープ領域１００５ａ、１００５ｂに電気的に結合されていることである。
【００６８】
さらに、前述の実施形態が光学信号ＩＬを吸収するためにゲルマニウムに基づく光吸収材料１００２を使用しているが、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１００２のない実施形態が実施されてもよい。図１０Ｃに示されているように、光検出装置１０００ｃは半導体基板１００４を光吸収材料として使用できる。一部の実施では、半導体基板１００４は、シリコン、シリコン−ゲルマニウム、ゲルマニウム、またはＩＩＩ−Ｖ族化合物であり得る。加えて、図１０Ｄに示されている実施形態のように、Ｐ型領域１００３ａ、１００３ｂおよびＮウェル１０１１ａ、１０１１ｂが半導体基板１００４の表面１００２ｓに加えられてもよい。
【００６９】
光検出装置１０００ａ、１０００ｂ、１０００ｃ、および１０００ｄは、先に開示されている実施形態（図１Ａ〜図９Ｅ）からの可能な組み合わせを示すために図示されている。装置の実施者は、他の光検出装置を実施するために２つ以上の上記の実施形態を任意で組み合わせることができ、数々の組み合わせが実施され得ることを理解されたい。
【００７０】
実施形態に示されたドープ領域についてのドーピング濃度が適切に設計され得ることは、留意されている。図１０Ａの実施形態を例として挙げると、Ｎ型領域１００１ａ、１００１ｂのドーピング濃度とＰ型領域１００３ａ、１００３ｂのドーピング濃度とは異なる可能性がある。一実施では、Ｐ型領域１００３ａ、１００３ｂは低濃度でドープされ、Ｎ型領域１００１ａ、１００１ｂは高濃度でドープされる。概して、低濃度でドープすることについてのドーピング濃度は１０１６／ｃｍ３以下から１０１８／ｃｍ３までの範囲であり、高濃度でドープすることについてのドーピング濃度は１０１８／ｃｍ３から１０２０／ｃｍ３以上までの範囲であり得る。ドーピング濃度の調節を通じて、ショットキー接触が制御金属線１００６ａ、１００６ｂとＰ型領域１００３ａ、１００３ｂとの間にそれぞれ形成でき、オーム接触が読み出し金属線１００８ａ、１００８ｂとＮ型領域１００１ａ、１００１ｂとの間にそれぞれ形成され得る。この筋書きにおいて、制御金属線１００６ａ、１００６ｂとＰ型領域１００３ａ、１００３ｂとの間の抵抗は、読み出し金属線１００８ａ、１００８ｂとＮ型領域１００１ａ、１００１ｂとの間の抵抗より大きい。
【００７１】
他方で、それらのドープ領域についてのドープの種類は異なる方法で実施されてもよい。例として図１０Ａの実施形態を挙げると、Ｐ型領域１００３ａ、１００３ｂは、Ｎ型ドーパントでドープされる場合、Ｎ型によって置き換えられ得る。同様に、Ｎ型領域１００１ａ、１００１ｂは、Ｐ型ドーパントでドープされる場合、Ｐ型によって置き換えられ得る。そのため、ドープ領域１００１ａ、１００１ｂ、１００３ａ、および１００３ｂがすべて同じ種類のドーパントでドープされる実施形態を実施することが可能である。
【００７２】
一部の実施形態による光検出装置の平面図を示している図１１Ａを参照されたい。光検出装置１１００ａは、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１１０２における制御金属線１１０６ａ、１１０６ｂ、読み出し金属線１１０８ａ、１１０８ｂ、Ｎ型領域１００１ａ、１００１ｂ、およびＰ型領域１００３ａ、１００３ｂについてのレイアウト位置を含む。この実施形態では、制御金属線１１０６ａ、１１０６ｂは軸、Ｘ軸上に位置決めされているが、読み出し金属線１１０８ａ、１１０８ｂは軸、Ｘ軸上に位置決めされていない。この実施形態では、４つの端子が同じ軸上になく、これは光検出装置１１００ａの面積を縮小させることができる。各々の要素の間の幾何学的関係が図１１Ａに示されている。
【００７３】
図１１Ｂは、一部の実施形態による光検出装置の平面図を示している。図１１Ａと比較して、制御金属線１１０６ａ、１１０６ｂは軸、Ｘ軸上に位置決めされていないが、軸、Ｘ軸に対して垂直の方向において読み出し金属線１１０８ａ、１１０８ｂとそれぞれ並べられている。同様に、各々の要素の間の幾何学的関係が図１１Ｂに示されている。
【００７４】
図１１Ｃは、一部の実施形態による光検出装置の平面図を示している。制御金属線１１０６ａ、１１０６ｂは、吸収領域ＡＲの上方で、光学窓ＷＤにおける対角線方向において互いと反対に形成されている。読み出し金属線１１０８ａ、１１０８ｂは軸、Ｘ軸上に形成されている。
【００７５】
図１１Ｄは、一部の実施形態による光検出装置の平面図を示している。図１１Ｄにおける光検出装置は、図１１Ｃにおける光検出装置と同様であるが、ゲルマニウムに基づく光吸収材料１１０２は、軸、Ｘ軸がゲルマニウムに基づく光吸収材料１１０２における対角線方向になるように回転させられている。これは光検出装置の全体の面積を縮小もする。
