光探测装置的制作方法

对于相关申请的交叉引用

本专利申请要求2018年4月8日提交的美国临时专利申请no.62/654,456、2018年8月8日提交的美国临时专利申请no.62/654,457、2018年6月8日提交的美国临时专利申请no.62/682,254、2018年6月19日提交的美国临时专利申请no.62/686,697、2018年7月8日提交的美国临时专利申请no.62/695,060、2018年8月13日提交的美国临时专利申请no.62/717,908、2018年11月5日提交的美国临时专利申请no.62/755,581以及2018年12月7日提交的美国临时专利申请no.62/776,995的权益，以上申请的内容通过引用并入本文。

背景技术：

光探测器可以用于探测光信号并将光信号转换为可以由另一电路进一步处理的电信号。光探测器可用于消费电子产品、图像传感器、数据通信、飞行时间(tof)测距或成像传感器、医疗设备以及许多其他合适的应用中。

技术实现要素：

根据本公开的实施例，提供了一种光探测装置。该光探测装置包括吸收层，该吸收层被配置为吸收光子并从吸收的光子产生光载流子，其中，该吸收层包括锗。载流子引导单元电耦合到吸收层，其中，载流子引导单元包括具有第一栅极端子的第一开关。

根据本公开的实施例，提供了一种用于制造光探测装置的方法。该方法包括：形成吸收层；在吸收层上形成子绝缘层；在吸收层上形成穿透子绝缘层的导电沟槽以连接所述吸收层；提供衬底，该衬底集成有载流子引导单元、第一读出电路、第二读出电路、第一控制信号和第二控制信号，其中，第一控制信号和第二控制信号、第一读出电路和第二读出电路电耦合到载流子引导单元；在衬底上形成子绝缘层并覆盖第一栅极端子和第二栅极端子；在衬底上形成穿透子绝缘层的导电沟槽；将衬底上的子绝缘层与吸收层上的子绝缘层键合以形成键合结构，其中，在键合步骤之后，将载流子引导单元电耦合到吸收层。

根据本公开的实施例，提供了一种光探测装置。该光探测装置包括：吸收层，其被构造为吸收光子并从吸收的光子产生光载流子；以及电耦合到吸收层的载流子引导单元，其中，载流子引导单元包括第一开关、第二开关以及第一开关和第二开关之间的具有导电类型的公共区，其中，第一开关包括具有导电类型的第一载流子输出区，第二开关包括具有与第一载流子输出区的导电类型相同的导电类型的第二载流子输出区，并且公共区的导电类型不同于第一载流子输出区的导电类型。

根据本公开的实施例，提供了一种光探测装置。该光探测装置包括：吸收层，其被构造为吸收光子并从吸收的光子产生光载流子；衬底；衬底与吸收层之间的键合结构；与衬底集成的载流子引导单元、第一读出电路、第二读出电路、第一控制信号和第二控制信号，其中，第一控制信号和第二控制信号、第一读出电路和第二读出电路电耦合到载流子引导单元。

根据本公开的实施例，提供了一种光探测装置。该光探测装置包括：衬底；在衬底上的第一吸收层，该第一吸收层被构造成吸收具有第一峰值波长的光子，并从吸收的光子产生光载流子；衬底与第一吸收层之间的第一键合结构；在第一吸收层上的第二吸收层以及被配置用于吸收光子并从吸收的光子产生光载流子，其中，第二吸收层被配置用于吸收具有不同于第一峰值波长的第二峰值波长的光子；衬底与第二吸收层之间的第二键合结构；与衬底集成的第一载流子引导单元和第二载流子引导单元，其中，第一载流子引导单元电耦合到第一吸收层，并且第二载流子引导单元电耦合到第二吸收层。

附图说明

当键合附图考虑时，通过参考以下详细描述，本申请的前述方面和许多附带优点将变得更容易和更好的理解，其中：

图1a示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图1b示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图1c示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图2a示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图2b示出了根据一些实施例的光探测装置的一部分的俯视图。

图2c示出了根据一些实施例的图2b所示的光探测装置的截面图。

图2d示出了根据一些实施例的光探测装置的俯视图。

图2e示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图2f示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图2g示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图2h示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3a示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3b至图3e示出了根据一些实施例的用于制造图3a中的光探测装置的方法。

图3f示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3g示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3h示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3i示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3j示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3k示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3l示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3m示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3n示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3o示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3p示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3q示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3r示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图3s示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图4a示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图4b示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图4c示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图4d示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图4e示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图4f示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图4g示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图5示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图6a示出了根据一些实施例的光探测装置的俯视图。

图6b示出了图6a所示的光探测装置的截面图。

图6c示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。

图7a至图7b示出根据一些实施例的光探测装置的阵列配置的平面图。

图8a-8e示出了根据一些实施例的使用具有相位变化的调制方案的光探测装置的框图和时序图。

图9示出了根据一些实施例的使用具有相位变化的调制方案的光探测方法。

具体实施方式

以下将参考附图详细描述本公开的示例性实施例。通过说明的方式给出以下实施例以帮助本领域技术人员充分理解本公开的精神。因此，应当注意，本公开不限于本文的实施例，并且可以通过各种形式来实现。此外，附图没有精确地按比例绘制，并且在宽度、高度、长度等上，部件可能被放大。这里，在整个附图中，相似或相同的附图标记将表示相似或相同的部件。

在本公开中，光探测装置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“本征”是指不故意添加掺杂剂的半导体材料。

图1a示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。该光探测装置包括吸收层10和支撑吸收层10的衬底20。在一些实施例中，吸收层10由衬底20支撑。在一些实施例中，衬底20的材料不同于吸收层10的材料。在一些实施例中，吸收层10包括顶侧101和与顶侧101相反的底侧102。在一些实施例中，吸收层10的顶侧101包括顶表面103。底侧102包括底表面104。

吸收层10被配置为吸收光子并从吸收的光子产生光载流子。在一些实施例中，吸收层10被配置为吸收具有不小于800nm的在不可见波长范围内的峰值波长的光子，所述峰值波长诸如为850nm、940nm、1050nm、1064nm、1310nm、1350nm或1550nm。在一些实施例中，不可见波长范围不大于2000nm。在一些实施例中，吸收层10接收光信号并将光信号转换成电信号。在一些实施例中，吸收层10是本征的，掺杂有p型掺杂剂或掺杂有n型掺杂剂。在一些实施例中，p型掺杂剂包括iii族元素。在一些实施例中，p型掺杂剂是硼。在一些实施例中，n型掺杂剂包括v族元素。在一些实施例中，n型掺杂剂是磷。在一些实施例中，吸收层10包括多晶材料。在一些实施例中，吸收层10包括gesi、si或ge。在一些实施例中，吸收层10包括非晶gesi。在一些实施例中，吸收层10包括锗。在一些实施例中，吸收层10由锗组成。在一些实施例中，由于在吸收层10的形成期间形成的材料缺陷，因此由本征锗组成的吸收层10为p型，其中，缺陷密度为从1×10¹⁴cm^-3至1×10¹⁶cm^-3。

在一些实施例中，吸收层10包括取决于要探测的光子的波长和吸收层10的材料的厚度。在一些实施例中，当吸收层10包括锗并且被设计为吸收具有不小于800nm的波长的光子时，吸收层10的厚度不小于0.1μm。在一些实施例中，吸收层10包括锗并且被设计成吸收具有在800nm与2000nm之间的波长的光子，吸收层10具有在0.1μm与2.5μm之间的厚度。在一些实施例中，吸收层10具有在1μm与2.5μm之间的厚度以用于更高的量子效率。在一些实施例中，吸收层10可以使用毯式外延、选择性外延或其他适用技术来生长。

在一些实施例中，衬底20包括第一侧201和与第一侧201相反的第二侧202，其中，第一侧201在吸收层10和第二侧202之间。第一侧201包括第一表面203。衬底20包括可以在其上制造吸收层10的任何合适的材料。在一些实施例中，衬底20包括硅。在一些实施例中，衬底20由单一材料组成。在一些实施例中，衬底20由硅组成。在一些实施例中，衬底20包括多种材料，例如，衬底20包括绝缘材料和半导体材料。在一些实施例中，衬底20包括sio2和si。在一些实施例中，衬底20包括多层的堆叠。

在一些实施例中，吸收层10被嵌入在衬底20中，并且吸收层10的顶表面103与衬底20的第一表面203齐平。在一些实施例中，吸收层10被部分地嵌入在衬底20中。

光探测装置还包括电耦合到吸收层10的载流子引导单元(未标记)。载流子引导单元被配置为在光探测装置的操作期间将由吸收层10产生的光载流子引导至两个不同的方向。在一些实施例中，在光探测装置的操作期间，入射光l进入吸收层10，载流子引导单元被配置为将吸收层10产生的光载流子沿入射光方向引导到两个相反侧。在一些实施例中，载流子引导单元(未标记)包括都电耦合到吸收层10的第一开关30和第二开关40两者。第二开关40与第一开关30物理上分离。在一些实施例中，第一开关30包括第一栅极端子301，并且第二开关40包括第二栅极端子401。在一些实施例中，第一栅极端子301和第二栅极端子401两者都在吸收层10的顶侧101上方。在一些实施例中，第一栅极端子301包括在吸收层10的顶表面103上的第一接触层(未示出)。在一些实施例中，第二栅极端子401包括在吸收层10的顶表面103上的第二接触层(未示出)。在一些实施例中，在第一接触层(未示出)和吸收层10之间形成肖特基接触。在一些实施例中，在第二接触层(未示出)和吸收层10之间形成肖特基接触。在一些实施例中，在第一接触层(未示出)和吸收层10之间形成欧姆接触。在一些实施例中，在第二接触层(未示出)和吸收层10之间形成欧姆接触。在一些实施例中，为了在第一接触层(未示出)和吸收层10之间形成欧姆接触，在吸收层10和在第一接触层(未示出)正下方的位置处形成第一掺杂区(未示出)，第一掺杂区(未示出)包括具有峰值浓度的掺杂剂。在一些实施例中，为了在第二接触层(未示出)和吸收层10之间形成欧姆接触，在吸收层10和第二接触层(未示出)正下方的位置处形成第二掺杂区，第二掺杂区(未示出)包括具有峰值浓度的掺杂剂。第一掺杂区的掺杂剂的峰值浓度取决于第一接触层(未示出)的材料和吸收层的材料，例如在1×10¹⁹cm^-3至5×10²⁰cm^-3之间。第二掺杂区的掺杂剂的峰值浓度取决于第二接触层(未示出)的材料和吸收层的材料，例如在1×10¹⁹cm^-3至5×10²⁰cm^-3之间。

在一些实施例中，第一栅极端子301包括第一绝缘层(未示出)和在第一绝缘层(未示出)上的第一接触层(未示出)。在一些实施例中，第二栅极端子401包括第二绝缘层(未示出)和在第二绝缘层(未示出)上的第二接触层(未示出)。在一些实施例中，第一绝缘层(未示出)位于第一接触层(未示出)和吸收层10之间。在一些实施例中，第二绝缘层(未示出)位于第二接触层(未示出)和吸收层10之间。在一些实施例中，第一接触层(未示出)和第二接触层(未示出)包括金属或合金。例如，第一接触层(未示出)和第二接触层(未示出)包括al、cu、w、ti、ta-tan-cu堆叠，ti-tin-w堆叠以及各种硅化物和锗化物。硅化物包括但不限于硅化镍。锗化物包括但不限于锗化镍。第一绝缘层(未示出)和第二绝缘层(未示出)防止了分别从第一接触层(未示出)到吸收层10以及从第二接触层(未示出)到吸收层10的直流传导，但是响应于分别施加到第一接触层(未示出)和第二接触层(未示出)的电压而允许在吸收层10内建立电场。所建立的电场在吸收层10内吸引或排斥电荷载流子。在一些实施例中，第一绝缘层(未示出)和第二绝缘层(未示出)包括但不限于sio2。在一些实施例中，第一绝缘层(未示出)和第二绝缘层(未示出)包括高k材料，其包括但不限于si3n4、sion、sinx、siox、geox、al2o3、y2o3、tio2、y2o3、hfo2或zro2。

