光检测装置的制作方法

光检测装置
1.本技术是2020年8月24日提交的申请号为201980015012.2(pct/us2019/019167)、申请日为2019年2月22日、标题为“光检测装置及其光检测方法”的专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本专利申请要求以下各项的权益：2018年2月23日提交的美国临时专利申请号62/634,741、2018年4月8日提交的美国临时专利申请号62/654,454、2018年4月20日提交的美国临时专利申请号62/660,252、2018年7月15日提交的美国临时专利申请号62/698,263、2018年6月8日提交的美国临时专利申请号62/682,254、2018年6月19日提交的美国临时专利申请号62/686,697、2018年7月8日提交的美国临时专利申请号62/695,060、2018年7月8日提交的美国临时专利申请号62/695,058、2018年10月29日提交的美国临时专利申请号62/752,285、2018年8月13日提交的美国临时专利申请号62/717,908、2018年11月5日提交的美国临时专利申请号62/755,581、2018年11月21日提交的美国临时专利申请号62/770,196和2018年12月7日提交的美国临时专利申请号62/776,995，其通过引用并入本文中。


背景技术：

4.光检测器可以用于检测光信号并且将光信号转换为可以由另一电路进一步处理的电信号。可以在消费电子产品、图像传感器、数据通信、飞行时间(tof)测距或成像传感器、医疗设备和许多其它合适的应用中使用光检测器。然而，当将光检测器以单个或阵列配置应用于这些应用时，泄漏电流、暗电流、电/光串扰和功耗可能使性能降级。


技术实现要素：

5.根据本公开的实施例，提供了一种光检测装置。该光检测装置包括半导体衬底。第一锗基光吸收材料由该半导体衬底支撑并且被配置成吸收具有大于800nm的第一波长的第一光信号。第一金属线被电耦合到第一锗基光吸收材料的第一区。第二金属线被电耦合到第一锗基光吸收材料的第二区。第一区是未掺杂的或被掺杂有第一类型的掺杂剂。第二区被掺杂有第二类型的掺杂剂。第一金属线被配置成控制在第一锗基光吸收材料内部产生以由第二区收集的第一类型的光生载流子的量。
6.根据本公开的实施例，提供了一种光检测方法。该光检测方法包括：发送通过第一调制信号调制的光信号，其中该光信号通过对于多个时间帧具有一个或多个预定相位的第一调制信号被调制。所反射的光信号由光检测器接收。所反射的光信号通过一个或多个解调信号被解调，其中一个或多个解调信号是对于多个时间帧具有一个或多个预定相位的信号。在电容器上输出至少一个电压信号。
7.在本文公开的实施例的其它优点和益处当中，实施例提供了一种能够有效率地吸收至少但限于近红外(nir)光或短波红外(swir)光的光检测装置。在一些实施例中，光检测装置提供高解调对比度、低泄漏电流、低暗电流、低功耗、低电/光串扰和/或用于芯片尺寸小型化的架构。在一些实施例中，光检测装置能够处理具有多种波长的入射光信号，包括不同的调制方案和/或时间分割功能。此外，能够在飞行时间(tof)应用中使用光检测装置，这
些tof应用可以在与可见波长比较更长的波长(例如，nir和swir范围)下操作。设备/材料实现者能够设计/制作100％的锗或具有预定百分比的锗(例如，大于80％的ge)的合金(例如，gesi)(本征的或非本征的)作为吸收前述波长下的光的光吸收材料。
8.在阅读了在各个图和附图中图示的替选实施例的以下详细描述之后，本公开的这些和其它目的将变得对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。
附图说明
9.本技术的前述方面和许多附带优点将变得更容易领会，因为当结合附图参考以下详细描述时，本技术的前述方面和许多附带优点变得更好地理解，其中：
10.图1a
‑
1f图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。
11.图2a
‑
2h图示根据一些实施例的具有本体耗尽模式的光检测装置的横截面视图。
12.图3a
‑
3b图示根据一些实施例的具有门控本体耗尽模式的光检测装置的横截面视图。
13.图4a
‑
4d图示根据一些实施例的具有较低泄漏电流和较低暗电流的光检测装置的横截面视图。
14.图5图示根据一些实施例的具有钝化层的光检测装置的横截面视图。
15.图6a
‑
6c图示根据一些实施例的具有提高的电荷迁移速度的光检测装置的横截面视图。
16.图7a
‑
7b图示根据一些实施例的具有表面耗尽模式的光检测装置的横截面视图。
17.图7c
‑
7d图示根据一些实施例的具有表面耗尽模式的光检测装置的平面视图。
18.图8a图示根据一些实施例的具有表面离子注入的光检测装置的横截面视图。
19.图8b图示根据一些实施例的具有表面离子注入的光检测装置的平面视图。
20.图9a图示根据一些实施例的具有像素到像素隔离的光检测装置的横截面视图。
21.图9b图示根据一些实施例的具有像素到像素隔离的光检测装置的平面视图。
22.图9c
‑
9e图示根据一些实施例的具有像素到像素隔离的光检测装置的横截面视图。
23.图10a
‑
10d图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。
24.图11a
‑
11e图示根据一些实施例的具有芯片尺寸小型化的光检测装置的平面视图。
25.图12a
‑
12b图示根据一些实施例的光检测装置的阵列配置的平面视图。
26.图13a
‑
13e图示根据一些实施例的使用具有相位变化的调制方案的光检测装置的框图和定时图。
27.图14图示根据一些实施例的用于运用使用具有相位变化的调制方案的光检测装置的过程。
具体实施方式
28.图1a图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。光检测装置100a包括由半导体衬底104支撑的锗基光吸收材料102。在一个实现方式中，半导体衬底104由硅或硅锗或锗或iii
‑
v族化合物制成。锗基光吸收材料102在本文中是指本征锗(100％的锗)或包括锗
的元素的合金，例如硅锗合金，其ge浓度为1％至99％。在一些实现方式中，可以使用全外延(blanket epitaxy)、选择性外延或其它适用的技术来使锗基光吸收材料102生长。锗基光吸收材料102被嵌入在图1a中的半导体衬底104中，而在替选实施例中，锗基光吸收材料102可以被部分地嵌入在半导体衬底104中或者可以站立在半导体衬底104上。
