CN107887486B - 一种光电晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光电晶体管包括：衬底；衬底上依次形成的第一导电类型的第一外延层至第N外延层；第N外延层上形成的基区；基区上形成的发射区；基区上形成的金属化的基极；发射区上形成的金属化的发射极；衬底背面形成的金属化的集电极；及覆盖发射区和基区并露出发射极和基极的钝化层；其中，第N外延层的掺杂浓度大于第N‑1外延层的掺杂浓度，N为正整数且N≥2。本发明还公开一种光电晶体管的制作方法。本发明的光电晶体管及其制作方法，通过在衬底上形成具有不同电阻率的外延层，实现了提高光电晶体管的光电转换效率的同时而又不显著增加其输出低电平。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件及其制造技术领域。更具体地，涉及一种光电晶体管及其制作方法。
背景技术
目前，光控器件或光敏器件广泛应用于消费电子、通讯设备、工业控制、智能仪表等多个领域。其中，光电晶体管作为光控器件或光敏器件中的一个重要构成部分，其工作时：当没有光照时，光生电流极其微弱，成为暗电流；当有光照时，光生电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，光生电流也越大，光的变化引起光电晶体管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，该光电晶体管成为光电传感器件。由于光电晶体管把接收到的光信息转换成电信息并进行放大输出后，才能实现对通讯设备以及仪器仪表的控制和操作，所以光电转换效率是光电转换晶体管的重要参数。
如图1所示，传统的光电晶体管的做法，是在单晶硅衬底上生长一层外延层，在其上制作P型掺杂区基区、N型掺杂区发射区和金属线。基于该技术，为了提高光电转换效率，目前一般采用提高外延层的电阻率或者增加外延层厚度的做法。其中，采用提高外延层的电阻率的方法时，增加电子空穴对的产生，减少电子空穴对的复合，能够提高光电转换效率，但同时也使光电转换晶体管的输出低电平有显著增加，甚至使光电转换晶体管无法使用。同样地，采用增加外延层厚度的方法时，通过增加能够收集光子的范围，能够提高光电转换效率，但同样会使光电转换晶体管的输出低电平有显著增加。
因此，需要提供一种既提高光电转换效率而又不显著增高输出低电平，且不影响耐压、开关速度等其它电参数的光电晶体管及其制作方法。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种光电晶体管，能够有效提高光电转换效率而又不显著增加输出低电平及损害其他电参数。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种光电晶体管，包括：
第一导电类型的衬底，该衬底包括第一表面和第二表面；
衬底第一表面上依次形成的第一导电类型的第一外延层至第N外延层；
第N外延层上形成的第二导电类型的基区；
基区上形成的第一导电类型的发射区；
在基区上形成的金属化的基极；
在发射区上形成的金属化的发射极；
在衬底第二表面上形成的金属化的集电极；及
覆盖发射区和基区并露出发射极和基极的钝化层；
其中，第N外延层的掺杂浓度大于第N-1外延层的掺杂浓度，N为正整数且N≥2。
优选地，第i外延层的掺杂浓度大于第i-1外延层的掺杂浓度，i为正整数且2≤i＜N。
优选地，发射区的掺杂浓度大于基区的掺杂浓度，基区的掺杂浓度大于第N外延层的掺杂浓度，第一外延层的掺杂浓度大于衬底的掺杂浓度。
优选地，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型；或者
第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。
优选地，衬底为单晶硅衬底、碳化硅衬底或者氮化硅衬底。
优选地，衬底为N+单晶硅衬底，衬底第一表面上依次形成N-外延层EPI 1和N-外延层EPI 2，基区为P型掺杂，发射区为N型掺杂。
进一步优选地，N-外延层EPI 1的电阻率ρ1为1～15ohm.cm，N-外延层EPI 2的电阻率ρ2为15～35ohm.cm。
