CN110289272B - 一种具有侧边pn结的复合光电探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有侧边PN结的复合光电探测器，包括P型衬底，P型衬底上设有高压深N阱，高压深N阱内设有环形N阱，环形N阱中通过光刻、注入磷离子形成环形的N+阳极；环形N阱内设有中心圆形P阱，环形N阱与中心圆形P阱形成侧边二极管的感光结构，中心圆形P阱中设有N型TFET结构。本发明通过环形N阱与中心圆形P阱形成的侧边二极管结构作为感光区域，同时利用中心圆形P阱内的隧穿场效应晶体管结构，加快了器件的工作频率。本发明还公开了一种具有侧边PN结的复合光电探测器的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合光电探测器，特别涉及一种具有侧边PN结的复合光电探测器及其制作方法。
背景技术
光电探测器做为一种传感器件，在生活中已经被广泛使用，包括手机、卫星、医学仪器等。目前使用的光电探测器件依据器件的结构大致分为：CCD器件、光电二极管和光电倍增管。CCD和光电倍增管、光电二极管都存在一种或者两种缺陷。而且基于新型材料的光电探测器目前存在两个问题，一个问题是相对于硅材料，其原料价格更高，另外一个问题是大部分的不基于硅基材料的探测器件不能与CMOS工艺兼容，不能与后级电路做到一起，这样会增加一些非理想因素，增加成本。
目前基于CMOS的图像传感器是以光电二极管为基础的器件和以光栅为基础的器件，基于光电二极管的CMOS器件已经焕发出勃勃生机，各种基于光电二极管的CMOS器件已经出现，如：紫外探测器件，红外探测器件等。基于光电二极管的CMOS器件都是基于雪崩效应制作，需要较高的电压，而且增加了器件的功耗。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、响应速度快的单芯片集成复合型光电探测器件，并提供其制作方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种具有侧边PN结的复合光电探测器，包括P型衬底， P型衬底上设有高压深N阱，高压深N阱内设有环形N阱，环形N阱中通过光刻、注入磷离子形成环形的N+阳极；环形N阱内设有中心圆形P阱，环形N阱与中心圆形P阱形成侧边二极管的感光结构，中心圆形P阱中设有N型TFET结构。
上述一种具有侧边PN结的复合光电探测器，所述N型TFET结构包括中心圆形P阱中从外到内依次设置的环形漏极、环形栅极和中心源极。
上述一种具有侧边PN结的复合光电探测器，所述P型衬底采用P型材料制作而成，P型材料为在硅中掺入元素周期表中第四族元素制成。
上述一种具有侧边PN结的复合光电探测器，所述高压深N阱采用N型材料制作而成，N型材料为在硅中掺入元素周期表中第五族元素制成。
一种具有侧边PN结的复合光电探测器的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：在P型衬底上热生长一层二氧化硅氧化层，用作光电探测器件的栅绝缘层；并在二氧化硅氧化层薄膜上淀积氮化硅层；
步骤二：光刻定义高压深N阱区域；在二氧化硅氧化层上需要进行离子注入的地方去掉氮化硅层，通过轻掺杂的离子注入向P型衬底上注入磷离子Ⅰ，并通过高温退火处理，激活磷离子Ⅰ，在P型衬底上形成高压深N阱；
步骤三：通过第二次光刻，并进行轻掺杂的磷离子Ⅱ的注入，在高压深N阱内形成环形N阱，并通过高温退火 , 激活磷离子Ⅱ；
步骤四：通过第三次光刻，并进行轻掺杂的磞离子Ⅰ的注入，在高压深N阱内形成中心圆形P阱，并通过高温退火 , 激活磞离子Ⅰ；
步骤五：通过第四次光刻，在中心圆形P阱上形成环形栅极；
