高速光敏設備及相關方法與流程

2023-09-21 13:14:31 2

優先權數據

本申請要求2010年6月18日提交的美國臨時專利申請序列號61/356,536的權益，其內容以參考方式合併於此。

背景技術：

許多成像應用例如免手持姿態控制、視頻遊戲、醫療和機器視覺以及通信應用使用各種光電子設備，例如光電探測器和光電探測器的成像陣列。通信應用通常使用例如光纖網絡，因為這種網絡在光纖經歷較低的信號損失的近紅外波長的光中效果良好。雷射標記和距離測定的應用一般使用具有近紅外波長例如1064nm的雷射。其他應用例如深度感知應用使用能夠檢測近紅外波長例如850nm或940nm的成像器。這些波長一般由用砷化鎵(GaAs)製造的發光二極體或雷射二極體生成。所有這些應用都要求探測器或探測器陣列具有快速響應時間，一般比利用厚的(例如，大於100μm)矽有源層可以實現的響應時間更快。因此，用於這些應用的矽設備通常是薄的，並且將具體設計考慮考慮在內以便降低響應時間。然而，隨著矽有源層變得更薄，在更長波長(例如，850nm、940nm和1064nm)下的響應比厚矽設備層的響應低得多。另一方面，在更長波長下具有更高響應的厚矽設備具有緩慢的響應時間並且難以耗盡。

技術實現要素：

本發明提供高速光電子設備及相關方法。在一個方面，例如，高速光電子設備可以包括具有入射光表面的矽材料、在矽材料中形成半導體結的第一摻雜區和第二摻雜區以及耦合到矽材料並被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區。對於具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電子設備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應時間和大於或等於大約0.4A/W的靈敏度。在另一方面，對於具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電子設備具有大於或等於大約0.5A/W的靈敏度。在另一方面，對於具有大約850nm的波長的電磁輻射，該光電子設備具有大於或等於大約0.45A/W的靈敏度。在進一步的方面，該矽材料具有從大約1μm到大約100μm的厚度。在更進一步的方面，在工作期間該設備的暗電流是從大約100pA/cm2到大約10nA/cm2。

在另一個方面，一種高速光電子設備可以包括具有入射光表面的矽材料、在矽材料中形成半導體結的第一摻雜區和第二摻雜區以及耦合到矽材料並被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區。對於具有大約940nm的波長的電磁輻射，該光電子設備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應時間和大於或等於大約0.3A/W的靈敏度。

在另一個方面，一種高速光電子設備可以包括具有入射光表面的矽材料、在矽材料中形成半導體結的第一摻雜區和第二摻雜區以及耦合到矽材料並被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區。對於具有大約1060nm的波長的電磁輻射，該光電子設備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應時間和大於或等於大約0.05A/W的靈敏度。

在另一個方面，一種光電二極體陣列可以包括具有入射光表面的矽材料，在矽材料中的至少兩個光電二極體，每個光電二極體包括形成半導體結的第一摻雜區和第二摻雜區，以及耦合到矽材料並被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區。對於具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電二極體陣列具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應時間和大於或等於大約0.4A/W的靈敏度。在一個方面，該矽材料具有從大約1μm到大約100μm的厚度。

在另一個方面，一種提高光電子設備的速度的方法包括對矽材料中的至少兩個區進行摻雜以形成至少一個結，以及使得矽材料具有紋理結構，從而形成定位成與電磁輻射相互作用的紋理區。對於具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電子設備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應時間和大於或等於大約0.4A/W的靈敏度。在一個方面，該設備可以包括用於將載流子從與結相反的一側帶到結區的額外摻雜區。

附圖說明

圖1是根據本發明的一個方面與基於矽但是具有紋理區的光電探測設備的吸收特性相比較的基於標準矽的快速(或薄的)光電探測器設備的吸收特性的圖形表示；

圖2是根據本發明的另一方面的光敏設備的示意圖；

圖3是根據本發明的再一方面的光敏設備的示意圖；

圖4是根據本發明的進一步方面的光敏設備的示意圖；

圖5是根據本發明的更進一步方面的光敏設備的示意圖；

圖6是根據本發明的另一方面的光敏設備的示意圖；

圖7是根據本發明的再一方面的光敏設備的示意圖；

圖8是根據本發明的進一步方面的光敏陣列設備的示意圖；

圖9示出根據本發明的另一方面的渡越時間(time of flight)測量；

圖10a是根據本發明的另一方面的光學成像器陣列的像素結構的示意圖；

圖10b是根據本發明的另一方面的光學成像器陣列的像素結構的示意圖；

圖10c是根據本發明的另一方面的光學成像器陣列的像素結構的示意圖；

圖11是根據本發明的另一方面的六電晶體成像器的示意圖；

圖12是根據本發明的另一方面的十一電晶體成像器的示意圖；

圖13是根據本發明的更進一步方面的光敏陣列設備的示意圖；

圖14是根據本發明的另一方面的光敏陣列設備的示意圖；以及

圖15描述根據本發明的再一方面的提高光電子設備的速度的方法。

具體實施方式

在本文中描述本發明之前，應該理解的是，本發明不限於特定的結構、處理步驟或本文中公開的材料，而是延伸至本領域普通技術人員將認識到的這些內容的等價物。還應當理解的是，本文中使用的術語僅僅是為了描述特定的實施例而非進行限制。

定義

將根據以下闡述的定義使用下面的術語。

應當注意，如說明書和隨附權利要求中所用，單數形式「一個」和「該」可以包括複數個對象，除非上下文中以其他方式明確地指示。因此，例如，「一種摻雜劑」的指代內容可以包括一種或更多種此類摻雜劑，「該層」的指代內容可以包括指代一個或更多個此類層。

如本文所用，「量子效率」(QE)被定義為入射到光電子設備上的光子被轉換成電子的百分比。外部量子效率(EQE)被定義為針對每一入射光子在設備外部獲得的電流。因此EQE同時取決於光子的吸收和電荷的採集。由於複合效應和光損耗(例如，傳輸損耗和反射損耗)，EQE比QE更低。