29.光检测装置100a包括控制金属线106a和读出金属线108a。控制金属线106a和读出金属线108a都被电耦合到锗基光吸收材料102的表面102s。在此实施例中，控制金属线106a电耦合到表面102s上的未掺杂区105a，其中未掺杂区105a没有掺杂剂。读出金属线108a电耦合到表面102s上的掺杂区101a，其中掺杂区101a具有掺杂剂。
30.注意的是，能够将锗基光吸收材料102形成为本征的或非本征的(例如，轻p型或轻n型)。由于锗材料的缺陷特性，即使没有引入附加掺杂工艺，锗基光吸收材料102也仍可以是轻p型。因此，未掺杂区105a也可以是轻p型。取决于要收集的光载流子(即空穴或电子)的类型，掺杂区101a可以被掺杂有p型掺杂剂或n型掺杂剂。在一些实现方式中，掺杂区101a能通过热扩散、离子注入或任何其它掺杂工艺来掺杂。
31.控制金属线106a由用于控制由吸收的光子产生的电子或空穴的移动方向的控制信号cs1来控制。假定掺杂区101a是n型并且控制信号cs1在逻辑1。从控制金属线106a到锗基光吸收材料102产生电场。电子将朝向控制金属线106a移动并且被掺杂区101a收集。相反，如果掺杂区101a是p型的，则空穴将被替代地收集。可替选地，假定当控制信号cs1在逻辑0时掺杂区101a是n型，则从控制金属线106a到锗基光吸收材料102产生不同的电场。电子将不会朝向控制金属线106a移动，所以不能够被掺杂区101a收集。相反，如果掺杂区101a是p型，则空穴将不会被替代地收集。
32.使用图1a中图示的结构，由目标物体(在图1a中未示出)反射并通过光学窗口wd入射的光信号il能够被锗基光吸收材料102吸收，并且产生电子
‑
空穴对，使得电子或空穴(取决于掺杂区101a是n型还是p型)根据控制信号cs1的断定(assertion)而朝向电容器110a移动并且被存储在电容器110a中。吸收区ar是接收通过光学窗口wd入射的光信号il的虚拟区域。由于在光检测装置100a与目标物体(在图1a中未示出)之间存在的距离，光信号il相对于由发送器(在图1a中未示出)发送的发送光具有相位延迟。当通过调制信号对发送光进行调制并且经由控制金属线106a通过解调信号对电子
‑
空穴对进行解调时，存储在电容器110a中的电子或空穴将根据距离而变化。因此，光检测装置100a能够基于电容器110a上的电压v1获得距离信息。
33.图1a的实施例是单抽头结构，因为它们仅使用一条控制金属线106a和一条读出金属线108a来获得距离信息。所公开的实施例也可以使用两条或更多条控制线或读出线和各种注入来获得距离信息，将在下文中对此进行详细的描述。
34.图1b图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。与图1a的实施例比较，图1b中的光检测装置100b使用两条控制金属线106a、106b来控制由吸收的光子产生的电子或空穴在锗基光吸收材料102中的移动。这样的结构被称为两抽头结构。光检测装置100b包括控制金属线106a、106b和读出金属线108a、108b。控制金属线106a、106b和读出金属线108a、108b被电耦合到锗基光吸收材料102的表面102s。在此实施例中，控制金属线106a、106b分别电耦合到表面102s上的未掺杂区105a、105b，其中未掺杂区105a、105c是没有掺杂剂的区域；并且读出金属线108a、108b分别电耦合到表面102s上的掺杂区101a、101b，其中掺杂区
101a、101b是具有掺杂剂的区域。掺杂区101a、101b可以被掺杂有p型掺杂剂或n型掺杂剂。
35.控制金属线106a、106b分别由用于控制由吸收的光子产生的电子或空穴的移动方向的控制信号cs1、cs2来控制。在一些实现方式中，控制信号cs1和cs2是差分电压信号。在一些实现方式中，控制信号cs1和cs2中的一个是恒定电压信号(例如，0.5v)，而另一个控制信号是时变电压信号(例如，在0v与1v之间操作的正弦信号、时钟信号或脉冲信号)。
36.假定掺杂区101a、101b是n型并且控制信号cs1、cs2是彼此相差180度相位的时钟信号。当控制信号cs1在逻辑1并且控制信号cs2在逻辑0时，光检测装置100b产生从控制金属线106a到锗基光吸收材料102的电场，并且电子将朝向控制金属线106a移动，然后被掺杂区101a收集。类似地，当控制信号cs1在逻辑0并且控制信号cs2在逻辑1时，光检测装置100b产生从控制金属线106b到锗基光吸收材料102的电场，并且电子将朝向控制金属线106b移动，然后被掺杂区101b收集。相反，如果掺杂区101a和101b是p型，则空穴将被替代地收集。
37.依照此两抽头结构，从目标物体(在图1b中未示出)反射的光信号il能够被锗基光吸收材料102吸收并且产生电子
‑
空穴对，使得电子或空穴(取决于掺杂区101a是n型还是p型)根据控制信号cs1和控制信号cs2的断定而朝向电容器110a或电容器110b移动并且被存储在电容器110a或电容器110b中。由于在光检测装置100b与目标物体(在图1b中未示出)之间存在的距离，光信号il相对于由发送器(在图1b中未示出)发送的发送光具有相位延迟。当通过调制信号对发送光进行调制并且经由控制金属线106a和106b通过解调信号对电子
‑
空穴对进行解调时，存储在电容器110a和电容器110b中的电子或空穴将根据距离而变化。因此，光检测装置100b能够基于电容器110a上的电压v1和电容器110b上的电压v2获得距离信息。根据一个实施例，能够基于以电压v1和电压v2作为输入变量进行的计算来导出距离信息。对于一个示例，在脉冲飞行时间配置中，与电压v1和电压v2有关的电压比率被用作输入变量。在另一示例中，在连续波飞行时间配置中，与电压v1和电压v2有关的同相和正交电压被用作输入变量。
38.图1a中的控制金属线106a和图1b中的控制金属线106a、106b电耦合到锗基光吸收材料102的未掺杂区。在其它实施例中，如下所述，某些结构和控制金属线106a、106b电耦合到掺杂区。
