[发明专利]包括高灵敏度光子混合结构的高量子效率盖革模式雪崩二极管及其阵列

说明书

一种光电探测器器件包括半导体材料层以及半导体材料层中的至少一个光电二极管。该至少一个光电二极管被配置为被偏置超过至少一个光电二极管的击穿电压，以响应于检测到入射光子而生成相应的电信号。相应的电信号独立于入射光子的光功率。纹理区耦接至半导体材料层并且纹理区包括光学结构，该光学结构被定位成在由至少一个光电二极管检测入射光子时与入射光子相互作用。两个或更多个光电二极管可以限定光电探测器器件的像素，且光学结构可以被配置为将入射光子引导至像素的两个或更多个光电二极管中的任一个光电二极管。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月30日提交的名称为“High Quantum EfficiencyGeiger-Mode Avalanche Diodes andArrays Thereof(高量子效率盖革模式雪崩二极管及其阵列)”的美国临时专利申请No.62/752,718，以及于2018年12月4日在美国专利商标局提交的名称为“High Sensitivity Photon Mixing Structures(高灵敏度光子混合结构)”的美国临时专利申请No.62/775,105的优先权权益，专利申请No.62/752,718和专利申请No.62/775,105公开的内容通过引用并入本文。

技术领域

本文的主题总体上涉及图像传感器，并且更具体地涉及用于在LIDAR(光检测和测距)系统中成像的图像传感器。

背景技术

基于飞行时间(ToF)的成像用于包括测距、深度剖析和3D成像(例如，光检测和测距(LIDAR)，本文也被称为激光雷达)的许多应用中。ToF 3D成像系统可以利用直接ToF(dToF)测量(其中，在发射光信号和感测或检测从物体或其他目标反射之后的光信号之间的时间长度被测量以确定距离)或间接ToF(iToF)测量(其中，发射的光信号的振幅被调制并且反射的光信号的相位延迟或相移被测量，并且信号往返于物体所需的时间导致相移，该相移与行进的距离成比例)。然而，为了照亮大视场(FoV)(其在明亮的环境光条件下可以包括长距离和/或低反射率目标)并从中接收可识别的返回或反射的光信号(在本文中也被称为回波信号)，可能需要更高的光发射功率(并且因此需要更高的功耗)。

在一些应用(诸如激光雷达)中，可能期望检测非常暗和非常亮的回波信号两者。例如，在200米(m)的距离范围内的10％朗伯反射目标可以反射在1m的距离处由类似目标反射的光的1/200²，可以在1m的距离范围处反射由100％朗伯反射目标反射的光的1/(10×200²)，以及可以在1m的距离范围内反射由强回射目标反射的光的约1/(1000×200²)＝1/40,000,000。距离范围可以指目标与激光雷达检测器阵列之间的距离。因为一些电子电路可能具有固定的增益-带宽乘积，所以可能难以以非常高的时间精度检测非常暗和非常亮的目标两者。

一些传统的(诸如在美国专利申请No.2012/0146172中描述的)光电探测器器件，可以具有与照射或入射光功率成比例的电流响应度，例如0.4A/W。这样的器件因此可能具有有限的检测非常暗和非常亮的物体的能力。暗物体与亮物体之间的检测范围可称为器件的动态范围。这样的传统光电探测器器件通常可以响应于检测到到达的光信号而产生模拟信号。该模拟信号通常可以在奈奎斯特频率以上被采样，或者在所需信息的带宽的至少两倍处被采样。(例如，就器件上的占用面积或“有效面积”而言)这种采样可能是昂贵的、难以并行化和/或可能汲取大量功率。

为了提高光电探测器的灵敏度，一些传统的光电探测器器件可以包括硅的表面改性以降低反射率并且增大光吸收的波长范围，也被称为“黑硅”层，如例如在美国专利No.8,679,959中所描述的。光捕获结构也可以用于增加吸收概率。例如，在Yokogawa等人的“IRsensitivity enhancement of CMOS Image Sensor with diffractive light trappingpixels(具有衍射光捕获像素的CMOS图像传感器的IR灵敏度增强)”中描述了一些传统的衍射光捕获结构。

发明内容