CN103594468B - 一种快速光电探测器 - Google Patents

一种快速光电探测器 Download PDF

Info

Publication number
CN103594468B
CN103594468B CN201310633691.4A CN201310633691A CN103594468B CN 103594468 B CN103594468 B CN 103594468B CN 201310633691 A CN201310633691 A CN 201310633691A CN 103594468 B CN103594468 B CN 103594468B
Authority
CN
China
Prior art keywords
photodiode
metal
light shield
amplifying circuit
photodetector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201310633691.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103594468A (zh
Inventor
张有润
董梁
孙成春
张飞翔
刘影
张明
高向东
张波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201310633691.4A priority Critical patent/CN103594468B/zh
Publication of CN103594468A publication Critical patent/CN103594468A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103594468B publication Critical patent/CN103594468B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本发明涉及电子元器件技术，具体的说是涉及一种快速光电探测器。本发明所述的快速光电探测器，包括相连接的光电二极管和放大电路，所述光电二极管包括N+衬底101、N‑外延层102、阳极金属电极105和阴极金属电极106，所述N‑外延层102设在N+衬底101的上端面，所述N‑外延层102中设有P+注入区103，所述P+注入区103的上端面设有抗反射膜104和阳极金属电极105，所述放大电路由多个NMOS管108和PMOS管109组成，其特征在于，所述光电二极管与放大电路之间设置有遮光层，所述遮光层用于对非光敏区进行光屏蔽。本发明的有益效果为从根本上消除了慢光生载流子的产生条件，从而大大提升了光电探测器的响应速度。本发明尤其适用于光电探测器。

