CN110277462A - 电调制光电二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够电调制的光电二极管，包括：具有第一和第二pn结的衬底、用于共同接触两个pn结的p掺杂部或n掺杂部的共用的接触部、以及另外的两个接触部，所述另外的两个接触部用于单独接触两个pn结的p掺杂部和n掺杂部中的另一掺杂部；以及电路被设计用于：对由通过入射的无线电磁波在衬底中产生的并且到达另外的第一接触部的载流子引起的电流加以测量；以及将另外的第二接触部非同时地切换为至少是第一和第二开关状态，其中，另外的第二接触部在第一开关状态下被切换为无电势，在第二开关状态下被加载电势，并且在共用的接触部与另外的第一接触部之间加载的截止电压是恒定的。

Description

电调制光电二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光电二极管，尤其涉及电调制光电二极管。
背景技术
检测器的光谱灵敏度可以通过光束路径中的光谱滤波器施加影响。可以使用吸收滤光器或反射滤光器或其组合。这些滤光器安装在检测器外部，即不形成在检测器中整体成型的半导体器件中。因此，只能通过移动检测器前面的滤波器来调制检测器的灵敏度。
另外，还已知电流辅助光子解调器(“CAPD”电流辅助光子解调器)的原理。CAPD实现了通过电流的影响来改变光电二极管的光谱灵敏度。然而，这导致构件在没有持续电流的情况下不工作。因此，与CAPD检测器相关联的功耗是一个主要缺点，特别是当涉及在小空间上运行大量检测器元件(集成在硅芯片上)的情况。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种光电二极管，尤其涉及电调制光电二极管。
在一实施方式中，提供了一种可电调制的光电二极管。光电二极管包括：具有第一和第二pn结的衬底；用于两个pn结的p型或n型掺杂部的共同接触的共用接触部和两个pn结的p型或n型掺杂部的另一掺杂部的单独的接触部。光电二极管还包括电路，该电路被配置为测量通过由衬底中的入射的无线电磁波产生的并且已达到另外的第一接触部的载流子的电流，并且将另外的第二接触部切换为至少一个第一和第二开关状态。另外的第二接触部在第一开关状态下切换为无电势。在第二开关状态中，施加电位。在一实施方式中，施加在共用接触部和另外的第一接触部之间的反向电压优选地保持恒定。与另外的第一接触部相关联的pn结用作光谱检测器。与另外的第二接触部相关联的pn结负责光谱调制。通过在第二pn结处施加电压，第二pn结变为有效并积累大部分的光诱导载流子。另一方面，如果第二pn结是不加电压的，则仅在第一pn结中收集载流子。
当衬底在接触区域中负掺杂时，另外的第一和第二接触部是阴极。在这种情况下，共用接触部是与pn结相关的阳极。
调制对比度基于到达第一pn结的扩散载流子获得。在第一pn结的漂移区中产生的载流子，即，在另外的第一接触部的pn结的电场的影响下载流子能够朝向另外的第一接触部运动，而不受第二pn结的影响。
在一实施方式中，两个pn结朝向截止方向运行。因此，漏电流最小。由于仅改变连接到另外的第二接触部的电路部分的开关状态，因此可以容易地设计连接到另外的第一接触部的测量电路。这允许通过简化光电二极管的整体电路来调制光电二极管的光谱灵敏度。
在一实施方式中，目标波长光电检测器的少数载流子收集体积近似等于第一pn结的少数载流子收集体积。
在一实施方式中，第二开关状态包括多个开关状态。该电路被设计成在多个开关状态的每一个中向另外的第二接触部施加不同的电位。
在一实施方式中，另外的第一和第二接触件各自具有pn结。另外的第二接触的pn结比另外的第一接触的pn结更深地延伸到衬底中。从波长依赖的光穿入深度可以得出，深穿入空间影响区收集特别是由较大波长(红/红外)的光产生的载流子。因此，尽可能平坦的第一pn结和尽可能低的第二pn结可以实现最佳调制对比度。
在一实施方式中，另外的第二接触的pn结延伸到衬底中使用的制造工艺所允许的最大深度。
在一实施方式中，另外的第二接触的pn结包括掺杂阱。这部分地或完全地包围了另外的第一接触部的pn结的掺杂部。