在一些实施例中，第一开关30还包括第一载流子输出区302，并且第二开关40还包括第二载流子输出区402。载流子引导单元(未标记)还包括在第一栅极端子301和第二栅极端子401之间的公共区50。在一些实施例中，第一载流子输出区302被配置为收集由吸收层10产生的光载流子的主要部分。在一些实施例中，第二载流子输出区402被配置为收集由吸收层10产生的光载流子的主要部分。在一些实施例中，第一栅极端子301在第一载流子输出区302和公共区50之间。第二栅极端子401在第二载流子输出区402和公共区50之间。在一些实施例中，公共区50、第一载流子输出区302和第二载流子输出区402在吸收层10的顶侧101处。在一些实施例中，第一载流子输出区302是导电类型的，并且第二载流子输出区402的导电类型与第一载流子输出区302的导电类型相同。在一些实施例中，第一载流子输出区302的导电类型与公共区50的导电类型相同，并且第二载流子输出区402的导电类型也与公共区50的导电类型相同。在一些实施例中，吸收层10的导电类型不同于公共区50的导电类型、第二载流子输出区402的导电类型和第一载流子输出区302的导电类型。在一些实施例中，公共区50的材料、第一载流子输出区302的材料、第二载流子输出区402的材料和吸收层的材料10相同。例如，公共区50的材料、第一载流子输出区302的材料、第二载流子输出区402的材料和吸收层10的材料全部包括锗。在一些实施例中，公共区50包括掺杂剂，并且掺杂剂包括在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的峰值浓度。在一些实施例中，第一载流子输出区302包括掺杂剂，并且该掺杂剂包括在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的峰值浓度。在一些实施例中，第二载流子输出区402包括掺杂剂，并且该掺杂剂包括在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的峰值浓度。在一些实施例中，第一载流子输出区302、第二载流子输出区402和公共区50的掺杂剂不同。在一些实施例中，第一载流子输出区302、第二载流子输出区402和公共区50的掺杂剂相同。在一些实施例中，当第一载流子输出区302、第二载流子输出区402和公共区50为n型时，第一载流子输出区302、第二载流子输出区402和公共区50的掺杂物包括但不限于磷、砷、锑或氟。在一些实施例中，当第一载流子输出区302、第二载流子输出区402和公共区50为p型时，第一载流子输出区302、第二载流子输出区402和公共区50的掺杂物包括但不限于硼。在一些实施例中，载流子引导单元(未标记)与单个吸收层10集成在一起，因此光探测装置具有改善的解调对比度。

在一些实施例中，公共区50和吸收层10被称为垂直光电二极管。在一些实施例中，垂直光电二极管是同质结二极管。在本公开中，术语“垂直光电二极管”是指其中从p端子到n端子的方向基本上平行于从吸收层10的底表面104到顶表面103的方向的光电二极管。

在一些实施例中，当第一栅极端子301包括与吸收层10肖特基接触的第一接触层时，第一开关30和公共区50被称为第一mesfet(金属半导体场效应晶体管)。在一些实施例中，当第二栅极端子401包括与吸收层10肖特基接触的第二接触层时，第二开关30和公共区50被称为第二mesfet。在一些实施例中，光电二极管、第一mesfet、第二mesfet共享公共区50。换句话说，公共区50是光电二极管的一端、第一mesfet的一端和第二mesfet的一端。换句话说，公共区50是光电二极管的一端、第一mesfet的源极和第二mesfet的源极。例如，当公共区50、第一载流子输出区302和第二载流子输出区402是n型时，公共区50是光电二极管的n端子、第一mesfet的源极以及第二mesfet的源极。当公共区50、第一载流子输出区302和第二载流子输出区402是p型时，公共区50是光电二极管的p端子、第一mesfet的源极和第二mesfet的源极。

在一些实施例中，第一mesfet、第二mesfet、垂直光电二极管都与单个吸收层10集成在一起，因此光探测装置具有改善的解调对比度。

在一些实施例中，当第一栅极端子301包括在第一接触层和吸收层10之间的第一绝缘层时，第一开关30和公共区50被称为第一mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)。在一些实施例中，当第二栅极端子401包括在第一接触层和吸收层10之间的第二绝缘层时，第二开关40和公共区50被称为第二mosfet。在一些实施例中，第一mosfet和第二mosfet可以是增强模式。在一些实施例中，第一mosfet和第二mosfet可以是耗尽模式。在一些实施例中，光电二极管、第一mosfet、第二mosfet共享公共区50。换句话说，公共区50是光电二极管的一端、第一mosfet的一端和第二mosfet的一端。换句话说，公共区50是光电二极管的一端、第一mosfet的源极和第二mosfet的源极。例如，当公共区50、第一载流子输出区302和第二载流子输出区402是n型时，公共区50是光电二极管的n端子、第一mosfet的源极和第二mosfet的源极。当公共区50、第一载流子输出区302和第二载流子输出区402是p型时，公共区50是光电二极管的p端子、第一mosfet的源极和第二mosfet的源极。

在一些实施例中，第一mosfet、第二mosfet、垂直光电二极管都与单个吸收层10集成在一起，并且因此光探测装置具有改善的解调对比度。

在一些实施例中，光探测装置还包括第一控制信号60和第二控制信号。第一控制信号60电耦合到第一开关30。第二控制信号70电耦合到第二开关40。在一些实施例中，第一控制信号60电耦合到第一栅极端子301。第二控制信号70电耦合到第二栅极端子401。在一些实施例中，第一控制信号60和第二控制信号70中的每一个包括从电源提供的dc电压信号或ac电压信号。在一些实施例中，第一控制信号60包括dc电压信号，并且第二控制信号70包括ac电压信号。第一控制信号60和第二控制信号70用于控制载流子引导单元(未标记)，以控制向第一开关30或第二开关40移动的载流子的方向，其中，载流子由吸收层10从吸收的光子产生。在一些实施例中，第一控制信号60被固定在电压值v，并且第二控制信号70在电压值v±△v之间交替。偏置值的方向确定载流子的移动方向。在一些实施例中，第一控制信号60被固定在电压值v(例如0.5v)，并且第二控制信号70是变化的电压信号(例如以0v或1v操作的正弦信号、时钟信号或脉冲信号)。

在一些实施例中，光探测装置还包括第一读出电路80和第二读出电路90。第一读出电路80电耦合到第一载流子输出区302。第一读出电路80被配置为输出第一读出电压。第二读出电路90电耦合到第二载流子输出区402。第二读出电路90被配置为输出第二读出电压。在一些实施例中，第一读出电路80和第二读出电路90中的每一个都包括由复位栅极(未示出)、源极跟随器(未示出)和选择栅极(未示出)组成的三个晶体管。在一些实施例中，第一读出电路80和第二读出电路90每个包括四个或更多个晶体管(未示出)，或者用于处理载流子的任何合适的电子组件(未示出)。在一些实施例中，光探测装置还包括电耦合到公共区50的第一外部源(未示出)。在一些实施例中，第一外部源(未示出)包括从电源提供的ac电压信号。

在一些实施例中，第一读出电路80包括第一电容器(未示出)。第一电容器被配置为存储由第一载流子输出区302收集的光载流子。在一些实施例中，第一电容器电耦合到第一读出电路80的复位栅极。在一些实施例中，第一电容器在第一读出电路80的源极跟随器和第一读出电路80的复位栅极之间。在一些实施例中，第二读出电路90包括第二电容器(未示出)。在一些实施例中，第二电容器被配置为存储由第二载流子输出区402收集的光载流子。在一些实施例中，第二电容器电耦合到第二读出电路的复位栅极。在一些实施例中，第二电容器在第二读出电路90的源极跟随器与第二读出电路的复位栅极之间。第一电容器和第二电容器的示例包括但不限于浮置扩散电容器、金属氧化物金属(mom)电容器、金属绝缘体金属(mim)电容器和金属氧化物半导体(mos)电容器。

在一些实施例中，第一开关30还包括连接到第一载流子输出区302的第一读出端子303。第二开关40还包括连接到第二载流子输出区402的第二读出端子403。第一读出电路80经由第一读出端子303电耦合到第一载流子输出区302。第二读出电路90经由第二读出端子电耦合到第二载流子输出区402。在一些实施例中，载流子引导单元(未标记)还包括在公共区50和第一外部源之间的第一端子100。在一些实施例中，第一端子100、第一读出端子303和第二读出端子403包括导电材料，该导电材料包括但不限于金属。

在一些实施例中，根据入射光l的方向，光探测装置还包括在衬底20的第二侧202上方或在吸收层10的顶侧101上方的遮光罩110。遮光罩110包括窗口111，该窗口111用于使入射光l进入吸收层10并在吸收层10内限制吸收光子的区。在一些实施例中，当入射光l从衬底20的第二侧202进入吸收层10时，遮光罩110在衬底的第二侧202上。在一些实施例中，从窗口111的俯视图看，窗口111的形状可以是椭圆形、圆形、矩形、正方形、菱形、八边形或任何其他合适的形状。在一些实施例中，入射光l从三维目标的表面反射。

在一些实施例中，在光探测装置的操作期间，吸收层10内的电场被改变，因此一部分载流子被驱动向第二载流子输出区402或第一载流子输出区移动。在光探测装置的操作期间，不同的电压被施加到第一栅极端子301和第二栅极端子401，以从第一载流子输出区302或从第二载波输出区402收集一部分光载流子。

在一些实施例中，当操作光探测装置时，入射光l被吸收层10吸收，然后产生包括电子和空穴的光载流子。将两个不同的电压施加到第一栅极端子301和第二栅极端子401以在第一绝缘层(未示出)或第二绝缘层(未示出)下方形成沟道，以接通第一开关30或第二开关40。驱动光载流子的空穴或电子，使其通过沟道向第一载流子输出区302或第二载流子输出区402移动，然后被收集。在本公开中，在同一光探测装置中，由第一载流子输出区302收集的载流子的类型和由第二载流子输出区402收集的载流子的类型是相同的。例如，当光探测装置被配置为收集电子时，当第一开关30接通并且第二开关40断开时，第一载流子输出区302收集光载流子的电子，并且当第二开关40接通且第一开关30断开时，第二载流子输出区402也收集光载流子的电子。

在一些实施例中，第一开关30和公共区50被称为第一mosfet，第二开关40和公共区50被称为第二mosfet。衬底20包括硅，吸收层10包括本征锗，公共区50、第一载流子输出区302和第二载流子输出区402包括n型锗。例如，吸收层10包括本征锗。公共区50、第一载流子输出区302和第二载流子输出区402包括掺杂有磷的锗，磷的峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间。在光探测装置的操作期间，入射光l从衬底20的第二侧202进入吸收层10，然后被吸收层10吸收以产生包括电子和空穴的光载流子。吸收层10处于第一电压(例如0v)，第一栅极端子301接收第二电压(例如1v)，并且第二栅极端子401接收低于第二电压的第三电压(例如0v)。公共区50处于高于第一电压的第四电压。在第一绝缘层(未示出)下面形成n沟道，以电耦合公共区50和第一载流子输出区302，并且因此接通第一开关30。光载流子的一部分电子被驱动以向第一载流子输出区302移动。可替代地，第一栅极端子301接收第五电压(例如0v)，并且第二栅极端子401接收比第五电压高的第六电压(例如1v)。n沟道形成在第二绝缘层(未示出)下方，并且电耦合公共区50和第二载流子输出区402，从而接通第二开关40。载流子的电子的一部分被驱动以朝向第二载流子输出区402移动。在一些实施例中，第三电压大于0v且低于第二电压，以在操作期间改善光探测装置的解调对比度。类似地，在一些实施例中，第五电压大于0v且小于第六电压，以用于在操作过程中改善光探测装置的解调对比度。在这些实施例中，光探测装置被配置为收集电子。

在一些实施例中，公共区50不耦合到任何外部控件，因此是浮置的。在光探测装置的操作期间，浮置的公共区减小了公共区50和第一载流子输出区302之间的泄漏电流，或者减小了公共区50和第二载流子输出区402之间的泄漏电流。