39.图1c图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。类似于图1a，光检测装置100c包括控制金属线106a和读出金属线108a。控制金属线106a和读出金属线108a都电耦合到锗基光吸收材料102的表面102s。在此实施例中，控制金属线106a电耦合到表面102s上的掺杂区103a，其中掺杂区103a是具有掺杂剂的区域；并且读出金属线108电耦合到表面102s上的掺杂区101a，其中掺杂区101a也是具有掺杂剂的区域。在此实施例中，区101a和区103a被掺杂有不同类型的掺杂剂。例如，如果掺杂区101a被掺杂有n型掺杂剂，则区103a将被掺杂有p型掺杂剂，并且反之亦然。
40.光检测装置100c的操作类似于图1a的实施例。控制金属线106a用于根据控制信号cs1来控制由吸收的光子产生的电子或空穴的移动方向以使得电子或空穴被掺杂区110a收集。通过控制控制信号cs1并读取电容器110a上的电压v1，光检测装置100c能够获得光检测装置100c与目标物体(在图1c中未示出)之间的距离信息。
41.图1d图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。光检测装置100b包括控制金属线106a、106b和读出金属线108a、108b。控制金属线106a、106b和读出金属线108a、108b
电耦合到锗基光吸收材料102的表面102s。在此实施例中，控制金属线106a、106b分别电耦合到表面102s上的掺杂区103a、103b，其中掺杂区103a、103b是具有掺杂剂的区域。读出金属线108a、108b分别电耦合到表面102s上的掺杂区101a、101b，其中掺杂区101a、101b也是具有掺杂剂的区域。区101a、101b，103a、103b可以被掺杂有p型掺杂剂或n型掺杂剂。在此实施例中，掺杂区101a、101b被掺杂有相同类型的掺杂剂；并且掺杂区103a、103b被掺杂有相同类型的掺杂剂。然而，掺杂区101a、101b的类型与掺杂区103a、103b的类型不同。例如，如果掺杂区101a、101b被掺杂为n型，则掺杂区103a、103b将被掺杂为p型，并且反之亦然。
42.光检测装置100d的操作类似于图1b的实施例。控制金属线106a、106b用于根据控制信号cs1、cs2来控制由吸收的光子产生的电子或空穴的移动方向以使得电子或空穴被存储在电容器110a或电容器110b中。通过控制控制信号cs1、cs2并读取电容器110a、110b上的电压v1、v2，光检测装置100d能够获得光检测装置100d与目标物体(在图1d中未示出)之间的距离信息。
43.图1e图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。装置的操作类似于图1d，其中装置能够通过产生控制信号cs1、cs2并读取电容器110a、110b上的电压v1、v2的方式来获得光检测装置100d与目标物体(在图1e中未示出)之间的距离信息。与图1d的差异是读出金属线108a、108b和掺杂区101a、101b被布置在与表面102s相对的表面102ss处。因为控制金属线106a、106b和读出金属线108a、108b沿垂直方向布置，所以能够相应地减小光检测装置100e的水平面积。
44.图1f图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。与图1e比较，图1f中的实施例也将掺杂区101a、101b布置在与表面102s相对的表面102ss处，但是读出金属线108a、108b朝向表面102s而不是朝向半导体衬底104延伸。此类布置可以简化制作工艺。
45.在一些实现方式中，作为图1a至图1f中图示的实施例和下文中的实施例，控制金属线106a、106b和表面102s能够被制成为具有肖特基势垒的金属
‑
半导体结(ms结)，或者通过在金属与半导体之间引入氧化物或高k电介质材料作为绝缘体而被制成为金属绝缘体半导体电容器(mis电容器)。
46.作为图1a至图1f中图示的实施例和下文中的实施例，锗基光吸收材料102被制成为从其横截面视图是矩形的，然而，在一些实现方式中，锗基光吸收材料102能够被制成为从其横截面视图是倒梯形(inverted trapezoid)或其它图案。
47.能够在飞行时间(tof)应用中使用本公开中图示的光检测装置，这些tof应用可以在与可见波长比较更长的波长(例如，nir或swir范围)下操作。波长可能大于800nm，诸如850nm、940nm、1050nm、1064nm、1310nm、1350nm或1550nm。另一方面，设备/材料实现者能够设计/制作100％的锗或具有预定百分比的锗(例如，大于80％的ge)的合金(例如，gesi)(本征的或非本征的)作为吸收前述波长下的光的光吸收材料。
48.尽管本文的实施例图示了光检测装置从背面吸收光信号il，然而，在一些实现方式中，光检测装置能够被设计成从正面吸收光信号il，例如，通过在两条控制金属线106a、106b之间创建光学窗口wd。
49.图1a至图1f中图示的实施例包括单个光检测器，该光检测器能够用作单元并被应用于像素阵列的每个像素。以下描述是基于图1a至图1f中公开的单抽头或两抽头结构的替选实施例。在以下描述中，可以选择来自图1a至图1f的一个或两个实施例作为代表性实施
例。本领域的技术人员能够改变、修改或组合本文公开的结构，诸如用单抽头结构替换两抽头结构。
50.图2a图示根据一些实施例的具有本体耗尽模式的光检测装置的横截面视图。光检测装置200a包括控制金属线206a、206b和读出金属线208a、208b。控制金属线206a、206b和读出金属线208a、208b电耦合到锗基光吸收材料202的表面202s。控制金属线206a、206b分别电耦合到表面202s上的p型区203a、203b，并且读出金属线208a、208b分别电耦合到表面202s上的n型区201a、201b。在一些实施例中，从表面202s延伸的p型区203a、203b的深度d1比n型区201a、201b的深度d2更深，并且锗基光吸收材料202是轻n
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型。利用较深的p型区203a、203b，在较深的p型区203a、203b与n型锗基光吸收材料202之间创建了更大的耗尽区，这可以在对控制金属线206a、206b施加两个不同的电压时允许电子朝向n型区201a、201b移动并且因此提高量子效率和解调对比度。在其它方面中，p型区203a、203b的宽度w1、n型区201a、201b的宽度w2、p型区203a、203b的掺杂浓度和/或n型区201a、201b的掺杂浓度也是用于调节耗尽区的面积的参数。