在一实施方式中，衬底的不受在模制衬底之后已执行的工序影响的部分在一个或多个部位上延伸穿过另外的第二接触部的到另外的第一接触部的pn结的掺杂阱。该电路被设计为，在第二开关状态下施加电压，该电压使另外的第二接触部的空间影响区以如下方式伸展，使得衬底的所有与另外的第一接触部的掺杂部直接接触的节段都被空间影响区所覆盖。在一实施方式中，另外的第二接触部的掺杂阱被以如下方式构造，使得当另外的第二接触部无电势时，原来的衬底材料的横截面之间的比例为载流子提供到另外的第一接触部的扩散路径，并且如果另外的第二接触部接上电压，所述比例被另外的第二接触部的空间电荷区完全包围，并且另外的第二接触部的pn结的掺杂阱的横截面最大化。在平行于衬底表面的平面中测量横截面，以便对二极管灵敏度的调制最大化。
调制对比度大于10，优选远大于10是可实现的，尤其是如果第二pn结实现对第一pn结的有效“包络”的话。在第二pn结被配置为在关断状态下将尽可能多的开放路径留给扩散的载流子的实施方式中，即，第二pn结是“穿孔的”时，以便不会由于其掺杂分布引起的电场阻碍扩散，但是在接通的状态下，由于空间电荷区的扩展，“空穴”被有效关闭，第一pn结的绝对光谱灵敏度也很高(与没有第二调制pn结的情况下，“正常”的简单pn结相类似)。
在一实施方式中，光电二极管仅包括单个的共用接触部。
在一实施方式中，衬底具有垂直于表面分布的掺杂梯度。这种掺杂梯度产生固定的电场。这加速了衬底中产生朝向衬底表面的载流子。
在一实施方式中，共用接触部装设在衬底表面。另外的共同接触部装设在与共用接触部相对的衬底表面上。该电路被设计成向另外的共用接触部施加电压，该电压在衬底中产生共用接触部之间的电势梯度，从而施加电场，该电场朝向另外的第一接触部的方向加速载流子。
在一实施方式中，衬底和另外的两个接触部的掺杂部在CMOS工艺中制造。
在一实施方式中，另外的第二接触部的掺杂阱延伸到通过CMOS工艺可行的最大衬底深度。
在一实施方式中，基材的掺杂浓度为1e12至1e16，优选0.8至2e15，优选1e15[/cm3]。
在一实施方式中，与另外的第二接触部相关的阱的掺杂浓度是1e16-1e18，优选7e17[/cm3]。
随着另外的第二接触部的开关状态之间的开关频率增加，光电二极管的功率损耗增加并且发展成确定的损耗因素。在一实施方式中，衬底的掺杂浓度使得在至少对应于两个pn结的横向距离的垂直伸展内实现载流子寿命。衬底材料的低掺杂度降低了pn结的电容，从而减少了瞬态损耗。此外，载流子寿命提高，由此，pn结的捕获体积变大。这对于较长波长的光谱范围是特别有利的，因为当要实现高量子效率时，由于光的高穿入深度，较长波长的光谱范围需要大的吸收体积。
在一实施方式中，本发明延伸到用于上述光电二极管的、包括两个pn结的衬底。
在一实施方式中，本发明扩展到一种用于检测根据按照本发明的光电二极管上入射的光的红光部分和/或红外部分的方法。该方法包括测量在另外的第一接触部中流动的电流，其中，在测量期间，另外的第二接触部被切换为无电势。该方法还包括对在另外的第一接触部中流动的电流的测量，在该测量期间，将电势施加到另外的第二接触部上。在一实施方式中，然后确定测量之间的差值。
在一实施方式中，本发明扩展到制造上述光电二极管之一的方法。该方法包括制备掺杂衬底和制造两个非套嵌的pn结的步骤。在一实施方式中，该方法是CMOS方法。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在这些实施例中，共用接触部由正掺杂部形成，而另外两个接触部由负掺杂部形成，使得共用接触部形成与两个pn结阳极相关联的阳极以及另外两个接触部形成与两个pn结相关联的第一和第二阴极。
附图说明
在这里，本发明借助本发明不同的实施例参照附图阐释。其中：
图1示出本发明的第一实施方式，第二阴极无电势地接入其中；
图2示出本发明的第一实施方式，其中，第二阴极被加载电压；
图3示出本发明的另一实施方式，衬底中的静电场通过掺杂梯度产生；
图4示出本发明的又一实施方式，其中，电场借助第二阳极加在半导体中；
图5示出本发明的又一实施方式。
图6示出本发明的又一实施方式，其中，第二阴极无电势地接入；
图7示出图6中所示的实施方式，其中，第二阴极带电势地接线；
图8示出图6和图7中所示的实施方式的俯视图；以及
图9示出图6和图7中所示的实施方式的能够实现的调制对比。
具体实施方式
图1示出本发明的第一实施例，其中，阳极10通过正掺杂阱30和正掺杂表面接触部40与正掺杂半导体衬底20连接。第一阴极50以负掺杂分区60与半导体衬底20导电连接。半导体衬底20和分区60形成第一pn结，第一pn结在图中象征性地作为二极管示出。该pn结形成在半导体衬底的表面上。