如本文所用，「靈敏度」是探測器系統的輸入-輸出增益的度量。在光電探測器的情況中，靈敏度是每一光輸入的電輸出的度量。光電探測器的靈敏度用入射的輻射功率的每瓦特安培數表示。此外，靈敏度是入射輻射的波長和設備特性例如製造設備的材料的能帶隙的函數。等式I中示出靈敏度(Rλ)的一個表達式，其中η是針對給定波長(λ)的探測器的外部量子效率，q是電子電荷，h是普朗克常量，以及v是光頻率。

如本文所用，術語「電磁輻射」和「光」可以交替地使用，並且可以表示寬範圍內的波長，包括可見光波長(大約350nm到800nm)和不可見光波長(大於大約800nm或小於350nm)。紅外光譜通常被描述為包括大約800nm到1300nm的波長的近紅外光譜部分、包括大約1300nm到3μm(微米)的波長的短波紅外光譜部分以及包括大於大約3μm至高達大約30μm的波長的中長波紅外(或熱紅外)光譜部分。這些在本文中一般統稱為電磁光譜的「紅外」部分，除非另有說明。

如本文所用，「響應時間」是指探測器設備的上升時間或下降時間。在一個方面，「上升時間」是光與設備相互作用生成的電信號的前沿輸出的峰值振幅的10％位置和90％位置之間的時間差。「下降時間」被測量為電信號後沿的90％位置和10％位置之間的時間差。在某些方面，下降時間可以被稱為衰減時間。

如本文所用，術語「無序表面」和「紋理表面」可以交替地使用，並且指代具有納米至微米尺寸的表面變化的拓撲結構的表面。此類表面拓撲結構可以通過雷射脈衝或多個雷射脈衝的照射、化學蝕刻、光刻圖案化、多個同時雷射脈衝的幹涉或反應離子蝕刻來形成。儘管此類表面的特徵可以根據所使用的材料和技術而改變，但是在一個方面，該表面可以是幾百納米厚並且由納米微晶(例如，從大約10納米到大約50納米)和納米孔構成。在另一個方面，該表面可以包括微米尺寸的結構(例如，大約1μm到大約60μm)。在又一個方面，該表面可以包括從大約5nm到大約500μm的納米尺寸和/或微米尺寸的結構。

如本文所用，術語「能流」是指來自穿過單位面積的單個雷射輻射脈衝的能量。換句話說，「能流」可以被描述為一個雷射脈衝的能量密度。

如本文所用，術語「表面修飾」和「表面改性」是指利用雷射照射、化學蝕刻、反應離子蝕刻、光刻圖案化等改變半導體材料的表面。在一個具體方面，表面改性可以包括主要利用雷射輻射的過程或雷射輻射結合摻雜的過程，因而雷射輻射促進摻雜劑摻入半導體材料的表面。因此，在一個方面，表面改性包括半導體材料的摻雜。

如本文所用，術語「目標區」是指將要進行摻雜或表面改性的半導體材料的區域。半導體材料的目標區可以隨著表面修飾過程的進行而改變。例如，在對第一目標區進行摻雜或表面改性之後，可以在相同半導體材料上選擇第二目標區。

如本文所用，術語「檢測/探測」是指電磁輻射的感測、吸收和/或採集。

如本文所用，術語「充分地/基本」是指行為、特徵、特性、狀態、結構、物品或結果的完全或接近完全的範圍或程度。例如，被「充分」包圍的對象是指該對象被完全包圍或接近完全包圍。偏離絕對完全性的精確的可允許程度在某些情況下取決於特定的背景。然而，一般來說，接近完全的整體結果將與絕對的總體完全可獲得的整體結果相同。當用於負面含義時，使用「充分地/基本」同樣適用於指代完全或接近完全缺乏行為、特徵、特性、狀態、結構、物品或結果。例如，「基本無」粒子的成分將完全缺乏粒子或接近完全地缺乏粒子，其效果與完全缺乏粒子是相同的。換句話說，「基本無」配料或元素的成分實際上仍可以包含該項，只要其沒有可測量的效果。

如本文所用，術語「大約」被用於通過假設給定值可以「稍微高於」或「稍微低於」端點而向數值範圍端點提供靈活性。

如本文所用，為了方便起見，多個物品、結構元件、組成元素和/或材料可以呈現在公共列表中。然而，這些列表應當解釋為，列表的每個構件被單獨地確定為分離和唯一的構件。因此，不應當僅基於呈現在公共組中並且沒有相反的指示而將此類列表的單獨構件解釋為相同列表的任何其他構件的實際上的等效物。

濃度、數量和其他數值數據可能在此通過範圍格式來表達或呈現。應該理解的是，使用該範圍格式僅是為了方便和簡潔起見，因此，該範圍格式應當靈活地解釋為不僅包括明確列舉為範圍極限的數值，而且包括涵蓋在該範圍內的所有單獨的數值或子範圍，就好像明確地列舉每個數值和子範圍一樣。作為例證，「大約1到大約5」的數值範圍應當解釋為不僅包括明確列舉的大約1到大約5的值，而且也包括在指示範圍內的單獨值和子範圍。因此，包含在該數值範圍內的是單獨值例如2、3、4和子範圍例如1-3、2-4和3-5等，以及單獨的1、2、3、4和5。

該相同的原理適用於只列舉一個數值作為最小值或最大值的範圍。而且，無論所描述的範圍或特徵的廣度如何，都應該適用這種解釋。

本公開內容

光電子設備的許多應用可以得益於高速操作。例如，用在諸如傳輸數據、雷射測距、雷射標記、渡越時間(time of flight)成像等應用中的光電探測器可能是數據可以傳輸多快的限制因素。因此，具有更快靈敏度的光電探測器可以相應地以更高的速率接收數據。許多光電子設備例如光電探測器的速度至少部分取決於電荷載流子掠過光電探測器的速度。載流子掠過光電探測器的速度可能取決於載流子需要前進的距離、載流子是否在具有電場的設備區內生成以及載流子在設備層內的缺陷中被捕獲或減慢的可能性。在某些情況下，偏壓可以被施加於光電探測器，從而通過增加載流子的漂移速度而降低響應時間。此外，許多傳統的數據通信應用使用紅光光譜和紅外光譜中的電磁輻射作為數據載流子。在典型的矽設備中，紅光光譜和紅外光譜中的電磁輻射生成深入矽設備的載流子，因而增加載流子需要前進從而被採集的距離。因此，可能有利的是，光電探測器在薄設備中吸收紅外輻射以便提高通信速度並降低暗電流。