51.在一些实施例中，为了完全地耗尽n型锗基光吸收材料202的本体，一个人能够通过n型区201a、201b和/或p型区203a、203b或者通过其深度、宽度或掺杂浓度来进行设计。另外，应该相应地设计锗基光吸收材料202的厚度。
52.图2b图示根据一些实施例的具有本体耗尽模式的光检测装置的横截面视图。光检测装置200b能够被设计有较浅的p型区203a、203b。换句话说，从表面202s延伸的p型区203a、203b的深度d1比n型区201a、201b的深度d2更浅。应用较浅的p型区203a、203b可以减少p型区203a与p型区203b之间的泄漏。
53.图2c图示根据一些实施例的具有本体耗尽模式的光检测装置的横截面视图。光检测装置200c的结构类似于光检测装置200a、200b。光检测装置200c在半导体衬底204上施加偏置电压vb1。此偏置电压vb1被施加用于跨越n型锗基光吸收材料202与p型区203a、203b之间的结创建反向偏置。结果，能够扩大或甚至完全地耗尽在p型区203a、203b下面的耗尽区。由于在p型区203a、203b下面产生的更大的耗尽区，可以使得在对控制金属线206a、206b施加两个不同的电压时允许电子朝向n型区201a、201b移动，从而提高量子效率和解调对比度。
54.图2d图示根据一些实施例的具有本体耗尽模式的光检测装置的横截面视图。类似于光检测装置200a、200b的结构，此实施例在锗基光吸收材料202上施加偏置电压vb2以控制锗基光吸收材料202内部的耗尽区。具体地，偏置电压vb2是对p型区203a、203b和n型锗基光吸收材料202的反向偏置，所以能够扩大围绕p型区203a、203b的耗尽区或者甚至被完全地耗尽。
55.为了在锗基光吸收材料202内部创建甚至更大的耗尽区，公开了图2e中所示的实施例。光检测装置200e在表面202ss上包括n型区207a、207b。表面202ss与表面202s相对。利用n型区207a、207b，形成了pn结，其中产生了p型区203a与n型区207a之间的耗尽区和p型区203b与n型区207b之间的耗尽区。因此，当对控制金属线206a、206b施加两个不同的电压时，在吸收区中创建电场。因此，能够通过控制信号cs1、cs2来控制所述耗尽区/电场，以控制电子朝向n型区201a或n型区201b的移动方向。
56.图2f图示根据一些实施例的具有本体耗尽模式的光检测装置的横截面视图。光检
测装置200f包括较宽的n型区207，其位于p型区203a、203b下面。类似地，n型区207可以增强围绕p型区203a、203b的耗尽区的产生并且因此提高量子效率和解调对比度。注意的是，n型区207的宽度是可设计的，并且图2f中的n型区207的宽度被描绘以供参考。
57.图2g和图2h图示示出了偏置n型区207的方法的替选实施例。图2g应用硅通孔(tsv)204v来偏置n型区207，而图2g应用从表面202s延伸的锗通孔202v来偏置n型区207。
58.图2a至图2h图示使用本体耗尽模式的各种实施例，包括设计p型区203a、203b的深度、在半导体衬底204或锗基光吸收材料202上施加偏置电压vb1、vb2、在锗基光吸收材料202内部添加n型区207、207a、207b等。这些方法在p型区203a、203b下面或周围创建耗尽区以控制从吸收的光子产生的电子朝向n型区201a或n型区201b的移动。
59.图3a
‑
3b图示根据一些实施例的具有门控本体耗尽模式的光检测装置的横截面视图，进一步关于图2a
‑
2h中图示的实施例，在图3a
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3b中公开了电介质门控本体耗尽模式。光检测装置300a包括控制金属线306a、306b和读出金属线308a、308b。控制金属线306a、306b和读出金属线308a、308b电耦合到锗基光吸收材料302的表面302s。控制金属线306a、306b分别电耦合到表面302s上的p型区303a、303b，并且读出金属线308a、308b分别电耦合到表面202s上的n型区301a、301b。锗基光吸收材料302是轻n型。此外，光检测装置300a包括表面302ss上的n型区307和形成在锗基光吸收材料302与半导体衬底304之间的电介质层312以及硅通孔(tsv)314。在一些实施例中，电介质层312被布置在金属(通孔314)与半导体(锗基光吸收材料302)之间，这形成类似mos的结构。利用在n型区307与通孔314之间形成的电介质层312，可以减少或防止电子流入n型区307以通过通孔314泄漏。
60.在一些替选实施例中，电介质层312可能不一定是跨越整个半导体衬底304的连续层，而是能够被图案化成位于n型区307下面的不同区。电介质层312可以是薄的或者具有某个预定厚度，包括多种或多层材料或合金或化合物。例如，sio2、sinx、高k电介质材料或它们的组合。
61.图3b图示根据一些实施例的具有门控本体耗尽模式的光检测装置的横截面视图。此实施例在表面302ss上没有n型区307，但是通过本体偏置vb2和vb3产生耗尽区309a、309b。可以联合地施加或单独地施加本体偏置vb2和本体偏置vb3以控制耗尽区309a、309b的尺寸。本体偏置vb2的单独地施加的电压和本体偏置vb3的单独地施加的电压可以是相同的或不同的。
62.在图3a或图3b中，这些实施例在锗基光吸收材料302与半导体衬底304之间插入电介质层312，并且根据控制信号cs1、cs2和本体偏置vb2、vb3在p型区303a、303b下面产生耗尽区(例如，图3b中的309a、309b)以便控制锗基光吸收材料302内部的电子移动方向。由于电介质层312的插入，可以减少或防止电子流入n型区307(图3a)和耗尽区309a、309b(图3b)以通过通孔314(图3a和图3b两者)泄漏。
63.图4a图示根据一些实施例的具有较低泄漏电流和较低暗电流的光检测装置的横截面视图。光检测装置400a包括控制金属线406a、406b和读出金属线408a、408b。控制金属线406a、406b和读出金属线408a、408b电耦合到锗基光吸收材料402的表面402s。控制金属线406a、406b分别电耦合到表面402s上的p型区403a、403b，并且读出金属线408a、408b分别电耦合到表面402s上的n型区401a、401b。图4a中的装置的操作类似于上面公开的实施例。图4a的实施例添加完全地围绕p型区403a、403b的n阱411a、411b。这可以具有减小p型区