Description

一种快速光电探测器
技术领域
本发明涉及电子元器件技术，具体的说是涉及一种快速光电探测器。
背景技术
光电探测器（Photo Detector），是利用半导体材料的光电效应制成的一种光探测器件。在光电探测器接收光照时，携带能量的光子进入光电二极管的PN结中，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子，它们在反向电压的作用下参与漂移运动，从而产生反向电流，称为光电流，如果在外电路接上负载，负载上就获得了电信号，从而实现了从光信号到电信号的转换。这些载流子产生的位置不同，在远离电场区域，产生的扩散载流子，其扩散速度比漂移运动速度要慢很多，所以在体内和远离所加电压区域里，载流子的运动以扩散为主，这也导致载流子变慢，从而使整个探测器频率特性变差，响应速度变慢。
公开号为CN102593132A的中国专利提出了一种新结构来消除慢光生载流子的方法。该结构采用标准CMOS工艺叠层差分双光电探测器，通过金属半导体金属型光电探测器和两种二极管型光电探测器（P+/N阱结型工作二极管和N阱/P衬底结型屏蔽二极管）的组合，屏蔽掉慢光生载流子，并在整体形成差分结构，得到两路相互隔离的光电流信号。该方法可以在保证整个探测器响应度的前提下提高整体的响应速度，不过由于采用了金属半导体金属型光电探测器，并且要形成一对差分信号，其参数也须精确计算，这也相应地增加了制作的工艺难度。
此外，公开号为US20090001434A的美国专利也提出了一种解决光生载流子速度较慢问题的方法。该方法采用纵向的PIN配置，以CMOS兼容的方式制造有效的光电二极管，结构为：P+硅衬底（阳极）/P-外延（I区）/N+（阴极）。由于其电压为纵向电压，使I区内也存在相对于传统光电二极管增大的电场，使得通过光入射而产生的载流子可以迅速流走。这种结构在解决纵向光生载流子时效果较好，不过由于在N+注入侧面也存在光生载流子，这些载流子由于离电极距离较远，无法快速流走，从而会影响了整体的响应速度。
综上，通过修改光电探测器的结构，来提高探测器响应速度的方法，结构设计复杂，且未能从根本上消除慢载流子产生的条件。而本专利中提出的快速光电探测器，结构更简单，更易实现，其利用现有工艺技术将纵向光电二极管中产生慢载流子的区域进行光信号屏蔽，避免了慢载流子的产生，从而大大提升了光电探测器的响应速度。此外，本专利中的光电探测器与现有工艺完全兼容，不需要制作复杂的结构，方式简单有效，不会增加工艺成本。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述光电探测器存在的问题，提出了一种与目前工艺技术兼容的快速光电探测器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种快速光电探测器，包括相连接的光电二极管和放大电路，所述光电二极管，包括N+衬底101、N-外延层102、阳极金属电极105和阴极金属电极106，所述N-外延层102设在N+衬底101的上端面，所述N-外延层102中设有P+注入区103，所述P+注入区103的上端面设有抗反射膜104和阳极金属电极105，所述放大电路由多个NMOS管108和PMOS管109组成，其特征在于，所述光电二极管与放大电路之间设置有遮光层，所述遮光层用于对非光敏区进行光屏蔽。
本发明总的技术方案，通过在N-外延层102上设置金属覆盖层107，将光电二极管周围的非光敏区用金属将光线屏蔽，从根本上消除了慢光生载流子的产生条件，大大提升了光电探测器的响应速度。
具体的，所述光电二极管的结构采用横向结构、纵向结构和横向与纵向相结合的结构中的一种。
具体的，所述遮光层为金属覆盖层107，所述金属覆盖层107和阳极金属电极105采用同一层金属版次且与阳极金属电极105相互独立。
本发明的有益效果为，从版图的角度提出了消除慢光生载流子的方法，其利用现有工艺技术将纵向光电二极管中产生慢光生载流子的区域进行光信号屏蔽，从根本上消除了慢光生载流子的产生条件，从而大大提升了光电探测器的响应速度；同时专利中的光电探测器与现有工艺完全兼容，不需要制作复杂的结构，方式简单有效，不会增加工艺成本。
附图说明
图1为本发明实施例1的光电探测器的截面示意图；
图2为本发明实施例1的光电探测器的版图示意图；
图3为传统的光电探测器中光电二极管的内部原理示意图；
图4为本发明实施例1的光电探测器中光电二极管的内部原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明的快速光电探测器包括：光电二极管，其作用是接收光信号，并产生一个光电流；一个放大电路，其作用是对光电二极管产生的光电流转换成电压，并进行放大等后续处理；一个金属覆盖区域，其作用是将光电二极管周围的非光敏区用金属将光线屏蔽；其中，所述光电二极管，采用纵向结构，可以为PIN型或NIP型的光电二极管，其中一极做在背面，另一极做在表面，阴极和阳极通过金属与电源和集成电路模块进行连接；所述放大电路，由若干个有源器件、电阻和电容经过特定的连接组成，器件之间通过金属连接。所述金属覆盖区域，在光电二极管与放大电路之间，采用不透光的金属层将非光敏区进行光屏蔽，处于浮空状态，不接任何电位。
实施例1
如图1所示，本例的光电探测器，采用纵向CMOS工艺进行制作，其中光电二极管采用纵向结构，制作在N+衬底101上，作为光电管的阴极，在衬底上方为N-外延层102，在外延中进行一层P+注入区103，作为光电管的阳极，在P+注入区103上方覆盖一层抗反射膜104，用来提高光电管的光吸收效率，阳极金属电极105和阴极金属电极106分别做在光电管的表面和背面，金属覆盖区域107和阳极金属电极105采用同一层金属版次，覆盖在光电二极管的周围，不接任何电位。放大电路由若干个NMOS管108和PMOS管109组成，通过金属与光电二极管进行互联。
如图2所示，为本例的光电探测器的版图，图中金属覆盖层107，环绕在光电二极管202周围，将周围的非光敏区域进行光屏蔽，光电二极管的阳极金属电极105为连接放大电路的接口（由于光电管的阴极在背面，图中未显示），与放大电路中的PMOS管109、NMOS管108通过金属连线进行连接，从而实现光电探测器的完整功能。
普通光电探测器与本例的光电二极管的内部原理分别如图3和图4所示：
如图3所示，普通光电探测器，在光照时，光生载流子的产生区域包括P+注入区304下方的区域305和侧面的区域306，当反向电压加在阴极金属电极301和阳极金属电极307之间时，区域305和区域306中的光生载流子就会向电极移动，由于光电二极管结构为纵向，反向电压也为纵向电压，因此在区域305内的光生载流子的漂移速度比区域306内的光生载流子速度快，但整个光电探测器的响应速度取决于较慢的光生载流子，因此区域306内的光生载流子会拉低整个光电探测器的响应速度。
如图4所示，在本例的光电探测器中，在光照时，由于金属覆盖层107将光进行遮挡，产生的光生载流子主要分布在P+注入区103正下方的区域405中，而区域406中不会产生光生载流子。在上面的分析中，可知区域405内的光生载流子为快光生载流子，其速度较快，由于没有区域406的慢光生载流子的影响，光电探测器的整体响应速度也大为提升。
本发明光电探测器中的光电二极管，也可以采用P+衬底进行制作，结构与上述实施例结构相同；
本发明光电探测器中的光电二极管，也可以采用横向结构或横向和纵向结合的结构进行制作，金属覆盖区域与实施例一所述位置相同；
本发明光电探测器，也可采用双极工艺进行制作，其光电二极管的结构所需的版次也与标准双极工艺中的版次兼容。
以上的制作工艺和材料应根据实际工艺环境而决定。
与传统技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用的金属覆盖层，有效地屏蔽了非光敏区域内的光照，消除了光电二极管周围的慢光生载流子对光电二极管响应时间的影响，提升了光电二极管的响应速度；
本发明采用的金属覆盖层与工艺中的金属采用同一版次，不会增加新的版次，完全与工艺兼容。

