CN103904152B - 光电探测器及其制造方法和辐射探测器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种光电探测器及其制造方法和辐射探测器。该光电探测器包括：本征半导体层，具有顶部表面和底部表面；位于本征半导体层的顶部表面的P型轻掺杂区；位于本征半导体层的顶部表面的P型重掺杂区；位于本征半导体层的顶部表面的P型接触层；以及位于本征半导体层的底部表面的N型接触层，其中，P型重掺杂区与P型轻掺杂区邻接，并且P型接触层与P型重掺杂区和P型轻掺杂区相接触。该光电探测器可以实现高光电转换效率，进而实现高灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及属于半导体光电子技术领域，更具体地，涉及光电探测器及其制造方法和辐射探测器。
背景技术
光伏型光电探测可以分为PN结型光电探测器、PIN光电探测器、雪崩光电探测器及MSM型光电探测器。PIN光电探测器包括P型半导体层、N型半导体层、以及夹在P型半导体层和N型半导体层之间的本征层。本征层有效地增加了吸收长度及吸收效率。硅基PIN光电探测器是二十世纪六十年代以来得到迅速发展的一种新型半导体探测器，具有在室温下工作、能量分辨率高、脉冲上升时间短、探测效率高、性能稳定等优点。硅基PIN光电探测器在医疗用CT、行李安检、集装箱检查、大型工业设备无损探伤、石油测井、放射性探测、环境监测等领域都发挥着不可替代的作用。
PIN光电探测器的制造工艺主要有三种：扩散工艺、离子注入工艺及材料生长工艺。目前，应用最广泛的是离子注入方法。在高阻的本征半导体衬底的相对两个表面分别注入硼和磷离子，以形成P型半导体层和N型半导体层，从而获得PIN结。
在工作中，当光照射在PIN光电探测器上，光子在PIN结的耗尽区内激发出电子空穴对。光生电子和空穴在耗尽区电场的作用下分别拉至P型半导体层一侧的电极和N型半导体层一侧的电极，从而产生光电流。通过测量光电流，实现对入射光的探测。当高能射线照射在闪烁体上时，闪烁体吸收高能射线并转化成可见光的荧光发射。因此，通过在PIN光电探测器上加装闪烁体，可以实现对高能射线的探测。
光电转换效率是光电探测器的重要参数。光电转换效率主要决定于由光进入到半导体器件内部的效率、光子产生电子空穴对的效率、电子空穴对的收集效率三个部分组成。期望改善光电探测器的效率以提高灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度的光电探测器及包含该光电探测器的辐射探测器。
根据本发明的一方面，提供一种光电探测器，包括：本征半导体层，具有顶部表面和底部表面；位于本征半导体层的顶部表面的P型轻掺杂区；位于本征半导体层的顶部表面的P型重掺杂区；位于本征半导体层的顶部表面的P型接触层；以及位于本征半导体层的底部表面的N型接触层，其中，P型重掺杂区与P型轻掺杂区邻接，并且P型接触层与P型重掺杂区和P型轻掺杂区相接触。
优选地，本征半导体层由选自单晶硅、多晶硅、GaAs、GaN、InP、SiC中的一种组成。
优选地，光电探测器还包括：第一电极，与P型接触层耦合；以及第二电极，与N型接触层耦合。
优选地，第一电极和第二电极分别由选自Al、Ag、ITO、Ti、Ni、Au中的一种或其任意组合组成。
优选地，光电探测器还包括位于P型重掺杂区和P型轻掺杂区上方的增透层，其中光从本征半导体层的顶部表面一侧入射。
优选地，光电探测器还包括位于N型接触层上方的增透层，其中光从本征半导体层的底部表面一侧入射。进一步优选地，增透层由选自SiO2、SiN、MgF2、ITO中的一种或其任意组合组成。
优选地，P型重掺杂区包括分隔开的多个条带。进一步优选地，根据期望的有效光敏面积及衬底掺杂浓度调节多个条带的数量和间距。进一步优选地，P型轻掺杂区分布在多个条带之间。