步骤六：通过第五次光刻，在中心圆形P阱上和环形N阱进行重掺杂的磞离子Ⅱ的注入，在中心圆形P阱上形成环形漏极和在N阱上形成N+阳极108，并通过高温退火处理，激活磞离子；
步骤七：通过第六次光刻，在中心圆形P阱上进行重掺杂的磷离子Ⅲ的注入，在中心圆形P阱内形成中心源极，并通过高温退火处理，激活磷离子Ⅲ。
本发明的有益效果在于：本发明通过环形N阱与中心圆形P阱形成的侧边二极管结构作为感光区域，同时利用中心圆形P阱内的隧穿场效应晶体管（TFET）结构，加快了器件的工作频率。
附图说明
图1为本发明中一种具有侧边PN结的复合光电探测器件的结构图。
图2为本发明中一种具有侧边PN结的复合光电探测器件的俯视图。
图3为本发明中的一种具有侧边PN结的复合光电探测器件的工作过程示意图。
图4为本发明的测试电路的电路图。
图5为本发明的制作方法中生成二氧化硅氧化层和氮化硅层后的结构示意图。
图6为本发明的制作方法中第一次光刻后的结构示意图。
图7为本发明的制作方法中第二次光刻后的结构示意图。
图8为本发明的制作方法中第三次光刻后的结构示意图。
图9为本发明的制作方法中第四次光刻后的结构示意图。
图10为本发明的制作方法中第五次光刻后的结构示意图。
图11为本发明的制作方法中第六次光刻后的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、图2所示，一种具有侧边PN结的复合光电探测器件，包括P型衬底101， P型衬底101上设有高压深N阱104，高压深N阱104内设有环形N阱105，环形N阱105中通过光刻、注入磷离子形成环形的N+阳极108；环形N阱105内设有中心圆形P阱106，环形N阱105与中心圆形P阱106形成侧边二极管的感光结构，中心圆形P阱106中设有N型TFET结构。
所述N型TFET结构包括中心圆形P阱106中从外到内依次设置的环形漏极109、环形栅极107和中心源极110。
所述P型衬底101采用P型材料制作而成，P型材料为在硅中掺入元素周期表中第四族元素制成。
所述高压深N阱104采用N型材料制作而成，N型材料为在硅中掺入元素周期表中第五族元素制成。
一种具有侧边PN结的复合光电探测器件的工作过程为：当在N+阳极108施加一定的正向电压，在中心源极110接地，环形漏极109接正电压，环形栅极107加入足够的电压使得栅下形成电子沟道，当器件处于无光条件时，器件的N+阳极108施加的正向电压与中心源极110接地，构成PW与NW形成的PN结的反向连接。环形漏极109的电压此时与中心源极110电压也构成一个反偏的PN结，但是此时的结都不起作用，因此此时器件中工作的器件只有TFET结构的器件。当器件有光时，在PW与NW构成的PN结处，形成的反向偏置，光生载流子进入反向的PN结后，在强电场的作用下，光生载流子的价键断裂，形成光生电子111和光生空穴112，如图3所示，光生电子111此时被N+阳极108所吸收，光生空穴112被排斥到衬底中，进而改变TFET的阈值电压，由于阈值电压的改变，改变器件的漏极电流，此时器件改变的漏极电流的大小就是产生的光电流的大小。
图4为测试电路，图中PNTFET代表需要测试的单芯片集成复合型光电探测器件，Rd为多晶硅电阻器，VOUT为测试电压。单芯片集成复合型光电探测器件源端和衬底接地。一种具有侧边PN结的复合光电探测器件漏端接接Rd一端，Rd另一端接VCC。测试电压VOUT从双极结型光栅像素器件和多晶硅电阻之间引出，激光通过多模光纤放大后射入。
该电路的测试原理是：当无光照时，用参数分析器（HP 4156A）测量出器件的暗电流，计算出这个时候漏端的测试输出电压。当有光照射时，用示波器（HP 54750A）测量出漏端电路瞬时输出的电压值。用瞬时的输出电压减去没有光照得时候测试所输出电压得到的电压差除以Rd的值就可以得到器件内部产生的光电流。最后用一个标准的光电二极管测其入射光功率。用器件产生的光电流除以标准光电二极管所测出的入射光功率从而得出其响应度。