【００７６】
図１１Ｅは、一部の実施形態による光検出装置の平面図を示している。この実施形態と先の実施形態との間の違いは、光学窓ＷＤが八角形として設計され得ることである。光学窓ＷＤは他の形（例えば、円および六角形など）としても設計され得る。
【００７７】
図１１Ａ〜図１１Ｄは、制御金属線１１０６ａ、１１０６ｂ、読み出し金属線１１０８ａ、１１０８ｂ、Ｎ型領域１００１ａ、１００１ｂ、およびＰ型領域１００３ａ、１００３ｂについてレイアウト位置を調節したいくつかの実施形態を示している。実施者は、チップの面積を縮小および最小化するためにこれらの要素の異なる幾何学的関係を設計することもできる。これらの代替の実施形態は、限定ではなく、参考として示されている。
【００７８】
先に記載されている光検出装置は単一の光検出器を実施形態として使用しており、これは単一の画素の用途のためである。以下に記載されている光検出装置は、複数の画素の用途（例えば、画像画素配列または画像センサ）のための実施形態である。
【００７９】
一部の実施では、光検出装置は、例えば、同じもしくは異なる波長を伴う、同じもしくは異なる変調を伴う、または、異なる時間フレームで動作させられるといった、同じまたは異なる光学信号を受信するように設計され得る。
【００８０】
図１２Ａを参照されたい。光検出装置１２００ａは、例として４つの画素１２０２１、１２０２２、１２０２３、１２０２４を含む画素配列を備える。各々の画素は、本明細書に記載されている実施形態による光検出器である。一実施形態では、光学波長λ１を含む光学信号ＩＬがこの配列における画素１２０２１、１２０２４によって受信され、光学波長λ２を含む光学信号ＩＬがこの配列における画素１２０２２、１２０２３によって受信される。代替の実施形態では、１つだけの光学波長λであるが、複数の変調周波数ｆｍｏｄ１およびｆｍｏｄ２（または、さらに多く）を有する。例えば、画素１２０２１、１２０２４には、変調周波数ｆｍｏｄ１が適用されて光学信号ＩＬにおけるこの周波数成分を復調し、画素１２０２２、１２０２３には、変調周波数ｆｍｏｄ２が適用されて光学信号ＩＬにおけるこの周波数成分を復調する。代替の実施形態では、同様に、１つだけの光学波長λであるが、複数の変調周波数ｆｍｏｄ１およびｆｍｏｄ２（または、さらに多く）を有する。しかしながら、時間ｔ１において、配列における画素は変調周波数ｆｍｏｄ１によって駆動されて光学信号におけるこの周波数成分を復調するが、別の時間ｔ２において、配列における画素は変調周波数ｆｍｏｄ２によって駆動されて光学信号ＩＬにおけるこの周波数成分を復調し、したがって、画素配列１２００ａは時間多重化モードにおいて動作させられる。
【００８１】
代替の実施形態では、光学波長λ１およびλ２は、ｆｍｏｄ１およびｆｍｏｄ２によってそれぞれ変調され、次に画素配列１２００ａによって収集される。時間ｔ１において、画素配列１２００ａはλ１において光学信号を復調するようにｆｍｏｄ１で動作させられ、一方時間ｔ２において、画素配列１２００ａはλ２において光学信号を復調するようにｆｍｏｄ２で動作させられる。代替の実施形態では、光学波長λ１およびλ２を伴う光学信号ＩＬがｆｍｏｄ１およびｆｍｏｄ１によってそれぞれ変調され、入ってくる変調光学信号ＩＬを同時に復調するために、画素１２０２１、１２０２４がｆｍｏｄ１よって駆動される一方で画素１２０２２、１２０２３がｆｍｏｄ２よって駆動される。当業者は、光学波長、変調スキーム、および時間分割の他の組み合わせが実施され得ることを容易に認識するものである。
【００８２】
図１２Ｂを参照されたい。光検出装置１２００ｂは４つの画素１２０２１、１２０２２、１２０２３、１２０２４を含む。各々の画素は光検出器であり、先に記載されている実施形態を使用できる。図１２Ａで示されたレイアウトに加えて、画素１２０２１、１２０２２、１２０２３、１２０２４は、各々の画素の幅および長さが隣接する画素の幅および長さに対して垂直な方向で配置されている図１２Ｂに示されているような互い違いのレイアウトで配置できる。
【００８３】
