CN105097982A - 一种感光二极管及其cmos图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种感光二极管，包括第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区，第二掺杂区位于第一掺杂区和第三掺杂区之间，第一掺杂区和第三掺杂区的掺杂类型相反，第二掺杂区的掺杂浓度小于第一掺杂区和第三掺杂区的掺杂浓度，第三掺杂区上形成有黑硅层，该黑硅层为感光二极管的感光区域。本发明的实施例中，感光二极管中使用黑硅层作为感光区域，黒硅层对可见-近红外光的吸收率能达到近100%，大大提高了感光二极管对光的吸收率和灵敏度，并且结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种感光二极管及其CMOS图像传感器。
背景技术
图像传感器上世纪六十年代由美国贝尔实验室首先提出，包括CMOS图像传感器和CCD图像传感器两大类，以前由于工艺水平的限制使得CMOS图像传感器的图像质量差、分辨率低、噪声大、光照灵敏度不够，其发展远远落后于CCD图像传感器。随着科技的进步以及工艺水平的增加，CMOS传感器以上的缺点都得到了很大程度的弥补，同时其成本低、低功耗、易于集成等优点让CMOS图像传感器再一次成为了研究热点并广泛应用于各类电子产品中。
现有的CMOS图像传感器的像素单元一般为感光二极管，包括PN结和PIN结感光二极管。PIN结感光二极管是在PN结二极管的基础上发展出来的，是针对PN结的不足，在结构上加以改进得到的。其发光机理与PN结感光二极管类似，只是人为的拓宽了势垒区，PIN结的势垒区一般认为是I层的厚度，这样不仅增大了有效感光区域，同时也减小了结电容，所以PIN结感光二极管的灵敏度和响应度都得到了很大提高。
但是局限于感光区域对光的吸收率，例如硅对可见光的吸收约为70%，对近红外光的吸收只有20%左右，这就从根本上降低了二极管的光响应率，尤其是在夜间条件下，硅基CNOS图像传感器的图像质量会变得很差。人们通过各种方法来提高光吸收率，例如加装透镜等，但是这又使得像素单元的结构变得更加复杂。
发明内容
本发明的目的之一是提供能够增加对光的吸收率、提高光响应率和灵敏度、同时结构又相对简单的感光二极管及其CMOS图像传感器。
本发明公开的技术方案包括：
提供了一种感光二极管，其特征在于，包括第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区，第二掺杂区位于所述第一掺杂区和所述第三掺杂区之间，其中，所述第一掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂类型相反，所述第二掺杂区的掺杂浓度小于所述第一掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂浓度，并且所述第三掺杂区上形成有黑硅层，所述黑硅层为所述感光二极管的感光区域。
本发明的一个实施例中，所述黑硅层表面形成有钝化层。
本发明的一个实施例中，所述钝化层为氧化铝层或者氧化钛层。
本发明的一个实施例中，所述第一掺杂区为P+型掺杂，所述第三掺杂区为N+型掺杂；或者，所述第一掺杂区为N+型掺杂，所述第三掺杂区为P+型掺杂。
本发明的一个实施例中，所述第二掺杂区为P型掺杂或者N型掺杂。
本发明的一个实施例中，所述第一掺杂区的掺杂浓度大于1020/cm3。
本发明的一个实施例中，所述第三掺杂区的掺杂浓度大于1020/cm3。
本发明的一个实施例中，所述第二掺杂区的掺杂浓度小于1015/cm3。
本发明的一个实施例中，所述黑硅层的厚度小于或等于2微米。
本发明的实施例中还提供了一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括半导体衬底、前述任一种感光二极管和读出电路，所述感光二极管形成在所述半导体衬底上，所述读出电路与所述感光二极管连接。
本发明的实施例中，感光二极管中使用黑硅层作为感光区域，黒硅层对可见-近红外光的吸收率能达到近100%，大大提高了感光二极管对光的吸收率和灵敏度，并且结构简单。
附图说明
图1是本发明一个实施例的感光二极管的结构示意图。
图2是本发明一个实施例的CMOS图像传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的实施例的感光二极管及其CMOS图像传感器的具体结构。
如图1所示，本发明的一个实施例中，一种感光二极管包括第一掺杂区1、第二掺杂区2和第三掺杂区3。第二掺杂区2位于第一掺杂区1和第三掺杂区3之间。
本发明的实施例中，第一掺杂区1和第三掺杂区3的掺杂类型相反。例如，一些实施例中，第一掺杂区为P+型掺杂，而第三掺杂区为N+型掺杂。另一些实施例中，第一掺杂区为N+型掺杂，而第三掺杂区为P+型掺杂。只要使第一掺杂区1和第三掺杂区3的掺杂类型相反即可。
本文中，所说的“P+型掺杂”是指掺杂浓度较大的P型掺杂，其掺杂浓度通常比一般的P型掺杂高数个数量级。类似地，“N+型掺杂”是指掺杂浓度较大的N型掺杂，其掺杂浓度通常比一般的N型掺杂高数个数量级。
本发明的实施例中，第二掺杂区2的掺杂类型没有限制，可以是P型掺杂或者N型掺杂。
本发明的实施例中，第二掺杂区2的掺杂浓度小于第一掺杂区1的掺杂浓度和第三掺杂区3的掺杂浓度。例如，一些实施例中，第二掺杂区2的掺杂浓度远小于第一掺杂区1的掺杂浓度和第三掺杂区3的掺杂浓度，例如小数个数量级。
