用于载具装置的LIDAR传感器的制作方法

用于载具装置的lidar传感器
技术领域
本公开涉及用于载具装置的lidar传感器。


背景技术：

多年来，电子设备已经激增。由apple公司设计和销售的iphone 12到amazon.com公司用于销售几乎所有类型商品的先进网络，电子设备几乎已进入我们日常生活的方方面面。这些设备依赖于由半导体材料制成的微型芯片，通常是硅(“si”)。这些硅材料还用于制造可以捕捉物体或场景的图像的感测设备。硅被广泛使用是因为它是一种丰富的材料，并且由于对电子行业的投资，硅基半导体制造已经成熟。一种常见的技术工艺称为互补金属氧化物半导体，或“cmos”。cmos技术是为制造集成电路而开发的，但现在用于图像传感器。这种图像传感器称为cmos图像传感器。相关技术包括硅基单光子雪崩二极管(spad)。通常，此类cmos图像传感器和spad是使用8英寸或12英寸硅晶片大批量制造的。尽管cmos图像传感器和spad取得了进步，但仍存在限制或缺点。例如，这些技术在可检测波长范围内具有局限性。此外，硅基传感器和检测器在可检测波长范围内的较长波长下灵敏度较差。这些和其他限制也可能存在。综上所述，期望工业开发改进的感测和检测设备。


技术实现要素：

本发明总体上涉及电子设备。更具体地，本发明提供与用于载具应用的光电子设备相关的技术，例如但不限于在硅上使用化合物半导体(“cs”)材料的异质外延的光电检测器和光电检测器阵列电路以及后续的电路制造和集成方法。仅作为示例，本发明可以应用于各种应用，包括图像感测、测距(包括lidar(光检测和测距))等，但是应该认识到存在许多其他应用。根据一个实施例，本发明提供了一种配置有lidar功能的载具装置。载具装置包括具有驱动机构的载具，该驱动机构被配置为在空间上移动载具(例如，从第一位置到第二位置)。载具可以包括任何类型的汽车、船舶、飞机、混合动力载具、电动载具、无人驾驶载具、机器人等。驱动机构可以包括各种类型的动力源(例如，发动机、马达、电池等)，这些动力源被配置为使机构(例如，轮子、螺旋桨、腿等)移动。一个或多个模块设备可以被配置在载具的外部区域(例如，顶部、前部、侧部、后部等)。模块设备可以具有带有外部区域和内部区域的外壳。外部区域包括感测部分和检测部分。模块设备的感测部分可以耦合到激光设备(或激光阵列)，该激光设备被配置为发射电磁辐射。该激光器可以在空间上被设置为包括被配置在外壳的外部区域的感测部分上的孔。电磁辐射发射可以具有在850nm到1600nm之间的波长范围。激光设备可以是vcsel(垂直腔面发射激光)阵列设备、eel(边缘发射激光)设备、耦合到反射镜设备的激光设备等。模块设备的检测部分可以耦合到图像传感器或检测器设备，该设备被配置为检测
光子并将它们转换为电信号。该设备可以在空间上被设置为包括被配置在外壳的外部区域的检测部分上的孔。图像传感器可以耦合到逻辑/读出电路，并且激光器可以耦合到激光驱动器。这些设备可以被配置在同一个集成电路设备内。模块设备还可以包括耦合在外壳的内部区域内的分类器模块。在示例中，分类器模块可以耦合到逻辑/读出电路以进一步处理由图像传感器或检测器收集的数据。该分类器模块可以包括一个或多个类别的分类，包括：速度感测、图像感测、面部识别、距离感测、声学感测、热感测、颜色感测、生物感测(即，经由生物传感器)、重力感测、机械运动感测或其他类似的感测类型。在特定实施例中，图像传感器包括光电检测器设备，该光电检测器设备除其他元件外还包括第一端子和第二端子。光电检测器设备包括具有表面区域的si衬底。该设备具有缓冲材料，该缓冲材料包括使用直接异质外延沉积在si衬底的表面区域上的cs材料，使得cs材料的特征在于第一带隙特性、第一热特性、第一极性和第一晶体特性，并且si衬底具有第二带隙特性、第二热特性、第二极性和第二晶体特性。该设备具有光电检测器的阵列，该阵列的特征在于n和m个像素元素，其中n是大于7的整数，m是大于0的整数。在一个实施例中，每个像素元素具有各种特征。在一个实施例中，每个像素元素具有从0.3微米到100微米范围内的特征长度。在一个实施例中，每个像素元素具有从0.3微米到100微米范围内的优选特征长度。在一个实施例中，每个光电检测器包括：n型材料，该n型材料包括磷化铟(inp)材料，该inp材料包括浓度在1e17cm-3
至8e18cm-3
范围内的si杂质：上覆于n型材料的吸收材料，吸收材料包括砷化铟镓(ingaas)的材料，吸收材料基本上不含杂质；上覆于吸收材料的p型材料，p型材料包含浓度在1e17cm-3
至5e18cm-3