在一些实施例中，第一开关30和公共区50被称为第一mosfet，第二开关40和公共区50被称为第二mosfet。衬底20包括硅，吸收层10包括n型锗，公共区50的导电类型、第一载流子输出区302的导电类型和第二载流子输出区402的导电类型为p型。例如，吸收层10包括掺杂有磷的锗，磷的峰值浓度在1×10¹⁴cm^-3和1×10¹⁶cm^-3之间。公共区50、第一载流子输出区302和第二载流子输出区402包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的硼的锗。在这些实施例中，光探测装置被配置为收集空穴。在光探测装置的操作期间，入射光l从衬底20的第二侧202进入吸收层10，然后被吸收层10吸收以产生包括电子和空穴的光载流子。吸收层10处于第一电压v1(例如3v)，第一栅极端子301接收第二电压(例如0v)，并且第二栅极端子401接收高于第二电压的第三电压(例如3v)。公共区50处于低于第一电压的第四电压。在第一绝缘层(未示出)下方形成p沟道，以电耦合公共区50和第一载流子输出区302，并因此接通第一开关30。光载流子的一部分空穴被驱动以向第一载流子输出区302移动。可替换地，第一栅极端子301接收第五电压(例如3v)，并且第二栅极端子401接收比第五电压低的第六电压(例如0v)。p沟道形成在第二绝缘层(未示出)的下方，并且电耦合公共区50和第二载流子输出区402，并因此接通第二开关40。光载流子的一部分空穴被驱动以朝向第二载流子输出区402移动。在一些实施例中，第三电压低于3v并且高于第二电压，以在操作期间改善光探测装置的解调对比度。类似地，在一些实施例中，第五电压低于3v并且高于第六电压，以在操作期间改善光探测装置的解调对比度。

在一些实施例中，公共区50不耦合到任何外部控件，因此是浮置的。在光探测装置的操作期间，浮置的公共区减小了公共区50和第一载流子输出区302之间的泄漏电流，或者减小了公共区50和第二载流子输出区402之间的泄漏电流。

在一些实施例中，当光探测装置被配置为收集电子时，在光探测装置的操作期间，第一读出电路80的第一电容器和第二读出电路90的第二电容器分别经由第一读出电路80的复位栅极和第二读出电路90的复位栅极被充电到预设电压。一旦第一电容器和第二电容器的充电完成，则第一电容器开始存储从第一载流子输出区302收集的一部分光载流子，并且第二电容器开始存储从第二载波输出区402收集的一部分光载流子。

在一些实施例中，当光探测装置被配置为收集空穴时，在光探测装置的操作期间，第一读出电路80的第一电容器和第二读出电路90的第二电容器分别经由第一读出电路80的复位栅极和第二读出电路90的复位栅极被放电到预设电压。一旦第一电容器和第二电容器的放电完成，则第一电容器开始存储从第一载流子输出区302收集的一部分光载流子，并且第二电容器开始存储从第二载波输出区402收集的一部分光载流子。

在一些实施例中，光探测装置还包括在吸收层10中的第一区块120。在一些实施例中，第一区块120在吸收层10的底侧102处，因此与第二载流子输出区402、公共区50和第一载流子输出区302相反。在一些实施例中，第一区块120沿垂直方向d1与公共区50重叠。在一些实施例中，第一区块120包括掺杂剂并且是导电类型的。在一些实施例中，第一区块120的导电类型不同于公共区50的导电类型。在一些实施例中，第一区块120的掺杂剂包括在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的峰值浓度。在一些实施例中，公共区50、吸收层10和第一区块120被称为垂直光电二极管。在一些实施例中，垂直光电二极管是同质结二极管。当通过第一区块120将两个不同的电压施加到第一栅极端子301和第二栅极端子401时，第一区块120和公共区50之间的耗尽区扩大。因此，光探测装置的量子效率更高，并且引导至第一载流子输出区302或第二载流子输出区402的载流子的数量也更高。在一些实施例中，第一区块120包括p型锗。

在一些实施例中，光探测装置还包括穿透吸收层10的第二端子130。在光探测装置的操作期间，第二端子130电耦合到第一区块120，以抽空未被第一载流子输出区302或第二载流子输出区402收集的相反类型的光载流子，以提高光探测装置的可靠性。在一些实施例中，第二端子130与第一区块120直接接触。在一些实施例中，第二端子130包括金属，该金属包括但不限于铜、铝或钨。在一些实施例中，光探测装置还包括电耦合到第一区块120的第二外部源(未示出)。在一些实施例中，当光探测装置被配置为收集电子时，在光探测装置的操作期间，第二外部源包括电接地，或提供小于第一载流子输出区302处的电压和第二载流子输出区402处的电压的预设电压以排空空穴。在一些实施例中，第一区块120不耦合到任何外部控件，因此是浮置的。在一些实施例中，当光探测装置被配置为收集空穴时，在光探测装置的操作期间，第二外部源提供比第一载流子输出区302处的电压和第二载流子输出区402处的电压高的预设电压以排空电子。

在一些实施例中，公共区50包括第一深度dl。第一载流子输出区302包括第二深度d2。第二载流子输出区402包括第三深度d3。从吸收层10的顶表面103测量公共区50的第一深度d1、第一载流子输出区302的第二深度d2和第二载流子输出区402的第三深度d3。在一些实施例中，从光探测装置的截面图看，公共区50的第一深度d1大于第一载流子输出区302的第二深度d2和第二载流子输出区402的第三深度d3两者。当向第一栅极端子301和第二栅极端子401施加两个不同的电压时，使用比第一载流子输出区302和第二载流子输出区402深的公共区50，公共区50和第一区块120之间的耗尽区进一步扩展。因此，进一步提高了光探测装置的量子效率，并且还进一步增加了引导至第一载流子输出区302或者第二载流子输出区402的载流子的数量。

图1b示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图1b的光探测装置类似于图1a的光探测装置，区别在下面描述。在一些实施例中，吸收层10被嵌入衬底20中。在一些实施例中，吸收层10的顶表面103与衬底20的第一表面203齐平。在一些实施例中，第一开关30、公共区50和第二开关40在吸收层10的外部。在一些实施例中，载流子引导单元(未标记)和吸收层10两者均在衬底20的第一侧201。在一些实施例中，第一栅极端子301和第二栅极端子401在第一表面203上。第一载流子输出区302和第二载流子输出区402在衬底20的第一侧201上。在一些实施例中，公共区50位于衬底20中并围绕吸收层10。第一区块120位于吸收层10的顶侧101。在一些实施例中，第一区块120的材料不同于第一载流子输出区302的材料，不同于公共区50的材料并且不同于第二载流子输出区402的材料。在一些实施例中，公共区50、第一区块120和吸收层10被称为垂直光电二极管。在一些实施例中，第一载流子输出区302和第二载流子输出区402包括gesi。在一些实施例中，由于公共区50和第一区块120包括不同的材料，所以垂直光电二极管是异质结二极管。在一些实施例中，第一开关30、公共区50和第二开关40与衬底20集成在一起。在一些实施例中，从光探测装置的截面图来看，第二端子130包括不小于吸收层10的宽度的宽度。在一些实施例中，第二端子130被称为反射器，用于将入射光l反射回吸收层10中。因此，光探测装置的量子效率更高。在一些实施例中，由于吸收层10的材料不同于衬底20的材料，因此通过使第一载流子输出区302和第二载流子输出区402在吸收层10的外部并与衬底20集成在一起，第二载流子输出区402与第一载流子输出区302之间的泄漏电流更低。

在一些实施例中，衬底20包括硅。吸收层10包括本征锗。第一载流子输出区302包括p型硅，第二载流子输出区402包括p型硅，并且公共区50包括p型硅。第一区块120包括n型锗。例如，第一载流子输出区302、第二载流子输出区402和公共区50包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的硼的硅。第一区块120包括掺杂有磷的锗，磷的峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间。在这些实施例中，光探测装置被配置为收集空穴。在一些实施例中，第一载流子输出区302包括n型硅，第二载流子输出区402包括n型硅，并且公共区50包括n型硅。第一区块120包括p型锗。在这些实施例中，光探测装置被配置为收集电子。例如，吸收层10包括本征锗。第一载流子输出区302、第二载流子输出区402和公共区50包括掺杂有磷的硅，磷的峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间。第一区块120包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的硼的锗。在一些实施例中，由于公共区50覆盖整个吸收层10，所以光探测装置具有改善的量子效率。在一些实施例中，由于在光探测装置的操作期间第一开关30和第二开关40共享公共区50，所以可以迫使大多数载流子移向第二载流子输出区402和第一载流子输出区302中的一个，因此光探测装置具有改善的解调对比度。

图1b所示的光探测装置的操作方法与图1a中公开的光探测装置的操作方法相似。

图1c示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图1c的光探测装置类似于图1b的光探测装置，区别描述如下。在一些实施例中，第一区块120的材料和公共区50的材料相同，并且第一载流子输出区302的材料和第二载流子输出区402的材料相同。在一些实施例中，吸收层10在第一栅极端子301和第二栅极端子401之间。在一些实施例中，第一区块120在吸收层10的底侧102处，并且公共区50在吸收层10的顶侧101处。在一些实施例中，如图1所述的第二端子(未示出)在衬底20中，以电耦合第一区块120和第二外部源。在一些实施例中，第二端子的一侧到达衬底20的第一侧201。因此，第二端子、第一读出端子303、第一栅极端子301、第二栅极端子401和第二读出端子端子403可以在衬底20的同一侧被处理。

在一些实施例中，公共区50、吸收层10和第一区块120被称为垂直光电二极管。在一些实施例中，垂直光电二极管是同质结二极管。在一些实施例中，由于吸收层10的材料不同于衬底20的材料，因此通过使第一载流子输出区302和第二载流子输出区402在吸收层10的外部并与衬底20集成在一起，第二载流子输出区402与第一载流子输出区302之间的泄漏电流更低。

在一些实施例中，衬底20包括n型硅。吸收层10包括本征锗。第一载流子输出区302包括p型硅，第二载流子输出区402包括p型硅。公共区50包括p型锗，并且第一区块120包括n型锗。例如，衬底20包括掺杂有磷的硅，磷的峰值浓度在1×10¹⁴cm^-3和5×10¹⁶cm^-3之间。第一载流子输出区302和第二载流子输出区402包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的硼的硅。公共区50包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的硼的锗。第一区块120包括掺杂有磷的锗，磷的峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间。在这些实施例中，光探测装置被配置为收集空穴。

在一些实施例中，第一载流子输出区302包括n型硅，吸收层10包括本征锗，第二载流子输出区402包括n型硅，并且公共区50包括n型锗。第一区块120包括p型锗。例如，第一载流子输出区302和第二载流子输出区402包括掺杂有磷的硅，磷的峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间。公共区50包括掺杂有磷的锗，磷的峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间。第一区块120包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的硼的锗。在这些实施例中，光探测装置被配置为收集电子。图1中的光探测装置的操作方法与图1b中公开的光探测装置的操作方法相似。类似地，在一些实施例中，公共区50不耦合至任何外部控件，因此是浮置的。在光探测装置的操作期间，浮置的公共区减小了公共区50和第一载流子输出区302之间的泄漏电流，或者减小了公共区50和第二载流子输出区402之间的泄漏电流。

图2a示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图2a中的光探测装置与图1c中的光探测装置相似，下面描述差异。在一些实施例中，第一开关30和第二开关40在吸收层10的两个相反侧。在一些实施例中，代替图1a至图1c中的公共区50，第一开关30包括第一载流子输入区304，第二开关40包括第二载流子输入区404。第一载流子输出区302和第一载流子输入区304处于第一栅极端子301的两个相反侧。第二载流子输出区402和第二载流子输入区404位于第二栅极端子401的两个相反侧。第二载流子输入区404位于第一载流子输入区304和第二栅极端子401之间。在一些实施例中，吸收层10在第一开关30和第二开关40之间。在一些实施例中，第一载流子输出区302、第二载流子输出区402、第一载流子输入区304和第二载流子输入区404在衬底20的第一侧201处。第一栅极端子301和第二栅极端子401在衬底20的第一表面203上。在一些实施例中，第一载流子输出区302的导电类型、第二载流子输出区402的导电类型、第一载流子输入区304的导电类型和第二载流子输入区404的导电类型相同。在一些实施例中，第一载流子输出区302的材料、第一载流子输入区304的材料、第二载流子输出区402的材料和第二载流子输入区404的材料相同。例如，第一载流子输出区302的材料、第一载流子输入区304的材料、第二载流子输出区402的材料和第二载流子输入区404的材料都包括硅。又如，第一载流子输出区302的材料、第一载流子输入区304的材料、第二载流子输出区402的材料和第二载流子输入区404的材料都包括gesi。在一些实施例中，光探测装置还包括连接到吸收层10的。在一些实施例中，第一区140在吸收层10中。在一些实施例中，第一区140在吸收层10的顶侧101处，并且与第一区块120相反。在一些实施例中，第一区140的材料和第一区块120的材料相同。例如，第一区140的材料和第一区块120两者的材料都包括锗。第一区140具有与第一区块120的导电类型不同的第一导电类型。在一些实施例中，第一区140包括掺杂剂，并且掺杂剂包括在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的峰值浓度。在一些实施例中，吸收层10从衬底20的第一表面203突出。在一些实施例中，第二端子130穿透吸收层10并连接到第一区块120。在一些实施例中，光探测装置还包括第一导线150和第二导线160。在一些实施例中，第一导线150连接第一端子100和第一载流子输入区304。在一些实施例中，第二导线160连接第一端子100和第二载流子输入区404。第一导线150用于在吸收层10的外部建立路径，以使载流子从第一区140流向第一载流子输入区304。第二导线160用于在吸收层10的外部建立路径，以使载流子从第一区140流向第二载流子输入区404。在一些实施例中，第一区140、吸收层10和第一区块120被称为垂直光电二极管。在一些实施例中，垂直光电二极管是同质结二极管。在一些实施例中，第一开关30被称为第一mosfet。第二开关40被称为第二mosfet。在一些实施例中，第一开关30被称为第一mesfet。第二开关40被称为第二mesfet。