优选地，P型接触层围绕P型重掺杂区和P型轻掺杂区。
根据本发明的另一方面，提供一种辐射探测器，包括：闪烁体，接收高能辐射并产生光；以及前述的光电探测器，接收光并产生感测信号。
根据本发明的又一方面，提供一种制造光电探测器的方法，包括：在本征半导体衬底的顶部表面形成P型接触层；在本征半导体衬底的顶部表面形成P型轻掺杂区；在本征半导体衬底的顶部表面形成P型重掺杂区；以及在本征半导体衬底的底部表面形成N型接触层，其中，P型重掺杂区与P型轻掺杂区邻接，并且P型接触层与P型重掺杂区和P型轻掺杂区相接触。
优选地，通过各自的离子注入分别形成P型接触层、P型轻掺杂区、P型重掺杂区和N型接触层。
优选地，在形成N型接触层的步骤之后，还包括在P型轻掺杂区和P型重掺杂区上形成增透层。
优选地，在形成N型接触层的步骤之后，还包括在N型接触层上形成增透层。
优选地，在形成N型接触层的步骤之后，还包括在P型接触层上形成第一电极。
优选地，在形成N型接触层的步骤之后，还包括在N型接触层上形成第二电极。
根据本发明的光电探测器，通过在光敏面内设计P型重掺杂区，可以提高载流子的收集效率。在光敏面形成包括P型重掺杂区和P型轻掺杂区的组合结构，可以降低表面复合，减小表面漏电流，从而可以提高光子产生电子空穴对的效率。因此，该光电探测器可以实现高光电转换效率，进而实现高灵敏度。在优选的实施例中，第一电极与P型接触层耦合，而P型接触层围绕P型重掺杂区和P型轻掺杂区。第一电极不影响有效光敏面积，从而可以提高光进入到半导体器件内部的效率，从而可以进一步提高灵敏度。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是根据本发明一个优选实施例的光电探测器的示意图；
图2是根据本发明一个优选实施例的光电探测器的制造方法的各个阶段的半导体结构的垂直截面图；以及
图3是根据本发明一个优选实施例的光电探测器的理论计算结果。
具体实施方式
下文结合附图对本发明优选实施例进行详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
图1是根据本发明一个优选实施例的光电探测器的示意图，其中在图1a中示出了光电探测器的俯视图，在图1b中示出了光电探测器沿图1a中的线A-A截取的垂直截面图，在图1c中示出了光电探测器沿图1b中的线B-B截取的水平截面图。该光电探测器100包括本征半导体层101、P型接触层102、P型重掺杂区103、P型轻掺杂区104和N型接触层105。本征半导体层101具有顶部表面和底部表面，可以由选自单晶硅、多晶硅、GaAs、GaN、InP、SiC中的一种组成。P型接触层102、P型重掺杂区103、P型轻掺杂区104和位于本征半导体层101的顶部表面。P型重掺杂区103与P型轻掺杂区104邻接，并且P型接触层102与P型重掺杂区103和P型轻掺杂区104相接触。P型重掺杂区103具有载流子收集作用，以提高载流子的收集效率。P型轻掺杂区104具有调制表面电场的作用，以提高光子产生电子空穴对的效率。N型接触层105位于本征半导体层101的底部表面。P型接触层102的浓度需满足与电极材料形成良好欧姆接触的要求。当在P型接触层102和N型接触层105之间加反向偏压或0偏压时，即可实现光子探测。
在图1的示例中，P型重掺杂区103是分布在P型轻掺杂区104中的一个条带。然而，P型重掺杂区103的配置不限于此。P型重掺杂区103可以包括分隔开的多个条带。P型轻掺杂区104分布在P型重掺杂区103的多个条带之间。在替代的实例中，P型轻掺杂区104分布在整个光敏面上，并且P型重掺杂区103的多个条带嵌入P型轻掺杂区104中。P型重掺杂区103的多个条带的间距及数量可根据期望的有效光敏面积及衬底掺杂浓度调节，以调节与本征半导体层101之间形成的电场。。P型重掺杂区103可以提高光生载流子的收集效率。P型轻掺杂区104有利于调制电场，降低表面死区厚度，降低暗电流。P型轻掺杂区104的掺杂浓度应介于本征半导体层101及P型重掺区103的掺杂浓度之间，可根据实际电场及表面钝化效果调整。
