CN102569310B - 无盲区、无光电串扰的硅象限光电探测器制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无盲区、无光电串扰的硅象限光电探测器制作方法。其特点在于：在硅象限光电探测器各象限光敏元之间制作一个环极。该环极用与象限光电探测器衬底同型杂质，跟背面电极同时扩散构成n⁺n或p⁺p层高低结，其形状依象限光电探测器各象限光敏元数量和形状而定。环极通过金属引线与象限光电探测器公共电极直接连接。在象限光电探测器反偏置下，各象限光敏元pn结纵向耗尽层与横向侧壁耗尽层连成一体，形成“侧壁耗尽层势垒”，使每个象限的光敏元因光照而产生的光生载流子，在该偏置电场作用下，不能跨入其它光敏元的耗尽区。因环极高低结内不能输出光生载流子，但体积极小，可忽略，视为无盲区，从而实现无盲区无光电串扰的目的。

Description

无盲区、无光电串扰的硅象限光电探测器制作方法

技术领域

本发明是在光电信息领域涉及一种无盲区、无光电串扰的硅象限光电探测器制作方法；用于无盲区、无光电串扰的各种象限光电探测器的制作。

背景技术

在半导体硅象限光电探测器，包括四象限、双四象限、线阵、面阵等各种象限光电探测器中，由于各象限光敏元要独自输出信号，所以各象限光敏元之间有一隔离区。而在象限光敏元中，因光照而产生的光生载流子。在芯片内部，大部分光生载流子在电场作用下作有序定向运动，构成光信号电流；而光生载流子中，总有一部份在其产生区和渡越区域作无序运动而进入周边邻近的光敏元，构成了有害的光电串扰。尤其是在厚耗尽层的硅象限光电探测器中特别严重，危害极大。而入射光在光窗玻璃表面反射、玻璃内部折射以及芯片表面的反射所造成的外部光电串扰则是很小一部分，总是≤2％，可忽略不计。所以，把芯片内部的光电串扰则简称为光电串扰，它随各象限光敏元之间的隔离区(盲区)越窄，光斑在光敏元中离盲区越近，象限光电探测器的偏置越高，象限光敏元的负载越大，则光电串扰就越大。光电串扰的存在，使得象限光电探测器在激光跟踪、制导及光电探测各领域的应用极为不利，它将减小象限光电探测器的响应度，导致信号检测不准；接收的信号易受干扰信号影响，使跟踪、制导不精，甚至失灵。如何来减小光电串扰呢？通常是：①增大盲区。这当然是对减小光电串扰有利，但是它会损失更多的光能量，特别是在小光斑应用时，会造成误码、脱靶、甚至失控。②制作介质隔离层。这不仅工艺复杂，而且对厚耗尽层的硅象限光电探测器，仅在芯片表面和可达到的有限范围内制作介质隔离是毫无用处的；③减薄光生载流子产生区和渡过越区的厚度。如此，会降低象限光电探测器的响应度。这是极为不利的。④在象限光敏元之间设置一隔离二极管。这是我本人在几年前申报的一项发明专利(021028025.8)它是在各象限光敏元之间，设置一独立的隔离二极管，将各象限光敏元分别包围起来。隔离二极管与各象限光敏元有一个公其的电极，并有一个独立的电极，在象限光电探测器的应用中，将隔离二极管的两个电极经接象限光电探测器的偏置电源后，直接短路连接，使受光照的象限光敏元所产生并作无序运动，经周边串入隔离二极管耗尽区的光生载流子，因正、负电荷中和而消失。这一方法对消除光电串扰十分有效。而且不增加任何工艺过程，其盲区宽度已减小到80μm。当然要进一步减小盲区，就有困难；而且更主要的是由于它将串入隔离二极管的光生载流子因正负中和而损失了部分光信号电流。对此，我申请本项更为优秀的发明专利。

发明内容

本发明目的：针对现有降低和消除硅象限光电探测器光电串扰方法的不足之处，提出一种新方法。用此方法制作的硅象限光电探测器，在无盲区的情况下，彻底消除象限光电探测器芯片内部的光电串扰，且不随光信号强度、负载大小、离隔离区远近而改变。

具体的技术方案

在n型或p型硅为衬底的象限光电探测器的各象限光敏元之间通过电场，设置一环极构成各象限光敏元pn结横向“侧壁耗尽层底部势垒”，以完全阻断无序运动的光生载流子的流动。该环极是在上述各象限光敏元之间的衬底表面上，用与衬底同型的杂质，扩散形成一n⁺n(n型衬底)或p⁺p(p型衬底)高低结，并且是与衬底背面电极的高低结，同时扩散形成。在应用中，该环极与衬底背面的高低结(也就是象限光电探测器各象限光敏元的公共下电极)，通过导线直接连通，使各象限光敏元在反偏置电压下，各自背面的耗尽层底部直接引到各象限光敏元周边的表面高低结，从而每个象限光敏元的耗尽区就完全孤立起来，使每个象限光敏元中所产生的光生载流子，在象限光敏元的反偏置电压所形成的电场中，绝大部分作有序的定向运动，而少部分作无序运动的光生载流子到了侧壁耗尽层底部势垒而返回，参与有序运动，构成光信号电流。而且侧壁耗尽区里一个扩散长度内所产生的光生载流子，由高低结正下方中间向两边分流到各象限光敏元，参与光信号电流。如此，不仅根本上消除芯片内部的光电串扰，而且使所产生的光生载流子全部构成了光信号电流。这也相对提高了响应度。同时，由于增加了pn结的横向耗尽层，增大了受光面积。所以在相同的受光面积下，可减小了pn结面积和周界长度，从而有效地减小了暗电流，降低了暗噪声，提高了最小探测灵敏度。例如，在用高阻n型硅单晶衬底的抛光片上，制作圆形的四象限光电探测器时，在四个光敏元的光敏区，经硼扩散形成p⁺n结后，在硼扩散层表面硼硅玻璃上，再生长Si₃N₁；然后，在整个象限光电探测器芯片的周围及四个象限光敏元之间晶片表面SiO₂和Si₃N₁层上，光刻出一环极(如图2b)所示；再在芯片背面减薄抛光后，用高浓度的磷扩散，在该环极和芯片背面同时形成n⁺n高低结；再经氧化后，光刻出各光敏元的电极窗口和环极n⁺n高低结(1n⁺区)的电极窗口；芯片的正、背两面蒸发金属铝后，再光刻以保留电极窗口和背面的铝。硅铝合金后，划片分离管芯即完成了芯片制造。在芯片烧结、压焊时，将环极n⁺n高低结电极与芯片背面n⁺n高低结电极用金丝引线连接一体。应用中，在反偏置电压下，就使各象限光敏元的纵向耗尽层底部和横向侧壁耗尽层底部连接，使各象限光敏元的耗尽区相互独立，从而使各个象限所产生的光生载流子，在各自耗尽区内各行其路，分别构成各象限的光信号电流，从而消除光电串扰。并且各象限光敏元之间的n⁺n高低结(2n⁺区)其条宽仅为≤30μm，其结深约为2μm，所以在2n⁺区正下方的数百微米厚度内，仍然能产生光信号电流，在适当的偏置电压下，可以把盲区宽度控制在10μm之内，所以真实的盲区仅为“10μm×2μm”的极小体积，从而实现在无盲区的情况下，彻底消除了光电串扰。不仅如此，还把来自外界的电磁场干扰也阻断，在环形高低结(1n⁺)之外，从而提高了抗电磁场干扰的能力。

附图说明

附图1，本发明制作无盲区、无光电串扰的四象限光电探测器管芯示意图。其中A为侧视图，B为正视图。

附图2，本发明制作的无盲区、无光电串扰的四象限光电探测器制造工艺流程示意图。图中[n]是高阻的n型硅(n-Si)衬底；[p⁺]是硼扩散层；[n⁺]是磷扩散层：其中1n⁺是象限光电探测器芯片周边的环形n⁺层，2n⁺是四个象限光敏元之间十字形n⁺层，3n⁺是硅衬底背面n⁺层；[3]是电极金属Al层；[4]是光敏元耗尽层的电位线。