范围内的锌杂质或铍杂质；第一电极，耦合到n型材料并耦合到第一端子；以及第二电极，耦合到p型材料并耦合到第二端子以限定双端子设备。该设备具有照明区域，该照明区域的特征在于孔区域，以允许多个光子与cs材料相互作用并被吸收材料的一部分吸收，以生成移动电荷载流子，该移动电荷载流子在第一端子和第二端子之间产生电流。可选地，该设备具有以安培/瓦为单位的响应度(其中η是内部量子效率，q是电子电荷，h是普朗克常数，ν是光子频率)，该响应度为大于0.1安培/瓦以表征该电路；以及光电二极管量子效率(qe＝1240
×
(r
λ
/λ)，其中r
λ
为以a/w为单位的响应度，λ为以nm为单位的波长)为大于10％以表征该电路。实现了优于常规技术的益处或优点。基于通过直接或选择性异质外延在si上异质外延cs材料和设备结构的集成平台能够大批量制造用于载具应用的光电设备，例如图像传感器、检测器和激光阵列。使用本技术制造的这些设备可以表现出改进的可检测波长范围、更高的灵敏度和其他相关的性能指标。这些和其他益处或优点在整个本说明书中进行了描述，并且在下文中更具体地进行了描述。可以通过参考说明书的后半部分和附图来实现对本发明的本质和优点的进一步理解。
附图说明
为了更全面地理解本发明，请参考附图。理解这些附图不应被视为对本发明范围
的限制，通过使用附图更详细地描述了当前描述的实施例和当前理解的本发明的最佳模式，在附图中：图1a是根据本发明的一个示例的用于载具装置的lidar设备的俯视图的简化图；图1b是图1a所示的lidar设备的示例图像传感器阵列芯片的透视图的简化图；图1c是图1a所示的lidar设备的示例激光芯片的透视图的简化图；图1d是图1a所示的lidar设备的示例激光芯片的透视图的简化图；图1e是根据本发明的一个示例的具有集成图像感测的载具装置的前侧透视图的简化图。图1f是根据本发明的一个示例的具有集成图像感测的载具装置的后侧透视图的简化图。图1g是根据本发明的一个示例的lidar系统的简化框图；图2a是根据本发明的一个示例的包括耦合到读出电路的光电检测器阵列电路的电路设备的简化图；图2b是耦合到图2a所示的读出电路的光电检测器阵列电路的简化电路图；图3是根据本发明的一个示例的光电检测器电路设备的简化图；图4是根据本发明的一个示例的设备的简化图，该设备包括在si衬底上通过异质外延实现的cs缓冲材料；图5是根据本发明的一个示例的设备的简化图，该设备包括在si衬底上通过异质外延实现的用于光电检测器的cs缓冲材料和cs设备材料；图6是根据本发明的一个示例的设备的简化图，该设备包括在si衬底上通过异质外延实现的cs缓冲材料、cs设备材料和由扩散形成的p掺杂区域；图7是根据本发明的一个示例的设备的简化图，该设备包括在si衬底上通过异质外延实现的cs缓冲材料、cs设备材料、由扩散形成的p掺杂区域、隔离沟槽、平面膜、金属接触件、过孔、过孔中的金属和形成在沟槽中的顶部金属；图8是根据本发明的一个示例的通过利用图案化电介质的选择性区域异质外延实现的沉积在si衬底上的cs缓冲材料和cs设备材料的简化图；图9是根据本发明的一个示例的在si衬底上通过选择性区域异质外延实现的cs缓冲材料、cs设备材料、由扩散形成的p掺杂区域、形成的隔离沟槽、形成的平面膜、形成的金属接触件、形成的过孔、形成的过孔中的金属和沟槽中形成的顶部金属的简化图；图10a-10c分别是根据本发明的一个示例的具有图案化管芯的晶片的俯视图描述和用圆形或矩形条图案化以用于选择性区域异质外延的示例管芯的俯视图描述；图11是示出根据本发明的一个示例的用于制造光电检测器和光电检测器阵列电路的方法的简化流程图，该光电检测器和光电检测器阵列电路利用si衬底上的直接异质外延或选择性区域异质外延，并且随后与读出电路晶片的晶片到晶片键合集成，然后进行后侧处理；图12是示出用于本发明的ingaas材料和用于常规cmos感测设备的si材料的近似吸收光谱图的简化图。图13a-13e是示出根据本发明的一个示例的形成光电检测器设备的方法的简化图。
具体实施方式
本发明总体上涉及电子设备。更具体地，本发明提供了与用于载具应用的光电设备相关的技术，例如但不限于在si上使用cs材料的异质外延的光电检测器和光电检测器阵列电路，以及随后的电路制造和集成方法。仅作为示例，本发明可应用于各种应用，包括图像感测、测距，包括lidar等，但应认识到存在许多其他应用。在一个示例中，本发明提供了一种方法和设备，用于在可以在各种载具装置中实现的si衬底上实现高度可制造和可扩展的半导体光电设备，包括光电检测器电路阵列。通过在硅衬底上直接沉积cs材料，可以利用成熟的si微电子制造工艺来制造高性能光电检测器电路。在cmos技术中常见的8英寸和12英寸si衬底上的沉积可以在cmos生产线中进行后续制造，但是该技术不仅限于8英寸和12英寸si衬底。