Claims (1)

1.一种快速光电探测器，包括相连接的光电二极管和放大电路，所述光电二极管采用纵向结构，所述光电二极管包括N+衬底(101)、N-外延层(102)、阳极金属电极(105)和阴极金属电极(106)，所述N-外延层(102)设在N+衬底(101)的上端面，所述N-外延层(102)中设有P+注入区(103)，所述P+注入区(103)的上端面设有抗反射膜(104)和阳极金属电极(105)，所述放大电路由多个NMOS管(108)和PMOS管(109)组成，其特征在于，所述光电二极管与放大电路之间设置有遮光层，所述遮光层用于对非光敏区进行光屏蔽；所述遮光层为金属覆盖层(107)，所述金属覆盖层(107)环绕在光电二极管周围，所述金属覆盖层(107)和阳极金属电极(105)采用同一层金属版次且与阳极金属电极(105)相互独立。
CN201310633691.4A 2013-11-29 2013-11-29 一种快速光电探测器 Expired - Fee Related CN103594468B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310633691.4A CN103594468B (zh) 2013-11-29 2013-11-29 一种快速光电探测器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310633691.4A CN103594468B (zh) 2013-11-29 2013-11-29 一种快速光电探测器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103594468A CN103594468A (zh) 2014-02-19
CN103594468B true CN103594468B (zh) 2016-08-31

Family

ID=50084544

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310633691.4A Expired - Fee Related CN103594468B (zh) 2013-11-29 2013-11-29 一种快速光电探测器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103594468B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105448945B (zh) 2015-12-29 2019-07-05 同方威视技术股份有限公司 同面电极光电二极管阵列及其制作方法
CN107346774A (zh) * 2016-05-05 2017-11-14 上海芯晨科技有限公司 一种单片集成的紫外焦平面器件及其制备方法
CN109671799B (zh) * 2018-12-21 2020-08-18 中国科学院微电子研究所 漂移探测器及其制作方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1386305A (zh) * 2000-07-18 2002-12-18 日本板硝子株式会社 受光元件阵列
CN103400872A (zh) * 2013-06-30 2013-11-20 北京工业大学 表面电场增强的pin光电探测器的结构及其制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004053077B4 (de) * 2004-11-03 2006-11-02 X-Fab Semiconductor Foundries Ag Vertikale PIN-Fotodiode und Verfahren zur Herstellung, kompatibel zu einem konventionellen CMOS-Prozess

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1386305A (zh) * 2000-07-18 2002-12-18 日本板硝子株式会社 受光元件阵列
CN103400872A (zh) * 2013-06-30 2013-11-20 北京工业大学 表面电场增强的pin光电探测器的结构及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103594468A (zh) 2014-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106531822B (zh) 一种光电探测器
CN101356654B (zh) 为检测可见光而优化的半导体辐射探测器
CN108550592B (zh) 一种低暗计数率cmos spad光电器件
US9735188B2 (en) Image sensor with solar cell function
CN107342338A (zh) 一种多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器及探测方法
CN103594468B (zh) 一种快速光电探测器
CN106356419B (zh) 一种含埋氧层结构的光电探测器
CN106784054A (zh) 一种紫外雪崩光电二极管探测器及其探测方法
CN102569310B (zh) 无盲区、无光电串扰的硅象限光电探测器制作方法
CN110197859A (zh) 一种工作在可见光波段的高带宽cmos apd光电器件
CN106252456A (zh) 一种高灵敏度光敏三极管及其制造方法
CN106601762B (zh) 具有太阳能电池功能的图像传感器
US9257588B2 (en) Microchannel avalanche photodiode (variants)
CN109285901A (zh) 一种具有逆掺杂分布的深n阱的cmos spad光电器件
CN206210817U (zh) 量子点宽谱单光子探测器
CN104505421B (zh) 一种具有自熄灭自恢复功能的雪崩光电二极管
CN206574724U (zh) 一种紫外雪崩光电二极管探测器
KR101088383B1 (ko) 프린팅 기법을 이용한 양면 수광형 태양전지 제조 방법 및 양면 수광형 태양전지
CN101894876A (zh) 量子级联探测器结构
CN108493206A (zh) 一种提高量子效率的cmos图像传感器
CN103247675B (zh) 具备光电转换和放大功能的异质结三极管
CN104505422A (zh) 一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管
CA2654034C (en) Microchannel avalanche photodiode
CN110061091A (zh) 基于硅基双环结构的apd探测器制备方法
CN103280451B (zh) 改善cmos图像传感器性能的方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20160831

Termination date: 20191129

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee