包含发射器和接收器的光电探测器模块制造技术

公开了包含发射器和接收器的光电探测器模块。集成平台基于通过平面Si衬底上的直接异质外延或通过电介质图案化Si衬底上的选择性区域异质外延在Si上异质外延CS材料和器件结构。在沉积CS器件结构之后，可以使用Si互补金属氧化物半导体(CMOS)制造技术实施器件制造步骤，以实现大批量制造。集成平台可以使得能够制造光电模块设备，包括用于图像传感器的光电探测器阵列和垂直腔面发射激光器阵列。此类模块设备可用于各种应用，包括用于汽车和机器人车辆的光检测和测距(LIDAR)系统以及诸如智能手机和平板计算机之类的移动设备，以及诸如工业视觉、人工智能(AI)、增强现实(AR)和虚拟现实(VR)之类的其他感知应用。现实(VR)之类的其他感知应用。现实(VR)之类的其他感知应用。

【技术实现步骤摘要】
包含发射器和接收器的光电探测器模块


[0001]本公开涉及感测领域，更具体地涉及包含发射器和接收器的光电探测器模块。

技术介绍

[0002]多年来，电子设备激增。从Apple Inc.设计和销售的iPhone 12到Amazon.com Inc.用于销售几乎所有类型商品的先进网络，电子设备几乎已进入我们日常生活的方方面面。这些设备依赖于由半导体材料(通常是硅(“Si”))制成的微型芯片。这些硅材料还用于制造能够捕捉物体或场景图像的感测设备。硅被广泛使用是因为它是一种丰富的材料，并且由于对电子行业的投资，硅基半导体制造已经成熟。一种常见的技术工艺称为互补金属氧化物半导体，或“CMOS”。CMOS技术是为制造集成电路而开发的，但现在用于图像传感器。这种图像传感器称为CMOS图像传感器。通常，此类CMOS图像传感器是使用具有12英寸硅晶片的大批量制造来制造的。
[0003]尽管CMOS图像传感器取得了进步，但仍存在限制或缺点。例如，CMOS图像传感器在可检测波长范围内具有局限性。此外，这种CMOS图像传感器在可检测波长范围内的较长波长下灵敏度较差。这些和其他限制也可能存在。
[0004]综上所述，期望工业开发改进的感测设备。

