CN107546286B - 一种基于cmos工艺的光敏二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CMOS工艺的光敏二极管，其包括阻挡层、本征层、Diode、N阱区、离子注入区、场氧区，其中所述各层按照N阱区、离子注入区、Diode、场氧区、本征层、阻挡层的从下到上的顺序依次排布；所述光敏二极管在场氧区的宽、长均为13～15um。通过限定各层之间的间距及场氧区的面积等，从而增加该光敏二极管在单位时间里对光电子的吸收量，进而提高了光敏二极管的灵敏度，其解决了光敏二极管的灵敏度、暗电流与光电流的转移关系，同时解决了感光二极管吸收不同频率波长光的临界值，使得光电子信号转为可定向控制的逻辑信号，广泛应用于二极管领域。

Description

一种基于CMOS工艺的光敏二极管

技术领域

本发明涉及二极管领域，具体为基于CMOS工艺的光敏二极管。

背景技术

随着21世纪对传感器在实践中的应用越来越普及、越来越广泛。以往的光电传感器器件越来越不满足实践的应用需求。传统的光敏二极管在灵敏度方面反映比较迟钝 (例如电梯门有时打开很长一段时间关不上问题、打卡机指纹感光迟钝问题)。其次，对于不同频率波长的临界值点以及光电流的扩散时间值与漂移时间值得不到很好应用参数，导致器件停止工作或死机状态(例如现阶段通过手势控制的台灯在强光线下会出现无响应状态)。

现阶段以及很长一段时间里，制约光敏二极管的发展应用的主要方面有：光敏二极管的灵敏度问题、暗电流与光电流的转移问题、光敏二极管对不同频率波长光的感光临界值参数、光电流信号转为可定向控制的逻辑信号实现等方面受到严重的制约，使得光敏二极管在灵敏度以及应用范围得不到更高效更合理的利用。

虽然现有技术有改善对光敏二极管应用制造缺点，但是并没有使得单位时间里光敏二极管对光电流的吸收量提高，以及光敏二极管在灵敏度、吸收不同频率波长光的范围等方面得到提升。

因此，该技术有必要进行改进。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可提高感光二极管的灵敏度的基于CMOS工艺的光敏二极管。

本发明所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于CMOS工艺的光敏二极管，其包括阻挡层、本征层、二极管、N阱区、离子注入区、场氧区，其中N阱区、离子注入区、二极管、场氧区、本征层、阻挡层按照从下到上的顺序依次排布；所述光敏二极管的场氧区的宽、长均为13～15um。

作为该技术方案的改进，所述场氧区的面积为14um×14um。

作为该技术方案的改进，所述场氧区的外边缘与本征层的外边缘区间距为4.4～5.2um。

作为该技术方案的改进，所述场氧区的外边缘与阻挡层的外边缘区间距为5.0～5.52um。

进一步地，所述场氧区的外边缘与二极管外边缘区间距为1.0～1.3um。

进一步地，所述场氧区的外边缘与N阱区间距为0.43～0.62um。

进一步地，所述场氧区的外边缘与离子注入区间距为0.1～0.27um。

进一步地，所述光敏二极管还包括P-N结N区接触孔；所述接触孔的个数为2～8个。

进一步地，所述接触孔的个数为2个。

本发明的有益效果是：本方案提供的光敏二极管，通过限定各层之间的间距及场氧区的面积等，从而增加该光敏二极管在单位时间里对光电子的吸收量，进而提高了光敏二极管的灵敏度，其解决了光敏二极管的灵敏度、暗电流与光电流的转移关系，同时解决了感光二极管吸收不同频率波长光的临界值，使得光电子信号转为可定向控制的逻辑信号。

另一方面，其使得此光敏二极管的实践应用范围扩展到国防，导弹，无人机等方面。其同时很好的解决了电梯门打开很长时间关不上问题、打卡机指纹感光迟钝问题、以及鼠标传感图像采集区不稳定的问题。该CMOS光敏二极管具有很高的稳定性、灵敏度，从而应用方面得到较大提升，范围更加广泛。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明第一实施例的示意图；