403a、403b之间的泄漏电流的效果。在替选实施例中，如图4b中所示，能够部分地围绕p型区403a、403b添加n阱411a、411b。这也具有减小p型区403a、403b之间的泄漏电流的效果。
64.进一步关于图4a和图4b中图示的实施例，可以添加p阱。图4c的实施例添加完全地围绕n型区401a、401b的p阱451a、451b。这可以具有减小在n型区401a、401b处发生的暗电流的效果。在替选实施例中，如图4d中所示，能够部分地围绕n型区401a、401b添加p阱451a、451b。这也具有减小在n型区401a、401b处发生的暗电流的效果。
65.图4a
‑
4d中图示的实施例应用n阱和p阱以分别减小泄漏电流和暗电流。本领域的技术人员能够取决于设计要求而改变或修改n阱411a、411b和/或p阱451a、451b的图案。例如，能够以非对称方式(例如，n阱411a的左手侧宽度比n阱411a的右手侧宽度更宽)完全地围绕p型区403a来设计n阱411a。类似地，也能够以非对称方式(例如，n阱411b的右手侧宽度比n阱411b的左手侧宽度更宽)完全地围绕p型区403b来设计n阱411b。也可以将类似或修改的实现方式应用于p阱451a、451b。
66.图5图示根据一些实施例的具有钝化层的光检测装置的横截面视图。光检测装置500a包括控制金属线506a、506b和读出金属线508a、508b。控制金属线506a、506b和读出金属线508a、508b电耦合到锗基光吸收材料502的表面502s。控制金属线506a、506b分别电耦合到表面502s上的p型区503a、503b，并且读出金属线508a、508b分别电耦合到表面502s上的n型区501a、501b。图5的实施例在表面502s上方添加钝化层514(例如，非晶硅(a
‑
si)、geo
x
、al2o3、sio2)，在读出金属线508a与n型区501a之间的连接处添加硅化物(例如，nisi2、cosi2)513a，在读出金属线508b与n型区501b之间的连接处添加硅化物513b，在控制金属线506a与p型区503a之间的连接处添加硅化物515a，并且在控制金属线506b与p型区503b之间的连接处添加硅化物515b。
67.依照此实施例，在锗基光吸收材料502上方形成钝化层514能够终止表面502s上的悬空键并且如此减小暗电流。另一方面，添加硅化物(例如，nisi2、cosi2)也能够减小金属与半导体之间的接触或结电阻，这相应地减小电压降并减小功耗。
68.图6a图示根据一些实施例的具有提高的电荷迁移速度的光检测装置的横截面视图。光检测装置600a包括控制金属线606a、606b和读出金属线608a、608b。控制金属线606a、606b和读出金属线608a、608b电耦合到锗基光吸收材料602的表面602s。控制金属线606a、606b分别电耦合到表面602s上的p型区603a、603b，并且读出金属线608a、608b分别电耦合到表面602s上的n型区601a、601b。图6a的实施例在表面602s上添加n型区617并且在表面602ss上添加p型区619。n型区617和p型区619基本上形成在锗基光吸收材料602的中心，该中心是光信号il可以穿过的位置。由于n型区617和p型区619被共同地形成为pn结的事实，在n型区617与p型区619之间建立了内置垂直电场，这可以帮助分离由吸收的光子产生的电子
‑
空穴对，其中电子趋向于朝向n型区617移动并且空穴趋向于朝向p型区619移动。n型区617被操作以收集电子并且p型区619被操作以收集空穴。可以根据控制信号cs1、cs2将存储在n型区617中的电子移动到n型区601a或n型区601b。值得注意的是，取决于光检测装置600a的操作，金属线610可以是浮置的或者由偏置电压ca1偏置。在一个实现方式中，n型区601a、601b的掺杂浓度高于n型区617的掺杂浓度。
69.图6b图示根据一些实施例的具有提高的电荷迁移速度的光检测装置的横截面视图。此实施例类似于光检测装置600a。差异是能够通过硅通孔604v对p型区619进行偏置，其
中能够通过硅通孔604v释放在p型区619中收集的空穴，该硅通孔604v由其上的偏置电压ca2偏置。
70.图6c图示根据一些实施例的具有提高的电荷迁移速度的光检测装置的横截面视图。图6c的实施例类似于光检测装置600b。差异是p型区619被形成为在锗基光吸收材料602下面并围绕其的u形或阱形。另外，此p型区619电耦合到偏置电压ca2。因此，光生空穴能够由p型区619收集和释放。
71.图7a图示根据一些实施例的具有表面耗尽模式的光检测装置的横截面视图。光检测装置700a包括控制金属线706a、706b和读出金属线708a、708b。控制金属线706a、706b和读出金属线708a、708b电耦合到锗基光吸收材料702的表面702s。控制金属线706a、706b分别电耦合到表面702s上的p型区703a、703b，并且读出金属线708a、708b分别电耦合到表面702s上的n型区701a、701b。此实施例在表面702s上形成层间电介质ild并且在层间电介质ild上形成金属721、716a、716b、718a、718b。能够偏置这些金属721、716a、716b、718a、718b以产生耗尽区721d、716ad、716bd、718ad、718bd。在金属721、716a、716b、718a、718b上施加的偏置可以是不同的或相同的，或者使金属721、716a、716b、718a、718b中的一些浮置。
72.耗尽区712d能够减小p型区703a与p型区703b之间的暗电流。耗尽区716ad能够减小p型区703a与n型区701a之间的暗电流。耗尽区716bd报告减小p型区703b与n型区701b之间的暗电流。耗尽区718a能够减小n型区701a与另一像素(在图7a中未示出)之间的暗电流。耗尽区718b能够减小n型区701b与另一像素(在图7a中未示出)之间的暗电流。因此，通过形成这些表面耗尽区，能够减少功耗和噪声产生。
73.如所提及的，能够偏置金属721、716a、716b、718a、718b以产生耗尽区721d、716ad、716bd、718ad和718bd。在其它应用中，能够偏置金属721、716a、716b、718a、718b以使所对应的区域721d、716ad、716bd、718ad、718bd转变成除耗尽以外的积累或反型。