技术实现思路

[0005]本专利技术总体涉及电子设备。更具体地，本专利技术提供与光电器件相关的技术，例如但不限于使用硅上化合物半导体(“CS”)材料的异质外延(heteroepitaxy)的光电探测器和光电探测器阵列电路，以及随后的电路制造和集成方法。仅作为示例，本专利技术可以应用于各种应用，包括图像感测、测距，包括光检测和测距(LIDAR)等等，但是应该认识到存在许多其他应用。
[0006]根据实施例，本专利技术提供了一种配置有LIDAR功能的光电探测器模块装置。该模块可配置用于虚拟现实(VR)、移动电话、智能手机、平板计算机、膝上型计算机、智能手表、电子阅读器、手持游戏控制台或其他计算设备。替代地，模块设备105可以被配置用于汽车、飞行器、飞机、喷气式飞机、船、无人机、机器人车辆、高级驾驶员辅助系统(ADAS)等。该模块可以具有带有外部区域和内部区域的模块外壳。外部区域包括发射部分和感测部分。
[0007]模块设备的发射部分可以耦合到激光器件(或激光阵列)，该激光器件(或激光阵列)被配置为发射电磁辐射。该激光器可以在空间上被设置为包括被配置在外壳的外部区域的发射部分上的孔。电磁辐射发射可以具有850nm到1550nm之间的波长范围。激光器件可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列器件、边缘发射激光器(EEL)器件、耦合到镜子装置的激光器件等。
[0008]模块设备的感测部分可以耦合到图像传感器器件，该图像传感器器件被配置为检测光子并将它们转换为电信号。该图像传感器可以在空间上被设置为包括被配置在外壳外部区域的感测部分上的孔。图像传感器可以耦合到逻辑/读出电路，并且激光器可以耦合到
激光驱动器。这些器件可以被配置在同一集成电路器件中。
[0009]光电探测器模块还可包括耦合在外壳的内部区域内的分类器模块。在示例中，分类器模块可以耦合到逻辑/读出电路以进一步处理由图像传感器收集的数据。该分类器模块可以包括一个或多个类别的分类，包括速度感测、图像感测、面部识别、距离感测、声学感测、热感测、颜色感测、生物感测(即通过生物传感器)、重力感测、机械运动感测或其他类似的感测类型。
[0010]在特定实施例中，图像传感器包括光电探测器器件，该光电探测器器件除其他元件外还包括第一端子和第二端子。该光电探测器器件包括具有表面区域的Si衬底。该器件具有缓冲材料，该缓冲材料包括使用直接异质外延沉积在Si衬底的表面区域上的CS材料，使得CS材料用第一带隙特性、第一热特性、第一极性和第一晶体特性表征，Si衬底用第二带隙特性、第二热特性、第二极性和第二结晶特性表征。该器件具有光电探测器阵列，该阵列用N和M像素元素表征，其中N是大于7的整数，M是大于0的整数。
[0011]在实施例中，每个像素元素具有各种特征。在实施例中，每个像素元素具有范围从0.3微米到50微米的特性长度。在实施例中，每个像素元素具有范围从0.3微米到50微米的优选特性长度。在实施例中，每个光电探测器包括：n型材料，该n型材料包括磷化铟(InP)材料，该InP材料包括浓度范围为3E17 cm
‑3至8E18 cm
‑3的Si杂质；覆盖在n型材料上的吸收材料，该吸收材料包括含砷化铟镓(InGaAs)的材料，该吸收材料主要不含杂质；覆盖吸收材料的p型材料，该p型材料包括浓度范围为3E17 cm
‑3至5E18 cm
‑3的锌杂质或铍杂质；耦合到n型材料并耦合到第一端子的第一电极；以及耦合到p型材料并耦合到第二端子的第二电极，以定义两端子器件。该器件具有以孔区域为特征的照明区域，以允许多个光子与CS材料相互作用并被吸收材料的一部分吸收，从而导致生成在第一端子和第二端子之间产生电流的移动电荷载流子。
[0012]任选地，该器件具有以安培/瓦为单位表征电路的大于0.1安培/瓦的响应度(其中η是内部量子效率，q是电子电荷，h是普朗克常数，并且ν是光子频率)，并且具有表征电路的大于10％的光电二极管量子效率(QE＝1240
×
(R
λ
/λ)，其中R
λ
是以A/W为单位的响应度，λ是以nm为单位的波长)。
[0013]实现了优于传统技术的益处或优点。基于通过直接或选择性异质外延在Si上异质外延CS材料和器件结构的集成平台使得能够实现光电器件(例如图像传感器和激光阵列)的大批量制造。使用本技术制造的这些设备可以表现出改进的可检测波长范围、更高的灵敏度和其他相关的性能指标。这些和其他益处或优点在整个本说明书中进行了描述，并且在下文中更具体地进行了描述。
[0014]可以通过参考说明书的后半部分和附图来实现对本专利技术的本质和优点的进一步理解。
附图说明
[0015]为了更全面地理解本专利技术，参考附图。理解这些附图不应被视为对本专利技术范围的限制，通过使用附图更详细地描述了当前描述的实施例和当前理解的本专利技术的最佳模式，其中：
[0016]图1A是根据本专利技术的示例的光电探测器模块设备的俯视简化图；
[0017]图1B是图1A所示的光电探测器模块设备的示例图像传感器阵列芯片的透视简化图；
[0018]图1C是图1A所示的光电探测器模块设备的示例激光芯片的透视简化图；
[0019]图1D是图1A所示的光电探测器模块设备的示例激光芯片的透视简化图；
[0020]图1E是根据本专利技术的示例的光电探测器模块设备的前透视简化图；
[0021]图1F是根据本专利技术的示例的光电探测器模块设备的背透视简化图；
[0022]图1G是根据本专利技术的示例的LIDAR系统的简化框图；
[0023]图2A是根据本专利技术的示例的包括耦合到读出电路的光电探测器阵列电路的电路设备的简化图；