矽是一種可以用作光電探測器半導體的材料。然而，薄矽光電探測器在檢測紅外波長方面的能力有限，特別是當在較高數據通信速度下運行時。傳統的矽材料需要充分的吸收深度以檢測波長大於大約700nm的光子。雖然可見光能夠在矽中相對淺的深度處被吸收，但在薄晶片深度(例如，大約100μm)的矽中更長波長(例如，900nm)的吸收較差(如果有的話)。因為對矽基光電探測器而言短波紅外光是幾乎完全可穿透的，所以傳統上已經使用其他材料(例如，InGaAs)來檢測波長大於大約1100nm的紅外電磁輻射。然而，利用所述其他材料是昂貴的，相對於矽設備增加了暗電流，並且限制了可見光譜(即可見光，350nm-800nm)的電磁輻射的檢測。因此，通常使用矽是因為它的製造相對便宜，並且能夠被用於檢測可見光譜中的波長。

因此，本公開提供了將薄矽設備的電磁輻射吸收範圍增加到紅外區的光電子設備及相關方法，因而允許此類設備吸收可見光和紅外光。此外，與在紅外光譜中工作的傳統薄矽設備相比，此類設備可以被配置為以更高的數據速率工作並且具有增加的外部量子效率和靈敏度。在一個方面，例如，提供的矽光電探測器包括紋理區以便增加在紅外波長的吸收、外部量子效率並降低響應時間。該獨特且新穎的設備能夠在可見光譜和紅外光譜中以高數據速率工作。因此矽基設備的這種靈敏度增加可以降低光電探測器的處理成本，降低光源所需的功率，增加3D類型成像的深度解析度，增加數據能夠傳輸的距離，改進雷射測距，以及增加使用更長波長的電磁輻射進行數據通信的機會。

在一個方面，例如，提供一種高速光電子設備。該設備可以包括具有入射光表面的矽材料、在矽材料中形成半導體結的第一摻雜區和第二摻雜區以及耦合到矽材料並被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區。對於具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電子設備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應時間和大於或等於大約0.4A/W的靈敏度。例如，圖1示出了吸收/靈敏度圖，其中虛線12表示基於標準快速矽設備的光電探測器設備的吸收特性，實線14表示基於矽但具有紋理區的光電探測設備的吸收特性。很明顯，在紅外區即800nm到1200nm的區域中，標準快速矽光電二極體的吸收導致相對低的靈敏度。

此外，在一個方面，該光電子設備的響應時間是從大約1皮秒到大約1納秒。在另一個方面，該光電子設備的響應時間是從大約1皮秒到大約500皮秒。

在另一個方面，對於具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電子設備具有大於或等於大約0.5A/W的靈敏度。

在又一個方面，對於具有大約850nm的波長的電磁輻射，該光電子設備具有大於或等於大約0.45A/W的靈敏度。在進一步的方面，對於具有大約940nm的波長的電磁輻射，該光電子設備具有大於或等於大約0.3A/W的靈敏度。在更進一步的方面，對於具有大約1060nm的波長的電磁輻射，該光電子設備具有大於或等於大約0.05A/W的靈敏度。

在某些方面，設備的厚度可以指示靈敏度和響應時間。然而，標準矽設備需要比較厚即大於100μm，從而檢測在紅外光譜中的波長，並且這種厚設備的探測導致緩慢的響應和較高的暗電流。現在已經發現，定位成與電磁輻射相互作用的紋理區可以提高設備對紅外光的吸收，因而提高紅外光靈敏度，同時允許快速操作。漫散射和反射可以導致吸收路徑長度增加，特別是如果與全內反射結合起來，會導致矽光電二極體、光電探測器、光電二極體陣列等在紅外光譜中的靈敏度大大改善。由於吸收路徑長度的增加，所以較薄的矽材料可以用於吸收最高在紅外區內的電磁輻射。較薄矽材料設備的一個優勢是電荷載流子更快地掠過設備，因而降低響應時間。相反，至少部分由於散射，厚矽材料設備更慢地掃描從其中經過的電荷載流子。

因此，與傳統的矽設備相比，本發明的設備通過增加更長波長的吸收路徑長度來增加矽材料的吸收路徑長度。矽光電探測器中的吸收深度是進入矽中的深度，在該深度處輻射強度降低至矽材料表面處的值的大約36％。增加的吸收路徑長度導致吸收深度的明顯減小或減小的表觀或有效吸收深度。例如，可以減少矽的有效吸收深度，使得可以在小於或等於大約100μm的深度吸收更長的波長。通過增加吸收路徑長度，這些設備能夠在薄半導體材料內吸收更長的波長(例如，對於矽大於1000nm)。除了降低有效吸收深度之外，可以利用更薄的半導體材料降低響應時間。

因此，除此以外，根據本發明的一些方面的光電子設備提供在光譜的紅外光部分的增強的響應以及在將電磁輻射轉換成電信號的過程中的提高的響應和量子效率。同樣地，比大約100μm更薄的設備在紅外光譜中可以獲得較高的量子效率和較高的速度。換句話說，在紅外波長下該響應高於更厚設備中發現的響應。

在一個方面，例如圖2中所示，光電子設備可以包括具有第一摻雜區24和與其關聯的第二摻雜區26的矽材料22。因此，第一摻雜區和第二摻雜區形成半導體結。許多結構是可預期的，並且認為任何類型的結配置都在本發明的範圍內。例如，第一摻雜區和第二摻雜區可以彼此遠離、彼此接觸、彼此交疊等。在某些情況下，本徵區可以至少部分位於第一摻雜區和第二摻雜區之間。

光電子設備還可以包括耦合到矽材料22並被定位成與入射的電磁輻射29相互作用的紋理區28。在這種情況下，紋理區位於與第一摻雜區24和第二摻雜區26相對的矽材料的側面上。穿過矽材料接觸紋理區的電磁輻射可以被反射回來穿過矽材料，因此有效地增加矽材料的吸收路徑長度。紋理區可以與矽材料的整個表面相關聯或只與其一部分相關聯。此外，在某些方面，紋理區可以被具體定位以最大化矽材料的吸收路徑長度。在其他方面，第三摻雜可以被包括在紋理區附近，從而提高在紋理區附近生成的載流子的採集。