74.除了泄漏减小之外，金属721、716a、716b、718a、718b还能够将残余光信号il反射到锗基光吸收材料702中以便被相应地转换成电子
‑
空穴对。这些金属721、716a、716b、718a、718b像反射镜一样，将未被锗基光吸收材料702完全吸收和转换的光反射回到锗基光吸收材料702以进行再次吸收。这将提高总体吸收效率并因此提高系统性能。
75.此外，在图7b中图示了本公开的替选实施例。与图7a比较，如图7b中所示此实施例添加了极化电介质721e、716ae、716be、718ae、718be(例如，hfo2)。由于在极化电介质721c、716ae、716be、718ae、718be中存在偶极子，所以可以在不用偏置或将金属721、716a、716b、718a、718b偏置在小偏压下的情况下产生耗尽/积累/反型区721d、716ad、716bd、718ad、718bd。
76.图7c图示光检测装置700b的平面视图。注意的是，能够任选地形成金属721、716a、716b、718a、718b和极化电介质721c、716ae、716be、718ae、718be。设备实现者能够基于不同的场景来设计光检测装置以包括或不包括这些元件。此外，除了如图7c中所示在垂直方向上添加金属和极化电介质之外，也存在如图7d中所示的替选实施例，其中在水平方向上添加了金属723a、723b和极化电介质725a、725b。
77.图8a图示根据一些实施例的具有表面离子注入的光检测装置的横截面视图。光检测装置800a包括控制金属线806a、806b和读出金属线808a、808b。控制金属线806a、806b和读出金属线808a、808b电耦合到锗基光吸收材料802的表面802s。控制金属线806a、806b分
别电耦合到表面802s上的p型区803a、803b，并且读出金属线808a、808b分别电耦合到表面802s上的n型区801a、801b。为了具有高表面电阻以抑制表面泄漏电流，此实施例利用中性离子注入作为表面处理。如此图中所示，离子处理区829、831a、831b、833a、833b被离子注入(例如，si、ge、c、h2)，其中加速的离子与物质碰撞并且对植入区域中的原子周期性或晶体结构造成损伤。诸如原子空位和间隙的晶格损伤打破由电子包络函数看到的周期性电位，所以电子/空穴获得更高的散射概率。此效果导致更低的迁移率，因此导致更高的电阻。
78.图8b图示根据一些实施例的具有表面离子注入的光检测装置800a的平面视图。如图中所示，离子处理区829、831a、831b、833a、833b垂直地形成在掺杂区801a、801b、803a、803b之间。在一些实现方式中，离子处理区能够形成在其它地方中，所以本实施例是参考而不是限制。
79.图9a图示具有像素到像素隔离的光检测装置的横截面视图。光检测装置900a包括控制金属线906a、906b和读出金属线908a、908b。控制金属线906a、906b和读出金属线908a、908b电耦合到锗基光吸收材料902的表面902s。控制金属线906a、906b分别电耦合到表面902s上的p型区903a、903b，并且读出金属线908a、908b分别电耦合到表面902s上的n型区901a、901b。此实施例包括隔离区924，该隔离区924被形成为围绕锗基光吸收材料902的环。在一个注入中，隔离区924是n型区。它取决于锗基光吸收材料902的类型、半导体衬底904和其它因素，并且隔离区924可以由p型区实现。利用此隔离区924，光检测装置900a具有减小到相邻设备的串扰信号和/或电力的效果。
80.图9b图示具有像素到像素隔离的光检测装置900a的平面视图。如图中所示，隔离区924形成整个环。在其它实现方式中，隔离区924可以被分段或断开。
81.图9c图示具有像素到像素隔离的光检测装置的横截面视图。光检测装置900c在隔离区924内部形成附加的窄且浅的隔离区924a。隔离区924的掺杂浓度和隔离区924a的掺杂浓度不同。这可以被应用来抑制通过表面传导路径的串扰。
82.图9d图示具有像素到像素隔离的光检测装置的横截面视图。光检测装置900d形成从隔离区924a延伸到半导体衬底904的底面的附加沟槽隔离区924b。沟槽隔离区924b可以是氧化物沟槽，在其中阻挡锗基光吸收材料902与相邻设备之间的电路径。
83.图9e图示具有像素到像素隔离的光检测装置的横截面视图。光检测装置900e形成从半导体衬底904的顶面延伸到半导体衬底904的底面的沟槽隔离区924b。沟槽隔离区924a可以是氧化物沟槽，其阻挡锗基光吸收材料902与相邻设备之间的电路径。
84.图10a图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。图10a的实施例包括并组合了来自上述实施例的元件。光检测装置1000a包括控制金属线1006a、1006b和读出金属线1008a、1008b。控制金属线1006a、1006b和读出金属线1008a、1008b电耦合到锗基光吸收材料1002的表面1002s。控制金属线1006a、1006b分别电耦合到表面1002s上的p型区1003a、1003b。读出金属线1008a、1008b分别电耦合到表面1002s上的n型区1001a、1001b。类似地，光检测装置1000a能够通过光信号il获得距离信息。具体地，当光信号il传入到吸收区ar时，它将被转换成电子
‑
空穴对，然后被在p型区1003a、1003b之间产生的电场分离。电子可以根据控制信号cs1、cs2朝向n型区1001a或n型区1001b移动。在一些实现方式中，控制信号cs1和cs2是差分电压信号。在一些实现方式中，控制信号cs1和cs2中的一个是恒定电压信号(例如，0.5v)并且另一个控制信号是时变电压信号(例如，正弦信号、时钟信号或脉冲信
号；在0v与1v之间)。由于在光检测装置1000a与目标物体(在图10a中未示出)之间存在距离，所以光信号il相对于由发送器(在图10a中未示出)发送的发送光具有相位延迟。通过调制信号对发送光进行调制并且经由控制金属线1006a和1006b通过另一调制信号对电子
‑
空穴对进行解调。存储在电容器1010a和电容器1010b中的电子或空穴将根据距离而变化。因此，光检测装置1000a能够基于电容器1010a上的电压v1和电容器1010b上的电压v2获得距离信息。根据一个实施例，能够基于以电压v1和电压v2作为输入变量进行的计算来导出距离信息。对于一个示例，在脉冲飞行时间配置中，与电压v1和电压v2有关的电压比率被用作输入变量。在另一示例中，在连续波飞行时间配置中，与电压v1和电压v2有关的同相和正交电压被用作输入变量。