図１３Ａは、一部の実施形態による、位相変化を伴う変調スキームを用いる光検出装置１３００ａのブロック図である。光検出装置１３００ａは、目標物体１３１０との距離情報を検出することができる間接的な飛行時間に基づく深さ画像センサである。光検出装置１３００ａは、画素配列１３０２と、レーザーダイオードドライバ１３０４と、レーザーダイオード１３０６と、クロックドライバ１３０８１、１３０８２を含むクロック駆動回路１３０８とを備える。画素配列１３０２は、本明細書に開示されている実施形態による複数の光検出器を備えている。概して、センサチップは、１）送信された光学信号をレーザーダイオードドライバ１３０４によって変調するため、および、２）受信／吸収した光学信号を画素配列１３０２によって復調するために、クロック信号を生成して送り出す。深さ情報を得るために、画素配列全体におけるすべての光検出器は、同じクロックを参照することで復調され、これは、時系列において、例えば０°、９０°、１８０°、および２７０°といった可能な４つの直交位相へ変化し、送信機側において位相変化はない。しかしながら、この実施形態では、４つの直交位相の変化は送信機側において実施され、以下において説明されているように、受信側において位相変化はない。
【００８４】
クロックドライバ１３０８１、１３０８２によってそれぞれ生成されるクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のタイミング図を描写している図１３Ｂを参照されたい。クロック信号ＣＬＫ１は、例えば０°、９０°、１８０°、および２７０°といった４つの直交位相変化を伴う復調信号であり、クロック信号ＣＬＫ２は、位相変化のない復調信号である。明確には、クロック信号ＣＬＫ１は、レーザーダイオード１３０６が変調されて送信された光ＴＬを生成することができるようにレーザーダイオードドライバ１３０４を駆動する。クロック信号ＣＬＫ２およびその反転した信号ＣＬＫ２’（図１３Ｂには示されていない）は、復調のために、制御信号ｃｓ１および制御信号ｃｓ２（上記の実施形態に示されている）として使用されている。別の言い方をすれば、この実施形態における制御信号ｃｓ１と制御信号ｃｓ２とは異なる信号である。この実施形態は、寄生抵抗−容量誘導メモリ効果のため、画像センサに固有の可及的な時間干渉性を回避することができる。
【００８５】
図１３Ｃおよび図１３Ｄを参照されたい。図１３Ａと比較して、光検出装置１３００ｃは、受信側において２つの復調スキームを用いている。画素配列１３０２は、第１の画素配列１３０２ａと第２の画素配列１３０２ｂとの２つの部分を含む。第１の画素配列１３０２ａに適用される第１の復調スキームと、第２の画素配列１３０２ｂに適用される第２の復調スキームとは、時系列において異なる。例えば、第１の画素配列１３０２ａには、時系列における位相変化が０°、９０°、１８０°、および２７０°である第１の復調スキームが適用される。第２の画素配列１３０２ｂには、時系列における位相変化が９０°、１８０°、２７０°、および０°である第２の復調スキームが適用される。正味の効果は、第１の画素配列１３０２ａにおける位相変化が第２の画素配列１３０２ｂにおける位相変化に対して直交する位相にある一方で、送信側には位相変化がないことである。この動作は、復調波形が理想的な方形波でない場合、電力供給から引き出される最大瞬間電流を低減することができる。
【００８６】
光検出装置１３００ｃを使用する変調スキームを示している図１３Ｅを参照されたい。図１３Ｄと比較して、この実施形態は位相変化を送信側に適用しているが、２つの異なる一定の位相を２つの異なる画素配列１３０２ａ、１３０２ｂに設定していることを除いて、位相変化を受信側において２つの異なる画素配列１３０２ａ、１３０２ｂに適用しておらず、２つの異なる一定の位相は互いに対して直交する位相である。例えば、送信側における変調信号は、時系列における位相変化が０°、９０°、１８０°、および２７０°であるクロック信号ＣＬＫ１である。受信側における復調信号はクロック信号ＣＬＫ２、ＣＬＫ３である。クロック信号ＣＬＫ２は、０°の一定の位相を有する、画素配列１３０２ａによって吸収される入射光学信号ＩＬを復調するために使用される。クロック信号ＣＬＫ３は、９０°の一定の位相を有する、画素配列１３０２ｂによって吸収される入射光学信号ＩＬを復調するために使用される。
【００８７】
図１３Ａ〜図１３Ｅに示された実施形態は、５０％のデューティサイクルを伴うクロック信号を変調信号および復調信号として使用するが、他の可能な実施では、デューティサイクルは異なってもよい（例えば、３０％のデューティサイクル）。一部の実施では、方形波の代わりに正弦波が変調信号および復調信号として使用される。
【００８８】
図１４は、一部の実施形態による、位相変化を伴う変調スキームを用いる光検出装置を使用するための処理を示している。他の実体が、他の実施形態では、処理のステップのうちの一部または全部を実施する。同様に、実施形態は、異なるステップおよび／もしくは追加のステップを含んでもよい、または、ステップを異なる順番で実施してもよい。
【００８９】
