CN109904260B - 光传感半导体单元、光传感半导体阵列及光感应系统 - Google Patents

Abstract

一种光传感半导体单元，包括：具有第二导电类型的衬底；位于所述衬底之上的第一导电类型的第一掺杂区；位于所述第一掺杂区之上的第二导电类型的第二掺杂区和第三掺杂区；位于所述第二掺杂区之上的第一导电类型的第四掺杂区；及用于隔离所述第一掺杂区和所述第四掺杂区，以及隔离所述第三掺杂区和所述第四掺杂区的隔离结构。两个耗尽区的设计比传统二极管一个耗尽区设计在吸收光生载流子的效率上大幅度提高；其次在两个耗尽区之外实施特定偏置电压，能够把两个耗尽扩展区特定的最大化扩展，但不形成穿通效应，这样可以形成不同电压和光生载流子吸收效率数据信息，这能够提高光分辨灵敏度。

Description

光传感半导体单元、光传感半导体阵列及光感应系统

技术领域

本发明属于光传感半导体技术领域，尤其涉及一种光传感半导体单元、光传感半导体阵列及光感应系统。

背景技术

目前在光敏传感器应用上，光探测主要被用在物联网的传感和智慧控制。因为制造在硅工艺上的光敏二极管或者三极管制造成本低，而且容易集成进CMOS工艺中配合放大读出电路形成集成芯片，所以目前的光探测器件从分立器件不断的进化成带有智能校准电路的系统级芯片。由于环境光强探测的应用领域非常广阔，所以现存的发明技术都涉及对环境光强的探测。

典型的技术方案中使用传统二极管来作为光敏器件单元，而且它通过运放采集电路提取三组精巧设计的二极管光函数来建立一个匹配人眼的环境光强模型，从而通过微处理器控制显示屏自动调节显示亮度，达到最佳人眼体验。然而存在不能最大化吸收光生载流子，使得在转化光生电流效率和灵敏度较低的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种光传感半导体单元、光传感半导体阵列及光感应系统，旨在解决使用传统二极管吸收光生载流子存在不能最大化，使得在转化光生电流效率和灵敏度较低上的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种光传感半导体单元，包括：

具有第二导电类型的衬底；

位于所述衬底之上的第一导电类型的第一掺杂区；

位于所述第一掺杂区之上的第二导电类型的第二掺杂区和第三掺杂区；

位于所述第二掺杂区之上的第一导电类型的第四掺杂区；及

用于隔离所述第一掺杂区和所述第四掺杂区，以及隔离所述第三掺杂区和所述第四掺杂区的隔离结构。

在一些实施例中，还包括阳极电极和阴极电极，所述第三掺杂区电连接到所述阳极电极，所述第四掺杂区电连接到所述阴极电极。

在一些实施例中，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型。

在一些实施例中，所述第二掺杂区为两个以上，所述第四掺杂区的数量与所述第二掺杂区相同。

在一些实施例中，所述第四掺杂区在所述衬底方向的第一垂直投影落入所述第二掺杂区在所述衬底方向上的第二垂直投影内，所述第一垂直投影的面积小于或者等于所述第二垂直投影的面积。

在一些实施例中，所述隔离结构为浅沟槽隔离结构。

在一些实施例中，所述隔离结构为二氧化硅隔离结构或者场氧化隔离结构。

在一些实施例中，所述隔离结构形成于两个相邻的所述第四掺杂区之间、相邻的所述第三掺杂区和所述第四掺杂区之间、相邻的所述第一掺杂区和所述第四掺杂区之间以及所述光传感半导体单元外侧。

在一些实施例中，还包括遮光层，覆盖于所述第三掺杂区和所述第四掺杂区之上，所述遮光层开设有使所述第四掺杂区至少部分能受光的开窗。

在一些实施例中，还包括透光层，所述透光层位于所述遮光层的之下。

本发明实施例的第二方面提供了一种光传感半导体阵列，包括阵列排布的多个上述的光传感半导体单元，所述隔离结构还用于隔离各个所述光传感半导体单元之间的所述第三掺杂区和/或所述第四掺杂区。