85.除了检测距离之外，此光检测装置1000a还包括针对n型区1001a、1001b和p型区1003a、1003b的不同深度设计，并且还添加n阱1011a、1011b，这可以减小p型区1003a与p型区1003b之间的泄漏电流。第二，光检测装置1000a包括覆盖锗基光吸收材料1002的阱形p型区1019，其可以通过偏置电压ca2来收集和释放空穴。第三，光检测装置1000a包括钝化层1014和层间电介质ild以将表面1002s处理成表面1002s上存在的缺陷。第四，光检测装置1000a包括金属1021，该金属1021可以或者可以不被偏置以在表面1002s上产生积累、反型或耗尽。此外，金属1021能够被用作反射镜以将残余光信号il反射回到锗基光吸收材料1002中以被转换成电子
‑
空穴对。第五，光检测装置1000a添加硅化物1013a、1013b、1015a、1015b以减小电压降。第六，光检测装置1000a能够添加通过掺杂材料或绝缘氧化物实现的隔离区1024。隔离区1024可以电耦合到偏置电压ca3。在一些实现方式中，隔离区1024和p型区1019可以通过金属层电耦合在一起，并且金属层被浮置或被电耦合到电压源。
86.图10b图示根据一些实施例的光检测装置的横截面视图。光检测装置1000b的结构类似于光检测装置1000a。差异是图10b中的控制金属线1006a、1006b电耦合到未掺杂区1005a、1005b。
87.此外，尽管上面提及的实施例使用锗基光吸收材料1002来吸收光信号il，但是可以实现没有锗基光吸收材料1002的一个实施例。如图10c中所示，光检测装置1000c能够将半导体衬底1004用作光吸收材料。在一些实现方式中，半导体衬底1004可以是硅、硅锗、锗或iii
‑
v族化合物。此外，作为图10d中图示的实施例，可以在半导体衬底1004的表面1002s上添加p型区1003a、1003b和n阱1011a、1011b。
88.光检测装置1000a、1000b、1000c和1000d被图示以示出来自上面公开的实施例(图1a至图9e)的可能的组合。应理解的是，设备实现者能够任意地组合两个或更多个上述实施例以实现其它光检测装置，并且可以实现许多组合。
89.注意的是，能够适当地设计实施例中所示的掺杂区的掺杂浓度。以图10a的实施例为例，n型区1001a、1001b的掺杂浓度和p型区1003a、1003b的掺杂浓度可能是不同的。在一个实现方式中，p型区1003a、1003b是轻掺杂的并且n型区1001a、1001b是高掺杂的。通常，轻掺杂的掺杂浓度可以从10
16
/cm3或以下到10
18
/cm3变动，而高掺杂的掺杂浓度可以从10
18
/cm3到10
20
/cm3或以上变动。通过掺杂浓度调节，能够分别在控制金属线1006a、1006b与p型区1003a、1003b之间形成肖特基接触；并且能够分别在读出金属线1008a、1008b与n型区1001a、1001b之间形成欧姆接触。在这种场景中，控制金属线1006a、1006b与p型区1003a、1003b之间的电阻高于读出金属线1008a、1008b与n型区1001a、1001b之间的电阻。
90.另一方面，也能够以不同的方式实现那些掺杂区的掺杂类型。以图10a的实施例为例，如果区1003a、1003b被掺杂有n型掺杂剂，则p型区1003a、1003b能够用n型替换。类似地，如果区1001a、1001b被掺杂有p型掺杂剂，则n型区1001a、1001b能够用p型替换。因此，能够实现掺杂区1001a、1001b、1003a和1003b全部被掺杂有相同类型的掺杂剂的实施例。
91.请参考图11a，图11a图示根据一些实施例的光检测装置的平面视图。光检测装置1100a包括在锗基光吸收材料1102上用于控制金属线1106a、1106b、读出金属线1108a、1108b、n型区1001a、1001b和p型区1003a、1003b的布局位置。在此实施例中，控制金属线1106a、1106b被定位在轴x轴上，然而，读出金属线1108a、1108b未被定位在轴x轴上。在此实施例中，四个端子不在同一轴上，这可以减小光检测装置1100a的面积。在图11a中示出了每个元件之间的几何关系。
92.图11b图示根据一些实施例的光检测装置的平面视图。与图11a比较，控制金属线1106a、1106b未被定位在轴x轴上，而是分别在与轴x轴垂直的方向上与读出金属线1108a、1108b对齐。类似地，在图11b中示出了每个元件之间的几何关系。
93.图11c图示根据一些实施例的光检测装置的平面视图。控制金属线1106a、1106b形成在吸收区ar上方并且在光学窗口wd中沿对角线方向彼此相对。读出金属线1108a、1108b形成在轴x轴上。
94.图11d图示根据一些实施例的光检测装置的平面视图。图11d中的光检测装置类似于图11c中的光检测装置，但是锗基光吸收材料1102被旋转，使得轴x轴在锗基光吸收材料1102中沿对角线方向。它也可以减小光检测装置的总面积。
95.图11e图示根据一些实施例的光检测装置的平面视图。此实施例与先前实施例之间的差异是能够将光学窗口wd设计为八边形。也能够将光学窗口wd设计为其它形状(例如圆形和六边形等)。
96.图11a
‑
图11d通过调节用于控制金属线1106a、1106b、读出金属线1108a、1108b、n型区1001a、1001b和p型区1003a、1003b的布局位置来图示一些实施例。实现者也能够为这些元件设计不同的几何关系以减小或最小化芯片面积。这些替选实施例被图示为参考，而不是限制。
97.上述光检测装置使用单个光检测器作为用于单像素应用的实施例。下述光检测装置是用于多像素应用(例如，图像像素阵列或图像传感器)的实施例。
98.在一些实现方式中，能够将光检测装置设计成接收相同或不同的光信号，例如，具有相同或不同的波长、具有相同或多个调制、或者在不同的时间帧下操作。
99.请参考图12a。光检测装置1200a包括像素阵列，作为示例，该像素阵列包括四个像素12021、12022、12023、12024。每个像素是依照本文描述的实施例的光检测器。在一个实施例中，包含光波长λ1的光信号il由此阵列中的像素12021、12024接收，而包含光波长λ2的光信号il由此阵列中的像素12022、12023接收。在替选实施例中，存在仅一个光波长λ但是具有多个调制频率f
mod1
和f
mod2
