[發(fā)明專利]包括高靈敏度光子混合結(jié)構(gòu)的高量子效率蓋革模式雪崩二極管及其陣列

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201980079997.5
• 申請日: 2019-10-30
• 公開（公告）號: CN113169243A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 豪德·芬克爾斯坦
• 申請（專利權(quán)）人: 感覺光子公司
• 主分類號: H01L31/10
• 分類號: H01L31/10;H01L31/0232;H01L31/0352;H01L27/144
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 韓雪梅

一種光電探測器器件包括半導(dǎo)體材料層以及半導(dǎo)體材料層中的至少一個光電二極管。該至少一個光電二極管被配置為被偏置超過至少一個光電二極管的擊穿電壓，以響應(yīng)于檢測到入射光子而生成相應(yīng)的電信號。相應(yīng)的電信號獨(dú)立于入射光子的光功率。紋理區(qū)耦接至半導(dǎo)體材料層并且紋理區(qū)包括光學(xué)結(jié)構(gòu)，該光學(xué)結(jié)構(gòu)被定位成在由至少一個光電二極管檢測入射光子時與入射光子相互作用。兩個或更多個光電二極管可以限定光電探測器器件的像素，且光學(xué)結(jié)構(gòu)可以被配置為將入射光子引導(dǎo)至像素的兩個或更多個光電二極管中的任一個光電二極管。

相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2018年10月30日提交的名稱為“High Quantum EfficiencyGeiger-Mode Avalanche Diodes andArrays Thereof(高量子效率蓋革模式雪崩二極管及其陣列)”的美國臨時專利申請No.62/752,718，以及于2018年12月4日在美國專利商標(biāo)局提交的名稱為“High Sensitivity Photon Mixing Structures(高靈敏度光子混合結(jié)構(gòu))”的美國臨時專利申請No.62/775,105的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，專利申請No.62/752,718和專利申請No.62/775,105公開的內(nèi)容通過引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本文的主題總體上涉及圖像傳感器，并且更具體地涉及用于在LIDAR(光檢測和測距)系統(tǒng)中成像的圖像傳感器。

背景技術(shù)

基于飛行時間(ToF)的成像用于包括測距、深度剖析和3D成像(例如，光檢測和測距(LIDAR)，本文也被稱為激光雷達(dá))的許多應(yīng)用中。ToF 3D成像系統(tǒng)可以利用直接ToF(dToF)測量(其中，在發(fā)射光信號和感測或檢測從物體或其他目標(biāo)反射之后的光信號之間的時間長度被測量以確定距離)或間接ToF(iToF)測量(其中，發(fā)射的光信號的振幅被調(diào)制并且反射的光信號的相位延遲或相移被測量，并且信號往返于物體所需的時間導(dǎo)致相移，該相移與行進(jìn)的距離成比例)。然而，為了照亮大視場(FoV)(其在明亮的環(huán)境光條件下可以包括長距離和/或低反射率目標(biāo))并從中接收可識別的返回或反射的光信號(在本文中也被稱為回波信號)，可能需要更高的光發(fā)射功率(并且因此需要更高的功耗)。

在一些應(yīng)用(諸如激光雷達(dá))中，可能期望檢測非常暗和非常亮的回波信號兩者。例如，在200米(m)的距離范圍內(nèi)的10％朗伯反射目標(biāo)可以反射在1m的距離處由類似目標(biāo)反射的光的1/200²，可以在1m的距離范圍處反射由100％朗伯反射目標(biāo)反射的光的1/(10×200²)，以及可以在1m的距離范圍內(nèi)反射由強(qiáng)回射目標(biāo)反射的光的約1/(1000×200²)＝1/40,000,000。距離范圍可以指目標(biāo)與激光雷達(dá)檢測器陣列之間的距離。因?yàn)橐恍╇娮与娐房赡芫哂泄潭ǖ脑鲆?帶寬乘積，所以可能難以以非常高的時間精度檢測非常暗和非常亮的目標(biāo)兩者。

一些傳統(tǒng)的(諸如在美國專利申請No.2012/0146172中描述的)光電探測器器件，可以具有與照射或入射光功率成比例的電流響應(yīng)度，例如0.4A/W。這樣的器件因此可能具有有限的檢測非常暗和非常亮的物體的能力。暗物體與亮物體之間的檢測范圍可稱為器件的動態(tài)范圍。這樣的傳統(tǒng)光電探測器器件通常可以響應(yīng)于檢測到到達(dá)的光信號而產(chǎn)生模擬信號。該模擬信號通常可以在奈奎斯特頻率以上被采樣，或者在所需信息的帶寬的至少兩倍處被采樣。(例如，就器件上的占用面積或“有效面積”而言)這種采樣可能是昂貴的、難以并行化和/或可能汲取大量功率。

為了提高光電探測器的靈敏度，一些傳統(tǒng)的光電探測器器件可以包括硅的表面改性以降低反射率并且增大光吸收的波長范圍，也被稱為“黑硅”層，如例如在美國專利No.8,679,959中所描述的。光捕獲結(jié)構(gòu)也可以用于增加吸收概率。例如，在Yokogawa等人的“IRsensitivity enhancement of CMOS Image Sensor with diffractive light trappingpixels(具有衍射光捕獲像素的CMOS圖像傳感器的IR靈敏度增強(qiáng))”中描述了一些傳統(tǒng)的衍射光捕獲結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容