进一步优选地，N-外延层EPI 1的厚度d1为8～18um，N-外延层EPI 2的厚度d2为25～50um。
本发明的另一个目的在于提供一种光电晶体管的制作方法，该方法包括：
形成第一导电类型的衬底，衬底包括第一表面和第二表面；
在衬底第一表面上依次形成第一导电类型的第一外延层至第N外延层；
在第N外延层上形成第二导电类型的基区；
在基区上形成第一导电类型的发射区；
在基区上形成金属化的基极；
在发射区上形成金属化的发射极；
在衬底第二表面上形成金属化的集电极；及
形成钝化层，钝化层覆盖发射区和基区并露出发射极和基极；
其中，第N外延层的掺杂浓度大于第N-1外延层的掺杂浓度，N为正整数且N≥2。
优选地，第i外延层的掺杂浓度大于第i-1外延层的掺杂浓度，i为正整数且2≤i＜N。
本发明的有益效果如下：
本发明中的一种光电晶体管及其制作方法，通过在衬底上形成具有不同掺杂浓度的外延层，及设置靠近基区方向的外延层的掺杂浓度大于靠近衬底方向的外延层的掺杂浓度，使得不同外延层具有不同的电阻率，从而实现了提高光电转换效率而又不显著增加输出低电平。
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详细的说明。
图1示出现有技术中光电晶体管结构示意图。
图2示出本发明中光电晶体管结构示意图。
图3示出光电晶体管耗尽层结构示意图。
图4示出光电晶体管在饱和区的等效电路图。
图5示出一个实施例中光电晶体管形成衬底示意图。
图6示出一个实施例中光电晶体管形成外延层示意图。
图7示出一个实施例中光电晶体管形成基区和发射区示意图。
图8示出一个实施例中光电晶体管形成基极和发射极示意图。
图9示出一个实施例中光电晶体管形成钝化层示意图。
图10示出一个实施例中光电晶体管形成集电极示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及他们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作为另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
如图2所示，本发明中的一种光电晶体管，包括：
衬底；
在衬底上依次形成的N个外延层；
在第N外延层上形成的基区；
在基区上形成的发射区；
在衬底、基区和发射区上形成的金属化连线或电极；
在衬底背面形成的金属化电极。
其中，衬底、N个外延层和发射区为第一导电类型掺杂，基区为第二导电类型掺杂。第N外延层的掺杂浓度大于第N-1外延层的掺杂浓度，第N外延层的电阻率大于第N-1外延层的电阻率，N为正整数且N≥2。
发射区的掺杂浓度大于基区的掺杂浓度，基区的掺杂浓度大于第N外延层的掺杂浓度，第一外延层的掺杂浓度大于衬底的掺杂浓度。
相较于传统光电晶体管在衬底上生长一层外延层的结构，本发明中在衬底上形成具有不同掺杂浓度的外延层，通过设置靠近基区方向的外延层的掺杂浓度大于靠近衬底方向的外延层的掺杂浓度，使得不同外延层具有不同的电阻率，从而实现了提高光电转换效率而又不显著增加输出低电平。
如图3所示，对其原理进行说明如下：
对于光电晶体管来说，当给光电晶体管集电极和发射极加电后，集电结产生耗尽层，在有能量hν大于硅材料禁带宽度Eg的红外光照射光电晶体管时，就会有光电流Iph产生，就实现了光电转换。
其光电流Iph为：
Iph＝qAG(Ln+W+Lp)
式中，q为电子电荷，A为耗尽层面积，G为红外光照下的电子和空穴对产生率，Ln和Lp分别为耗尽层两边的电子和空穴的扩散长度，W为耗尽层宽度。
根据半导体PN结理论，可以推导出Ln、W和Lp分别为：
Ln＝(Dn*τn)1/2
W＝[(2*ε*ε/q)*(Vd-Vbc)*(NA-ND)/(NA*ND)]1/2
Lp＝(Dp*τp)1/2
式中，Dn和Dp分别为电子和空穴在硅材料中的扩散系数，τn和τp分别为电子少子和空穴少子寿命，NA是基区杂质浓度，ND是EPI N的杂质浓度，Vd为光电晶体管的自建电压，Vbc为光电晶体管BC结的外加电压，ε为介电常数。
由上式可以看出，通过调节Vbc、NA和ND的值就能调节耗尽层宽度W，进而调节光电流Iph。
