CN108242447B - 一种集成环境光及紫外光传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种集成环境光及紫外光传感器及其制造方法，该传感器包括：硅衬底；环境光传感器，其形成于所述硅衬底，为硅光电二极管，用于感测预定波段的环境光；紫外光传感器，其形成于所述硅衬底，为硅基化合物半导体光电二极管，用于感测紫外光；光学薄膜，其形成于所述环境光传感器的表面，用于对光进行过滤，以允许所述预定波段的光入射到所述环境光传感器。根据本申请，能够以简单的工艺将环境光传感器和紫外光传感器集成于一个衬底，并且避免紫外光传感器受到红外光的干扰。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种集成环境光及紫外光传感器及其制造方法。
背景技术
光学传感器被广泛应用在消费电子产品中，光学传感器例如包括环境光传感器，紫外传感器等。
环境光传感器用来感测周围环境光的亮度，其可以根据周围光线情况自动调节屏幕背光亮度，降低产品功耗；同时帮助屏幕提供柔和的画面，当环境亮度较高时，屏幕会自动调成高亮度，反之亦然。
紫外光传感器用来检测周围环境中的UVA、UVB等紫外光线强度，以及时提醒人们采取保护措施，以防止皮肤受到损伤。
通常环境光传感器采用硅光电二极管制成，一般硅光电二极管响应400nm-1100nm范围内的光，而环境光传感器要求只感测400nm-700nm可见光范围内的光。通过在硅光电二极管表面蒸镀光学滤波薄膜可以实现上述要求，还有一种做法是设计两颗在可见光波段响应有差异的硅光电二极管，通过电路及算法提取可见光信号。
紫光光传感器通常采用氮化镓(GaN)光电二极管制成，其响应光谱正好落在紫外波段。还有一种方法是在硅衬底上采用超浅PN结制成光电二极管以及蒸镀紫外光学膜来实现，不过这种方法不能完全滤除红外光，在较强红外光的环境中会出现大的误差。
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
目前主流的集成环境光和紫外传感器制作方法，是在硅衬底上采用硅光电二极管同时制作环境光传感器和紫外光传感器，这种紫外光检测通常存在红外光的干扰。还有一种方法是将GaN光电二极管通过键合的方式集成到硅基环境光传感器芯片上，不过由于键合工艺复杂，良率不高。
本申请提供一种集成环境光及紫外光传感器及其制造方法，采用硅基共平面生长化合物半导体技术，在硅衬底上选区外延生长化合物半导体光电二极管材料，并形成化合物半导体光电二极管以及硅光电二极管，从而将两种传感器集成在同一个衬底上。
根据本申请实施例的一个方面，提供一种集成环境光及紫外光传感器，包括：
硅衬底；
环境光传感器，其形成于所述硅衬底，为硅光电二极管，用于感测预定波段的环境光；
紫外光传感器，其形成于所述硅衬底，为硅基化合物半导体光电二极管，用于感测紫外光；以及
光学薄膜，其形成于所述环境光传感器的表面，用于对光进行过滤，以允许所述预定波段的光入射到所述环境光传感器。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，
在硅衬底中形成有隔离部，其位于所述环境光传感器和紫外光传感器之间。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，
在所述硅衬底表面形成有保护层，所述保护层形成有开口，用于所述环境光传感器和所述紫外光传感器与各自的电极接触。
根据本申请实施例的另一个方面，提供一种集成环境光及紫外光传感器的制造方法，包括：
在硅衬底中形成用于隔离环境光传感器和紫外光传感器的隔离部；
在所述硅衬底中形成所述紫外光传感器，所述紫外光传感器为硅基化合物半导体光电二极管，用于感测紫外光；
在所述硅衬底中形成所述环境光传感器，所述环境光传感器为硅光电二极管，用于感测预定波段的环境光；以及
在所述环境光传感器的表面形成光学薄膜，该光学薄膜用于对光进行过滤，以允许所述预定波段的光入射到所述环境光传感器。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述方法还包括：
在所述硅衬底表面形成保护层，并在所述保护层形成开口，所述开口用于所述环境光传感器和所述紫外光传感器与各自的电极接触。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，在所述硅衬底中形成所述紫外光传感器的步骤包括：
在所述硅衬底表面形成凹槽；
在所述凹槽内壁形成缓冲层；
在所述缓冲层表面形成化合物半导体叠层；以及
刻蚀所述化合物半导体叠层，以形成所述硅基化合物半导体光电二极管的台面结构。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，在所述硅衬底中形成所述环境光传感器的步骤包括：
在所述硅衬底中引入杂质，以形成P-N结，所述P-N结成为所述硅光电二极管。
