单片硅光电倍增器阵列的制作方法

单片硅光电倍增器阵列
1.对相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年9月20日提交的第16/577,035号美国专利申请的权益，其内容通过引用被合并于此。


背景技术：

3.光学系统(例如，lidar器件)可以包括布置在共同封装内的若干元件，诸如光源、光学元件和/或光电探测器。此外，光学系统的一些元件可以耦合到共同衬底。


技术实现要素：

4.本公开总体上涉及光学系统(例如，lidar系统)及它们的相关联接收器子系统的某些方面。
5.在第一方面，提供了一种光学系统。该光学系统包括衬底和与衬底单片地(monolithically)集成的多个硅光电倍增器(sipm)。每个sipm包括多个单光子雪崩二极管(spad)。该光学系统还包括具有多个光圈的光圈阵列。多个sipm和光圈阵列被对准，以便限定多个接收器通道。每个接收器通道包括光学耦合到多个光圈中的相应光圈的多个sipm中的相应sipm。
6.在第二方面，提供了一种制造光学系统的方法。该方法包括提供具有与衬底单片地集成的多个硅光电倍增器(sipm)的单片sipm阵列。每个sipm包括多个单光子雪崩二极管(spad)。该方法附加地包括将具有多个光圈的光圈阵列与单片sipm阵列对准，以便限定多个接收器通道。每个接收器通道包括光学耦合到多个光圈中的相应光圈的多个sipm中的相应sipm。
7.通过阅读以下详细描述，并在适当的地方参考附图，其他方面、实施例和实施方式对本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
8.图1图示了根据示例实施例的光学系统的示意块表示。
9.图2a图示了根据示例实施例的光学系统的横截面视图。
10.图2b图示了根据示例实施例的光学系统的横截面视图。
11.图2c图示了根据示例实施例的光学系统的俯视图。
12.图3a图示了根据示例实施例的制造方法的步骤。
13.图3b图示了根据示例实施例的制造方法的步骤。
14.图3c图示了根据示例实施例的制造方法的步骤。
15.图3d图示了根据示例实施例的制造方法的步骤。
16.图4图示了根据示例实施例的方法。
具体实施方式
17.本文描述了示例方法、器件和系统。将会理解，本文使用的词语“示例”和“示例性的”是指“用作示例、实例或说明”。本文中作为“示例”或“示例性的”描述的任何实施例或特征不必要被解释为优选或优于其他实施例或特征。在不脱离本文呈现的主题的范围的情况下，能够利用其他实施例，并且能够进行其他改变。
18.因此，本文描述的示例实施例并不意味着是限制性的。本公开的方面，如本文一般描述并且在附图中图示的，能够以各种不同的配置进行布置、替换、组合、分离和设计，所有这些都在本文中被考虑。
19.此外，除非上下文另有说明，每个图中所图示的特征可相互结合使用。因此，附图通常应被视为一个或多个总体实施例的组成方面，将会理解并非所有图示的特征对于每个实施例都是必要的。
20.i.概览
21.光学系统(例如，lidar器件)可以包括多个接收器通道。在示例场景中，每个接收器通道包括在分立的硅光电倍增器(sipm)上方对准的针孔。针孔能够减少对环境光的检测。每个sipm包括多个(例如，超过2000个)电连接在一起(例如，并联连接)的单光子雪崩二极管(spad)。spad是一种单光子敏感器件，其设计为以盖革(geiger)模式操作。在一些实施例中，光学系统可以包括超过200个接收器通道(布置成两个组，每个组超过100个接收器通道)。在这种情况下，多个接收器通道的制造可以涉及将超过200个单独的sipm安装到一个或多个印刷电路板(pcb)。
22.能够通过提供单片sipm阵列来改进光学系统的制造，在单片sipm阵列中，多个sipm形成在单个衬底(例如，硅晶片(wafer))上。衬底上的每个sipm能够充满一个圆形区域，该圆形区域包括与所使用的相同数量的电连接的spad(例如，每个sipm超过2000个)。在这种场景中，如果圆形sipm以0.2sipm/mm2至0.6sipm/mm2之间的密度(例如，约0.4sipm/mm2)布置成六边形或正方形阵列，则在1英寸直径的硅晶片上安装约200个sipm可能是可行的。以这种方式，具有相应单片sipm阵列的四个硅衬底可以被利用以提供与当代光学系统设计中使用的sipm数量相当的sipm。
