CN102903782A

CN102903782A - 光电探测器及其制作方法

Info

Publication number: CN102903782A
Application number: CN2012103961938A
Authority: CN
Inventors: 饶金华; 张克云
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: CN102903782B

Abstract

一种光电探测器，包括：光电二极管，分别位于所述光电二极管两侧的复位晶体管及传输晶体管；其中，所述光电二极管的感光区域为所述复位晶体管及传输晶体管的源区，所述复位晶体管用于使所述光电二极管反偏，所述传输晶体管用于将所述光电二极管转换的电信号传输出去。此外，本发明还提供了该光电探测器的制作方法。采用本发明的技术方案，可以较好地改善光电探测器的暗电流过大的问题，同时可以改善其灵敏度较差的问题。

Description

光电探测器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种光电探测器及其制作方法。

背景技术

光电探测器是将光信号转变为实时的电信号的器件，其工作原理是基于光电效应。光电探测器在工业领域有较多应用。

为实现将光电探测器的实时的电信号传输出去，现有的光电探测器在制作时，一般在其感光区域上设置金属互连结构，例如导电插塞等与其它器件电连接。

然而，上述的光电探测器在使用过程中会有暗电流过大的问题，进而导致了其灵敏度较差。

发明内容

本发明解决的问题是提出一种新的光电探测器及其制作方法，较好地改善光电探测器的暗电流过大的问题，同时解决灵敏度较差的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种光电探测器，包括：

光电二极管；

分别位于所述光电二极管两侧的复位晶体管及传输晶体管，且所述光电二极管的感光区域为所述复位晶体管及传输晶体管的源区；

其中，所述复位晶体管用于使所述光电二极管反偏，所述传输晶体管用于将所述光电二极管转换的电信号传输出去。

可选地，所述复位晶体管的漏区形成有电极。

可选地，所述传输晶体管的漏区形成有电极。

可选地，所述光电二极管位于P型基底，其感光区域为N阱，所述复位晶体管及所述传输晶体管均为NMOS晶体管。

可选地，所述光电二极管位于P型基底，所述P型基底具有N阱，所述光电二极管的感光区域为位于所述N阱内的P阱，所述复位晶体管及传输晶体管均为PMOS晶体管。

可选地，所述光电二极管、所述复位晶体管及所述传输晶体管形成在半导体衬底表面的外延层。

可选地，所述光电二极管位于的基底具有多个感光区域，相邻感光区域之间通过浅沟槽隔离。

此外，本发明也提供了该光电探测器的制作方法，包括：

提供具有第一区域、第二区域及第三区域的基底，所述第二区域位于所述第一区域与所述第三区域之间，且所述第一区域与所述第二区域具有第一间隔，所述第二区域与所述第三区域具有第二间隔；

在所述第二区域形成光电二极管的感光区域、第一区域形成复位晶体管的漏区、第三区域形成传输晶体管的漏区；

在所述第一间隔上形成复位晶体管的栅极氧化层及在所述第二间隔上形成传输晶体管的栅极氧化层；

分别在所述复位晶体管的栅极氧化层、所述传输晶体管的栅极氧化层上形成各自的栅极。

可选地，在所述第二区域形成光电二极管的感光区域、第一区域形成复位晶体管的漏区、第三区域形成传输晶体管的漏区是通过掺杂离子注入形成的。

可选地，在所述第二区域形成光电二极管的感光区域、第一区域形成复位晶体管的漏区、第三区域形成传输晶体管的漏区的工艺为选择性外延生长工艺和原位掺杂。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1）现有方案通过金属互连结构将光电二极管转换的电信号传输出去，该金属互连结构需在感光区域上形成电极，该电极的制作会造成感光区域产生缺陷。不同于上述方案，本发明提出由感光区域充当上述传输过程的晶体管的有源区，具体地，实现光电信号转换的为光电二极管，实现对该光电二极管进行反偏的为复位晶体管，实现将光电二极管转换的电信号传输出去的为传输晶体管，相应地，光电二极管的感光区域为复位晶体管与传输晶体管的源区。如此，避免了在感光区域设置电极，因而避免了缺陷产生，降低了无光照情况的暗电流，也提高了该光电探测器的灵敏度。

