CN102349161B - 接收辐射的半导体器件和光电子部件 - Google Patents

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Abstract

本发明说明了一种接收辐射的半导体器件，其具有：半导体本体(1)，其以硅形成并且具有辐射入射面(1a)以及吸收区(2)，在吸收区中吸收通过辐射入射面(1a)进入半导体本体(1)的电磁辐射(10)，其中吸收区(2)具有最大10μm的厚度(d)；滤光层(3)，其以介电材料形成，其中滤光层(3)覆盖半导体本体(1)的辐射入射面(1a)；以及浇注体(4)，其至少在半导体本体(1)的辐射入射面(1a)上遮盖该半导体本体，其中浇注体(4)包含吸收辐射的材料(5)。

Description

接收辐射的半导体器件和光电子部件
本发明提出了一种接收辐射的半导体器件。此外，还提出了一种具有这种接收辐射的半导体器件的光电子部件。
一个要解决的任务在于提出一种接收辐射的半导体器件，其光谱灵敏度特别良好地与人眼的光谱灵敏度匹配。另一要解决的任务在于提出一种具有这种接收辐射的半导体器件的光电子部件。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，该半导体器件包括半导体本体，其借助硅形成。也就是说，接收辐射的半导体器件的半导体本体基于硅。该半导体本体例如包括至少一个pn结，其通过借助硅形成的半导体本体的p掺杂区域和借助硅形成的半导体本体的n掺杂区域形成。半导体本体在此可以(除掺杂材料之外)由硅构成。
尤其是半导体的其中吸收电磁辐射并且将电磁辐射转换成电流的区域(除掺杂材料之外)由硅构成。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，该接收辐射的半导体器件的半导体本体包括辐射入射面。半导体本体的辐射入射面例如通过主面(例如在半导体本体的上侧)形成。通过辐射入射面，要检测的电磁辐射入射到半导体本体中。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，该半导体本体具有吸收区，在该吸收区中通过辐射入射面入射到半导体本体中的电磁辐射被吸收。仅仅在吸收区中，所吸收的电磁辐射在此对产生电流有贡献，并且由此对产生接收辐射的半导体器件的信号有贡献。
在不同于吸收区的区域中吸收的电磁辐射对于接收辐射的半导体器件的信号没有贡献。电磁辐射例如在半导体本体的、在吸收区之外的区域中被吸收。吸收区在此可以直接与半导体本体的辐射入射面邻接。也就是说，辐射入射面例如位于半导体本体的主面中，该主面在半导体本体的上侧上，于是吸收区可以从辐射入射面延伸至半导体本体中达到确定的深度。也就是说，吸收区于是从在半导体本体的上侧上的辐射入射面朝着半导体本体的背离上侧的下侧延伸直至一定深度。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，吸收区具有最大10μm的厚度。优选地，吸收区具有在1.5μm到7.5μm之间的厚度，特别优选在至少2μm到最大5μm之间的厚度。通过如此薄的吸收区，例如保证了接收辐射的半导体器件的最大灵敏度从在800nm到900nm之间的范围中的比较长的波长推移到在例如500nm到600nm之间的较短波长的范围中。也就是说，在薄的吸收区中对较短波长的吸收比对较长波长的辐射的吸收概率更大。未被吸收的电磁辐射可以穿过吸收区并且例如在半导体本体的如下区域中吸收：在该区域中未被吸收的电磁辐射不会对接收辐射的半导体器件的信号形成有贡献。
吸收区的厚度在此例如在如下方向上被测量：该方向垂直于接收辐射的半导体器件的辐射入射面。例如，该方向也可以是半导体本体的外延沉积部分的生长方向。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，接收辐射的半导体器件包括滤光层，滤光层以介电材料形成，其中滤光层覆盖半导体本体的辐射入射面。滤光层在此例如由介电材料层的序列形成。也就是说，滤光层可以由多个层构成，这些层相叠地设置。例如，这些层可以平行于半导体本体的辐射入射面延伸。滤光层的各个层可以由不同的介电材料形成，它们交替地相叠设置用以形成滤光层。