23.对于单片地集成到同一衬底上的多个sipm，期望包括在sipm之间提供电隔离和/或光学隔离的结构(例如，减少相邻sipm之间的串扰)。在一种方法中，每个sipm可以被衬底中的深沟槽包围，该深沟槽填充有金属或另一种光学不透明、导电和/或非导电材料。填充的沟槽能够阻挡来自sipm的光生电子到达相邻sipm(电隔离)，并且还能够阻挡来自sipm的光子到达相邻sipm(光学隔离)。为了提供附加的光学隔离，可以在单片sipm阵列及其对应的针孔阵列之间放置挡板(baffle)结构。在一种方法中，挡板结构可以包括在不透明材料(例如，金属或塑料)中钻孔或以其他方式形成的孔阵列，每个孔限定了针孔和单片sipm阵列中针孔的对应sipm之间的光路。此外，每个孔可以具有与sipm的直径相匹配的直径。挡板结构可以被附接到单片sipm阵列，孔阵列与sipm阵列对准，并且针孔阵列可以被附接到挡板结构，使得在孔上方针孔位于中心。利用这种配置，通过每个针孔接收的光能够通过挡板结构中的对应孔到达对应sipm，但是被不透明材料阻挡而不能到达相邻sipm。
24.可以以不同方式提供单片阵列的电触点。在一种方法中，可以在衬底的背面提供电触点。可替代地，可以从侧面提供电触点，和/或沿着衬底的顶表面对电触点布线。
25.通过阅读以下详细描述，并适当参考附图，其他方面、实施例和实施方式对本领域普通技术人员将变得显而易见。
26.ii.示例系统
27.图1图示了根据示例实施例的光学系统100的示意块表示。在一些情况下，光学系统100可以用作lidar系统的一部分，诸如lidar系统的接收器子系统。lidar系统可以耦合到载具，并在载具的操作中使用，诸如当载具处于自主或半自主模式时，或者当载具是全自主载具时。例如，载具可以是汽车、卡车、牵引拖车、诸如推土机的施工设备、自主无人驾驶飞机或诸如人行道递送机器人的机器人。这种lidar系统可以被配置为提供关于给定环境中的一个或多个对象的信息(例如，位置、形状等)(例如，点云数据)。在示例实施例中，lidar系统可以向载具提供点云信息、对象信息、映射(mapping)信息或其他信息。本文也考虑了其他类型的载具和lidar系统。
28.光学系统100包括衬底110，其包括第一表面112和第二表面114。
29.在一些示例中，衬底110可以为约200微米厚。例如，衬底110可以具有100到500微米之间的厚度。然而，其他厚度是可能的和被考虑的。在一些实施例中，衬底110可以包括半导体衬底材料，诸如硅衬底(例如，硅晶片)、磷化铟衬底(例如，磷化铟晶片)、砷化镓衬底(例如，gaas晶片)等。在示例实施例中，衬底110可以包括硅基锗硅(silicon germanium-on-silicon substrate)衬底。在一些实施例中，衬底110可以包括绝缘体上硅(soi)材料。可替代地，衬底110可以由多种其他固体和/或柔性材料形成，其中的每一种都在本公开中被考虑。
30.光学系统100包括多个硅光电倍增器(sipm)器件120，其与衬底110单片地集成。每个sipm器件120可以构成多个单光子雪崩二极管(spad)122。例如，多个sipm 120中的每个sipm可以包括至少1000个spad 122。将理解，更多或更少的spad 122可以与多个sipm 120中的每个sipm相关联。
31.在一些实施例中，多个sipm 120可以沿衬底布置成六边形或正方形阵列。也就是说，多个sipm 120中的每个sipm可以被布置在六边形、三角形或正方形网格的相应网格点处。多个sipm 120中的相应sipm的其他密堆积布置是可能的和被考虑的。在一些实施例中，多个sipm中的sipm以0.2sipm/mm2至0.6sipm/mm2之间的密度(例如，约0.4sipm/mm2)沿衬底布置。将会理解，每mrn2更高或更低密度的sipm是被考虑的和可能的。虽然关于本公开的一些实施例描述了sipm，但是其他类型的光敏检测器器件也是可能的。
