CN111540804A - 半导体装置和光电探测系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种半导体装置和光电探测系统，该半导体装置可以包括：外延层，其包括呈第一导电类型的第一部分和第二部分，并且在第一部分中的远离第二部分的一侧形成有呈与所述第一导电类型相反的第二导电类型的第一掺杂区、第二掺杂区、以及呈第一导电类型的第三掺杂区，其中，第二掺杂区位于第一掺杂区与第三掺杂区之间，并且第二部分、第一掺杂区、第二掺杂区以及第三掺杂区的掺杂浓度均大于第一部分的掺杂浓度，并且通过第一掺杂区形成该半导体装置的输出端；钝化层，其位于第一部分的一侧上方，并且其内部形成有与第一掺杂区对应的反射区。通过利用本申请提供的技术方案，可以提高对波长较长的光子的探测效率。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体装置和光电探测系统。
背景技术
本部分的描述仅提供与本申请公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
低通量光子探测技术是一种可探测较低光通量密度(例如，10-19～10-6W/mm2)的光信号的光子探测技术，其可应用于许多领域，例如，医学成像(特别是，正电子发射断层成像(PET))、国土安全、高能物理实验和其它成像等关键领域。
在低通量光子探测技术领域中，硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier,简称SiPM)由于具有较高的探测效率、卓越的单光子响应和分辨能力、体积小、易于集成、工作电压低、不受磁场干扰、可靠性好、成本低廉等诸多优点而在近年来受到很大关注。现有的硅光电倍增器的截面结构如图1所示，其主要包括：P型衬底或外延层，其上形成有深N阱(DNW)，在DNW中间形成有若干N阱(NWELL)，在NWELL上方形成有P+型掺杂区，各个P+型掺杂区通过浅沟槽隔离(STI)区间隔开，在DNW边缘处形成有NWELL以及N+型掺杂区；以及衬底电极，其由在P型衬底/外延层的外侧形成的P阱(PWELL)以及P+型掺杂区构成。在SiPM处于工作状态时，P+/NWELL结的反向偏置电压大于其击穿电压，从而形成耗尽区，当光子从上方入射时，主要在耗尽区吸收形成光生载流子，触发耗尽区中高电场区域发生雪崩击穿效应并被外部淬灭电阻淬灭，从而产生响应于单光子的电流脉冲信号。
在实现本申请过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
现有硅光电倍增器中的PN结一般由靠近硅材料表面的高浓度P(或N)型掺杂区和位于其下方的较低掺杂的N(或P)阱构成，结深较浅，耗尽区宽度较窄，因此对波长较短的蓝紫光探测效率较高，但是对波长较长的光子(例如，红光及近红外光)的探测效率较低。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种半导体装置和光电探测系统，以提高对波长较长的光子的探测效率。
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种半导体装置，该半导体装置可以包括：
外延层，其包括呈第一导电类型的第一部分和第二部分，并且在所述第一部分中的远离所述第二部分的一侧形成有呈与所述第一导电类型相反的第二导电类型的第一掺杂区、第二掺杂区、以及呈所述第一导电类型的第三掺杂区，其中，所述第二掺杂区位于所述第一掺杂区与所述第三掺杂区之间，并且所述第二部分、所述第一掺杂区、所述第二掺杂区以及所述第三掺杂区的掺杂浓度均大于所述第一部分的掺杂浓度，并且通过所述第一掺杂区形成所述半导体装置的输出端；
钝化层，其位于所述第一部分的所述一侧上方，并且其内部形成有与所述第一掺杂区对应的反射区。
可选地，所述半导体装置还包括：
防护层，其设置在所述钝化层中的与所述外延层相对的一侧。
可选地，所述第二部分通过在所述第一部分中的远离所述钝化层的一侧掺入第一掺杂材料来制备。
可选地，所述第三掺杂区位于所述外延层的两侧边缘处。
可选地，所述反射区内填充有金属材料或多层结构的介电材料。
可选地，当所述半导体装置处于工作状态时，在所述第一掺杂区与所述外延层内的位于所述第一掺杂区下方的对应区域之间形成的第一PN结中的第一耗尽区和/或在所述第二掺杂区与所述外延层内的位于所述第二掺杂区下方的对应区域之间形成的第二PN结中的第二耗尽区至少覆盖所述外延层的一部分。
可选地，所述第一耗尽区和所述第二耗尽区覆盖至所述第一部分的底部。
可选地，在所述第一部分的所述一侧上还形成有隔离区，以将所述第一掺杂区、所述第二掺杂区以及所述第三掺杂区间隔开。
