CN108231744A - 一种单片集成距离传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种单片集成距离传感器及其制造方法，该单片集成距离传感器包括：衬底；光发射器，其形成于所述衬底，用于发射预定波段的光；光接收器，其形成于所述衬底，用于接收由外界反射的所述预定波段的光，并产生与接收到的光的强度对应的电信号；金属电极，其设置于所述衬底表面，与所述光发射器和所述光接收器中的至少一者电连接，所述金属电极位于所述光发射器和所述光接收器之间；金属屏蔽层，其设置于所述光发射器和所述光接收器的表面之外。根据本申请，通过将光接收器和光发射器集成在一个衬底上，缩小了距离传感器的体积，并且，采用金属电极对光接收器和光发射器进行光学隔离，降低了制造的复杂性和成本。

Description

一种单片集成距离传感器及其制造方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种单片集成距离传感器及其制造方法。
背景技术
距离传感器是以非接触方式检测到物体接近的传感器。由于能以非接触方式进行检测，不会磨损和损伤检测对象，所以距离传感器广泛应用于各行各业。例如，自动取款机利用距离传感器来检测是否有取款人靠近；生产流水线通过距离传感器实现产品计数等。根据工作原理，距离传感器可分为电感式、电容式、霍尔式、光电式和热释电等类型。其中，由于光电式距离传感器具有设计方便、灵敏度高、抗干扰性强等优点，广泛应用于智能手机、智能家居和可穿戴设备等消费电子产品。
图1是光电式距离传感器的一个示意图。如图1所示，光电式距离传感器主要由三部分组成：光发射器101、光接收器102和检测电路(未示出)。当有物体靠近时，光发射器101发出的光会被物体反射回来，被光接收器102接收后产生电信号，再经检测电路处理就可感知到物体接近。其中，光发射器101例如可以是红外发光二极管等，光接收器102例如可以是光电二极管等。在图1中，为了避免光接收器和光发射器之间的光学干扰，还可以在二者之间设置光学隔离元件103。
目前的光电式距离传感器可以分为两种形式：一种是采用封装的方式，将光发射器和光接收器封装到同一个集成模块，再与检测电路进行系统级连接，该集成模块输出模拟信号；另一种是通过集成电路将检测电路和光接收器集成，再与光发射器封装成模块，通常该模块输出数字信号。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本申请的发明人发现，在目前的光电式距离传感器的上述两种形式中，都采用了封装集成的方式，为了减小光发射器和光接收器之间的光学干扰，封装时通常需要采用黑胶作为光学隔离元件对二者进行隔离，而光发射器和光接收器的光学窗口又必须采用透明胶，这意味着整个封装过程中需要采用多次压模封装，极大增加了封装的复杂性和成本，另一方面，由于封装尺寸的限制，采用封装集成的方式所形成的近距离传感器一般体积都较大。
本申请提供一种单片集成距离传感器及其制造方法，通过将光接收器和光发射器集成在一个衬底上，缩小了距离传感器的体积，并且，采用金属电极对光接收器和光发射器进行光学隔离，降低了制造的复杂性和成本。
根据本申请实施例的一个方面，提供一种单片集成距离传感器，该单片集成距离传感器包括：
衬底；
光发射器，其形成于所述衬底，用于发射预定波段的光；
光接收器，其形成于所述衬底，用于接收由外界反射的所述预定波段的光，并产生与接收到的光的强度对应的电信号；
金属电极，其设置于所述衬底表面，与所述光发射器和所述光接收器中的至少一者电连接，所述金属电极位于所述光发射器和所述光接收器之间。
金属屏蔽层，其设置于光发射器和光接收器的表面之外。
根据本申请实施例的一个方面，其中，
所述金属电极的表面设置有非金属屏蔽层，所述非金属屏蔽层的表面设置有金属屏蔽层。
根据本申请实施例的一个方面，其中，
所述金属电极包括第一金属电极和第二金属电极，其中，所述第一金属电极与所述光接收器电连接，所述第二金属电极与所述光发射器电连接。
根据本申请实施例的一个方面，其中，
所述衬底表面形成有隔离凹槽，所述隔离凹槽位于所述光接收器和所述光发射器之间。
根据本申请实施例的一个方面，其中，
所述隔离凹槽的内壁上形成有非金属屏蔽层。
根据本申请实施例的一个方面，其中，