本申请的有益效果在于：以简单的工艺将环境光传感器和紫外光传感器集成于一个衬底，并且避免紫外光传感器受到红外光的干扰。
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是本申请实施例的集成环境光及紫外光传感器的一个示意图；
图2是本实施例的集成环境光及紫外光传感器的制造方法的一个示意图；
图3是本实施例的集成环境光及紫外光传感器的制造方法的一个具体实例的流程图。
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提供一种集成环境光及紫外光传感器。
图1是本申请实施例的集成环境光及紫外光传感器的一个示意图，如图1所示，该传感器100包括：硅衬底1，环境光传感器2，紫外光传感器3，以及光学薄膜4。
在本实施例中，环境光传感器2形成于硅衬底1，为硅光电二极管，用于感测预定波段的环境光；紫外光传感器3形成于硅衬底1，为硅基化合物半导体光电二极管，用于感测紫外光；光学薄膜4形成于环境光传感器2的表面，用于对光进行过滤，以允许所述预定波段的光入射到环境光传感器2。
根据本实施例，在硅衬底上形成化合物半导体光电二极管以及硅光电二极管，从而将环境光传感器和紫外光传感器这两种传感器集成在同一个硅衬底上，并且避免紫外光传感器受到红外光的干扰。
在本实施例中，硅衬底1可以是半导体制造领域中常用的硅衬底，例如硅晶圆或绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)晶圆等；并且，该硅衬底可以是没有进行过半导体工艺处理的硅衬底，也可以是已经进行过处理的硅衬底，例如进行过离子注入、蚀刻和/或扩散等工艺处理过的硅衬底，本实施例对此并不限制。
在本实施例中，可以在硅衬底1的表面形成沟槽，并在沟槽中生长化合物半导体外延层以形成化合物半导体光电二极管，从而实现紫外光传感器3，该化合物半导体可以是III-V族化合物半导体，例如GaN(氮化镓)。此外，在本实施例中，也可以生长其他的外延材料层以形成紫外光传感器3。
在本实施例中，紫外光传感器3之外的区域可以形成有环境光传感器2，该环境光传感器2可以是硅光电二极管，例如，该硅光电二极管可以由P-N结实现。
在本实施例中，光学薄膜4的材料可以根据需要透过的光的预定波段来设定，材料的种类可以参考现有技术，本实施例不再进行说明。
在本实施例中，如图1所示，在硅衬底1中可以形成有隔离部5，该隔离部5可以位于环境光传感器2和紫外光传感器3之间，该隔离部5的材料可以是绝缘材料，例如二氧化硅，并且，可以通过硅局部氧化隔离(local oxidation of silicon，LOCOS)技术来形成该隔离部5。通过设置隔离部5，能够将环境光传感器2和紫外光传感器3进行隔离，避免相互干扰。
在本实施例中，如图1所示，在硅衬底1、环境光传感器2和紫外光传感器3的表面形成有保护层6，保护层6可以形成有开口61，开口61用于环境光传感器2和紫外光传感器3与各自的电极接触。保护层6的材料可以是绝缘材料，例如二氧化硅和/或氮化硅等。
如图1所示，环境光传感器2的电极21可以设置在保护层6的表面，并通过开口61与环境光传感器2接触。紫外光传感器3的电极31可以设置在保护层6的表面，并通过开口61与紫外光传感器3接触。
本实施例还提供一种集成环境光及紫外光传感器的制造方法，用于制造图1所示的集成环境光及紫外光传感器100。
图2是本实施例的集成环境光及紫外光传感器的制造方法的一个示意图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、在硅衬底中形成用于隔离环境光传感器和紫外光传感器的隔离部；
步骤202、在所述硅衬底中形成所述紫外光传感器，所述紫外光传感器为硅基化合物半导体光电二极管，用于感测紫外光；
步骤203、在所述硅衬底中形成所述环境光传感器，所述环境光传感器为硅光电二极管，用于感测预定波段的环境光；以及
步骤204、在所述环境光传感器的表面形成光学薄膜，该光学薄膜用于对光进行过滤，以允许所述预定波段的光入射到所述环境光传感器。
如图2所示，该方法还可以再步骤204之前具有如下的步骤205：
步骤205、在所述硅衬底表面形成保护层，并在所述保护层形成开口，所述开口用于所述环境光传感器和所述紫外光传感器与各自的电极接触。
在本实施例中，步骤202可以通过如下步骤来实现：
步骤2011、在所述硅衬底表面形成凹槽，例如，可以通过湿法刻蚀或干法刻蚀的方式形凹槽，该凹槽的内壁露出用于生长缓冲层和化合物半导体材料层的晶面；
步骤2012、在所述凹槽内壁形成缓冲层，该缓冲层例如是氮化铝；
步骤2013、在所述缓冲层表面形成化合物半导体叠层，例如，该化合物半导体叠层包括N型GaN层和生长在N型GaN层表面的P型GaN帽层；以及
步骤2014、刻蚀所述化合物半导体叠层，以形成所述硅基化合物半导体光电二极管的台面结构，例如，刻蚀部分P型GaN至N型GaN以形成该台面结构。
