CN103219342B - 用于荧光检测的双结深光电二极管 - Google Patents
用于荧光检测的双结深光电二极管 Download PDFInfo
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Abstract
基于标准CMOS工艺的双结深PN结光电二极管,由半导体硅P型衬底和N型阱构成的深结PN结光电二极管;由P型源漏注入和所述N型阱构成的浅结PN结光电二极管，所述半导体硅P型衬底为所述深结PN结光电二极管的阳极，所述N型阱为所述深结PN结光电二极管的阴极；所述P型源漏注入为所述浅结PN结光电二极管的阳极，所述N型阱为所述浅结PN结光电二极管的阴极；所述半导体硅P型衬底通过P型源漏注入形成重掺杂欧姆接触，并通过金属接触孔引出，所述N型阱通过N型源漏注入形成重掺杂欧姆接触，并通过金属接触孔引出。
Description
技术领域
本发明涉及一种双结深光电二极管，比单结深光电二极管具有更高的灵敏度和更宽的光谱响应，可与标准CMOS工艺兼容，可作为生物医学、食品安全和环境监测中的荧光检测光敏传感单元。
背景技术
1852年英国物理学家和数学家G.G.斯托克斯(G.G.Strokes)发现荧光，提出了荧光是一种光致发光现象，是物质吸收光子后所发射的光辐射。对于某种荧光物质的稀溶液，在激发光照射下，所测溶液的荧光强度与该荧光物质的浓度成正比，通过测量荧光强度可定量很多与生命科学有关的物质，如氨基酸、胺类、维生素和代谢药物等；研究生物大分子的结构，诊断生物组织病变及用于食品安全中致病微生物、有害金属物质和生物毒素的检测。
光电探测器是荧光检测系统最重要的部分之一，目前分立荧光检测系统中常用的荧光探测器为光电倍增管、雪崩二极管、电荷耦合器件等，这些光电探测器制造成本高，功耗大，很难与后续各种模块实现单片集成，限制了其功能。
基于CMOS工艺的光电二极管，光电三极管构成的荧光检测系统具有低成本、低功耗，高集成度等优点，非常适用于集成生物检测领域的应用，目前跟CMOS工艺兼容的光电二极管主要是单结深PN结，光电转换的量子效率低、暗电流噪声大、光谱响应范围窄。
发明内容
为了解决单结深PN结光电转换的量子效率低、暗电流噪声大、光谱响应范围窄在荧光检测中的不足之处，本发明提供一种基于标准CMOS工艺的双结深PN结光电二极管，具有更高的光电转换灵敏度、更小的暗电流噪声和更宽的光谱响应范围。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于标准CMOS工艺的双结深PN结光电二极管,包括由半导体硅P型衬底1和N型阱2构成的深结PN结光电二极管；由P型源漏注入4和所述N型阱2构成的浅结PN结光电二极管。所述半导体硅P型衬底1为所述深结PN结光电二极管的阳极，所述N型阱2为所述深结PN结光电二极管的阴极；所述P型源漏注入4为所述浅结PN结光电二极管的阳极，所述N型阱2为所述浅结PN结光电二极管的阴极。所述半导体硅P型衬底1通过P型源漏注入5形成重掺杂欧姆接触，并通过第一金属接触孔6引出，所述N型阱2通过N型源漏注入3形成重掺杂欧姆接触，并通过第二金属接触孔8引出，所述P型源漏注入4通过第三金属接触孔7引出，所述第一金属接触孔6、第二金属接触孔8、第三金属接触孔7位于半导体绝缘层9中，所述深结PN结光电二极管和所述浅结PN结光电二极管共用所述N型阱2构成双结深PN结光电二极管的阴极，所述深结PN结光电二极管阳极和所述浅结PN结光电二极管阳极并联构成双结深PN结光电二极管的阳极。
进一步，所述双结深PN结光电二极管由所述深结PN结光电二极管和所述浅结PN结光电二极管并联构成。所述深结PN结光电二极管可用第一二极管10等效，所述浅结PN结光电二极管可用第二二极管11等效，所述第一二极管10和所述第二二极管11阳极并联，形成第一端口12，所述第一二极管10和所述第二二极管11阴极并联，形成第二端口13，进一步，在使用时，所述第一端口12接地，所述第二端口13接一正向电压，所述双结深PN结光电二极管反向偏置，当荧光照射时，在所述双结深PN结光电二极管第一端口12和第二端口13之间形成光电流。
本发明的技术构思为：由于被测荧光信号很微弱，因此需要低暗电流、高灵敏度的传感单元，另外荧光信号在紫外到可见光范围内都有光谱响应，需要拓宽单结深PN光电二极管的光谱响应范围。根据光在单晶硅中的穿透深度与入射波长的关系，浅结PN结二极管对波长较短的光响应灵敏度高，深结PN结二极管对波长较长的光响应灵敏度高，本发明提供的双结深PN结二极管将浅结PN结二极管和深结PN结二极管并联输出拓宽了光敏二极管的光谱响应范围，同时具有更高的灵敏度和更低的暗电流特性。
本发明的有益效果主要表现在：1、可以与标准CMOS工艺兼容，即与现今的主流微电子工艺兼容，可进一步将双结深PN结光电二极管传感单元与后续的有源像素放大电路及信号处理电路单片集成；2、目前的荧光检测系统都是采用分立元件搭配而成，本发明在荧光检测系统中的应用可进一步将荧光检测系统微型化、智能化；3、本发明提供的双结深PN结光电二极管具有更高的灵敏度、更低的暗电流和更宽的光谱响应，提高了荧光传感器的测试精度和灵敏度，将进一步拓展荧光检测的应用范围。
附图说明
图1是双结深PN结光电二极管剖面图
图2是双结深PN结光电二极管等效电路图