2）可选方案中，光电二极管位于P型基底，其感光区域为N阱，复位晶体管及传输晶体管均为NMOS晶体管。上述器件形成的光电探测器的工作过程为：通过分别对NMOS复位晶体管的栅极及漏区施加高电压，使得NMOS复位晶体管打开，N型感光区域的电压提高，此时，N型感光区域的电压高于P型基底（接地）的电压，这使得N型感光区域与P型基底形成的PN结处于反向偏置工作状态；接着，关闭NMOS复位晶体管，此时，PN结仍处于反向偏置工作状态，若有光照，则在感光区域积累了大量的电子；然后，再对NMOS传输晶体管的栅极及漏区施加高电压，使得NMOS传输晶体管打开，即可将感光区域产生的大量电子转移至漏区，此时，测量漏区的电压降低量即可获得照射在感光区域的光信号强弱。

3）可选方案中，所述光电二极管位于P型基底，所述P型基底具有N阱，所述光电二极管的感光区域为位于所述N阱内的P阱，所述复位晶体管及传输晶体管均为PMOS晶体管。上述器件形成的光电探测器的工作过程为：通过分别对PMOS复位晶体管的栅极及漏区施加低电压，使得PMOS复位晶体管打开，P型感光区域的电压降低，此时，P型感光区域的电压低于P型基底的N阱（接地）的电压，这使得P型感光区域与P型基底的N阱形成的PN结处于反向偏置工作状态；接着，关闭PMOS复位晶体管，此时，PN结仍处于反向偏置工作状态，若有光照，则在感光区域积累了大量的空穴；然后，再对PMOS传输晶体管的栅极及漏区施加低电压，使得PMOS传输晶体管打开，即可将感光区域产生的大量空穴转移至漏区，此时，测量漏区的电压升高量即可获得照射在感光区域的光信号强弱。

4）可选方案中，所述光电二极管、所述复位晶体管及所述传输晶体管形成在半导体衬底表面的外延层，上述外延层的纯度较高，缺陷较少。

5）可选方案中，所述光电二极管、所述复位晶体管及所述传输晶体管形成在半导体衬底表面的外延层，且所述光电二极管的感光区域是通过选择性外延生长和原位掺杂形成的。如此，降低了感光区域内部的缺陷。

附图说明

图1是实施例一中的光电探测器的电路图；

图2是实施例一中的光电探测器的制作方法流程图；

图3是实施例一中的光电探测器的基底的截面结构示意图；

图4是实施例一中的光电探测器的截面结构示意图；

图5是实施例二中的光电探测器的截面结构示意图；

图6是实施例三中的光电探测器的截面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明人在研究光电探测器的暗电流过程中，发现该暗电流产生的原因与在光电二极管的感光区域上形成的电极相关。具体地，该电极的制作会造成感光区域产生缺陷，例如感光区域的硅或掺杂元素产生悬空的不饱和键，光照射到感光区域产生电子后，该光生电子容易被上述缺陷捕获，影响被检测到的电子数目，造成光电转换效率低。上述问题在无光照到感光区域时，会造成暗电流较大的问题。

针对上述问题，本发明提出由感光区域充当复位晶体管与传输晶体管的源区，通过改变复位晶体管的栅极电压及漏区电压，使得感光区域形成的PN结处于反向偏置工作状态，此时，再改变传输晶体管的栅极及漏区电压，即可将感光区域产生的电子或空穴转移出去。如此，避免了在感光区域设置电极，因而避免了缺陷产生，降低了无光照情况的暗电流，也提高了该光电探测器的灵敏度。

实施例一

参照图1所示的电路示意图，光电探测器1包括：光电二极管21，用于产生并收集照射在感光区域211（参照图4）上的光产生的电荷；复位晶体管22，用于将感应区域211重设到预定电压V_DD；转移晶体管23，用于将光电二极管21的光电电荷从感应区域211以信号V_out转移出去。

接着介绍图1对应的光电探测器的制作方法。

参照图2所示的流程图及图3所示的光电探测器的截面结构示意图，首先执行步骤S11，提供具有第一区域Ⅰ、第二区域Ⅱ及第三区域Ⅲ的基底20，所述第二区域Ⅱ位于所述第一区域Ⅰ与所述第三区域Ⅲ之间，且所述第一区域Ⅰ与所述第二区域Ⅱ具有第一间隔S，所述第二区域Ⅱ与所述第三区域Ⅲ具有第二间隔T。

本实施例中，该基底20为P型硅基底。

接着，执行步骤S12，参照图4所示，在所述第二区域Ⅱ形成光电二极管21（参照图1）的感光区域211、第一区域Ⅰ形成复位晶体管22的漏区、第三区域Ⅲ形成传输晶体管23的漏区。

