CN101449388A - 光敏感面积与光不敏感面积的比例增加的光电二极管 - Google Patents

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Abstract

一种光电二极管，其具有增加的光敏感面积与光不敏感面积的比例，该光电二极管包括具有后侧表面和光敏感前侧表面的半导体。该半导体包括具有第一导电性的第一有源层、具有与第一导电性相反的第二导电性的第二有源层以及将第一和第二有源层分开的本征层。多个隔离沟槽设置为将光电二极管分成多个单元。每个单元都具有包括对光敏感的单元有源前侧面积和对光不敏感的单元无源前侧面积的总前侧面积。单元有源前侧面积构成单元总前侧面积的至少95％。还公开了形成该光电二极管的方法。

Description

光敏感面积与光不敏感面积的比例增加的光电二极管
技术领域
本发明的实施方案涉及到正—本征—负(PIN)或者负—本征—正(NIP)光电二极管阵列，以及制造PIN/NIP光电二极管阵列的方法。
背景技术
正—本征—负(PIN)光电二极管(或者“PIN二极管”)在本领域中是公知的。PIN光电二极管包括夹在分别用作阳极和阴极的较重的p掺杂和n掺杂半导体区之间的轻掺杂本征区。PIN光电二极管的传感器表面通常涂覆有氧化物或氮化物钝化层。PIN二极管的名字源于正、本征和负(P-I-N)材料的叠层顺序。
一般来说，光电二极管是将光转化成电流的半导体器件。PIN二极管通常在其作为入射辐射的强度、波长和调制率的函数的电导率方面显示出增加。
发明内容
简要地说，本发明的实施方案包括光敏感面积与光不敏感面积的比例增加的光电二极管。该光电二极管包括具有后侧表面和光敏感前侧表面的半导体。该半导体包括具有第一导电性的第一有源层、具有与第一导电性相反的第二导电性的第二有源层以及将第一和第二有源层分开的本征层。多个隔离沟槽设置为将光电二极管分成多个单元。每个单元都具有包括对光敏感的单元有源前侧面积和对光不敏感的单元无源前侧面积的总前侧面积。单元有源前侧面积构成单元总前侧面积的至少95％。
本发明的另一实施方案包括制造光敏感面积与光不敏感面积的比例增加的光电二极管的方法。该方法包括提供具有前侧表面和后侧表面的半导体的步骤。该半导体包括具有第一导电性的第一有源层、具有与第一导电性相反的第二导电性的第二有源层以及将第一和第二有源层分开的本征层。该方法还包括形成设置为将光电二极管分成多个单元的隔离沟槽的步骤。该隔离沟槽具有至少5.0的深度与宽度比。该方法还包括在每个单元中形成通孔的步骤。每个通孔都具有至少7.0的长度与直径比。该方法又包括形成与第二有源层和通孔电连通的每个单元的前侧电触点的步骤。每个单元都具有包括对光敏感的单元有源前侧面积和对光不敏感的单元无源前侧面积的总前侧面积。该单元有源前侧面积构成单元总前侧面积的至少95％。
附图说明
当结合附图阅读时将更好地理解本发明优选实施方案的以下详细描述。为了说明本发明的目的，附图中示出了目前优选的实施方案。然而应当理解，本发明不限于所示出的精确排列和手段。附图中：
图1是根据本发明优选实施方案的光电二极管的前侧俯视图，所示出的附图省略了外围和内部隔离沟槽，且所示出的附图也省略了前侧氧化物层；
图2是沿着图1的线2—2取得的图1的光电二极管的侧面剖视图；和
图3A-3D是用于生产图1的光电二极管的制造方法的步骤的流程图。
具体实施方式
仅为了方便起见，以下描述中使用某些术语，且这些术语不作限制作用。词“右”、“左”、“下部”和“上部”指所参考的图中的方向。词“向里”和“向外”分别是指指向和远离所描述物体几何中心及其所指部件的方向。术语包括上面具体提到的词、其派生词以及相似意义的词。此外，如在权利要求书和说明书相应部分中使用的词“一”和“一个”指的是“至少一个”。
