光学传感器设备和用于制造光学传感器设备的方法与流程

本公开一般地涉及集成电路的领域，更具体地涉及采用光电门结构以用于光生电荷载流子的重定向的光学传感器的领域。另外的实施例示出用于飞行时间深度测距应用的光混合设备或飞行时间传感器。

背景技术：

光学传感器并且具体地光混合设备遭受来自e/h对生成的暗电流的巨大影响，例如在光电门结构固有的氧化物界面处。例如散粒噪声限制信噪比（snr）。此外，传感器饱和发生在积分节点用于读出时。由于两种效应在较高温度处增加，因此上限操作温度由指数增加的暗电流限制。将光生信号从暗电流分离可能要求复杂的信号分析。

另外的问题是光生电荷载流子的重定向。为了重定向光生电荷载流子，光电门定位成邻近于耗尽硅区。因此，昂贵的工艺和工具用于控制诸如半导体衬底之类的体块（epi）中的掺杂浓度。此外，耗尽硅区使光生电荷载流子移位的需要限制吸收区的深度，在其中可以在高解调频率下实现在解调对比度方面良好的载流子重定向。此外，位于光学路径中的光电门可能造成光电门的光学吸收或光学反射，尤其是在短波长处。

因此，采用光电门结构的光学传感器（诸如光混合设备）的当前设计遭受由传感器的设计导致的传感器信号的质量的根本限制。

因此，需要具有用以转换电信号中的光学信号的增强能力的改进的光学传感器。

技术实现要素：

示出包括半导体衬底的光学传感器设备，所述半导体衬底具有用以将电磁信号转换成光生电荷载流子的转换区。光学传感器设备还包括配置成读出光生电荷载流子的读出节点和通过隔离材料与半导体衬底分离的控制电极。此外，光学传感器设备包括控制电极与转换区之间的半导体衬底中的掺杂区，其中所述掺杂区包括相比于转换区的最小掺杂浓度例如但未必相同类型的更高掺杂浓度，其中掺杂浓度是转换区的最小掺杂浓度的至少1000倍，并且其中掺杂区延伸到半导体衬底中。然而，实施例还示出具有与转换区不同类型的掺杂浓度的掺杂区。此外，控制电极朝向转换区的投影与掺杂区重叠或位于掺杂区中。实施例将光学传感器设备示出为飞行时间传感器。

这样的掺杂区，包括大于半导体衬底的最小掺杂浓度的掺杂浓度，允许在半导体衬底中提供电调制域。电调制域（还称为电势分布）可以用于解调入站电磁信号，诸如从红外到紫外波长的光。电调制域可以由控制电极、电容感应或向半导体衬底提供电流而导致。电流可以使用掺杂区的自由电荷载流子形成。由于掺杂区包括相比于半导体衬底中所存在的电荷载流子的大数目的电荷载流子，因此防止邻近于控制电极的半导体衬底的耗尽。因此，掺杂区中的交流电流提供半导体衬底中的漂移电场，使得少数电荷载流子的移位被使用相同漂移来执行。这胜过半导体衬底中的空间电荷区的使用以使电荷载流子移位，因为在空间电荷区外部，其可能仅到达有限深度，电荷载流子通过相对缓慢的扩散而移位。因此，通过使用所描述的掺杂区，实现光学传感器设备的更快测量。此外，空间电荷区可以导致半导体衬底的耗尽（表面）区域，其为用于电荷载流子生成的主要原因，并且因而是用于在读出信号中出现噪声的主要方面。由于实施例未示出邻近于控制电极的耗尽区，因此不大可能生成电荷载流子。因此，获得改进的信噪比。

实施例示出一种光学飞行时间传感器设备，包括半导体衬底、读出节点、控制电极和竖直延伸的掺杂区。半导体衬底还包括用以将电磁信号转换成光生电荷载流子的转换区。读出节点配置成读出光生电荷载流子，读出节点包括第一掺杂类型。控制电极通过隔离材料与转换区分离。此外，竖直延伸的掺杂区形成在半导体衬底中，其中竖直延伸的掺杂区包括第一掺杂类型，其中竖直延伸的掺杂区的至少部分提供电磁信号的至少部分到光生电荷载流子的转换。

另外的实施例示出一种光学飞行时间传感器设备，包括半导体衬底、读出节点、控制电极和分离门（separationgate）。半导体衬底包括用以将电磁信号转换成光生电荷载流子的转换区。读出节点配置成读出光生电荷载流子。控制电极通过隔离材料与半导体衬底分离。分离门通过隔离材料与半导体衬底分离。此外，控制电极和隔离材料形成在半导体衬底的沟槽中，其中沟槽垂直于主表面区到半导体衬底中的延伸大于读出节点与沟槽之间的距离。附加地或可替换地，沟槽垂直于主表面区到半导体衬底中的延伸可以大于分离门的横向延伸。