図１４の実施形態では、光検出方法は、第１の変調信号によって変調される光学信号を送信するステップであって、光学信号は、多重時間フレームのための１つまたは複数の所定の位相を伴う第１の変調信号によって変調される、ステップ１４０１と、反射された光学信号を光検出器によって受信するステップ１４０２と、反射された光学信号を１つまたは複数の復調信号によって復調するステップであって、１つまたは複数の復調信号は、多重時間フレームのための１つまたは複数の所定の位相を伴う信号である、ステップ１４０３と、少なくとも１つの電圧信号をコンデンサにおいて出力するステップ１４０４とを含む。この方法では、光検出器は、本開示において言及された実施形態またはその変形を使用することができる。
【００９０】
本発明は、例を用いて、好ましい実施形態において記載されてきたが、本発明がそれらに限定されないことは理解されるものである。逆に、様々な改良および同様の配置および手順を網羅するように意図されており、そのため、添付の請求項の範囲は、このような改良および同様の配置および手順のすべてを網羅するように、最も広い解釈で与えられるべきである。
【符号の説明】
【００９１】
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ、２００ｆ、３００ａ、４００ａ、５００ａ、６００ａ、６００ｂ、７００ａ、７００ｂ、８００ａ、９００ａ、９００ｃ、９００ｄ、９００ｅ、１０００ａ、１０００ｂ、１１００ａ、１２００ａ、１２００ｂ、１３００ａ、１３００ｃ  光検出装置
１０１ａ、１０１ｂ  ドープ領域
２０１ａ、２０１ｂ、３０１ａ、３０１ｂ、４０１ａ、４０１ｂ、５０１ａ、５０１ｂ、６０１ａ、６０１ｂ、７０１ａ、７０１ｂ、８０１ａ、８０１ｂ、９０１ａ、９０１ｂ、１００１ａ、１００１ｂ  Ｎ型領域
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２、１００２  ゲルマニウムに基づく光吸収材料
１０２ｓ、１０２ｓｓ、２０２ｓ、２０２ｓｓ、３０２ｓ、３０２ｓｓ、４０２ｓ、５０２ｓ、６０２ｓ、６０２ｓｓ、７０２ｓ、８０２ｓ、９０２ｓ、１００２ｓ  表面
１０３ａ、１０３ｂ  ドープ領域
１０４、２０４、３０４、９０４、１００４  半導体基板
１０５ａ、１０５ｂ、１００５ａ、１００５ｂ  非ドープ領域
１０６ａ、１０６ｂ、２０６ａ、２０６ｂ、３０６ａ、３０６ｂ、４０６ａ、４０６ｂ、５０６ａ、５０６ｂ、６０６ａ、６０６ｂ、７０６ａ、７０６ｂ、８０６ａ、８０６ｂ、９０６ａ、９０６ｂ、１００６ａ、１００６ｂ、１１０６ａ、１１０６ｂ  制御金属線
１０８ａ、１０８ｂ、２０８ａ、２０８ｂ、３０８ａ、３０８ｂ、４０８ａ、４０８ｂ、５０８ａ、５０８ｂ、６０８ａ、６０８ｂ、７０８ａ  ７０８ｂ、８０８ａ、８０８ｂ、９０８ａ、９０８ｂ、１００８ａ、１００８ｂ、１１０８ａ、１１０８ｂ  読み出し金属線
１１０ａ、１１０ｂ、１０１０ａ、１０１０ｂ  コンデンサ
２０３ａ、２０３ｂ、３０３ａ、３０３ｂ、４０３ａ、４０３ｂ、５０３ａ、５０３ｂ、６０３ａ、６０３ｂ、７０３ａ、７０３ｂ、８０３ａ、８０３ｂ、９０３ａ、９０３ｂ、１００３ａ、１００３ｂ  Ｐ型領域
２０２ｖ  ゲルマニウム貫通ビア
２０４ｖ、３１４  シリコン貫通ビア
２０７、２０７ａ、２０７ｂ、３０７  Ｎ型領域
３０９ａ、３０９ｂ  空乏領域
３１２  誘電層
４１１ａ、４１１ｂ、１０１１ａ、１０１１ｂ  Ｎウェル
４５１ａ、４５１ｂ  Ｐウェル
５１３ａ、５１３ｂ、５１５ａ、５１５ｂ  シリサイド
５１４、１０１４  保護層
６１７  Ｎ型領域
６１９  Ｐ型領域
７２１、７１６ａ、７１６ｂ、７１８ａ、７１８ｂ  金属
７２１ｄ、７１６ａｄ、７１６ｂｄ、７１８ａｄ、７１８ｂｄ  空乏／蓄積／反転の領域
７２１ｅ、７１６ａｅ、７１６ｂｅ、７１８ａｅ、７１８ｂｅ  偏極された誘導体
７２３ａ、７２３ｂ  金属
７２５ａ、７２５ｂ  偏極された誘導体
８０１ａ、８０１ｂ、８０３ａ、８０３ｂ  ドープ領域
８２９、８３１ａ、８３１ｂ、８３３ａ、８３３ｂ  イオン処理領域
９２４、９２４ａ  隔離領域
９２４ｂ  トレンチ隔離領域
１０１３ａ、１０１３ｂ、１０１５ａ、１０１５ｂ  シリサイド
１０１９  Ｐ型領域
１０２１  金属
１０２４  隔離領域
１２０２１、１２０２２、１２０２３、１２０２４  画素
１３０２  画素配列
１３０２ａ  第１の画素配列
１３０２ｂ  第２の画素配列
１３０４  レーザーダイオードドライバ
１３０６  レーザーダイオード
１３０８  クロック駆動回路
１３０８１、１３０８２  クロックドライバ
１３１０  目標物体
ＡＲ  吸収領域
ｃａ１、ｃａ２、ｃａ３  バイアス電圧