滤光层例如是构建为边缘滤光器的干涉滤光器，或是反射滤光器。滤光层遮盖半导体本体的辐射入射面，优选完全遮盖，使得所有穿过半导体本体的辐射入射面进入半导体本体的电磁辐射事先经过滤光器并且被其过滤。
滤光层例如适于过滤在红光或红外辐射的波长范围中、尤其是波长在800nm到1100nm之间的近红外的电磁辐射，也就是说防止进入半导体本体中或至少在其强度上减弱。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，接收辐射的半导体器件包括浇注体，其至少在半导体本体的辐射入射面上遮盖该半导体本体。浇注体例如以硅树脂或环氧树脂形成并且设置在半导体本体上，使得其完全遮盖半导体本体的辐射入射面。也就是说，通过辐射入射面进入半导体本体中的所有电磁辐射在进入该半导体本体之前经过该浇注体。该浇注体在此优选包含吸收辐射的材料。也就是说，电磁辐射在入射到半导体本体之前穿过浇注体，在该浇注体中包含吸收辐射的材料，该吸收辐射的材料吸收辐射的一部分，优选波长选择性地进行吸收。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，该半导体器件包括半导体本体，该半导体本体以硅形成并且具有辐射入射面以及吸收区，在该吸收区中通过辐射入射面入射到半导体本体中的电磁辐射被吸收。吸收区的厚度在此最高为10μm。此外，接收辐射的半导体器件包括滤光层，该滤光层以介电材料形成，其中滤光层覆盖半导体本体的辐射入射面，并且半导体器件包括浇注体，该浇注体至少在半导体本体的辐射入射面上遮盖该半导体本体，其中浇注体包含吸收辐射的材料。
这里所描述的接收辐射的半导体器件在此尤其基于如下知识：基于以硅形成的半导体本体，可以成本特别低廉地制造光学检测器例如光电二极管或光电晶体管。此外，半导体器件基于如下知识：不同措施的组合——如吸收区的确定的厚度、滤光层和浇注体(其包含吸收辐射的材料)——可以适于将接收辐射的半导体器件的光谱灵敏度与人眼的光谱灵敏度尽可能精确地匹配。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，滤光层设计用于过滤红外辐射。也就是说，滤光层适于至少将射到半导体器件上的电磁辐射的一部分在进入半导体本体之前减弱。被过滤的电磁辐射在此例如具有800nm或更大的波长。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，滤光层包括由如下材料形成的至少一个层：氧化硅、氮化硅。在此也可能的是，滤光层包括多个层，它们相叠地(例如平行于半导体本体的辐射入射面)设置。这些层在此可以在其折射率方面彼此不同并且形成反射器或干涉边缘滤光器。例如，由氧化硅和氮化硅构成的层相叠地设置。氧化硅优选是二氧化硅，氮化硅是Si3N4。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，滤光层直接与半导体本体的辐射入射面接触。也就是说，滤光层直接设置在半导体本体的辐射入射面上。滤光层例如可以气相淀积或溅射到辐射入射面上。滤光层为此例如可以包括至少四个层，其中这些层中的至少两个在其折射率方面彼此不同。滤光层有助于抑制以硅形成的半导体本体的剩余红外灵敏度。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，滤光层包括最多十个单层。这样的滤光层可以成本特别低廉地制造。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，浇注体以如下材料的至少一种形成：硅树脂、环氧树脂。此外，也可能的是，浇注体以硅树脂-环氧树脂混合材料形成。在浇注体中于是优选引入例如颗粒形式的吸收辐射的材料。