CN1107613A - 半导体器件 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有多个光电二极管的光电集成电 路。在充电二极管之间提供一个吸收杂散载流子的 半导体区。由光入射产生的杂散载流子被半导体区 吸收，从而使光电二极管间的交叉干扰减少。

Description

本发明涉及半导体器件，特别涉及适用于具有接收光的光电二极管的半导体器件。

用于在光盘播放机，诸如CD播放机中光学检测的光检测器通常只具有接收由光盘表面反射的激光波束的和输出射频信号的功能，但是也有输出一个用来使激光束跟随盘面纹道的跟踪误差信号和一个使激光束在光盘表面聚束的聚束误差信号的功能。因此，光检测器应做成多个分割的部分。

图1示出了此种光电检测器的构型。如图1所示，光检测器有6个光电二极管a，b，c，d，e和f。当光电二极管a，b，c，d，e和f的输出分别为A，B，C，D，E和F时，则采用如图2所示光电检测器的光学系统会照射出三束激光L₁，L₂及L₃，而通过A+B+C+D输出一个射频信号，用（A+C）-（B+D）输出一聚束误差信号，及用E-F输出一个跟踪误差信号。

因为光电检测器是用于将光信号转换成电流信号的器件，作为分立元件制备的光电检测器的输出是很小的电流信号，低噪声的并呈现一高的输出阻抗。

于是，从光电检测器呈后续级的信号处理集成电路的信号流线要求低噪声设计，而这种低噪声设计通常是很复杂的。为了解决此问题，近年来人们已作了许多努力以求如图3所示的把光电检测器与跟着的信号处理集成电路10结合到一起以便获得一个稳定的输出。

为将光电检测器和集成电路组合在一个芯片上，要求将光电检测器在集成电路的晶片处理时制成。因此，光电检测器的最佳设计是困难的，而与集成电路相结合的那些光电检测器也常常劣于做成分立器件的那些光电检测器。下面将详细讨论这一问题。

采用如图2所示的光学系统，射频信号和聚束信号是由中心激光束L₁获得的，而跟踪信号则是由在相对侧的光束L₂和L₃获得的。因此，如果在光电二极管a，b，c，d，e及f间的交叉干扰比较大的话，则可能会使聚束误差信号与跟踪误差信号相混合或引起其它不希望的现象。

如图4所示，一个分立光电检测器包括一个高掺杂浓度的P⁺型半导体基底1和一个铺在该基底上的n^-型半导体层2和3，这样，n^-型半导体层2和P⁺型半导体基底1制成另一光电二极管而n^-型半导体层2和P⁺型半导体基底1制成另一光电二极管。因为n^-型半导体层2和3被一个高掺杂浓度的P⁺型隔离区4分开，所以在光电二极管之间的交叉干扰是比较小的。

在集成电路晶片加工时，如图5所示，一个具有低掺杂浓度的P型半导体基底11用来改善晶体管和其它集成器件的性能，而n^-型半导体层12与13则做在P型半导体基底11上。结果，即使在n^-型半导体层12与13间放置有一高掺杂浓度的P⁺型隔离区14，由于光入射引起的在P型半导体基底11中产生的杂散载流子（电子一空穴对）具有长的寿命，从而在光电二极管之间的交叉耦合增加。

因此，本发明的目的是为了提供一种即使将集成电路结合到单个芯片中时在光电二极管之间的交叉干扰减少的半导体器件。

根据本发明的一个方面，提供于一种这样的半导体器件，它包括一个第一导电型的半导体本体，多个置于该本体上且互相绝缘的第二导电型的半导体层，第一导电型半导体本体和第二导电型半导体层制成多个二极管，其中在至少一对相邻的第二导电型的半导体层间配置了一个第二导电型的半导体区用以吸收杂散载流子。

根据本发明的一个优先实施例的半导体器件，第一导电型是P型，而第二导电型为n型。

在本发明的第一方面的半导体器件中，如果由于光入射而在半导体引起的杂散载流子可被置于第二导电型半导体层间的第二导电型的半导体区所吸收，且在光电二极管之间的交叉干扰可被减少。

此外，具有高掺杂浓度的第一导电型半导体层可将载流子的寿命缩得比配置在第二导电型的半导体层与第一导电型半导体之间的第一导电型半导体层更短，而且在光电二极管之间的交叉干扰也可减少。