所述隔离凹槽的靠近所述光发射器的壁上形成有下层金属屏蔽层，在所述下层金属屏蔽层上形成有所述非金属屏蔽层，在所述非金属屏蔽层的表面形成有上层金属屏蔽层。
根据本申请实施例的一个方面，其中，所述隔离凹槽位于所述光发射器四周。
根据本申请实施例的一个方面，其中，
所述光发射器与所述光接收器之间的距离大于或等于所述预定波段的光在所述衬底中衰减的距离。
根据本申请实施例的一个方面，提供一种单片集成距离传感器的制造方法，该方法包括：
在衬底中形成光接收器；
在所述衬底中形成发射器；-
在所述衬底表面形成金属电极，所述金属电极与所述光发射器和所述光接收器中的至少一者电连接，并且所述金属电极位于所述光发射器和所述光接收器之间。；以及
金属屏蔽层，其设置于光发射器和光接收器的表面之外。
根据本申请实施例的一个方面，其中，该方法还包括：
在所述衬底表面形成隔离凹槽，所述隔离凹槽位于所述光接收器和所述光发射器之间。
本申请的有益效果在于：缩小了距离传感器的体积，并且，降低了制造的复杂性和成本。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因此而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是光电式距离传感器的一个示意图；
图2是本申请实施例的单片集成距离传感器的一个示意图；
图3是制造本申请实施例的单片集成距离传感器的一个流程示意图。
具体实施方式
参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。
实施例1
本申请实施例1提供一种单片集成距离传感器，图2是该单片集成距离传感器的一个示意图。
如图2所示，该单片集成距离传感器200可以包括：衬底201，光发射器202，光接收器203，金属电极204，以及金属屏蔽层206。
在本实施例中，光发射器202可以形成于衬底201，用于发射预定波段的光；光接收器203可以形成于衬底201，用于接收由外界反射的该预定波段的光，并产生与接收到的光的强度对应的电信号；金属电极204设置于衬底201的表面，与光发射器202和光接收器203中的至少一者电连接，该金属电极204可以位于光发射器202和光接收器203之间。
根据本实施例，能够将光接收器和光发射器集成在同一个衬底上，由此，缩小了距离传感器的体积，并且，采用金属电极对光接收器和光发射器进行光学隔离，所以，无须再设置黑胶进行光学隔离，由此，降低了制造的复杂性和成本。
在本实施例中，衬底201可以是半导体制造领域中常用的衬底，例如硅晶圆、绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)晶圆、锗硅晶圆、或氮化镓(Gallium Nitride，GaN)晶圆等；并且，该晶圆可以是没有进行过半导体工艺处理的晶圆，也可以是已经进行过处理的晶圆，例如进行过离子注入、蚀刻和/或扩散等工艺处理过的晶圆，本实施例对此并不限制。
在本实施例中，可以在衬底201的表面形成沟槽，并在沟槽中生长InGaN/GaN外延层，以形成光发射器202。此外，在本实施例中，也可以生长其他的外延材料层以形成光发射器202。
在本实施例中，光发射器202之外的区域形成光接收器203，该光接收器203例如可以是硅基光接收器。
在本实施例中，如图2所示，金属电极204的表面可以设置有非金属屏蔽层205，非金属屏蔽层205的表面可以设置有该金属屏蔽层206，并且，该金属屏蔽层206可以接地。由此，金属屏蔽层206可以阻挡光进入衬底201从而进行光隔离。此外，当有光进入到金属电极204和金属屏蔽层206之间的情况下，光可以在金属电极204和金属屏蔽层206之间反射，并在非金属屏蔽层205中传递，光在反射和传递过程中会衰减，从而降低对光接收器203的干扰。在本实施例中，非金属屏蔽层例如可以是二氧化硅。
在本实施例中，在本实施例中，金属电极204可以仅与光发射器202电连接，也可以仅与光接收器电连接，也可以与光发射器和光接收器这二者都电连接。例如，如图2所示，金属电极204可以包括第一金属电极2041和第二金属电极2042，其中，第一金属电极2041与光接收器203电连接，第二金属电极2042与光发射器202电连接。在本实施例中，第一金属电极2041和第二金属电极2042的材料可以由形成欧姆接触的条件来确定，因而，第一金属电极2041和第二金属电极2042的材料可以相同或者不同。