cs材料可以用本发明中描述的技术直接沉积在si衬底上。用于描述cs材料的直接沉积的技术在本文中被称为异质外延。异质外延步骤可以用包括但不限于以下项的技术来执行：金属有机化学气相沉积(mocvd)、分子束外延(mbe)、金属有机mbe(mombe)、化学束外延(cbe)、氢化物气相外延(hvpe)、液相外延(lpe)或其任何组合。除了si衬底之外，可以使用替代衬底，包括但不限于绝缘体上硅(soi)、斜切si、斜切si上soi或si上锗(ge)，而不脱离本发明的范围。在本发明的一个实施例中，通过首先沉积缓冲材料经由异质外延将cs材料沉积到si衬底上，该缓冲材料包括si表面上的初始成核并且能够捕获、消除和/或过滤靠近cs材料和si表面之间的界面的缺陷。初始成核步骤可以在相对较低的温度下执行，而旨在捕获、消除和/或过滤缺陷的后续缓冲材料生长可以在更高的温度下执行。表面处理可以在si表面上的初始成核之前执行。这种处理可以包括但不限于对si表面执行化学清洁和/或处理、在环境中通过高温退火对si表面执行重新排序、在环境中执行高温退火以去除和/或处理表面氧化物、或通过处理或蚀刻形成各种si晶面。初始成核和缓冲生长可以用多种方法和方法组合来执行，包括但不限于：用于表面重新排序或修复的初始iv族(例如si或ge材料)生长，然后进行用于缺陷捕获的cs生长；或可以包括形成各种si晶面的si表面图案化或结构化，然后进行cs成核和生长；或低温cs成核；或低温cs成核，然后进行具有用于缺陷弯曲和消除的温度分级的多步骤生长；或使用应变层超晶格、具有高应变场的界面、分级或阶梯分级层；或用于重新定向、捕获、转换和/或消除缺陷的其他类似技术。本发明的技术可以用于通过利用si制造方法来大批量地制造各种光电设备。这些设备包括但不限于边缘发射或垂直腔面发射激光器、光调制器、光电检测器或光电二极管、半导体光放大器和用于光梳或频率生成的非线性设备。对于图像传感器和光电检测器电路阵列具体而言，可以通过对设备层的异质外延沉积和随后的制造步骤来实现各种设备结构。这些设备结构包括但不限于平面光电二极管、台面光电二极管、双台面光电二极管、pin或nip光电二极管、雪崩光电二极管(apd)、盖革模式apd(也称为单光子雪崩二极管(spad))和单行载流子(utc)光电二极管。通过在si上沉积cs材料而实现的光电设备和设备阵列可用于各种应用，包括但不限于：lidar；用于自动驾驶车辆的lidar，包括但不限于汽车、飞行器、飞机、喷气式飞机、无
人机、机器人车辆；高级驾驶辅助系统(adas)；用于移动设备的lidar，包括但不限于手机和平板电脑；用于相机应用的成像，包括但不限于数码相机、手机、平板电脑；用于机器人、人工智能(ai)应用、增强现实(ar)应用和虚拟现实(vr)应用的lidar、成像和感知；3d成像和感测；国防和航空航天；工业视觉、工厂自动化、和机器视觉；医学和生物医学成像；地形、天气和风测图；气体感应；红外(ir)成像；智能建筑、安全、人数统计；热成像、热影像；供暖、通风和空调(hvac)。除了iii-v族cs材料之外，本发明的技术可以应用于光电检测器电路的其他材料，包括但不限于ii-vi化合物、iv-vi化合物、ii-v化合物、或iv-iv化合物。在另一实施例中，cs成核、缓冲材料和随后的光电检测器材料可以通过选择性区域异质外延来沉积和形成，由此可以首先用电介质图案化si或类似衬底以形成凹部，在该凹部内可以选择性地沉积cs成核、缓冲材料和光电检测器材料。选择性区域异质外延是用电介质对硅衬底进行图案化的工艺，并且随后对半导体材料的沉积将选择性地沉积在暴露的si硅表面上，而不是电介质表面上。选择性区域异质外延有利于提高si上cs材料的质量，以便于光电检测器的制造，也便于实现新型设备结构。选择性区域异质外延可以通过释放由cs材料和si之间的热膨胀系数不匹配引起的热应变并通过提供缺陷和位错的纵横比捕获来提高材料质量。上述技术可以应用于为载具装置配置的集成电路。图1a是根据本发明的一个示例的用于载具装置的lidar设备的俯视图的简化图。如图所示，设备101包括电路板110(例如，印刷电路板(pcb)等)，该电路板110具有读出/逻辑设备120、图像传感器设备130、激光设备(或激光阵列)140和被配置在顶部上的激光驱动器150。在这种情况下，图像传感器芯片130面朝下接合在读出/逻辑芯片120之上。由其相关联的激光驱动器150配置的激光阵列芯片140发射一个或多个输出光束，这些输出光束被靶反射并返回以由图像传感器芯片130成像。图1b-1d示出了设备101的某些组件的附加细节或变化。图1b示出了被配置为具有m
×