矽材料可以具有允許電磁輻射檢測和轉換功能的任何厚度，因此認為任何此類厚度的矽材料都在本發明的範圍內。儘管認為任何厚度的矽材料都在本發明的範圍內，但是在降低設備的響應時間和/或電容方面薄矽層材料是特別有利的。如前所述，與較厚的矽材料層相比，電荷載流子可以更快速地掠過更薄的矽材料層。矽越薄，電子/空穴需要穿過越少的材料以便被採集，並且生成的電荷載流子遇到將捕獲或減慢載流子的採集的缺陷的可能性越低。因此，實施快速光子響應的一個目標是利用薄矽材料作為光電二極體的主體區。通過光電二極體的內建電勢和施加的任何偏壓，該設備可以接近耗盡電荷載流子，從而通過在電場中的漂移提供光生載流子的快速採集。保留在光電二極體的任何未耗盡區中的電荷載流子通過擴散運輸來採集，這比漂移運輸更慢。為此，期望使擴散可能佔主導地位的任何區域的厚度比耗盡的漂移區薄得多。在具有適當摻雜的矽材料中，提供沒有施加偏壓的大約10μm的耗盡區。因此，在某些方面，可能有利的是使用厚度小於大約100μm或小於大約10μm的矽材料層。在另一方面，矽材料可以具有某一厚度和襯底摻雜濃度，使得所施加的偏壓生成足夠用於電荷載流子的飽和速度的電場。應當注意，在零偏壓下操作本文公開的光電二極體可能導致噪聲較低，但是響應時間較長。然而，當施加偏壓時，暗電流增加，導致噪聲較高，但是響應時間下降。如果入射的輻射信號較強，則可以補償增加的暗電流。然而，利用更薄的設備層可以使增加的暗電流量最小化。

因此，在一個方面，矽材料具有從大約1μm到大約100μm的厚度。在另一個方面，矽材料具有從大約1μm到大約50μm的厚度。在又一方面，矽材料具有從大約5μm到大約10μm的厚度。在進一步的方面，矽材料具有從大約1μm到大約5μm的厚度。

如前所述，光電子設備的響應時間受到光生載流子橫穿襯底厚度的通過時間(transit time)限制。通過利用小負載電阻器並且通過限制矽材料的摻雜密度與光電二極體的面積保持光電二極體的電容較小，整個電子設備結構的負載電阻(R)和電容(C)的RC時間常量可以被保持為小於該通過時間值。例如，以1015/cm3的密度摻雜的光電二極體可以在沒有施加任何偏壓的情況下具有10nF/cm2的電容。具有50ohm(歐姆)負載電阻器的小面積光電二極體可以具有非常快的RC時間常量。面積為0.01cm2的光電二極體可以具有0.5納秒的RC時間常量。假設響應時間將由穿過光電二極體的最大電荷載流子通過時間限制，則擴散速率可以為不同厚度的光電二極體的響應時間設置上限。例如，如果光電二極體具有小於d＝100μm的厚度，則可以由以下等式(II)計算擴散通過時間，其中D是電子的擴散係數。

響應時間由2μs的上限約束。對於具有大約900nm的波長的光，只有大約35％的光在首次通過時被吸收或被吸收到比100μm更薄的設備中，並且大約30％的光在第一表面處被反射，因而給出在10％的量級或0.1A/W的靈敏度。通過利用多次內反射實現數值R＝0.5A/W可以使靈敏度R至少增加四倍。

在一個方面，光電二極體可以具有小於大約d＝10μm的厚度。利用以上的等式(I)，最終得到的響應時間上限是大約20ns。對于波長為大約700nm、首次通過被吸收大約33％並且在第一表面處被反射大約30％的光，靈敏度可以在10％的量級或0.3安培/瓦特。通過利用本文中所述的多次內反射實現數值R＝0.6A/W可以使靈敏度R至少增加一倍。

在一個方面，例如，光電子設備具有從大約100皮秒到大約1納秒的響應時間。在另一方面，相對於標準矽，對於從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長，光電子設備具有從大約0.4A/W到大約0.55A/W的靈敏度。在又一方面，相對於標準矽，對於從大約1000nm到大約1200nm的至少一個波長，光電子設備具有從大約0.1A/W到大約0.55A/W的靈敏度。在另一方面，相對於具有可比較的厚度和響應時間的矽設備，對於從大約550nm到大約1200nm的至少一個波長，光電子設備的外部量子效率提高了至少10％。在另一方面，光電子設備具有的數據速率大於或等於大約1Gbs。在進一步的方面，光電子設備具有的數據速率大於或等於大約2Gbs。

如前所述，根據本發明的某些方面的光電子設備可以顯示出與傳統設備相比更低的暗電流。儘管可能存在多種原因，但是一個示例性的原因可能是更薄的矽材料層可以具有更少的負責生成暗電流的晶體缺陷。在一個方面，例如，光電子設備在工作期間的暗電流是從大約100pA/cm2到10nA/cm2。在另一個方面，光電子設備在工作期間的最大暗電流小於大約1nA/cm2。

不同類型的矽材料是可預期的，並且認為可以包含到光電子設備中的任何材料均在本發明的範圍內。在一個方面，例如，矽材料是單晶體。在另一方面，矽材料是多晶體。在又一方面，矽材料是微晶體。

本發明的矽材料也可以利用多種製造工藝來製作。在某些情況下，製造步驟可能影響設備的效率，並且可以在實現預期結果時考慮在內。示例性的製造工藝可以包括直拉(Cz)工藝、磁場直拉(mCz)工藝、浮區(FZ)工藝、外延生長或沉積工藝等。在一個方面，矽材料是外延生長的。

如前所述，紋理區可以起到擴散電磁輻射、重定向電磁輻射以及吸收電磁輻射的作用，因而增加設備的QE。紋理區可以包括用於增加矽材料的有效吸收長度的表面特徵。所述表面特徵可以是圓錐體、角錐體、柱狀、凸起物、顯微鏡頭、量子點、反轉特徵等。諸如操縱特徵尺寸、維數、材料類型、摻雜劑分布圖、紋理位置等的因素可以允許擴散區針對特定的波長是可調節的。在一個方面，調節設備可以允許吸收特定波長或波長範圍。在另一個方面，調節設備可以允許通過濾波來減少或消除特定波長或波長範圍。

