CN109904271B - 光传感半导体单元和光传感半导体阵列 - Google Patents

Abstract

一种光传感半导体单元，包括：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；位于所述第二掺杂区之上的第一导电类型的第三掺杂区；及用于隔离所述第一掺杂区和所述第三掺杂区的隔离结构。形成两个耗尽区，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。

Description

光传感半导体单元和光传感半导体阵列

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和光传感半导体阵列。

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。典型的技术方案中使用传统二极管来作为光敏器件单元，而传统二极管存在吸收光生载流子不能最大化，从而使得在转化光生电流效率和灵敏度较低上。

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和光传感半导体阵列，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：

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；

位于所述第二掺杂区之上的第一导电类型的第三掺杂区；及

用于隔离所述第一掺杂区和所述第三掺杂区的隔离结构。

在一些实施例中，还包括阳极电极和阴极电极，所述第一掺杂区电连接到所述阳极电极，所述第三掺杂区电连接到所述阴极电极。

在一些实施例中，所述第一掺杂区包括位于表面的第一导电类型的高浓度电接触掺杂区，所述高浓度电接触掺杂区电连接到所述阳极电极，所述高浓度电接触掺杂区与所述第三掺杂区之间以所述隔离结构相互隔离。

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，所述衬底具有所述第二导电类型。

在一些实施例中，所述第三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所述第一掺杂区和所述第三掺杂区之间，以及所述光传感半导体单元外侧。

在一些实施例中，还包括覆盖于所述第一掺杂区之上，使所述第三掺杂区至少部分能受光的遮光层。

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一掺杂区和/或所述第三掺杂区。

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阵列的结构示意图；

图2为图1所示的光传感半导体阵列中沿A点到B点的刨面结构示意图；

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。

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。

请参阅图1，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构，其用于隔离各个所述光传感半导体单元。

请参阅图2，本发明实施例提供的光传感半导体单元，包括：第二导电类型的衬底100；位于衬底100之上的第一导电类型的第一掺杂区110；位于第一掺杂区110之上的第二导电类型的第二掺杂区121；位于第二掺杂区121之上的第一导电类型的第三掺杂区131；及用于隔离第一掺杂区110和第三掺杂区131的隔离结构170。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170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110和/或第三掺杂区131。

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121位于第一掺杂区110的一侧端部，第三掺杂区131位于第二掺杂区121之上，第三掺杂区131以第二掺杂区121和一个隔离结构170与第一掺杂区110完全隔离。在其他实施例中，第二掺杂区121位于第一掺杂区110的中部，第三掺杂区131位于第二掺杂区121之上，那么第三掺杂区131两端都需要设立隔离结构170使其与第一掺杂区110隔离。另外，本实施例中，在一个光传感半导体单元中，第三掺杂区131的外侧和第一掺杂区110的外侧也设立有隔离结构170。如此，隔离结构170形成于第一掺杂区110和第三掺杂区131之间，以及光传感半导体单元外侧。

在一些实施例中，第一掺杂区110包括位于表面的第一导电类型的高浓度电接触掺杂区132，高浓度电接触掺杂区132与第三掺杂区131之间以隔离结构170相互隔离。光传感半导体单元还包括阳极电极150和阴极电极160，第一掺杂区110电连接到阳极电极150，具体地是高浓度电接触掺杂区132电连接到阳极电极150，第三掺杂区131电连接到阴极电极160。

在一些实施例中，第三掺杂区131在衬底100方向的第一垂直投影落入第二掺杂区121在衬底100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。

另外，第三掺杂区131是受光有源区，特定光波10能够不被覆盖于第一掺杂区110之上遮光层101所阻挡，使第三掺杂区131至少部分能受光，从而能够打入到第三掺杂区131和第二掺杂区121以及第一掺杂区110中；遮光层101中遮光部分可以是钝化层、金属层、多晶硅层等，与第三掺杂区131相对的透光部分的透光层材料可以是二氧化硅、氮化硅等工艺材料。

