本公开总体上涉及集成电路领域，并且更具体地涉及适于检测电磁信号的飞行时间的光学传感器器件领域。另外的实施例示出了用于飞行时间传感器的光混合器件。
背景技术：
在一些光学传感器器件中，光检测器中的控制电极用于解调光生电荷载流子。由辐射源生成并且通过调制信号幅度调制的电磁信号被定向到对象并且被反射到光检测器。与调制信号同相或与调制信号具有固定相位关系的解调信号被施加到光检测器中的控制电极。取决于施加到控制电极的解调信号，光生电荷载流子被定向到第一读出节点或第二读出节点。检测被定向到读出节点的光生电荷载流子，并且确定调制信号与从对象反射并且在光检测器处检测到的电磁信号之间的相移。因此，电磁信号的飞行时间可以根据检测到的光生电荷载流子来确定。换言之，使用接收到的辐射与解调信号的混合来根据由辐射源发射的辐射与由光学传感器器件接收的辐射之间的相移来确定飞行时间信息。因此，这样的光学传感器器件也称为光混合器件(pmd)或解调检测器。
为了定向光生电荷载流子，使用控制电极。在传统的传感器器件中，使用单个种类的控制电极。更具体地，已经使用了用于电流辅助的光子解调的光栅或沟槽栅或引导场电极。
然而，目前的光传感器器件的设计受到传感器信号质量的限制。
因此，需要一种转换电信号中的所接收的光信号的增强的方法。
技术实现要素：
进一步的实施例提供了一种光学传感器器件，其包括：具有用于将电磁信号转换为光生电荷载流子的转换区域的半导体衬底、被配置为读出光生电荷载流子的第一部分的读出节点、控制电极、和在半导体衬底中在控制电极与转换区域之间的掺杂区域，其中掺杂区域邻近于控制电极并且延伸到半导体衬底中，其中掺杂区域的掺杂类型不同于读出节点，并且其中掺杂区域的掺杂浓度使得掺杂区域在操作期间保持耗尽。
根据实施例，控制电极可以包括在半导体衬底的表面区域上横向延伸的控制电极部分，并且其中半导体衬底中的掺杂区域邻近于横向延伸的控制电极部分。
根据实施例，光学传感器器件可以包括控制电极，控制电极具有形成在延伸到半导体衬底中的沟槽中的控制电极部分，并且其中掺杂区域邻近于沟槽。
根据实施例，控制电极可以包括在半导体衬底的表面区域上横向延伸的控制电极部分、以及形成在延伸到半导体衬底中的沟槽中的控制电极部分，其中掺杂区域邻近于控制电极部分。
进一步的实施例提供了一种光学传感器器件，其包括包括用于将电磁信号转换为光生电荷载流子的转换区域的半导体衬底、被配置为读出光生电荷载流子的第一部分的读出节点、通过另外的隔离材料与半导体衬底分离并且形成在延伸到半导体衬底中的沟槽中的控制电极、以及在半导体衬底中的掺杂区域，其中掺杂区域邻近于沟槽，并且其中掺杂区域的掺杂类型不同于读出节点，其中掺杂区域的掺杂浓度使得掺杂区在操作期间保持耗尽。
根据实施例，例如，光学传感器器件可以被认为是用于接收由光源发射并且被待感测对象反射的光学可见光或红外辐射的二维集成像素阵列的像素，其中各个像素被集成到半导体衬底中并且提供用于通过测量光学可见光或红外辐射的飞行时间(行进时间)来确定与对象的距离的电输出信号。根据实施例，光学传感器器件(例如，pmd像素＝光子混合器器件像素)的半导体衬底的半导体材料在与形成在延伸到半导体衬底中的沟槽中的控制电极和/或被实现为横向电极的控制电极接界的区域中被提供有(增加的)p型掺杂。这些附加的p型掺杂区域的掺杂浓度高于光敏半导体材料(转换区域)的主要部分(体积量最大的部分)的掺杂浓度，但是低于其中在光学传感器器件的(正常)操作条件期间相应的掺杂区域将不再完全耗尽的半导体材料中的掺杂浓度。这种附加掺杂区域的效果使得光生电荷载流子的同相空间分离甚至跨若干调制周期被保持。因此，在各个调制栅(控制电极)处一次收集的光生电荷载流子不再被“排斥”。通过各个p型掺杂区域，改善了pmd像素的性能。特别地，获得了改进的解调对比度，即使在高调制频率下，例如在80至250mhz之间的频率范围内。
对光学传感器器件的实施例的以下描述同样适用于互补掺杂类型。
根据实施例，光学传感器器件还可以包括：被配置为读出光生电荷载流子的第二部分的另外的读出节点；通过另外的隔离材料与半导体衬底分离的另外的控制电极，其中另外的控制电极和另外的隔离材料形成在延伸到半导体衬底中的另外的沟槽中；以及在半导体衬底中的另外的掺杂区域，其中另外的掺杂区域与具有控制电极的另外的沟槽接界，并且其中另外的掺杂区域的掺杂类型与转换区域相同并且掺杂浓度高于转换区域，其中在半导体衬底的平面图中，另外的掺杂区域的横向延伸小于转换区域的横向延伸的20％。
另外的掺杂区域被布置为邻接另外的沟槽，其中在半导体衬底的平面图中，转换区域布置在控制电极与另外的控制电极之间。
另外的掺杂区域的掺杂浓度使得在光学传感器器件的(正常)操作条件期间，另外的掺杂区域保持耗尽。掺杂区域和另外的掺杂区域具有相同的掺杂浓度。在半导体衬底的平面图中，掺杂区域的横向延伸和另外的掺杂区域的横向延伸小于两个沟槽之间的距离的20％(15％、10％、5％或1％)。在半导体衬底的平面图中，控制电极和另外的控制电极、以及读出节点和另外的读出节点可以关于对称轴对称地布置。