在一些实施例中，衬底20包括p型硅。吸收层10包括本征锗。第一载流子输出区302包括n型硅，第二载流子输出区402包括n型硅。第一载流子输入区304包括n型硅，第二载流子输入区404包括n型硅。第一区块120包括p型锗。第一区140包括n型锗。例如，第一载流子输出区302、第二载流子输出区402、第一载流子输入区304和第二载流子输入区404包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的磷的硅。第一区140包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的磷的锗。第一区块120包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的硼的锗。在这些实施例中，光探测装置被配置为收集电子。

在一些实施例中，衬底20包括n型硅。吸收层10包括本征锗。第一载流子输出区302包括p型硅，第二载流子输出区402包括p型硅。第一载流子输入区304包括p型硅，第二载流子输入区404包括p型硅。第一区块120包括n型锗。第一区140包括p型锗。例如，第一载流子输出区302、第二载流子输出区402、第一载流子输入区304和第二载流子输入区404包括掺杂有硼的硅，硼的峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3与5×10²⁰cm^-3之间。第一区140包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的硼的锗。第一区块120包括掺杂有磷的锗，磷的峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间。在这些实施例中，光探测装置被配置为收集空穴。图4中的光探测装置的操作方法与图1b中公开的光探测装置的操作方法相似，区别描述如下。在光探测装置的操作期间，载流子经由第一导线150朝着第一开关30移动，并且类似地，载流子经由第二导线160朝着第二开关40移动。因为光探测装置包括第一导线150和第二导线160，用于在吸收层10的外部建立用于载流子的路径，因此可以防止载流子移动穿过吸收层10和衬底20的界面，并且因此，光探测装置的暗电流更低，载流子的传输速度更高。

图2b示出了根据一些实施例的光探测装置的俯视图。图2c示出了图2b所示的光探测装置的截面图。图2c的光探测装置类似于图2a的光探测装置，下面描述差异。在一些实施例中，吸收层10的顶表面103与衬底20的第一表面203齐平。在一些实施例中，第一区140和第一区块120两者都在吸收层10的顶侧101处。第一区140在第一载流子输入区304和第二载流子输入区404之间。在一些实施例中，从第一区块120到第一区140的方向基本上垂直于从第一载流子输入区304到第二载流子输入区404的方向。在一些实施例中，第一区块120沿垂直方向d1不与第一区140重叠。第一区140、吸收层10和第一区块120被称为横向光电二极管。在一些实施例中，横向光电二极管是同质结二极管。术语“横向光电二极管”是指其中从p端子到n端子的方向基本上垂直于从吸收层10的底表面104到顶表面103的方向的光电二极管。图2c中的光探测装置的操作方法与图2a所示的光探测装置的操作方法相似。

图2d示出了根据一些实施例的光探测装置的俯视图。图2d中的光探测装置类似于图2c中的光探测装置，下面描述差异。在一些实施例中，第一区块120在衬底20的第一侧201处。在一些实施例中，第一区块120的材料与第一区140的材料不同。第一区140、吸收层10和第一区块120称为横向光电二极管。在一些实施例中，横向光电二极管是异质结二极管。图2d中的光探测装置的操作方法与图2c中公开的光探测装置的操作方法相似。

图2e示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图2e的光探测装置类似于图2a的光探测装置，下面描述差异。在一些实施例中，第一区140在衬底20和吸收层10之间，并且包括从吸收层10暴露的暴露区。第一端子100在第一区140的暴露区上。在一些实施例中，第一区140在衬底20的第一表面203和吸收层10之间。在一些实施例中，从光探测装置的截面图来看，第一区140包括比吸收层10的宽度更宽的宽度。第一区140经由第一导线150和第一端子100电耦合到第一载流子输入区304。第一区140经由第二导线160和第一端子100电耦合到第二载流子输入区404。形成光探测装置的方法包括以下步骤：形成覆盖层；去除覆盖层的一部分以形成底部和在该底部上形成吸收层10，其中，该底部包括从吸收层10暴露的暴露区；并且，掺杂底部以形成第一区140。由于该光探测装置包括用于在载流子的吸收层10的外部建立路径的第一导线150和第二导线160，因此可以防止载流子移动通过吸收层10和衬底20的界面，因此光探测装置的暗电流更低，并且载流子以更高的速度传输。

图2e中的光探测装置的操作方法与图2c中公开的光探测装置的操作方法相似。

图2f示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图2f中的光探测装置类似于图1a中的光探测装置。区别描述如下。吸收层10嵌入在衬底20中。在一些实施例中，吸收层10的顶表面103与衬底20的第一表面203齐平。在一些实施例中，第一开关30包括如图2a所述的第一载流子输入区304，并且第二开关40包括如图2a所述的第二载流子输入区404。吸收层10的导电类型不同于第一载流子输入区304的导电类型和第二载流子输入区404的导电类型。在一些实施例中，第一载流子输出区302、第二载流子-输出区402、第一载流子输入区304和第二载流子输入区404在吸收层10的顶侧101处。在一些实施例中，第一载流子输出区302的材料、第一载流子输入区304的材料、第二载流子输出区402的材料和第二载流子输入区404的材料相同。例如，第一载流子输出区302的材料、第一载流子输入区304的材料、第二载流子输出区402的材料和第二载流子输入区404的材料都包括p型锗。在一些实施例中，吸收层10和第一载流子输入区304被称为第一光电二极管，并且吸收层10和第二载流子输入区404被称为第二光电二极管。在一些实施例中，第一光电二极管和第二光电二极管两者都是同质结二极管。

图2f中的光探测装置的操作方法图与图1a中公开的光探测装置的操作方法相似。在一些实施例中，入射光l从吸收层10的顶侧101进入吸收层10。

图2g示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图2g中的光探测装置类似于图2f中的光探测装置。区别描述如下。光探测装置包括如图1a所示的第一区块120。第一区块120在吸收层10中。在一些实施例中，第一区块120在吸收层10的顶侧101处。第一区块120的导电类型不同于第一载流子输入区304的导电类型和第二载流子输入区404的导电类型。在一些实施例中，吸收层10是本征的。第一载流子输入区304、吸收层10和第一区块120被称为第一横向光电二极管。在一些实施例中，第二载流子输入区404、吸收层10和第一区块120被称为第二横向光电二极管。在一些实施例中，第一横向光电二极管和第二横向光电二极管都是同质结二极管。

在一些实施例中，第一开关30被称为第一mesfet。第二开关40被称为第二mesfet。在一些实施例中，第一载流子输入区304是第一mesfet的一端，也是第一横向光电二极管的一端。在一些实施例中，第二载流子输入区404是第二mesfet的一端，也是第二横向光电二极管的一端。在一些实施例中，第一mesfet、第二mesfet、第一横向光电二极管和第二横向光电二极管与单个吸收层10集成在一起。

在一些实施例中，第一开关30被称为第一mosfet。第二开关40被称为第二mosfet。在一些实施例中，第一载流子输入区304是第一mosfet的一端，并且是第一横向光电二极管的一端。在一些实施例中，第二载流子输入区404是第二mosfet的一端，并且是第二横向光电二极管的一端。在一些实施例中，第一mosfet、第二mosfet、第一横向光电二极管和第二横向光电二极管与单个吸收层10集成在一起。例如，当第一载流子输出区302、第一载流子输入区304、第二载流子输出区402和第二载流子输入区404为n型，并且第一区块120为p型时，第一载流子输入区304为第一横向光电二极管的n端子以及第一mosfet或第一mesfet的源极。第二载流子输入区404是第二横向光电二极管的n端子，并且是第二mosfet或第二mesfet的源极。第一区块120是第一横向光电二极管的p端子和第二横向光电二极管的p端子。在一些实施例中，第一mosfet和第二mosfet可以是增强模式。在一些实施例中，第一mosfet和第二mosfet可以是耗尽模式。

又如，当第一载流子输出区302、第一载流子输入区304、第二载流子输出区402和第二载流子输入区404为p型，并且第一区块120是n型时，第一载流子输入区304是第一横向光电二极管的p端子，并且是第一mosfet或第一mesfet的源极。第二载流子输入区404是第二横向光电二极管的p端子，并且是第二mosfet或第二mesfet的源极。第一区块120同时是第一横向光电二极管的n端子和第二横向光电二极管的n端子。

在一些实施例中，吸收层10包括本征锗。第一载流子输出区302包括n型锗，第二载流子输出区402包括n型锗，第一载流子输入区304包括n型锗，并且第二载流子输入区404包括n型锗。第一区块120包括p型锗。例如，第一载流子输出区302、第二载流子输出区402、第一载流子输入区304和第二载流子输入区404包括掺杂有磷的锗，磷的峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间。第一区块120包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的硼的锗。在这些实施例中，光探测装置被配置为收集电子。

在一些实施例中，第一载流子输出区302包括p型锗，第二载流子输出区402包括p型锗，第一载流子输入区304包括p型锗，并且第二载流子输入区404包括p型锗。第一区块120包括n型锗。例如，第一载流子输出区302、第二载流子输出区402、第一载流子输入区304和第二载流子输入区404包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3与5×10²⁰cm^-3之间的硼的锗。第一区块120包括掺杂有磷的锗，磷的峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间。在这些实施例中，光探测装置被配置为收集空穴。图2g中的光探测装置的操作方法与图1a中公开的光探测装置的操作方法相似。区别描述如下。在一些实施例中，在光探测装置的操作期间，当第一区块120和第一载流子输入区304之间的pn结被反向偏置时，入射光l被第一区块120和第一载流子输入区304之间的区吸收，以产生包括电子和空穴的光载流子。接通第一开关30以收集光载流子的大部分空穴或电子。由于产生光载流子的区更靠近被接通的第一开关30，因此光探测装置具有改善的解调对比度。类似地，当第一区块120和第二载流子输入区404之间的pn结被反向偏置时，入射光l被第一区块120和第二载流子输入区404之间的区吸收，以产生包括电子和空穴的光载流子。接通第二开关40以收集光载流子的大部分的空穴或电子。由于产生光载流子的区更靠近被接通的第二开关40，因此光探测装置具有改善的解调对比度。

图2h示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图2h中的光探测装置类似于图2g中的光探测装置。区别描述如下。在一些实施例中，第一载流子输出区302、第二载流子输出区402、第一载流子输入区304和第二载流子输入区404在衬底20的第一侧201处。在一些实施例中，吸收层10在第一开关30和第二开关40之间。在一些实施例中，第一载流子输出区302的材料、第一载流子输入区304的材料、第二载流子输出区402的材料和第二载流子输入区404的材料相同。在一些实施例中，吸收层10是本征的。第一载流子输入区304、吸收层10和第一区块120被称为第一横向光电二极管。第二载流子输入区404、吸收层10和第一区块120被称为第二横向光电二极管。在一些实施例中，第一横向光电二极管和第二横向光电二极管都是异质结二极管。在一些实施例中，从光探测装置的截面图来看，第二端子130的宽度不小于吸收层10的宽度。在一些实施例中，第二端子130被称为用于向吸收层10反射入射光l的反射器。因此，光探测装置的量子效率更高。由于吸收层10的材料不同于衬底20的材料，因此，通过将第一开关30和第二开关40置于吸收层10的外部并与衬底20集成在一起，第二载流子输出区402和第一载流子输出区302之间的泄漏电流更低。