具体实施方式：下面结合图2介绍本发明的一个实施例，该实施例是用本发明制造无盲区、无光电串扰的四象限光电探测器的工艺过程。

1、在n型硅(n-Si)衬底上氧化生长SiO₂层[1]，并光刻出4个象限光敏元的硼扩散窗口p⁺区后，进行硼扩散形成各象限光敏元的p⁺n结光敏区；再在整个芯片表面淀积Si₃N₄层[2]，如图2(a)所示。

2、在整个探测器芯片(四个象限光敏元)周围、四个象限光敏元之间，分别光刻出环形和十字形的1n⁺和2n⁺区窗口；然后对硅片衬底背面进行减薄、抛光制作出3n⁺区窗口；再对这1n⁺区、2n⁺区和3n⁺区窗口同时进行磷扩散形成n⁺n高底结；再在磷扩散区域进行氧化，生长SiO₂层，如图2(b)所示。

3、在四个象限光敏元(P⁺区)和环形的1n⁺区中光刻出电极窗口，并腐蚀掉硅片背面3n⁺区表面的SiO₂层，如图2(c)所示。

4、对芯片正面和背面分别蒸发金属铝层，并反刻，将四个象限光敏元的P⁺区电极、环形1n⁺区电极上的铝层和衬底背面3n⁺区电极上的铝层保留下来，其余部分的铝全部腐蚀掉。如图2(d)所示。

5、对芯片进行硅铝合金后划片，分离管芯。至此，管芯制作完毕。管芯在烧压时，再将环形1n⁺的铝电极与芯片背面3n⁺区的铝电极用金丝连接一体。

以上方法也可用于八象限(双四象限)和其它各种多象限光电探测器的制作。而对于用p型硅为衬底制作象限光电探测器而言，仅把上述的硼扩散窗口改为磷扩散，把磷扩散窗口改为硼扩散，其它过程均相同，而电极的极性相应也随之变换即可。

Claims (4)

1.一种无盲区、无光电串扰的硅象限光电探测器的制作方法，其在硅象限光电探测器各象限光敏元之间的衬底表面上设置一环极，通过电场作用，在各光敏元周边构成侧壁耗尽层底部势垒，其特征在于：在硅象限光电探测器象限光敏元之间，用与芯片衬底同型的杂质，扩散形成高低结，并且是与衬底背面电极的高低结同时扩散形成；该环极是通过金属引线与衬底背面的各光敏面公共下电极直接相连，其形状是依据各象限探测器各象限光敏元的数量与形状而定；应用中，在象限光电探测器反偏置电压下，各象限光敏元的背面耗尽层与侧壁耗尽层连成一体，各象限光敏元内所产生的光生载流子在无盲区的情况下，均不能越过该侧壁耗尽层底部势垒，从而彻底消除了光电串扰，提高了响应度和最小探测光功率。

2.根据权利要求1所述的无盲区、无光电串扰的硅象限光电探测器的制作方法，在硅象限光电探测器各象限光敏元之间设置环极，该环极的形状是依象限光电探测器各象限光敏元的数量和形状而定，是一环形加十字形状，或是两个环形加十字形状，或是梯形形状，或是网状形状，或是它们各种形状的组合形状。

3.根据权利要求1或2所述的无盲区、无光电串扰的硅象限光电探测器的制作方法，其特征在于：所述环极是依硅象限光电探测器各象限光敏元的数量和形状而定，对硅象限光电探测器管芯是圆形的四象限光电探测器，它的管芯由四个扇形的光敏元构成，则环极的形状是一个环形加十字形的组合形状。

4.根据权利要求1或2所述的无盲区、无光电串扰的硅象限光电探测器的制作方法，其特征在于：所述环极形状是依硅象限光电探测器各象限光敏元的数量和形状而定，对硅象限光电探测器是圆形的“双四”象限光电探测器，它的管芯是由“内四”和“外四”八个扇形的象限光敏元构成，则环极的形状是两个同心的环形加十字形组合的网状形状。