一种具有侧边PN结的复合光电探测器件的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：在P型衬底上热生长一层二氧化硅氧化层102，用作光电探测器件的栅绝缘层；并在二氧化硅氧化层102薄膜上淀积氮化硅层103；
步骤二：光刻定义高压深N阱104区域；在二氧化硅氧化层102上需要进行离子注入的地方去掉氮化硅层103，通过轻掺杂的离子注入向P型衬底101上注入磷离子Ⅰ，并通过高温退火处理，激活磷离子Ⅰ，在P型衬底101上形成高压深N阱104；
步骤三：通过第二次光刻，并进行轻掺杂的磷离子Ⅱ的注入，在高压深N阱104内形成环形N阱105，并通过高温退火 , 激活磷离子Ⅱ；
步骤四：通过第三次光刻，并进行轻掺杂的磞离子Ⅰ的注入，在高压深N阱104内形成中心圆形P阱106，并通过高温退火 , 激活磞离子Ⅰ；
步骤五：通过第四次光刻，在中心圆形P阱106上形成环形栅极107；
步骤六：通过第五次光刻，在中心圆形P阱106上和环形N阱105进行重掺杂的磞离子Ⅱ的注入，在中心圆形P阱106上形成环形漏极109和在N阱上形成N+阳极108，并通过高温退火处理，激活磞离子；
步骤七：通过第六次光刻，在中心圆形P阱106上进行重掺杂的磷离子Ⅲ的注入，在中心圆形P阱106内形成中心源极110，并通过高温退火处理，激活磷离子Ⅲ。
Claims (4)
1.一种具有侧边PN结的复合光电探测器，其特征在于：包括P型衬底， P型衬底上设有高压深N阱，高压深N阱内设有环形N阱，环形N阱中通过光刻、注入磷离子形成环形的N+阳极；环形N阱内设有中心圆形P阱，环形N阱与中心圆形P阱形成侧边二极管的感光结构，中心圆形P阱中设有N型TFET结构;所述N型TFET结构包括中心圆形P阱中从外到内依次设置的环形漏极、环形栅极和中心源极。
2.根据权利要求1所述的一种具有侧边PN结的复合光电探测器，其特征在于：所述P型衬底采用P型材料制作而成，P型材料为在硅中掺入元素周期表中第四族元素制成。
3.根据权利要求1所述的一种具有侧边PN结的复合光电探测器，其特征在于：所述高压深N阱采用N型材料制作而成，N型材料为在硅中掺入元素周期表中第五族元素制成。
4.一种根据权利要求1-3中任一项所述的一种具有侧边PN结的复合光电探测器的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：在P型衬底上热生长一层二氧化硅氧化层，用作光电探测器件的栅绝缘层；并在二氧化硅氧化层薄膜上淀积氮化硅层；
步骤二：光刻定义高压深N阱区域；在二氧化硅氧化层上需要进行离子注入的地方去掉氮化硅层，通过轻掺杂的离子注入向P型衬底上注入磷离子Ⅰ，并通过高温退火处理，激活磷离子Ⅰ，在P型衬底上形成高压深N阱；
步骤三：通过第二次光刻，并进行轻掺杂的磷离子Ⅱ的注入，在高压深N阱内形成环形N阱，并通过高温退火 , 激活磷离子Ⅱ；
步骤四：通过第三次光刻，并进行轻掺杂的磞离子Ⅰ的注入，在高压深N阱内形成中心圆形P阱，并通过高温退火 , 激活磞离子Ⅰ；
步骤五：通过第四次光刻，在中心圆形P阱上形成环形栅极；
步骤六：通过第五次光刻，在中心圆形P阱上和环形N阱进行重掺杂的磞离子Ⅱ的注入，在中心圆形P阱上形成环形漏极和在N阱上形成N+阳极108，并通过高温退火处理，激活磞离子；
步骤七：通过第六次光刻，在中心圆形P阱上进行重掺杂的磷离子Ⅲ的注入，在中心圆形P阱内形成中心源极，并通过高温退火处理，激活磷离子Ⅲ。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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