光电传感器单元、光电传感器及方法与流程

光电传感器单元、光电传感器及方法
1.提供了一种光电传感器单元。此外，还提供了包括多个这种传感器单元的光电传感器和用于这种传感器单元的操作方法。
2.要实现的目的是提供一种光电传感器单元和相应的光电传感器以及操作方法，其中，与其他类型的光电传感器相比，该光电传感器单元例如对于给定的电容量具有更高的灵敏度。
3.传感器的电容通常确定用于检测和数字化此类信号的优化信号放大器中的噪声量。因此，针对给定的电容的较高的灵敏度或者针对类似的灵敏度的较低的电容，有助于提高这种传感器系统的信噪比。
4.该目的主要通过光电传感器单元、光电传感器和包括独立权利要求的特征的操作方法来实现。优选实施例构成从属权利要求的主题。
5.具体地，本文描述的光电传感器单元可以基于硅，并且包括集电极栅极电极，该集电极栅极电极具有远离相关基极区的至少一个栅极延伸部。因此，借助于至少一个栅极延伸部，可以增加耗尽状态的面积，其中，栅极下的半导体区域耗尽了其多数载流子。半导体中的这种耗尽区也被称为空间电荷区(简称scr区)，因为多数载流子的缺失暴露了带电的固定掺杂剂。因此，可以实现比已知的光电二极管(如岛光电二极管或n阱光电二极管)更灵敏且具有更低电容的光电传感器单元。
6.本文描述的光电传感器单元能够产生高灵敏度和低噪声传感器，其可以应用于几种应用，如环境光传感器、简称als、接近传感器或闪烁检测，特别是用于后面的oled应用。这将适用于困难的环境，如信号减弱的显示器后面，或需要高灵敏度和/或快速响应的应用。
7.利用本文所述的光电传感器单元，可以实现显著提高的灵敏度-电容比，提供每个光集电区的高灵敏度和低电容。
8.此外，该光电传感器单元可以在标准cmos工艺中启用，且否则不一定需要特殊或附加的制造工艺。这转化为制造相应芯片的显著成本降低。
9.根据至少一个实施例，光电传感器单元包括半导体主体。例如，半导体主体由si制成。然而，半导体主体也可以包括或可以由其他半导体材料(如ge)或化合物半导体材料如(alingaas或alingap)组成。半导体主体可以包括衬底和衬底上的半导体层序列，例如外延生长到半导体主体的至少一侧上。衬底和半导体层序列可以是相同的半导体材料或不同的半导体材料。在下文中，为了简单起见，仅考虑作为整体的半导体主体。
10.根据至少一个实施例，半导体主体包括第一导电类型的阱区和不同于第一导电类型的第二导电类型的基极区。例如，阱区是p掺杂的，而基极区是n掺杂的。基极区可以嵌入阱区。尽管可以存在多个基极区和/或阱区，但为了简单起见，在下文中，光电传感器单元被描述为包括一个基极区和一个阱区。然而，所有特征可以类似地应用于多个基极区和/或多个阱区的情况。
11.根据至少一个实施例，光电传感器单元包括电接触阱区的阱电极。阱电极可以与阱区直接接触，或者可以有至少一个中间层，如高掺杂的阱接触区，包括在半导体主体中。
例如，阱电极由诸如ag、al、cu或w的金属制成，或者包括至少一种这样的金属，或者阱电极由诸如多晶硅的半导体材料制成。此外，可以存在其他金属或材料，如钛或氮化钛，以实现阱电极金属和阱半导体材料之间的良好欧姆接触。
12.根据至少一个实施例，光电传感器单元包括电接触基极区的基极电极。优选地，基极电极与基极区直接接触，或者可以有至少一个中间层，如高掺杂的基极接触区。例如，类似于阱电极，基极电极可以由诸如ag、al、cu或w的金属制成，或者包括至少一种这样的金属，或者基极电极也可以由诸如多晶硅的半导体材料制成。此外，可以存在其他金属或材料，如钛或氮化钛，以使基极电极金属和基极半导体材料之间能够有良好的欧姆接触。
13.根据至少一个实施例，光电传感器单元包括集电栅极电极(collection gate electrode)。集电栅极电极可以位于阱区的顶部并靠近基极区，其中至少一个边缘重叠或靠近基极区，以及至少一个边缘重叠阱区。在集电栅极电极的顶视图中看到：集电栅极电极部分或完全围绕相关的基极区。如果存在多个基极区和/或阱区，则可以存在一个公共的集电栅极电极，或者可以将几个基极区分组到仅一个集电栅极电极，或者还可以在基极区和集电栅极电极之间存在一对一的分配。
14.根据至少一个实施例，集电栅极电极包括一个或多个栅极延伸部。在集电栅极电极的顶视图中看到：至少一个栅极延伸部远离基极区。也就是说，至少一个栅极延伸部可以是指状或叉状结构，该栅极延伸部具有可以相对于指定的基极区径向布置的最大范围的区域。
15.在顶视图中可以看到：集电栅极电极可以包括直接位于相关基极区的中心部分，并且至少一个栅极延伸部从基极区的边缘开始。因此，集电栅极的可选中心部分可以围绕相应的基极区延伸，并且至少一个栅极延伸部可以以径向方式部分或完全远离相关联的基极区。
16.在至少一个实施例中，光电传感器单元包括半导体主体，该半导体主体具有第一导电类型的阱区和不同于第一导电类型的第二导电类型的至少一个基极区。此外，光电传感器单元包括电接触阱区的阱电极和电接触至少一个基极区的基极电极，以及位于阱区的顶部并靠近至少一个基极区的集电栅极电极，并且在集电栅极电极的顶视图中看到：该集电栅极电极至少部分地围绕至少一个基极区。在集电栅极电极的顶视图中看到：集电栅极电极包括远离至少一个基极区的至少一个栅极延伸部。
17.借助于至少一个栅极延伸部，在集电状态下，其中，集电栅极电极被偏置以在集电栅极电极的栅极下方产生耗尽，耗尽区可以被延伸，从而有效收集光产生载流子的区域被延伸，特别是朝向至少一个阱区。