第二阴极70以负掺杂分区80和负掺杂阱90与半导体衬底20导电连接。负掺杂阱90与半导体衬底20之间的接触形成第二pn结，第二pn结又象征性地作为二极管示出。第二pn结比第一pn结更进一步延伸到半导体衬底中，优选地延伸到CMOS工艺中最大可实现的穿入深度。
由电压源100在阳极10与阴极50之间施加电压U1。通过安培计110测量阳极10与阴极50之间的电流。第二电压源120在阳极10与第二阴极70之间借助于开关130可接通地设置，而在图1所示的配置中，没有建立与阴极2的连接。开关130示意性地示出为机械开关。然而，在实际实施方式中，开关是半导体器件，例如晶体管。
图1中所示的虚线箭头表示穿入半导体衬底20的光子140。在半导体衬底20中，光子产生自由载流子150，自由载流子在半导体衬底20内扩散，并且自由载流子如图1所示地到达第一阴极50，由安培计110作为电流检测到。由于在第二阴极70/80/90处没有电势，所以载流子150可以经过第二阴极70/80/90，也可以穿过掺杂阱90自由地扩散。
如从图1中可以看出那样，载流子150可以与半导体20中产生载流子的位置无关地扩散到第一阴极50。这意味着载流子150可以无关于载流子产生的深度地到达阴极50。不同波长的光子具有不同的材料穿入深度。在图1所示的开关状态中，在不同波长的入射光之间无法区分。
图2示出了处于第二开关状态的图1的实施例，其中，开关130闭合。因此，在该开关状态下，在阳极10和第二阴极70之间施加电压U2。由于半导体衬底20与阱90之间的pn结在阻断模式下切换，所以流过第二阴极70/80/90的电流是最小的。如图2所示，该pn结的空间影响区160在施加电压的影响下扩大。当载流子150扩散到第二阴极的空间影响区160中时，载流子通过第二阴极70和电压源120流出，因此不能到达第一阴极50。由于第一阴极50用于测量由光电流140产生的电流，在电流测量中不考虑通过第二阴极70流出的载流子。值得注意的是，在一实施方式中，电压U2可以是0V。在该实施例中，空间电荷区160的伸展对应于由阱90和衬底20的掺杂部给定的空间电荷区。与图1中的主要条件相反，载流子150不再能够通过该空间电荷区扩散，因为载流子这时导电地连接到电压源120并因此从衬底20将载流子放电。
通过简单地提供浮置在电路结构中无电势地(“引脚悬空”)并且在第二电路装置中以截止状态运行的第二阴极70，可以在第一阴极50处分别针对每个开关状态测量电流。在图2所示的切换状态下，测量仅由尽管第二阴极70的空间影响区扩宽但还是能够扩散到第一阴极50的光子产生。在图1所示的开关状态下测量的电流由所有入射光子产生。两个电流之间的差异可以得出关于从第二阴极70有载流子放电的结论。
由于在与第一阴极电路连接的电路中在两个开关状态之间不必实施改变，所以可以使电路简单和紧凑。
尽管在上面的讨论中仅考虑了第二阴极70的无电势和带电势切换的两种开关状态，但是也可以相对于第二阴极70“无电势或者说引脚悬空”的状态附加地和/或替代地，以各种不同的预先确定的电压值来接通不同的第二阴极70，使得空间电荷区160的尺寸随着不同的接通状态而变化。随着衬底20中的空间电荷区160的不断扩大，越来越多的载流子150(由波长越来越长的光子产生)经由空间电荷区160放电，使得载流子不会通过第一阴极50到达流量计110。。
图3示出了几何上类似于图1和2中所示的布置的结构。与图1和2所示的结构(其中，衬底200已经均匀地正向掺杂)相反地，图3中的衬底200具有掺杂梯度，其中，正掺杂浓度随着距衬底200的表面的距离的增加而减小，因此通过衬底200中的掺杂浓度产生静电场。由于该静电场，载流子在衬底200的表面方向上移动，使得载流子到达第一或第二阴极的概率高于图1和2中的载流子。
图4示出了可替换的结构，其中，在衬底210中也产生静电场。然而，与图3所示的情况相反，该静电场不是由衬底掺杂中的梯度产生的，而是通过在衬底210下方装设的第二阳极220产生。第二阳极220与衬底210的包含阴极的表面之间的电压U3施加静电场，该静电场如图3中的情况那样朝向阴极方向移动负载流子。
这里结合图3和图4分别描述的、产生静电场的两种方案能够相互组合应用。