吸收辐射的材料在此可以均匀地分布在浇注体中或设置在其中的一层内。吸收辐射的材料于是基本上仅在浇注体内的该层内。该层在其主面上可以完全被没有吸收材料的浇注体覆盖。这能够通过吸收辐射的材料实现对电磁辐射特别精确的并且限定的吸收。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，吸收辐射的材料设计用于吸收红外辐射。也就是说，吸收辐射的材料适于吸收红外辐射，并且在红外辐射可以进入半导体本体之前吸收红外辐射。例如，吸收辐射的材料是Nitto公司的添加剂“IR-14”。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，滤光层设置在半导体本体与浇注体之间。也就是说，滤光层例如可以完全覆盖半导体本体的辐射入射面，浇注体于是设置在半导体本体上，使得其完全遮盖滤光层。入射到半导体器件中的电磁辐射于是在入射到滤光层之前完全穿过具有吸收辐射的材料的浇注体，并且在通过辐射入射面入射到半导体本体之前完全穿过滤光层。入射的电磁辐射由此经历两阶段的吸收过程或滤光过程，其中例如电磁辐射的长波长的部分(其波长在800nm以上)在其强度方面至少被减弱。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，浇注体至少局部与滤光层直接接触。例如，浇注体可以完全遮盖滤光层和润湿滤光层的任何裸露的面，也即滤光层的未与半导体本体直接接触的任何面。
根据接收辐射的半导体器件的至少一个实施形式，浇注体具有600μm的最大厚度。例如，浇注体具有至少200μm并且最大500μm的厚度。通过这样薄的浇注体，保证了需要尽可能少的浇注体材料来制造浇注体。
此外，提出了具有这种接收辐射的半导体器件的光电子部件。也就是说，接收辐射的半导体器件的所有特征对于光电子部件而言也公开。
根据光电子部件的至少一个实施形式，光电子部件包括连接支承体，该连接支承体具有上侧。该连接支承体例如可以是电路板。
例如，该连接支承体具有电绝缘的基本体，印制导线和连接部位结构化到基本体中或基本体上。此外，连接支承体可以是支承体条(即引线框架)或金属芯电路板。
根据接收辐射的部件的至少一个实施形式，这里所描述的接收辐射的半导体器件在连接支承体的上侧上固定在该连接支承体上。半导体器件例如可以借助背离半导体本体的辐射入射面的侧焊接或粘合到连接支承体上。
根据光电子部件的至少一个实施形式，接收辐射的半导体部件的浇注体与连接支承体直接接触并且具有600μm的最大厚度。也就是说，连接支承体至少局部被浇注体覆盖。为此，半导体器件例如可以在施加到连接支承体上之后才设置有浇注体(例如挤压包封)。
例如，浇注体在此仅仅在连接支承体的上侧上与连接支承体接触。也就是说，并非整个连接支承体都以浇注体挤压包封，而是仅仅围绕半导体本体的具有最大厚度为600μm的区域以浇注体挤压包封。由此，相对于连接支承体的完全挤压包封可以减少浇注体的材料。在浇注体中的吸收辐射的材料也可以以该方式来特别地控制，例如引入到滤光元件遮盖的层中。
以下借助实施例和所附的附图更为详细地阐述这里所描述的接收辐射的半导体器件以及这里所描述的光电子部件。
图1以示意性剖面图示出了这里所描述的、具有在此所描述的根据一个实施例的接收辐射的半导器件的光电子部件。
图2A至2C借助示意性曲线图示出了这里所描述的接收辐射的半导体器件的部件的作用。
相同、相似或作用相同的元件在附图中设置有相同的附图标记。附图和附图中所示的元件彼此间的大小关系并不能视为合乎比例的。更确切地说，为了更清楚和/或更好的理解而可以夸大地示出各个元件。
环境光传感器(英语：ambient light sensors)要以与人眼相同的方式测量环境亮度。人眼的光谱灵敏度通过所谓的V-λ曲线来描述，灵敏度曲线，其在波长λ≈400nm处开始并且其最大值在λ≈550-560nm处并且随后直至λ＝780nm返回到0。技术上的光电检测器首先具有与其不同的灵敏度曲线，这导致相对于人眼灵敏度的灵敏度曲线的相应误测量。为了技术上的光电检测器匹配于眼睛曲线，通常需要昂贵的措施。