本实施例中，该感光区域211的形成方法为注入N型元素，当感光区域211与P型硅基底20两者形成的光电二极管21被反向偏置后，此时，如有光照射到感光区域211，该光照的光子能量转移给N型元素，该N型元素的共价键上的电子脱离束缚，形成电子空穴对。该些电子多数载流子随反向电压产生漂移运动，此时，若传输晶体管23打开，则该些电子被传输出去。

本实施例中，该感光区域211为N阱，相应地，其充当源区的复位晶体管22、传输晶体管23都为NMOS晶体管。

上述过程中，光电二极管21的反向偏置通过在NMOS复位晶体管22的漏极施加高电压V_DD实现，基底20接地，感光区域211被置于高电位。此时，复位晶体管22为NMOS晶体管，则其栅极为高电压时打开。

根据上述分析，对于NMOS复位晶体管22，为了形成光电二极管21反向偏置，该高电压V_DD施加在漏区，因而，感光区域211充当的是其源区。对于NMOS传输晶体管23，电子由源区涌入漏区，因而，感光区域211充当的也是其源区。

为形成光电二极管21，该基底20为P型硅衬底，相应地，在基底20上定义阱区，注入N型掺杂离子区以形成感光区域211。上述光电二极管21的形成工艺为常规工艺，具体参数参照现有参数，在此不再赘述。

此外，在具体制作过程中，本步骤在基底20形成多个感光区域211，相邻感光区域211之间通过浅沟槽（STI）24隔离。

需要说明的是，在感光区域211的临近区域的基底20上会通过其它工艺形成各种晶体管，如图4所示的转移晶体管23和复位晶体管22。因而，本步骤还在基底20内形成转移晶体管23和复位晶体管22的漏区（未标示）。

本实施例中，NMOS复位晶体管22的漏区、NMOS转移晶体管23的漏区各自形成有电极。其它实施例中，各区也可以根据电路需要不设置电极，而与其它晶体管共用有源区。

之后，执行步骤S13，仍参照图4所示，在所述第一间隔S上形成复位晶体管22的栅极氧化层（未标示）及在所述第二间隔T上形成传输晶体管23的栅极氧化层（未标示）。

本步骤形成栅极氧化层的步骤为现有工艺，在此不再赘述。

接着，执行步骤S14，仍参照图4所示，分别在所述复位晶体管22的栅极氧化层、所述传输晶体管23的栅极氧化层上形成各自的栅极（未标示）。

本步骤形成栅极的步骤也为现有工艺，在此不再赘述。

至此，本实施例一的光电探测器2已经制作完毕。

综上，参照图4所示，光电探测器1包括：

光电二极管21；

分别位于所述光电二极管21两侧的复位晶体管22及传输晶体管23，且所述光电二极管21的感光区域211为所述复位晶体管22及传输晶体管23的源区；

其中，所述复位晶体管22用于使所述光电二极管21反偏，所述传输晶体管23用于将所述光电二极管21转换的电信号传输出去。

具体地，光电二极管21由P型基底20及形成在P型基底内的N型阱感光区域211形成。复位晶体管22及传输晶体管23为NMOS晶体管，两者各自的N型漏区形成有电极。

上述光电探测器1的工作过程为：首先，在NMOS复位晶体管22的栅极及漏区施加高电压，在栅极施加高压使得NMOS复位晶体管22打开，漏区施加高电压是使得N型感光区域211的电压提高，此时，N型感光区域211的电压高于P型基底（接地）20的电压，这使得N型感光区域与P型基底形成的PN结处于反向偏置工作状态；接着，关闭NMOS复位晶体管22，此时，PN结仍处于反向偏置工作状态，若有光照，则在N型感光区域211积累了大量的电子；然后，在NMOS传输晶体管23的栅极及漏区施加高电压，在栅极施加高压使得NMOS传输晶体管23打开，在漏区施加高压使得NMOS传输晶体管23的源区与漏区产生电势差，漏区电压停止施加后，该漏区的电位仍为高电位，感光区域211产生的大量电子倾向移动至高电势区域（漏区），因而被转移至漏区，此时，测量漏区的电压降低量即可获得照射在感光区域的光信号强弱。

可以理解的是，光电探测器1的光电二极管21的感光区域的反向偏置及电荷转移通过其充当源区的复位晶体管22与传输晶体管23实现，避免了在感光区域211设置电极，因而避免了对感光区域211造成缺陷，实现了降低无光照情况的暗电流，也提高了该光电探测器1的灵敏度。