18.每个基极的集电区的这种延伸允许我们减少给定集电区的基极区的数量，并从而降低光电二极管电容。
19.有许多方法可以塑造集电栅极延伸部，且下面只描述几个示例。例如，从基极区开始的栅极延伸部的总长度会限制收集速度，因为载流子需要扩散通过所有该长度。取决于传感器单元的特定应用中所需的检测速度，这可能是或可能不是一个问题。
20.另一个关键参数是传感器单元电容，不包括集电栅极电极，因为后者是一个单独的端子。传感器单元电容是基极区的数量、每个基极区的尺寸、因此每个基极区的电容以及可能显著的路由或布线电容的函数。
21.因此，例如，通过设置至少一个基极区的位置和数量以及通过改变取决于至少一个基极区的位置的栅极延伸部的总长度，可以更多地强调检测速度或更多地强调电容降低。
22.根据至少一个实施例，当集电栅极电极处于截止状态时，并且在靠近半导体和电介质区域的界面的栅极电极下方存在累积区域。在这种状态下，在阱区与至少一个基极区之间的界面处的耗尽区(也被称为scr)，不会在远离该界面的方向上延伸到栅极电极下方。在集电栅极电极的顶视图中看到：在截止状态下，基极至阱耗尽区和集电栅极电极在远离基极阱界面的方向上可能根本不重叠。例如，在截止状态下，集电栅极电极的基极区域的至多20％或至多40％被耗尽区底切。
23.根据至少一个实施例，当集电栅极电极处于集电状态时，耗尽区在集电栅极电极下方延伸和/或完全钻在集电栅极电极下方。例如，在这种状态下，栅极电极下的半导体界面被耗尽，但可以不被反转。因此，在集电状态下，集电栅极电极的至少80％或至少95％或甚至100％的面积可以被耗尽区底切。
24.基于集电栅极电压，栅极电极下的半导体材料可以是：
25.a)处于累积状态，使得在界面附近存在过量的多数载流子，这对应于集电栅极电极的截止状态，或者
26.b)处于与集电状态相对应的耗尽状态，在该耗尽状态中集电栅极电极下方的半导体区域被耗尽并且不含多数类型和少数类型的载流子，或者
27.c)处于反转状态，然而，可以存在弱反转或强反转，其中，集电栅极电极下的半导体界面具有比多数载流子更多的少数载流子。可以避免这种状态被偏置，因为这种状态在mosfet中可以是导通状态。
28.根据至少一个实施例，在集电栅极电极的顶视图中看到：集电栅极电极的面积含量或由集电栅极电极引起的集电区的面积含量超过基极区的面积含量至少三倍或至少五倍或至少15倍。换句话说，在顶视图中看到：集电栅极电极或集电区比指定的基极区大得多。例如，该因子至多为103或至多为100或至多为60。因此，耗尽区域可以明显延伸。
29.在顶视图中看到：与基极区相比，不一定是集电栅极区域，而是显著增加的集电区。在极端情况下，可能存在窄而长的集电栅极电极，其栅极面积较小，但集电区(约40μm乘以栅极延伸部长度)可能要大得多。
30.根据至少一个实施例，在顶视图中看到：集电栅极电极的最大尺寸超过基极区的最大尺寸。例如，集电栅极电极的最大长度超过基极区的直径至少5倍或至少15倍和/或最多103倍或最多100倍或最多60倍。集电栅极电极的长度可以是沿着各个栅极延伸部的中心轴线的各个栅极延伸部的长度，并且对于基极区的直径d，在顶视图中看到：取决于基极区的区域a，它可以应用d＝2(a/π)
0,5
。
31.根据至少一个实施例，在集电栅极电极的顶视图中看到：集电栅极电极和基极区重叠至至少一个栅极延伸部的平均宽度和/或集电栅极电极的可选中心部分的平均宽度的最多40％或最多20％或最多10％。换句话说，集电栅极电极以非重叠的方式主要地或几乎完全地或完全地位于指定的基极区旁边。因此，在顶视图中看到：集电栅极电极和相应的基极区可以不重叠或不明显重叠，使得基极区可以有效地被电寻址，并且不会受到集电栅极电极的强烈影响。
32.根据至少一个实施例，在顶视图中看到：顶侧的任何点与最近的集电栅极电极之间的最大距离最多为40μm，或最多为30μm，或最多为20μm。通过具有这样的最大距离，可以确保几乎所有光生载流子在重新结合之前都可以通过扩散到达耗尽区。光生少数载流子在重组前扩散的平均长度称为扩散长度。为了有效收集，光电二极管上的所有点应该在耗尽区的几个扩散长度内，在这种情况下，例如，集电栅极电极在两个或三个或四个扩散长度内。优选地，下面的具体设计示例都考虑到了这个设计规则。
33.根据至少一个实施例，集电栅极电极包括至少两个且最多八个栅极延伸部。例如，集电栅极电极正好包括2个或4个或8个栅极延伸部。
34.如果存在多个栅极延伸部，则所有栅极延伸部可以具有相同的形状和尺寸，或者可以具有至少相同的形状但不同的尺寸，或者具有不同的尺寸和不同的形状。
35.根据至少一个实施例，至少一个栅极延伸部或栅极延伸部中的至少一个包括分叉。每个栅极延伸部可以仅有一个或多个分叉。分叉可以是二分叉或三分叉或多分叉。
36.根据至少一个实施例，在集电栅极电极的顶视图中看到：至少一个栅极延伸部或至少一个栅极延伸部是t形的。因此，集电栅极电极的宽度可以在远离指定基极区的相应栅极延伸部端处最大。因此，相应的栅极延伸部可以正好包括一个二分叉，并且两个所得分支可以倾斜地，特别是垂直地，与分支从中分叉的主干一起延伸。
37.根据至少一个实施例，至少一个栅极延伸部或栅极延伸部中的至少一个是l形的。因此，在集电栅极电极的顶视图中看到：集电栅极电极可以正好包括一个扭结和/或弯曲部分(bend)。该集电栅极电极可以没有任何分叉。术语“l形”可以指90
°
的扭结和/或弯曲部分，但是其他弯曲角度或扭结角度也是可以的，例如，至少20
°
或至少45
°