从图2可以看到，从阳极电极160到阴极电极150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110和第二掺杂区121界面处；第二个PN结形成第二个耗尽扩展区在第三掺杂区131和第二掺杂区121界面处；打入到这两个耗尽区的光生载流子10才能被内建电场扫出，形成光导电流效应。

在本方案相对传统二极管器件结构优点在于：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10的效率上大幅度提高；其次在阳极电极160到阴极电极150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，这样可以形成不同电压和光生载流子10吸收效率数据信息，这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。

本方案的两端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工艺来制作。阳极电极160的接触区高浓度电接触掺杂区132使用N+注入工艺、第一掺杂区110使用Nwell阱工艺，第二掺杂区121使用ESD注入P+工艺，阴极电极150的接触区，即第三掺杂区131使用N+注入工艺。隔离结构170采用浅槽隔离，比如二氧化硅隔离结构或者场氧化隔离结构。第三掺杂区131为受光有源区，不能被任何遮光材料遮挡，衬底100是P衬底。

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形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(ambient)代表传统光敏二极管在环境光下光导IV特性；6d_d1_c(Max)代表传统光敏二极管在一个特定光强下的光导IV特性。4b_b1_dark代表本方案形成的光传感器件在暗箱下光导IV特性；4b_b1_a(ambient)代表本方案形成的光传感器件在环境光下光导IV特性；4b_b1_c(Max)代表本方案形成的光传感器件在一个特定光强下的光导IV特性。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形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，本方案形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，本方案形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，我们验证了本方案形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。

应当指出的是，尽管在上述的实施例中，本方案形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。这在具体的光探测应用中，新的两端光传感器件就能降低电流镜放大和AD采集精度的设计压力，另外新的两端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。

此外上述本方案形成的光传感器件不仅仅局限在CMOS工艺上，在特定双极工艺上，通过对器件的尺寸的调整，能够形成对特定波长光的特定响应。

在图1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，第三掺杂区231和第三掺杂区232共同位于第一掺杂区270中，并且不可被半导体工艺材料遮挡光的透射；电极250和260分别是第三掺杂区231和第三掺杂区232的阴极电极引出；并且其中区域241和242在第一掺杂区270中，他们是第一掺杂区270的高浓度电接触掺杂区，从而形成阳极电极25和26引出。

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 (10)

1.一种光传感半导体单元，包括：

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；

位于所述第二掺杂区之上的第一导电类型的第三掺杂区；及

用于隔离所述第一掺杂区和所述第三掺杂区的隔离结构；

其中，第一个PN结形成第一个耗尽扩展区在所述第一掺杂区和所述第二掺杂区界面处；第二个PN结形成第二个耗尽扩展区在所述第三掺杂区和所述第二掺杂区界面处，且所述第三掺杂区至少部分能受光，使得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；且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。

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，所述第一掺杂区电连接到所述阳极电极，所述第三掺杂区电连接到所述阴极电极。

3.如权利要求2所述的光传感半导体单元，其特征在于，所述第一掺杂区包括位于表面的第一导电类型的高浓度电接触掺杂区，所述高浓度电接触掺杂区电连接到所述阳极电极，所述高浓度电接触掺杂区与所述第三掺杂区之间以所述隔离结构相互隔离。

4.如权利要求1所述的光传感半导体单元，其特征在于，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型，所述衬底具有所述第二导电类型。

5.如权利要求1所述的光传感半导体单元，其特征在于，所述第三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。

6.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。

7.如权利要求1或6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。

8.如权利要求1或6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所述第一掺杂区和所述第三掺杂区之间，以及所述光传感半导体单元外侧。

9.如权利要求1所述的光传感半导体单元，其特征在于，还包括覆盖于所述第一掺杂区之上，使所述第三掺杂区至少部分能受光的遮光层。

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一掺杂区和/或所述第三掺杂区。

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