n像素元素的阵列132的示例图像传感器芯片130的透视图。激光阵列芯片140可以是：vcsel(垂直腔面发射激光)阵列142，如图1c所示；eel(边缘发射激光)144，如图1d所示；等等。示例输出光束149在两个示例中均由虚线示出。
1.根据一个示例，本发明提供了一种配置有lidar功能的载具装置104。如图1e(前透视图)和图1f(后透视图)所示，示例性载具装置104包括具有驱动机构的载具，该驱动机构被配置为在空间上移动载具(例如，从第一位置到第二位置)。在这种情况下，载具是四旋翼无人机190，并且驱动机构包括转子192，每个转子可以由电机驱动。载具可以包括任何类型的汽车、船舶、飞机、混合动力载具、无人驾驶载具等。在具体示例中，载具可以选自船、无人机、飞机、卡车、汽车、自动驾驶载具等。驱动机构可以包括各种类型的动力源(例如，发动机、马达、电池等)，这些动力源被配置为使机构(例如，轮子、螺旋桨、腿等)移动。本领域普通技术人员将认识到这种载具类型及其相关驱动机构的变型、修改和替代物。一个或多个模块设备可以被配置在载具190的外部区域(例如，顶部、前部、侧部、后部、下部等)。此处，模块设备105被配置在载具190的顶部并且包括具有外部区域162和内部区域164的外壳160。外部区域包括感测部分174和检测部分176。在这种情况下，感测部分174和检测部分176被配置在外部区域162的前侧。可以存在其他配置，例如在模块外壳160的在后侧或左右两侧上具有感测部分174和检测部分176，或者在载具外部区域的不同部分
上具有附加模块设备，或者具有被配置在载具的内部区域的模块设备、或一些模块设备、或lidar传感器单元。模块设备105的感测部分174可以耦合到被配置为发射电磁辐射的激光设备140。该激光器140可以在空间上被设置为包括孔，该孔被配置在外壳160的外部区域的感测部分174上。在一个示例中，电磁辐射发射可以具有在850nm到1600nm之间的波长范围。在一个具体示例中，波长范围为940nm。激光设备140可以是vcsel阵列设备(参见图1c)、eel设备(参见图1d)、耦合到反射镜设备的激光设备等。模块设备105的检测部分176可以耦合到图像传感器设备130，该图像传感器设备130被配置为检测光子并将它们转换为电信号。该图像传感器可以在空间上被设置为包括孔，该孔被配置在外壳160的外部区域162的检测部分176上。图像传感器130和激光器140可以被配置为类似于图1a所示的集成电路设备101。如内部区域164(图1f中的虚线剖面106)所示，图像传感器130电耦合到逻辑/读出电路120。在这种情况下，图像传感器130面向设备105的后侧(由虚线表示)。此外，激光器140电耦合到激光驱动器150。模块设备105还可以包括耦合在外壳160的内部区域164内的分类器模块178。在示例中，分类器模块178可以耦合到逻辑/读出电路120以进一步处理由图像传感器130收集的数据。该分类器模块178可以包括一个或多个类别的分类，包括速度感测、图像感测、面部识别、距离感测、声学感测、热感测、颜色感测、生物感测(即，经由生物传感器)、重力感测、机械运动感测或其他类似的感测类型。在一个示例中，图像传感器130是光电检测器电路，该光电检测器电路包括cs材料堆叠，该cs材料堆叠被形成为上覆于si衬底。该材料堆叠可以包括缓冲材料和光电检测器阵列，该光电检测器阵列由n型材料、吸收材料和p型材料配置。每个光电检测器还包括照明区域、耦合到n型材料和第一端子的第一电极、以及耦合到p型材料和第二端子的第二电极。参考其余附图讨论光电检测器电路的进一步细节。
2.该模块设备105还可以被配置用于虚拟现实(vr)、移动电话、智能手机、平板电脑、膝上型电脑、智能手表、电子阅读器、手持游戏控制台或其他移动计算设备。本领域普通技术人员将认识到先前讨论的设备配置和应用的其他变型、修改和替代物。图1g是示出根据本发明的示例的lidar系统的简化框图。如图所示，系统107包括图像传感器设备130、光学器件134、激光设备(或激光阵列)140、光耦合到光学循环器136的可移动反射镜180。在这种配置中，可移动反射镜180可以将来自激光器140的一个或多个出射光束(通过光学循环器136)转向到反射物体/点199。然后，来自该反射物体/点199的一个或多个返回光束用图像传感器130成像(即，从可移动反射镜180反射回来并由光学循环器136通过光学器件134引导到图像传感器130)。使用这些元件之间的这个光路(由带有方向箭头的线所示)，可移动反射镜180可以在2d中转向以实现场景或物体的3d成像。当然，对于这个示例lidar系统，可以有其他变型、修改和替代物。用可移动反射镜扫描激光束的示例性替代方案包括使用微机电反射镜、非机械光学相控阵或与定向光学元件耦合的可编程激光阵列。扫描激光束的示例性替代方案包括使用漫射元件来漫射脉冲激光束以照亮广阔区域。图2a是根据本发明的示例的包括耦合到读出电路202的光电检测器阵列电路201的电路设备200的简化图。如图所示，光电检测器电路201在接合界面203处接合到cmos读出