对于光电晶体管来说，BC结的杂质分布为单边突变结，即基区杂质浓度NA远大于EPI N的杂质浓度ND，耗尽层宽度W可简化为：
W＝[(2*ε*ε/q)*(Vd-Vbc)*/ND]1/2
由上分析可知，EPI N的杂质浓度ND越低，光电晶体管的耗尽层宽度W越宽，因而光电流Iph越大，所以为了提高光电流Iph，EPI N的杂质浓度ND要选择的低一些。
但是，EPI N的电阻率ρ与杂质浓度ND存在以下关系：
ρ＝1/(q*μn*ND)
式中，μn为电子迁移率，ND越低，会导致EPI N的电阻率ρ增加，EPI N的电阻率ρ的增加，又会使光电晶体管的饱和压降Vces和输出低电平Vol增加，甚至会超出要求。如图4所示，根据光电晶体管在饱和区的等效电路和欧姆定律，可以推导出Vces和Vol与EPI N的电阻率ρ的关系如下：
Vces＝VE-VC+IC*rcs+IE*res＝VE-VC+IC*ρ*Xj/A+IE*res
式中，式中ρ是EPI N的电阻率，Xj是EPI N的厚度，A是集电结的面积。可以看出ρ*Xj增加会使Vces增加，这对降低光电晶体管的输出低电平是不利的。
综上可知，EPI N的杂质浓度ND越低，对提高光电流Iph有好处，但又会使Vces增加，为了解决这一矛盾，本发明中采用复合外延层，在集电结附近W+Lp的范围采用ND低的外延层，在n及以外的区域采用ND高的外延层。
本发明通过在衬底上形成具有不同掺杂浓度的外延层，及设置靠近基区方向的外延层的掺杂浓度大于靠近衬底方向的外延层的掺杂浓度，使得不同外延层具有不同的电阻率，从而实现了提高光电转换效率而又不显著增加输出低电平。
在一个实施例中，第i外延层的掺杂浓度大于第i-1外延层的掺杂浓度，i为正整数且2≤i≤N。
通过设置N个外延层中原理衬底的外延层的掺杂浓度大于靠近衬底的外延层的掺杂浓度，保证了在衬底和基区之间的不同外延层的电阻率大小的逐渐增大，保证了光电晶体管的电参数性能。
应说明的是，上述第一和第二导电类型是相对设置的，例如第一导电类型为N型，第二导电类型为P型；或者第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。本发明实施例中，衬底可以为单晶硅衬底、碳化硅衬底或者氮化硅衬底等衬底材料。
本发明中的一种光电晶体管制作方法，包括：
形成第一导电类型的衬底，衬底包括第一表面和第二表面；
在衬底第一表面上依次形成第一导电类型的第一外延层至第N外延层；
在第N外延层上形成第二导电类型的基区；
在基区上形成第一导电类型的发射区；
在基区上形成金属化的基极；
在发射区上形成金属化的发射极；
在衬底第二表面上形成金属化的集电极；及
形成钝化层，钝化层覆盖发射区和基区并露出发射极和基极；
其中，第N外延层的掺杂浓度大于第N-1外延层的掺杂浓度，N为正整数且N≥2。
优选地，第i外延层的掺杂浓度大于第i-1外延层的掺杂浓度，i为正整数且2≤i＜N。
下面一个具体示例对其结构和制作方法进行说明，该示例中衬底为单晶硅衬底，外延层包括第一外延层EPI 1和第二外延层EPI 2，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
该光电晶体管包括：
N+单晶硅衬底；
在N+单晶硅衬底正面形成的第一外延层EPI 1；
在第一外延层EPI 1上形成的第二外延层EPI 2；
第二外延层上形成的P型掺杂区基区；
在基区上形成的N型掺杂区发射区；及
位于N+单晶硅衬底、P型掺杂区基区和N型掺杂区发射区上的金属化电极基极和发射极，在N+单晶硅衬底背面形成金属化电极集电极。
本示例中，第一外延层EPI 1的电阻率ρ1为1～15ohm.cm，厚度d1为8～18um；第二外延层EPI 2的电阻率ρ2为15～35ohm.cm，厚度d2为25～50um。
应理解的是，本实施例中的光电晶体管结构还包括形成于金属化电极上的钝化膜等结构，其与现有技术相似，在此不做赘述。
其制作方法主要包括：
S1：如图5所示，选用低电阻率的N+单晶硅材料作为衬底。
S2：如图6所示，确定两层外延层的电阻率和厚度要求，并用外延设备进行两层外延层的生长，其中位于上层的第二外延层EPI 2的电阻率ρ2大于位于下层的第一外延层EPI1的电阻率ρ1。