ＣＬＫ１、ＣＬＫ２、ＣＬＫ３  クロック信号
ＣＬＫ２’  反転した信号
ｃｓ１、ｃｓ２  制御信号
ｄ１、ｄ２  深さ
ｆｍｏｄ１、ｆｍｏｄ２  変調周波数
ＩＬ  光学信号
ＩＬＤ  中間層誘電体
ＴＬ  変調されて送信された光
ｖ１、ｖ２  電圧
ｖｂ１、ｖｂ２  バイアス電圧
ｖｂ２、ｖｂ３  ボディバイアス
ｗ１、ｗ２  幅
ＷＤ  光学窓
λ、λ１、λ２  光学波長
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年3月24日(2021.3.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板によって支持され、８００ｎｍより大きい第１の波長を有する第１の光学信号を吸収するように構成される第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料と、
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第１の領域に電気的に結合される第１の金属線と、
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第２の領域に電気的に結合される第２の金属線と、
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第３の領域に結合される第３の金属線と、
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第４の領域に結合される第４の金属線と、
を備え、
前記第１の領域はドープされないかまたは第１の種類のドーパントでドープされ、前記第２の領域は第２の種類のドーパントでドープされ、前記第１の金属線は、前記第２の領域によって収集されるように、前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の内部で発生させられるある量の第１の種類の光発生キャリアを制御するように構成され、
前記第３の領域はドープされないかまたは前記第１の種類のドーパントでドープされ、前記第４の領域は前記第２の種類のドーパントでドープされ、前記第３の金属線は、前記第４の領域によって収集されるように、前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の内部で発生させられる前記ある量の前記第１の種類の光発生キャリアを制御するように構成され、
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第１の面から延びる前記第１の領域の深さは、前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の前記第１の面から延びる前記第２の領域の深さより小さい、光検出装置。
【請求項２】
前記第１の領域、前記第２の領域、前記第３の領域、および前記第４の領域が形成される前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第１の面と反対の第２の面に形成される第５の領域を備え、前記第５の領域は前記第２の種類のドーパントでドープされる、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料は前記第２の種類のドーパントでドープされる、請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記第１の種類のドーパントでドープされる前記第１の領域は低濃度でドープされる、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記第１の種類のドーパントのドーピング濃度が前記第２の種類のドーパントのドーピング濃度より低い、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記半導体基板に前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の隣で配置される前記第１の種類のドーパントでのＵ字形ドープ領域を備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料と前記半導体基板との間に埋め込まれる誘電層をさらに備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項８】
前記第１の領域を一部または全部で包囲する前記第２の種類のドーパントを伴うウェル領域をさらに備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項９】