根据本发明的第二方面的半导体器件，如果在半导体中有由于光入射而引起的杂散载流子，则可以被配置在第二导电型的半导体层间的第一导电型半导体区来吸收此种载流子，且光电管间的交叉干扰也可被减少。

本发明的上述和其它的目的和特征在阅读了以下结合附图的详细描述之后，读者将会更明白。

图1示出在现有的光电检测器的光接收元件上的光电二极管的构型;

图2示出了激光束照射在光接收元件时的图1的现有光电检测器的平面视图;

图3是光电检测器和信号处理电路结合到单块芯片上的光电集成电路构型的示意图;

图4是显示现有分立光电检测器的剖视图;

图5是现有光电集成电路光电检测器部分的截面图;

图6是本发明第一实施例的光电集成电路的结构的剖视图;

图7是光电二极管的平面视图，图中标识了通过照射激光束测量光电二极管的输出电压分布;

图8是通过激光束照束的光电二极管的输出电压分布的示意图;

图9A和9B是现有光电集成电路中光电二极管的输出电压分布和本发明第一实施例的光电集成电路中的光电二极管的输出电压分布的示意图;

图10A和10B是现有光电集成电路的光电二极管的输出电压分布的测量结果和本发明第一实施例的光电集成电路中的光电二极管的输出电压分布的测量结果的图形;

图11是本发明第二实施例的光电集成电路的构造的剖视图;

图12是本发明第三实施例的光电集成电路结构的剖视图;

图13是对本发明第一实施例的作了修改的第四实施例的光电集成电路的结构的剖视图;及

图14是对本发明的第二实施例作了修改的第五实施例的光电集成电路的结构的剖视图。

现结合附图来描述本发明的实施例。在所有附图中，凡相同或等效的部分均标以相同的参考数字。

图6是本发明第一实施例的光电集电路的剖视图。

在图6中，一个n^-型外延生长层22生成在P型半导体基底21上。在n^-型外延生长层22中有选择在配置了P⁺型绝缘区23以把n^-型处延生长层22分成多个分割部分。

在光电集成电路中的光电检测部分，由P⁺型绝缘区23分割的n^-型外延生长层22a和22b与P型半导体基底21一起做成了光电管。此时，位于n^-型处延生长层22a和22b间的n^-型外延生长层22c，经由P⁺型绝缘区23，起了一个杂散载流子的吸收区的作用。此杂散载流子吸收区与一正电源V_cc相耦合。

在图6中只示出了二个光电二极管。实际上，以如图1所示的构型配置了6个具有一公共阳极（P型半导体基底21）的光电管。在图6中所示的两个光电管相应于，例如图1中的光电管e和d。

在P型半导体基底21上的电子线路部分是n⁺型埋层24和25。在位于n⁺型埋层24并被P⁺型隔离区23隔离的n^-型外延生长层22d层中，制好P型半导体区26和27及n⁺型半导体区28。P型半导体区26和27与在其间的n^-型外延生长区22d部分一起制成一分侧向pnp晶体管。n⁺型半导体区28被用作为晶体管的基极接触层。

在位于n⁺型埋层25和被P⁺型绝缘区23绝缘的n^-型外延生长层22e中，制好P型半导体层29，n⁺型半导体层30和31。n⁺型半导体区30，P型半导体区29及n^-型外延生长层22e做成了一个npn晶体管。n⁺型半导体区域31被用作为晶体管的集极电极层。

在第一实施例中，n^-型外延生长层22例如是4.2微米厚，光电检测器部分的P⁺型绝级区23例如是6微米宽，而充当杂散载流子吸收区的n^-型外延生长层22c则例如为20微米宽。n^-型外延生长层22的掺杂浓度例如，为10¹⁵～10¹⁶厘米³。

在本发明如图6所示的第一实施例中的光电集成电路中，甚至当由于光入射而在某个光电二极管所在的P型米导体基底21中产生杂散载流子时，耦合到正电源Vcc充作杂散载流子吸收区的n^-型外延生长层22c会吸收杂散载流子的电子并有效阻止这些载流子到达邻近光电二极管。这样，减少了在邻近光电二极管之间的交叉干扰，消除了聚束误差信号混到跟踪误差信号中等问题。

光电检测器的光电二极管间的交叉干扰归功于输入到光电检测器后续级中的信号处理集成电路的信号中的无用成分。此外，因为交叉干扰即使在相邻光电二极管之间的间距比较小时还可被抑制，因此芯片尺寸和组件尺寸可以减少。再有，还增加了对CD播放机等的光学检出的设计裕度。还可以制造一种具有较小的交叉干扰并与一个集成电路同做在一块芯片上而基本上无须改变集成电路的晶片工艺。