附图说明

随后将参照附图来讨论本公开的实施例，其中：

图1示出光学传感器设备的示意性横截面视图；

图2a示出根据许多实施例之一的光学传感器设备的示意性横截面视图；

图2b示出光学传感器设备的许多实施例之一的电势分布的示意性图示；

图3示出用以从读出节点读出光生电荷载流子的示例性读出电路；

图4示出根据许多实施例之一的示出转换区的变化的光学传感器设备的示意性横截面视图；

图5示出根据许多实施例之一的光学传感器的示意性横截面视图，其中两个控制电极通过大间隙分离并且具有在控制电极下方的连续掺杂区；

图6示出根据许多实施例之一的光学传感器设备的示意性横截面视图，其中所述两个控制电极具有在中间的小间隙；

图7示出根据许多实施例之一的具有单个控制电极的光学传感器设备的示意性横截面视图；

图8示出根据许多实施例之一的具有邻近于读出节点的埋设沟道的光学传感器设备的示意性横截面视图；

图9a示出根据许多实施例之一的具有在读出节点与控制电极之间的存储门和传输门的光学传感器设备的示意性横截面视图；

图9b示出具有传输门的光学传感器设备的许多实施例之一的电势分布的示意性图示；

图10示出根据许多实施例之一的具有钉扎（pinned）二极管存储阱的光学传感器设备的示意性横截面视图；

图11a示出根据许多实施例之一的具有半导体衬底中的注入阱的经修改的掺杂浓度的光学传感器设备的示意性横截面视图；

图11b示出根据许多实施例之一的修改图11a的光学传感器设备的示意性横截面视图；

图12示出根据另外的实施例的具有通过读出分离的两个控制电极的半导体衬底的示意性横截面视图；

图13a示出根据许多实施例之一的光学传感器设备的示意性横截面视图，其中控制电极形成在沟槽中；

图13b示出根据许多实施例之一的修改图13a的光学传感器设备的示意性横截面视图；

图14示出图13的光学传感器设备的实施例，其中两个沟槽之间的附加底部氧化物限制半导体衬底中的转换区的深度；

图15示出根据许多实施例之一的组合基于沟槽的方案与传输门的使用的光学传感器设备的示意性横截面视图；

图16示出根据许多实施例之一的光学传感器设备的示意性俯视图；

图17示出用于形成光学传感器设备的方法的示意性框图。

具体实施方式

在下文中，将更详细地描述本公开的实施例。在相应图中示出的具有相同或类似功能的元件将具有与其相关联的相同的参考标记。

图1示出光学传感器设备2的示意性横截面视图，所述光学传感器设备2包括半导体衬底14、读出节点6、控制电极8和掺杂区10。在一些实施例中，光学传感器设备2可以是像素阵列的一个像素的部分。半导体衬底14包括用以将电磁信号13转换成光生电荷载流子16的转换区12。读出节点和控制电极位于半导体衬底14的主表面区18处。读出节点配置成读出光生电荷载流子16，其中控制电极8通过隔离材料20与转换区12和/或半导体衬底14分离。此外，掺杂区10形成在控制电极8与转换区12之间的半导体衬底14中。掺杂区10包括相比于转换区12的最小掺杂浓度更高的掺杂浓度。衬底接触件26，例如增强掺杂区，可以提供在半导体衬底14中。掺杂区10和衬底接触件26可以具有相同的掺杂类型，其中读出节点6和掺杂区10（或读出节点6和衬底接触件26）可以具有不同（互补）的掺杂类型。

掺杂浓度（的绝对值）可以是转换区12的最小掺杂浓度的至少1000倍。此外，掺杂区10的掺杂可以在与转换区的掺杂类型相比时属于相同类型或不同类型，和/或在与衬底接触件的掺杂类型相比时属于相同类型。此外，掺杂区10可以连接到光学传感器设备的衬底接触件、地电势和/或最低电势，然而该连接具有高电阻率。此外，掺杂区10延伸到半导体衬底14中。控制电极8朝向转换区12的投影22（在图1中，朝向转换区的投影是竖直方向上的投影）与掺杂区10重叠或位于掺杂区10中。根据实施例，光学传感器设备是飞行时间传感器。

可替换地，可以应用掺杂区的以下定义，其中可以应用如以上所描述的另外的方面。半导体衬底14中的掺杂区10可以形成在控制电极8与转换区12之间，其中掺杂区10包括相比于在区11中确定的半导体衬底14的最小掺杂浓度更高的掺杂浓度，所述区11从掺杂区10，10a、10b以控制电极8，8a、8b的最大延伸15的距离延伸到半导体衬底中。最大延伸可以垂直于控制电极朝向转换区的投影17的方向延伸，其中掺杂浓度是最小掺杂浓度的至少1000倍。如以上所描述的，最大延伸可以垂直于控制电极朝向转换区的投影17的方向延伸。

控制电极的最大延伸可以是指所描述的图的剖面中的最大延伸。因此，如果控制电极位于半导体衬底上，则最大延伸可以是指控制电极的宽度或横向或水平延伸，其中，参照其中电极形成在沟槽中的实施例（参见例如图13b），最大延伸可以是指高度或竖直延伸。在实施例中，当提到三维控制电极而不是剖面时，最大延伸可以是指控制电极的轴的最大对角线、最大半径或最大长度。

换言之，半导体衬底的最小掺杂浓度可以在围绕控制电极的距离的区域中测得，所述距离等于从控制电极8到衬底接触件26的距离，其中所述距离可以从控制电极的重心测量到衬底接触件，或从控制电极和半导体衬底的面对边界的距离测得。在另外的实施例中具有控制电极8a和另外的控制电极8b的情况下，半导体衬底的最小掺杂浓度可以在围绕控制电极的距离的区域中测得，该距离等于从控制电极8a到另外的衬底接触件8b的距离。以绝对值，距离在绘图层中可以在500纳米和50微米之间，在1微米和30微米之间或在3微米与10微米之间。

此外，区11可以从掺杂区10延伸。延伸在该情况中可以是指以控制电极的最大延伸的距离围绕（重力）中心的半周（或半球）中的延伸。因此，半周的半径可以等于控制电极的最大延伸。在可替换的实施例中，延伸在该情况中可以是指围绕控制电极的最大延伸的轮廓的半椭圆或半椭球中的延伸。

一般而言，最小掺杂浓度可以是指例如1μm³、10μm³、30μm³、50μm³、或75μm³的相应材料的（例如，立方体或3维）区块的最小均值或平均掺杂浓度。作为示例，转换区的最小掺杂浓度可以确定为转换区的区域或区块中，或更一般地1、5或10μm³的半导体衬底的区域或区块中的最小均值；例如每1μm³若干（1至100个）掺杂原子。此外，最小掺杂浓度可以是指每立方厘米（诸如例如转换区或半导体衬底或任何其他掺杂区）最小掺杂原子（与其电荷无关，因此是正的和负的）的数目。换言之，最小掺杂浓度或掺杂浓度一般是指掺杂原子的绝对值或计数，其中正和负掺杂原子以相同方式作贡献。以绝对值，半导体衬底可以是p掺杂的，其最小掺杂浓度优选地等于或小于10¹⁴原子/cm³，诸如在10¹²和10¹⁴原子/cm³之间、或在2*10¹²和5*10¹³原子/cm³之间、或在4*10¹²和2.5*10¹³原子/cm³之间。