可选地，每个所述隔离区与其侧面的所述第一掺杂区、所述第二掺杂区或所述第三掺杂区分离或耦接。
可选地，在所述第一部分中在至少一个所述第一掺杂区和/或至少一个所述第二掺杂区的下方形成有呈所述第一导电类型的掩埋层，所述掩埋层的掺杂浓度大于所述第一部分的掺杂浓度且小于所述第二部分和所述第二掺杂区的掺杂浓度。
可选地，每个所述掩埋层与对应的所述第一掺杂区分离或耦接。
可选地，在所述第一部分内在所述第一掺杂区、所述第二掺杂区以及所述第三掺杂区中的至少一个掺杂区的外侧形成有对应的阱区，以将对应掺杂区的至少一部分包围在内，并且所述阱区的掺杂浓度低于所述对应掺杂区的掺杂浓度。
可选地，所述外延层包括ⅣA族元素的单质或化合物半导体材料。
可选地，所述单质或化合物半导体材料包括硅、锗或碳化硅。
可选地，所述第一部分的厚度为1～10微米。
本申请实施例还提供了一种光电探测系统，该光电探测系统可以包括上述半导体装置。
由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例提供的半导体装置通过在外延层的第一部分中的远离第二部分的一侧形成呈第二导电类型的第一掺杂区、第二掺杂区以及呈第一导电类型的第三掺杂区，通过第一掺杂区形成该半导体装置的输出端并且第一掺杂区与第三掺杂区被第二掺杂区间隔开，这可以增大在该半导体装置处于工作状态时在第一掺杂区与外延层和衬底中的对应区域之间形成的第一PN结中的第一耗尽区的宽度，并且可以减小器件内部噪声对第一PN结的影响，从而可以提高对波长较长的光子的探测效率。另外，通过在钝化层中设置与第一掺杂区对应的反射区，这可以对穿过第一掺杂区的光线进行反射，从而进一步提高光子探测效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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申请中记载的一些实施例，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是现有技术中的一种硅光电倍增器的结构示意图；
图2是本申请的一实施例提供的半导体装置的结构示意图；
图3是本申请的另一实施例提供的半导体装置的结构示意图；
图4是本申请的另一实施例提供的半导体装置的结构示意图；
图5是本申请的又一实施例提供的半导体装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是用于解释说明本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，并不希望限制本申请的范围或权利要求书。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置在”另一个元件上，它可以直接设置在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当元件被称为“连接/耦接”至另一个元件，它可以是直接连接/耦接至另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“连接/耦接”可以包括电气和/或机械物理连接/耦接。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或元件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或元件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。本文所使用的术语“上方”和“下方”只是相对概念，根据不同的观察方位或放置位置，上方也可以是指下方，反之亦然。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。
在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，第一导电类型可以是指P型掺杂，其主要依靠空穴导电，第二导电类型可以是指N型掺杂，其主要靠电子导电，替换地，第一导电类型可以是指N型掺杂，第二导电类型可以是指P型掺杂。另外，“P+”和“P-”可以分别是指与P型掺杂区的掺杂浓度相比相对更高和更低的掺杂浓度，而“N+”和“N-”可以分别是指与N型掺杂区的掺杂浓度相比相对更高和更低的掺杂浓度，例如，P+型和N+型掺杂层/区的掺杂浓度可以为1x1019～1x1021cm-3,P型和N型掺杂层/区的掺杂浓度可以为1x1016～1x1018cm-3。除另有说明之外，否则具有同一导电类型的掺杂区或掺杂层可以具有相同或不同的掺杂浓度，具有不同导电类型的掺杂区或掺杂层也可以具有相同或不同的掺杂浓度。