本发明实施例的第三方面提供了一种光感应系统，包括：

上述光传感半导体单元；

一光敏二极管；

与所述光传感半导体单元和所述光敏二极管连接的放大电路；

与所述放大电路连接的模数转换电路；以及

与所述模数转换电路连接的处理器。

上述的光传感半导体单元的第一个PN结形成第一个耗尽扩展区在第一掺杂区和第二掺杂区界面处；第二个PN结形成第二个耗尽扩展区在第三掺杂区和第二掺杂区界面处，打入到这两个耗尽区的光生载流子才能被内建电场扫出，形成光导电流效应。两个耗尽区的设计比传统二极管一个耗尽区设计在吸收光生载流子的效率上大幅度提高；其次在两个耗尽区之外实施特定偏置电压，能够把两个耗尽扩展区特定的最大化扩展，但不形成穿通效应，这样可以形成不同电压和光生载流子吸收效率数据信息，这能够提高光分辨灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明实施例提供的光传感半导体单元的刨面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的1X2光传感半导体阵列结构示意图；

图3为图1所示的光传感半导体阵列和传统光敏二极管的IV曲线图；

图4为本发明实施例提供的光感应系统结构示意图；

图5为差分处理光响应函数过滤红外干扰曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的光传感半导体单元包括具有第二导电类型的衬底；位于衬底之上的第一导电类型的第一掺杂区；位于第一掺杂区之上的第二导电类型的第二掺杂区和第三掺杂区；位于第二掺杂区之上的第一导电类型的第四掺杂区；用于隔离第一掺杂区和第四掺杂区，以及隔离第三掺杂区和第四掺杂区的隔离结构的隔离结构。

请参阅图1，本发明实施例提供的光传感半导体单元中的第二掺杂区为两个以上，第四掺杂区与第二掺杂区相同并层叠设置。请参阅图1，本实施例中，第二掺杂区为三个，标号144、122、288均为第二掺杂区，标号14、12、28均为第四掺杂区。标号88为隔离结构，标号30为第三掺杂区，标号24为衬底，标号16为第一掺杂区。另外，第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型。

本实施例中，第一掺杂区16是CMOS工艺中的Nwell技术制造，第二掺杂区144、122、288是CMOS工艺中的ESD注入P++技术制造，第四掺杂区14、12、28是CMOS工艺中的N+注入接触区技术制造；隔离结构88，是CMOS工艺的浅槽隔离技术制造，第四掺杂区30是第一掺杂区16的电接触高浓度掺杂区；第四掺杂区30具有和第一掺杂区16相同的第一导电类型，它也是CMOS工艺中的N+注入接触区技术制造。

可以理解的是，在一个光传感半导体单元中，本实施例中的第二掺杂区144、122、288位于第一掺杂区16的表面上，第四掺杂区14、12、28位于第二掺杂区144、122、288之上，各个第四掺杂区14、12、28以第二掺杂区144、122、288和隔离结构88与第一掺杂区16、相邻的第四掺杂区、第三掺杂区30完全隔离。另外，本实施例中，在一个光传感半导体单元中，在外侧的第四掺杂区14和第三掺杂区30的外侧也设立有隔离结构88。如此，隔离结构88是形成于两个相邻的第四掺杂区14、12、28之间、相邻的第三掺杂区30和第四掺杂区288之间、相邻的第一掺杂区16和第四掺杂区14、12、28之间以及光传感半导体单元外侧。

在一些实施例中，第四掺杂区14、12、28在衬底24方向的第一垂直投影分别落入各个对应的第二掺杂区144、122、288在衬底24方向上的第二垂直投影内，第一垂直投影的面积小于或者等于第二垂直投影的面积。

在进一步的实施例中，光传感半导体单元还包括遮光层22和透光层20，遮光层22覆盖于第三掺杂区30和第四掺杂区14、12、28之上，透光层20位于遮光层22的之下，即透光层20位于遮光层22和第三掺杂区30、第四掺杂区14、12、28之间，遮光层22开设有使第四掺杂区14、12、28至少部分能受光的开窗。

本实施例中，第四掺杂区的14和28分布在第四掺杂区12两侧，第四掺杂区14和28是被遮光层22掩蔽，不被环境光18直接投射到，第四掺杂区12与遮光层22的开窗相对，第四掺杂区12受光作为光传感半导体单元的受光有源区，环境光18能够不被遮光层22所阻挡，从而能够打入到第四掺杂区12和第二掺杂区122以及第一掺杂区16中。可见，与第四掺杂区12相对的第二掺杂区122和第一掺杂区16构成一受光器件B1，与第四掺杂区的14和28相对的第二掺杂区144、288和第一掺杂区16分别构成两个遮光器件B2。