如前所述，根據本發明的某些方面的紋理區可以允許矽材料經歷入射電磁輻射在設備內多次穿過，特別是在更長波長(即紅外光)下。這種內反射使得有效吸收長度增加至大於半導體襯底的厚度。吸收長度的這種增加將增加設備的量子效率，從而導致改進的信噪比。紋理區可以與最接近射入的電磁輻射的表面相關聯，或者紋理區可以與射入的電磁輻射相反的表面相關聯，因而允許電磁輻射在達到紋理區之前穿過矽材料。此外，紋理區可以被摻雜。在一個方面，紋理區可以被摻雜到與矽襯底相同或相似的極性，以便在設備背面上提供摻雜的接觸區。

紋理區可以通過各種技術形成，包括雷射法、化學蝕刻(例如，各向異性蝕刻、各向同性蝕刻)、納米壓印光刻、額外材料沉積、反應離子蝕刻等。產生紋理區的一種有效方法是通過雷射加工。該雷射加工允許為半導體襯底的離散位置提供紋理結構。形成紋理區的多種雷射加工技術是可預期的，並且能夠形成該區的任何技術都應被視為在本發明的範圍內。除此以外，雷射處理或雷射加工可以允許增強吸收性能，並因此提高電磁輻射聚焦和檢測。

在一個方面，例如，可以利用雷射輻射來照射矽材料的目標區，從而形成紋理區。這種加工的示例已經在美國專利7,057,256、7,354,792和7,442,629中更詳細地描述，其整體內容以參考方式合併到本申請中。簡言之，利用雷射輻射來照射矽材料的表面，從而形成紋理區或表面改性區。雷射加工可以在具有或不具有摻雜劑材料的情況下發生。在使用摻雜劑的那些方面，雷射可以被引導穿過摻雜劑載體並且到達矽表面上。以此方式，來自摻雜劑載體的摻雜劑被引入矽材料的目標區。根據本發明的某些方面，加入矽材料的該區可以具有各種優勢。例如，目標區通常具有通過本文描述的機制增加雷射處理區的表面積和提高輻射吸收的可能性的紋理表面。在一個方面，該目標區是包括已經由雷射紋理化生成的微米尺寸和/或納米尺寸的表面特徵的充分紋理化表面。在另一方面，照射矽材料的表面包括使雷射輻射暴露於摻雜劑，使得輻射將摻雜劑加入半導體中。各種摻雜劑材料在本領域中是已知的，並且在此被更詳細地討論。還應理解的是，在某些方面，此類雷射加工可以在不充分摻雜矽材料的環境中(例如，氬氣氣氛)發生。

因此，通過雷射處理在化學上和/或結構上改變形成紋理區的矽材料的表面，其在某些方面可以導致形成表現為納米結構、微米結構和/或表面的圖案化區域的表面特徵，以及如果使用摻雜劑，則將這些摻雜劑加入到半導體材料中。在某些方面，這些特徵的尺寸可以是大約50nm到20um，並且可以有助於吸收電磁輻射。換句話說，紋理表面可以提高入射的輻射被矽材料吸收的可能性。

用於對矽材料進行表面改性的雷射輻射的類型可以取決於材料和預期改性。本領域中已知的任何雷射輻射都可以用於本發明的設備和方法。然而，存在許多可能影響表面改性過程和/或最終產品的雷射特性，其包括但不限於雷射輻射的波長、脈衝寬度、脈衝能流、脈衝頻率、極性、雷射相對於矽材料的傳播方向等。在一個方面，雷射器可以被配置為提供矽材料的脈動激射。短波脈衝雷射器能夠生成飛秒、皮秒和/或納秒脈衝持續時間。雷射脈衝可以具有在大約從大約10nm到大約12μm的範圍內的中心波長，更具體地，從大約200nm到大約1600nm的範圍內的中心波長。雷射輻射的脈衝寬度可以在從大約幾十飛秒到大約幾百納秒的範圍內。在一個方面，脈衝寬度可以在從大約50飛秒到大約50皮秒的範圍內。在另一方面，雷射脈衝寬度可以在從大約50皮秒到100納秒的範圍內。在另一方面，雷射脈衝寬度在從大約50飛秒到500飛秒的範圍內。

照射目標區的雷射脈衝的數量可以在從大約1到大約5000的範圍內。在一個方面，照射目標區的雷射脈衝的數量可以是從大約2到大約1000。進一步，脈衝的重複率或頻率可以被選擇為在從大約10Hz到大約10MHz的範圍內，或者在從大約1Hz到大約1MHz的範圍內，或者在從大約10Hz到大約10kHz的範圍內。而且，每個雷射脈衝的能流可以在從大約1kJ/m2到大約20kJ/m2的範圍內，或者在從大約3kJ/m2到大約8kJ/m2的範圍內。

各種摻雜劑是可預期的，並且可以用於對光電子設備的第一摻雜區、第二摻雜區、紋理區或任何其他摻雜區進行摻雜的任何材料都被視為在本發明的範圍內。應當注意，所使用的特定摻雜劑可以根據雷射處理的矽材料和最終矽材料的預期用途而改變。

摻雜劑可以是電子施主或空穴施主。在一個方面，摻雜劑的非限制性示例包括S、F、B、P、N、As、Se、Te、Ge、Ar、Ga、In、Sb及其組合。應當注意，摻雜劑的範圍不僅包括摻雜劑本身，而且包括表現為傳送此類摻雜劑的材料(即摻雜劑載體)。例如，S摻雜劑不僅包括S，而且包括能夠用於將S摻雜到目標區內的任何材料，例如H2S、SF6、SO2等，包括其組合物。在一個特定的方面，摻雜劑可以是S。硫能夠以在大約5×1014和大約1×1016個離子/cm2之間的離子劑量水平出現。含氟複合物的非限制性示例可以包括ClF3、PF5、F2SF6、BF3、GeF4、WF6、SiF4、HF、CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、C2F6、C2HF5、C3F8、C4F8、NF3等，包括其組合物。含硼複合物的非限制性示例可以包括B(CH3)3、BF3、BCl3、BN、C2B10H12、硼矽酸鹽、B2H6等，包括其組合物。含磷複合物的非限制性示例可以包括PF5、PH3等，包括其組合物。含氯複合物的非限制性示例可以包括Cl2、SiH2Cl2、HCl、SiCl4等，包括其組合物。摻雜劑還可以包括含砷複合物如AsH3等以及含銻複合物。此外，摻雜劑材料可以包括摻雜劑組的混合物或組合物，例如含硫複合物與含氯複合物混合起來。在一個方面，摻雜劑材料可以具有大於空氣密度的密度。在一個具體方面，摻雜劑材料可以包括Se、H2S、SF6或其混合物。在另一個具體方面，摻雜劑可以是SF6，並且可以具有大約5.0×10-8mol/cm3到大約5.0×10-4mol/cm3的預定濃度範圍。SF6氣體是用於通過雷射工藝將硫加入半導體材料的良好載體，而不會對矽材料產生顯著的不利影響。此外，應當注意的是，摻雜劑還可以是n-型或p-型摻雜劑材料溶解在諸如水、酒精或酸性或鹼性溶液等溶液中的液態溶液。摻雜劑還可以是作為粉末或作為乾結到晶片上的懸浮物應用的固態材料。