在此存在不同的方案来制造环境光传感器。许多半导体本体、例如由硅构成的半导体本体具有偏差极大的灵敏度曲线，其与人眼的灵敏度曲线相差极大。另一方面，基于硅的环境光传感器的特征在于其可以成本特别地低廉地制造。
结合图1借助示意性剖面图进一步阐述了这里所描述的光电子部件，其具有这里所描述的接收辐射的半导体器件100。该半导体器件100包括半导体本体1。
半导体本体1具有辐射入射面1a，入射到半导体本体1中的电磁辐射10必须穿过辐射入射面，以便在半导体本体的吸收区2中被检测并且产生信号。在此，吸收区2具有最大10μm的厚度，在此例如为3μm的厚度。在此，薄的吸收区通过p-n-p结构来实现。半导体本体1为此具有p掺杂的第一区域12、n掺杂的区域11和p掺杂的第二区域13。在p掺杂的第一区域12与n掺杂的区域11之间的朝着辐射入射面1a的p-n结用于产生半导体器件100的光电流。在n掺杂的区域11与p掺杂的区域13之间的下部n-p结短路，使得在吸收区2之下通过入射的电磁辐射10或以其他方式产生的所有载流子复合，而对光电流没有贡献。
可替选地，以其他方式也可以实现具有最大10μm的厚度的薄吸收区。
-例如可以使用薄的例如厚度在2μm到5μm之间的较弱掺杂的外延层。吸收区于是在该外延层内，该外延层施加到高掺杂的衬底上，该衬底保证了在吸收区之外出现的载流子的复合。也就是说，在掺杂的衬底中产生的载流子不仅用于产生半导体器件103的有用信号，而且仅仅在薄的外延层中用于产生有用信号。
-作为另一可能性，例如硅构成的薄的半导体片可以设置在介电材料构成的层上，在该半导体片中设置有用于检测入射的电磁辐射的pn结。通过介电材料可以将薄的半导体片例如接合到硅支承体或蓝宝石支承体上。在该情况下，用于产生光电流的体积也借助薄的吸收区2来形成边界。
吸收区2的厚度在此例如从半导体本体1的辐射入射面1a朝着半导体本体1的背离辐射入射面1a的下侧垂直于辐射入射面1a来测量。
直接在半导体本体1的辐射入射面1a上设置滤光层3。滤光层3完全遮盖辐射入射面1a，使得所有进入半导体本体1中的电磁辐射10必须穿过滤光层。在此，滤光层是特别简单的光学滤光层，其具有最多十个层31、32，在此例如为四个层。层31例如由二氧化硅构成，层32例如由Si3N4构成。滤光层3在此过滤入射的电磁辐射10中的红外辐射波长范围中的电磁辐射。例如，滤光器是布拉格镜或干涉边缘滤光器。
此外可能的是，滤光层由光刻胶构成，其被着色。此外，可以是金属滤光层，其例如包含银。
浇注体4直接施加到滤光层3和直接施加到半导体本体1的部分上。浇注体4例如由环氧树脂、硅树脂或环氧树脂-硅树脂混合材料构成。吸收辐射的材料5例如作为层引入到浇注体4中。射到半导体器件100上的电磁辐射10在该辐射射到滤光层3之前首先穿过具有吸收辐射的材料5的浇注体4。吸收辐射的材料5吸收电磁辐射10中的红外辐射的一部分。浇注体4中的吸收辐射的材料与滤光层3的组合在此一方面允许使用较少的昂贵的吸收辐射的材料5，并且另一方面允许特别简单地实施滤光层3，例如具有少于十个单层。
尤其是，吸收材料的材料5和滤光层3的组合由此能够实现成本特别低廉地制造的光电子半导体器件100。
光电子半导体器件100施加在连接支承体6上，该连接支承体例如是金属芯电路板。半导体器件100在此例如粘合到连接支承体6的上侧6a上，并且通过线接触(在该剖面图中未示出)电连接到连接支承体6上。
浇注体4仅仅在连接支承体6的上侧6a上覆盖该连接支承体6，并且具有600μm的最大厚度D。以此方式，一方面可以使用特别少的浇注体的浇注材料，这能够实现成本低廉地制造光电子部件。另一方面，通过如此薄的浇注体4，几乎不弱化要检测的电磁辐射10，即尤其是电磁辐射10的在人眼灵敏度曲线的范围中的部分。于是可以借助该光电子部件产生强烈的有用信号。
在图2A至2C中与不同的接收辐射的半导体器件100的相对光谱灵敏度比照地示出了人眼的相对光谱灵敏度。