图2是本发明第二实施例的场氧区面积与灵敏度之间关系曲线示意图；

图3是本发明一实施例的光敏二极管场氧区W/L与不同波长频率的临界值的吸收系数之间关系曲线示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供一种基于CMOS工艺的光敏二极管，其包括阻挡层、本征层、二极管、N阱区、离子注入区、场氧区，其中N阱区、离子注入区、二极管、场氧区、本征层、阻挡层按照从下到上的顺序依次排布；所述光敏二极管的场氧区的宽、长均为13～15um。宽长比可为13:13～15：15。

作为该技术方案的改进，所述场氧区的面积为14um×14um。

作为该技术方案的改进，所述场氧区的外边缘与本征层的外边缘区间距为4.4～5.2um。

作为该技术方案的改进，所述场氧区的外边缘与阻挡层的外边缘区间距为5.0～5.52um。

进一步地，所述场氧区的外边缘与二极管外边缘区间距为1.0～1.3um。

进一步地，所述场氧区的外边缘与N阱区间距为0.43～0.62um。

进一步地，所述场氧区的外边缘与离子注入区间距为0.1～0.27um。

进一步地，所述光敏二极管还包括P-N结N区接触孔；所述接触孔的个数为2～8个。

进一步地，所述接触孔的个数为2个。

光敏二极管，其基本原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。此时，它具有两种工作状态：

1)当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。

2)光敏二极管上不加电压，利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。这种工作状态，一般作光电检测器。

基于上述基本工作原理以及工作时的两种状态，要提高光敏二极管的高灵敏度问题，首先确定影响灵敏度的因素有3个：

a.光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；

b.光生载流子在耗尽层附近的漂移时间；

c.负载电阻与并联电容所决定的电路时间常数。

首先，本方案通过在制造过程中减小场氧区与接触CONT孔的个数来增大光敏二极管在N区的暗电流值，进而减小光生载流子在耗尽层附近的扩散时间。

其次，改变本征层ZPW与场氧区的间距，使得在无光照时管子内P区存在足够的空穴，N区存在足够的电子，形成耗尽层。此时在有光照的时候光电流的产生时间与转移时间会急剧变小，进而增大光生载流子在耗尽层附近的漂移时间。

然后，增大光敏二极管场氧区在制造时面积来改变负载电阻与并联电容的电路时间常数，进而提高光敏二极管的高灵敏度。

要实现增大光敏二极管吸收不同频率波长的临界值，通过减小光敏二极管在场氧区制造时的宽与长比值，进而实现增大光敏二极管对不同频率波长的吸收临界值问题。同时，使得光电子的连续性在图像上更趋近线性，从而实现增大光敏二极管吸收不同频率波长的临界值范围。优选的，所述宽与长比为13:13～15:15，作为一优选实施例，采用场氧层长宽尺寸为14×14的光敏二极管。

要实现光敏二极管的灵敏度、暗电流与光电流的转移态势、感光二极管吸收不同的频率波长的临界值范围、光电子信号转为可定向控制的模拟信号之间的合理值比。本方案通过在设计工艺制造中：改变场氧区与Nwell阱区间距、场氧区与离子注入NPSD区的间距、场氧区与ZPW外边缘间距、LCORE区(阻挡层)与场氧区的覆盖面积以及包含面积的间距等来达到合理值比。

要提高单位时间里该光敏二极管对光电子的吸收量与灵敏度，通过增加有效场氧区的面积，以及将场氧区的部分做在Nwell上以减小噪声对光电子的吸收，从而增加该光敏二极管在单位时间里对光电子的吸收量。

根据光电转换原理：PN结在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管形成较小的暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对(称之为光生载流子)，使流过PN结的电流随着光照强度的增加剧增，此时的形成反向较大的光电流。其次由量子效率：