在本实施例中，步骤203可以通过如下步骤来实现：在所述硅衬底中引入杂质，以形成P-N结，所述P-N结成为所述硅光电二极管，该引入杂质的方式例如可以是离子注入。
在本实施例中，可以采用硅基共平面生长化合物半导体技术，在硅衬底上通过选区外延的方式生长化合物半导体光电二极管材料，并制作化合物半导体光电二极管以及硅光电二极管，从而实现两颗传感器的集成。
图3是本实施例的集成环境光及紫外光传感器的制造方法的一个具体实例的流程图。下面，结合图3，说明该集成环境光及紫外光传感器100的制造流程。如图3所示，该流程包括：
1、采用P型的硅(100)衬底1，使用标准CMOS工艺的硅局部氧化隔离(localoxidation of silicon，LOCOS)技术来形成隔离部5，用于将环境光传感器和紫外传感器隔离开，如图3的(A)所示。
2、使用KOH溶液腐蚀硅衬底1，以在硅衬底1的表面形成凹槽201，该凹槽201例如是V型槽，如图3的(B)所示，该V型槽可以是单个槽，也可以为阵列排布的多个槽。
3、使用MOCVD生长AlN外延层作为缓冲层，并刻蚀掉其他部分的AlN外延层，仅在用于形成化合物半导体光电二极管的区域保留缓冲层202，例如，仅在凹槽201中保留缓冲层202，如图3的(C)所示。
4、再次使用MOCVD外延生长化合物半导体光电二极管材料3a，一种简单典型的外延层为在AlN缓冲层202的基础上依次生长N型GaN层和P型GaN帽层，如图3的(D)所示。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，无法生长化合物半导体光电二极管材料3a。
5、制作紫外光传感器，例如，刻蚀部分p型GaN至N型GaN层，形成台面结构3b，以形成紫外光传感器3；此外，在衬底1和紫外光传感器3表面生长一层保护层6，该保护层6可以为SiO2或者Si3N4，如图3的(E)所示。
6、制作环境光传感器2，例如，通过在P型硅衬底1中注入P(磷)离子形成N型阱，从而构成P‐N结，该P‐N结成为硅光电二极管，如图3的(F)所示。
7、在保护层6中开电极接触孔61，如图3的(G)所示。
8、淀积相应的金属，以形成电极21、31，如图3的(H)所示。环境光传感器及紫外光传感器根据材料属性可选择相应的金属形成电极，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。
9、结合剥离(lift‐off)工艺在环境光传感器表面区域蒸镀光学薄膜，从而实现环境光感测功能，图3的(I)所示。
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 (6)
1.一种集成环境光及紫外光传感器，包括：
硅衬底；
环境光传感器，其形成于所述硅衬底，为硅光电二极管，用于感测预定波段的环境光；
紫外光传感器，其形成于所述硅衬底，为硅基化合物半导体光电二极管，用于感测紫外光；以及
光学薄膜，其形成于所述环境光传感器的表面，用于对光进行过滤，以允许所述预定波段的光入射到所述环境光传感器，
其中，
在所述硅衬底表面形成有凹槽，在所述凹槽内壁形成有缓冲层，在所述缓冲层表面具有化合物半导体叠层被刻蚀而形成的所述硅基化合物半导体光电二极管的台面结构。
2.如权利要求1所述的集成环境光及紫外光传感器，其中，
在硅衬底中形成有隔离部，其位于所述环境光传感器和紫外光传感器之间。
3.如权利要求1所述的集成环境光及紫外光传感器，其中，
在所述硅衬底、环境光传感器和紫外光传感器表面形成有保护层，所述保护层形成有开口，用于所述环境光传感器和所述紫外光传感器与各自的电极接触。
4.一种集成环境光及紫外光传感器的制造方法，包括：
在硅衬底中形成用于隔离环境光传感器和紫外光传感器的隔离部；
在所述硅衬底中形成所述紫外光传感器，所述紫外光传感器为硅基化合物半导体光电二极管，用于感测紫外光；
在所述硅衬底中形成所述环境光传感器，所述环境光传感器为硅光电二极管，用于感测预定波段的环境光；以及
在所述环境光传感器的表面形成光学薄膜，该光学薄膜用于对光进行过滤，以允许所述预定波段的光入射到所述环境光传感器，
其中，在所述硅衬底中形成所述紫外光传感器的步骤包括：
在所述硅衬底表面形成凹槽；
在所述凹槽内壁形成缓冲层；
在所述缓冲层表面形成化合物半导体叠层；以及
刻蚀所述化合物半导体叠层，以形成所述硅基化合物半导体光电二极管的台面结构。
5.如权利要求4所述的集成环境光及紫外光传感器的制造方法，其中，所述方法还包括：
在所述硅衬底表面形成保护层，并在所述保护层形成开口，所述开口用于所述环境光传感器和所述紫外光传感器与各自的电极接触。
6.如权利要求4所述的集成环境光及紫外光传感器的制造方法，其中，在所述硅衬底中形成所述环境光传感器的步骤包括：
在所述硅衬底中引入杂质，以形成P-N结，所述P-N结成为所述硅光电二极管。
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