根据另外的实施例，掺杂区可以在从控制电极到转换区的方向上、以相同方向上的半导体衬底的扩展的最大10%延伸到半导体衬底中。根据另外的规范，掺杂区到半导体衬底中的延伸可以小于或等于平行于控制电极和隔离材料的界面或垂直于电磁信号的传播方向测量的控制电极的（横向）直径或棱长。以绝对值，掺杂区（在绘图层中）到半导体衬底中的延伸可以在50nm和1000nm之间，优选地在100nm和600nm之间，或更优选地在200nm和400nm之间。垂直于绘图层，延伸可以是绘图层中的延伸的5倍、20倍、50倍或200倍大。电磁信号的典型穿透深度可以是25μm，其中半导体衬底在电磁信号的传播方向上的典型尺寸可以是例如250μm。该概念可以应用于使用光生电荷载流子的重定向的ccd（电荷耦合设备）和/或cmos（互补金属氧化物半导体）飞行时间传感器，或应用于不同于ccd的任何其他合适的设计。

图2示出光学传感器设备2的实施例。在一些实施例中，除了控制电极8a和读出节点6a之外，光学传感器设备2包括另外的控制电极8b，其通过隔离材料20与转换区分离。隔离材料20可以将控制电极和所述另外的控制电极与转换区分离。因此，可以使用它，（连续的）隔离材料的层，或者可替换地，不同的非连续层。隔离材料可以是层间电介质（ild）诸如氧化物界面。

此外，另外的掺杂区10b可以提供在另外的控制电极8b与转换区12之间的半导体衬底中，其中另外的掺杂区10b包括相比于转换区12的最小掺杂浓度更高的掺杂浓度，其中掺杂浓度为转换区12的最小掺杂浓度的至少1000倍。此外，所述另外的掺杂区10b可以延伸到半导体衬底14中。换言之，第一和/或第二掺杂区（或电阻表面钉扎层）可以通过掺杂原子（在主表面区域18处）在半导体衬底14中的注入来形成。半导体衬底可以包括硅或锗或任何其他半导体材料。控制电极（或调制门）可以包括p型多晶硅，例如具有与电阻钉扎层（区10、19，参见10b）相同的掺杂类型。

另外的掺杂区可以如下那样定义，其为之前定义的可替换定义。半导体衬底14中的另外的掺杂区10b可以位于另外的控制电极8b与转换区12之间。另外的掺杂区10b可以包括相比于区11中的半导体衬底14的最小掺杂浓度更高的掺杂浓度，所述区11从所述另外的掺杂区10b以所述另外的控制电极8b的最大延伸的距离延伸到半导体衬底中，其中最大延伸垂直于所述另外的控制电极朝向转换区的投影22的方向17延伸，其中掺杂浓度是最小掺杂浓度的至少1000倍，其中所述另外的掺杂区10b延伸到半导体衬底14中。此外，可以应用关于掺杂区的相同描述。

转换区可以优选地定义为其中电子空穴对可以由于例如内部光电效应诸如半导体中的带间吸收而由电磁信号生成的区。然而，转换区还可以是指半导体衬底的区域，其中电磁信号到达半导体衬底。

根据实施例，控制电极和另外的控制电极可以在空间上分离，其中控制电极和另外的控制电极之间的距离在500纳米和50微米之间，在1微米和30微米之间或在3微米和10微米之间。换言之，控制电极之间的间隙32可以大于控制电极在控制电极的最小延长（extent）的方向上的尺寸。这可以是平行于控制电极的表面8'的延长或平行于控制电极与隔离层20之间的最大界面的延伸。

根据另外的实施例，光学传感器设备可以包括控制器23，其配置成控制施加到控制电极8a的交流电势，使得在转换区12中生成电势分布以执行转换区中的光生电荷载流子16的相敏（或可替换地，运行时间敏感）解调。入站电磁信号的调制可以通过幅度调制来执行，在一个实施例中通过应用矩形成形滤波器或窗口，使得电磁信号包括例如一系列矩形脉冲。因此，解调可以通过向调制门应用相同系列的矩形脉冲来执行。因此，通过使矩形脉冲移位，可以解调具有相同量的相移的电磁信号。示例性电势分布在图2b中示出。

然而，控制器23还可以向控制电极8a和另外的控制电极8b提供反周期性交流电势，使得交流电流24被提供到掺杂区10a与另外的掺杂区10b之间的半导体衬底14中。此外，交流电流24生成转换区12中的电势分布。在相应各图中，交流电流24通过电阻导体路径表示或绘制。

换言之，交流电流或电压可以施加到控制电极8a、8b，使得在掺杂区10a与另外的掺杂区10b之间感应交流电流。因此，隔离材料可以形成控制电极与掺杂区之间的电容器，使得隔离材料不传导直流电流（dc）或使其绝缘，并且针对交流电流（ac）的增加的频率具有增加的导纳或电纳。然而，交流电流24提供转换区中的电势分布。该电势分布依照电磁信号13的调制（频率）来调节或设置，所述电磁信号13还可以称为光子通量。因此，经强度调制的光可以从诸如激光器之类的光源传送到远处对象，其中所发射的电磁信号被反射和提供给光学传感器设备。交流电流，或者更精确地，电势分布因而可以向读出节点6a提供由电磁信号的第一相位生成的电荷载流子。此外，由具有第二相位的电磁信号生成的光生电荷载流子可以在相同的测量（或相同的积分时段）期间提供给第二读出节点6b，所述第二相位相比于第一相位具有180°的相移。