图2h中的光探测装置的操作方法图与2g中公开的光探测装置的操作方法相似。

图3a示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。光探测装置包括衬底20、吸收层10、第一读出电路80、第二读出电路90、第一控制信号60、第二控制信号70以及如在图2a所述的载流子引导单元(未标记)。载流子引导单元(未标记)、第一读出电路80、第二读出电路90、第一控制信号60和第二控制信号70与衬底20集成在一起，并且第一读出电路80，第二读出电路90、第一控制信号60和第二控制信号70电耦合到载流子引导单元(未标记)。载流子引导单元类似于图2a中描述的载流子引导单元。在一些实施例中，第一区140在吸收层10的底侧102处。第一区块120在吸收层10的顶侧101处。在一些实施例中，第一区140、吸收层10和第一区块120被称为垂直光电二极管。在一些实施例中，垂直光电二极管是同质结二极管。在一些实施例中，光探测装置还包括在衬底20和吸收层10之间的键合结构170，用于在载流子引导单元(未标记)和光电二极管之间建立电连接。在一些实施例中，键合结构170连接载流子引导单元(未标记)和吸收层10。在一些实施例中，键合结构170连接第一区140和载流子引导单元(未标记)。在一些实施例中，键合结构170包括键合层171和穿透键合层171的第一导电结构172。第一导电结构172连接第一载流子输入区304和第一区140，并且连接第二载流子输入区404和第一区140，用于在光电二极管和载流子引导单元(未标记)之间建立电连接。在光探测装置的操作期间，载流子通过第一导电结构172朝着第一开关30或第二开关40移动。在一些实施例中，第一栅极端子301和第二栅极端子401被第一键合层171覆盖。第一读出端子303和第二读出端子403被键合层171覆盖。在一些实施例中，第一读出电路80、第二读出电路90、第一控制信号60和第二控制信号70被键合层171覆盖。键合层171用于隔离各个导电路径。在一些实施例中，键合层171包括堆叠在一起的多个子绝缘层(未示出)。在一些实施例中，键合结构170还包括多个导电沟槽(未示出)和内部接触(未示出)。多个导电沟槽中的每一个垂直地穿过子绝缘层中的至少一个，以在不同的子绝缘层内建立电连接。每个内部接触在子绝缘层之一内，以水平连接导电沟槽的两个。在一些实施例中，第一导电结构172还包括多个导电沟槽和内部接触，其中，一个导电沟槽连接第一区140，并且另一个导电沟槽连接第一载流子输入区304和第二载流子输入区404两者。在一些实施例中，导电沟槽的材料和内部接触的材料包括但不限于金属。键合层171包括绝缘材料，该绝缘材料包括氧化铝(alox)、氧化硅(siox)、氧氮化硅(sioxny)、氮化硅(sixny)、环氧树脂、聚酰亚胺、全氟环丁烷、苯并环丁烯(bcb)或硅树脂。

图3a中的光探测装置的操作方法与图2a中公开的光探测装置的操作方法相似。

图3b至图3e示出了根据一些实施例的用于制造图3a中的光探测装置的方法。参见图3b，该方法包括：提供生长衬底180；以及通过外延生长或任何合适的方法在生长衬底180上形成吸收层10。参考图3c，该方法还包括：通过诸如离子注入的任何合适的方法，在吸收层10中形成第一区140和第一区块120。参见图3d，该方法还包括：在吸收层10上形成子绝缘层1711；以及形成穿透吸收层10上的子绝缘层的导电沟槽1721以连接第一区140。参照图3e，该方法进一步包括提供与载流子引导单元(未标记)、第一读出电路80、第二读出电路90、第一控制信号60和第二控制信号70集成的衬底20，其中，第一控制信号60和第二控制信号70电耦合到载流子引导单元(未标记)。衬底20包括第一侧201和与第一侧201相反的第二侧202，并且第一侧201包括第一表面203；在衬底20的第一表面203上形成子绝缘层1711’，并覆盖第一栅极端子301、第二栅极端子401；在衬底20的第一表面203上形成穿透子绝缘层1711'的导电沟槽1721’，以连接第一载流子输入区304和第二载流子输入区404。该方法还包括图3e中的键合结构和图3d中的结构。在一些实施例中，该方法包括将衬底20上的子绝缘层1711’与吸收层10上的子绝缘层1711键合以形成键合结构170，其中，两个导电沟槽1721、1721’在键合步骤之后连接；然后通过诸如icp或湿法刻蚀的任何合适的方法去除生长衬底180。在键合步骤之后，将载流子引导单元电耦合至吸收层10中的光电二极管。在一些实施例中，在键合步骤之后，载流子引导单元被电耦合到吸收层10中的第一区140。

在一些实施例中，生长衬底180提供用于外延生长吸收层10的表面。生长衬底180具有厚得足以支撑在其上生长的层或结构的厚度。生长衬底180是单晶的并且包括半导体材料，例如，iv族半导体材料。在一实施例中，生长衬底180包括si。

在一些实施例中，键合步骤通过任何合适的技术进行，诸如热键合或包括金属-金属键合和氧化物-氧化物键合的混合键合。

图3f示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3f的光探测装置类似于图3a的光探测装置。区别描述如下。在一些实施例中，第一区块120在吸收层10的底侧102处。第一区140、吸收层10和第一区块120被称为横向光电二极管。横向光电二极管是同质结二极管。图3f的光探测装置的操作方法与图3a中公开的光探测装置的操作方法相似。图3f的光探测装置的制造方法与图3a的光探测装置的制造方法相似。

图3g示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3g的光探测装置与图3f中的光探测装置相似。下面描述图3f和3g的实施例之间的差异。在一些实施例中，代替第一载流子输入区304与第二载流子输入区404第一载流子输入区在物理上分开，载流子引导单元(未标记)包括在第一栅极端子301和第二栅极端子401之间的公共区50。公共区50类似于图1a中描述的公共区50。第一导电结构172连接第一区140和公共区50。在一些实施例中，第一开关30和公共区50被称为第一mosfet。第二开关40和公共区50被称为第二mosfet。在一些实施例中，第一mosfet和第二mosfet共享公共区50。在一些实施例中，第一开关30和公共区50被称为第一mesfet。第二开关40和公共区50被称为第二mesfet。在一些实施例中，第一mesfet和第二mesfet共享公共区50。

图3h示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3h中的光探测装置与图3a中的光探测装置相似。区别描述如下。在一些实施例中，键合结构170还包括穿透键合层171的第二导电结构173。第一导电结构172连接第一载流子输入区304和第一区140，以在光电二极管和第一开关30之间建立电连接。第二导电结构173连接第二载流子输入区404和第一区140，以在光电二极管和第二开关40之间建立电连接。在一些实施例中，第一导电结构172包括多个导电沟槽(未示出)和内部接触(未示出)，其中，一个导电沟槽连接第一区140，而一个导电沟槽连接第二载流子输入区404。在一些实施例中，从光探测装置的截面图看，吸收层10的宽度小于衬底20的宽度。在光探测装置的操作中，载流子通过第一导电结构172朝向第一开关30移动。载流子通过第二导电结构173朝向第二开关40移动。

用于制造图3h中的光探测装置的方法与图3a中公开的光探测装置的制造方法相似。图3h中的光探测装置的操作方法与图3a中公开的光探测装置的操作方法相似。

图3i示出根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3i中的光探测装置类似于图3a中的光探测装置。区别描述如下。光探测装置还包括第二吸收层10’、第二载流子引导单元(未标记)和第二键合结构170’。在一些实施例中，第二吸收层10’沿着光入射方向与吸收层10重叠。第二载流子引导单元(未标记)与衬底20集成在一起，并且具有与如图1a或图2a中所述的载流子引导单元(未标记)相同的结构。

在一些实施例中，光探测装置还包括电耦合到第二载流子引导单元并与衬底20集成在一起的另一个第一读出电路80'、另一个第二读出电路90'、另一个第一控制信号60'和另一个第二控制信号70'(未标记)。换句话说，载流子引导单元(未标记)、电耦合到载流子引导单元(未标记)的第一读出电路80、电耦合到载流子引导单元(未标记)的第二读出电路90、电耦合到载流子引导单元(未标记)的第一控制信号60、电耦合到载流子引导单元(未标记)的第二控制信号70、第二载流子引导单元(未标记)、电耦合到第二载流子引导单元(未标记)的第一读出电路80'、电耦合到第二载流子引导单元(未标记)的第二读出电路90'、电耦合到第二载流子引导单元(未标记)的第一控制信号60’，以及电耦合到第二载流子引导单元(未标记)的第二控制信号70’都与同一衬底20集成在一起。

第二键合结构170'用于连接第二吸收层10'和吸收层10，并且还用于连接第二吸收层10'和衬底20。在一些实施例中，第二键合结构170'用于在第二载流子引导单元(未标记)与第二吸收层10′之间建立电连接。在一些实施例中，第二键合结构170'用于连接第二吸收层10'和第二载流子引导单元(未标记)。第二吸收层10被配置为吸收光子并从吸收的光子产生光载流子。在一些实施例中，第二吸收层10'被配置为吸收具有与被吸收层10吸收的光子的峰值波长不同的峰值波长的光子。在一些实施例中，第二吸收层10'被配置为吸收在350nm至750nm之间的可见范围内的峰值波长的光子。在一些实施例中，第二吸收层10'被配置为吸收具有不小于800nm且不大于2000nm的峰值波长的光子。在一些实施例中，第二吸收层10′包括与吸收层10的材料不同的材料。在一些实施例中，第二吸收层10′包括gesi、si或锗。在一些实施例中，第二吸收层10’由si组成，并且吸收层10由ge组成。在一些实施例中，第二吸收层10’的厚度取决于要探测的光子的波长和第二吸收层10’的材料。在一些实施例中，当第二吸收层10’包括si并且被设计成吸收具有在可见范围内的波长的光子时，第二吸收层10’的厚度在0.5um与10um之间。在一些实施例中，光探测装置在第二吸收层10'中包括另一个第一区140'和另一个第一区块120'。类似地，第二吸收层10'中的第一区块120'具有与第二吸收层10'中的第一区140'的第一导电类型不同的导电类型。第二吸收层10'中的第一区块120'、第二吸收层10'中的第一区140'被称为光电二极管。在一些实施例中，第二吸收层10'中的第一区140'可以被布置为垂直光电二极管。在一些实施例中，第二吸收层10'中的第一区140'可以被布置为横向光电二极管。在一些实施例中，第二键合结构170’用于在第二载流子引导单元(未标记)与光电二极管之间建立电连接。在一些实施例中，第二键合结构170'用于在第二载流子引导单元(未标记)与第一区140'之间建立电连接。在一些实施例中，第二键合结构170'用于连接第一区140'和第二载流子引导单元(未标记)。

第二键合结构170'包括第二键合层171'和穿透第二键合层171'的第一导电结构172'，以在吸收层10中的第二载流子引导单元(未标记)和光电二极管之间建立电连接。在一些实施例中，第一导电结构172'连接第二吸收层10中的第一区140'与第二载流子引导单元(未标记)的第一载流子输入区304，并且还连接在第二吸收层10中的第一区140'和第二载流子引导单元(未标记)的第二载流子输入区404。在一些实施例中，第一导电结构172'包括多个导电沟槽(未示出)和内部接触(未示出)，其中，一个导电沟槽连接第二吸收层10中的第一区140'，并且另一个导电沟槽连接第二载流子引导单元(未标记)的第二载流子输入区404。在一些实施例中，第二键合层171包括堆叠在一起的多个子绝缘层。在一些实施例中，第二键合结构170还包括多个导电沟槽(未示出)和内部接触(未示出)。多个导电沟槽中的每个垂直地穿过第二键合层171的子绝缘层中的至少一个，以在第二键合层171的不同子绝缘层内建立电连接。第二键合层171包括绝缘材料，该绝缘材料包含氧化铝(alox)、氧化硅(siox)、氮氧化硅(sioxny)、氮化硅(sixny)、环氧树脂、聚酰亚胺、全氟环丁烷、苯并环丁烯(bcb)或硅酮。在一些实施例中，单个光探测装置被配置为吸收不同波长的光子。