在本实施例中，在光发射器202的远离光接收器203的一侧可以形成有第三金属电极2081，在光接收器203的远离光发射器202的一侧可以形成有第四金属电极2082。此外，在第三金属电极2081和第四金属电极2082上也可以设置非金属屏蔽层205，非金属屏蔽层205的表面可以设置有金属屏蔽层206。在本实施例中，第三金属电极2081和第四金属电极2082可以防止外界光射入衬底201。
在本实施例中，在衬底201的表面可以形成有保护层209，该保护层例如可以是二氧化硅。在本实施例中，第一金属电极2041、第二金属电极204、第三金属电极2081和第四金属电极2082可以设置在保护层209的上表面，由此，各金属电极能与衬底进行电隔离。
在本实施例中，如图2所示，衬底201的表面可以形成有隔离凹槽207，该隔离凹槽207可以具有位于光接收器202和光发射器203之间的部分，例如，隔离凹槽207可以具有位于光发射器203四周，其中，该隔离凹槽207例如可以是V型槽，此外，也可以是其它类型的凹槽。由此，该隔离凹槽能够阻挡光发射器的光经由衬底传递到光接收器，避免对光接收器造成干扰。
在本实施例中，该隔离凹槽207的内壁上可以形成有非金属屏蔽层2071非金属屏蔽层2071例如可以和非金属屏蔽层205连续设置，并且，非金属屏蔽层2071与非金属屏蔽层205的材料可以相同或不同。
在本实施例中，隔离凹槽207的靠近光发射器203的壁上可以形成有下层金属屏蔽层2072，在下层金属屏蔽层2072上可以形成有非金属屏蔽层2071，在非金属屏蔽层2071的表面形成有上层金属屏蔽层2073。由此，下层金属屏蔽层2072可以对发射器射入衬底201的光进行反射，避免对光接收器203产生干扰，并且，上层金属屏蔽层2073可以阻挡光进入衬底。
在本实施例中，光发射器202与光接收器203之间的距离可以大于或等于该光发射器202所发射的预定波段的光在衬底201中衰减的距离，例如，光发射器所发射的光的波长为400-500nm，衬底201为硅，该波段的光在硅材料衬底201中的衰减系数为0.4μm，所以，光发射器202与光接收器203之间的距离可以是40μm。
在本实施例中，该单片集成距离传感器200还可以具有用于设置衬底201的基板211，以及用于对接收器201和发射器202进行封装的透明封装胶212。
在本实施例中，光发射器202发出的各种方向的光地传播路径为：
1、进入衬底201的光会被衬底201吸收，不会被光接收器203接收；
2、进入保护层209的光会被隔离凹槽207处的下层金属屏蔽层挡住，也不会被光接收器接收；
3、进入到下层金属屏蔽层和上层金属屏蔽层之间的光，以及进入金属电极204和金属屏蔽层206之间的光会被金属吸收小部分，大部分会在金属层之间进行多次反射，最终进入非金属屏蔽层205和2071，并且在衰减后进入衬底中；
4、从光发射器202光大部分经过透镜胶发射出去，少部分会被胶反射回来，这些反射回来的光被金属屏蔽层挡住而不会被光接收器接收，只有非常极少量的光会经过金属屏蔽层和透明胶多次反射进入到光接收器，这些光可以定义为光接收器的本底噪声。当然通过更多层的金属，可以极大降低本地噪声。
在本实施例中，可以使用透明封装胶212对制作完成的接收器201和发射器202进行封装而不需要在采用黑胶进行光学隔离，极大地简化了封装工艺，并减少器件体积。
下面，说明本申请实施例的单片集成距离传感器200的制造方法，该方法包括：
S1、在衬底201中形成光接收器203；
S2、在衬底201中形成光发射器202；
S3、在衬底201表面形成金属电极204，金属电极与光发射器202和光接收器203中的至少一者电连接，并且金属电极204位于光发射器202和光接收器203之间；以及
S4、在光发射器202和光接收器203的表面之外形成金属屏蔽层206，该金属屏蔽层206可以接地。
此外，该方法还包括：在衬底201表面形成隔离凹槽207，隔离凹槽207具有位于光接收器203和光发射器202之间的部分，并且，隔离凹槽207位于光发射器202四周。
图3是制造单片集成距离传感器的一个具体实例的流程图。下面，结合图3，说明制造单片集成距离传感器200的流程。如图3所示，该流程包括：