附图中示出了现有光电集成电路和本发现第一实施光电集成电路在激光束照射下的光电检测器的输出电压分布。

当一个激光束如图7所示沿一条直线上越过光电二极管e，a，b和f对光电检测器的光接收表面扫描时，如图8所示的信号从光电二极管e，a，b和f的输出端输出。

以集成电路工艺制成的现有光电二极管（见图5）的输出电压的分布如图9A所示。在图9A中，相应的光电二极管的输出电压分布拖着一个裙形部。然而，实际上，因为除光接收区域的部分光被铝膜遮挡了，所以光电二极管e的输出电压分布如图9A的粗实线所示。图9A的箭头所指的泄漏是当光进入光电二极管a时出现在光电二极管e上的输出，并且有一个相应的聚束误差信号混入到跟踪误差信号中。

另一方面，在图9B中示出了本发明第一实施例的光电集成电路中的由光电检测器输出的电压分布。如图9B所示，由箭头所指的泄漏是图9A的一半，这意味着在输出电压分布方面的改善。

图10A和10B则示出了实际测得的输出电压分布。图10A相应于图9A，而图10B相应于图9B。在两种情形中激光束功率均为3.5微瓦。

以上实测结果表明，对现有光电检测器，其光电二极管e的输出信号电压的最大值为240毫伏，而输出电压的泄漏为21毫伏;然而，对本发明的第一实施例的光电集成电路中的光电检测器，其二极管e的输出信号电压的最大值为258毫伏，而输出电压的泄漏为15毫伏。这样，输出电压的泄漏电压值对最大值信号电压值的比已从8.8%改善到5.8%。

图11是本发明的第二实施例的光电集成电路的结构的剖视图。

如图11所示，根据第二实施例的光电集成电路中，n⁺型埋层34和35配置在光电检测器部分所在的P型光导体基底21上。n^-型外延生长层22a和22b，P⁺型埋层34和35，以及P型半导体基底21做成了一个具有一共公阳极的光电二极管。此外，在图1所示的构型中，实际有6个光电二极管，如第一实施例一样。

此时，如在第一实施例一样，和n^-型外延生长层22a和22b之间的n^-型外延生长层22c及经由P⁺型绝缘区23，充当为杂散载流子吸收区。该杂散载流子吸收区与正电源Vcc相耦合。

在光电集成电路的电子线路部分，在n^-型外延层22d中配置有一个P⁺型层36。此外，在P⁺型隔离区23中的一个区下面有一个P⁺型埋层，在P⁺型埋层36上方的n^-1型外延生长层22d中形成有一个n型米导体区38。在n型半导体区38中形成有一个n⁺型半导体区39和一个P⁺型半导体区40。这些P⁺型半导体区43，P型半导体区42，及n^-型外延生长层22d及P⁺型埋层36做成了一pnp晶体管。n⁺型半导体区39被用作为晶体管的基极接触层。

此外，在位于n⁺型埋层25上方的n^-型外延生长层22e配置有一个n⁺型半导体区41，P型半导体区42，n⁺型半导体区43及P⁺型半导体区44。这些n⁺型半导体区43，P型半导体区42，及n^-型外延生长层22e做成了一个npn晶体管。n⁺型半导体区41被用作为晶体管的集电极接触层，而P⁺型半导体区44被用作为基极接触层。

在第二实施例，在P⁺型埋层34和35上方的n^-型外延生长层22a和22b例如为2.5微米厚，在光电检测区中的P⁺型绝缘区23例如为6微米宽，而充作为杂散载流子吸收区的n型外延生长层22c例如为20微米宽。P型半导体基底21的掺杂浓度例如为10¹⁵～10¹⁶厘米³，以及P⁺型埋层34和35的掺杂浓度例如为10¹⁸～10¹⁹厘米³。

在本发明的第二实施例中的光电集成电路中，因为n^-型外延生长层22c被用作为在各相邻光电二极管之间的杂散载流子吸收区，所以，特别是，由入射光产生的杂散载流子的电子可以被吸收进杂散载流子吸收区，而在相应相邻光电二极管间的交叉干扰可被减少。而且，因为在P型半导体基底21与n^-型外延生长层22a和22b之间分别置有高掺杂浓度的P⁺型埋层34和35，因而由于光入射而在P⁺型埋层34和35中产生的杂散载流子中的电子的寿命被缩短，且在光电二极管之间的交叉干扰可有效地减少。