图3j示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3j的光探测装置与图3a中的光探测装置相似。区别描述如下。在一些实施例中，光探测装置还包括如图3h中所述的第二导电结构173。在一些实施例中，光探测装置还包括第二区190和第二区块200。第二区块200与第一区块120物理分离。第二区190与第一区140物理分离。第二区190和第一区140位于吸收层10的底侧102处。第二区块200和第一区块120位于吸收层10的顶侧101处。第二区190具有与第一区140的第一导电类型相同的第二导电类型。第二区块200具有与第一区块120的导电类型相同的导电类型。第一区140、吸收层10和第一区块120被称为第一垂直光电二极管。在一些实施例中，第二区190、吸收层10和第二区块200被称为第二垂直光电二极管。第一导电结构172连接第一载流子输入区304和第一区140，以在第一垂直光电二极管和第一开关30之间建立电连接。第二导电结构173连接第二载流子输入区404和第二区190，用于在第二垂直光电二极管和第二开关40之间建立电连接。在一些实施例中，光探测装置还包括电耦合到第二区块200的第三端子(未示出)，以在光探测装置的操作期间，排空具有第二载流子输出区402未收集的相反类型的光载流子。在一些实施例中，如图1所述的第二端子(未示出)电耦合到第一区块120，用于排空在光探测装置的操作期间具有第一载流子输出区302未收集的相反类型的光载流子。第三端子包括金属，该金属包括但不限于铜、铝或钨。在一些实施例中，光探测装置还包括电耦合到第二区块200的第三外部源(未示出)。在一些实施例中，第三外部源电耦合到第三端子，用于在第三外部源和第二区块200之间建立电连接。在一些实施例中，当光探测装置被配置为收集电子时，第三外部源包括电接地，或者提供小于第二载流子输入区404处的电压的预设电压，以排空空穴。在一些实施例中，第二区块200不耦合到任何外部控件，因此是浮置的。

图3j中的光探测装置的操作方法与图3a中公开的光探测装置的操作方法相似。区别描述如下。在一些实施例中，在光探测装置的操作期间，两个不同的电压被施加到第一栅极端子301和第二栅极端子401，以在第二区块200和第二区190之间以及在第一区140和第一区块120之间产生不同的耗尽区。当第一开关30接通时，在第一区140和第一区块120之间形成更大的耗尽，并且第一载流子输出区302通过第一导电结构172收集光载流子的空穴或电子的主要部分。类似地，当第二开关40接通时，在第二区块200和第二区190之间形成更大的耗尽，并且第二载流子输出区402通过第二导电结构173收集光载流子的空穴或电子的主要部分。光探测装置具有更高的速度。

图3k示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3k中的光探测装置与图3f中的光探测装置相似。区别描述如下。在一些实施例中，光探测装置还包括支撑构件220。支撑构件220支撑吸收层10。在一些实施例中，吸收层10被嵌入在支撑构件220中。在一些实施例中，吸收层10在一部分支撑构件220和衬底20之间。在一些实施例中，支撑构件220包括上侧221和与上侧221相反的下侧222。下侧222包括下表面223。在一些实施例中，支撑构件220的下表面223与吸收层10的底表面104齐平。在一些实施例中，支撑构件包括与吸收层10的材料不同的材料。支撑构件220包括可以在其上制造吸收层10的任何合适材料。在一些实施例中，支撑构件220包括与衬底20的材料相同的材料。在一些实施例中，支撑构件220包括硅。在一些实施例中，光探测装置还包括如图1所述的第二端子(未示出)，该第二端子连接到第一区块120以接收电压。

图3k中的光探测装置的操作方法类似于用于制造图3f中的光探测装置的方法。用于制造图3k中的光探测装置的方法与用于制造图3a中公开的光探测装置的方法相似。区别描述如下。生长衬底20是支撑构件220，并且在键合步骤之后保留。

图3l示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3l的光探测装置与图3k中的光探测装置相似。区别描述如下。在一些实施例中，第一区块120在支撑构件220中并且连接到吸收层10。在一些实施例中，第一区块120的材料不同于第一区140的材料。在一些实施例中，第一区块120包括硅，第一区140包括锗。在一些实施例中，第一区140、吸收层10和第一区块120被称为垂直光电二极管。在一些实施例中，垂直光电二极管是异质结二极管。

用于制造图3l中的光探测装置的方法与图3k中公开的光探测装置的制造方法相似。

图3m示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3m中的光探测装置类似于图3l中的光探测装置。区别描述如下。第一区140在支撑构件220中。第一区块120在吸收层10中。光探测装置还包括在第一区140和第一区块120之间的倍增区230。在一些实施例中，倍增区230位于支撑构件220中。倍增区230的导电类型不同于第一区140的第一导电类型，并且与第一区块120的导电类型相同。在一些实施例中，倍增区230包括掺杂剂，并且该掺杂剂包括在1×10¹⁴cm^-3和1×10¹⁸cm^-3之间的峰值浓度。在一些实施例中，第一区块120的掺杂剂的峰值浓度高于倍增区230的掺杂剂的峰值浓度。在一些实施例中，吸收层10是本征的。在一些实施例中，第一区块120、倍增区230、吸收层10和第一区140被称为垂直雪崩光电二极管。在一些实施例中，垂直雪崩光电二极管是异质结二极管。在一些实施例中，光探测装置还包括连接第一区140和第一导电结构172的导电区300，用于在第一区140和第一导电结构172之间建立电连接。在一些实施例中，导电区300在支撑构件220中。在一些实施例中，导电区300包括金属。在一些实施例中，导电区300包括与第一区140的第一导电类型相同的导电类型的半导体材料。例如，当第一区140的第一导电类型为n型时，导电区300包括n型半导体材料。在这些实施例中，当光电二极管处于高反向偏置电压下，诸如在10v与30v之间时，光电二极管具有内部增益。在一些实施例中，第一区140的材料和倍增区230的材料包括si，吸收层10的材料和第一区块120的材料包括ge。

图3m中的光探测装置的操作方法与图3k中公开的光探测装置的操作方法相似。区别在于光探测装置能够在较高的反向偏置电压(诸如10v至30v之间)下运行，因此光电二极管具有内部增益。因此，更多的载流子被第一载流子输出区302或第二载流子输出区402收集。

图3n示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3n的光探测装置类似于图3k的光探测装置。区别描述如下。在一些实施例中，光探测装置包括第二区190和第三区240。第二区190在吸收层10中并且与第一区140物理上分开。在一些实施例中，第二区190和第三区240位于吸收层10的底侧102处。第二区190具有与第一区140的第一导电类型相同的第二导电类型。在一些实施例中，第二区190包括掺杂剂，并且掺杂剂包括在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的峰值浓度。在一些实施例中，第二区190的掺杂剂的峰值浓度高于第一区140的掺杂剂的峰值浓度。第三区240在吸收层10中。第三区240与第一区140物理隔离，并且围绕第二区190。第三区240具有不同于第一区140的第一导电类型并且不同于第二区190的第二导电类型的第三导电类型。在一些实施例中，第三区240包括掺杂剂，第三区240的掺杂剂的峰值浓度低于第一区140的掺杂剂的峰值浓度并且低于第二区190的掺杂剂的峰值浓度。在一些实施例中，第三区240的掺杂剂包括在1×10¹⁵cm^-3和1×10¹⁸cm^-3之间的峰值浓度。在一些实施例中，第一区140的材料、第二区190的材料和第三区240的材料是相同的。在一些实施例中，吸收层10是本征的。在一些实施例中，第一区140、第二区190和第三区240被称为光电晶体管，其中，第一区140被称为集电极，第二区190被称为发射极，第三区240被称为基极。在一些实施例中，光电晶体管是同质结光电晶体管。

在一些实施例中，第三区240不耦合至任何外部控件，因此是浮置的。

图3n中的光探测装置的操作方法与图3k中公开的光探测装置的操作方法相似。区别描述如下。当操作光探测装置时，一些光载流子累积在第三区240中，这部分地遮蔽了第二区190和第三区240之间的耗尽区。第二区190和第三区240之间的正向偏置的pn结产生，从而迫使第二区190引入更多的载流子并被第一区140提取。因此，光探测装置具有β增益。该光探测装置具有改进的灵敏度和信噪比。

图3o示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3o中的光探测装置类似于图3n中的光探测装置。区别描述如下。在一些实施例中，第二区190和第三区240在支撑构件220中并且在吸收层10的外部。在一些实施例中，第二区190和第三区240在支撑构件220的下侧222处。在一些实施例中，第一区140的材料不同于第二区190的材料和第三区240的材料。例如，第一区140的材料包括ge，并且第二区190的材料和第三区240的材料包括si。在一些实施例中，第一区140、第二区190和第三区240被称为光电晶体管，其中，第一区140被称为集电极，第二区190被称为发射极，第三区240被称为基极。在一些实施例中，光电晶体管是异质结光电晶体管。在一些实施例中，由于第二区190在支撑构件220中，所以第二区190与第二端子(未示出)之间的接触电阻更低。因此，光探测装置具有更低的rc延迟。

图3o中的光探测装置的操作方法与图3n中公开的光探测装置的操作方法相似。

图3p示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3p中的光探测装置与图3o中的光探测装置相似。区别描述如下。在一些实施例中，第三区240在吸收层10和支撑构件220两者中。在一些实施例中，第三区240包括两种不同的材料。例如，第三区240包括si和ge。图3p中的光探测装置的操作方法与图3o中公开的光探测装置的操作方法相似。

图3q示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3q中的光探测装置与图3p中的光探测装置相似。区别描述如下。在一些实施例中，光探测装置还包括在吸收层10中的第四区250。在一些实施例中，第四区250与第二区190物理上分离，并且也与第一区140物理上分离。第四区250在第一区140和第二区190之间并且被第三区240围绕。在一些实施例中，第四区250包括与第一区140的材料、第二区190的材料和第三区240的材料相同的材料。例如，第一区140的材料、第二区190的材料、第三区240的材料和第四区250的材料都包括ge。在一些实施例中，第四区250具有不同于第一区140的第一导电类型和第二区190的第二导电类型的第四导电类型。第四区250的第四导电类型与第三区240的第三导电类型相同。在一些实施例中，第四区250包括掺杂剂，该掺杂剂的峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间。在一些实施例中，第四区250的掺杂剂的峰值浓度高于第三区240的掺杂剂的峰值浓度。在一些实施例中，如图1所述的第二端子130(未示出)连接到第四区250，用于排空在光探测装置的操作期间未被第一区140收集的相反类型的光载流子。

在一些实施例中，第一区140、第二区190和第三区240被称为光电晶体管，其中，第一区140被称为集电极，第二区190被称为发射极，第三区240被称为基极。在一些实施例中，光电晶体管是同质结光电晶体管。

图3q中的光探测装置的操作方法与图3p中公开的光探测装置的操作方法相似。区别描述如下。在一些实施例中，当光探测装置被配置为收集电子时，从连接到第四区250的第二端子(未示出)排空空穴，这迫使更多的电子移动穿过第三区240到达第一区140。因此，光探测装置具有β增益。该光探测装置具有改进的灵敏度和信噪比。

图3r示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图3r的光探测装置类似于图3q的光探测装置。区别描述如下。在一些实施例中，第二区190、第三区240和第四区250在吸收层10的外部并且在支撑构件220的下侧222处。在一些实施例中，第一区140的材料不同于第二区190的材料、第三区240的材料和第四区250的材料。例如，第一区140的材料包括ge，第二区190的材料、第三区240的材料和第四区250的材料包括si。在一些实施例中，第一区140、第二区190和第三区240被称为光电晶体管，其中，第一区140被称为集电极，第二区190被称为发射极，第三区240被称为基极。在一些实施例中，光电晶体管是异质结光电晶体管。在一些实施例中，由于第二区190在支撑构件220中，所以第二区190与第二端子(未示出)之间的接触电阻更低。因此，光探测装置具有更低的rc延迟。

图3r中的光探测装置的操作方法与图3q中公开的光探测装置的操作方法相似。

图3s示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图1中的光探测装置包括：图3s的光探测装置与图3r中的光探测装置相似。区别描述如下。在一些实施例中，第三区240在吸收层10和支撑构件220两者中。第三区240包括两种不同的材料。例如，第四区250包括si或ge。在一些实施例中，第四区250在吸收层10中，并且第二区190在支撑构件220中。第一区140、第二区190和第三区240被称为光电晶体管，其中，第一区140被称为集电极，第二区190被称为发射极，第三区240被称为基极。在一些实施例中，光电晶体管是异质结光电晶体管。

图3s中的光探测装置的操作方法与图3r中公开的光探测装置的操作方法相似。

图4a示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图4a中的光探测装置类似于图1a中的光探测装置。区别描述如下。第一载流子输出区302的导电类型不同于公共区50的导电类型。第二载流子输出区402的导电类型不同于公共区50的导电类型。吸收层10具有与公共区50的导电类型相同的导电类型。在一些实施例中，公共区50和第一载流子输出区302被称为第一横向光电二极管。在一些实施例中，公共区50和第二载流子输出区402被称为第二横向光电二极管。在一些实施例中，第一横向光电二极管是同质结二极管。第二横向光电二极管是同质结二极管。在一些实施例中，第一开关30、第二开关40和公共区50与单个吸收层10集成在一起，因此光探测装置具有改善的解调对比度。在一些实施例中，第一栅极端子301包括在第一接触层和吸收层10之间的第一绝缘层，并且第二栅极端子401包括在第一接触层和吸收层10之间的第二绝缘层。

在一些实施例中，当操作图4a所示的光探测装置时，入射光l被吸收层10吸收，然后产生包括电子和空穴的光载流子。将两个不同的电压施加到第一栅极端子301和第二栅极端子401，以在第一绝缘层(未示出)下方或第二绝缘层(未示出)下方形成反转区。然而，由于第一载流子输出区302的导电类型和第二载流子输出区402的导电类型与公共区50不同，因此形成有反转区的第一开关30或者形成有反转区的第二开关40未接通。相反，由于与没有形成反转区的另一个开关相比，耗尽区较小，所以驱动了光载流子的空穴或电子的主要部分，使其通过在较大的耗尽区中的电场向第一载流子输出区302或第二载流子输出区402移动。例如，当将两个不同的电压施加到第一栅极端子301和第二栅极端子401以在第一绝缘层(未示出)下方形成反转区时，公共区50和第一载流子输出区302之间的耗尽区小于公共区50和第二载流子输出区402之间的耗尽区，因此，光载流子的大部分空穴或电子被较大的电场驱动而向第二载流子输出区402移动。又如，当两个不同的电压被施加到第一栅极端子301和第二栅极端子401以在第二绝缘层(未示出)下方形成反转区时，公共区50和第一载流子输出区302之间的耗尽区大于公共区50和第二载流子输出区402之间的耗尽区，因此，光载流子的空穴或电子的大部分由较大的电场驱动而向第一载流子输出区302移动。通过在公共区50的两个相反侧上形成反转层以产生不同尺寸的耗尽区，大部分载流子被驱动以向与反转层相反的方向移动。

在本公开中，在同一光探测装置中，由第一载流子输出区302收集的载流子的类型和由第二载流子输出区402收集的载流子的类型是相同的。例如，当光探测装置被配置为收集电子时，当在第一绝缘层(未示出)下方形成反转层时，第二载流子输出区402收集光载流子的电子，以及当在第二绝缘层(未示出)的下方形成反转层时，第一载流子输出区302收集光载流子的大部分电子。

在一些实施例中，衬底20包括硅，吸收层10包括n型锗，公共区50包括p型锗。第一载流子输出区302和第二载流子输出区402包括n型锗。第一载流子输出区302和第二载流子输出区402中的每一个具有峰值浓度高于吸收层10的掺杂剂的峰值浓度的掺杂剂。例如，吸收层10包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁴cm^-3和5×10¹⁶cm^-3之间的磷的锗。公共区50包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的硼的锗。第一载流子输出区302和第二载流子输出区402包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的磷的锗。

在光探测装置的操作期间，吸收层10处于第一电压v1(例如3v)，并且公共区50处于低于第一电压的第二电压(例如0v)。入射光l从衬底20的第二侧202进入吸收层10，然后被吸收层10吸收以产生包括电子和空穴的光载流子。第一栅极端子301接收第三电压(例如0v)，并且第二栅极端子401接收高于第三电压的第四电压(例如1v)。驱动光载流子的空穴向第一栅极端子301移动，并且在第一绝缘层(未示出)下方形成反转区。由于形成了反转区，因此第一载流子输出区302与公共区50之间的耗尽区小于第二载流子输出区402与公共区50之间的耗尽区。然后，通过更强的电场，光载流子的电子的主要部分被驱动向第二载流子输出区402移动。可替代地，第一栅极端子301接收第五电压(例如1v)，并且第二栅极端子401接收比第五电压低的第六电压(例如0v)。驱动光载流子的空穴向第二栅极端子401移动，并且在第二绝缘层(未示出)下方形成反转区。由于形成了反转区，因此第二载流子输出区402和公共区50之间的耗尽区小于第一载流子输出区302和公共区50之间的耗尽区。然后，通过更强的电场，光载流子的电子的主要部分被驱动向第一载流子输出区302移动。在这些实施例中，光探测装置被配置为收集电子。

在一些实施例中，衬底20包括硅，吸收层10包括本征锗，公共区50包括n型锗。第一载流子输出区302和第二载流子输出区402包括p型锗。第一载流子输出区302和第二载流子输出区402中的每一个具有峰值浓度高于吸收层10的掺杂剂的峰值浓度的掺杂剂。例如，公共区50包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的磷的锗。第一载流子输出区302和第二载流子输出区402包括掺杂有峰值浓度在1×10¹⁸cm^-3和5×10²⁰cm^-3之间的硼的锗。在光探测装置的操作期间，吸收层10处于第一电压v1(例如0v)，并且公共区50处于高于第一电压的第二电压(例如3v)。入射光l从衬底20的第二侧202进入吸收层10，然后被吸收层10吸收以产生包括电子和空穴的光载流子。第一栅极端子301接收第三电压(例如1v)，并且第二栅极端子401接收低于第三电压的第四电压(例如0v)。光载流子的电子被驱动朝向第一栅极端子301移动，并且在第一绝缘层(未示出)下方形成反转区。由于形成了反转区，因此第一载流子输出区302与公共区50之间的耗尽区小于第二载流子输出区402与公共区50之间的耗尽区。然后，通过更强的电场，光载流子的空穴的主要部分被驱动向第二载流子输出区402移动。可替代地，第一栅极端子301接收第五电压(例如0v)，并且第二栅极端子401接收比第五电压高的第六电压(例如1v)。光载流子的电子被驱动向第二栅极端子401移动，并且在第二绝缘层(未示出)下方形成反转区。由于形成了反转区，因此第二载流子输出区402与公共区50之间的耗尽区小于第一载流子输出区302与公共区50之间的耗尽区。然后，通过更强的电场，光载流子的空穴的主要部分被驱动向第一载流子输出区302移动。在这些实施例中，光探测装置被配置为收集空穴。

在一些实施例中，当光探测装置在高于使得在公共区50与第一载流子输出区302之间或者在公共区50与第二载流子输出区402之间发生雪崩电压的电压下操作时，会导致碰撞电离产生大量的次级载流子。然后，次级载流子被第一载流子输出区302或者第二载流子输出区402收集。因此，光探测装置具有内部增益。

图4b示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图4b的光探测装置类似于图4a的光探测装置，不同之处在于吸收层10被嵌入衬底20中。在一些实施例中，吸收层10的顶表面103与衬底20的第一表面203齐平。图4ab中的光探测装置的操作方法类似于图4a中公开的光探测装置的操作方法。

图4c示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图4c的光探测装置类似于图4b的光探测装置，下面描述差异。在一些实施例中，吸收层10被部分地嵌入在衬底20中。在一些实施例中，衬底20的第一表面203在吸收层10的底表面104和顶表面103之间。在一些实施例中，吸收层10包括在顶表面103和底表面104之间的侧壁105。侧壁105的一部分从衬底20露出。图4c中的光探测装置的操作方法与图4a中公开的光探测装置的操作方法相似。

图4d示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图4d的光探测装置类似于图4a中的光探测装置，下面描述差异。在一些实施例中，第一栅极端子301沿着垂直方向d1与第一载流子输出区302重叠，以便在光探测装置的操作期间发生雪崩击穿的可能性更高。在一些实施例中，第二栅极端子401沿着垂直方向d1与第二载流子输出区402重叠。在一些实施例中，光探测装置被配置为以高得足以经历雪崩击穿的反向偏压进行操作，从而产生内部增益。

图4e示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图4e的光探测装置类似于图4c中的光探测装置，下面描述差异。在一些实施例中，吸收层10被嵌入在衬底20中。在一些实施例中，吸收层10的顶表面103与衬底20的第一表面203齐平。第一载流子输出区302的材料与第二载流子输出区402的材料相同。公共区50的材料不同于第一载流子输出区302的材料和第二载流子输出区402的材料。

图4f示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图4f中的光探测装置类似于图4c中的光探测装置，下面描述区别。光探测装置还包括围绕公共区50的保护环260。保护环260具有与公共区50的导电类型相同的导电类型。在一些实施例中，保护环260包括具有峰值浓度低于公共区50的掺杂剂的峰值浓度的掺杂剂。在一些实施例中，保护环260的掺杂剂的峰值浓度在1×10¹⁴cm^-3和5×10¹⁶cm^-3之间。在一些实施例中，保护环260包括绝缘材料，诸如包括sio2的氧化物。保护环260用于在光探测装置处于高反向偏置电压下时防止公共区50的边缘击穿。

在一些实施例中，光探测装置还包括在吸收层10中的倍增区230。在一些实施例中，倍增区230围绕公共区50和保护环260。倍增区230的导电类型不同于公共区50的导电类型。在一些实施例中，倍增区230包括峰值浓度低于第一载流子输出区302的掺杂剂的峰值浓度的掺杂剂。在一些实施例中，倍增区230的掺杂剂的峰值浓度在1×10¹⁴cm^-3和5×10¹⁸cm^-3之间。在一些实施例中，公共区50、倍增区230和吸收层10被称为垂直雪崩光电二极管。在一些实施例中，倍增区230沿着垂直方向d1与第一栅极端子301和第二栅极端子401重叠。在一些实施例中，倍增区230不沿垂直方向d1与第一载流子输出区302和第二载流子输出区402重叠，以提高光探测装置的解调对比度。

图4g示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图4g中的光探测装置类似于图4e中的光探测装置，下面描述差异。公共区50位于吸收层10的底侧102处。在一些实施例中，如图1a中所述的第一端子(未示出)在衬底20中以电耦合到公共区50以排空在光探测装置的操作期间没有被第一载流子输出区302或第二载流子输出区402收集的相反类型的光载流子。在一些实施例中，第一端子的一侧到达吸收层10的顶侧101。因此，第一端子、第一读出端子303、第一栅极端子301、第二栅极端子401和第二读出端子403可以在吸收层10的同一侧被处理。

图5示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。图5中的光探测装置类似于图1a中的光探测装置，下面描述区别。在一些实施例中，光探测装置还包括在吸收层10的顶表面103上的界面层270。界面层270包括电介质材料，在一些实施例中，界面层270包括但不限于硅、氧化物、氮化物。在一些实施例中，氧化物包括但不限于geox、al2o3、sio2。在一些实施例中，界面层270包括非晶硅(a-si)。在一些实施例中，界面层270在第一栅极端子301的第一接触层与吸收层10之间。在一些实施例中，界面层270在第二栅极端子401的第二接触层与吸收层10之间。在一些实施例中，当第一栅极端子301包括第一绝缘层时，界面层270在第一栅极端子301的第一绝缘层与吸收层10之间。在一些实施例中，当第二栅极端子401包括作为第二绝缘层时，界面层270在第二栅极端子401的第二绝缘层与吸收层10之间。

在一些实施例中，界面层270包括导电类型不同于吸收层10的导电类型的锗。界面层270用于减小表面泄漏电流。在一些实施例中，光探测装置还包括穿透界面层270和吸收层10的顶表面103的加工区280。加工区280用于进一步抑制表面泄漏电流。加工区280包括与界面层270的特性不同的特性。该特性包括材料、电阻或晶格结构。例如，加工区280具有比界面层270的电阻高的电阻。在一些实施例中，通过注入与界面层270的材料和吸收层10的材料不同的材料来形成加工区280。在一些实施例中，通过将诸如si、ge、c、h2、f之类的离子离子注入到界面层270的一部分以及在界面层270的该部分下方的吸收层10的区来形成加工区280。在一些实施例中，在离子注入的过程中，加速的离子与界面层270碰撞并且在注入区中对晶格结构造成损坏。取决于离子的选择或注入能量，损坏可能以一定深度延伸到吸收层10中。晶格结构的损坏导致更高的电阻。可以在任何位置上形成加工区280，例如，加工区280可以紧邻第二载流子输出区402。在一些实施例中，光探测装置包括多个加工区280。

在一些实施例中，代替加工区280，光探测装置还包括在界面层270的一部分上的导电层(未示出)。可以向导电层施加电压以在导电层正下方的吸收层10中产生耗尽区。在一些实施例中，光探测装置在界面层的一部分上包括多个导电层，并且在物理上彼此分离。可以偏置施加到导电层的电压，以产生耗尽区。在一些实施例中，施加到导电层的电压可以不同或者相同。在一些实施例中，一些导电层是浮置的。导电层包括但不限于金属。由导电层和界面层的组合产生的耗尽区减小了第一载流子输出区302和第二载流子输出区402之间的暗电流。此外，导电层将入射光反射回吸收层10中，因此，光探测装置的量子效率更高。