实施例二

本实施例二提供的光电探测器及其制作方法与实施例一大致相同。区别在于：

执行步骤S11时，提供的基底20除了为P型硅基底外，其内还形成有N型阱区。

执行步骤S12时，参照图5所示，在所述第一区域Ⅰ形成的是复位晶体管22的漏区。

相应地，本S12步骤中，在所述第二区域Ⅱ形成光电二极管21的感光区域211时，其形成方法为在基底20的N型阱区注入P型元素，在所述第一区域Ⅰ形成复位晶体管22的漏区、第三区域Ⅲ形成传输晶体管23的漏区均是在N型阱区注入P型元素。

本实施例中，该感光区域211注入为P型元素，相应地，其充当源区的复位晶体管22、传输晶体管23都为PMOS晶体管。

当P型感光区域211与P型硅基底20的N阱两者形成的光电二极管21被反向偏置后，此时，如有光照射到感光区域211，该光照的光子能量转移给N阱中的N型元素与感光区域211的P型元素，感光区域211的的电子移到N阱，N阱的空穴移到感光区域211，这样在PN结的两端就有电荷积累，感光区域211积累了大量空穴。该些空穴多数载流子随反向电压产生漂移运动，此时，若传输晶体管23打开，则该些电子被传输出去。

上述过程中，光电二极管21的反向偏置通过在PMOS复位晶体管22的漏极施加低电压V_DD实现，N阱与基底20接地，感光区域211被置于低电位。此时，复位晶体管22为PMOS晶体管，则其栅极为低电压时打开。

根据上述分析，对于PMOS复位晶体管22，为了形成光电二极管21反向偏置，该低电压V_DD施加在漏区，因而，感光区域211充当的是其源区。对于PMOS传输晶体管23，空穴载流子由源区涌入漏区，因而，感光区域211充当的是其源区。

上述光电探测器的工作过程为：在PMOS复位晶体管22的栅极及漏区施加低电压，在栅极施加低压使得PMOS复位晶体管打开，漏区施加低电压是P型感光区域211的电压降低，此时，P型感光区域211的电压低于P型基底的N阱（接地）的电压，这使得P型感光区域211与P型基底20的N阱形成的PN结处于反向偏置工作状态；接着，关闭PMOS复位晶体管22，此时，PN结仍处于反向偏置工作状态，若有光照，则在P型感光区域211积累了大量的空穴；然后，在PMOS传输晶体管22的栅极及漏区施加低电压，在栅极施加低压使得PMOS传输晶体管23打开，在漏区施加低压使得PMOS传输晶体管23的源区与漏区产生电势差，漏区电压停止施加后，该漏区的电位仍为低电位，感光区域211产生的大量空穴倾向移动至低电势区域（漏区），因而被转移至漏区，此时，测量漏区的电压降低量即可获得照射在感光区域的光信号强弱。

实施例三

本实施例三提供的光电探测器及其制作方法与实施例一大致相同。区别在于：如图6所示，该基底20’包括实施例一中的注入P型元素的半导体衬底（硅衬底）20，还包括其上外延生长的外延层30。感光区域211、感光区域211临近的晶体管的源漏区均采用选择性外延生长法形成在该外延层30。此外，感光区域211、感光区域211临近的晶体管的源漏区为边生长，边进行离子掺杂的过程，即原位掺杂工艺。上述原位掺杂工艺可以降低感光区域211内的缺陷。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种光电探测器，其特征在于，包括：

光电二极管；

2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述复位晶体管的漏区形成有电极。

3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述传输晶体管的漏区形成有电极。

4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电二极管位于P型基底，其感光区域为N阱，所述复位晶体管及所述传输晶体管均为NMOS晶体管。

5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电二极管位于P型基底，所述P型基底具有N阱，所述光电二极管的感光区域为位于所述N阱内的P阱，所述复位晶体管及传输晶体管均为PMOS晶体管。

6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电二极管、所述复位晶体管及所述传输晶体管形成在半导体衬底表面的外延层。

7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电二极管位于的基底具有多个感光区域，相邻感光区域之间通过浅沟槽隔离。

8.一种光电探测器的制作方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在所述第二区域形成光电二极管的感光区域、第一区域形成复位晶体管的漏区、第三区域形成传输晶体管的漏区是通过掺杂离子注入形成的。

10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在所述第二区域形成光电二极管的感光区域、第一区域形成复位晶体管的漏区、第三区域形成传输晶体管的漏区的工艺为选择性外延生长工艺和原位掺杂。