图5示出了本发明的另一实施方式。如从图5中可以看出，另一个更深地延伸的负掺杂阱230(DNWell)连接到负掺杂阱90(NWell)。更深地延伸的负掺杂阱不仅在垂直于衬底240的表面的方向上延伸，而且完全包围在第一阴极50下方的正掺杂阱250。正掺杂阱250产生电场，该电场将阱250中的载流子朝向负掺杂分区60加速。在与第二阴极相关联的pn结的空间电荷区的影响下也是这种情况。正掺杂阱250还防止两个与第一和第二阴极连接的pn结的空间电荷区的重叠，从而可以避免穿通现象。在一实施方式中，阱230沿着阱250的整个圆周延伸到衬底表面。如图5所示，只要第二阴极70切换为无电势，未连接到第一阴极的阱产生的载流子150就可以继续扩散到第一阴极50。然而，如果第二阴极70被接上电压，则在阱240中或在阱外部在半导体衬底240中产生的载流子150将经由第二阴极70放电，使得这部分载流子将不再作为电流流过第一阴极50在安培计110中能够得到测量。因此，在该实施方式中，只要第二阴极70连接到电压，就仅测量到在连接到第一阴极50的阱250内产生的载流子150。
图6示出了本发明的另一实施方式，其中，第二阴极切换为无电势。图7示出了相同的实施例，但是在该图中，第二阴极连接到电压。在这两个图中，在侧向上仅示出了一半衬底。在该实施方式中，第二半部关于通过PWell和DNWell的右侧组合居中延伸的垂直轴是镜像对称的。在图8中还可以看到包括衬底的两个半部的该实施例的平面图。图8中所示的虚线表示如图6和7所示剖切平面。如图5所示，阱260包围阱270。然而，如图6-8所示，在阱260和阱270中保留开口，使得半导体衬底280与第一阴极50直接接触。两个阱260和270是单独连续的结构，其中，开口处在绘图平面中并因此以不连续性出现。当第二阴极70切换为无电势时，载流子150可以穿过阱260和270中的开口以及通过阱260和270自身到达第一阴极50，并且从那里作为电流被安培计110测得。载流子穿过阱260和270中的开口的扩散更容易，使得开口使载流子更容易到达第一阴极50。一旦第二阴极70连接到电压，就构成了在图7中用点划线形式示出的空间电荷区290，在阱270外部形成的载流子150从空间电荷区进入第一阴极50的所有通路被抑制。在该实施方式中，并且当第二阴极70连接到电压时，第一阴极50因此仅可以检测到在阱260与衬底表面之间形成载流子。未示出将所有DNWell区域连接的金属连接件。
图9示出本发明的在图6和8中所示的实施方式的波长依赖性方面的差异的模拟。较高的曲线表示当第二阴极70切换为无电势时，由第一阴极50检测到的光电流的波长依赖性。然而，一旦第二阴极70通电，可通过第一阴极50测量的电流随着波长的增加而急剧减小，在模拟中预测850nm波长处的对比系数为37。
在下文中，这时对能够用于制造上述实施例的CMOS工艺加以介绍。CMOS工艺开始于衬底晶圆，这种衬底晶圆是大块晶圆(均匀全深度掺杂度约10欧姆/平方)或具有相应外延厚度(例如约30μm)的Epi(外延)晶圆(外延生长的高纯硅层，也约10欧姆平方或更大)在高度掺杂的衬底上(通常为10毫欧姆/平方)施加。
在进一步的过程中，形成两个pn结，这两个pn结沿侧向以如下程度靠近地并排布置，使得这两个pn结能够单独地运行。然而，两个pn结以如下程度彼此远离，使得两个空间电荷区不相互套嵌，从而避免了不必要的电流流动(穿通)。两个pn结的最小所需距离取决于相应空间掺杂分布的量。这又取决于掺杂浓度的选择以及施加在第二阴极的电压的选择。本领域技术人员可以毫无问题地确定所选条件下所需的最小距离，并通过pn结之间的绝缘测试来验证最小距离。通过在第二pn结处施加电压，可以降低第一pn结的光谱灵敏度。当第二pn结断电时，第一pn结恢复其原来的光谱灵敏度。
尽管上述制造工艺是CMOS工艺，但衬底和pn结也可以通过其他已知的半导体制造技术形成。
这里结合图3和图4分别描述的、产生静电场的两种方案能够彼此组合使用和/或与任何其他实施方式组合使用。
尽管已经参照上述实施例介绍了本发明，但是应该理解为，这些实施例是用于对本发明加以阐释，并且权利要求不限于这些实施例。本领域技术人员可以进行修改和替换，这些修改和替换可以被认为落入所附权利要求的范围内。本申请中公开或说明的任何特征可以包含在本发明中，无论这些特征是单独的还是与本申请中公开或说明的其他特征组合。

Claims (19)

1.一种能够电调制的光电二极管，包括：
具有第一和第二pn结的衬底、用于共同接触两个pn结的p掺杂部或n掺杂部的共用的接触部、以及另外的两个接触部，所述另外的两个接触部用于单独接触两个pn结的p掺杂部和n掺杂部中的另一掺杂部；以及