如在此所使用的，导电性的参考应当反映所示出和所描述的实施方案。然而，本领域技术人员知道p型导电性能可以与n型导电性相转换且该器件在功能方面仍正确。因此，在此使用了导电性的地方，技术人员应当意识到在以n型导电性作参考的地方，可替换为p型导电性，反之亦然。
图1和2以由所示光电二极管真实实施方案的实际尺寸大大放大的比例示出。然而，所示光电二极管元件的相对比例是按比例示出的。
详细参考附图，其中贯穿全文相似附图标记表示相似元件，图1—2中示出了根据本发明优选实施方案的正—本征—负(PIN)光电二极管10。PIN光电二极管10优选分成多个单元20。尽管在一些应用中单元12的数量可更大或更小，但是于图1中示出了四个单元12。光电二极管10是具有光敏感前侧表面12和后侧表面14的半导体。光电二极管10包括形成第一有源层32的半导体基板30。第一有源层32具有后侧表面34和前侧表面36。用具有第一导电性的掺杂剂重掺杂第一有源层32。第一导电性优选是n型，且第一有源层32优选形成阴极。作为替换，第一导电性可以是p型，且第一有源层32可形成阳极。优选地，基板30由硅(Si)形成，但是作为替换，其可由其他材料诸如砷化镓(GaAs)、锗(Ge)和半导体制造领域中非常公知的其它适合材料形成。
第二半导体层40形成在基板20上，并且随后加工以形成本征层50和第三层60。第二层40具有与第一有源层前侧表面36相邻的后侧表面42和前侧表面44。第二层40具有第二导电性，且优选用n型掺杂剂最初轻掺杂第二层40。作为替换，第二层40可由基本不含有杂质的半导体材料形成。在形成第三层60中，第二层40的上部较重掺杂，如以下将进一步描述的，留下第二层40的下部以形成本征层50，其具有与最初的第二层40相同的掺杂特性。
第三半导体层60形成具有与第一导电性相反的第二导电性的第二有源层62。第三层60通过使用具有与第一导电性相反的导电性的掺杂剂毯式掺杂第二层的上部形成。由此，优选地，第二有源层62的导电性优选为p型，且第二有源层62优选形成阳极。作为替换，第二导电性可以是n型，且第二有源层可形成阴极。第二有源层62具有后侧表面64和前侧表面66(与第二层前侧表面44相重合)。该本征层50将第一和第二有源层32和62分开。
优选地，前侧氧化物层70形成在第二有源层前侧表面66上。前侧氧化物层70具有与第二有源层前侧表面66相邻的后侧表面72和前侧表面74。氧化物层70(如果存在的话)形成改善光电二极管10的光吸收效率的介电干涉反射镜。
优选地，后侧氧化物层90形成在第一有源层后侧表面34上。后侧氧化物层90具有后侧表面92和前侧表面94。前侧表面94与第一有源层后侧表面34相邻。
形成多个隔离沟槽100且该多个隔离沟槽100至少部分用于将光电二极管10分成单元20。如半导体制造领域中所公知的，沟槽100降低了单元20之间的电串扰。沟槽100深度为D，其穿过第二有源层62和本征层50延伸，且至少部分延伸到第一有源层32中。优选提供外围沟槽102和内部沟槽104。外围沟槽102在光电二极管10外部周边附近延伸。内部隔离沟槽104设置为将光电二极管10分成单元20，将每个单元20相互电隔离。每个沟槽100都包括设置在距离第二有源层前侧表面66的深度D处的沟槽底部106和沟槽侧壁108。如以下将进一步讨论的，沟槽侧壁108可以用氧化物或氮化物涂层作为内衬以在侧壁108上形成介电膜110。作为替换，可用第一导电性的掺杂剂掺杂侧壁108，以形成沿着每个隔离沟槽侧壁108延伸隔离沟槽深度的侧壁有源扩散区。隔离沟槽100填充有材料诸如多晶硅112。内部沟槽104具有宽度W。优选地，深度D和宽度W之比至少为5.0。