电磁信号可以在转换区（也称为吸收区）中生成电子-空穴（e/h）对，其中，例如，诸如电子之类的少数载流子16a移位到读出节点，其中其他电荷载流子（例如，诸如空穴之类的多数载流子16b）可以在（电）衬底接触件26处放电。这避免半导体衬底通过多数载流子的饱和。然而，如果电子形成少数载流子，则半导体衬底可以是p掺杂的，其最小掺杂浓度优选地等于或小于10¹⁴原子/cm³，诸如在10¹²和10¹⁴原子/cm³之间、或者在2*10¹²和5*10¹³原子/cm³之间、或者在4*10¹²和2.5*10¹³原子/cm³之间，其中掺杂区10a和10b可以包括增强或更大p掺杂，其浓度大于10¹⁴原子/cm³，诸如在10¹⁴原子/cm³和10¹⁸原子/cm³之间，优选地在10¹⁵原子/cm³和10¹⁷原子/cm³之间，或更优选地在5*10¹⁵原子/cm³和5*10¹⁶原子/cm³之间。因此，读出节点包括互补n-掺杂，其浓度大于10¹⁴原子/cm³，诸如在10¹⁴原子/cm³和10²²原子/cm³之间，优选地在10¹⁶原子/cm³和10²¹原子/cm³之间，或更优选地在10¹⁸原子/cm³和5*10²⁰原子/cm³之间。衬底接触件26可以包括大于10¹⁴原子/cm³诸如在10¹⁴和10²⁰之间，优选地在10¹⁶和10¹⁹之间，或更优选地在10¹⁷和5*10¹⁸之间的增强掺杂。然而，n-和p-掺杂取向可以交换或互换，使得空穴代替电子是少数载流子并且形成电传感器信号。除非明确指出任何其他事物，否则实施例涉及两种掺杂设计，即使图可能隐含地仅示出一个设计并且关于该图仅描述一个设计。

换言之，电阻表面钉扎层10a、10b集成在调制门结构8a、8b下方。该构造可以被视为钉扎光电门（ppg）设备。

在实施例中，电阻表面钉扎层满足以下条件：

·掺杂水平应当足够高，如以上所指示的，优选地高于10¹⁴原子/cm³，以防止在读出节点偏置时氧化物界面20的耗尽。如果掺杂水平包括前述高度，则防止或至少显著减少调制门或氧化物界面处的少数载流子的生成。因此，由生成所导致的暗电流减少。此外，减少重组的方面可以是避免到半导体衬底14中的（深）源-漏注入。因此，不存在控制电极8到半导体衬底14的直接接触，并且衬底到控制电极的界面处的少数电荷载流子的重组可以甚至更被减少或甚至完全避免；

·电阻表面钉扎层10a、10b的电阻率，诸如控制电极8a与另外的控制电极8b之间的电连接应当足够高，使得结合门电容28a、28b，电容耦合到电阻层10中的调制门电压脉冲在整个调制时段上存留（2πrc＞＞1/f_mod）。典型的调制频率f_mod在10mhz与300mhz之间，在50mhz与200mhz之间或优选地在75mhz与125mhz之间，诸如例如100mhz。换言之，为了在电磁信号的测量期间获得带电电容，调制频率f_mod应当优选地高于1/(rc)。此外，rc的较高值使得能够在较低功率输入下使用较低解调频率；

·区10应当连接到多数载流子16b的供应部，例如增强掺杂区26，以便防止长期电势漂移。

隔离材料20的厚度是用以调节最小调制和解调频率的一个设计参数，因为较薄的门氧化物增加其电容c，其可以称为门氧化物电容。较高的容量可以允许近似相同量级中的较低最小解调频率。然而，隔离材料的厚度可以高于1.5纳米。这样的厚度可以防止电子，或一般地电荷载流子，隧穿门氧化物20并且因而绕过隔离层的电容。

第二参数是掺杂区的电阻。例如，如果掺杂区在控制电极之间是连续的，则电阻r在与非连续掺杂区相比时可以是较低的。因此，调制门8a、8b之间的最大间隙宽度32可以允许高电阻并且因而甚至使最小解调频率进一步下降。间隙宽度可以直接与对应的不同掺杂区10a、10b之间的间隙有关，因为掺杂区形成在调制门到半导体衬底中的投影中。控制电极的投影可以投影在朝向转换区的方向上。换言之，投影可以设置成垂直于主表面区域，其中主表面区域位于控制电极的最大扩展的方向上。换言之，控制电极的投影可以垂直于控制电极与隔离材料之间的最大界面或边界区而投影。

如果控制电极的投影被掺杂区完全覆盖或围封，则防止半导体衬底14中的空间电荷区的出现。然而，即使投影未被完全覆盖，例如仅被覆盖超过80%或者在一些实施例中超过90%或甚至95%，半导体中的空间电荷区也明显减少。然而，如果控制电极的投影的尺寸延伸掺杂区的尺寸并且因而投影未被掺杂区完全覆盖，则可以在半导体衬底中感应电流。

当多数载流子捕获率（与多数载流子浓度成比例）超过多数载流子发射率时，界面20处的e/h对生成可能被“扑灭”。这可以在界面20未被耗尽时实现，甚至对于电阻钉扎层的相对低的掺杂浓度而言。该原理可以应用于在操作期间被主动调制的那些光电门，诸如调制门8a、8b。

根据另外的实施例，光学传感器设备包括分离门30，其中分离门30a可以提供调制门8a与读出节点6a之间的电势分布，并且其中分离门30b对调制门8b和读出节点6b执行相同任务。换言之，分离门分别允许控制电极8a、8b和读出节点6a、6b的电容解耦，以防止从控制电极到读出节点的串扰或偏置。

此外，调制门8a和另外的调制门8b之间的距离或间隙32可以变化。因此，不要求具有小间隙32，因为不再需要调制门之间的最小宽度间隙来确保迅速横向载流子输运。详细来说，更灵活的门布局是可能的，并且根据一些实施例可以提供大间隙。大间隙允许接触件和调制门不在电磁信号的光学路径中。因此，如果没有电极位于电磁信号的传播方向上，则撞击在半导体衬底上的电磁信号可以包括更多能量。该效应对于小波长的电磁信号而言可以更大。

在该情况下，严格来说，门应当不再被称为光电门，因为它们不再位于照射源与吸收区之间的光学路径中。更确切地说，它们可以被视为“调制耦合门”。此外，调制门的脉动创建跨电阻层10的电压降，从而实现少数载流子的调制，即使体块（epi）14未被耗尽。少数载流子重定向然后由深入延伸到体块中的多数载流子漂移场管控，并且可能改进调制速度与吸收区的深度之间的折衷。该方案不要求提示昂贵的装备和工艺控制的例如5*10¹²原子/cm³以下的极其低的掺杂浓度。