电路202。光电检测器电路和cmos电路的前段制造步骤可以在细节或顺序上有所不同，而不脱离本发明的范围。在一个示例中，阵列201中的每个光电检测器设备结构被形成有n型cs材料214、cs吸收材料216、p型cs材料220(配置在cs材料218内)、耦合到第一端子228(即，阳极)的p金属接触件224、耦合到第二端子232(即，阴极)的n金属接触件。在不脱离本发明的范围的情况下，可以从光电检测器电路的顶部或从后侧制成n金属接触件/第二端子耦合件。这些光电检测器设备可以被隔离沟槽222分隔开。读出电路202包括si衬底240，该si衬底240可以包括读出集成电路(roic)242和其他前侧集成电路(ic)。电介质层244内的读出电路202的金属层可以包括在接合界面203处连接到光电检测器201的阳极端子228和阴极端子232的端子(例如，第一输入端子246和第二输入端子)。图2b示出了设备200的简化电路图表示，其中光电检测器201耦合到读出电路202，该读出电路202具有用于像素读出262和触发264的端子。本领域普通技术人员将认识到金属接触件和端子连接的配置的其他变型、修改和替代物。
3.用于后段制造的步骤(包括粘合、后侧接触、光学涂层、滤色器集成或透镜附接)可以在细节或顺序上有所不同，而不脱离本发明的范围。在本发明的示例中，在与si cmos电路面对面接合之后，从光电检测器电路的后侧去除si处理衬底和一些cs材料(参见图3中的衬底210和cs缓冲材料212)。该去除过程可用于形成照明区域，该照明区域被配置为允许光与光电检测器材料(例如，cs吸收材料)相互作用。光学涂层250和/或滤色器252可应用于n型cmos材料以帮助限定像素元素的照明孔。透镜阵列254可以耦合到光学涂层250/滤色器252以增加光到每个像素元素的耦合以提高光电检测器电路的响应度。图2的光电检测器电路表示后侧照明(bsi)光电检测器。在不脱离本发明的范围的情况下，可以通过在si上的cs异质外延来实现修改的前侧照明(fsi)光电检测器电路。图3是根据本发明的实施例的光电检测器阵列电路设备300的简化图。如前所述，本发明可以包括通过异质外延在si衬底之上沉积cs材料以形成cs材料堆叠。设备300可以表示接合到cmos电路(图2的设备202)的光电检测器阵列电路(图2的设备201)的先前制造阶段。此处，cs缓冲材料212在空间上被配置在si衬底210的si表面211之上。光电检测器设备材料(包括n型cs材料214、cs吸收材料216、cs材料218)在空间上被配置为上覆于cs缓冲材料212。一个或多个p型cs区域220被配置在cs材料218的一个或多个部分内。一个或多个隔离沟槽222被配置在光电检测器设备材料的部分(即，层214、216和218)内并且填充有用于光学或电隔离的电介质材料226，或者替代性地或包含性地填充有诸如金属之类的其他材料，这些材料可以将阵列的各个cs光电检测器设备分隔开。每个光电检测器可以被配置为具有到n型cs材料214和p型cs材料220的金属接触件(或电极)。在图3中，p接触金属224被配置为上覆于每个p型cs材料220，并且尽管未示出，但n接触金属可以耦合到n型cs材料214。在不脱离本发明的范围的情况下，可以从光电检测器电路212的顶侧或从后侧进行n金属接触和耦合。p接触金属224可以进一步耦合到第一端子228(例如，阳极)，并且n接触金属可以耦合到第二端子(例如，阴极)。根据一个示例，本发明提供了一种用于光电检测器的电路。光电检测器电路包括缓冲材料等，该缓冲材料被形成(沉积)为上覆于si衬底的表面区域。该缓冲材料可以包括使用直接异质外延沉积在si衬底的表面区域上的cs材料，使得cs材料的特征在于第一带隙特性、第一热特性、第一极性和第一晶体特性。与缓冲材料相比，si衬底的特征在于第二带
隙特性、第二热特性、第二极性和第二晶体特性。在具体示例中，cs材料可以包括inp、ingaas、砷化镓(gaas)、磷化镓(gap)、磷砷化铟镓(ingaasp)、砷化铟铝镓(inalgaas)、砷化铟(inas)、磷化铟镓(ingap)或它们的组合。光电检测器电路还包括光电检测器阵列。该阵列的特征在于n和m个像素元素(即n
×