图2A示出了人眼灵敏度曲线21以及硅光电二极管的灵敏度曲线，其中没有应用这里所描述的措施。也就是说，硅光电二极管既不包括特别薄的吸收区，也不包括滤光层，还不包括具有吸收辐射的材料的浇注体。灵敏度的最大值于是如从曲线22中可看到的那样在800nm到900nm之间。
在图2B中相对于另外的两个曲线23、24示出了人眼灵敏度曲线21。曲线23示出了硅光电二极管的灵敏度曲线，其中吸收区2具有小于10μm的厚度。如从图2B中可看到的那样，灵敏度曲线23的非常宽的最大值已经推移到500nm到600nm之间的波长范围中。
曲线24示出了具有薄的吸收区2的硅光电二极管的灵敏度曲线，其中滤光层3设置在辐射入射面1a上。滤光层3在此是简单的滤光层，其最多包括十个单层。
最后在图2C中示出了这里所描述的接收辐射的半导体器件的相对光谱灵敏度曲线25，该半导体器件如结合图1所描述的那样。
本发明并不由于借助实施例的描述而限于这些实施例。更确切地说，本发明包括任意新特征以及特征的任意组合，尤其是包含权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或者组合本身并未明确地在权利要求或者实施例中予以说明。
本专利申请要求德国专利申请102009012755.0的优先权，其公开内容通过引用结合于此。

Claims (13)

1.一种接收辐射的半导体器件，具有：
-半导体本体（1），其以硅形成并且具有辐射入射面（1a）以及吸收区（2），在吸收区中吸收通过辐射入射面（1a）进入半导体本体（1）的电磁辐射（10），其中吸收区（2）具有最大10μm的厚度（d），
-滤光层（3），其以介电材料形成，其中滤光层（3）覆盖半导体本体（1）的辐射入射面（1a）并且设置用于过滤红外辐射，以及
-浇注体（4），其至少在半导体本体（1）的辐射入射面（1a）上遮盖该半导体本体，其中浇注体（4）包含吸收辐射的材料（5）,并且所述吸收辐射的材料（5）设置用于吸收红外辐射。
2.根据权利要求1所述的接收辐射的半导体器件，其中，仅仅在该吸收区（2）中，所吸收的电磁辐射对产生该接收辐射的半导体器件的信号有贡献。
3.根据权利要求1所述的接收辐射的半导体器件，其中滤光层（3）包括至少一个层（31,32），所述至少一个层由如下材料之一形成：氧化硅、氮化硅。
4.根据权利要求1所述的接收辐射的半导体器件，其中所述滤光层（3）包括多个层，它们在其折射率方面彼此不同并且形成干涉边缘滤光器，使得电磁辐射的波长在800nm或以上的部分在其强度方面被减弱。
5.根据权利要求1所述的接收辐射的半导体器件，其中滤光层（3）与半导体本体（1）的辐射入射面（1a）直接接触。
6.根据权利要求1所述的接收辐射的半导体器件，其中浇注体（4）包含如下材料的至少之一：硅树脂、环氧树脂。
7.根据权利要求1所述的接收辐射的半导体器件，其中滤光层（3）包括最多十个层（31,32）。
8.根据权利要求1所述的接收辐射的半导体器件，其中该接收辐射的半导体器件的最大灵敏度处于在500nm到600nm之间的波长范围中。
9.根据权利要求1所述的接收辐射的半导体器件，其中滤光层（3）设置在半导体本体（1）与浇注体（4）之间。
10.根据上一权利要求所述的接收辐射的半导体器件，其中浇注体（4）至少局部与滤光层（3）直接接触。
11.根据上一权利要求所述的接收辐射的半导体器件，其中浇注体（4）具有600μm的最大厚度（D）。
12.一种光电子部件，具有：
-连接支承体（6），其具有上侧（6a），
-根据权利要求1-11之一所述的接收辐射的半导体器件（100），该半导体器件在连接支承体（6）的上侧（6a）上固定在该连接支承体上，其中
-接收辐射的半导体器件（100）的浇注体（4）与连接支承体（6）直接接触并且具有600μm的最大厚度（D）。
13.根据上一权利要求所述的光电子部件，其中浇注体（4）仅仅在连接支承体（6）的上侧（6a）上与连接支承体（6）接触。
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