下面结合附图对本申请实施例提供的用于光子探测的半导体装置和光电探测系统进行详细的描述。
如图2所示，本申请实施例提供了一种半导体装置，该半导体装置可以包括：外延层200，其包括呈第一导电类型的第一部分210和第二部分220，并且在第一部分210中的远离第二部分220的一侧形成有呈与第一导电类型相反的第二导电类型的第一掺杂区240、第二掺杂区250、以及呈第一导电类型的第三掺杂区260，其中，第二掺杂区250位于第一掺杂区240与第三掺杂区260之间以将二者间隔开；钝化层230，其位于第一部分210中的形成有第一掺杂区230至第三掺杂区250的一侧上方，并且在其内部的与第一掺杂区230对应的位置处形成有反射区270。其中，第二部分220、第一掺杂区240、第二掺杂区250以及第三掺杂区260的掺杂浓度均大于第一部分210的掺杂浓度并且第二部分220、第一掺杂区240、第二掺杂区250以及第三掺杂区260的掺杂浓度可以相同或不同，并且可以通过第一掺杂区240形成该半导体装置的输出端。
外延层200可以包括由第一掺杂材料制成的第一部分210和第二部分220，其中，第一部分210的掺杂浓度可以低于第二部分220的掺杂浓度，例如，第一部分210为P-型掺杂，第二部分为P型或P+型掺杂，并且第一部分210的厚度一般为1～10微米。另外，第二部分220可以通过在第一部分210中的远离钝化层230的一侧注入第一掺杂材料来制备，其可以对第一部分210和钝化层230等起到支撑的作用。第一掺杂材料可以为ⅣA族元素的单质或化合物半导体材料，例如，硅、锗或碳化硅等，但不限于这些材料。通过利用锗或碳化硅等材料制成外延层200，可以提高对波长较长的可见光(例如，红光)以及近红外光的探测效率。
第一掺杂区240和第二掺杂区250内可以填充有第二掺杂材料，其导电类型与第一掺杂材料的导电类型相反，并且二者内部的掺杂浓度可以相同或不同。第三掺杂区260内可以填充有第一掺杂材料，并且其可以位于第一部分210的两侧边缘处，从而可以在第一部分210上形成较多的第一掺杂区240，进而可以提高光子探测效率。当该半导体装置处于工作状态(即，通电状态)时，在第一掺杂区240与外延层200内的位于第一掺杂区240下方的对应区域之间形成的第一PN结中的第一耗尽区(如图2中的虚线区域所示)和/或在第二掺杂区250与在外延层200内的位于第二掺杂区250下方的对应区域之间形成的第二PN结中的第二耗尽区(如图2中的虚线区域所示)可以至少覆盖外延层200的一部分，这可以提高所形成的第一PN结和第二PN结的深度。优选地，第一耗尽区和第二耗尽区可以覆盖至第一部分210的底部，即，第一部分210在深度方向上被完全耗尽，这可以在该半导体装置内部形成途经第三掺杂区260、第一部分210、第二部分220、第一部分210至第一掺杂区240的导电通路，从而可以提高所形成的PN结的深度并且增大该PN结内的耗尽区的宽度，进而可以提高对光子的有效吸收深度范围，提高对波长较长的光子(例如，红光或近红外光)的探测效率，并且在该半导体装置内部形成的电场在水平方向上具有较高的一致性，从而可以减少局部高电场导致的暗计数脉冲。另外，所形成的第一耗尽区和/或第二耗尽区也可以延伸至第二部分220。
钝化层230可以包括与第一掺杂区240对应的至少一个反射区270，以对从第二部分220的一侧入射的且穿过第一部分210和第一掺杂区240的光线进行反射，从而可以提高光子探测效率。该反射区270内可以填充有金属材料(例如，金、银或铜)，也可以填充有具有较高反射率的其它材料，例如，由氧化硅或氮化硅构成的多层结构的介电材料。另外，该反射区270的尺寸可以大于或等于第一掺杂区240的尺寸，以将从第一掺杂区240射出的全部光线都进行反射，从而进一步提高光子探测效率。
除了第一掺杂区240至第三掺杂区260以外，在第一部分210中的远离第二部分220的一侧上还可以形成有至少一个隔离区255(例如，STI区)，以将第一掺杂区240、第二掺杂区250以及第三掺杂区260两两间隔开。如图2所示，这些隔离区255可以分别与其侧面的第一掺杂区240、第二掺杂区250以及第三掺杂区260分离，以降低噪声，或者如图3所示，这些隔离区255也可以分别与其侧面的第一掺杂区240、第二掺杂区250以及第三掺杂区260耦接，以提升电学性能。另外，这些隔离区255的深度可以低于或等于第一掺杂区、第二掺杂区250和/或第三掺杂区260的深度。