32.光学系统100还包括光圈阵列130，其包括多个光圈132。多个sipm器件120和光圈阵列130对准，以便限定多个接收器通道140。在这种场景下，每个接收器通道140包括光学耦合到多个光圈132中的相应光圈的多个sipm器件120中的相应sipm。
33.在一些实施例中，光学系统100包括多个电导体150。例如，多个电导体可以经由穿过衬底的通孔(tsv)或侧面布线布置中的至少一个耦合到多个sipm 120。对电导体150进行布线的其他方式是被考虑的和可能的。例如，多个电导体150可以通过顶级导线键合连接的方式连接到其他电路。附加地或可替代地，电导体150可以沿着sipm器件120之间的空间被布线(例如，在sipm器件之间的“街道”中)。
34.此外，光学系统100包括隔离沟槽116。隔离沟槽116可以位于衬底110中。在一些实施例中，隔离沟槽116可以布置在多个sipm器件120中的相邻sipm之间。隔离沟槽116中的至
少一个可以至少部分地填充有填充材料118。例如，至少一个隔离沟槽116可以至少部分地填充有金属材料、光学不透明材料、导电材料或非导电材料中的至少一种。在这种场景下，至少一个隔离沟槽116在多个sipm器件120中的相邻sipm之间提供电隔离。
35.附加地或可替代地，在一些实施例中，至少一个隔离沟槽11可以在多个sipm器件120中的相邻sipm之间提供光学隔离。
36.在一些实施例中，光学系统100包括挡板结构160。挡板结构160包括光学不透明材料中的多个开口162。在这种场景下，挡板结构160被布置在光圈阵列130和多个sipm 120之间，使得每个接收器通道140包括经由挡板结构160中的相应开口光学耦合到多个光圈132中的相应光圈的多个sipm120中的相应sipm。
37.在一些实施例中，挡板结构160的横截面可以包括由挡板结构160中的相应开口分离的多个菱形构件。
38.图2a图示了根据示例实施例的光学系统200的横截面视图。图2a可以包括与参考图1所图示和描述的光学系统100的元件相似或相同的元件。图2a为了图示光学系统200的元件的一般布置，而不一定为了示出这些元件的精确尺度(scale)或比例。
39.在一些实施例中，光学系统200可以包括具有第一表面112和第二表面114的衬底110。如所图示的，第一表面112可以与第二表面114相对地布置。如别处所述，衬底110可以包括半导体衬底(例如，半导体晶片)。例如，第一表面112可以包括硅晶片的顶表面，并且第二表面114可以包括硅晶片的底表面。
40.如图2a所图示的，光学系统200可以包括多个硅光电倍增器(sipm)器件120(例如，sipm 120a、120b、120c和120d)，其与衬底110单片地集成。也就是说，sipm 120a、120b、120c和120d可以至少部分地形成在衬底110内。例如，sipm 120a、120b、120c和120d可以各自包括多个spad。spad是包括p-n结的半导体器件，p-n结被设计成在大于结的击穿电压vb的电压va下反向偏置时工作。例如，可以跨可以为大约1-5微米厚的p-n结施加va，以便提供大于3
×
105v/cm的电场。其他电场是可能的并且被考虑。
41.在一些实施例中，spad 122可以被配置为检测红外光(例如，905nm或1550nm)。然而。也可以检测其他波长的光。
42.spad 122可以被配置和/或偏置以便响应于吸收单个光子而提供毫安或更大的光电流。其他配置和/或光电流是可能的并且被考虑。
43.在一些实施例中，spad可以包括无源或有源淬灭电路。例如，无源淬灭电路可以包括与spad串联耦合的电阻器。附加地或可替代地，有源淬灭电路可以包括快速鉴别器电路或同步偏置电压降低电路。
44.在一些实施例中，多个sipm 120中的每个sipm可以包括至少1000个spad 122。将会理解，更多或更少的spad 122可以与多个sipm 120中的每个sipm相关联。