因此，可以利用電子施主種類或空穴施主種類摻雜第一摻雜區和第二摻雜區，以促使這些區互相比較和/或與矽襯底相比變得極性更正或更負。在一個方面，例如，任一摻雜區均可以被p-摻雜。在另一方面，任一摻雜區均可以被n-摻雜。在一個方面，例如，通過用p+摻雜劑和n-摻雜劑進行摻雜可以使得第一摻雜區的極性為負且第二摻雜區的極性為正。在某些方面，可以使用這些區的n(--)、n(-)、n(+)、n(++)、p(--)、p(+)或p(++)類型摻雜的變體。此外，在某些方面，除了第一摻雜區和第二摻雜區之外還可以對矽材料進行摻雜。可以將矽材料摻雜為具有與第一摻雜區和第二摻雜區中的一個或多個不同的摻雜極性，或者可以將矽材料摻雜為具有與第一摻雜區和第二摻雜區中的一個或多個相同的摻雜極性。在一個特定方面，矽材料可以被摻雜為p-型的，而第一摻雜區和第二摻雜區中的一個或多個可以是n-型的。在另一個特定方面，矽材料可以被摻雜為n-型的，而第一摻雜區和第二摻雜區中的一個或多個可以是p-型的。在一個方面，第一摻雜區或第二摻雜區中的至少一個具有從大約0.1μm2到大約32μm2的表面積。

在另一個方面，可以利用摻雜劑摻雜紋理區和/或矽材料的至少一部分，從而生成背面場。背面場可以起到排斥來自設備背側並朝向結生成的電荷載流子的作用，從而提高採集效率和速度。增加背面場可以提高電荷載流子採集和消耗。背面場的存在還起到抑制來自設備表面的暗電流貢獻的作用。

在另一個方面，如圖3所示，光電子設備可以包括具有第一摻雜區34和與其相關聯的第二摻雜區36的矽材料32，其中第一摻雜區和第二摻雜區形成半導體光電二極體結。紋理區38與矽材料耦合併且被定位成與電磁輻射相互作用。光電子設備還可以包括用於提供電接觸至設備的一側的第一接觸端37和用於提供電接觸至設備的另一側的第二接觸端39。在一個方面，第一接觸端和第二接觸端的電壓極性彼此相反。應當注意的是，在某些方面，第一接觸端和第二接觸端可以在設備的相同側面上(未示出)。此外，支撐襯底35可以耦合到設備，從而為其提供結構穩定性。在一個方面，接觸端之一可以是紋理區的摻雜部分。可以摻雜一部分紋理區或整個紋理區，從而產生接觸端之一。

儘管根據本發明的某些方面的光電子設備可以在無偏壓的情況下以高速工作，但是在一個方面，反向偏壓被施加在第一接觸端和第二接觸端之間。這一反向偏壓可以起到通過更快速地掃描來自矽材料的電荷載流子而降低設備的響應時間的作用。因此，對於使用偏壓的這些情況來說，能夠掃描來自矽材料的電荷載流子的任何偏置電壓被視為在本發明的範圍內。在一個方面，例如，反向偏壓在大約0.001V到大約20V的範圍內。在另一個方面，反向偏壓在大約0.001V到大約10V的範圍內。在又一個方面，反向偏壓在大約0.001V到大約5V的範圍內。在進一步的方面，反向偏壓在大約0.001V到大約3V的範圍內。在更進一步的方面，反向偏壓在大約3V到大約5V的範圍內。在某些方面，可以沒有反向偏壓，或換句話說，在第一接觸端和第二接觸端之間施加0V電壓。在這些情況下，可以通過由第一摻雜區和第二摻雜區產生的結電勢耗盡來自矽材料的電荷載流子。

在某些方面，第一摻雜區和第二摻雜區可以在矽材料的相反側上。例如，如圖4所示，矽材料42可以包括與矽材料的一個表面相關聯的第一摻雜區44和與矽材料的相反側面相關聯的第二摻雜區46。而且，紋理區可以與任一摻雜區相關聯。例如，如圖5所示，矽材料52可以包括與矽材料的一個表面相關聯的第一摻雜區54和與矽材料的相反側面相關聯的第二摻雜區56，其中紋理區58與第一摻雜區相關聯。在另一方面，紋理區與第二摻雜區相關聯(未示出)。在進一步的方面，紋理區可以與每個摻雜區相關聯(未示出)。

在另一方面，如圖6所示，矽材料62可以具有在一個表面上的第一摻雜區64和第二摻雜區66以及在相反表面上的紋理區68。在該情況下，電磁輻射69入射到具有紋理表面的矽材料的側面上。在另一方面，如圖7所示，矽材料72可以在與紋理區78相反的表面上具有第一摻雜區74和第二摻雜區76。抗反射層77可以在與紋理層相反的表面上耦合到矽材料。在某些方面，抗反射層可以位於與紋理區相同的矽材料的側面上(未示出)。而且，在某些方面，透鏡可以光學耦合到矽材料，並且被定位成使入射的電磁輻射聚集到矽材料中。

在本發明的另一方面，提供一種光電二極體陣列。該陣列可以包括：具有入射光表面的矽材料；在矽材料中的至少兩個光電二極體，其中每個光電二極體包括形成結的第一摻雜區和第二摻雜區；以及耦合到矽材料並被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區。紋理區可以是單個紋理區或多個紋理區。此外，對於具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電二極體陣列具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應時間和大於或等於大約0.4A/W的靈敏度。

例如，如圖8所示，矽材料88可以包括至少兩個光電二極體83，每個光電二極體都具有第一摻雜區84和第二摻雜區86。紋理區88被定位成與電磁輻射相互作用。圖8示出了每個光電二極體的單獨紋理區。在某些方面，單個紋理區可以用於增加陣列中多個光電二極體的吸收路徑長度。而且，隔離結構57可以被定位在光電二極體之間，從而電氣地和/或光學地隔離光電二極體。在另一方面，光電二極體陣列可以電子耦合到電子電路以處理由每個光電二極體生成的信號。

各種類型的隔離結構都是可預期的，並且任何此類隔離結構都應視為在本發明的範圍內。隔離結構可以是淺槽隔離或深槽隔離。而且，隔離結構可以包括在傳統的淺隔離和深隔離之間的深度，具體取決於設備的設計。隔離結構可以包括介電材料、反射材料、導電材料及其組合，包括紋理區和其他光擴散特徵。因此，隔離結構可以被配置為反射入射的電磁輻射，在某些情況下直到電磁輻射被吸收，因而增加設備的有效吸收長度。

光電二極體陣列可以具有多種用途。例如，在一個方面，該陣列可以是成像器。可以預期多種類型的成像器，並且任何此類成像器或成像應用都被視為在本發明的範圍內。非限制性示例包括三維成像、機器視覺、夜視、安全和監視、各種商業應用、雷射測距和標記等。因此，在例如三維成像的情況下，該陣列可操作以便檢測反射的光學信號和發射的光學信號之間的相位延遲。

舉一個實例來說，各種應用可以得益於深度信息，例如免手持姿態控制、視頻遊戲、醫療應用、機器視覺等。渡越時間(TOF)是被開發用於雷達和LIDAR(光探測和測距)系統以提供深度信息的技術。TOF的基本原理涉及發送信號並測量來自目標的返回信號的特性。所測量的特性被用於確定TOF。因此，通過使得TOF的一半與信號速度相乘獲得到目標的距離。

圖9示出了具有多個空間分離的表面的目標的飛行時間測量。等式(III)可以用於測量到目標的距離，其中d是到目標的距離並且c是光的速度。

通過測量光從光源92發射、傳播到目標94並從其返回所需的時間(例如，TOF)，可以推導出光源(例如，發光二極體(LED))與目標表面之間的距離。對於成像器而言，如果每個像素都可以執行上述TOF測量，則可以實現目標的三維成像。當目標相對接近光源時，由於光速較大，利用TOF方法進行距離測量變得困難。因此，在一個方面，TOF測量可以利用調製的LED光脈衝，並且測量發射光與接收光之間的相位延遲。基於相位延遲和LED脈衝寬度，可以推導出TOF。

TOF概念已經被用於CMOS和CCD傳感器以獲得來自每個像素的深度信息。在許多傳統的三維TOF傳感器中，紅外光LED或雷射器發射經調製的光脈衝來照亮目標。測量的發射光和接收光之間的相位偏移可以用於推導出深度信息。然而，這些方法可能具有各種棘手的問題。例如，如果兩個目標之間的TOF之差等於光源調製頻率的半周期，則出現模糊(例如，混淆現象)。為了解決模糊問題，通常使用的方法是利用多個調製頻率測量相同的場景。此外，由於使用近紅外光LED或雷射器，所以通過相同的三維TOF傳感器一般無法實現良好的彩色圖像，因為不能使用紅外(IR)截止濾波器。另外，許多當前的三維TOF傳感器以滾動快門模式工作。在滾動快門模式中，通過垂直地或水平地掃描越過一個幀來捕獲圖像。已知運動偽像伴隨使用滾動快門模式的攝像機並且可能嚴重地降低深度圖的質量。當環境光在信號輸出中生成不期望的偏移時出現另一個問題。涉及信號偏移的光子快射噪聲將降低涉及經調製的近紅外(NIR)發光二極體(LED)的有用信號的信噪比(SNR)。因此，許多當前的三維TOF成像器不能在戶外工作(例如，明亮的環境光)。除了環境光之外，任何暗電流也將促成不期望的偏移，其與正常可見像素相同。

作為一個示例，具有增強的紅外響應的三維像素如TOF三維像素可以提高深度準確性。在一個方面，光成像器陣列可以包括彼此單片/單獨地布置的至少一個三維紅外光檢測像素和至少一個可見光檢測像素。圖10a-c示出此類陣列的像素布置的非限制性示例配置。

圖10a示出了具有紅色像素102、藍色像素104和綠色像素106的像素陣列布置的一個示例。此外，還包括在光譜的紅外區具有增強的靈敏度或可檢測能力的兩個三維TOF像素(108和109)。兩個三維像素的組合允許更好的深度感知。在圖10b中，所示的像素布置包括圖10a中所描述的成像器，以及紅色像素、藍色像素和兩個綠色像素的三個陣列。本質上，一個TOF像素(108和109)替換RGGB像素設計的四分之一。在該配置中，增加一些綠色像素允許捕獲更多人眼所需的綠色靈敏度所需的綠色波長，與此同時捕獲用於深度感知的紅外光。應當注意，本發明的範圍不應被像素陣列的數量或布置方式所限制，並且任何數量和/或布置方式都包括在本發明的範圍內。圖10c示出了根據另一方面的像素的另一種布置。

可以預期各種成像器配置和部件，並且任何此類成像器配置和部件都應視為在本發明的範圍內。這些部件的非限制性示例可以包括載體晶片、抗反射層、電介質層、電路層、通孔(via)、傳輸門、紅外濾波器、顏色濾波器陣列(CFA)、紅外截止濾波器、隔離特徵等。此外，這些設備可以具有光吸收特性和元件，其在2010年9月17日提交的美國專利申請號12/885,158中已經公開，該申請的整體內容以參考方式合併於此。