和/或最多160
°
或最多135
°
的角度。
38.扭结可以指方向的急剧变化，而弯曲可以指具有明显曲率半径的方向变化，从而可能导致局部变圆。
39.根据至少一个实施例，至少一个栅极延伸部或多个栅极延伸部中的至少一个具有弯曲形状。因此，在集电栅极电极的顶视图中看到：集电栅极电极包括多个方向变化。例如，方向变化的数量是至少两个或至少四个和/或方向变化的数量最多是20个或最多是十个或最多是五个。所有方向变化可以是弯曲或扭结，所有方向变化可以是相同的角度或不同的角度。
40.根据至少一个实施例，在集电栅极电极的顶视图中看到：至少一个栅极延伸部或至少一个栅极延伸部具有直线截面的形状。因此，栅极延伸部可以没有任何方向变化和任何分叉。
41.根据至少一个实施例，当在集电栅极电极的顶视图中看到时，至少一个栅极延伸部或至少一个栅极延伸部具有f或双f的形状。
42.根据至少一个实施例，当在集电栅极电极的顶视图中看到时，至少一个栅极延伸部或多个栅极延伸部中的至少一个具有梳齿或双梳齿的形状。如果存在多个梳梳齿，这些梳齿可以以锯齿状的方式布置。
43.根据至少一个实施例，不同形状的栅极延伸部彼此组合。因此，在顶视图中，并非所有的栅极电极都需要具有相同的形状。
44.根据至少一个实施例，存在多个基极区。每一个基极区可以设置有其自己的具有
栅极延伸部的集电栅极电极。所有基极区可以具有相同形状的集电栅极电极，但是也可以应用不同形状的集电栅极电极。
45.此外，不同基极区的集电栅极电极可以相对于彼此旋转，例如90
°
。
46.根据至少一个实施例，基极区被电连接。因此，传感器单元可包括在基极区之间运行的至少一个基极连接线。在顶侧的顶视图中可以看到：至少一个基极连接线和至少一个栅极延伸部可以重叠。
47.根据至少一个实施例，光电传感器单元还包括矿石或多个转移栅极电极。例如，在集电栅极电极的顶视图中看到：至少一个转移栅极电极位于基极区与集电栅极电极之间。例如，术语“之间”意味着在集电栅极电极与不穿过转移栅极电极的指定基极区之间没有直线连接线。通过转移栅极电极，可以精确地控制传感器单元的读出。
48.在下文中，仅明确提及具有一个转移栅极电极的设计，然而，可以存在多个转移栅极电极。如果存在多个转移栅极电极和/或基极区，则可以在转移栅极电极和集电栅极电极和/或基极区之间存在一对一的分配，或者将一对转移栅极电极分配给一个公共集电栅极电极。
49.根据至少一个实施例，转移栅极电极可从至少一个指定的集电栅极电极独立电寻址(electrically independently addressable)。因此，可以向转移栅极电极施加偏置电压，并且向分配的集电栅极电极施加不同的偏置电压，反之亦然。当然，可以以处于相同的电位寻址转移栅极电极和指定的集电栅极电极。
50.根据至少一个实施例，转移栅极电极被配置成当处于导通状态时，从集电栅极电极下方到所分配的基极区形成转移耗尽区。因此，当转移栅极截止时，通过寻址转移栅极电极来形成转移耗尽区可以导致从集电栅极电极下方到基极区的转移耗尽区，否则不存在。转移栅极电极的长度可以足够长，以确保当转移栅极截止时，集电栅极电极下方的耗尽区与在基极与阱区的界面处的耗尽区隔离。
51.因此，借助于转移栅极电极，可以限定时间间隔，其中，电荷载流子可以从耗尽区(特别是从集电栅极电极下方的延伸耗尽区)转移到基极区。如果转移栅极电极处于截止状态，则可以基本上或完全抑制这种电荷载流子转移。
52.根据至少一个实施例，在集电栅极电极的顶视图中看到：转移耗尽区完全包围基极区。该转移栅极将基极区与集电栅极下的耗尽区隔离。因此，如果没有通过寻址转移栅极电极而产生的转移耗尽区，所分配的基极区就不能收集电荷载流子。
53.根据至少一个实施例，在集电栅极电极的顶视图中看到：转移栅极电极和集电栅极电极是完全或主要分离的。然而，转移栅极电极和集电栅极电极彼此靠近放置，使得当转移栅极电极导通时，来自转移栅极电极的耗尽区和来自集电栅极电极的耗尽区重叠。
54.根据至少一个实施例，在集电栅极电极的顶视图中看到：集电栅极电极包括一个或多于一个的镜面对称轴。例如，存在一个镜面对称轴，或者存在两个或四个镜面对称轴。
55.根据至少一个实施例，在集电栅极电极的顶视图中看到：集电栅极电极在至少300
°
或至少330
°
或至少350
°
的最小角度的至少一个角度范围内围绕基极区。该角度范围可以是连续的角度范围，或者所述角度范围由共同等于所述最小角度的一对子范围组成。在顶视图中看到：所述角度范围可以从所分配的基极区的区域中心来确定。
56.根据至少一个实施例，转移栅极电极不围绕基极区并且远离其延伸。例如，存在转
移栅极电极靠近基极区或与其重叠的较小的区域。
57.根据至少一个实施例，集电栅极电极不围绕转移栅极区并且远离其延伸。例如，存在集电栅极电极靠近转移栅极电极的小区域。
58.根据至少一个实施例，光电传感器单元正好包括一个阱区、一个基极区、一个基极电极和一个集电栅极电极。此外，可以存在多个指定的区域。
59.根据至少一个实施例，在集电栅极电极的顶视图中看到：基极区被阱区完全环绕。此外，基极区可以位于阱区的边缘。
60.根据至少一个实施例，基极区是n
+
掺杂的，且阱区是p掺杂的。
61.例如，基极区的掺杂浓度为至少1
×
10
19
cm-3
或至少5
×
10
19
cm-3
或至少2
×
10
20
cm-3
。替代地或附加地，所述掺杂浓度为至多10
22
cm-3
或至多2
×
10
21
cm-3
或至多1
×
10
21