一些实施例中，第二掺杂区2的掺杂区长度小于该第二掺杂区2内的少子的扩散长度。
例如，一些实施例中，第一掺杂区1的掺杂浓度可以大于1020/cm3；第三掺杂区3的掺杂浓度可以大于1020/cm3；第二掺杂区的掺杂浓度可以小于1015/cm3。
本发明的实施例中，第一掺杂区1、第二掺杂区2和第三掺杂区3的掺杂可以通过本领域内常用的方法实现，例如，一些实施例中，可以使用离子注入法或者扩散法实现掺杂。
本发明的实施例中，第三掺杂区3上还形成由黑硅层。该黑硅层可以是第三掺杂区3的全部（即，整个第三掺杂区3均形成黑硅层，如图1所示）或者是第三掺杂区3的至少一部分（图中未示出）。该黑硅层可以作为该感光二极管的感光区域，即接收光辐射的区域。
本发明的一些实施例中，该黑硅层的厚度可以小于或者等于2微米。这样，黑硅层不会过多的复合所产生的空穴载流子，避免产生的空穴载流子都被黑硅层过多吸收。发明人经过研究发现，当黑硅层的厚度小于或者等于2微米时，黑硅层能够达到更优的效果。
该黑硅层例如可以使用飞秒激光形成。例如，一些实施例中，可以在空气中，使用飞秒激光扫描第三掺杂区3，从而在第三掺杂区3上制成黒硅层。一些实施例中，该飞秒激光的参数可以是：脉冲能量密度为0.8J/cm3，脉宽为100fs，扫描脉冲数为5个。
本发明的一些实施例中，还可以在黑硅层表面形成钝化层4。一些实施例中，该钝化层4可以是氧化铝层或者氧化钛层。该钝化层例如可以使用原子层沉积方法形成。
钝化层4可以钝化黒硅层的表面，降低黒硅层的缺陷密度，同时氧化铝或者氧化钛的折射率大于空气的折射率而小于硅的折射率，可以起到减反膜的作用。
本发明的实施例中，该感光二极管中使用黑硅层作为感光区域，黒硅层对可见-近红外光的吸收率能达到近100%，因此大大提高了感光二极管对光的吸收率和灵敏度，并且结构简单。
本发明的一些实施例中，还提供了一种CMOS图像传感器，如图2所示。该CMOS图像传感器包括半导体衬底6（例如，P型或者N型硅或者锗衬底）和读出电路，半导体衬底6上形成了前述各个实施例中任意一个的包括第一掺杂区1、第二掺杂区2和形成有黑硅层的第三掺杂区3的感光二极管。感光二极管连接到读出电路上。该读出电路例如可以为4T型像素电路，包括转移晶体管M1、复位管M2、源跟随器M3、行选通开关管M4，感光二极管与转移晶体管M1局域互联。
以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。
Claims (10)
1.一种感光二极管，其特征在于，包括第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区，第二掺杂区位于所述第一掺杂区和所述第三掺杂区之间，其中，所述第一掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂类型相反，所述第二掺杂区的掺杂浓度小于所述第一掺杂区和所述第三掺杂区的掺杂浓度，并且所述第三掺杂区上形成有黑硅层，所述黑硅层为所述感光二极管的感光区域。
2.如权利要求1所述的感光二极管，其特征在于：所述黑硅层表面形成有钝化层。
3.如权利要求2所述的感光二极管，其特征在于：所述钝化层为氧化铝层或者氧化钛层。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的感光二极管，其特征在于：所述第一掺杂区为P+型掺杂，所述第三掺杂区为N+型掺杂；或者，所述第一掺杂区为N+型掺杂，所述第三掺杂区为P+型掺杂。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的感光二极管，其特征在于：所述第二掺杂区为P型掺杂或者N型掺杂。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的感光二极管，其特征在于：所述第一掺杂区的掺杂浓度大于1020/cm3。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的感光二极管，其特征在于：所述第三掺杂区的掺杂浓度大于1020/cm3。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的感光二极管，其特征在于：所述第二掺杂区的掺杂浓度小于1015/cm3。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的感光二极管，其特征在于：所述黑硅层的厚度小于或等于2微米。
10.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括半导体衬底、如权利要求1至9中任意一项所述的感光二极管和读出电路，所述感光二极管形成在所述半导体衬底上，所述读出电路与所述感光二极管连接。
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Non-Patent Citations (1)
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| 沈文忠: "《太阳能光伏技术与应用》", 31 October 2013 * |
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