如前所述，TOF像素可以具有關於像素(on-pixel)的光學窄帶帶通濾波器。窄帶帶通濾波器設計可以匹配經調製的光源(LED或雷射器)發射光譜，並且可以顯著降低不期望的環境光，這可能進一步提高經調製的紅外光的信噪比。提高紅外QE的另一個益處是用於高速三維圖像捕獲的高幀速操作的可能性。集成的紅外截止濾波器可以允許具有高保真顏色渲染的高質量可見圖像。將紅外截止濾波器集成到傳感器晶片上還可以降低攝像機模塊的總系統成本(由於去除了典型的IR濾光鏡)並精簡模塊輪廓(對移動應用有好處)。

由於速度和檢測被提高，QE增強的成像器的厚度和靈敏度可能對TOF像素操作產生顯著影響。增大的QE將促使圖像信噪比更高，這將大大降低深度誤差。此外，厚度小於大約100μm的矽材料的增大的QE可以允許像素降低信號的擴散分量，從而可以提高電荷採集和轉移速度，這對TOF像素操作是有好處的。一般地，在像素內產生的光生載流子將取決於兩種採集機制：漂移和擴散。對于波長較短的光，大多數電荷載流子將在設備的淺區和二極體的耗盡區內生成。這些載流子可以通過漂移相對快速地採集。對於紅外光，大多數光生載流子在矽材料內的更深處生成。為了實現更高的QE，一般使用較厚的矽層。因此，大多數電荷載流子將在二極體的耗盡區外生成，並且將依賴於擴散進行採集。然而，對於三維TOF像素，光生載流子的快速採樣是有利的。

對於根據本發明的某些方面的設備，在矽材料的薄(即，小於100μm)層內可以實現高QE。因此，可以通過漂移機制採集生成的基本所有載流子。這允許快速電荷採集和轉移。

圖11示出了根據本發明的一個方面的允許全局快門操作的六電晶體(6-T)結構的示例性示意圖。該像素可以包括光電二極體(PD)、全局復位(Global_RST)、全局傳輸門(Global_TX)、存儲節點、傳輸門(TX1)、復位(RST)、源跟蹤器(SF)、浮動擴散(FD)、行選擇電晶體(RS)、電源(Vaapix)和電壓輸出(Vout)。由於使用額外的傳輸門和存儲節點，因此允許相關雙採樣(CDS)。因此，讀噪聲應當能夠匹配典型的CMOS 4T像素。

圖12示出了根據本發明的一個方面的三維TOF像素的示例性示意圖。該三維TOF像素可以具有11個電晶體以便完成目標的深度測量。在該實施例中，三維像素可以包含光電二極體(PD)、全局復位(Global_RST)、第一全局傳輸門(Global_TX1)、第一存儲節點、第一傳輸門(TX1)、第一復位(RST1)、第一源跟蹤器(SF1)、第一浮動擴散(FD1)、第一行選擇電晶體(RS1)、第二全局傳輸門(Global_TX2)、第二存儲節點、第二傳輸門(TX2)、第二復位(RST2)、第二源跟蹤器(SF2)、第二浮動擴散(FD2)、第二行選擇電晶體(RS2)、電源(Vaapix)和電壓輸出(Vout)。其他電晶體可以包括在該三維結構中，並且應當視為在本發明的範圍內。具有11個電晶體的特定實施例可以由於全局快門操作而減少運動偽像，因而提供更準確的測量。

如前所述，光電二極體陣列可以用於各種通信應用。例如，該陣列可以用於檢測脈衝光信號。這些脈衝光信號可以用於高速傳輸數據。通過利用具有快速響應時間的光電二極體，可以檢測非常短的脈衝寬度，因而提高數據通信的速度。在一個方面，例如，脈衝光信號可以具有從大約1飛秒到大約1微秒的脈衝寬度。在另一方面，至少兩個光電二極體可操作以便以至少1Gbps的速度發射數據。在另一方面，至少兩個光電二極體可操作以便以至少2Gbps的速度發射數據。

在一個方面，提供一種形成方形光電二極體陣列(方形陣列)的四光電二極體陣列。方形陣列可以用於多種應用，包括通信、雷射測距、雷射準直等。在某些方面，四個光電二極體可以具有一致的光響應，或換句話說，四個光電二極體對於相同的波長範圍是選擇性的。也可能有益的是，方形陣列中的光電二極體之間只有很少或沒有電串擾和/或光學串擾。為此，有利的是，隔離結構可以布置在光電二極體之間。一些應用也可以得益於根據本發明的某些方面的光電二極體的高速工作。圖13和圖4示出了方形陣列的示例性配置。圖13示出了包括矽材料132和摻雜區134的四個光電二極體130的方形陣列。摻雜區是由形成結的多個摻雜區組成的。隔離結構136位於光電二極體之間，從而電氣和/或光學隔離光電二極體以免不期望的串擾。圖14示出圓形配置中的相似布置。該陣列包括四個光電二極體140，其中每個光電二極體140包括矽材料142、摻雜區144和隔離結構146。除了本文中討論的這些材料之外，隔離結構可以包括用於電隔離的電介質材料和對入射到溝槽壁上的光具有高反射率的金屬材料。在一個方面，可以比矽材料更重地摻雜隔離區之間的二極體的側面和表面，從而約束在帶邊沿處的費米能級(Fermi level)並減少暗電流。光電二極體還可以包括與矽材料相反的導電類型的掩埋層。在某些方面，矽材料的摻雜可以保持為較低並且厚度可以變薄，從而提供對光信號更快的響應時間。紋理區可以起到向後散射穿過矽材料的光的作用，因而提高近紅外靈敏度。

在另一個方面，提供一種提高光電子設備的速度的方法。如圖15所示，該方法可以包括對矽材料中的至少兩個區進行摻雜以形成至少一個結152，以及使得矽材料具有紋理結構，從而形成定位成與電磁輻射154相互作用的紋理區。對於具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個波長的電磁輻射，該光電子設備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應時間和大於或等於大約0.4A/W的靈敏度。

當然，理解的是，以上所述的布置僅僅是為了說明本發明的原理的應用。在不偏離本發明的精神和保護範圍的情況下，本領域技術人員可以設想許多修改和變化布置，並且希望隨附的權利要求涵蓋這些修改和變化。因此，雖然以上結合目前被認為是本發明的最實際和最優選的實施例特別詳細地描述了本發明，但是本領域普通技術人員將理解，在不偏離本文中闡述的原理和概念的情況下，可以做出許多改進，包括但不限於尺寸變化、材料變化、形狀變化、形態變化、功能和操作方式變化、裝配及用途變化。