45.在一些实施例中，sipm 120a、120b、120c和120d可以由相应的多个隔离沟槽116分离。隔离沟槽116可以通过利用光刻限定的湿蚀刻或干蚀刻工艺来形成。用于形成隔离沟槽116的其他半导体制造技术是可能的并且被考虑。一些或所有隔离沟槽116可以至少部分地被填充材料118填充。
46.如图2a所图示的，电导体150可以沿第一表面112定位(例如，沿相应sipm 120a、120b、120c和120d的外围定位)。附加地或可替代地，电导体150可以耦合到第二表面114。将
会理解，电导体150可以位于其他位置，以便将相应sipm 120a、120b、120c和120d电耦合到检测电路。用于将相应sipm 120a、120b、120c和120d物理地和/或电连接到检测电路的其他方式是可能的并被考虑，诸如但不限于传统的焊球、球栅阵列(bga)、连接盘栅阵列(land-grid arrays,lga)、导电膏，和其他类型的物理和电气插座。
47.在一些实施例中，可以布置挡板结构160的菱形构件使得接收器通道140a、140b、140c和140d彼此光学隔离。例如，挡板结构160可以在相应接收器通道之间提供不透明屏障。挡板结构160的菱形部分可以物理地耦合在填充材料118和光圈阵列130之间。在挡板结构160的菱形部分之间，光可以通过相应开口162a、162b、162c和162d被导向相应sipm 120a、120b、120c和120d。
48.在示例实施例中，光圈阵列130可以包括光圈132a-132d，每个光圈可以具有120-160微米的开口直径。然而，其他光圈直径是可能的并被考虑。多个光圈l32a-l32d可以包括穿过对光基本不透明的材料钻出或光刻蚀刻的孔。在其他实施例中，多个光圈132a-132d可以包括对光基本透明的光学窗口。
49.附加地或可替代地，用于光学隔离相邻sipm的其他方式被考虑并且是可能的。例如，反射栅格可以沿着sipm的顶表面被图案化。反射栅格可以由金属或另一光学不透明材料形成。反射栅格可以被限定，使得与挡板结构160和/或光圈阵列130对准。在这种场景下，落在相邻sipm器件之间的光不会进入硅衬底。这种光学隔离可以减少通道间串扰，其潜在的代价是对于给定的sipm阵列略微降低填充因子。
50.此外，在一些实施例中，光圈阵列130和挡板结构160可以由组合光圈/挡板结构代替。这种组合结构可以包括具有深孔的厚不透明板，深孔被钻或蚀刻以与sipm器件位置相对应。
51.代替光圈阵列130和挡板结构160，或者与光圈阵列130和挡板结构160结合，一些实施例可以包括一组垂直的光学透明柱(例如，光波导)，其可以用作光导并使用全内反射将光耦合到sipm器件。图2b图示了根据示例实施例的光学系统220的横截面视图。如图2b所图示，光学系统220可以包括光波导222a、222b、222c和222d，其可以被配置为将光导向相应的sipm器件120a、l20b、120c和120d。如所图示的，光波导222a、222b、222c和222d可以具有锥形形状(tapered shape)。在其他示例中，光波导222a、222b、222c和222d可以有直的侧壁和/或采取另一形状。在一些场景下，可以通过在相应的sipm器件120a、120b、120c和120d上方生长电介质堆叠224a、224b、224c和224d来限定“有源隔离区”。电介质堆叠224a、224b、224c和224d可以被配置为将来自光波导222a、222b、222c和222d的光耦合到相应的sipm器件120a、120b、120c和120d中。在一些实施例中，sipm器件120a、120b、120c和120d之间的进一步光学隔离可以通过蚀刻sipm器件之间的电介质堆叠并且然后用基于有机硅氧烷的平坦化材料226(例如，silecs xc400l等)填充沟槽来实现。在一些实施例中，平坦化材料226相对于光波导222a、222b、222c和222d和/或电介质堆叠224a、224b、224c和224d可以具有高折射率。