在衬底上采用外延生长方法依次生长出上述外延结构。外延生长方法可以采用诸如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)以及氢化物气相外延(HVPE)等方法。
S3：如图7所示，在第二外延侧EPI 2上采用光刻、刻蚀、扩散、注入等工艺和设备制作晶体管的P型掺杂区基区。
S4：如图7所示，在P型掺杂区基区上采用光刻、刻蚀、扩散、注入等工艺和设备加工出晶体管的N型掺杂区发射区。
S5：如图8所示，采用蒸发、溅射、光刻、刻蚀等工艺和设备制作金属化的基极和发射极，其中在P型掺杂区基区上对应位置制作基极，在N型掺杂区发射极上对应位置制作发射极。
S6：如图9所示，在上述金属电极上制作氧化层，采用双极型集成电路工艺和设备制作晶体管钝化层，例如对刻蚀后的器件进行GeSn表面钝化处理，得到表面纯化处理后的器件。
S7：如图10所示，采用蒸发、溅射、光刻、刻蚀等工艺和设备制作晶体管的背面金属电极集电极。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (8)
1.一种光电晶体管，其特征在于，包括：
第一导电类型的衬底，所述衬底包括第一表面和第二表面；
所述衬底第一表面上依次形成的第一导电类型的第一外延层至第M外延层，设置M个外延层中远离所述衬底的掺杂浓度大于靠近所述衬底的外延层的掺杂浓度；
所述第M外延层上形成的第二导电类型的基区；
所述基区上形成的第一导电类型的发射区；
在所述基区上形成的金属化的基极；
在所述发射区上形成的金属化的发射极；
在所述衬底第二表面上形成的金属化的集电极；及
覆盖所述发射区和所述基区并露出所述发射极和所述基极的钝化层；
其中，第i外延层的掺杂浓度大于第i-1外延层的掺杂浓度，保证在所述衬底和所述基区之间的不同外延层的电阻率大小的逐渐增大，i为正整数且2<i≤M，M为正整数。
2.根据权利要求1所述的光电晶体管，其特征在于，所述发射区的掺杂浓度大于所述基区的掺杂浓度，所述基区的掺杂浓度大于所述第M外延层的掺杂浓度，所述第一外延层的掺杂浓度大于所述衬底的掺杂浓度。
3.根据权利要求1所述的光电晶体管，其特征在于，
所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型；或者
所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
4.根据权利要求1所述的光电晶体管，其特征在于，所述衬底为单晶硅衬底、碳化硅衬底或者氮化硅衬底。
5.根据权利要求1所述的光电晶体管，其特征在于，所述衬底为N+单晶硅衬底，所述衬底第一表面上依次形第一外延层和第二外延层，所述第一外延层为N-外延层EPI 1，所述第二外延层为N-外延层EPI 2，所述基区为P型掺杂，所述发射区为N型掺杂。
6.根据权利要求5所述的光电晶体管，其特征在于，所述N-外延层EPI 1的电阻率ρ1为1~15ohm.cm，所述N-外延层EPI 2的电阻率ρ2为15~35ohm.cm。
7.根据权利要求6所述的光电晶体管，其特征在于，所述N-外延层EPI 1的厚度d1为8~18um，所述N-外延层EPI 2的厚度d2为25~50um。
8.一种光电晶体管的制作方法，其特征在于，包括：
形成第一导电类型的衬底，所述衬底包括第一表面和第二表面；
在所述衬底第一表面上依次形成第一导电类型的第一外延层至第M外延层，设置M个外延层中远离所述衬底的掺杂浓度大于靠近所述衬底的外延层的掺杂浓度；
在所述第M外延层上形成第二导电类型的基区；
在所述基区上形成第一导电类型的发射区；
在所述基区上形成金属化的基极；
在所述发射区上形成金属化的发射极；
在所述衬底第二表面上形成金属化的集电极；及
形成钝化层，所述钝化层覆盖所述发射区和所述基区并露出所述发射极和所述基极；
其中，第i外延层的掺杂浓度大于第i-1外延层的掺杂浓度，保证在所述衬底和所述基区之间的不同外延层的电阻率大小的逐渐增大，i为正整数且2<i≤M，M为正整数。
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