在图1的示例中，还示出了位于P型接触层102上的第一电极108和位于N型接触层105上的第二电极107，用于向P型接触层102和N型接触层105施加偏压和/或读出感测信号。第一电极108和第二电极107可以分别由选自Al、Ag、ITO、Ti、Ni、Au等的一种或其任意组合组成。例如，第一电极108和第二电极107可以为Al、Ag、ITO等的单层，或者Ti/Ni/Au的叠层。
在图1的示例中，光从本征半导体层101的顶部表面一侧入射。第一电极108包括围绕P型重掺杂区103和P型轻掺杂区104的第一部分108a和与第一部分108a连接在一起并用作端子的第二部分108b。在P型重掺杂区103和P型轻掺杂区104上方还形成了增透层106，使得第一电极108未遮挡光电探测器100的光敏面，以提高光进入到半导体器件内部的效率。然而，第一电极108和增透层106的配置不限于此。例如，如果光从本征半导体层101的底部表面一侧入射，可以将第二电极107形成为围绕光敏面，并且将增透层106形成在N型接触层105上方。增透层106可以由选自SiO2、SiN、MgF2、ITO等的一种或其任意组合组成。
尽管未在图中示出，光电探测器100可以包括沿着周边设置的保护环，用于隔离器件间串扰、提高反向击穿电压、降低反向暗电流作用。保护环与器件的有源区之间可以隔开一定距离。保护环可以是P型重掺杂区、N型重掺杂区、STI(浅沟槽隔离)等的一种。
另外，光电探测器100既作为单个器件单独使用，也可以形成阵列使用。将光电探测器和闪烁体相结合，可以形成辐射探测器，其中闪烁体接收高能辐射并产生光，而光电探测器接收光并产生感测信号。
图2是根据本发明一个优选实施例的光电探测器的制造方法的各个阶段的半导体结构的垂直截面图。
通过使用不同掩模的单次或多次离子注入或扩散，在半导体衬底(例如，单晶硅)的顶部表面注入P型掺杂剂(例如，硼)，分别形成P型接触层102、P型重掺杂区103、P型轻掺杂区104，如图2a所示。P型重掺杂区103与P型轻掺杂区104邻接，并且P型接触层102与P型重掺杂区103和P型轻掺杂区104相接触。
通过离子注入或扩散，在半导体衬底(例如，单晶硅)的底部表面注入N型掺杂剂(例如，磷)，以形成N型接触层105，如图2b所示。半导体衬底未掺杂的部分形成本征半导体层101。P型接触层102、本征半导体层101和N型接触层105形成PIN结构。
采用氧化、MBE、CVD生长，在半导体结构的顶部表面生长透光材料(例如，ITO)。通过光刻和蚀刻，去除透光材料位于光敏面外部的部分，以形成增透层106，如图2c所示。
采用溅射或者蒸发，在半导体结构的底部表面分别生长导电材料(例如，Ag)，以形成第二电极107，如图2d所示。
采用溅射或者蒸发，在半导体结构的顶部表面分别生长导电材料(例如，Ag)。通过光刻和蚀刻，去除导电材料位于透光材料上方的部分，以形成第一电极108，如图2e所示。
在封装之后获得光电探测器100。在光照情况下，通过第一电极108和第二电极107，在P型接触层102和N型接触层105施加反偏电压或0偏压获得光信号的探测。
图3是根据本发明一个优选实施例的光电探测器100的理论计算结果。通过在光敏面内设计P型重掺杂区，可以提高载流子的收集效率。在优选的实施例中，第一电极与P型接触层耦合，而P型接触层围绕P型重掺杂区和P型轻掺杂区。第一电极不影响有效光敏面积，从而可以提高光进入到半导体器件内部的效率，从而可以进一步提高灵敏度。由于光敏面包括P型重掺杂区和P型轻掺杂区的组合结构，可以降低表面复合，减小表面漏电流，从而可以提高光子产生电子空穴对的效率。根据理论计算，光电探测器100的内量子效率可达91％以上，如图3a所示，暗电流可降至10pA以下，如图3b所示。