另外，遮光层22可以是钝化层、金属层、多晶硅层等，透光层20的材料可以是二氧化硅、氮化硅等工艺材料。

光传感半导体单元还包括阳极电极和阴极电极，第三掺杂区30电连接到阳极电极150，第四掺杂区14、12、28电连接到阴极电极。

传统二极管的光导效应是光投射进硅材料中，产生光生载流子空穴和电子，在二极管的PN结反偏耗尽区产生的空穴和电子能够在内建电场的作用下扫出，形成光电流，光强越大，耗尽区宽度越大，产生的有效光生电流就越大。不同波长的光投射硅材料的深度是不同的，可见光400-700nm范围的光在硅材料的投射深度小于3-4um；800nm以上的红光在硅材料的投射深度小于8um。在180nm的CMOS制造工艺中Nwell的阱深在3-4um。因此可见光能够全部在Nwell中被吸收转化为光生电流，通过在Nwell中设置本方案中光传感半导体单元的受光器件和遮光器件形成的光函数组，可以提取出一个光响应模型，近红光的一部分能够在Nwell(第一掺杂区)和衬底26之间的形成的PN上被转化为光生电流，再通过加入差分过滤算法，从上述的光响应模型中过滤掉红光部分，最终可以建立一个匹配人眼响应的光响应模型。

从图1可以看到，新设计的受光器件B1存在两个PN结，第一个PN结形成第一个耗尽扩展区在第一掺杂区16和第二掺杂区122界面处；第二个PN结形成第二个耗尽扩展区在第四掺杂区12和第二掺杂区122界面处；环境光18打入到这两个耗尽区的光生载流子26才能被内建电场扫出，形成光导电流效应。本方案中光传感半导体单元构成的器件的优点在于：首先两个耗尽区的设计比传统二极管一个耗尽区设计在吸收光生载流子26的效率上大幅度提高；其次在第四掺杂区12到第一掺杂区16之间实施特定偏置电压，能够把两个耗尽扩展区特定的最大化扩展，但不形成穿通效应，这样可以形成最大宽度耗尽区，这样形成的第一组直接吸收环境光18的光生电流数据，能够提高光分辨灵敏度。再次，通过对两个耗尽区界面深度的工艺控制，能够形成对特定光波的定向探测，不同光波在硅中的穿通深度是不同的，比如x光，紫外光波短，穿通深度小，通过对两个耗尽区界面的超浅结工艺制造，对x光和紫外光探测是具有实施性，从而替代现有x光和紫外光的超浅结二极管的设计；对于长波红外光的探测，通过对两个耗尽区界面的深结工艺制造，配合多个滤光差分器件单元的设计，也是可以在一定程度上探测红外光。可见，在本方案的两端光传感半导体单元的光导响应特性优越于传统二极管器件结构。

本实施例的光传感半导体单元中的两个遮光器件B2分布在受光器件B1两侧，它的结构和受光器件B1类似，也存在两个PN结，遮光器件B2的作用在于收集受光器件B1器件收集不到的随机漫游的光生载流子，形成第二组间接吸收环境光18的光生电流数据。另外通过第一掺杂区16和衬底24之间形成的深PN结，即Nwell和Psub衬底形成的PN结，我们可以收集部分红光穿透硅材料后产生的第三组环境光18产生的光生电流数据。这第三组数据代表了环境光18中的红光特性，人眼是不能感知红光，因此通过前两组数据建立环境光18的光强模型，再过滤掉第三组数据，能够最终形成匹配人眼响应的光强模型。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供的一种光传感半导体阵列，包括阵列排布的多个光传感半导体单元，光传感半导体单元具有设于外侧的隔离结88，其用于隔离各个光传感半导体单元。可以理解的是，将两个以上的光传感半导体单元制作成阵列时，各个单元外侧的隔离结构88还用于隔离各个光传感半导体单元使其相互独立，具体地，隔离各个光传感半导体单元之间的第一掺杂区16、第三掺杂区30、和/或第四掺杂区14、12、28。