cm-3
。
62.例如，阱区的掺杂浓度为至少1
×
10
14
cm-3
或至少1
×
10
17
cm-3
或至少2
×
10
18
cm-3
。可选地或附加地，所述掺杂浓度至多为1
×
10
20
cm-3
或至多为1
×
10
19
cm-3
或至多为6
×
10
18
cm-3
。
63.根据至少一个实施例，半导体主体还包括一个或多个阱接触区。阱接触区电性地位于阱电极之间，并且被配置成改善阱电极与阱区之间的电接触。例如，至少一个阱接触区是p
+
掺杂的。关于阱接触区的掺杂浓度，同样适用于基极区。
64.根据至少一个实施例，在集电栅极电极的顶视图中看到：栅极延伸部或一些栅极延伸部或所有栅极延伸部在半导体主体内终止。换句话说，相应的栅极延伸部没有到达半导体主体的边缘。特具体地，没有施加到相应栅极延伸部上并到达光电传感器单元外部的电连接。例如，在半导体主体的顶视图中和/或在集电栅极电极的顶视图中看到：各个栅极延伸部和半导体主体的边缘之间的最小距离为至少10μm或至少20μm和/或最多0.1mm或最多60μm。
65.作为选择，除了至少一个栅极延伸部之外，还可以存在至少一个附加电极，其中，从半导体主体的顶视图和/或在集电栅极电极的顶视图中看到：附加电极到达半导体主体的边缘，并且可以延伸到半导体主体的边缘之外，即，在半导体主体之外。
66.另外还提供了光电传感器。光电传感器包括至少一个光电传感器单元，如结合上述实施例中的至少一个所示。因此，还公开了用于光电传感器的光电传感器单元的特征，反之亦然。
67.在至少一个实施例中，光电传感器包括多个光电传感器单元。优选地，在集电栅极电极的顶视图中看到：光电传感器单元彼此相邻地布置。换句话说，在顶视图中，光电传感器单元彼此不重叠。
68.另外提供一种用于操作光电传感器或光电传感器单元的方法。借助于该方法，如结合上述实施例中的至少一个所指示的那样操作光电传感器和/或光电传感器单元。因此，对于该方法还公开了光电传感器和光电传感器单元的特征，反之亦然。
69.在至少一个实施例中，该方法用于操作光电传感器单元，并且包括：
[0070]-用电磁辐射照射光电传感器单元，使得在半导体主体中产生电子-空穴对，并且
[0071]-向集电栅极电极提供栅极电压，使得与集电栅极电极的截止状态相比，用于使半导体主体中的电荷载流子朝向基极区的集电区增大。
[0072]
下面参考附图通过示例性实施例更详细地解释本文描述的光电传感器单元、光电传感器和方法。各个附图中相同的元件用相同的附图标记表示。然而，元件之间的关系没有
按比例显示，而是可以夸张地显示单个元件，以帮助理解。
附图说明
[0073]
图1示出了本文所述的光电传感器单元的示例性实施例的示意性顶视图，
[0074]
图2和图3示出了处于不同集电栅极状态的图1的光电传感器单元的示意性截面图，
[0075]
图4示出了图2的光电传感器单元的耗尽区的能量带的图的示意性表示，
[0076]
图5至图7示出了本文描述的光电传感器单元的示例性实施例的示意性顶视图，
[0077]
图8和图9示出了处于不同转移栅极状态的图7的光电传感器单元的示意性截面图，
[0078]
图10和图11示出了本文描述的光电传感器单元的示例性实施例的示意性顶视图，
[0079]
图12至图18示出了本文描述的光电传感器单元的示例性实施例的示意性顶视图，
[0080]
图19示出了本文描述的光电传感器的示例性实施例的示意性顶视图，
[0081]
图20示出了改进的光电传感器单元的示意性截面图，
[0082]
图21示出了图20的改进的光电传感器单元的示意性顶视图，
[0083]
图22示出了改进的光电传感器单元的示意性截面图，
[0084]
图23示出了图22的改进的光电传感器单元的示意性顶视图，
[0085]
图24示出了改进的光电传感器单元的示意性截面图，
[0086]
图25示出了图24的改进的光电传感器单元的示意性顶视图，以及
[0087]
图26示出了图24的改进的光电传感器单元的能量带的图的示意图。
[0088]
在图1至图4中，示出了用于操作光电传感器单元1的方法。光电传感器单元1包括半导体主体2。优选地，半导体主体2由硅制成，但是其他半导体材料也是可以的。半导体主体2的大部分由阱区21形成。例如，阱区21是p掺杂的，并因此可以被认为是p阱。阱区21的掺杂浓度例如约为1
×
10
14
cm-3
。
[0089]
在半导体主体2中，还存在嵌入阱区21中的基极区22。基极区22例如是n掺杂的，并且可以被称为n阱。半导体主体2的顶侧20的一部分由基极区22形成。基极区22的掺杂浓度例如约为5
×
10
20
cm-3
。
[0090]
此外，光电传感器单元1包括布置在顶侧20上的集电栅极电极4。在顶侧20的顶视图中看到：集电栅极电极4没有明显地与基极区22重叠。集电栅极电极4借助于集电栅极绝缘体43(例如二氧化硅)，与半导体主体2电绝缘。
[0091]
此外，存在分别电接触阱区21和基极区22的阱电极31和基极电极32。除了所示之外，可以存在多于一个阱电极31。作为一种选择，半导体主体2包括与阱区21具有相同导电类型的基极接触区23，并因此可以是p掺杂的。基极接触区23的掺杂浓度例如约为5
×
10
20
cm-3
。
[0092]
当负电压施加在集电栅极电极4上时，在阱区21与基极区22之间的界面处，由于多数载流子的扩散，出现耗尽区25，见图3。所述耗尽区25基本上受限于所述界面。在向集电栅极电极4施加甚至更大的负电压时，可以存在累积区域27。