此外，按照第二实施例，因为光电二极管有一n^--P⁺结，因此它们具有良好的频率特性，和在例如30兆赫兹时有高速响应。

图12是本发明第三实施例的光电集成电路结构的剖视图，在光电检测器所在处的P型半导体基底21上配置了n型埋层46。在n⁺型埋层46一端的上方的n^-型外延生成层22a中配置有一个P⁺型半导体区47，在n⁺型埋层46的另一端配有一个P⁺型外延生长层22b。这些P⁺型半层体区47，48，n^-型外延生长层22a和22b及n⁺型埋层46做成了一些有共公阴极的光电管。在图1中所示的构型中实际包括6个光电二极管。

在这些结构中，在n^-型外延生长层22a和22b之间，经由n⁺型半导体区49，配置了n^-型外延生长层22c，而作为杂散载流子吸收区的P⁺型半导体区50则形成在n^-型外延生长层22c。呈现杂散载流子吸收区的P⁺型半导体区50则与一个负电源V_EE相耦合。

按照第三实施例的光电集成电路的电子线路部分，除了在n^-型外延生长层22e提供有一个n⁺型半导体区51以便耦合n⁺型埋层25和n⁺型半导体区31以外，其它均与第一实施例中的光电集成电路一样。

在第三实施例中，充作为杂散载流子吸收区的P⁺型半导体区50的掺杂浓度是10¹⁸～10¹⁹厘米³，或10¹⁹～10²⁰厘米³。

在第三实施例中的光电集成电路中，因为P⁺型半导体区50是用作为在各相邻光电二极管之间杂散载流子吸收区，所以由光入射所产生的杂散载流子空穴可以被吸收进P⁺型半导体区50中，且在各相邻光电二极管之间的交叉干扰可被减少。

在结合附图描述了本发明的具体实施例之后，读者须明了：本发明并不局限于这些精确的实施例，熟悉本技术领域的人们可以在不脱离如在权利要求中定义的本发明的精神实质的范围内还可以作各种改变和修正。

例如，如图13所示，通过在第一实施的光电集成电路的光电检测部分中配置的n^-型外延生长层22c下面配置一个n⁺型埋层52用作为杂散载流子吸收区，光电检测器可以加以修正以使由光入射所产生的杂散载流子能更易被吸收入作为杂散载流子吸收区的N^-型外延生长成层22c。同样，如图14所示，在第二实施例的光电集成电路中的n^-型外延生长层22c中可以配置一个n⁺型埋层52。

如上所述，本发明在相邻光电二极管之间提供一个杂散载流子吸收区可以减少在光电二极管之间的交叉干扰，即使采用一种将多个光电二极管与一个集成电路一起做在单块芯片时也是如此。

Claims (5)

1、一个半导体器件，包括：

一个第一导电型半导体基底；

置于所述第一导电型半导体基底上的多个第二导电型的半导体层；及

所述第一导电型和第二导电型的半导体层做成多个光电二极管；其中所述第二导电型的半导体区配置在第二导电型半导体层的相邻的几个层中的至少一对层之间。

2、根据权利要求1的半导体器件，其中在第二导电型和所述第一导电型半导体基底之间提供一层具有比第一导电型的半导体基底层的掺杂浓度高的第一导电电型的半导体层。

3、根据权利要求1或2的半导体器件，其中所述的第一导电型是P型，而所述第二导电型是n型。

4、一种半导体器件，包括：

一种第一导电型的半导体基片;

配置在第一导电型的所述半导体基底上的第二导电型的第一半导体层;

配置在第二导电型的所述第一半导体层上并相绝缘的第二导电型的多层第二半导体层;

分别配置在第二导电型的所述第二半导体层中的第一导电型的多层半导体层;

所述第二导电型的第二半导体层和所述第一导电型的半导体层做成多个光电二极管，及

第二导电型的第一半导体层具有的掺杂浓度比第二导电型的第二半导体层高;

其中在第二导电型的所述第二半导体层的相邻层中至少在一对半层层间提供第一导电型的半导体，用以吸收杂散载流子。

5、根据权利要求4的半导体器件，其中所述第一导电型是P型，而所述第二导电型是n型。

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