另外，在第一部分210中在至少一个第一掺杂区240(优选地，所有的第一掺杂区240)的下方可以形成有呈第一导电类型的掩埋层280(例如，P型掩埋层或N型掩埋层)，这些掩埋层280分别位于靠近对应的第一掺杂区240的一侧，并且掩埋层280的掺杂浓度可以大于第一部分210的掺杂浓度且小于第二部分220和第三掺杂区260的掺杂浓度。每个掩埋层280均可以与位于其上方的第一掺杂区240分离(如图2所示)或耦接(如图3所示)，以降低噪声或提升电学性能。通过在第一部分210中形成掩埋层280，可以进一步提高所形成的第一PN结中的第一耗尽区的宽度，从而可以提高光子吸收深度范围和光子探测效率。此外，也还可以在第一部分210中在至少一个第二掺杂区250(优选地，所有的第二掺杂区250)的下方形成掩埋层280。
另外，还可以在第一部分210内在第一掺杂区240、第二掺杂区250以及第三掺杂区260中的至少一个掺杂区的外侧形成对应的阱区，以将对应掺杂区(第一掺杂区240、第二掺杂区250或第三掺杂区260)的至少一部分包围在内，该阱区的掺杂浓度可以低于对应掺杂区的掺杂浓度，并且该阱区与对应掺杂区的导电类型相同。例如，如图4所示，可以在第一部分210内在第一掺杂区240的外侧形成呈第二导电类型的第一阱区241，该第一阱区241可以将第一掺杂区240的至少一部分包围在内，以形成对第一掺杂区240的保护；也还可以在第一部分210内在第二掺杂区250的外侧形成呈第二导电类型的第二阱区251，以将第二掺杂区250的至少一部分包围在内，从而形成对第二掺杂区250的保护。
另外，如图2至图4所示，还可以在第一部分210内在第三掺杂区260的外侧形成呈第一导电类型的第三阱区261，该第三阱区261可以将第三掺杂区260的至少一部分包围在内，以增强第三掺杂区260至第二部分220之间的导电性。该第三阱区261的掺杂浓度可以低于第三掺杂区260的掺杂浓度。第三掺杂区260和第三阱区261可以构成该半导体装置的一个电极。例如，当第三掺杂区260为P+型掺杂区且第三阱区261为P阱时，二者可以构成阳极，而第三掺杂区260为N+型掺杂区且第三阱区261为N阱时，二者可以构成阴极。另外，可以通过第一掺杂区240形成该半导体装置的另一电极以作为该半导体装置的输出端(图中未示出)。可以通过这两个电极向在该半导体装置内形成的导电通路提供偏置电压以进行光子探测。关于如何在掺杂区上形成电极的过程，可以参照现有技术中的对应描述，在此不再赘叙。
在另一实施例中，如图5所示，该半导体装置还可以包括防护层290，其可以设置在钝化层230中与外延层200相对的一侧，并且可以与钝化层230键合。防护层290主要可以用于对钝化层230以及外延层200等进行防护，以防止内部结构受到外界损坏。另外，当将该半导体装置翻转放置(即，图中所示的上下方向互换)时，防护层290也可以起到对钝化层230以及外延层200等进行支撑的作用。
通过上述描述可以看出，本申请实施例通过在外延层的第一部分中的远离衬底的一侧形成呈第二导电类型的第一掺杂区、第二掺杂区以及呈第一导电类型的第三掺杂区，通过第一掺杂区形成该半导体装置的输出端并且第一掺杂区与第三掺杂区被第二掺杂区间隔开，所以相比第一掺杂区与第三掺杂区相邻的情况，这可以增大在该半导体装置处于工作状态时在第一掺杂区与外延层和衬底中的对应区域之间形成的第一PN结中的第一耗尽区的宽度，并且可以减小器件内部噪声对第一PN结的影响，从而可以提高对波长较长的光子的探测效率。另外，通过在钝化层中设置与第一掺杂区对应的反射区，这可以对穿过第一掺杂区的光线进行反射，从而进一步提高光子探测效率。此外，当该半导体装置处于工作状态时，在外延层内的位于第一掺杂区和第二掺杂区下方的对应区域中形成的第一PN结和第二PN结中的耗尽区可以覆盖至第一部分的底部，这可以形成由第三掺杂区、第一部分、第二部分、第一部分、以及第一掺杂区构成的导电通路，从而可以进一步提高第一PN结的深度以及第一耗尽区的宽度，进而可以进一步提高光子探测效率。
另外，本申请实施例还提供了另一种光电探测系统，其可以包括上述所有实施例中描述的半导体装置。该光电探测系统可以利用上述半导体装置探测目标对象(例如，注入有示踪剂的患者或动物等)发射出的光子并且对半导体装置探测到的光子数据进行处理以获得目标对象的相应信息。
关于该光电探测系统中其它部件的相关描述，可以参照现有技术，在此不再赘叙。
上述实施例阐明的系统、装置、模块、单元等，具体可以由芯片和/或实体(例如，分立元件)实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种层分别描述。当然，在实施本申请实施例时可以把各层的功能集成在同一个或多个芯片中实现。
虽然本申请提供了如上述实施例或附图所述的部件，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述装置中可以包括更多或者更少的部件。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
上述实施例是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用本申请而描述的。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本申请不限于上述实施例，本领域技术人员根据本申请的揭示，不脱离本申请范畴所做出的改进和修改都应该在本申请的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种半导体装置，其特征在于，所述半导体装置包括：
外延层，其包括呈第一导电类型的第一部分和第二部分，并且在所述第一部分中的远离所述第二部分的一侧形成有呈与所述第一导电类型相反的第二导电类型的第一掺杂区、第二掺杂区、以及呈所述第一导电类型的第三掺杂区，其中，所述第二掺杂区位于所述第一掺杂区与所述第三掺杂区之间，并且所述第二部分、所述第一掺杂区、所述第二掺杂区以及所述第三掺杂区的掺杂浓度均大于所述第一部分的掺杂浓度，并且通过所述第一掺杂区形成所述半导体装置的输出端；
钝化层，其位于所述第一部分的所述一侧上方，并且其内部形成有与所述第一掺杂区对应的反射区。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体装置还包括：
防护层，其设置在所述钝化层中的与所述外延层相对的一侧。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述第二部分通过在所述第一部分中的远离所述钝化层的一侧掺入第一掺杂材料来制备。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述第三掺杂区位于所述外延层的两侧边缘处。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述反射区内填充有金属材料或多层结构的介电材料。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，当所述半导体装置处于工作状态时，在所述第一掺杂区与所述外延层内的位于所述第一掺杂区下方的对应区域之间形成的第一PN结中的第一耗尽区和/或在所述第二掺杂区与所述外延层内的位于所述第二掺杂区下方的对应区域之间形成的第二PN结中的第二耗尽区至少覆盖所述外延层的一部分。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，所述第一耗尽区和所述第二耗尽区覆盖至所述第一部分的底部。
8.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，在所述第一部分的所述一侧上还形成有隔离区，以将所述第一掺杂区、所述第二掺杂区以及所述第三掺杂区间隔开。
9.根据权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，每个所述隔离区与其侧面的所述第一掺杂区、所述第二掺杂区或所述第三掺杂区分离或耦接。
10.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，在所述第一部分中在至少一个所述第一掺杂区和/或至少一个所述第二掺杂区的下方形成有呈所述第一导电类型的掩埋层，所述掩埋层的掺杂浓度大于所述第一部分的掺杂浓度且小于所述第二部分和所述第二掺杂区的掺杂浓度。
11.根据权利要求10所述的半导体装置，其特征在于，每个所述掩埋层与对应的所述第一掺杂区分离或耦接。
12.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，在所述第一部分内在所述第一掺杂区、所述第二掺杂区以及所述第三掺杂区中的至少一个掺杂区的外侧形成有对应的阱区，以将对应掺杂区的至少一部分包围在内，并且所述阱区的掺杂浓度低于所述对应掺杂区的掺杂浓度。
13.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述外延层包括ⅣA族元素的单质或化合物半导体材料。
14.根据权利要求11所述的半导体装置，其特征在于，所述单质或化合物半导体材料包括硅、锗或碳化硅。
15.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述第一部分的厚度为1～10微米。
16.一种光电探测系统，其特征在于，所述光电探测系统包括权利要求1-15任一项所述的半导体装置。
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