[0093]
在如上所述的掺杂类型的情况下，当向集电栅极电极4施加小的负电压时，参见图2，产生延伸的耗尽区24。优选地，延伸的耗尽区24完全或几乎完全延伸超过集电栅极电极4
并邻接固有形成的耗尽区25，因此显著扩大了整个耗尽区24、25。
[0094]
在半导体主体2中吸收(图1至图4中未示出的)光电子时，产生一对电荷载流子，即电子e-和空穴h
+
。如图4中的能量e图所示，在耗尽区24、25中，电荷载流子e-、h
+
分离并产生光电压。简单地说，在耗尽区24、25中，电子e-像岩石一样落下，空穴h
+
像气泡一样在耗尽区24、25中的电势中漂浮。当只有一个平坦的电势产生时，电荷载流子e-，h
+
只是随机移动，直到它们重新结合或一个从斜坡上掉下来。耗尽区24、25也可以被称为空间电荷区，简称scr。
[0095]
当集电栅极电极4导通时(见图2)，耗尽就足够了。可以优化栅极电压以减少泄漏。集电栅极电极4下方的scr收集光生电子e-并将它们传输到可以是阴极的基极电极22。
[0096]
因此，通过增大耗尽区24、25，可以提高光生电荷载流子的检测效率。
[0097]
为此，具体参见图1，集电栅极电极4包括栅极延伸部41。栅极延伸部41可以直接从基极区22处的可选中心区42开始远离所分配的基极区22。
[0098]
如图1所示，例如，当在顶侧20的顶视图中看到时，栅极延伸部41可以是t形的。因此，每一个栅极延伸部41包括径向远离基极区22延伸的主干。在主干的末端，有分叉，使得分支以垂直的方式从各自的主干延伸出去。因此，在顶视图中可以看到两个对称轴。
[0099]
在顶侧20的顶视图中看到：光电传感器单元1具有大致矩形的形状，其中角可以是圆的。因此，朝向所述矩形的短边延伸的栅极延伸部41比朝向所述矩形的长边延伸的栅极延伸部41具有更长的主干和更短的分支。
[0100]
例如，所述矩形的短边的长度是尺寸参数d的四倍或大约四倍。因此，特别是与短边平行地观察，分支朝向顶侧20的边缘的距离以及分支和彼此平行延伸的主干之间的距离分别约为尺寸参数d和0.5d，例如，分别为至少0.7d和/或至多1.3d以及至少0.3d和/或至多0.8d。例如，d为至少2μm或至少0.01mm和/或最多0.1mm或最多0.04mm。
[0101]
作为选择，主干和分支的宽度可以是至少0.02d或至少0.05d和/或最多0.2d或最多0.1d；同样可以适用于中心部分41的宽度。例如，栅极延伸部41的宽度至少为1μm和/或最多为5μm。所述宽度也可以被称为线宽。
[0102]
通过具有这样的尺寸参数d，可以确保顶侧20的每个点离最近的栅极延伸部41至多2d。优选地，该距离最多为40μm或最多为20μm。
[0103]
尽管与构成顶侧20的矩形的长边平行，但分支朝向顶侧20的边缘的距离是d。相邻栅极延伸部41的分支的端部之间的距离例如是至少0.5d或至少1.2d和/或至多3d或至多2d。构成顶侧20的矩形的纵横比，即长边与短边的比率可以是至少1.2和/或至多2.5。
[0104]
例如，基极区22的深度至少为50nm和/或最多为0.3μm。附加地或可选地，可选基极接触区23的深度为至少30nm和/或最多0.2mm。另外地或可选地，阱区21的厚度为至少0.5μm或至少2μm。如果半导体主体2包括衬底，则阱区21的厚度以及因此半导体主体的厚度可以高达2mm或高达0.5mm。
[0105]
尽管顶侧20是图1中的矩形，但是顶侧20的其他形状如正方形或六边形也是可能的。
[0106]
因此，可以实现主要包括由栅极4包围的n-扩散区22且栅极4沿不同方向延伸的单位单元1，并且以均匀网格放置的许多这样的单位单元1可以构成检测器器件10。理解器件1、10的一种方式是将集电栅极电极4下方的耗尽区24、25视为“磁体”，以吸引和收集来自相邻区域中的光电生成的电荷。集电栅极电极4延伸了n-扩散的范围，然而，如果集电栅极电
极4在感测时保持在累积耗尽模式，则n-扩散电容不受由集电栅极电极4形成的网络的影响。
[0107]
因此，本文描述的光电传感器单元1使用由集电栅极电极4产生的耗尽区24来有效地增加电荷收集的范围，并将所有电荷获得到小的扩散区，即特别是基极区22中。这给出了收集光电荷的单位面积的高电压。
[0108]
该装置1、10可用于涉及光感测的应用。如果成本很重要和/或需要高性能，则该装置1、10尤其有用。
[0109]
在图5中，示出了光电传感器单元1的另一示例性实施例。在这种情况下，基极区22以及未示出的基极电极被放置在顶侧20的边缘附近，以便减小阴极布线电容并且以便增加信号强度。阴极布线电容可以是总阴极电容的明显部分，从而通过将基极区22放置在边缘附近，总阴极电容可以显著降低。
[0110]
存在一个中心栅极延伸部41，其沿着远离可选中心部分42的直线延伸。
[0111]
此外，还存在两个l形栅极延伸部41。有可能所有的栅极延伸部41在远离基极区22的顶侧20的边缘上彼此齐平地终止。相邻栅极延伸部41之间的距离例如至少在所有栅极延伸部41彼此平行延伸的区域中为至少0.7d和/或至多1.3d。因此，在顶视图中，只有一个对称轴。
[0112]
图5所示的设计通过使基极电极靠近传感器单元1的边缘能够降低布线电容。现在，该基极电极可以用使电容最小化的短线连接到放置在传感器单元1旁边的电路。
[0113]
此外，与图1至图4相同的情况也可以适用于图5。
[0114]
在图6中，示出了光电传感器单元1的另一示例性实施例。在这种情况下，存在两个l形的栅极延伸部41和一个t形的中间栅极延伸部41。l形栅极延伸部41的长腿与形成顶侧20的矩形的长边平行延伸，所述矩形可以具有圆角。l的相应长腿和短腿之间的角度可以是90
°
或大约90
°
。中间栅极延伸部41的分支到l形栅极延伸部41之间的距离例如至少为0.5d和/或最多为2d或最多为1.5d。例如，顶侧20的附近边缘和基极区22之间的距离至少为0.5d和/或最多为2d或最多为1.5d。
[0115]
此外，与图5相同的情况也可以应用于图6，反之亦然。
[0116]
在图7至图9中，示出了光电传感器单元1的另一示例性实施例。在这种情况下，光电传感器单元1进一步包括转移栅极电极5。转移栅极电极5可以完全包围也可以不完全包围基极区22。自靠近基极区22的转移栅极电极5的圆形区域，延伸部分可以延伸到顶侧20的外部，以便电接触转移栅极电极5。
[0117]
转移栅极电极5布置在靠近基极区22的顶侧20上，并且可以与基极区22稍微重叠。例如，最多20％的基极区22被转移栅极电极5覆盖。此外，转移栅极电极5位于基极区22与集电栅极电极4之间。
[0118]
集电栅极电极4几乎完全包围基极区22以及转移栅极电极5，除了转移栅极电极5的要电接触转移栅极电极5的延伸部分之外。
[0119]
因此，集电栅极电极4包括可选的中心部分42，该中心部分42是圆形的并沿着例如至少330
°
的角度范围围绕基极区22延伸。中心部分42远离转移栅极电极5。集电栅极电极4和转移栅极电极5可以嵌入同一栅极绝缘体43中。
[0120]
例如，集电栅极电极4包括三个栅极延伸部41，它们都是t形的。在顶侧20的边缘处
的两个栅极延伸部41包括短主干和长分支，而中间栅极延伸部41包括相对长的主干和比所述栅极延伸部41的主干短的分支。
[0121]
中间栅极延伸部41可以短于向外栅极延伸部41。因此，中间栅极延伸部41到顶侧20的边缘的距离可以是至少1.5d和/或最多3d。除了所示之外，所有栅极延伸部41可以在远离基极区22的顶侧20的边缘处彼此齐平地终止。
[0122]
如同在所有其他示例性实施例中一样，在顶视图中，基极区22不需要是方形的，但也可以是圆形的。
[0123]
作为一种选择，在顶侧20的边缘处的栅极延伸部41中的一个可以包括用于电接触集电栅极电极4的进一步的延伸部。
[0124]
不考虑所述进一步的延伸部，在顶侧20上看，存在一个关于栅极电极4、5的设计的对称轴。
[0125]
借助转移栅极电极5，参见图8和图9，可以产生转移耗尽区26。如果转移耗尽区26是在转移栅极电极5处于导通状态时产生的，则由集电栅极电极4产生的延伸耗尽区24和基极区22与阱区21之间的界面处的固有耗尽区25结合。因此，只有当向转移栅极电极5施加电压时，载流子才能从集电栅极电极4转移到基极区22。
[0126]
因此，如果集电栅极电极4总是导通并且存在dc偏置，则产生延伸的耗尽区24。然后，集电栅极电极4充当电子陷阱。这里捕获的所有电子可以仅释放到基极区22处的阴极。在转移栅极电极5导通的情况下，在集电栅极电极4下收集的电荷载流子，特别是电子，被转移到基极区22。
[0127]
在转移栅极电极处于截止状态的情况下，分别位于基极区22下方和集电栅极电极4处的耗尽区25和延伸耗尽区24不重叠。现在，集电栅极电极4将收集电荷，但不会转移到阴极。
[0128]
复位：转移栅极电极处于导通状态，且浮动扩散被偏置到复位电压。
[0129]
复位以用于相关双采样(简称cds)：转移栅极电极5处于截止状态，并且浮动扩散被偏置到复位电压。
[0130]
读取：浮动扩散是“浮动的”，并且转移栅极电极5导通。
[0131]
此外，与图1至图6相同的情况也可以适用于图7至图9。
[0132]
在图10的实施例中，转移栅极电极5和集电栅极电极4以方形布局。电接触这些栅极电极4、5的栅极电极4、5的延伸部分可以沿相反的方向延伸。基极电极32和转移栅极电极5的延伸部分可以在彼此顶部延伸或彼此平行地延伸。
[0133]
如同在所有其他示例性实施例中一样，可以存在由诸如金属层的不透明层包围的孔6，以限定光电传感器单元1的辐射集电区。
[0134]
此外，与图7至图9相同的情况也可以适用于图10。
[0135]
在图11的实施例中，示出了栅极延伸部41可以是弯曲的或蜿蜒的形状。因此，至少一些栅极延伸部41可以在方向上具有几个变化。在顶视图中看到：可以有一个对称轴。这同样可以应用于所有其他示例性实施例。此外，与图1、图5和图6一样，在图11中也可以有转移栅极电极5。
[0136]
此外，与图1至图10相同的情况也可以应用于图11。
[0137]
根据图12，集电栅极电极4包括两种不同类型的栅极延伸部41，即，中央直线延伸
的栅极延伸部41和沿着顶侧20的边缘的两个t形栅极延伸部41。
[0138]
在图13中，示出了集电栅极电极4的更复杂的设计。在这种情况下，存在两个t形栅极延伸部41和两个双f形栅极延伸部41。
[0139]
此外，与图1至图11相同的情况也可以适用于图12和图13。
[0140]
根据图14，集电栅极电极4被成形为双梳状，使得栅极电极4包括围绕基极区22的中心条和远离所述条的多个栅极延伸部41。该条可以具有比栅极延伸部更大的线厚度。
[0141]
此外，与图1至图13相同的情况也可以适用于图14。
[0142]