最后，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽地示出和描述了优选示例性的实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本申请公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (17)
1.一种光电探测器，包括：
本征半导体层，具有顶部表面和底部表面；
位于本征半导体层的顶部表面的P型轻掺杂区；
位于本征半导体层的顶部表面的P型重掺杂区；
位于本征半导体层的顶部表面的P型接触层；以及
位于本征半导体层的底部表面的N型接触层，
其中，P型重掺杂区与P型轻掺杂区邻接，并且P型接触层与P型重掺杂区和P型轻掺杂区相接触；
其中，所述的光电探测器还包括位于N型接触层上方的增透层，其中光从本征半导体层的底部表面一侧入射。
2.根据权利要求1的光电探测器，其中本征半导体层具体为单晶硅、多晶硅、GaAs、GaN、InP、SiC中的一种。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，还包括：
第一电极，与P型接触层耦合；以及
第二电极，与N型接触层耦合。
4.根据权利要求3的光电探测器，其中第一电极和第二电极分别具体为Al、Ag、ITO、Ti、Ni、Au中的一种或其任意组合。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，还包括位于P型重掺杂区和P型轻掺杂区上方的增透层，其中光从本征半导体层的顶部表面一侧入射。
6.根据权利要求1或5的光电探测器，其中增透层具体为SiO2、SiN、MgF2、ITO中的一种或其任意组合。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其中P型重掺杂区包括分隔开的多个条带。
8.根据权利要求7所述的光电探测器，其中根据期望的有效光敏面积及衬底掺杂浓度调节多个条带的数量和间距。
9.根据权利要求7所述的光电探测器，其中P型轻掺杂区分布在多个条带之间。
10.根据权利要求7所述的光电探测器，其中P型轻掺杂区分布在整个光敏面上，并且多个条带嵌入P型轻掺杂区中。
11.根据权利要求1所述的光电探测器，其中P型接触层围绕P型重掺杂区和P型轻掺杂区。
12.一种辐射探测器，包括：
闪烁体，接收高能辐射并产生光；以及
根据权利要求1至11中任一项所述的光电探测器，接收光并产生感测信号。
13.一种制造光电探测器的方法，包括：
在本征半导体衬底的顶部表面形成P型接触层；
在本征半导体衬底的顶部表面形成P型轻掺杂区；
在本征半导体衬底的顶部表面形成P型重掺杂区；以及
在本征半导体衬底的底部表面形成N型接触层，
其中，P型重掺杂区与P型轻掺杂区邻接，并且P型接触层与P型重掺杂区和P型轻掺杂区相接触；
其中，在形成N型接触层的步骤之后，还包括针对背面入射在N型接触层上形成增透层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中通过各自的单次或多次离子注入分别形成P型接触层、P型轻掺杂区、P型重掺杂区和N型接触层，可同时注入形成，也可分开以不同浓度注入。
15.根据权利要求13所述的方法，在形成N型接触层的步骤之后，还包括针对正面入射在P型轻掺杂区和P型重掺杂区上形成增透层。
16.根据权利要求13所述的方法，在形成N型接触层的步骤之后，还包括在P型接触层上形成第一电极。
17.根据权利要求13所述的方法，在形成N型接触层的步骤之后，还包括在N型接触层上形成第二电极。
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