控制器可以被配置为向第一控制电极施加在与向第二控制电极施加的变化的电位相比较时具有相移的变化的电位，以在转换区域中生成电位分布，通过该电位分布转换区域中的光生电荷载流子根据电磁信号的飞行时间被定向在不同方向上。读出节点被配置为检测定向的电荷载流子的第一部分，另外的读出节点被配置为检测定向的电荷载流子的第二部分。因此，控制器可以被配置为基于在第一读出节点处收集的电荷载流子的量和/或在第二读出节点处收集的电荷载流子的量的关系来确定电磁信号的运行时间。
附图说明
本文中随后参考附图来描述实施例，在附图中：
图1a示出了根据实施例的光学传感器器件的示意性截面图；
图1b示出了根据另一实施例的光学传感器器件的示意性截面图和平面图；
图1c示出了根据另一实施例的光学传感器器件的示意性截面图和平面图；
图2a示出了根据另一实施例的光学传感器器件的示意性截面图；
图2b示出了根据实施例的在两个沟槽处具有附加的p型掺杂区域的沟槽栅像素的主要p型掺杂分布；
图2c示出了根据实施例的在两个沟槽电极(虚线)之间的沟槽栅像素的静电电位的示例性图示；
图3示出了根据另一实施例的光学传感器器件的示意性截面图；
图4a示出了根据实施例的飞行时间传感器系统(tof传感器系统)；
图4b示出了用于说明光学传感器器件的实施例的操作的示例性时序图；
图5a至图5g示出了在半导体衬底中的相应沟槽中制造控制电极的示例性方法；
图6a至图6d示出了用于在半导体衬底中的相应沟槽中制造控制电极的另一示例性方法；以及
图7a至图7g示出了在半导体衬底中的相应沟槽中制造控制电极的另一示例性方法。
具体实施方式
在使用附图进一步详细地讨论实施例之前，应当指出，在附图和说明书中，相同要素和具有相同功能和/或相同技术或物理效果的元素通常设置有相同的附图标记，或者利用相同的名称/术语来标识，使得对在不同实施例中所示的这些要素及其功能的描述是相互可交换的，并且可以在不同的实施例中应用于彼此。
在下面的描述中，将详细讨论实施例，然而，应当理解，不同的实施例提供可以在各种各样的光学传感器器件中实施的很多适用的概念。所讨论的具体实施例仅仅是制作和使用本概念的具体方式的说明，并且不限制权利要求的范围。此外，除非另有具体说明，否则在本文中以不同实施例描述的不同实施例的特征可以彼此组合。
图1a至图1c示出了光学传感器器件10、10a、10b的实施例，光学传感器器件10、10a、10b包括：半导体衬底14，其具有转换区域16以将电磁信号12转换为光生电荷载流子18；读出节点20，其被配置为读出光生电荷载流子18的第一部分；控制电极22；掺杂区域28，其在半导体衬底14中在控制电极22与转换区域16之间，其中掺杂区域28邻近于控制电极22并且延伸到半导体衬底14中。掺杂区域28具有不同于读出节点20的掺杂类型，其中掺杂区域28的掺杂浓度使得掺杂区域28在操作期间保持耗尽。控制电极22通过隔离材料24与半导体衬底14分离。
根据实施例，图1a示出了光学传感器器件10，其中控制电极22包括形成在延伸到半导体衬底14中的沟槽26中的控制电极部分，并且其中掺杂区域28邻近于沟槽26。控制电极22的表面区域朝向转换区域16的投影位于掺杂区域28中。在图1a中，朝向转换区域16的投影基本上是相对于半导体衬底14的表面区域14a的横向方向上的投影。
根据实施例，图1b示出了光学传感器器件10a，其中控制电极22包括在半导体衬底14的表面区域14a上横向延伸的控制电极部分，并且其中半导体衬底14中的掺杂区域28邻近于横向延伸的控制电极部分。
根据实施例，图1c示出了还包括在相邻的横向延伸的控制电极部分之间的浅掺杂区域29-1、29-2、29-3(29)的光学传感器器件10c，其中浅掺杂区域29-1、29-2、29-3的掺杂浓度高于掺杂区域28的掺杂浓度。控制电极22的表面区域朝向转换区域16的投影位于掺杂区域28中。在图1b至图1c中，朝向转换区域16的投影基本上是相对于半导体衬底14的表面区域14a的垂直方向上的投影。在相对于半导体衬底14的表面区域14a的垂直投影中，控制电极22的边界可以位于掺杂区域28的边界内。
更具体地，图1a示出了光学传感器器件10(例如，pmd像素)的示意性截面图，诸如用于检测电磁信号(诸如光或红外辐射范围内的光信号)从待感测对象到光学传感器器件的飞行时间(运行时间)的光学飞行时间传感器器件。在图中，入射到光学传感器器件10上的电磁信号/辐射由箭头12表示。
光学传感器器件包括半导体衬底14。半导体衬底14包括转换区域16以用于将电磁信号12的进入转换区域16的部分转换为光生电荷载流子18，其中转换区域16通常是半导体衬底14的接收电磁信号12的区域。在转换区域16中，电磁信号12被转换为光生电荷载流子18。
光学传感器器件10还包括被配置为读出或检测光生电荷载流子18的第一部分的读出节点20。光学传感器器件10还包括形成在延伸到半导体衬底14中的沟槽26中的控制电极(调制栅)22。控制电极22通过隔离材料24与半导体衬底14分离，并且可以与转换区域16分离。具有控制电极22的沟槽26也可以直接与转换区域16接界。控制电极22和隔离材料24形成在(例如，从半导体衬底14的主表面区域14a垂直地)延伸到半导体衬底14中的沟槽26中。与隔离材料24一起布置在沟槽26中的控制电极22也可以被称为沟槽栅控制电极或调制栅27。
读出节点20可以布置在半导体衬底14中邻近于转换区域16。此外，光学传感器器件10包括在半导体衬底14中的掺杂区域28，其中掺杂区域28与具有控制电极22(和隔离材料24)的沟槽26邻近或接界，并且其中掺杂区域28的半导体材料的掺杂类型不同于读出节点20的半导体材料。掺杂区域28的掺杂类型可以与转换区域16的半导体材料相同，并且(平均或峰值)掺杂浓度或掺杂水平高于转换区域16。因此，掺杂区域28(至少部分地)邻接或围绕具有控制电极22的沟槽26。掺杂区域28的掺杂浓度使得掺杂区域28在操作期间保持耗尽。因此，掺杂区域28可以具有的掺杂浓度(例如，“平均”(峰值)掺杂浓度或掺杂水平)使得掺杂区域28在操作期间、即在光学传感器器件10的“正常”操作条件期间保持耗尽。掺杂区域28的(平均)掺杂浓度以小于1000、990(或900、800)的因子高于转换区域16的(平均)掺杂浓度。
在到半导体衬底14的主表面区域14a上的平面图中，掺杂区域28的横向延伸“d28”可以被选择为小于转换区域16的横向延伸d16的20％(15％、10％、5％或1％)。换言之，掺杂区域28的厚度或宽度d28小于转换区域16的横向延伸d16的20％。
此外，在半导体衬底的(到主表面区域14a)平面图中，掺杂区域28布置在控制电极22(或沟槽26)与转换区域16之间，并且其中掺杂区域28被布置为在半导体衬底14中(例如直接)邻接或围绕沟槽26。
此外，光学传感器器件10可以(可选地)包括分离栅30，分离栅30通过(可选的)隔离材料32与半导体衬底14分离。衬底接触件34(例如，增强掺杂区域)可以可选地设置在半导体衬底14中。读出节点20可以包括第一掺杂类型(例如，n掺杂类型)，其中掺杂区域28和衬底接触件34可以包括第二掺杂类型(例如，p掺杂类型)。
(可选的)分离栅30可以允许分别电容去耦合控制电极22和读出节点20，以防止从控制电极22到读出节点20的串扰或偏置。在一些实施例中，在到半导体衬底14的主表面区域14a平面图中，分隔栅30到半导体衬底14中的投影至少部分地位于沟槽26(或调制栅27)与读出节点20之间。然而，如下面参考图2a所示，可以实现分离栅30的其他配置和布置。
光学传感器器件10可以被配置为检测进入转换区域16的电磁信号12的飞行时间。为此，光学传感器器件10还可以包括控制器40，控制器40可以被配置为向控制电极22施加变化的电位，以在转换区域16中生成电位分布，通过该电位分布，转换区域16中的光生电荷载流子18取决于进入转换区域16的电磁信号12的飞行时间而在不同的方向上被定向(例如，朝向掺杂区域28)。在操作期间，光生电荷载流子的第一部分在变化的电位的至少一个完整周期内暂时存储在掺杂区域28中。
因此，读出节点20被配置为检测或感测定向的电荷载流子18的第一部分，例如，至少部分地是在转换区域16中的少数电荷载流子。由控制器40向控制电极22施加的变化的电位是与用于调制电磁信号12的调制信号具有固定相位关系的解调信号。
在实施例中，转换区域16可以是轻掺杂的半导体区域。例如，转换区域可以是p型掺杂的。本文中公开的读出节点可以由掺杂浓度高于转换区域并且掺杂类型不同于转换区域的掺杂区域形成。如果掺杂区域28是p型掺杂的，则读出节点20可以是n+掺杂的。因此，如本文中描述的读出节点20可以形成为读出二极管。在操作中，可以向读出节点20施加反向电压。反向电压可以通过控制器40来施加。此外，可以向控制电极施加变化的同相电位。控制电极处的变化的电位可以低于施加到读出节点20的反向电压。例如，可以向读出节点20施加大约2.8v的反向电压，并且施加到控制电极的变化的电位可以在0v到0.8v之间变化。
当向控制电极22施加电位时，在半导体衬底中生成电位分布，通过电位分布，光生少数电荷载流子沿着朝向相应的控制电极并且因此朝向相应的读出节点20的方向移动。光生少数电荷载流子的偏转在变化的电位较高的阶段较大，并且在变化的电位较低的阶段较低。因此，到达读出节点20的光生少数电荷载流子的数目将取决于发射的电磁信号与接收到的电磁信号12之间的相位关系。因此，电磁信号从对象到光学传感器器件的飞行时间并且因此对象距光学传感器器件的距离可以通过检测到达读出节点的(定向的)光生电荷载流子来确定。
在实施例中，控制电极22(具有周围的隔离材料24)是沟槽栅电极27。在p型半导体衬底的情况下，可以向沟槽栅电极27施加变化的正电压。因此，可以在围绕沟槽栅电极27的半导体衬底14的区域中生成耗尽区域(空间电荷区域)。光生少数电荷载流子可以在横向方向上朝向沟槽栅电极27被吸引，并且然后在垂直方向上朝向读出节点20移动通过耗尽区域。因此，在转换区域16的较深部分处生成的光生少数电荷载流子可以通过施加到控制电极22的电位被吸引，可以通过向深控制电极施加变化的电位而进入耗尽区域，以及在深控制电极的耗尽区域内朝向读出节点20垂直地移动。
根据实施例，光学传感器器件10的半导体衬底14的半导体材料在与具有控制电极22的沟槽26接界的区域28中被提供有增加的p型掺杂。这些附加的p型掺杂区域28的掺杂浓度高于光敏半导体材料16的主要部分(体积量最大的部分)(即，转换区域16)的掺杂浓度，但是低于半导体材料14中的掺杂浓度，其中各个掺杂区域在光学传感器器件10的(正常)操作条件期间将不再完全耗尽。这个附加掺杂区域的效果使得光生电荷载流子18的同相空间分离甚至跨越若干调制周期被保持。因此，在各个调制栅(控制电极)处一次收集的光生电荷载流子18不再被“排斥”。通过各个p型掺杂区域，改善了pmd像素的性能。特别地，获得了改进的解调对比度，即使在高调制频率下，例如在80至250mhz之间的频率范围内。
在实施例中，分离栅电极30可以布置在半导体衬底14的主表面区域14a上并且邻近于至少一个读出节点20。在实施例中，在半导体衬底14的平面图中，分离栅电极30可以被布置为围绕至少一个读出节点。分离栅电极30可以支持保持(收集的或定向的)电荷载流子，即使在施加到控制电极的电位被去除的情况下。为此，可以向分离栅电极30施加恒定的正电位(在p型衬底的情况下)或恒定的负电位(在n型衬底的情况下)。施加到分离栅电极30的电位的幅度/大小可以小于施加到读出节点20的反向电压的大小，但是高于施加到控制电极22的最大电位。
通常，半导体衬底14可以具有宽度、长度和厚度。通常，术语“平面图”是指在厚度方向上的视图，即，由衬底14的长度和宽度限定的平面或主表面区域14a上的视图。通常，术语“垂直”可以表示在厚度方向上，术语“横向”可以表示平行于由半导体衬底14的主表面区域14a限定的平面。
图1b示出了根据另一实施例的光学传感器器件10a的示意性截面图和平面图。光学传感器器件10b包括具有用于将电磁信号12转换为光生电荷载流子的转换区域16的半导体衬底14。读出节点20(浮动扩散fd-a)被配置为读出光生成电荷载流子18的第一部分。另外的读出节点20a(浮动扩散fd-b)被配置为读出光生电荷载流子18的第二部分。
具有例如多个横向延伸的控制电极部分22-1、22-2、22-3、22-4的横向延伸的控制电极22在半导体衬底14的表面区域14a上横向延伸，其中半导体衬底14中的掺杂区域28邻近于横向延伸的控制电极部分22-1至22-4。控制电极22可以通过隔离材料(隔离层)32与半导体衬底14分离。横向延伸的控制电极部分22-1至22-4可以被布置为在半导体衬底14的表面区域14a上彼此相邻和平行。
半导体衬底14中的掺杂区域28邻近于横向延伸的控制电极22。在控制电极22具有多个横向延伸的控制电极部分22-1、22-2、22-3、22-4的情况下，掺杂区域28也可以具有多个横向延伸的掺杂区域部分28-1至28-4，它们分别与横向延伸的控制电极部分22-1、22-2、22-3、22-4、24-2相关联。掺杂区域28的掺杂类型不同于读出节点20、20a，其中掺杂区域28的掺杂浓度(掺杂水平)使得掺杂区域28在操作(即，正常操作条件)期间保持耗尽。
可以向控制电极22施加变化的电位(例如，借助于图1b中未示出的控制器)，以在转换区域16中生成电位分布，通过该电位分布，转换区域16中的光生电荷载流子区域18取决于电磁信号12的飞行时间朝向掺杂区域28在不同的方向上被定向。光生电荷载流子的第一部分在变化的电位的至少一个完整的周期内暂时存储在掺杂区域28中。
如图1b所示，浮动扩散区域20(fd-a)、20a(fd-b)被布置为用于接收所生成的光生电荷载流子。浮动扩散区域20(fd-a)、20a(fd-b)可以用作感测节点。读出节点20(浮动扩散fd-a)被配置为读出光生电荷载流子18的第一部分。另外的读出节点20a(浮动扩散fd-b)被配置为读出光生电荷载流子18的第二部分。
图1c示出了根据另一实施例的光学传感器器件10b的示意性截面图和平面图。在与图1b的光学传感器器件10a相比时，图1c的光学传感器器件10b还包括在(相邻的)横向延伸的控制电极部分22-1至22-4之间的掺杂区域29-1至29-3，其中掺杂区域29-1至29-3的掺杂类型与掺杂区域28相同，但是掺杂浓度高于掺杂区域28。与掺杂区域28相比，掺杂区域29-1至29-3可以更深地延伸(例如，2至5倍)(从表面区域14a垂直地)到半导体衬底14中。掺杂区域29-1至29-3的掺杂浓度使得掺杂区域29-1至29-3在操作期间不耗尽。因此，掺杂区域29-1至29-3的至少部分在操作(即，正常操作条件)期间不会保持耗尽。
掺杂区域28和掺杂区域29-1至29-3可以实现为在半导体衬底14中尽可能浅，以增加光学传感器器件的光学灵敏度。掺杂区域29-1至29-3有效地将光生电荷载流子保持(保留)在控制电极22下方(例如，在横向延伸的控制电极部分22-1至22-4下方)。因此，可以有效地减少电荷载流子的侧向逸出或泄漏，而无需提供另外的势垒布置。
也可以在光学传感器器件中组合根据图1a的实施例的控制电极22和掺杂区域28的垂直延伸的实现以及根据图1b和图1c的实施例的控制电极22和掺杂区域28的横向延伸的实现(参见例如根据另一实施例的图3中的光学传感器器件10d)。
图2a示出了根据另一实施例的光学传感器器件10a的示意性截面图。光学传感器器件10a包括第一控制电极22、第二控制电极22a。第一控制电极22和第二控制电极22a分别布置在相应的沟槽26、26a中，并且通过相应的隔离层24和24a与半导体衬底材料14隔离。由相应隔离层24和24a包围的第一控制电极22和第二控制电极22a可以形成沟槽栅电极27、27a。隔离层24和24a具有厚度d24。第一读出节点20被布置为邻近于第一控制电极22，其中第二读出节点20a被布置为邻近于第二控制电极22a。光学传感器器件10a可以包括另外的可选的第一分离栅30和第二分离栅30a，其通过隔离材料32(例如，钝化层)与半导体衬底14分离。
更具体地，光学传感器器件10a包括半导体衬底14，半导体衬底14包括用于将进入转换区域16的电磁信号12转换为光生电荷载流子18的转换区域16。光学传感器器件10a还包括被配置为读出光生电荷载流子18的第一部分的第一读出节点20和被配置为读出光生电荷载流子18的第二部分的第二读出节点20a。
光学传感器器件10a还包括通过第一隔离材料24与半导体衬底14分离的第一控制电极22，其中第一控制电极22和第一隔离材料24形成在延伸到半导体衬底14中的第一沟槽26中，并且光学传感器器件10a包括通过第二隔离材料24a与半导体子板14分离的第二控制电极22a，其中第二控制电极22a和第二隔离材料24a形成在延伸到半导体衬底14中的第二沟槽26a中。
此外，第一掺杂区域28布置在半导体衬底14中，其中第一掺杂区域28与第一沟槽26接界，并且第二掺杂区域28a布置在半导体衬底14中，其中第二掺杂区域28a与第二沟槽26a接界。第一掺杂区域28和第二掺杂区域28a的掺杂类型与转换区域16相同，并且掺杂浓度高于转换区域16，并且其中在半导体衬底14的平面图中，掺杂区域28、28a的横向延伸d28小于转换区域16的横向延伸部d16的20％(15％、10％、5％或1％)。
图2a中的相同类型的第一要素和第二要素可以具有相同的电和物理(或几何)结构，并且因此具有相同的电和物理特性。更具体地，第一控制电极22和第二控制电极22a可以具有相同的电和物理结构，并且因此具有相同的电和物理特性。第一读出节点20和第二读出节点20a可以具有相同的电和物理结构，并且因此具有相同的电和物理特性。第一掺杂区域28和第二掺杂区域28a可以具有相同的电和物理结构，并且因此具有相同的电和物理特性。可选的第一分离栅30和第二分离栅30a可以具有相同的电和物理结构，并且因此具有相同的电和物理特性。
在实施例中，第一掺杂区域28和第二掺杂区域28a被布置为(例如直接)邻接或毗邻相关联的沟槽26、26a。在半导体衬底14的平面图中，转换区域16布置在第一控制电极22与另外的控制电极22a之间。
在实施例中，第一掺杂区域28和第二掺杂区域28a每个的掺杂浓度使得掺杂区域28、28a在光学传感器器件10a的正常操作条件期间保持耗尽，其中第一掺杂区域28和第二掺杂区域28a可以具有相同的掺杂浓度。在半导体衬底14的平面图中，第一掺杂区域28的横向延伸(厚度或宽度)d28和第二掺杂区域28a的横向延伸(厚度或宽度)d28a小于两个相邻的沟槽26、26a之间的距离的20％(例如，15％、10％、5％或1％)。此外，在半导体衬底14的平面图中，第一控制电极22和第二控制电极22a、以及第一读出节点20和第二读出节点20a关于对称轴(例如，像素10a的中心轴)对称地布置。在实施例中，掺杂区域28、28a可以包括p掺杂的半导体材料，并且其中第一控制电极22和第二控制电极22a可以包括n+掺杂的多晶硅材料作为导电电极材料。
在实施例中，光学传感器器件10a还可以包括控制器40，控制器40被配置为向第一控制电极22施加在与向第二控制电极22a施加的变化的电位相比较时具有相移的变化的电位，以在转换区域16中生成电位分布，通过该电位分布，转换区域16中的光生电荷载流子18取决于电磁信号12的飞行时间而在不同的方向上被定向。因此，第一读出节点20被配置为检测定向的电荷载流子18a的第一部分，其中第二读出节点20a被配置为检测定向的电荷载流子18的第二部分。控制器40可以被配置为基于在第一读出节点20处收集的电荷载流子18的量和/或在第二读出节点20a处收集的电荷载流子18的量的关系来确定电磁信号12的飞行时间。
第一控制电极22和第二控制电极22a、以及第一读出节点20和第二读出节点20a可以通过相应的线路电连接到如图2a所示的控制器40。控制器40可以被配置为向相应的控制电极22、22a和读出节点20、20a施加适当的电位，并且可以被配置为检测在相应的读出节点20、20a处收集的光生电荷载流子18。
控制器可以被配置为向第二控制电极施加在与向第一控制电极施加的变化的电位相比时包括相移的变化的电位。相移可以是180°，使得施加到第二控制电极的变化的电位与施加到第一控制电极的变化的电位反相。因此，可以在转换区域中生成电位分布，通过该电位分布，转换区域中的光生电荷载流子取决于电磁信号的飞行时间而在不同的方向上被定向(分离)。因此，可以以有效和容易的方式检测取决于调制信号与由光学传感器器件接收的辐射的相位差的光生电荷载流子的分离。
在实施例中，控制器40可以由任何适当的集成电路形成，并且可以与光学传感器器件集成。在实施例中，控制器可以由与光学传感器器件的半导体衬底分离的集成电路提供。在实施例中，控制器的至少部分可以由微处理器或fpga形成。
在实施例中，光学传感器器件10a可以是飞行时间传感器。更具体地，光学传感器器件10a可以被认为是例如用于接收由光源发射并且被待感测对象反射的光学可见光或红外辐射的二维集成像素阵列的像素，其中各个像素被集成到半导体衬底中并且提供用于通过测量光学可见光或红外辐射的飞行时间(行进时间)来确定与对象的距离的电输出信号。
在图2a的光学传感器器件10a中，“沟槽栅”27、27a(调制栅)基本上由在半导体材料14中的沟槽26、26a、在沟槽26、26a的壁处的电介质24、24a、以及导电电极材料22、22a(优选地为填充沟槽26、26a的高掺杂多晶硅)构成。通过向相邻的控制电极22、22a施加不同的电压，实现了电荷载流子18的水平偏移。对于水平电荷载流子分离的最佳操作模式，特别是在例如在80至250mhz之间的高频下，在沟槽26、26a周围的半导体材料14中引入了附加的p掺杂区域28、28a。在附加的p掺杂区域28、28a中的这种附加的p掺杂的浓度可以比具有最大体积16-1的光敏半导体材料16的部分的掺杂浓度高几个数量级(例如，三个数量级)(参见图2b)，但是低于相应区域将不再完全耗尽的浓度。
图2b示出了根据实施例的在两个沟槽26、26a处具有附加的p型掺杂区域28、28a的沟槽栅像素10a的主要p型掺杂分布。更具体地，图2b示出了具有附加的掺杂区域28、28a的沟槽栅像素10a的p掺杂分布的水平切割(截面图)。在图2b中，纵轴(y轴)表示光敏半导体材料16中的掺杂浓度，其中横轴(x轴)表示两个沟槽26、26a之间的距离dpix(像素宽度)。
图2c示出了根据实施例的在具有附加的掺杂区域28、28a的两个沟槽电极26、26a之间的沟槽栅像素10a的静电电位p1(图2c中的虚线)的示例性图示，其中连续的线表示在没有附加掺杂区域的沟槽电极之间的沟槽栅像素的静电电位p2的示例性图示。在图2c中，纵坐轴(y轴)表示电位p1和p2，其中横轴(x轴)表示两个沟槽26、26a之间的距离dpix(像素宽度)。
引入附加的p型掺杂区域28、28a导致跨整个像素宽度dpix的静电电位降低，而不会对所谓的“电荷载流子摆动”(＝光生电荷载流子的重定向，也参见图2c)的发生和特性产生任何显著影响。光生电荷载流子18的相位依赖性重定向(例如，光生电荷载流子的同相空间分离)通过向第一控制电极22(第一调制栅27)施加第一解调信号(变化的电位)并且可选地通过向第二控制电极22a(第二调制栅27a)施加第二解调信号(变化的电位)来实现。
此外，电位p1的减小在沟槽26、26a本身处实现，其甚至跨几个调制周期保持电荷载流子18的同相空间分离，即，在沟槽栅27、27a处一次收集的电荷载流子18不再被排斥。在沟槽栅27、27a处收集的电荷载流子18随后在靠近沟槽26、26a的侧壁的半导体材料中漂移或扩散到读出节点(读出二极管)20、20a。这里，关于一阶调制周期的持续时间，(少数)电荷载流子18(电子)的垂直运动的过程不是时间敏感的。
因此，具有如图2a所示的像素结构(其中沟槽栅27、27a和p掺杂区域28、28a沿着沟槽栅27、27a被引入到半导体材料14中)的光学传感器器件10a(沟槽栅像素)提供具有高灵敏度和高对比度值的光学传感器群。
本公开的实施例还可以在半导体衬底的表面区域处使用量子效率调制。图3中示出了使用量子效率调制的光学传感器器件10d的实施例的示意性截面图。光学传感器器件10d包括第一沟槽控制电极22和第二沟槽控制电极22a、第一读出节点20和第二读出节点20a、以及第一横向控制电极22-1和第二横向控制电极22-2。此外，图3所示的光学传感器器件10d包括(基本上)“垂直延伸的”掺杂区域28、28a、以及(基本上)“横向延伸的”掺杂区域28-1、28-2和掺杂区域29-1，29-2、29-3。
第一控制电极22和第二控制电极22a分别布置在相应的沟槽26和26a中，并且通过相应的隔离层24和24a与半导体衬底材料14隔离。掺杂区域28、28a布置在半导体衬底14中，其中第一掺杂区域28在半导体衬底14中与第一沟槽26接界，其中第二掺杂区域28a在半导体衬底14中与第二沟槽26a接界。第一掺杂区域28和第二掺杂区域28a的掺杂类型与转换区域16相同并且掺杂浓度高于转换区域16。
横向延伸的控制电极22-1、22-2在半导体衬底14的表面区域14a上横向延伸，其中半导体衬底14中的掺杂区域28-1、28-2邻近于横向延伸的控制电极22-1、22-2。控制电极22-1、22-2可以通过隔离材料(隔离层)32与半导体衬底10分离。横向延伸的控制电极22-1、22-2可以在半导体衬底14的表面区域14a上布置为彼此相邻和平行。掺杂区域28、28a、28-1、28-2的掺杂类型不同于读出节点20，其中掺杂区域28、28a、28-1、28-2的掺杂浓度使得掺杂区域28、28a、28-1、28-2在操作期间保持耗尽。
与转换区域16相比，掺杂区域29-1、29-2、29-3具有较高的掺杂浓度和相同的掺杂类型。掺杂区域可以是p+掺杂区域。掺杂区域29-1布置在第一读出节点20与横向控制电极22-1之间，掺杂区域29-2布置在横向控制电极22-1与横向控制电极22-2之间，并且掺杂区域29-3布置在横向控制电极22-2与第二读出节点20a之间。在图3的示意图中也示出了未耗尽/中性半导体区域17。
根据实施例，光学传感器器件10d的半导体衬底14的半导体材料设置有掺杂区域28、28a和28-1、28-2(具有例如增加的p型掺杂)，掺杂区域28、28a和28-1、28-2与形成在延伸到半导体衬底中的沟槽中的控制电极和/或实现为横向电极的控制电极接界。这些附加的掺杂区域28、28a和28-1、28-2的掺杂浓度高于光敏半导体材料(转换区域16)的主要部分(体积量最大的部分)的掺杂浓度，但是低于其中相应的掺杂区域在光学传感器器件的(正常)操作条件期间将不再完全耗尽的半导体材料中的掺杂浓度。
通常，转换区域16具有在1e12-5e14原子/cm3(1012-5×1014原子/cm3)的区域中的掺杂浓度，掺杂区域28、28a和28-1、28-2的峰值浓度在5e14至5e17at./cm3(5×1014-5×1017原子/cm3)之间，并且掺杂区域29-1、29-2、29-3的峰值浓度在5e17at./cm3至5e21at./cm3(5×1017-5×1021原子/cm3)之间。在一些实施例中，掺杂区域29和28的掺杂浓度的关系在1至1e7(1-107)之间的范围内。
如图3示例地所示，第一沟槽控制电极22和横向控制电极22-2可以彼此电连接，并且第二沟槽控制电极22a和横向控制电极22-1可以彼此电连接。在图3所示的实施例的修改中，可以交换图3所示的横向控制电极22-1、22-2的电连接。
在操作中，可以向沟槽控制电极22、22a和横向控制电极22-1、22-2施加变化的电位。此外，向读出节点施加反向电压。与高度掺杂的区域29-1、29-2、29-3结合地在横向控制电极22-1、22-2处施加相应的电位产生将少数载流子定向到期望区域的场分布。少数载流子通过横向控制电极22-1、22-2被重定向到掺杂区域28-1、28-2。一旦少数载流子到达掺杂区域28-1、28-2，则它们被存储在相应的控制电极22-1、22-2处。这个附加掺杂区域28的效果使得甚至跨若干调制周期也保持光生电荷载流子的同相空间分离。因此，在各个调制栅(控制电极)处一次收集的光生电荷载流子不再被“排斥”。甚至在施加到控制电极的变化的电位的低相电压下，也可以将少数载流子存储在相应的控制电极处。将少数电荷载流子传输到读出节点沿着控制电极的长度进行。因此，量子效率调制发生。在实施例中，使用施加到沟槽控制电极22和22a的变化的电位来将该量子效率调制与漂移场解调组合。
通常，要施加到相应电极的相应电压取决于转换区域的掺杂类型和掺杂浓度。通常，施加到读出节点的反向电压可以是最高电压，例如在2.5至3.5伏的范围内。施加到沟槽和横向控制电极的电位可以具有相同的极性，但是实质上低于施加到读出节点的电压。例如，施加到控制电极的电位可以在0至0.8伏之间变化。施加到分离栅电极的电位可以低于施加到读出节点的电压，但是高于施加到控制电极的最大电压。例如，施加到分离栅电极的电压可以在1.0至1.5伏的范围内。
在横向控制电极22-1、22-2之间有另外的横向控制电极(图3中未示出)的情况下，施加到另外的横向控制电极的电压可以是施加到横向控制电极22-1、22-2的最大电压的40至80％。例如，施加到另外的横向控制电极的电压可以在0.4伏至0.64伏的范围内。一般来说，横向控制电极22-1和沟槽控制电极22a可以彼此电连接。同样，沟槽控制电极22和横向控制电极22-2可以彼此电连接。在其他实施例中，可以提供单独的控制电路以向横向控制电极和沟槽控制电极施加相应的变化的电位。
在实施例中，光生电荷载流子可以通过向横向控制电极和沟槽控制电极施加变化的电压而生成的电位分布而被定向到相应的读出节点。在实施例中，光生电荷载流子可以取决于电磁信号的飞行时间来被分离。
图4a示出了根据实施例的包括关于图1a至图1c、图2a至图2c和图3描述的光学传感器器件10、10a至10d的飞行时间传感器系统50(tof传感器系统)。可替代地，光学传感器器件10、10a至10d可以被布置为例如二维集成像素阵列。光学传感器10、10a至10d包括半导体衬底14和控制器40。图4a所示的系统还包括诸如激光器等光源42。光源42向对象46发射电磁信号44。电磁信号44由来自调制器48的调制信号被调制。电磁信号44在对象46处被反射，并且反射的电磁信号12在光学传感器器件10、10a至10d的半导体衬底14上入射。
这种布置的测量原理基本上基于以下事实：发射和反射的辐射44、12的飞行时间可以基于从辐射源42发射的辐射和在光学传感器器件10、10a至10d处接收的辐射的相移来确定。具有特定调制频率的调制信号被施加到辐射源42。与调制信号同相或与调制信号具有固定相位关系的解调信号被施加到深和浅控制电极。调制信号可以是诸如方波或正弦波等周期性信号。辐射源42发射具有特定的相位位置的辐射信号44。在与发射的辐射相比时，反射辐射12具有特定的相移。在光学传感器器件中，具有发射的调制信号的特定相位位置的信号可以与接收信号混合，其中相移可以根据所得到的信号来确定。为此，可以将光学传感器器件10、10a至10d连接到调制器48。控制器40可以将调制信号施加到控制电极22、22a，以向其施加彼此同相的变化的电位。在实施例中，辐射源42和调制器48可以集成到光学传感器器件10、10a至10d中。在实施例中，在施加到深和浅控制电极的变化的电位与辐射源42用于调制发射的辐射44的调制信号之间可以存在固定的已知相移。
图4b示出了用于说明光学传感器器件10、10a的实施例的操作的示例性时序图。现在将参考图4b来简要说明可以应用于包括如本文中描述的第一和第二深和浅控制电极以及第一和第二读出节点的光学传感器器件的实施例的相位测量原理。测量原理实质上基于以下事实：从对象反射到光学传感器器件的发射的电磁信号(光)的飞行时间可以根据发射信号和接收信号的相位差来确定。
在图4b中，s1表示用于调制发射信号的调制信号m1。信号s2表示在光学传感器器件处接收的电磁信号。信号dm1表示施加到第一控制电极(第一调制栅)的解调信号(变化的电位)。信号dm2表示施加到第二控制电极(第二调制栅)的解调信号(变化的电位)。解调信号dm2可以相对于解调信号dm1具有180°的相移。因此，解调信号dm2可以与解调信号dm1反相。
如图4b所示，在信号m1和s2之间存在相位差tl。该相位差tl表示电磁信号从电磁信号源到光学传感器器件的飞行时间。假设电磁信号源和光学传感器器件彼此靠近，则该飞行时间可以被认为是从对象到光学传感器器件的飞行时间的两倍。
光学传感器器件在第一读出节点中在调制周期的前半部分期间收集光生电荷载流子q1，并且在第二读出节点中在调制周期的后半部分期间收集光生电荷载流子q2。相移tl并且因此与对象的距离可以基于在第一读出节点和第二读出节点处收集的电荷载流子q1和q2之间的关系来确定。电荷载流子可以在若干调制周期内被收集(整合)。
在下文中，描述了用于在相应的沟槽26、26a中制造沟槽栅元件22、22a、24、24a和28、28a的几种可能的制造方法。
沿着沟槽26、26a的侧壁的掺杂区域28、28a可以按以下实现：
“a”注入包括期望的掺杂元素的物质
或者
“b”在沟槽内外延生长包括期望的掺杂元素的层
或者
“c”将期望的掺杂元素从包括期望的掺杂元素并且先前已填充沟槽的材料中扩散出去
或者
“d”使用“a”、“b”和/或“c”的组合。
图5a至图5g示出了在半导体衬底14中的各个沟槽26、26a和附加的掺杂区域28、28a中制造控制电极的方法“a”(100)的示例性实施例，例如作为前端线(feol)工艺的示例性序列。
在步骤102中，已经产生了沟槽26、26a，例如，通过drie工艺(drie＝深反应离子蚀刻；或bosch工艺)。随后在步骤104中，在沟槽26、26a的侧壁上生长牺牲氧化物60。然后在步骤106中，经由注入步骤将期望的掺杂(掺杂区域28、28a)引入到沟槽26、26a的侧壁中。注入可以以双或四模式以与表面法线成小的角度以倾斜方式或者通过等离子体浸没注入来执行，以便沿着沟槽26、26a的侧壁获得尽可能均匀的掺杂。随后在步骤108中，通过合适的工艺(通常是短期加热)来激活掺杂剂(在掺杂区域28、28a中)。然后在步骤110中，例如以湿法化学方式去除牺牲氧化物60，并且随后在步骤112中，生长最终电介质层24、24a。随后在步骤114中，利用用于控制电极22、22a的期望的电极材料(例如，n掺杂的多晶硅)填充沟槽26、26a。
图6a至图6d示出了在半导体衬底14中的各个沟槽26、26a和附加的掺杂区域28、28a中制造控制电极的方法“b”(200)的示例性实施例，例如作为前端线(feol)工艺的示例性序列。
在步骤202中，已经产生了沟槽26、26a，例如，通过drie工艺(drie＝深反应离子蚀刻；或bosch工艺)。随后，执行合适的预处理，例如，清洁表面和消除晶体缺陷。然后在步骤204中，在沟槽26、26a中外延生长包含期望的掺杂元素的层。可选地，之后可以是另外的热处理。随后在步骤206中，生长最终电介质24、24a。随后在步骤208中，利用用于控制电极22、22a的期望的电极材料(例如，n掺杂的多晶硅)填充沟槽26、26a。
图7a至图7g示出了在半导体衬底14中的各个沟槽26、26a和附加的掺杂区域28、28a中制造控制电极的方法“c”(300)的示例性实现，例如作为前端线(feol)工艺的示例性序列。
在步骤302中，已经生成了沟槽26、26a，例如，通过drie工艺(drie＝深反应离子蚀刻；或bosch工艺)。随后，执行合适的预处理，例如，清洁表面和消除晶体缺陷。然后在步骤304中，在沟槽26、26a的侧壁上生长氧化物62。然后在步骤306中，利用包含期望的掺杂元素的材料64填充沟槽26、26a。随后在步骤308中，接着进行热处理，其用于将掺杂剂外扩散到沟槽26、26a的侧壁中。随后在步骤310中，例如，以湿法化学方式去除已经填充沟槽26、26a的材料64和沟槽26、26a的侧壁上的氧化物62。随后在步骤312中，生长最终电介质层24、24a。随后在步骤314中，利用用于控制电极22、22a的期望的电极材料(例如，n掺杂的多晶硅)填充沟槽26、26a。
虽然已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是清楚的是，这些方面也表示相应方法的描述，其中块或器件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各方面也表示相应装置的相应块或者项目或特征的描述。方法步骤中的一些或全部可以由(或使用)硬件装置来执行，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一个或多个可以由这样的装置来执行。
上述实施例仅仅是本公开的原理的说明。应当理解，本文中描述的布置和细节的修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，意图仅由所附专利权利要求的范围而不是由通过对本文中的实施例的描述和解释而呈现的具体细节来限制。