52.图2c图示了根据示例实施例的光学系统200的俯视图250。如图2c所图示，多个sipm器件120可以沿着衬底110的表面布置成六边形阵列。此外，多个sipm器件120中的sipm器件可以通过一个或多个隔离沟槽116的方式彼此电隔离和/或光学隔离。在一些实施例中，如本文所述，隔离沟槽116可以填充有填充材料。
53.将会理解，可以利用各种方式来将sipm器件彼此电隔离和/或光学隔离。例如，尽管图2c图示了规则的六边形阵列，但在相应接收器通道之间可以利用可变间距和/或可变隔离深度。例如，参考图2a，接收器通道140a、140b、140c和140d可以通过在一些接收器通道之间具有第一深度(例如，1微米)的沟槽并且在其他接收器通道之间具有第二深度(例如，2微米)的沟槽而被隔离。此外，一些接收器通道可以与一些相邻接收器通道比其他相邻接收器通道更远地间隔开。
[0054]ⅲ.示例方法
[0055]
图3a-图3d图示了根据一个或多个示例实施例的制造方法的各种步骤。将会理解，各种步骤中的至少一些可以以不同于本文呈现的顺序来执行。此外，步骤可以被添加、删减、转置和/或重复。图3a-图3d可以用作关于如关于图4所图示和描述的方法400所述的至少一些步骤或块的示例说明。此外，图3a-图3d的一些步骤可以被执行，以便提供光学系统100和/或光学系统200或220，如分别参考图1、图2a和图2b所图示和描述的。
[0056]
图3a图示了根据示例实施例的制造方法的步骤300。步骤300最初包括提供衬底110。衬底110可以包括第一表面112和第二表面114。衬底110可以包括半导体材料，诸如硅或绝缘体上硅衬底。
[0057]
步骤300随后可以包括形成多个sipm 120a、120b、120c和120d。在一些实施例中，形成多个sipm 120a、120b、120c和120d可以包括在第一表面112中形成p-n结。即sipm 120a、120b、120c和120d可以与衬底110单片地集成。每个sipm包括多个单光子雪崩二极管(spad)。在一些实施例中，单片sipm阵列中的多个sipm可以被布置成六边形或正方形阵列。在这种场景下，单片sipm阵列中的多个sipm可以以大约0.4sipm/mm2的密度布置。
[0058]
步骤300可以附加地包括在衬底110的第一表面112中形成多个隔离沟槽116。在一些实施例中，形成多个隔离沟槽116可以包括利用湿蚀刻或干蚀刻工艺蚀刻到第一表面112中。附加地或可替代地，隔离沟槽116可以通过研磨、抛光或另一机械方法来形成。在一些实施例中，隔离沟槽116可以被布置在相邻sipm之间。
[0059]
步骤300可以进一步包括用填充材料118填充隔离沟槽116的至少一部分。隔离沟槽116可以至少部分地填充有金属材料、光学不透明材料、导电材料或非导电材料中的至少一种。举例来说，填充材料118可以使用化学气相沉积工艺或氧化工艺来沉积。至少一个隔离沟槽可以在相邻sipm之间提供电隔离。附加地或可替代地，至少一个隔离沟槽可以在相邻sipm之间提供光学隔离。
[0060]
图3b图示了根据示例实施例的制造方法的步骤310。步骤310包括在衬底110的第一表面112和/或第二表面114上形成一个或多个电导体150。电导体150可以在sipm 120a、120b、120c和120d与相应检测电路之间提供电耦合。
[0061]
图3c图示了根据示例实施例的制造方法的步骤320。步骤320包括将包括光学不透明材料中的多个开口162a、162b、162c和162d的挡板结构160定位。挡板结构160可以被定位，使得将多个菱形结构与多个隔离沟槽116和/或相应的sipm 120a、120b、120c和120d对准。
[0062]
在一些实施例中，挡板结构160可以被定位在单片sipm阵列120a、120b、120c和120d与光圈阵列130之间，如本文所描述的。在一些实施例中，挡板结构160可以用拾放工具定位，并且可以基于沿第一表面112定位的配准标记对准到下层结构。