在图1至图14的示例性实施例中，仅存在一个基极区22。与此相反，图15的传感器单元包括多个基极区22，例如四个基极区22。所有基极区22可以设置有相同种类的集电栅极电极4。当在顶侧20的顶视图中看到时，不同基极区22的集电栅极电极4可以相对于彼此旋转。例如，栅极延伸部41均为线性设计。每个基极区22有两个栅极延伸部41。
[0143]
此外，在图15中示出了不存在集电栅极电极4的中心部分，使得集电栅极电极4不完全包围基极区22。这种布局也可以存在于所有其他示例性实施例中。
[0144]
根据图16，各个栅极延伸部41为t形。除了所示之外，还可以替代地或附加地使用l形或f形或双f形或弯曲形状栅极延伸部41。
[0145]
此外，与图1至图14相同的情况也可以适用于图15和图16。
[0146]
在图17中，示出了各个基极区22通过基极连接线33电互连。这种基极连接线33也可以存在于包括多个基极区22的所有其他示例性实施例中。
[0147]
例如，基极连接线33以x形连接基极区22。然而，基极连接线33的其他形状也是可能的。例如，基极连接线33可以至少部分地与栅极延伸部41全等地延伸，以最小化由电线覆盖的顶侧20的面积比例。
[0148]
在图18中示出了各个集电栅极电极4具有双梳形状。作为选择，第三中央集电栅极电极4可以与其他两个集电栅极电极以锯齿状的方式布置。
[0149]
所有基极区22可以布置在直线上，并且通过线性基极连接线33连接。
[0150]
此外，与图1至图16相同的情况也可以适用于图17和图18。
[0151]
在图15至图18中，没有示出转移栅极电极，然而，当然可以存在类似于图7至图10的转移栅极电极。对于所有基极区22，可以存在一个公共的转移栅极电极，或者对于每个基极区22有一个自己的转移栅极电极。
[0152]
在图19中，示出了光电传感器1的示例性实施例。如例如结合图1至图18所说明的，光电传感器1包括多个光电传感器单元1。优选地，光电传感器单元1彼此相邻地布置而不彼此重叠。在相邻的光电传感器单元1之间，可以存在光学绝缘(未示出)。
[0153]
例如，光电传感器10包括至少100个或至少103个和/或最多107个或105个光电传感器单元1。
[0154]
在图20至图26中，示出了改进的光电传感器单元9。根据图20和图21，改进的光电传感器单元9是具有一个较大的基极区22而没有任何栅极电极的n阱光电二极管。
[0155]
在图22和图23的改进的光电传感器单元9中，实现了包括彼此分离的一对基极区22的岛式光电二极管。在图22中，简要地示出了光电子p在阱区21中被吸收，从而产生电荷载流子对e-、h
+
。通过扩散并借助于耗尽区25，电荷载流子e-、h
+
被分离。
[0156]
根据图24至图26，改进的光电传感器单元9包括较大的阱区21，并且在顶视图中，
基极区22可以位于阱区21的边缘。在基极区22和势垒区21之间可以有改进的栅极电极91。此外，在基极接触区23的下面可以有陷阱区28。如果阱区21是p掺杂的，则陷阱区28是n掺杂的，反之亦然。因此，陷阱区28可以位于阱区21与基极接触区23之间。
[0157]
当改进的栅极91处于截止状态时，电荷聚集在“谷”完全耗尽的n掺杂陷阱区28中，直到完全阱电荷，参见图19中的实线。如果改进的栅极91处于导通状态，则mosfet沟道和下面的scr 24将该电荷转储到基极区22中。
[0158]
图中所示的部件，除非另有指示，优选地以规定的顺序，一个直接在另一个之上。图中不接触的部件优选地彼此间隔开。如果直线彼此平行地绘制，则相应的表面优选彼此平行地定向。同样，除非另有指示，否则所绘制的部件相对于彼此的位置在附图中被正确地再现。
[0159]
这里描述的发明不受基于示例性实施例的描述的限制。
[0160]
相反，本发明包含任何新特征以及特征的任何组合，其特别包括专利权利要求中的特征的任何组合，即使该特征或该组合本身在专利权利要求或示例性实施例中没有明确指定。
[0161]
本专利申请要求德国专利申请10 2020 134 178.4的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
[0162]
附图标记列表
[0163]
1光电传感器单元
[0164]
2半导体主体
[0165]
20顶侧
[0166]
21阱区
[0167]
22基极区
[0168]
23阱接触区
[0169]
24耗尽区由集电栅极延伸
[0170]
25耗尽区
[0171]
26转移耗尽区
[0172]
27累积区
[0173]
28陷阱区
[0174]
31阱电极
[0175]
32基极电极
[0176]
33基极连接线
[0177]
4集电栅极电极
[0178]
41集电栅极电极的栅极延伸部
[0179]
42集电栅极电极的中心部分
[0180]
43集电栅极绝缘体
[0181]
5转移栅极电极
[0182]
6孔
[0183]
9改进的光电传感器单元
[0184]
91改进的栅极电极
[0185]
10光电传感器
[0186]
d尺寸参数
[0187]
e-电子
[0188]
e能量
[0189]h+
空穴
[0190]
p光电。

技术特征：
1.一种光电传感器单元(1)，包括：-半导体主体(2)，具有第一导电类型的阱区(21)和与所述第一导电类型不同的第二导电类型的至少一个基极区(22)，-阱电极(31)和基极电极(32)，所述阱电极(31)电接触所述阱区(21)，所述基极电极(32)电接触所述基极区(22)，以及-集电栅极电极(4)，位于所述阱区(21)的顶部并靠近所述基极区(22)，并且在所述集电栅极电极(4)的顶视图中看到：所述集电栅极电极(4)至少部分地围绕所述基极区(22)，其中，在所述集电栅极电极(4)的顶视图中看到：所述集电栅极电极(4)包括至少一个自所述基极区(22)远离并在所述半导体主体(2)内终止的栅极延伸部(41)。2.根据前述权利要求所述的光电传感器单元(1)，其中，-当所述集电栅极电极(4)处于截止状态时，在所述阱区(21)与所述基极区(22)之间的界面处存在耗尽区(25)，所述耗尽区(25)仅部分地钻到所述集电栅极电极(4)下方，-当所述集电栅极电极(4)处于集电状态时，所述耗尽区(24、25)在所述集电栅极电极(4)下方延伸和/或完全地钻到所述集电栅极电极(4)下方，并且-在所述集电栅极电极(4)的顶视图中看到：所述集电栅极电极(4)的最大延伸超过所述基极区(22)的直径的至少2倍。3.根据前述权利要求中任一项所述的光电传感器单元(1)，其中，所述半导体主体(2)的顶侧(20)的任一点与所述集电栅极电极(4)的最近部分之间的最大距离最多为30μm。4.根据前述权利要求中任一项所述的光电传感器单元(1)，其中，所述集电栅极电极(4)包括至少两个且至多八个所述栅极延伸部(41)。5.根据前述权利要求中任一项所述的光电传感器单元(1)，其中，在所述集电栅极电极(4)的顶视图中看到：至少一个所述栅极延伸部(41)或多个所述栅极延伸部(41)中的至少一个具有t形或f形或双f形，使得所述集电栅极电极(4)的宽度在远离所述基极区(22)的端部处最大。6.根据前述权利要求中任一项所述的光电传感器单元(1)，其中，在所述集电栅极电极(4)的顶视图中看到：至少一个所述栅极延伸部(41)或多个所述栅极延伸部(41)中的至少一个具有l形，使得所述集电栅极电极(4)正好包括一个扭结和/或弯曲部分。7.根据前述权利要求中任一项所述的光电传感器单元(1)，其中，在所述集电栅极电极(4)的顶视图中看到：至少一个所述栅极延伸部(41)或多个所述栅极延伸部(41)中的至少一个具有蜿蜒形状，使得所述集电栅极电极(4)包括多个方向变化。8.根据前述权利要求中任一项所述的光电传感器单元(1)，包括多个所述基极区(22)和多个所述集电栅极电极(4)，其中，至少两个所述基极区(22)或每个所述基极区(22)被分配给多个所述集电栅极电极(41)中的一个，并且其中，至少一些所述基极区(22)通过至少一条基极连接线(33)电互连。9.根据前述权利要求中任一项所述的光电传感器单元(1)，还包括转移栅极电极(5)，其中，所述转移栅极电极(5)位于所述基极区(22)与所述集电栅极电极(4)之间，并且能够从所述集电栅极电极(4)独立电寻址，并且其中，所述转移栅极电极(4)被配置为在处于导通状态时从所述集电栅极电极(4)下方到所述基极区(22)形成转移耗尽区(26)。10.根据前述权利要求所述的光电传感器单元(1)，其中，在所述集电栅极电极(4)的顶
视图中看到：所述转移耗尽区(26)完全围绕所述基极区(22)，并且其中，在所述集电栅极电极(4)的顶视图中看到：所述转移耗尽区(26)和所述集电栅极电极(4)是分离的。11.根据前述权利要求中任一项所述的光电传感器单元(1)，其中，在所述集电栅极电极(4)的顶视图中看到：所述集电栅极电极(4)包括一个或多于一个的镜面对称轴，并且其中，在所述集电栅极电极(4)的顶视图中看到：所述集电栅极电极(4)在至少330
°
的角度范围内围绕所述基极区(22)。12.根据前述权利要求中任一项所述的光电传感器单元(1)，正好包括一个阱区(21)、一个基极区(22)、一个基极电极(32)和一个集电栅极电极(4)，并且其中，在所述集电栅极电极(4)的顶视图中看到：所述基极区(22)被所述阱区(21)完全环绕。13.根据前述权利要求中任一项所述的光电传感器单元(1)，其中，所述基极区(22)是n+掺杂的，并且所述阱区是p掺杂的，并且其中，所述半导体主体(2)由硅制成并且还包括基极接触区(23)，该基极接触区(23)是p+掺杂的并且电性位于所述阱电极(31)与所述阱区(21)之间。14.一种光电传感器(10)，包括多个根据前述权利要求中任一项所述的光电传感器单元(1)，其中，在所述集电栅极电极(4)的顶视图中看到：多个所述光电传感器单元(1)彼此相邻地布置。15.一种操作根据权利要求1至13中任一项所述的光电传感器单元(1)的方法，包括：-用电磁辐射照射所述光电传感器单元(1)，使得在所述半导体主体(2)中产生电子空穴对，并且-向所述集电栅极电极(4)提供栅极电压，使得与所述集电栅极电极(4)的截止状态相比，用于使所述半导体主体(2)中的电荷载流子朝向所述基极区(21)的集电区增大。

技术总结
一种光电传感器单元(1)包括：-半导体主体(2)，具有第一导电类型的阱区(21)和与第一导电类型不同的第二导电类型的基极区(22)，-电接触阱区(21)的阱电极(31)和电接触基极区(22)的基极电极(32)，以及-集电栅极电极(4)，位于阱区(21)的顶部并靠近基极区(22)，并且在集电栅极电极(4)的顶视图中看到：该集电栅极电极(4)至少部分地围绕基极区(22)，其中，在集电栅极电极(4)的顶视图中看到：集电栅极电极(4)包括至少一个自基极区(22)远离的栅极延伸部(41)。部(41)。部(41)。


技术研发人员：拉杰什
受保护的技术使用者：AMS国际有限公司
技术研发日：2021.12.08
技术公布日：2023/8/24