每个单元20都提供有用于电连接第二有源层62与后侧接触垫150的通孔120。每个通孔120都优选截面为圆形，具有直径φ。作为替换，也可提供其它截面形状。注意，不论提供什么样的截面形状，都存在具有相同面积(以及与相同面积相应的直径)的等效的圆形形状。
每个通孔120都具有接近光电二极管前侧表面12的第一端122和接近光电二极管后侧表面14的第二端124，以及在第一和第二端122、124之间延伸的长度。优选地，每个通孔120的长度是通孔120直径(或者相应于相同圆形面积的直径)的至少7倍。
通孔侧壁126用氧化物或氮化物涂层作为内衬以在侧壁126上形成介电膜128。介电膜128由一材料形成且具有适合于允许介电膜128抵抗横跨介电膜128产生的电压差的厚度。通孔120填充有第二有源层62的导电类型(也就是，优选p型)的导电材料130，诸如掺杂的多晶硅。
前侧电触点140形成在光电二极管前侧表面12上，且提供给定单元20内部的第二有源层62和与该单元20相关的通孔120之间的电路经。前侧电触点140具有与通孔120电接触的第一端142和与第二有源层62电接触的第二端144。前侧电触点140具有在基本平行于前侧表面的方向上且在至通孔的连接和至第二有源层的连接之间延伸的长度L。长度L优选不大于通孔直径φ(或者与通孔的相同圆形截面面积相应的直径)的3倍。
在所示出的实施方案中，前侧电触点第一端142穿过形成在前侧氧化物层70中的通孔接触窗80延伸，同时前侧电触点第二端144穿过第二有源层接触窗78延伸。而且，所示出的实施方案包括设置在前侧电触点140下方的前侧氧化物层70的一部分76。如果需要的话，为了减小前侧电触点第一和第二端142、144之间的路径长度，可连接第二有源层接触窗78和通孔接触窗80，以消除设置在前侧电触点140下方的前侧氧化物层70的该部分76。
第二有源层后侧电触点150形成在光电二极管后侧表面14上，且提供了允许连接外部器件(未示出)的电触点。第二有源层后侧电触点150具有与通孔第二端124电接触的第一端152。在所示出的实施方案中，第二有源层后侧电触点第一端152穿过形成在后侧氧化物层90中的通孔接触窗96延伸。
第一有源层后侧电触点160也形成在光电二极管后侧表面14上，且也提供允许连接外部器件(未示出)的电触点。第一有源层后侧电触点160具有与第一有源层后侧表面34电接触的第一端162。在所示出的实施方案中，第一有源层后侧电触点第一端162穿过形成在后侧氧化物层90中的第一有源层接触窗98延伸。
本发明的光电二极管10提供了光敏感面积与光不敏感面积的比例增加的第二有源层62。在所示出的实施方案中，每个单元20都具有等于在第一方向上的长度Lx乘以垂直于第一方向的第二方向上的长度Ly的总前侧面积。总单元前侧面积的95％对光是敏感的，剩余的总单元前侧面积的至多5％对光是无源的或者是不敏感的。单元无源前侧面积包括由通孔第一端122形成的通孔前侧面积。单元无源前侧面积进一步包括与前侧电触点140相关的前侧面积。电触点前侧面积优选最多是单元总前侧面积的4％，而通孔前侧面积最多是单元总前侧面积的2％。
光电二极管前侧12具有包括对光敏感的半导体有源面积和对光不敏感的半导体无源面积的总面积，半导体有源面积等于每个单元有源前侧面积的总和，半导体无源面积包括每个单元无源前侧面积以及由隔离沟槽100的上表面限定的沟槽无源前侧面积。优选地，半导体有源面积构成半导体总面积的至少90％。