其中，η为量子效率，R1是光敏面反射系数，Lp为空穴的扩散长度,a为材料的吸收系数，w为光子吸收层的厚度。

1，为了减小R1，通常在受光面镀抗反膜，同时也通过增加场氧区的面积来增大空穴的扩散长度。

2，响应速度，响应速度，在全耗尽情况，响应速度由耗尽区渡越时间τd及(Rs+RL)C时间常数决定。Rs为二极管串联电阻，RL为负载电阻，C为器件电容。

3，噪声来源，噪声包括散弹噪声和热噪声。前者来源于光电流、背景光电流及暗电流等的随机量子起伏。热噪声由负载电阻及跟随放大器的输入阻抗等温度起伏所引起。

4，暗电流Id，耗尽区的峰值电场超过临界值Em(InGaASEm≈1.5×10V/cm)时，隧道电流将成为暗电流的主要成分。使用时必须保证Em&lt；Em。

根据上述原理：首先，本方案通过在制造过程中减少P-N结N区与场氧区的接触孔的个数，进而降低光敏二极管在无光照时的暗电流值；在有光照时增加光敏二极管的光电流值。其次，将原有制造工艺接触孔CONT围绕在LCORE外环一圈，现在本方案将接触孔围绕在LCORE外环减小到2个孔(图一P点区域)。相当于改变光敏二极管的P-N结的P区的离子注入量变小。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，则此时暗电流的值得会积聚变小。当有光照射PN 结时，结内将产生附加的大量电子空穴对，使流过PN结的电流随着光照强度的增加剧增，此时的反向电流即光电流增大。本方案通过上述手段很好的解决了暗电流与光电流在实践中相应值(例如：鼠标图像采集区)。

实现光敏二极管吸收不同波长频率的临界值范围。本方案通过增大场氧区的面积与加大本征层ZPW与场氧区间距，这样使得管子一开始P区处于电子态，N处于空穴态，形成耗尽型光敏二极管。同时根据量子效率知：通过增加场氧区的面积来增大空穴的扩散长度减小R1，有效地提高了单位时间里的电子效率，进而有效的提高了光敏二极管的灵敏度。

根据耗尽型光敏二极管特性，由于不同波长的光(蓝光、红光、红外光)在光敏二极管的不同区域被吸收就会形成光电流。由于被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的蓝光，在这一区域，因光照产生的光生载流子(电子)，一旦漂移到耗尽层界面，就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；波长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P区，形成光电流。波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子(空穴)一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。所以，通过改变光敏二极管在场氧区制造时的宽与长比值，使得波长较长与波长较短的光波吸收的光电子临界点效率提高12％。从而，很好的解决了现有传感器的灵敏度问题。随着临近点效率提高12％，使得此光敏二极管的应用范围能够更加的广泛。 (例如:鼠标的感光线区光的采集区，门禁感光的部份的应用，电梯门的感应区域，还可用于体感游戏，手试控制台灯的应用、鼠标线性图像传感等)。

要实现光敏二极管的灵敏度、暗电流的转移、光敏二极管吸收的波长频率范围值、光电子信号转为可定向控制的模拟信号之间的合理值比，具体如下：

1.场氧区与本征层ZPW外边缘区间距为4.8um，其范围值为4.4um-5.2um。实验证明，采用场氧区与本征层ZPW外边缘区间距为4.4um和5.2um的光敏二极管，其灵敏度明显高于不在此范围内的二极管。

2.场氧区与LCORE外边缘区间距为5.32um，其范围值为5.0um-5.52um；其LCORE 宽为3.85um，范围值为3.65um-4.05um。实验证明，采用场氧区与LCORE外边缘区间距为5.0um和5.52um的光敏二极管，其灵敏度明显高于不在此范围内的二极管。

3.场氧区被二极管层包含距离为1.27um，范围值为1.00um-1.30um。实验证明，采用场氧区被二极管层包含距离为1.00um和1.30um的光敏二极管，其灵敏度明显高于不在此范围内的二极管。

4.场氧区与Nwell阱区间距为0.52um，范围值为0.43um-0.62um。实验证明，采用场氧区与Nwell阱区间距为0.43um和0.62um的光敏二极管，其灵敏度明显高于不在此范围内的二极管。