换言之，代替耗尽半导体衬底的表面18处的区，（交流）电流24可以电容耦合到掺杂区中，从而形成调制门之间的电连接内的（假想）电阻器之上的电势梯度。在具有调制门之间的连续掺杂区的情况下，控制电极之间的电阻当与不同的掺杂区10a、10b相比时可以更小，其中通过包括当与掺杂区相比时更低的掺杂浓度的半导体衬底的区域来提供电流。

图2b示出可以从由电流24生成的电场得到的示例性电势梯度或电势曲线34。示例性地指示了影响具有例如180°的相移的电磁信号的电势梯度（或漂移场）34a、34b。电势曲线34a可以影响从具有第一相位诸如0°的电磁信号生成的电荷载流子，其中第二电势曲线34b可以与由具有第二相位诸如180°的电磁信号生成的电荷载流子相关。因此，可以应用矩形解调。然而，还可以使用任何其他调制技术，诸如例如模拟、幅度、频率、相位、数字、psk（相移键控）、qam（正交幅度调制）、ofdm（正交频分多路复用）调制。参照电势曲线34a，向图2b的左侧，即在朝向读出节点6a的方向上，提供由具有第一相位的电磁信号生成的电荷载流子。在移位期间，电荷载流子离开电场的影响区域，或者至少影响将被降低，如果电荷载流子离开转换区的话。电荷载流子可以被分离门30a吸引。此外，电荷载流子可以被读出节点6a吸引。通过应用相应电势曲线，以上情况类似地适用于由具有另外的相位的电磁信号生成的电荷载流子。在读出节点处收集的电荷载流子可以使用合适的读出电路来读出。仅具有一个读出节点6a的光学传感器设备可以称为一抽头（tap）像素，其中具有用以提供由处于第一和第二相位的入站电磁信号生成的光生电荷载流子的两个读出节点的光学传感器设备可以称为二抽头像素。

图3示出这样的读出电路的示例性结构，其可以可选地应用于光学传感器设备或者其可以可选地变成光学传感器设备（像素）的部分。示例性读出电路300可以使用场效应晶体管（fet）形成。在其中光生载流子由电磁信号生成的积分时间之后，积分节点电压，诸如读出节点处的电压，可以通过增益级302感测到。所述增益级302可以是源极跟随器布局中的fet，其配置成读取由读出节点提供的电荷载流子。信号可以例如通过连接到模拟到数字转换器（adc）输入级（未示出）的选择fet304来进一步分析，如在4t-a/at-b块306a、306b中所指示的。最初，积分节点或读出节点可以使用复位开关310充电至复位电压308。另外的保持开关312可以用于将传感器的光敏读出节点与增益级314断开以允许稍后时间处的信号转换而没有转换延迟对信号电平的影响（全局快门）。读出节点可以形成例如由p-n结指示的二极管。

换言之，通过使用保持开关312，在积分时间之后，电荷载流子在读出节点中被收集并且从所述读出节点得到一次，使得可以利用经定义数目的电荷载流子而不是利用恒定流的电荷载流子来执行传感器信号的可选地更耗时的评估。

即将到来的图4至15示出根据许多实施例的光学传感器设备的示意性横截面视图。在本文中，示出包括传输门的实施例。回去参照图3的示例性读出结构，传输门可以执行保持开关312的任务（保持开关可以被移除）以使能或禁用光生电荷载流子的读出并且向例如放大级提供电荷载流子以用于进一步处理。然而，传输门允许电荷载流子的无噪声读出，其中在像素复位期间感应的噪声可以使用相关双采样来消除。因此，使用传输门而不是保持开关312可以改进传感器信号（由光生电荷载流子形成）的信噪比。

图4的实施例揭示两个控制电极8a、8b被通过间隙32间隔开。此外，相应控制电极下方的掺杂区10a、10b包括间隙，该间隙与间隙32的尺寸近似相同。通过使用该结构，可以实现不同掺杂区10a、10b之间的相对高电阻。此外，图4揭示转换区12中的区域35包括当与半导体衬底14的掺杂相比时的另一种类的掺杂。转换区12的最小掺杂浓度在与例如掺杂区10的掺杂浓度相比时应当是小的。足够小的掺杂浓度使得能够使用二极管和/或门电势（例如，施加于（一个或多个）分离门或（一个或多个）存储门的电势）来实现转换区的（完全）耗尽。通过使用具有与衬底接触件26互补的掺杂的该区域35，掺杂区10a、10b之间的电阻增加而不影响电容28a、28b并且因而增加rc的值（或乘积），使得能够在较低功率输入下使用较低解调频率。

图5示出图4的光学传感器设备2，其中没有另外的掺杂区35而具有在控制电极8a、8b下方和之间的连续掺杂区10。图4中指示的区域35的缺失在程序上可以是有效的，因为可以避免另外的掺杂步骤。

图6示出图5的实施例，然而其中控制电极8a、8b具有较小间隙32。由于较小间隙，门电容可以增加。

图7示出图6的实施例，然而仅使用光学传感器设备2的仅一半或部分。没有附接的电极的其余部分被描绘以指示与所描述的实施例的类似性，然而，光学传感器设备可以缩小尺寸，或者其余部分可以切掉以获得更小的光学传感器设备。因此，衬底接触件26可以充当第二掺杂区，使得在半导体衬底14中提供或外加的交流电流24可以从掺杂区10a传导到衬底接触件26。因此，相敏解调可以针对电磁信号的单个相位来实现。为了获得有意义的飞行时间测量，来自电磁信号的信息可以在三个不同相移处获得。通过使用具有两个不同控制电极8a和8b的实施例，应当执行两次测量以从电磁信号的四个不同相位取回信息。然而，根据图7的实施例，应当执行三个不同测量以从电磁信号的三个不同相位获得信息。在其中期望传感器的小尺寸的应用中，测量时间的这样的增加可以被接受或忽略以实现小传感器设计。

图8示出类似于图4的实施例的光学传感器设备的实施例。然而，缺少所述另外的掺杂区35，其中在半导体衬底14中提供埋设沟道36a、36b。埋设沟道36a、36b可以通过注入用于掺杂读出节点的掺杂原子的种类（例如，n掺杂）的掺杂原子来生成。然而，该掺杂与衬底接触件26的掺杂是互补的。埋设沟道的掺杂浓度可以小于读出节点中的掺杂浓度，诸如在10¹²和10¹⁸原子/cm³之间，或在1*10¹⁴和1*10¹⁷原子/cm³之间，或在1*10¹⁵和1*10¹⁶原子/cm³之间。通过使用埋设沟道，由电磁信号生成的电荷载流子可以通过埋设沟道引导至读出节点。因此，较少的电荷载流子到达半导体衬底14的主表面区域18，其中将更可能的是电荷载流子在它们通过读出节点被读出之前重组或被俘获。因此，通过使用埋设沟道，更多电荷载流子可以到达读出节点。换言之，光学传感器设备包括转换区12与相应读出节点6a、6b之间的半导体衬底中的埋设沟道36以获得光学传感器设备2的增加的读出效率。在一个实施例中，半导体衬底14和衬底接触件26是p掺杂的，其中衬底接触件26具有比半导体衬底14更高的掺杂浓度，并且埋设沟道36a、36b和读出节点6a、6b是n掺杂的，其中读出节点6a、6b具有比埋设沟道36a、36b更高的掺杂浓度。

图9a示出对图2a的实施例的修改，其包括位于存储门30a'和读出节点6a之间的传输门38a、38b。传输门38b因此位于存储门30b'与读出节点6b之间。此外，读出节点6a可以嵌入在衬底接触件26a中，并且另外的读出节点6b可以嵌入在另外的衬底接触件26b中。从硬件或设计的观点来看，存储门30a'、30b'可以等于关于其他实施例描述的分离门30a、30b。然而，从功能的观点来看，存储门配置成收集从转换区提供的电荷载流子以避免通过读出节点的直接读出。直接读出通过衬底接触件26a、26b的增强掺杂区覆盖或围封读出节点6a、6b来防止。然而，传输门36a、36b可以配置成对传输门下方（或读出节点与存储门之间）的增强掺杂区26a、26b进行桥接或形成旁路以实现存储门30a'下方的所收集的电荷载流子的读出。因此，传输门可以实现电荷载流子向读出节点的传输。

此外，转换电容（例如，通过包括读出节点和读出电路的二极管引入）可以由于传输门而降低。换言之，在给定光信号和积分时间下，积分电容被减少从而引起更高的信号电压。电容被减少，因为其由传感器中的二极管形成（n+区关于衬底、复位扩散到门和体块电容、以及源极跟随器输入电容）。因此，电容不依赖于传感器中的二极管，其另外包括n+区关于分离门以及保持开关扩散到门和体块电容。具有减少的积分或转换电容，实现光生电荷载流子的更快读出，因为必须在可以得到信号之前对减少的电容加载。

此外，可以移除保持开关，诸如例如读出电路的保持开关312，因为传输门使电荷载流子能够或不能被定向到读出电路。因此，缺少保持开关的所谓的ktc噪声（或热噪声或johnson-nyquist噪声），因为保持开关被移除。然而，由于复位门的开关，仍旧引致ktc噪声。然而，可以使用相关双采样（cds）来移除该ktc噪声。这是可能的，因为由于通过保持开关mos沟道电阻在电容和积分节点之间的（耗散）电荷交换，而没有保持开关将在源极跟随器的输入处提供随机电压噪声分量（sqrt（kt/c））。换言之，由于在读出期间不存在增益级和读出节点之间的分离开关，所以在复位期间和在读出期间发生相同量的噪声，使得当两个读数相减时，复位期间和读出期间的噪声影响抵消。

在图9b中示出示例性电势曲线34，其类似于图2b的电势曲线。然而，差别是传输门下方的势垒40a、40b。该势垒可以由在光学传感器设备的转换或感测模式期间衬底接触件覆盖读出节点的延伸掺杂而导致。势垒可以通过传输门38a、38b在读出期间显著降低以实现光生电荷载流子的读出。换言之，在实施例中，光学传感器设备可以包括传输门38a、38b，其配置成在光学传感器设备的读出模式中向读出节点提供光生电荷载流子，并且在光学传感器设备的感测模式中使光生电荷载流子与读出节点分离。

图10示出图9a的可替换示例，其中半导体衬底处（或更精确地，隔离层20上方）的存储门30a'、30b'被半导体衬底中的钉扎存储阱30a''、30b''取代。该钉扎，其可以通过存储阱30a''和30b''与半导体衬底14的主表面区域18之间的（由掺杂区10a、10b提供的）增强掺杂区来执行，可以防止在存储阱中收集的电荷载流子在主表面区域18处重组。此外，钉扎存储阱可以防止电荷载流子在半导体衬底中在主表面区域处的生成，并且因此钉扎存储阱减少或甚至抑制泄漏电流在主表面区域处的生成。再次，传输门38a、38b可以在光学传感器设备的读出模式中降低存储阱38a''和读出节点6a之间的势垒。存储阱可以是半导体衬底的耗尽区。根据图10，掺杂区10a、10b除了已经描述的功能之外还提供存储阱30a''、30b''的钉扎。在一个实施例中，半导体衬底14和衬底接触件26a、26b是p掺杂的，其中衬底接触件26a、26b具有比半导体衬底14更高的掺杂浓度。存储阱30a''、30b''和读出节点6a、6b是n掺杂的，其中读出节点6a、6b具有比存储阱30a''、30b''更高的掺杂浓度。

图11a示出根据实施例的诸如飞行时间传感器设备之类的光学传感器设备2的示意性横截面视图。光学传感器设备包括半导体衬底14，其包括用以将电磁信号13转换成光生电荷载流子16的转换区12和配置成读出光生电荷载流子16的读出节点6。此外，光学传感器设备包括控制电极8，其通过隔离材料20与转换区12分离。可选的掺杂区10可以在半导体衬底14中形成在控制电极8与转换区12之间，其中可选的掺杂区10包括相比于转换区12更高的掺杂浓度，其中所述掺杂浓度为转换区12的最小掺杂浓度的至少1000倍，并且其中掺杂区10延伸到半导体衬底14中。然而，在图11a的实施例的其他变型中，掺杂区10还可以被省略或可以具有其他掺杂浓度。衬底接触件26，例如增强掺杂区，可以提供在半导体衬底14中。

根据图11a的光学传感器设备包括竖直延伸的掺杂区35'，其形成在邻近于读出节点6和控制电极8的半导体衬底中。竖直延伸的掺杂区35'可以在横向上定界。在一个实施例中，每一个光学传感器设备可以是多个光学传感器设备中的一个，均包括与光学传感器设备相关联的竖直延伸的掺杂区35'。在另一实施例中，多个像素可以共享相同的竖直延伸的掺杂区35'。竖直延伸的掺杂区35'的至少部分位于转换区内，因而提供电磁信号13的至少部分向光生电荷载流子16的转换。在一些实施例中，竖直延伸的掺杂区35'的横向延伸可以超出转换区的横向延伸。竖直延伸的掺杂区35'的掺杂类型不同于衬底接触件26的掺杂类型。此外，根据实施例，竖直延伸的掺杂区35'的掺杂类型可以与读出节点6的掺杂类型相同。电磁信号13向光生电荷载流子16的转换可以至少部分地在竖直延伸的掺杂区35'内。此外，光生电荷载流子可以在竖直延伸的掺杂区35'内（或通过竖直延伸的掺杂区35'）被引导至读出节点6。竖直延伸的掺杂区35'可以通过电势而偏置，使得耗尽区延伸完全贯穿竖直延伸的掺杂区35'，或至少部分地使得耗尽区延伸到读出节点6。此外，读出节点6和竖直延伸的掺杂区35'可以包括第一掺杂类型，其中（可选的）掺杂区10和衬底接触件26可以包括第二掺杂类型。第一和第二掺杂类型是互补掺杂类型。

光生电荷载流子中的至少一些可以不离开竖直延伸的掺杂区35'，直到它们到达读出节点6为止。因此，光生电荷载流子可以在竖直延伸的掺杂区35'中生成，并且通过竖直延伸的掺杂区35'或在竖直延伸的掺杂区35'内提供（或输运）到读出节点。根据实施例，可以仅存在一个形成于光学传感器设备中的竖直延伸的掺杂区35'。

竖直延伸的掺杂区35'提供竖直更深安置区中的增加的解调效率并且因而在衬底中的更深处提供光生载流子的解调。该体积内解调避免长路径长度和缓慢扩散输运。在到非耗尽衬底的过渡处，获得高电场强度，其提供所生成的少数载流子的快速提取。换言之，竖直延伸的掺杂区至少部分地对光学传感器设备的解调效率作贡献。

此外，关于竖直延伸的掺杂区35'，可能不再需要埋设沟道。

为了实现以上描述的效果，竖直延伸的掺杂区35'可以具有在10¹²原子/cm³和10¹⁵原子/cm³之间的范围内的掺杂浓度。在一些实施例中，掺杂浓度可以在10¹³原子/cm³和10¹⁴原子/cm³之间的范围内。竖直延伸的掺杂区35'的纵横比（竖直延伸的掺杂区35'的最大竖直延伸与转换区12的横向延伸之比）可以在0.2和5之间，在一些实施例中在0.5和2之间，并且在一些实施例中在0.75和1.25之间。

根据实施例，半导体衬底14中的转换区12的最小掺杂浓度在竖直延伸的掺杂区35'内。

在一些实施例中，竖直延伸的掺杂区35'可以是注入阱或通过扩散生成的阱。在其他实施例中，竖直延伸的掺杂区35'可以通过利用竖直延伸的掺杂区35'的掺杂类型的外延生长来制造。竖直延伸的掺杂区35'外部的区然后可以反掺杂以获得横向边界并且允许衬底或衬底中的埋设层被电连接。

图11b示出光学传感器设备2，其中竖直延伸的掺杂区35'类似于关于图4描述的那个，并且还处于对图11a的修改中。然而，与图4相比，竖直延伸的掺杂区35'不限于转换区12。因此，另外的掺杂区35'可以形成在光学传感器设备的有源区域中。有源区域可以是光学传感器设备的部分，其中出现对传感器信号作贡献的（少数）电荷载流子。换言之，这些电荷载流子可以不离开有源区域，并且因而不离开另外的掺杂区域35'。然而，多数电荷载流子可以可选地离开另外的掺杂区域35'以被引导至衬底接触件26。

图12示出光学传感器设备，其中读出节点和控制电极的位置互换。因此，交流电流24经过读出节点6a、6b和相应分离门30a、30b二者。然而，在一些实施例中，半导体接触件26和掺杂区10a、10b之间的电阻大于两个掺杂区10a、10b之间的电阻。因此，线42示意性地图示了衬底接触件26和掺杂区10a在空间上分离，或者附加地或可替换地，实现用于增加电阻的其他部件。

图13a示出诸如光学飞行时间传感器设备之类的光学传感器设备2的示意性横截面视图。光学传感器设备包括半导体衬底14，半导体衬底包括用以将电磁信号13转换成光生电荷载流子16的转换区12。光学传感器设备还包括配置成读出光生电荷载流子16的读出节点6，以及通过隔离材料20与半导体衬底14分离并且因而还与转换区12分离的控制电极8。此外，光学传感器设备可以包括分离门30，其通过隔离材料20'与半导体衬底14分离。衬底接触件26，例如增强掺杂区，可以提供在半导体衬底14中。

根据实施例，半导体衬底14中的可选掺杂区10可以位于控制电极8和转换区12之间，其中可选掺杂区10包括相比于转换区12更高的掺杂浓度，其中掺杂浓度是转换区12的最小掺杂浓度的至少1000倍，并且其中掺杂区10延伸到半导体衬底14中。然而，在图13a的实施例的其他变型中，可选掺杂区10还可以被省略或者可以具有其他掺杂浓度。此外，读出节点6可以包括第一掺杂类型，其中掺杂区10和衬底接触件26可以包括第二掺杂类型。

此外，光学传感器设备可以包括分离门30。分离门30通过隔离层20'（包括隔离材料）与半导体衬底14电隔离。控制电极8和隔离材料20可以形成在半导体衬底14的沟槽46中，其中沟槽垂直于主表面区18到半导体衬底中的延伸大于读出节点和控制电极之间的距离，或者在实施例中，大于分离门的横向延伸。在一些实施例中，沟槽到半导体衬底中的竖直延伸可以至少是沟槽和读出节点6之间的横向距离。在一些实施例中，沟槽到半导体衬底中的竖直延伸可以至少是分离门30的横向延伸。在一些实施例中，读出节点6到门结构30的距离可以尽可能接近，使得在读出节点6和分离门30之间提供电隔离。分离门30在一些实施例中可以延伸控制电极8和读出节点6之间的横向距离的大体全部或所述横向距离的至少很大部分。在一些实施例中，控制电极8朝向转换区12的投影可以与掺杂区10重叠，或者位于掺杂区中。在图13a的其他变型中，控制电极8朝向转换区12的投影可以不与掺杂区10重叠，或者可以不位于掺杂区中。沟槽可以使用例如反应离子蚀刻来形成。

分离门可以分别允许控制电极8和读出节点6的电容解耦，以防止从控制电极8到读出节点6的串扰或偏置。在一些实施例中，调制门到半导体衬底中的投影（垂直于半导体衬底）至少部分地位于沟槽（或调制门）和读出节点之间。换言之，沟槽46、分离门30、读出节点6和转换区12可以以前述次序定位。因此，关于到主表面区18的竖直投影，分离门30布置在读出节点6和沟槽46之间。

图13b示出图12的光学传感器设备，其中，作为对图12的可替换方案，控制电极8a、8b位于半导体衬底14中的沟槽或阱46中。沟槽46的表面可以使用隔离材料20来覆盖。邻近于隔离材料，掺杂区10a、10b可以形成在半导体衬底中。控制电极8a、8b形成在被隔离材料20覆盖的沟槽中。再次，在实施例中可以提供衬底接触件26和控制电极8a之间的相对高电阻，通过线42指示。分离门可以是处于恒定电势的屏蔽电极以避免调制门8到读出节点6的电容耦合。代替使用例如（深）反应离子蚀刻沟槽方法（（d）rie）蚀刻沟槽，常规蚀刻（干法或湿法）蚀刻可以用于形成沟槽。该常规蚀刻可以在经济上更加有效，因为相比于rie方法，该常规蚀刻更快且价格低。

换言之，控制电极和隔离材料可以形成在半导体衬底的沟槽中，其中隔离材料使控制电极与约束沟槽的半导体衬底分离。此外，另外的控制电极可以形成在约束沟槽的半导体衬底的另外的沟槽中。转换区可以形成在或位于控制电极和另外的控制电极之间。

图14示出基于沟槽的光学传感器设备2的另外的实施例。除了图13b的实施例之外，底部氧化物层44提供在连接到覆盖沟槽46的隔离材料20的控制电极8a、8b下方。因此，底部隔离材料44可以具有与隔离材料20相同的材料。因此，解调区域由另外的底部隔离材料44限制。换言之，嵌入式隔离材料可以嵌入在半导体衬底中，从沟槽延伸到另外的沟槽。半导体衬底的嵌入式隔离材料、沟槽、另外的沟槽和主表面区可以形成转换区的边界。

如果光学传感器元件与光学传感器元件的阵列的其他光学传感器元件对准，则可以例如提供该实施例。因此，光学传感器元件的阵列的每一个光学传感器元件与其他光学传感器元件电分离，使得避免两个邻近的光学传感器元件之间的串扰。然而，对于每一个光学传感器设备，可以提供分离的衬底接触件。可替换地，可以形成一个衬底接触件以用于多个光学传感器设备。使得避免半导体衬底用多数载流子的饱和，并且因此可以获得连续测量。

用于多个传感器设备的衬底接触件可以例如位于四个邻近光学传感器设备之间的连接点处。

图15示出在具有传输门38a、38b的设计中没有底部氧化物层44的基于沟槽的方案的另外的实施例。因此，邻近于沟槽，衬底接触件26围封读出节点6a和半导体衬底。传输门38位于读出节点与存储门30a'之间以从存储区向光学传感器设备的读出节点中的读出节点提供少数载流子，并且保持读出节点与存储门之间的势垒从而允许少数载流子在存储门电极30a'下方的收集。

图16示出钉扎光电门（ppg）设备2的示意性俯视图略图，所述钉扎光电门（ppg）设备2具有电阻钉扎层10和顶部和底部处的增强掺杂区（衬底）之间的连接的一种可能实现。

图17示出用于制造光学传感器设备2的方法的示意性框图。方法包括：提供半导体衬底的步骤s1702，所述半导体衬底包括用以将电磁信号转换成光生电荷载流子的转换区；在控制电极与转换区之间的半导体衬底中形成掺杂区的步骤s1704，其中所述掺杂区包括相比于区中的半导体衬底的最小掺杂浓度更高的掺杂浓度，所述区以控制电极的最大延伸的距离从掺杂区延伸到半导体衬底中，其中最大延伸垂直于控制电极朝向转换区的投影的方向延伸，其中掺杂浓度是最小掺杂浓度的至少1000倍，其中控制电极朝向转换区的投影与掺杂区重叠或位于掺杂区中；通过隔离材料使控制电极与转换区分离的步骤s1706；以及提供配置成读出光生电荷载流子的读出节点的步骤s1708。在步骤s1706中使控制电极与转换区分离可以通过在半导体衬底的主表面区域处沉积隔离材料并且在隔离材料上形成控制电极来执行。因此，可以防止半导体衬底和控制电极之间的电连接。

为了更加精确，半导体衬底的任何掺杂可以通过在半导体衬底的某个深度处注入掺杂原子来执行，并且进一步地以在半导体衬底的主表面区域上执行氧化工艺从而形成隔离材料20。

尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是清楚的是，这些方面也表示对应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应的块或项或特征的描述。方法步骤中的一些或全部可以由（或使用）硬件装置执行，所述硬件装置比如例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的某一个或多个可以由这样的装置执行。

以上描述的实施例仅仅说明本公开的原理。要理解的是，本文中描述的布置和细节的修改和变化对于本领域其他技术人员而言将是明显的。因此，意图仅由待决的专利权利要求的范围而不是由通过本文中的实施例的描述和解释呈现的具体细节来限制。