(或更多个)。例如，像素12021、12024被施加有调制频率f
mod1
以对光信号il中的此频率分量进行解调，而像素12022、12023被施加有调制频率f
mod2
以对光信号il中的此频率分量进行解调。在替选实施例中，类似地，存在仅一个光波长λ但是具有多个调制频率f
mod1
和f
mod2
(或更多个)。然而，在时间t1处，阵列中的像素由调制频率f
mod1
驱动以对光信号中的此频率分量进行解调，然而在另一时间t2处，阵列中的像素由调制频率
f
mod2
驱动以对光信号il中的此频率分量进行解调，并且因此像素阵列1200a在时间复用模式下操作。
100.在替选实施例中，光波长λ1和λ2分别由f
mod1
和f
mod2
调制，然后由像素阵列1200a收集。在时间t1处，像素阵列1200a在f
mod1
下操作以对λ1中的光信号进行解调；然而在时间t2处，像素阵列1200a在f
mod2
下操作以对λ2中的光信号进行解调。在替选实施例中，具有光波长λ1和λ2的光信号il分别通过f
mod1
和f
mod2
来调制，并且像素12021、12024通过f
mod1
来驱动，而像素12022、12023通过f
mod2
来驱动以同时地对入射调制光信号il进行解调。本领域的技术人员将容易地领会，可以实现光波长、调制方案和时间分割的其它组合。
101.请参考图12b。光检测装置1200b包括四个像素12021、12022、12023、12024。每个像素是光检测器并且可以使用上面公开的实施例。除了图12a中所示的布局外，像素12021、12022、12023、12024还能够被以如图12b中所示的交错布局来布置，其中每个像素的宽度和长度被放置在与相邻像素的宽度和长度垂直的方向上。
102.图13a图示根据一些实施例的使用具有相位变化的调制方案的光检测装置1300a的框图。光检测装置1300a是能够检测与目标物体1310的距离信息的基于间接飞行时间的深度图像传感器。光检测装置1300a包括像素阵列1302、激光二极管驱动器1304、激光二极管1306以及包括时钟驱动器13081、13082的时钟驱动电路1308。像素阵列1302包括依照本文公开的实施例的多个光检测器。通常，传感器芯片产生并发出时钟信号以用于1)由激光二极管驱动器1304对所发送的光信号进行调制并且2)由像素阵列1302对所接收/吸收的光信号进行解调。为了获得深度信息，通过参考同一时钟对整个像素阵列中的所有光检测器进行解调，该时钟按时间顺序改变为可能的四个正交相位，例如0
°
、90
°
、180
°
和270
°
，并且在发送器侧没有相位变化。然而，在此实施例中，如下文中说明的，在发送器侧实现了四正交相位变化，并且在接收侧没有相位变化。
103.请参考图13b，图13b描绘了分别由时钟驱动器13081、13082产生的时钟信号clk1、clk2的定时图。时钟信号clk1是具有4正交相位变化(例如。0
°
、90
°
、180
°
和270
°
)的调制信号，并且时钟信号clk2是没有相位变化的解调信号。具体地，时钟信号clk1驱动激光二极管驱动器1304，使得激光二极管1306能够产生调制的发送光tl。时钟信号clk2及其反相信号clk2’(在图13b中未示出)分别被用作控制信号cs1和控制信号cs2(在上述实施例中示出)以用于解调。换句话说，此实施例中的控制信号cs1和控制信号cs2是差分信号。此实施例可以避免由于寄生电阻
‑
电容引发的记忆效应而导致在图像传感器中固有的可能的时间相干性。
104.请参考图13c和图13d。与图13a比较，光检测装置1300c在接收侧使用两种解调方案。像素阵列1302包括两个部分：第一像素阵列1302a和第二像素阵列1302b。应用于第一像素阵列1302a的第一解调方案和应用于第二像素阵列1302b的第二解调方案在时间顺序上是不同的。例如，第一像素阵列1302a被应用有第一解调方案，其中时间顺序上的相位变化是0
°
、90
°
、180
°
和270
°
。第二像素阵列1302a被应用有第二解调方案，其中时间顺序上的相位变化是90
°
、180
°
、270
°
和0
°
。净效果是第一像素阵列1302a中的相位变化与第二像素阵列1302b中的相位变化相位正交，然而在发送侧没有相位变化。如果解调波形不是理想的方波，则此操作可能减小从电源汲取的最大瞬时电流。
105.请参考图13e，图13e示出使用光检测装置1300c的调制方案。与图13d比较，此实施
例对发送侧施加了相位变化，但是在接收侧不对两个不同的像素阵列1302a、1302b施加相位变化(除了向两个不同的像素阵列1302a、1302b设置两个不同的恒定相位，并且这两个不同的恒定相位彼此同相正交之外)。例如，在发送侧的调制信号是时钟信号clk1，其中时间顺序上的相位变化是0
°
、90
°
、180
°
和270
°
。在接收侧的解调信号是时钟信号clk2、clk3。时钟信号clk2用于对由像素阵列1302a吸收的入射光信号il进行解调，其具有0
°
的恒定相位。时钟信号clk3用于对由像素阵列1302b吸收的入射光信号il进行解调，其具有90
°
的恒定相位。
106.尽管图13a
‑
13e中图示的实施例使用具有50％占空比的时钟信号作为调制和解调信号，但是在其它可能的实现方式中，占空比可以是不同的(例如，30％占空比)。在一些实现方式中，正弦波代替方波被用作调制和解调信号。
107.图14图示根据一些实施例的用于运用使用具有相位变化的调制方案的光检测装置的过程。在其它实施例中，其它实体执行该过程的步骤中的一些或全部。同样地，实施例可以包括不同和/或附加步骤，或者以不同的次序执行步骤。
108.在图14的实施例中，光检测方法包括步骤1401：发送通过第一调制信号调制的光信号，其中，该光信号通过对于多个时间帧具有一个或多个预定相位的第一调制信号来调制；步骤1402：由光检测器接收所反射的光信号；步骤1403：通过一个或多个解调信号对所反射的光信号进行解调，其中，一个或多个解调信号是对于多个时间帧具有一个或多个预定相位的信号；以及步骤1404：在电容器上输出至少一个电压信号。在这种方法中，光检测器可以使用本公开中提及的实施例或其变体。
109.虽然已经通过示例并在优选实施例方面描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于此。相反，本发明旨在涵盖各种修改以及类似的布置和程序，并且所附权利要求的范围因此应该被赋予最广泛的解释，以便包含所有此类修改以及类似的布置和程序。