[發明專利]一種垂直電荷轉移型光子解調器及其工作方法

在審

• 申請號: 202011629474.4
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112786635A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 馬浩文;沈凡翔;王子豪;王凱;李張南;顧郅揚;胡心怡;柴智;陳輝;常峻淞;李龍飛
• 申請（專利權）人: 南京威派視半導體技術有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 南京蘇創專利代理事務所(普通合伙) 32273
• 代理人: 張艷

本發明涉及一種垂直電荷轉移型光子解調器及其工作方法，半導體上表面設有調制解調部分，半導體下表面延伸至襯底底部構成感光部分；感光部分將光子轉化為光生載流子，利用垂直電場將光生電子空穴對分開，其中電子或空穴垂直地輸運至半導體表面進行光信號解調。兩個電荷收集區都置為1.8V，調制開關一接1.2V，調制開關二接0V，襯底電極接地，半導體襯底上部產生橫向電場，其它區域產生垂直電場；光子被半導體吸收并激發一個電子空穴對，并在電場作用下，電子空穴對被分開，電子向上運動至半導體表面；在橫向電場作用下，進一步運動到電荷收集區附近，通過擴散進入其產生的耗盡區，形成光電流信號。本發明的光子解調器尺寸小，靈敏度及量子效率高。

技術領域

本發明涉及一種垂直電荷轉移型光子解調器，本發明還涉及一種垂直電荷轉移型光子解調器的工作方法，屬于光子解調器技術領域。

背景技術

ToF作為光學測距的一種方法有著非常廣泛的應用，而TOF器件為了能實現其功能主要的目的是，能夠讀到固定頻率固定相位的信號，就需要一個高速的傳感器讀出所需積分時間內的信號，即傳感器對高頻信號有比較好的相應。通常的做法是在需要的時間內將信號輸入到所需的讀出節點，在相反的時間將信號輸入到另一個節點。

索尼在專利US 8,294,882 B2中發明的CAPD器件工藝簡單，靈敏度高，量子效率高，速度快，但由于該器件依靠橫向電場產生光生載流子，導致當像素尺寸縮小后，襯底中的場區變淺，大幅降低效率。英飛凌采用的PMD技術則是通過photo-gate產生耗盡區方法來感光，同樣存在隨著像素尺寸縮小，耗盡區變淺的問題，最終導致量子效率的降低。目前仍沒有一款小尺寸的ToF器件能保持較高的靈敏度和量子效率。

發明內容

本發明的首要目的在于，克服現有技術中存在的問題，本發明提供一種垂直電荷轉移型光子解調器，感光過程是依靠垂直方向的電場，無論像素尺寸如何縮小，都不會影響感光區的深度，量子效率不會因此大幅降低。

本發明的垂直電荷轉移型光子解調器，包括半導體，所述半導體的下方設有半導體襯底，所述半導體的上表面設有調制解調部分，所述半導體的下表面延伸至半導體襯底的底部構成感光部分；所述感光部分在光照條件下將光子轉化為光生載流子，并利用垂直方向電場將光生電子空穴對分開，將其中的電子或空穴垂直地輸運至半導體表面的調制解調部分進行光信號解調。

進一步的，所述感光部分為輕摻雜的P或N型的光電導，該光電導的兩電極分別設置在半導體的上表面和半導體襯底的底部，不同的電極偏壓使得光電導內部產生垂直方向電場。

進一步的，所述調制解調部分包括至少兩個電荷收集區，以及與電荷收集區數目相對應的調制開關；所述調制開關打開，由感光部分產生的光生載流子會流入對應的電荷收集區。

進一步的，所述電荷收集區為重摻雜的N型，所述調制開關為重摻雜的P型；不同電荷收集區之間用淺槽隔離或P摻雜作為隔離，所述隔離對兩側的所述電荷收集區分別呈半包圍的包裹，所述調制開關與對應的電荷收集區相鄰。

進一步的，所述電荷收集區為重摻雜的P型，所述調制開關為重摻雜的N型；不同電荷收集區之間用淺槽隔離或N摻雜作為隔離，所述隔離對兩側的所述電荷收集區分別呈半包圍的包裹，所述調制開關與對應的電荷收集區相鄰。

進一步的，所述半導體襯底為本征或輕摻雜P型半導體，所述半導體襯底的背面設有單獨電極，構成襯底電極，所述襯底電極為歐姆或肖特基接觸；所述半導體的四周包裹有正面淺槽或深槽隔離，所述半導體襯底的四周包裹有背面深槽隔離。

進一步的，所述隔離的P型半導體濃度為量級，兩電荷收集區之間的最小間距為0.5um，所述垂直電荷轉移型光子解調器的單像素尺寸最小為1.1um；所述半導體襯底為標準的濃度為的外延硅片，深度2-10um。

本發明的有益效果為：