前記第２の領域を一部または全部で包囲する前記第１の種類のドーパントを伴うウェル領域をさらに備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１０】
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料の第１の面に形成される保護層をさらに備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１１】
前記保護層の上方に形成され、前記第１の光学信号を反射させることができる位置に配置される金属板を備える、請求項１０に記載の光検出装置。
【請求項１２】
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料を一部または全部で包囲する隔離領域を備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１３】
第１のケイ化物が前記第１の金属線と前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料との間に形成され、第２のケイ化物が前記第２の金属線と前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料との間に形成される、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１４】
前記半導体基板によって支持される第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料を備え、
前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料は、上方視点から、第１の長さおよび第１の幅を伴う第１の矩形を形成し、
前記第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料は、上方視点から、第２の長さおよび第２の幅を伴う第２の矩形を形成し、
前記第１の長さの方向と前記第２の長さの方向とは互いに対して垂直である、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１５】
前記半導体基板によって支持される第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料を備え、
前記第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料は、第２の波長を伴う第２の光学信号を吸収するように構成され、前記第２の波長は前記第１の波長と異なる、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１６】
前記半導体基板によって支持される第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料を備え、
前記第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料は第２の光学信号を吸収するように構成され、前記第１の光学信号は第１の変調信号で適用され、前記第２の光学信号は第２の変調信号で適用され、前記第１の変調と前記第２の変調とは異なる、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１７】
光学信号を送信するためのレーザードライバに結合されるレーザーを備え、
前記光学信号は、多重時間フレームのための複数の所定の位相を伴う第１の変調信号によって変調され、前記第１の光学信号は、物体から反射される前記光学信号であり、前記第１のゲルマニウムに基づく光吸収材料によって吸収される前記第１の光学信号は、前記多重時間フレームのための第１の単一の所定の位相を伴う第２の変調信号によって復調される、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１８】
前記半導体基板によって支持される第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料を備え、
前記第２のゲルマニウムに基づく光吸収材料によって吸収される前記第１の光学信号は、前記多重時間フレームのための第２の単一の所定の位相を伴う前記第２の変調信号によって復調され、前記第２の単一の所定の位相は、前記第１の単一の所定の位相に対して直交する位相である、請求項１７に記載の光検出装置。
【国際調査報告】
2021512503.tif 000055