在图2所示的一行两列光传感半导体单元形成的光传感半导体阵列中，前面已经描述过本方案中的光传感半导体单元完全兼容标准CMOS工艺，根据本实施例的光传感半导体单元可以使用标准CMOS工艺来制造形成一个阵列。包括P型衬底24，电气特性上接地；n阱16，n阱16通过N+注入形成的第三掺杂区30连接到偏置电压；受光器件B1和遮光器件B2的N+掺杂区电气特性上接地；透光层20是透光半导体材料，比如二氧化硅、氮化硅等；遮光层22是遮光半导体材料，比如金属、多晶硅等。这样的阵列设计实施例可以为光探测电路中的运放和采集电路提供上述的三组光生电流数据。

参考图3所示的IV(电流-电压)曲线图描述图2所示的器件单元制造在CMOS工艺上的工作表征特性。在相同制造工艺，相同版图尺寸面积设计的情况下，对比传统光敏二极管和本方案中的光传感半导体单元构成的光传感器件的光敏特性。6d_d1_dark代表传统光敏二极管在暗箱下光导IV特性；6d_d1_a代表传统光敏二极管在环境光下的受光第一组IV特性；6d_d2_a代表传统光敏二极管在环境光下的遮光第二组IV特性；6d_d3_a代表传统光敏二极管在环境光下的遮光第三组IV特性；6d_d1_c代表传统光敏二极管在一个特定光强下的受光第一组IV特性；6d_d2_c代表传统光敏二极管在一个特定光强下下的遮光第二组IV特性；6d_d3_c代表传统光敏二极管在一个特定光强下的遮光第三组IV特性；4d_b1_dark代表本方案构成的光传感器件在暗箱下光导IV特性；4d_b1_a代表本方案构成的光传感器件在环境光下的受光第一组IV特性；4d_b2_a代表本方案构成的光传感器件在环境光下的遮光第二组IV特性；4d_b1_c代表本方案构成的光传感器件在一个特定光强下的受光第一组IV特性；4d_b2_c代表本方案构成的光传感器件在一个特定光强下的遮光第二组IV特性。

可见，对于受光器件，在相同的暗箱测试条件下，从0到-3伏偏置器件，传统二极管和本方案构成的光传感器件有着相同的1E-11量级响应电流；在相同环境光测试条件下，从0到-3伏偏置器件，传统二极管的响应电流是1E-10量级，本方案构成的光传感器件的响应电流是1E-9量级；在一个相同特定光强测试条件下，从0到-3伏偏置器件，传统二极管的响应电流是1E-8量级，本方案构成的光传感器件的响应电流是1E-6量级；从制造在CMOS工艺上的器件对比实测数据上，我们验证了本方案构成的光传感器件的光导响应特性优越于传统二极管器件结构。

对于遮光器件，在相同的光强测试条件下，本方案构成的两端光传感器件的遮光设计收集随机漫游的光生载流子的光导响应特性也是优越于传统二极管器件结构。比如在一个相同特定光强测试条件下，从0到-3伏偏置器件，传统二极管的遮光第二组响应电流是1E-8量级，本方案构成的光传感器件的遮光第二组响应电流是1E-6量级。

请参阅图1、图2和图4，本发明实施例提供的光感应系统包括上述的光传感半导体单元；光敏二极管D1；与光传感半导体单元和光敏二极管D1连接的放大电路51；与放大电路51连接的模数转换电路52；以及与模数转换电路52连接的处理器53。

光传感半导体单元中的受光器件B1和遮光器件B2以及受光的光敏二极管D1在施加偏置电压下，能够响应环境光18产生的光导电流，这三组光导电流通过输入选通开关进入电流到电压的转换以及放大电路52，然后通过输出电压给模数转换电路52，然后模数转换电路52输出三组光函数数据给处理器53以运算上述光响应模型，最后处理器53输出一个匹配人眼响应的光强值给负载54。例如负载时显示屏，显示屏根据光强值调节屏幕亮度，达到最佳显示体验。