现在参考图3A—3D，以图示形式说明光电二极管10的制造方法200。仅为了方便起见，方法200的步骤由“第一”、“第二”等表示，且这种命名法不必表示所进行步骤的顺序。方法200包括第一步骤210，形成掺杂以提供具有第一导电性的第一有源层32的半导体基板20。基板20可以以任意数目的公知、常规方法诸如浮动区域单晶生长技术或者Czochralski(CZ)晶体生长技术形成。在第二步骤220中，在基板20上形成具有第二导电性的第二层30。再次地，可以使用公知的常规方法诸如分子束外延或化学气相外延或直接晶片键合形成第二层30。在第三步骤230中，形成蚀刻掩模(未示出)。蚀刻掩模是常规的，例如是光致抗蚀剂掩模或者氧化物和光致抗蚀剂掩模的组合。构图蚀刻掩模以形成通孔120。
通过离子注入、固体扩散、液体扩散、旋涂沉积、等离子体掺杂、气相掺杂、激光掺杂等中的一种进行掺杂。用硼B掺杂导致较重的p型区，用磷P掺杂导致较重的n型区，而用砷Ar掺杂导致较重的n型区。根据半导体基板20的材料和所需的掺杂强度，可利用其他掺杂剂，诸如锑Sb、铋Bi、铝Al、铟In、镓Ga等。
可通过扩散施加掺杂剂。将半导体基板20放入在约700℃至1200℃下的适当扩散室中，其接近固体源诸如硼或磷。作为替换，半导体基板20可暴露到约700℃至1200℃下的掺杂剂的液体源。
作为替换，可注入掺杂剂。以约40到1000千电子伏(KeV)范围内的高能量级用硼B、磷P、砷Ar等注入半导体基板20。优选地，能量级在约200至1000KeV的范围内，但是应当意识到，应当选择能量级以充分注入掺杂剂。进行高达1200摄氏度温度下的另一推进步骤达12小时，以使所注入掺杂剂充分推进到基板中。
在第四步骤240中，通过常规蚀刻工艺形成通孔120。例如，可以使用等离子蚀刻、反应离子蚀刻(RIE)或化学蚀刻来蚀刻通孔120。如果需要的话，可以使用加工步骤诸如各向同性等离子体蚀刻或深离子蚀刻诸如深RIE平整化通孔120。部分半导体基板20或者整个器件都可具有生长于其上的牺牲二氧化硅层，且之后可使用缓冲氧化物蚀刻或稀释氢氟(HF)酸蚀刻等进行蚀刻以产生平整表面和/或圆化拐角，从而减少残余应力以及不希望的污染。
在第五步骤250中，通孔侧壁126以氧化物或氮化物作为内衬以形成侧壁介电膜128。使用半导体制造领域中公知的常规沉积技术形成介电膜128。在第六步骤260中，去除蚀刻掩模。在第七步骤270中，用被掺杂以具有第二有源层62导电性(优选为p型)的材料130诸如多晶硅填充通孔120。在第八步骤280中，使用常规平整化技术从至少第二层前侧表面44去除过量填充材料130。
在第九步骤290中，使用常规技术在第二层前侧表面44上形成常规氧化物和光致抗蚀剂蚀刻掩模(未示出)。构图第九步骤290的蚀刻掩模以形成隔离沟槽100。在第十步骤300中，通过常规半导体制造工艺，诸如等离子体蚀刻、反应离子蚀刻(RIE)或化学蚀刻，形成隔离沟槽100。如果需要的话，可以使用常规工艺，诸如等离子体蚀刻或湿法蚀刻，平整化沟槽侧壁108。将沟槽100形成为具有深度D。至少将内部沟槽104形成为具有宽度W。
在优选的第十一步骤310中，蚀刻与沟槽100上边缘相邻的氧化物层(未示出)以形成底切区(未示出)。优选使用湿法蚀刻工艺形成底切区。在第十二步骤320中，沟槽侧壁108以氧化物或氮化物作为内衬以形成沟槽侧壁介电膜110。使用半导体制造领域中公知的常规沉积技术形成介电膜110。作为替换，制造方法200可包括用第一导电性的掺杂剂掺杂沟槽侧壁108的步骤，以形成沿着每一隔离沟槽侧壁108延伸隔离沟槽深度的侧壁有源扩散区。
在第十三步骤330中，去除第九步骤290的蚀刻掩模(未示出)。在第十四步骤340中，用材料112诸如未掺杂的多晶硅填充沟槽100。在第十五步骤350中，优选使用常规平整化技术从至少第二层前侧表面44去除过量填充材料112。
在第十六步骤360中，使用优选为p型的第二有源层62的导电性的掺杂剂毯式掺杂第二层40的上部。可使用常规掺杂技术，包括离子注入、固体扩散、液体扩散、旋涂沉积、等离子体掺杂、气相掺杂和激光掺杂。在第十七步骤370中，注入第十六步骤360中采用的掺杂剂。在第十八步骤380中，注入还未被沟槽100覆盖的光电二极管前表面12的任意轻掺杂区、通孔120或者第二有源层62。在第十九步骤390中，对光电二极管10进行常规的高温推入工艺以活化所注入的掺杂剂。
在第二十步骤400中，在第二有源层前侧表面66上形成常规二氧化硅和光致抗蚀剂蚀刻掩模。蚀刻掩模的二氧化硅部分是前侧氧化物层70。构图蚀刻掩模以形成第二有源层接触窗78和通孔接触窗80。在第二十一步骤410中，形成第二有源层接触窗78和通孔接触窗80，其穿过前侧氧化物层70延伸。在第二十二步骤420中，去除蚀刻掩模的光致抗蚀剂部分。
在第二十三步骤430中，形成第二有源层前侧电触点140，其在第二有源层接触窗78和通孔接触窗80之间延伸。第二有源层前侧电触点140与第二有源层62和通孔120电连通。使用半导体制造领域中公知的常规技术，诸如溅射、蒸发和/或电镀，形成前侧电触点140。前侧电触点140可由用于形成电触点的常规材料形成，所述材料诸如铝、铝硅合金、铜、金、银、钛、钨或镍。
在第二十四步骤440中，从第一有源层后侧表面34去除任何过量的通孔填充材料130。在第二十五步骤450中，在第一有源层后侧表面34上形成常规二氧化硅和光致抗蚀剂蚀刻掩模。蚀刻掩模的二氧化硅部分是后侧氧化物层90。构图蚀刻掩模以形成至少一个第一有源层接触窗98和后侧通孔接触窗96。在第二十六步骤460中，形成第一有源层接触窗98和后侧通孔接触窗96，其穿过后侧氧化物层90延伸。在第二十七步骤470中，去除蚀刻掩模的光致抗蚀剂部分。
在第二十八步骤480中，形成第一有源层电触点160，其从第一有源层接触窗98延伸。第一有源层电触点160与第一有源层32电连通。相似地，在第二十九步骤490中，形成第二有源层后侧电触点150，其从后侧通孔接触窗96延伸。第二有源层后侧电触点150经由通孔120与第二有源层62电连通。使用半导体制造领域中公知的常规技术诸如溅射、蒸发和/或电镀形成第一有源层电触点160和第二有源层后侧电触点150。电触点150、160可由用于形成电触点的常规材料形成，所述材料诸如铝、铝硅合金、铜、金、银、钛、钨或镍。最后，在第三十步骤500中，钝化光电二极管前侧和后侧表面12、14，使第一有源层和后侧通孔接触垫160、150暴露出来，用于与外部器件(未示出)电连接。
由前述内容，可看出本发明的实施方案涉及具有前侧电触点、通孔和设置为便于增加总前侧面积中光敏感前侧面积的比例的隔离沟槽的光电二极管。本发明的实施方案进一步涉及制造这种光电二极管的方法。本领域技术人员应当理解，可对上述实施方案作出改变，而不超出其宽泛的发明原理。因此应当理解，本发明不限于所公开的特定实施方案，而是旨在覆盖本申请的构思和范围内的改进。

Claims (20)

1.一种光敏感面积与光不敏感面积的比例增加的光电二极管，其包括：
半导体，该半导体具有后侧表面和光敏感前侧表面且包括：
具有第一导电性的第一有源层，
具有与第一导电性相反的第二导电性的第二有源层，和
将第一和第二有源层分开的本征层；和
多个隔离沟槽，其设置为将光电二极管分成多个单元，每个单元都具有包括对光敏感的单元有源前侧面积和对光不敏感的单元无源前侧面积的总前侧面积，且该单元有源前侧面积构成该单元总前侧面积的至少95％。