5.场氧区与离子注入NPSD区间距为0.16um，范围值为0.1um-0.27um；内含0.72um，范围值为0.52um-0.92um。实验证明，采用场氧区与离子注入NPSD区间距为0.1um和 0.27um的光敏二极管，其灵敏度明显高于不在此范围内的二极管。

6.P—N结N区接触点范围值为最多8个；其最有实施例为N区接触点为2个孔。

参照图1，将图1指示的N点场氧区,由原有技术的尺寸8um×8um增大到14um×14um，宽长比值＝1：1，以达到在相同单位时间内提高光电子的吸收量。

其中场氧区与本征层ZPW外边缘区间距为4.8um。(图1中A所示距离)；其中ZPW 宽为3.97um(图1中B所示距离)。

场氧区与LCORE外边缘区间距为5.32um。(图1中C所示距离)。

其LCORE宽为3.85um(图1中D所示距离)。

场氧区被二极管层包含距离为1.27um(图1中E所示距离)。

场氧区与Nwell阱区间距为0.52um。(图1中G所示距离)。

场氧区与离子注入NPSD区间距为0.16um，内含0.72um图1中F所示。

其中图1中P—N结N区接触点必须恰为2个孔。接触孔需要跳到上层金属走线，以达到减小噪声对于N区干扰光电子的影响。

参照图2、图3，分别为场氧区面积与灵敏度之间关系曲线示意图和光敏二极管场氧区W/L与不同波长频率的临界值的吸收系数曲线示意图。可以看出，采用本方案的优选实施例，采用场氧区面积为14×14，其达到的灵敏度得到了有效提高，同时提高了不同波长频率的临界值的吸收系数。

本方案可应用于集成电路芯片，参照表一，为光敏二极管在鼠标图像传感应用中场氧区面积与灵敏度、光子吸收量系数的实际测试参数值。

表一

可以看出，采用场氧区面积为14×14，其达到的灵敏度最高，同时光子吸收量系数也较大，因此有效验证了本方案的技术。

本方案提供的光敏二极管，通过限定各层之间的间距及场氧区的面积等，从而增加该光敏二极管在单位时间里对光电子的吸收量，进而提高了光敏二极管的灵敏度，其解决了光敏二极管的灵敏度、暗电流与光电流的转移关系，同时解决了感光二极管吸收不同频率波长光的临界值，使得光电子信号转为可定向控制的逻辑信号。

另一方面，其使得此光敏二极管的实践应用范围扩展到国防，导弹，无人机等方面。其同时很好的解决了电梯门打开很长时间关不上问题、打卡机指纹感光迟钝问题、以及鼠标传感图像采集区不稳定的问题。该CMOS光敏二极管具有很高的稳定性、灵敏度，从而应用方面得到较大提升，范围更加广泛。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种基于CMOS工艺的光敏二极管，其特征在于，其包括阻挡层、本征层、二极管、N阱区、离子注入区、场氧区，所述N阱区、所述离子注入区、所述二极管、所述场氧区、所述本征层、所述阻挡层按照从下到上的顺序依次排布；所述光敏二极管的场氧区的宽、长均为13～15um，所述场氧区的面积为13um×13um～15um×15um；

所述场氧区的外边缘与本征层的外边缘区间距为4.4～5.2um；

所述场氧区的外边缘与阻挡层的外边缘区间距为5.0～5.52um；

所述场氧区的外边缘与二极管外边缘区间距为1.0～1.3um；

所述场氧区的外边缘与N阱区间距为0.43～0.62um；

所述场氧区的外边缘与离子注入区间距为0.1～0.27um。

2.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的光敏二极管，其特征在于：所述场氧区的面积为14um×14um。

3.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的光敏二极管，其特征在于：所述光敏二极管还包括P-N结N区接触孔；所述接触孔的个数为2～8个。

4.根据权利要求3所述的基于CMOS工艺的光敏二极管，其特征在于：所述接触孔的个数为2个。

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