m阵列；n》0，m》0)。在具体示例中，n为大于7的整数，m为大于0的整数。这些像素元素中的每一个都具有从0.3微米到50微米的范围内的特征长度。此外，每个光电检测器包括n型材料、上覆于n型材料的吸收材料、以及上覆于吸收材料的p型材料。在特定示例中，n型材料可以包括inp材料，该inp材料具有上覆于缓冲材料的浓度范围为3e17cm-3
至5e18cm-3
的硅杂质。吸收材料可以包括含有ingaas的材料并且可以主要(或基本上)不含任何杂质。并且，p型材料可以包括浓度范围为3e17cm-3
至5e18cm-3
的锌杂质或铍杂质。在替代的光电检测器cs设备结构中，n型材料包括gaas材料，该gaas材料包括浓度范围为3e17cm-3
至5e18cm-3
的硅杂质，吸收材料包括inas量子点材料，并且p型材料包括浓度范围为3e17cm-3
至1e20cm-3
的锌杂质或铍杂质或碳杂质。此外，光电检测器设备结构可以配置有包括ingaas或ingaasp的单独吸收材料以及包括inp的倍增材料，由此倍增材料通过雪崩增益产生附加的电荷载流子。光电检测器电路还包括耦合到n型材料并耦合到第一端子的第一电极，以及耦合到p型材料并耦合到第二端子的第二电极。这种配置将每个光电检测器限定为双端子设备(即，具有阳极和阴极端子)。光电检测器电路还包括以孔区域为特征的照明区域，以允许多个光子与cs材料相互作用并被吸收材料的一部分吸收，以生成移动电荷载流子，该移动电荷载流子在第一端子和第二端子之间产生电流。在特定示例中，si衬底被配置为允许光子穿过其中。照明区域也可以被配置为不含硅衬底的任何部分。滤色器可以被配置为上覆于(或以其他方式耦合到)照明区域，并且透镜可以被配置为上覆于(或以其他方式耦合到)滤色器。此外，光电检测器电路的特征在于响应度大于0.1安培/瓦(表征第一端子和第二端子之间的电路)以及在第一端子和第二端子之间测量的大于10％的光电二极管量子效率。根据应用，光电检测器电路可以表征为bsi设备或fsi。光电检测器电路设备还可包括耦合到光电检测器阵列的模拟前端电路，例如roic。roic包括第一输入端子、第二输入端子和像素输出。第一输入端子和第二输入端子分别耦合到光电检测器的第一端子和第二端子。光电检测器电路还可以包括模数转换功能(例如，配置有roic或配置为roic的一部分)。对于上面讨论的元件和配置，可以有其他变型、修改和替代物。参考图4-9在下文中对与设备200和300相关的示例性制造方法的进一步细节进行讨论。图4-9是示出根据本发明的示例的制造化合物半导体(cs)光电检测器电路设备的方法的简化图。在这些图中，后续图中的共用附图标记指的是与前面图中所述的相同元件。图4是根据本发明的一个示例的设备400的简化图，该设备400包括在si衬底上通过异质外延实现的cs缓冲材料。在该实施例中，cs缓冲材料420被沉积为上覆于si衬底410的表面区域411，以使cs材料420成核并捕获和/或过滤缓冲材料420内的缺陷，并且靠近cs
材料420和si表面411之间的界面。初始成核和缓冲生长可以用多种方法和方法组合来执行，包括但不限于：用于表面重新排序的初始iv族材料生长，然后进行用于缺陷捕获的iii-v族cs生长；可以包括形成各种si晶面的si表面图案化或结构化，然后进行cs成核和生长；低温cs成核；低温cs成核，然后进行具有用于缺陷弯曲和消除的温度分级的多步骤生长；使用应变层超晶格、具有高应变场的界面、分级或阶梯分级层；或用于重新定向、捕获、转换和/或消除缺陷的其他类似技术。如图5的设备500所示，在形成cs缓冲材料420之后，光电检测器设备材料可以被沉积为上覆于cs缓冲材料420和si衬底410。光电检测器设备材料可以包括n型cs材料510、cs吸收材料520和cs材料530。在这个实施例中，沉积为上覆于si上缓冲层上的cs设备材料(图4的设备400)可以形成用于光电检测器阵列电路的平面光电二极管结构。n型cs材料510包括si掺杂杂质并且被形成为上覆于si上缓冲层。cs吸收材料520(被形成为上覆于n型材料510)对具有感兴趣的特征波长或波长范围的光具有高度吸收性。吸收材料520基本上不含杂质。cs材料530(被形成为上覆于吸收材料520)在没有无意杂质的情况下被沉积。所示的各种材料可以包括能带平滑层、扩散阻挡层、单独的吸收层、电荷层或倍增层。本领域普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代物。如图6的设备600所示，用于每个光电检测器的p型材料610被形成在cs材料530的一部分内。根据用于元件530的具体cs材料，p型材料610可以被形成扩散有杂质材料，该杂质材料可以是锌、铍或碳等。图7示出了在完成前段制造步骤(例如，如先前在图4-6中所示)之后的光电检测器电路700。隔离沟槽710可以被形成在光电检测器设备材料的部分(即，层510-530)内，以用于光隔离或电隔离，并且组合地暴露n型层510(例如，形成一个或多个n接触金属)。一个或多个p接触金属720可以被形成为上覆于p型材料610。电介质材料730可以被沉积为上覆于p接触金属720、p型材料610和光电检测器设备材料。在这种情况下，电介质材料730也填充隔离沟槽710。附加的过孔和沟槽可以被形成为暴露p接触金属720，并且然后可以用金属材料740填充过孔和沟槽以在电介质材料730的暴露表面区域处提供到p接触金属720的金属连接。当然，可以有其他变型、修改和替代物。所形成的光电检测器设备结构可以包括但不限于pin光电二极管、apd、utc-pd、台面光电二极管或平面光电二极管。光电检测器可以利用体吸收层，包括但不限于ingaas、ingaasp，或者可以替代地利用量子阱、量子短线或量子点。本领域普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代物。图8表示光电检测器电路800的替代实施例，由此cs材料通过选择性区域异质外延沉积在si表面上，由此si表面首先用电介质材料810图案化以形成凹部，在该凹部内cs材料将被选择性地沉积在暴露的si表面上，而不沉积在电介质材料上。这些材料可以包括与图7所述的那些相似或相同的层(由相同的附图标记表示)。如图9所示，在cs材料的选择性异质外延(如图8所示)之后的光电检测器电路900的前段制造步骤可以与用于形成图7的实施例中的光电检测器电路700的那些步骤相似或相同(由相同的附图标记表示)。如图所示，电介质材料910(与电介质材料810组合，如果不去除)将由选择性区域异质外延形成的两个cs材料堆叠相隔离。选择性区域异质外延有利于提高si上cs材料的质量，以便于光电检测器的制造，
也便于实现新型设备结构。选择性区域异质外延可以通过释放由cs材料和si之间的热膨胀系数不匹配引起的热应变并通过提供缺陷和位错的纵横比捕获来提高材料质量。图9的实施例由于图案化电介质810所提供的隔离可能不需要单独的沟槽隔离步骤(图7所示)。可以通过蚀刻或替代的工艺去除cs区域之间的一些电介质，并且然后可以用不透明的材料(例如金属)填充这些区域，以提供附加的光学隔离。在不脱离本发明的范围的情况下，这种沟槽隔离可以在接合光电检测器衬底或衬底的芯片之后的后段步骤中被替代地形成到目标读出电路si cmos衬底中。图10a-10c是示出根据本发明的各种示例的晶片管芯图案的简化图。图10a示出了具有示例管芯图案的晶片1001，其中每个单独的管芯(例如，管芯1010)的尺寸/面积可以从诸如小于1mm
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1mm的小尺寸变化到所使用的光刻系统的最大允许的更大尺寸。在每个管芯内，如果选择性区域异质外延用于硅上的cs材料生长，则可以利用各种电介质的图案。示例可以包括圆形图案(在图10b的管芯1002中示出)、矩形图案(在图10c的管芯1003中示出)。图案形状和尺寸选择与生长优化和图案填充因子一起有助于实现更高的材料质量。对于管芯1003中所示的矩形条纹图案，可以在通过台面蚀刻或扩散进行生长(后者会形成平面设备)之后形成由虚线圆圈表示的圆形光电检测器(例如，光电检测器1020)。图案表示用于选择性区域异质外延的区域，从该区域去除电介质，以暴露电介质下方的si表面。在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他图案，例如但不限于方形、椭圆形、梯形、不同大小的矩形、平行四边形和各种多边形。完成这种光电检测器和光电检测器阵列的实现的步骤顺序(包括图2-10c的实施例中所表示的那些)可以以多种方式和不同的顺序执行，并且可以改变设备层和结构的设计，而不脱离本发明的范围。图11是示出根据本发明的一个示例的制造光电检测器和光电检测器阵列电路的方法的简化流程图。如图所示，图11示出并总结了可以执行的并行步骤顺序，以实现si上cs的光电检测器和光电检测器阵列，然后将其与能够包括但不限于读出、逻辑、ai、机器学习(ml)、信号处理和图像处理等功能的cmos电路集成在一起。在一个示例中，本方法包括并行执行的前段光电检测器制造工艺1110和前段cmos ic制造工艺1120。如图所示，前段光电检测器制造工艺1110可以包括提供衬底1112(例如，si衬底、soi衬底等)、执行si上cs异质外延并形成设备结构以产生设备1114、以及执行金属化以产生设备1116。可以执行si上cs异质外延、设备结构形成和金属化步骤以实现诸如但不限于图7或图9的实施例中描述的那些结构。还可以制造其他光电检测器变型，并且然后遵循类似的步骤顺序与cmos电路晶片集成。对于前段ic制造工艺1120，这些步骤可以类似地包括提供衬底1122(例如，si cmos衬底等)、执行ic制造工艺(例如，si上roic工艺和/或其他ic前段制造)以产生设备1124，并且执行金属化以产生设备1126。在光电检测器电路(工艺1110)和cmos电路(工艺1120)的前段制造之后，晶片(设备1116和1126)可以面对面接合(即，倒装芯片接合配置)，如设备1130所示，利用常见的接合技术，例如但不限于氧化物到氧化物和铜到铜(cu到cu)接合。包括接合集成的后段制造的精确步骤可以根据光电检测器结构和光电检测器前段制造顺序以及cmos器件结构和cmos前段制造顺序而变化，而不脱离本发明的范围。在接合之后，可以执行后段制造步骤以产生经处理的设备1140(例如，图2的设备
200)。这样的后段制造步骤可以包括但不限于：通过研磨、蚀刻或抛光或其中的组合部分或全部地去除光电检测器处理晶片；应用背侧接触件，其可以制造在光电检测器的n侧或p侧，具体取决于光电检测器结构的取向(即，光电检测器是自上而下的pin或pn结构，还是自上而下的nip或np结构；滤色器的应用；透镜或其他光学器件的应用)。设备结构可以是fsi或bsi，并且精确的步骤和步骤的顺序可以变化而不脱离本发明的范围。作为所述的晶圆到晶圆工艺的替代方案，接合到cmos电路的光电检测器的制造也可以以芯片到晶圆或芯片到芯片的方式执行。本领域普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代物。图12是示出用于本发明的ingaas材料和用于常规cmos感测设备的si材料的近似吸收光谱图1200的简化图。为了提供方法和设备，绘制了ingaas(实线)和si(虚线)在宽波长范围内吸收的数据汇编，以示出本技术的益处和优势。如图所示，ingaas的吸收在所考虑的波长范围内更高，并且ingaas的波长范围比si的波长范围扩展到更长的波长。针对ingaas所示的光谱适用于0.53的铟成分和0.47的镓成分。这种成分常常用作使其与inp晶格匹配。通过改变包含应变的ingaas成分，可以将ingaas的吸收波长范围进一步扩展到更长的波长。图13a到13e是示出根据本发明的示例的形成光电检测器设备的方法的简化图。这些图中所示的方法步骤可以与先前讨论的用于形成光电检测器设备的任何方法步骤组合。此外，这些图中的相同标号表示相同的元件、区域、配置等。在一个示例中，本方法开始于提供大的硅衬底1310，如图13a所示。硅衬底1310具有约四英寸至约十二英寸的直径。在一个示例中，清洁硅衬底的表面以去除任何本征氧化物材料。使用包括氢气或其他合适物质的高温环境来清洁衬底。在一个示例中，方法包括形成多个v形凹槽1311(如图13b所示)，每个v形凹槽1311可以具有50到500纳米宽的特征尺寸。在一个示例中，每个v形凹槽暴露硅衬底的111晶面。多个凹槽1311通常使用蚀刻剂来形成，例如氢氧化钾和四甲基氢氧化铵(tmah)或其他合适的蚀刻剂。
4.在一个示例中，方法包括形成成核层1320，该成核层1320包括砷化镓材料以涂覆硅衬底1310的表面区域，如图13c所示。成核层1320具有从10nm到200nm范围内的厚度，但可以是其他的厚度。在一个示例中，方法包括形成缓冲材料1330，该缓冲材料1330包括多个纳米线，多个纳米线被形成为上覆于多个凹槽中的每一个并且沿着每个v形凹槽的长度延伸，如图13d所示。缓冲材料1330包括从多个纳米线中的每一个延伸的第一过渡区域1331、以及第二过渡区域1332，该第二过渡区域1332的特征在于被配置为使用直接异质外延的砷化镓化合物半导体(cs)材料的100晶面生长，使得cs材料的特征在于第一带隙特性、第一热特性、第一极性和第一晶体特性，并且硅衬底1310的特征在于第二带隙特性、第二热特性、第二极性和第二晶体特性。在一个示例中，缓冲材料还包括含砷化镓材料和含磷化铟过渡区域(例如，ingaas等)以及界面区域，该界面区域包括俘获层，该俘获层包括上覆于所述含砷化镓材料和含磷化铟过渡区域的砷化铟镓和磷化铟。在特定示例中，过渡区域可以在开始时更接近gaas，并且可以随着朝向inp渐变区域而更接近inp。虽然以上是对具体实施例的完整描述，但是可以使用各种修改、替代构造和等效
物。作为示例，封装设备可以包括上述元件的任何组合，以及本说明书之外的元件。因此，以上描述和说明不应被视为限制由所附权利要求限定的本发明的范围。