2.如权利要求1的光电二极管，其中：
所述隔离沟槽一起限定了沟槽无源前侧面积；
所述半导体的前侧表面具有包括半导体有源面积和半导体无源面积的总面积，所述半导体有源面积等于每个单元有源前侧面积的总和，所述半导体无源面积包括每个单元无源前侧面积和沟槽无源前侧面积；并且
半导体有源面积构成半导体总面积的至少90％。
3.如权利要求1的光电二极管，其中每个单元都包括通孔和前侧电触点，所述通孔具有构成一部分单元无源前侧面积的通孔前侧面积，所述前侧电触点具有也构成一部分单元无源前侧面积的电触点前侧面积。
4.如权利要求3的光电二极管，其中电触点前侧面积小于单元总前侧面积的4％。
5.如权利要求3的光电二极管，其中通孔前侧面积小于单元总前侧面积的2％。
6.如权利要求3的光电二极管，其中每个通孔都具有至少等于7.0的通孔长度与通孔直径之比。
7.如权利要求3的光电二极管，其中前侧电触点具有在基本平行于前侧表面的方向上且在通孔和至第二有源层的连接之间延伸的长度，该长度不大于通孔直径的三倍。
8.如权利要求1的光电二极管，其中每个隔离沟槽都具有至少等于5.0的隔离沟槽深度与隔离沟槽宽度之比。
9.如权利要求1的光电二极管，其还包括设置在半导体后侧表面上的至少一个阴极接触垫和至少一个阳极接触垫。
10.如权利要求1的光电二极管，其中第一导电性是p型和n型中的一种，并且第二导电性是p型和n型中的另一种。
11.如权利要求1的光电二极管，其中第一有源层是阴极和阳极中的一种，并且第二有源层是阴极和阳极中的另一种。
12.如权利要求1的光电二极管，其中每个隔离沟槽沿着沟槽深度的形状基本呈线性且具有在深度方向上延伸的纵轴。
13.如权利要求12的光电二极管，其中隔离沟槽纵轴基本上垂直于所述前侧表面。
14.一种制造光敏感面积与光不敏感面积的比例增加的光电二极管的方法，该方法包括：
提供半导体，该半导体具有前侧表面和后侧表面且包括：
具有第一导电性的第一有源层，
具有与第一导电性相反的第二导电性的第二有源层，和
将第一和第二有源层分开的本征层；
形成设置为将光电二极管分成多个单元的隔离沟槽，其中隔离沟槽具有至少为5.0的深度与宽度比；
在每个单元中形成通孔，其中每个通孔都具有至少为7.0的长度与直径比；和
形成与第二有源层和通孔电连通的每个单元的前侧电触点，每个单元都具有包括对光敏感的单元有源前侧面积和对光不敏感的单元无源前侧面积的总前侧面积，且单元有源前侧面积构成单元总前侧面积的至少95％。
15.如权利要求14的制造光电二极管的方法，其中：
所述隔离沟槽一起限定沟槽无源前侧面积；
所述半导体的前侧具有包括半导体有源面积和半导体无源面积的总面积，所述半导体有源面积等于每个单元有源前侧面积的总和，所述半导体无源面积包括每个单元无源前侧面积和沟槽无源前侧面积；并且
半导体有源面积构成半导体总面积的至少90％。
16.如权利要求14的制造光电二极管的方法，其中每个通孔都具有构成一部分单元无源前侧面积的通孔前侧面积，并且每个前侧电触点都具有也构成一部分单元无源前侧面积的电触点前侧面积。
17.如权利要求16的制造光电二极管的方法，其中电触点前侧面积小于单元总前侧面积的4％。
18.如权利要求16的制造光电二极管的方法，其中通孔前侧面积小于单元总前侧面积的2％。
19.如权利要求14的制造光电二极管的方法，该方法进一步包括：在半导体后侧表面上形成至少一个阴极接触垫和在半导体后侧表面上形成至少一个阳极接触垫的步骤。
20.如权利要求14的制造光电二极管的方法，该方法进一步包括：在半导体前侧和后侧中的一个上形成氧化物层。
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