1、如图3的A所示，在衬底201表面刻蚀出隔离凹槽207、光发射器凹槽202a。其中，衬底201为P型的硅(100)衬底，凹槽207、202a均为V型槽，可以使用KOH溶液来刻蚀形成。此外，凹槽207、202a也可以是其它形状的凹槽。
2、如图3的B所示，在衬底201上外延生长一层AlN层202b，例如，可以使用MOCVD设备进行外延。
3、如图3的C所示，刻蚀部分AlN层202b，以保留光发射器凹槽202a中的AlN层。
4、如图3的D所示，再次使用MOCVD生长光发射器202的外延层202c，例如，典型的外延层为N型GaN层，其上生长InGaN/GaN多层量子阱层，最后生长P型GaN帽层。在该步骤中，该外延生长只会在有AlN层的地方生长，第3步中刻蚀掉AlN的区域由于没有成核层，无法生长发射器的外延层。
5、如图3的E所示，制作光接收器203，其中，光接收器203可以为硅光电二极管，硅光电三极管或者硅光电晶体管等，例如，一种典型的光接收器可以为硅光电二极管，通过在P型硅衬底201上注入P离子形成N阱203a，从而构成PN结构。由于发射器发出的光大约在400-500nm之间，为了防止这些光通过衬底201被接收器接收，光接收器203与光发射器202的距离最好大约40μm，因为这些光在硅衬底中的吸收系数约为0.4μm。此外，还可以在光接收器203的周围形成氧化隔离区210。
6、如图3的F所示，制作光发射器202，比如刻蚀部分P-GaN帽层和InGaN/GaN量子阱形成台面，并刻蚀光发射器202和光接收器203的电极接触孔2021和2031。此外，还可以形成保护层209。
7、如图3的G所示，淀积相应的金属电极层、非金属屏蔽层、上层金属屏蔽层、下层金属屏蔽层等。其中，光发射器和光接收器根据材料属性可选择相应的金属，这些金属可能相同也可能不同，不同的金属可通过多次淀积的步骤完成。
以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (10)

1.一种单片集成距离传感器，该单片集成距离传感器包括：
衬底；
光发射器，其形成于所述衬底，用于发射预定波段的光；
光接收器，其形成于所述衬底，用于接收由外界反射的所述预定波段的光，并产生与接收到的光的强度对应的电信号；
金属电极，其设置于所述衬底表面，与所述光发射器和所述光接收器中的至少一者电连接，所述金属电极位于所述光发射器和所述光接收器之间；以及
金属屏蔽层，其设置于所述光发射器和所述光接收器的表面之外。
2.如权利要求1所述的单片集成距离传感器，其中，
所述金属电极的表面设置有非金属屏蔽层，所述非金属屏蔽层的表面设置有所述金属屏蔽层。
3.如权利要求2所述的单片集成距离传感器，其中，
所述金属电极包括第一金属电极和第二金属电极，其中，所述第一金属电极与所述光接收器电连接，所述第二金属电极与所述光发射器电连接。
4.如权利要求1所述的单片集成距离传感器，其中，
所述衬底表面形成有隔离凹槽，所述隔离凹槽具有位于所述光接收器和所述光发射器之间的部分。
5.如权利要求4所述的单片集成距离传感器，其中，
所述隔离凹槽的内壁上形成有非金属屏蔽层。
6.如权利要求5所述的单片集成距离传感器，其中，
所述隔离凹槽的靠近所述光发射器的壁上形成有下层金属屏蔽层，在所述下层金属屏蔽层上形成有所述非金属屏蔽层，在所述非金属屏蔽层的表面形成有上层金属屏蔽层。
7.如权利要求4所述的单片集成距离传感器，其中，
所述隔离凹槽位于所述光发射器四周。
8.如权利要求1所述的单片集成距离传感器，其中，
所述光发射器与所述光接收器之间的距离大于或等于所述预定波段的光在所述衬底中衰减的距离。
9.一种单片集成距离传感器的制造方法，该方法包括：
在衬底中形成光接收器；
在所述衬底中形成发射器；-
在所述衬底表面形成金属电极，所述金属电极与所述光发射器和所述光接收器中的至少一者电连接，并且所述金属电极位于所述光发射器和所述光接收器之间；以及
金属屏蔽层，其设置于所述光发射器和所述光接收器的表面之外。
10.如权利要求9所述的制造方法，其中，该方法还包括：
在所述衬底表面形成隔离凹槽，所述隔离凹槽位于所述光接收器和所述光发射器之间。
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