电路被设计用于：
对由通过入射的无线电磁波在衬底中产生的并且到达另外的第一接触部的载流子引起的电流加以测量；以及
将另外的第二接触部非同时地切换为至少是第一和第二开关状态，其中，另外的第二接触部在第一开关状态下被切换为无电势，在第二开关状态下被加载电势，并且在共用的接触部与另外的第一接触部之间加载的截止电压是恒定的。
2.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，第二开关状态包括多个开关状态，其中，电路被设计用于，在多个开关状态中的每一个中，将另一电势加载在另外的第二接触部上。
3.根据权利要求1或2所述的光电二极管，其中，与另外的第二接触部相关的pn结比与另外的第一接触部相关的pn结更深地延伸到衬底中。
4.根据权利要求3所述的光电二极管，其中，与另外的第二接触部相关的pn结以所用的制造工艺能够实现的最大深度延伸到衬底中。
5.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，与另外的第二接触部相关的pn结包括掺杂阱，其中，掺杂阱部分或完全地包围第一接触部的掺杂部。
6.根据权利要求5所述的光电二极管，其中，衬底的不受在模制衬底之后已执行的工序影响的部分在一个或多个部位上延伸穿过掺杂部的与另外的第一接触部相关的掺杂阱，电路被设计为，在第二开关状态下施加电压，所述电压使与另外的第二接触部相关的空间影响区以如下方式伸展：使得衬底的所有与同另外的第一接触部相关的阱直接接触的节段都被空间影响区所覆盖。
7.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，光电二极管仅包括唯一的共同的接触部。
8.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，衬底具有垂直于表面分布的掺杂梯度，所述掺杂梯度使在衬底中产生的载流子朝向衬底表面运动。
9.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，共用的接触部设置在衬底表面上，另外的共用的接触部设置在与前述共同的接触部相反的衬底表面上，并且电路设计为，在另外的共用的接触部上加载电压，所述电压使得在衬底中产生的载流子朝向另外的第一接触部的方向运动。
10.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，衬底和与另外的两个接触部相连接的掺杂部以CMOS工艺制造。
11.根据权利要求10所述的光电二极管，其中，与另外的第二接触部连接的掺杂阱延伸到能够由CMOS工艺实现的最大衬底深度。
12.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，衬底的掺杂浓度为1e12与1e16[/cm3]之间。
13.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，与另外的第二接触部相关的阱的掺杂浓度是1e16至1e18[/cm3]。
14.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，衬底的掺杂浓度为，使得在至少对应于两个pn结的横向距离的垂直伸展内实现载流子寿命。
15.一种包括两个pn结的衬底，用于根据前述权利要求中任一项所述的光电二极管。
16.一种用于检测打到根据前述权利要求中任一项所述的光电二极管上的光的红光部分和/或红外部分的方法，所述方法包括：
测量在另外的第一接触部中流动的电流，其中，另外的第二接触部在测量期间被切换为无电势；以及
测量在另外的第一接触部中流动的电流，其中，在另外的第二接触部上在测量期间加载电势。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括对上述测量之间的差值的确定。
18.一种用于制造根据权利要求1所述的光电二极管的方法，其中，所述方法包括制造掺杂衬底的步骤和制造两个不相互套嵌的pn结的步骤。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述方法是CMOS方法。
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