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电探测器模块设备，所述设备包括：模块外壳，所述模块外壳具有外部区域和内部区域，所述外部区域具有发射部分和感测部分；激光器件，所述激光器件被配置为发射具有850至1550nm波长范围的电磁辐射，并且所述激光器件在空间上被布置在所述外壳的所述发射部分上，以包括被配置在所述外壳的所述发射部分上的孔；以及光电探测器电路，所述光电探测器电路在空间上被设置到所述感测部分，所述电路包括：第一端子；第二端子；包括表面区域的硅(Si)衬底，所述硅衬底是直径范围为4英寸至12英寸的大硅衬底的一部分；多个v形凹槽，所述多个v形凹槽具有宽度为50nm至500nm的特征尺寸，所述多个v形凹槽中的每个v形凹槽暴露所述Si衬底的111晶面；成核层，所述成核层包含砷化镓材料以覆盖所述Si衬底的表面区域，所述成核层的厚度范围为10nm至100nm；缓冲材料，所述缓冲材料包括形成在所述多个v形凹槽中的每个v形凹槽上并沿每个v形凹槽的长度延伸的多个纳米线、从所述多个纳米线中的每个纳米线延伸的第一过渡区、以及用使用直接异质外延所配置的砷化镓化合物半导体(CS)材料的100晶平面生长来表征的第二过渡区，使得CS材料用第一带隙特性、第一热特性、第一极性以及第一晶体特性表征，并且所述硅衬底用第二带隙特性、第二热特性、第二极性以及第二晶体特性表征；光电探测器阵列，所述阵列用N乘M个像素元素表征，其中N是大于7的整数，M是大于0的整数；每个像素元素具有范围为0.3微米至30微米的特性长度，每个光电探测器包括：覆盖所述缓冲材料的n型材料，所述n型材料包括InP材料，所述InP材料包括浓度范围为3E17cm
‑3至5E18cm
‑3的硅杂质；覆盖所述n型材料的吸收材料，所述吸收材料包括含InGaAs的材料，所述吸收材料基本上不含任何杂质；覆盖所述吸收材料的p型材料，所述p型材料包括浓度范围为3E17cm
‑3至5E18cm
‑3的锌杂质或铍杂质；第一电极，所述第一电极耦合到所述n型材料并耦合到所述第一端子；第二电极，所述第二电极耦合到所述p型材料并耦合到所述第二端子，以定义两端子器件；照明区域，所述照明区域用孔区域表征，以允许多个光子与所述CS材料相互作用并被所述吸收材料的一部分吸收，从而使得生成在所述第一端子和所述第二端子之间产生电流的移动电荷载流子；根据以下等式在所述第一端子和所述第二端子之间表征所述电路的大于0.1安培/瓦的响应度(安培/瓦)：其中η是内部量子效率，q是电子电荷，h是普朗克常数，ν是光子频率；以及
根据以下等式在所述第一端子和所述第二端子之间测量的表征所述电路的大于10％的光电二极管量子效率：QE＝1240
×
(R
λ
/λ)，其中R
λ
是以A/W为单位的响应度，λ是以nm为单位的波长。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述缓冲材料还包括含砷化镓材料、含磷化铟过渡区以及界面区，所述界面区包括覆盖在所述含砷化镓材料和所述含磷化铟过渡区上的捕获层，所述捕获层包括砷化铟镓和磷化铟。3.根据权利要求1所述的设备，还包括耦合在所述外壳的内部区域内的分类器模块，所述分类器模块包括一个或多个类别的分类，所述类别包括速度感测、图像感测、面部识别、距离感测、声学感测、热感测、颜色感测、生物传感器、重力感测、或者机械运动感测。4.根据权利要求1所述的设备，其中所述Si衬底被配置为允许所述光子穿过其中。5.根据权利要求1所述的设备，其被配置用于虚拟现实、移动电话、智能手机、平板计算机、智能手表、手持游戏机、汽车、船、飞行器、或者高级驾驶员辅助系统(ADAS)。6.根据权利要求1所述的设备，其中所述照明区域没有所述硅衬底的任何部分。7.根据权利要求1所述的设备，其中所述激光器件包括VCSEL阵列器件或耦合到镜子装置的激光器件。8.根据权利要求1所述的设备，还包括覆盖所述照明区域的滤色器。9.根据权利要求8所述的设备，还包括覆盖所述滤色器的透镜。10.根据权利要求1所述的设备，其中所述CS材料包括InP、InGaAs、GaAs、GaP、InGaAsP、InAlGaAs、InGaP、或者其组合。11.根据权利要求1所述的设备，其中每个光电探测器被配置有包括InGaAs或InGaAsP的单独吸收材料和包括InP的倍增材料，由此倍增材料通过雪崩增益生成额外的电荷载流子。12.根据权利要求1所述的设备，其中所述吸收材料包括含有InAs量子点或量子划线的材料。13.根据权利要求1所述的设备，其中每个光电探测器包括：n型材料，包括GaAs材料，所述GaAs材料包括浓度范围为3E17cm
‑3至5E18cm
‑3的硅杂质；吸收材料，覆盖在所述n型材料上，所述吸收材料包括InAs量子点材料；p型材料，覆盖在所述吸收材料上，所述p型材料包括浓度范围为3E17cm
‑3至1E20cm
‑3的锌杂质或铍杂质或碳杂质。14.根据权利要求1所述的设备，其中所述电路被表征为背照式(BSI)设备。15.根据权利要求1所述的设备，其中所述电路被表征为前照式(FSI)设备。16.根据权利要求1所述的设备，还包括：读出集成电路，所述读出集成电路包括：耦合到所述第一端子的第一输入端子；耦合到所述第二端子的第二输入端子；以及像素输出。17.根据权利要求16所述的设备，还包括耦合到所述第一输入端子和所述第二输入端子的模拟前端电路。18.根据权利要求17所述的设备，还包括模数转换。
19.一种光电探测器模块设备，所述设备包括：模块外壳，所述模块外壳具有外部...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森，
申请(专利权)人：艾鲁玛公司，
类型：发明
国别省市：