在一些实施例中，光探测装置还包括在界面层中的极化区(未示出)。在一些实施例中，光探测装置还包括在极化区上方的导电层。极化区包括极化的介电材料。极化的介电材料具有本征极化。极化的介电材料包括但不限于氧化铝(alxoy，x:y从1:1到2:3)、氮氧化铝(aloxny)、二氧化铪(hfox，x从1-2)、镧/钽氧化物((la,ta)xoy，x:y从1:1至2:5)、钛氧化物(tiox，x从1至2)、氧化硅镧(lasio)、铅/锶/钛酸钡((pb，sr，ba)tio3、氧化锆(zrox，x从1至2)、硅酸锆(zrsio4或zisixoy)或氮氧化硅(sioxny)。由于光探测装置包括极化区，因此在极化区下方的吸收层10中形成了耗尽区，而不施加电压或施加较小的电压。由极化区或导电层和界面层的组合产生的耗尽区减小了第一载流子输出区302和第二载流子输出区402之间的暗电流。在一些实施例中，耗尽区的深度小于10nm以改善光探测装置的性能。从吸收层10的顶表面103测量耗尽区的深度。在一些实施例中，极化区部分地嵌入吸收层10中以控制耗尽区的深度。在一些实施例中，当吸收层10被嵌入在衬底20中时，极化区形成在衬底20的第一表面203上。在一些实施例中，极化区被部分地嵌入衬底20中。

图5中的光探测装置的操作方法与图1a中公开的光探测装置的操作方法相似。类似地，在一些实施例中，公共区50不耦合到任何外部控件，因此是浮置的。在光探测装置的操作期间，浮置的公共区减小了公共区50和第一载流子输出区302之间的泄漏电流，或者减小了公共区50和第二载流子输出区402之间的泄漏电流。

图6a示出了根据一些实施例的光探测装置的俯视图。图6b示出了图6a中所示的光探测装置的截面图。在一些实施例中，光探测装置还包括靠近吸收层10以改变入射光l的传播方向的光学元件290。在一些实施例中，光学元件290用于改变入射光l的传播方向，使得入射光l从顶表面103和底表面104之间的侧壁105进入吸收层10。光学元件290在衬底20的第一表面203上。在一些实施例中，光学元件290位于吸收层10、第一开关30和第二开关40的同一侧，如图6a中所示。在一些实施例中，光学元件290包括波导结构。在一些实施例中，波导结构包括但不限于掩埋波导、扩散波导、脊形波导、肋形波导、缝隙波导或带载波导。在一些实施例中，波导结构包括脊形波导，该脊形波导包括第一部分和在第一部分上的第二部分。在一些实施例中，从光探测装置的截面图来看，第一部分包括第一宽度w1，并且第二部分包括小于第一宽度w1的第二宽度w2。脊形波导包括的材料包括但不限于si或sio2。

图6c示出了根据一些实施例的光探测装置的截面图。该光探测装置包括衬底20、第一吸收层10、第二吸收层10、第一开关30a、第二开关40a和光学元件290。在一些实施例中，光学元件290在第二开关40a和第一开关30a之间。在一些实施例中，第二开关40a和第一开关30a在第一吸收层10和第二吸收层10之间。光学元件290类似于如图37所述的光学元件290。第二开关40a和第一开关30a均包括电吸收调制器。电吸收调制器包括有源区310和两个端子(未示出)，两个端子(未示出)用于向有源区310施加电压，以改变有源区310中的电场。在一些实施例中，有源区310包括任何合适的具有能量状态的材料。在一些实施例中，有源区310包括半导体材料。当操作光探测装置时，入射光l进入光学元件290，两个不同的电压被施加到第一开关30a和第二开关40a，并且第一开关30a或第二开关40a吸收入射光l，因此被接通。然后，入射光l通过第一开关30a和第二开关40a进入第一吸收层10或第二吸收层10。例如，当第一开关30a吸收入射光l并且被接通时，入射光l然后进入第一吸收层10并且被第一吸收层10吸收。在一些实施例中，第一吸收层10、第二吸收层10、第一开关30a、第二开关40a和光学元件290都与衬底20集成在一起。

在一些实施例中，具有本文描述的任何实施例的光探测装置可应用于3d成像。由于在光探测装置与目标物体之间存在距离，因此从目标物体的表面反射的入射光l相对于由发射器发射的透射光具有相位延迟。当透射光被调制信号调制并且电子-空穴对被另一调制信号通过第一控制信号60和第二控制信号70解调时，存储在第一电容器和第二电容器中的电子或空穴将根据距离而变化。因此，光探测装置可以基于由第一读出电路80输出的第一读出电压和由第二读出电路输出的第二读出电压来获得距离信息。

上述的光探测装置是单个像素。

本公开还公开了一种包括多个光探测装置的光探测阵列，其中，该光探测装置为上述实施例中的任一个。多个光探测装置以一维或二维阵列布置。

在一些实施例中，光探测阵列可以被设计为接收相同或不同的光信号，该光信号例如具有相同或不同的波长，具有相同或多个调制，或在不同的时间帧运行。图7a示出了根据一些实施例的光探测阵列的俯视图。作为示例，光探测阵列1200a包括四个光探测装置12021、12022、12023、12024。每个光探测装置根据本文描述的任何实施例。在一个实施例中，具有峰值波长为λ1的入射光l被光探测装置12021、12024接收，并且具有峰值波长为λ2的另一种入射光被光探测装置12022、12023接收。在一些实施例中，λ1与λ2不同。在一些实施例中，λ1与λ2基本相同。在一些实施例中，具有多个调制频率fmod1和fmod2(或更高)的入射光l入射到四个光探测装置12021、12022、12023、12024，并且光探测装置12021、12022、12023、12024的不同组被配置为对入射光中的不同频率进行解调。例如，向光探测装置12021、12024施加调制频率fmod1以对入射光中的该频率分量进行解调，并且向光探测装置12022、12023施加调制频率fmod2以对入射光中的该频率分量进行解调。在一些实施例中，类似地，具有多个调制频率fmod1和fmod2(或更高)的入射光入射到四个光探测装置12021、12022、12023、12024。然而，在时间t1，光探测装置的第一部分被通过调制频率fmod1驱动以对入射光中的该频率分量进行解调，而在另一时间t2，光探测装置的第二部分被通过调制频率fmod2驱动以对入射光中的该频率分量进行解调，以及因此，光探测阵列1200a在时分复用模式下工作。

在一些实施例中，峰值波长λ1和λ2分别由fmod1和fmod2调制，然后由光探测阵列1200a收集。在时间t1，光探测阵列1200a以fmod1工作以解调具有峰值波长为λ1的入射光；而在时刻t2，光探测阵列1200a以fmod2工作以对峰值波长为λ2的入射光进行解调。在一些实施例中，具有峰值波长为λ的入射光由fmod1和fmod2调制，并且光探测装置12021、12024由fmod1驱动，而光探测装置12022、12023由fmod2驱动以在时分模式下对入射的调制光信号进行解调。本领域技术人员将容易认识到，可以实现光波长、调制方案和时分的其他组合。

图7b示出了根据一些实施例的光探测阵列的俯视图。光探测阵列1200b包括四个光探测装置12021、12022、12023、12024。每个光探测装置根据本文描述的任何实施例。图7b中的光探测装置的布置与图7a中的光探测装置的布置不同。在一些实施例中，光探测装置以交错排列布置，如图7b所示，其中，光探测装置之一的宽度的两个相反侧被放置在垂直于相邻光探测装置的宽度的两个相反侧的方向上。

图8a示出了根据一些实施例的使用相位调制方案的光探测系统1300a的框图。光探测系统1300a是基于间接飞行时间的深度图像传感器，其能够探测与目标物体1310的距离信息。光探测系统1300a包括光探测阵列1302a、激光二极管驱动器1304、激光器二极管1306和包括时钟驱动器13081、13082的时钟驱动电路1308。光探测阵列1302包括根据本文公开的任何实施例的多个光探测装置。通常，时钟驱动器13081生成并发送时钟信号，用于1)通过激光二极管驱动器1304调制所发送的光信号，以及2)通过光探测阵列1302对接收/吸收的光信号进行解调。为了获得深度信息，通过参考同一时钟对光探测阵列中的所有光探测装置进行解调，该时钟按时间顺序改变为可能的四个正交相位，例如0°、90°、180°和270°，并且在发射机侧没有相位变化。然而，在该实施例中，在发射机侧实现了四相相位变化，并且在接收侧没有相位变化。

请参考图8b，其分别描述了由时钟驱动器13081、13082产生的时钟信号clk1、clk2的时序图。时钟信号clk1是具有4个正交相位变化(例如0°、90°、180°和270°)的调制信号，并且时钟信号clk2是没有相位变化的解调信号。具体地，时钟信号clk1驱动激光二极管分流器1304，使得激光二极管1306可以产生调制的透射光tl。时钟信号clk2及其反相信号clk2’(图8b中未示出)分别用作用于解调的第一控制信号60和第二控制信号70(在本文的任何实施例中示出)。换句话说，本实施例中的第一控制信号和第二控制信号是差分信号。该实施例可以避免由于寄生电阻-电容引起的存储效应而在图像传感器中固有的可能的时间相干性。图8c示出了根据一些实施例的使用相位调制方案的光探测系统1300b的框图。

图8d示出了根据一些实施例的使用相位调制方案的光探测系统1300b的时序图。图40c中的光探测系统的实施例与图40b中的光探测系统相似，下面描述区别。光探测系统1300b在接收侧使用两种解调方案。光探测阵列1302包括第一阵列1302a和第二阵列1302b。应用于第一阵列1302a的第一解调方案和应用于第二阵列1302b的第二解调方案在时间序列上是不同的。例如，第一阵列1302a被应用第一解调方案，其中，时间序列的相位变化是0°、90°、180°和270°。第二阵列1302a被应用第二解调方案，其中，在时间序列上的相位变化是90°、180°、270°和0°。最终结果是，第一阵列1302a中的相位变化与第二阵列1302b中的相位变化成正交相位，而发射侧则没有相位变化。当解调波形不是理想的方波时，此操作可以减少从电源汲取的最大瞬时电流。

图8e示出了根据一些实施例的使用相位调制方案的光探测系统1300b的时序图。图40e中的时序图的实施例与图40d中的时序图相似，并且下面描述差异。在一些实施例中，将相变应用于发射侧，但是不应用于接收侧的第一阵列和第二阵列，除了分别为第一阵列和第二阵列1302a、1302b设置两个不同的恒定相位之外，并且两个不同的恒定相位彼此正交。例如，在发送侧的调制信号是时钟信号clk1，其中，在时间序列上的相位变化是0°、90°、180°和270°。在接收侧的解调信号是时钟信号clk2、clk3。时钟信号clk2用于解调由第一阵列1302a吸收的入射光l，该入射光具有恒定的0°相位。时钟信号clk3用于解调由第二阵列1302b吸收的入射光l，该第二阵列具有恒定的90°相位。

图9示出了根据一些实施例的使用具有相位变化的调制方案的光探测方法。在其他实施例中，方法可以包括比本文示出的更少或较少的步骤，或者这些步骤可以以不同的顺序执行。图9所示的光探测方法包括步骤1401：发送由第一调制信号调制的光信号，其中，该光信号由对多个时间帧具有一个或多个预定相位的第一调制信号进行调制；步骤1402：由光探测装置接收反射的光信号；步骤1403：通过一个或多个解调信号来解调反射的光信号，其中，该一个或多个解调信号是对多个时间帧具有一个或多个预定相位的信号；步骤1404：输出至少一个电压信号。在这种方法中，光探测装置是根据本文所述的任何实施例或其等同物的。

虽然图8a至图8e中所示的实施例使用占空比为50％的时钟信号作为调制和解调信号，但是在其他可能的实施例中，占空比可以是不同的(例如，占空比为30％)。在一些实施例中，正弦波代替方波被用作调制和解调信号。

在一些应用中，根据任何实施例的光探测装置、光探测阵列和光探测系统可应用于3d成像。在一些应用中，根据本公开的任何实施例的光探测装置、光探测阵列和光探测系统适用于机器人技术、导航系统或虚拟现实。

虽然已经通过示例的方式并且根据优选实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于此。相反，其意图在于涵盖各种修改以及类似的布置和过程，并且因此所附权利要求的范围应当被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及类似的布置和过程。