处理器64可以为单片机

应当指出的是，在上述的实施例中，光传感半导体单元构成的新的光传感器件的光导响应特性优越于传统二极管器件，这点在具体的环境光探测应用中，新的光传感器件就能降低电流放大和采集精度的设计压力，另外新的光传感器件能够提供更大动态范围的光灵敏度，可以配置在光衰减玻璃的后面，仍可以提供从微光到太阳光的全光强探测。这些即使新器件应用在环境光强探测的创新之处。

最后参考图5所示的可见光光谱响应示意图，从光感应系统的受光器件B1和遮光器件B2提取的光函数数据最终会修正和整合为一条光谱响应曲线；从光敏二极管D1提取的光函数数据也表征在可见光谱上，由于光敏二极管D1是深阱二极管，它代表的是探测到的部分红光特性，因此对两条光谱响应曲线做差分算法，就能从算法上过滤可见光探测中的红光干扰，而不需要增加成本去做红光过滤薄膜。

尽管已经参照上述示例性实施例描述了本发明，但是本发明不仅仅限于上述示例性实施例中的每一个的结构和功能，本发明的范围由所附权利要求书限定。关于本发明的结构和细节，可以应用本领域技术人员想到的各种变化和修改。此外，本发明也包括适当地组合上述示例性实施例中每一个的一部分或整体部分而获得的结构。

Claims (11)

1.一种光传感半导体单元，包括：

具有第二导电类型的衬底（24）；

位于所述衬底（24）之上的第一导电类型的第一掺杂区（16）；

位于所述第一掺杂区（16）之上的第二导电类型的3个第二掺杂区（144、122、288）和第三掺杂区（30）；

位于所述3个第二掺杂区之上的第一导电类型的3个第四掺杂区（14、12、28）；及

用于隔离所述第一掺杂区（16）和所述3个第四掺杂区（14、12、28），以及隔离所述第三掺杂区（30）和所述3个第四掺杂区（14、12、28），以及隔离在各所述第二掺杂区（144、122、288）之间，以及隔离在各所述第四掺杂区（14、12、28）之间的隔离结构（88）；

与位于中间的第四掺杂区（12）相对的第二掺杂区（122）和第一掺杂区（16）构成一受光器件（B1），与位于两侧的第四掺杂区的（14、28）相对的第二掺杂区（144、288）和第一掺杂区（16）分别构成两个遮光器件（B2）。

2.如权利要求1所述的光传感半导体单元，其特征在于，还包括阳极电极和阴极电极，所述第三掺杂区电连接到所述阳极电极，所述第四掺杂区电连接到所述阴极电极。

3.如权利要求1所述的光传感半导体单元，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。

4.如权利要求1所述的光传感半导体单元，其特征在于，所述第四掺杂区在所述衬底方向的第一垂直投影落入所述第二掺杂区在所述衬底方向上的第二垂直投影内，所述第一垂直投影的面积小于或者等于所述第二垂直投影的面积。

5.如权利要求1所述的光传感半导体单元，其特征在于，所述隔离结构为浅沟槽隔离结构。

6.如权利要求1或5所述的光传感半导体单元，其特征在于，所述隔离结构为二氧化硅隔离结构或者场氧化隔离结构。

7.如权利要求1或5所述的光传感半导体单元，其特征在于，所述隔离结构形成于两个相邻的所述第四掺杂区之间、相邻的所述第三掺杂区和所述第四掺杂区之间、相邻的所述第一掺杂区和所述第四掺杂区之间以及所述光传感半导体单元外侧。

8.如权利要求1所述的光传感半导体单元，其特征在于，还包括遮光层，覆盖于所述第三掺杂区和所述第四掺杂区之上，所述遮光层开设有使所述第四掺杂区至少部分能受光的开窗。

9.如权利要求8所述的光传感半导体单元，其特征在于，还包括透光层，所述透光层位于所述遮光层的之下。

10.一种光传感半导体阵列，其特征在于，包括阵列排布的多个如权利要求1-9中任一项所述的光传感半导体单元，所述隔离结构还用于隔离各个所述光传感半导体单元之间的所述第三掺杂区和/或所述第四掺杂区。

11.一种光感应系统，其特征在于，包括：

权利要求1-9中任一项所述的光传感半导体单元；

一光敏二极管；

与所述光传感半导体单元和所述光敏二极管连接的放大电路；

与所述放大电路连接的模数转换电路；以及

与所述模数转换电路连接的处理器。

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