[0063]
图3d图示了根据示例实施例的制造方法的步骤330。步骤330包括相对于挡板结构160和/或sipm 120a、120b、120c和120d对准光圈阵列130，以便限定多个接收器通道(例如，参考图2a所图示和描述的接收器通道140a、l40b、140c和140d)。光圈阵列130包括多个光圈132a、132b、132c和132d。每个接收器通道包括光学耦合到多个光圈中的相应光圈和挡板结构中的相应开口的多个sipm中的相应sipm。
[0064]
图4图示了根据示例实施例的方法400。方法400可以至少部分地通过参考图3a-图3d所图示和描述的一些或所有制造步骤或阶段来执行。将会理解，方法400可以包括比本文明确公开的步骤或块更少或更多的步骤或块。此外，方法400的相应步骤或块可以以任何顺序执行，并且每个步骤或块可以被执行一次或多次。在一些实施例中，方法400及其步骤或块可以被执行，以提供可以与如参考图1和图2所图示和描述的光学系统100和/或光学系统200相似或相同的光学系统。
[0065]
块402包括提供单片硅光电倍增器(sipm)阵列，该sipm阵列包括与衬底单片地集成的多个sipm。每个sipm包括多个单光子雪崩二极管(spad)。在一些实施例中，单片sipm阵列中的多个sipm可以布置成六边形或正方形阵列。在这种场景下，单片sipm阵列中的多个sipm可以以大约0.4sipm/mm2的密度布置。
[0066]
在一些实施例中，单片sipm阵列还包括衬底中的至少一个隔离沟槽，其中，至少一个隔离沟槽被布置在相邻sipm之间。附加地或可替代地，至少一个隔离沟槽可以至少部分地填充有金属材料、光学不透明材料、导电材料或非导电材料中的至少一种。
[0067]
在一些示例中，至少一个隔离沟槽可以在相邻sipm之间提供电隔离。附加地或可替代地，至少一个隔离沟槽可以在相邻sipm之间提供光学隔离。
[0068]
块404包括将具有多个光圈的光圈阵列与单片sipm阵列对准，以便限定多个接收器通道。每个接收器通道包括光学耦合到多个光圈中的相应光圈的多个sipm中的相应sipm。
[0069]
在一些实施例中，方法400可以进一步包括将挡板结构定位在单片sipm阵列和光圈阵列之间。在一些场景下，挡板结构可以包括光学不透明材料中的多个开口。可以执行挡板结构的定位，使得每个接收器通道与多个sipm中的相应sipm相关联，相应sipm经由挡板结构中的相应开口光学耦合到多个光圈中的相应光圈。
[0070]
不应将图中示出的特定布置视为限制性的。应该理解，其他实施例可以包括更多或更少的给定图中所示出的每个元件。此外，一些图示的元件可以被组合或省略。此外，说明性实施例可以包括图中未图示的元件。
[0071]
表示信息的处理的步骤或块可以与电路相对应，该电路可以被配置为执行本文描述方法或技术的特定逻辑功能。可替代地或附加地，表示信息的处理的步骤或块可以与模块、段、物理计算机(例如，现场可编程门阵列(fpga)或专用集成电路(asic))或程序代码的一部分(包括相关数据)相对应。程序代码可以包括处理器可执行的一个或多个指令，用于所述实现方法或技术中的特定逻辑功能或动作。程序代码和/或相关数据可以存储在任何类型的计算机可读介质上，诸如包括磁盘、硬盘或其他存储介质的存储器件。
[0072]
计算机可读介质还可以包括非暂时性计算机可读介质，诸如短时间段存储数据的计算机可读介质，如寄存器存储器、处理器高速缓存和随机存取存储器(ram)。计算机可读介质还可以包括长时间段存储程序代码和/或数据的非暂时性计算机可读介质。因此，例
如，计算机可读介质可以包括辅助或永久长期存储装置，如只读存储器(rom)、光盘或磁盘、光盘只读存储器(cd-rom)。计算机可读介质也可以是任何其他易失性或非易失性存储系统。计算机可读介质可以被认为是例如计算机可读存储介质或有形存储器件。
[0073]
虽然已公开了各种示例和实施例，但其他示例和实施例对本领域技术人员而言将是显而易见的。各种公开的示例和实施例用于说明目的，并不旨在进行限制，真实范围由以下权利要求指示。