图3是双结深PN结光电二极管光谱响应特性曲线
图4是双结深PN结光电二极管光电流与光强关系曲线
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例
参照图1，一种基于标准CMOS工艺的双结深PN结光电二极管,包括由半导体硅P型衬底1和N型阱2构成的深结PN结光电二极管；由P型源漏注入4和所述N型阱2构成的浅结PN结光电二极管。所述半导体硅P型衬底1为所述深结PN结光电二极管的阳极，所述N型阱2为所述深结PN结光电二极管的阴极；所述P型源漏注入4为所述浅结PN结光电二极管的阳极，所述N型阱2为所述浅结PN结光电二极管的阴极。所述半导体硅P型衬底1通过P型源漏注入5形成重掺杂欧姆接触，并通过第一金属接触孔6引出，所述N型阱2通过N型源漏注入3形成重掺杂欧姆接触，并通过第二金属接触孔8引出，所述P型源漏注入4通过第三金属接触孔7引出，所述第一金属接触孔6、第二金属接触孔8、第三金属接触孔7位于半导体绝缘层9中，所述深结PN结光电二极管和所述浅结PN结光电二极管共用所述N型阱2构成双结深PN结光电二极管的阴极，所述深结PN结光电二极管阳极和所述浅结PN结光电二极管阳极并联构成双结深PN结光电二极管的阳极。
参照图2，基于标准CMOS工艺的双结深PN结光电二极管等效电路图。所述双结深PN结光电二极管由所述深结PN结光电二极管和所述浅结PN结光电二极管并联构成。所述深结PN结光电二极管可用第一二极管10等效，所述浅结PN结光电二极管可用第二二极管11等效，所述第一二极管10和所述第二二极管11阳极并联，形成第一端口12，所述第一二极管10和所述第二二极管11阴极并联，形成第二端口13，进一步，在使用时，所述第一端口12接地，所述第二端口13接一正向电压，所述双结深PN结光电二极管反向偏置，当荧光照射时，在所述双结深PN结光电二极管第一端口12和第二端口13之间形成光电流。
参照图3，基于标准CMOS工艺的双结深PN结光电二极管光谱响应特性曲线，采用的工艺为0.5umCMOS工艺，光电二极管的面积为100×100um2，半带宽光谱响应范围为400～800nm，吸收峰550nm处的灵敏度为5A/W。采用相同工艺设计的相同面积单结深光电二极管光谱响应的半带宽光谱响应范围为500～750nm，吸收峰650nm处的灵敏度为4A/W。本发明提供的双结深PN结光电二极管拓展了光谱响应范围，提高了测试的灵敏度。
参照图4，基于标准CMOS工艺的双结深PN结光电流与入射光强关系曲线，采用的工艺为0.5umCMOS工艺，光电二极管的面积为100×100um2，测试时，所述双结深PN结光电二极管阳极第一端口12接地，所述双结深PN结光电二极管阴极第二端口13固定电压偏置850mV。输入光强照度低(0～50lux)范围内时，所述双结深PN结光电流与输入光强之间有高的灵敏度和很好的线性度，随着输入光强的增加，所述双结深PN结光电流与输入光强之间的灵敏度逐渐降低，线性度变差，由此可见，所述双结深PN结光电二极管更适合微弱光照下的光电传感。
本发明提供的双结深PN结光电二极管，拓宽了光谱响应范围，提高了灵敏度，可作为光敏传感单元，并形成有源光敏传感阵列，用于生物微弱荧光信号检测中，进一步本发明提供的双结深PN结光电二极管可与标准CMOS工艺兼容，实现传感阵列与信号处理电路的单片集成，并进一步实现荧光检测系统的微型化和智能化。
Claims (2)
1.一种基于标准CMOS工艺的双结深PN结光电二极管,其特征在于：包括由半导体硅P型衬底(1)和N型阱(2)构成的深结PN结光电二极管；由P型源漏注入(4)和所述N型阱(2)构成的浅结PN结光电二极管，所述半导体硅P型衬底(1)为所述深结PN结光电二极管的阳极，所述N型阱(2)为所述深结PN结光电二极管的阴极；所述P型源漏注入(4)为所述浅结PN结光电二极管的阳极，所述N型阱(2)为所述浅结PN结光电二极管的阴极；所述半导体硅P型衬底(1)通过P型源漏注入(5)形成重掺杂欧姆接触，并通过第一金属接触孔(6)引出，所述N型阱(2)通过N型源漏注入(3)形成重掺杂欧姆接触，并通过第二金属接触孔(8)引出，所述P型源漏注入(4)通过第三金属接触孔(7)引出，所述第一金属接触孔(6)、第二金属接触孔(8)、第三金属接触孔(7)位于半导体绝缘层(9)中，所述深结PN结光电二极管和所述浅结PN结光电二极管共用所述N型阱(2)构成双结深PN结光电二极管的阴极，所述深结PN结光电二极管阳极和所述浅结PN结光电二极管阳极并联构成双结深PN结光电二极管的阳极。
2.如权利要求1所述的双结深PN结光电二极管,其特征在于：所述双结深PN结光电二极管由所述深结PN结光电二极管和所述浅结PN结光电二极管并联构成；所述深结PN结光电二极管可用第一二极管(10)等效，所述浅结PN结光电二极管可用第二二极管(11)等效，所述第一二极管(10)和所述第二二极管(11)阳极并联，形成第一端口(12)，所述第一二极管(10)和所述二极管(11)阴极并联，形成第二端口(13)；在使用时，所述第一端口(12)接地，所述第二端口(13)接一正向电压，所述双结深PN结光电二极管反向偏置，当荧光照射时，在所述双结深PN结光电二极管第一端口(12)和第二端口(13)之间形成光电流。
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