CN111785807A - 一种pin光电器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种PIN光电器件及其制造方法。本发明将叉指状的P型区和N型区的支部部分设置为没有拐角的圆滑结构，防止载流子的聚集，保证载流子在结处的分离效率，提高光生电流；并且，本发明还将汇流电极对应的设置于P型区和N型区之下，以此来减少P型区和N型区的上表面载流子的聚集，保证载流子的传输速率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，具体涉及一种PIN光电器件及其制造方法。
背景技术
为了增加光电器件的PN结面积，往往是将P型区和N型区做成相互交叉的叉指状结构，其增加了很多折线型的接触面，从而提高光生电流。可以参见图1和图2，在衬底10上具有PIN光电器件，PIN光电器件包括P型区11、N型区12以及I型区13(即本征区)，P型区11和N型区12为相互交叉的叉指状结构，P型区11包括主体部112和与所述主体部112连接的多个支部111，N型区包括主体部122和与所述主体部122连接的多个支部121，多个支部111和多个支部121交错设置，使得I型区13设置为折线型或S型，这样设置使得结面积增加，但是在使用中发现，多个支部111和121的顶端(即彼此靠近的位置)由于具有直角部分，其载流子在此处产生大量聚集，导致载流子的复合湮灭，由此会使得光生电流减小。此外，为了引出电极在衬底10上设置有介质层14，并在在介质层14中形成有P电极15和N电极16，其中P电极15和N电极16可以与P型区和N型区形成金属硅化物。但是该种接触，使得半导体材料的上表面处的载流子密度较大(其中，衬底上表面为受光面)，且载流子主要集中在P型区15和N型区16的上表面进行传输，其不利于传输效率，影响传输速度。
发明内容
基于解决上述问题，本发明提供了一种PIN光电器件的制造方法，其包括以下步骤：
(1)提供一衬底，在所述衬底上形成半导体层；
(2)对所述半导体层进行离子注入形成P型区和N型区；
(3)对所述半导体层进行刻蚀，使得所述P型区和N型区均呈叉指状结构，且所述P型区和N型区通过一S形沟槽间隔开；
(4)在S形沟槽中填充本征硅，所述本征硅的一部分覆盖于所述P型区和N型区之上；
其中，所述P型区包括第一主体部和多个第一支部，所述多个第一支部间隔设置在所述第一主体部的第一侧；所述N型区包括第二主体部和多个第二支部，所述多个第二支部间隔设置在所述第二主体部的第二侧；所述第一侧和所述第二侧相对设置，且所述多个第一支部和所述多个第二支部相互错位叉合设置且均具有圆滑的插入端。
其中，还包括(5)：在所述衬底上覆盖介质层，并在所述介质层中形成P电极和N电极。
其中，在步骤(1)中，在所述衬底上形成半导体层之前还包括：在所述衬底上形成与所述P型区和N型区对应的第一汇流电极和第二汇流电极，所述第一汇流电极和第二汇流电极均为叉指状结构。
其中，所述第一汇流电极包括第三主体部和多个第三支部，所述多个第三支部间隔设置在所述第三主体部的第一侧；所述第二汇流电极包括第四主体部和多个第四支部，所述多个第四支部间隔设置在所述第四主体部的第二侧；其中，所述多个第三支部被所述多个第一支部覆盖，所述多个第四支部被所述多个第二支部覆盖，且所述第三主体部从所述第一主体部的第二侧延伸出，所述第四主体部从所述第二主体部的第一侧延伸出。
其中，所述P电极和N电极分别与所述第三主体部和第四主体部直接物理和电连接。
根据上述方法，本发明提供了一种PIN光电器件，包括：
衬底；
P型区和N型区，在所述衬底上；所述P型区和N型区均呈叉指状结构，其中，所述P型区包括第一主体部和多个第一支部，所述多个第一支部间隔设置在所述第一主体部的第一侧；所述N型区包括第二主体部和多个第二支部，所述多个第二支部间隔设置在所述第二主体部的第二侧；所述第一侧和所述第二侧相对设置，且所述多个第一支部和所述多个第二支部相互错位叉合设置且均具有圆滑的插入端；
S形的本征硅，填充于所述P型区和N型区之间，所述本征硅的一部分覆盖于所述P型区和N型区之上。
其中，其还包括覆盖在所述衬底上的介质层以及在所述介质层中的P电极和N电极。
其中，还包括在衬底与P型区和N型区之间的第一汇流电极和第二汇流电极，所述第一汇流电极和第二汇流电极与所述P型区和N型区对应设置，所述第一汇流电极和第二汇流电极均为叉指状结构。
其中，所述第一汇流电极包括第三主体部和多个第三支部，所述多个第三支部间隔设置在所述第三主体部的第一侧；所述第二汇流电极包括第四主体部和多个第四支部，所述多个第四支部间隔设置在所述第四主体部的第二侧；其中，所述多个第三支部被所述多个第一支部覆盖，所述多个第四支部被所述多个第二支部覆盖，且所述第三主体部从所述第一主体部的第二侧延伸出，所述第四主体部从所述第二主体部的第一侧延伸出。
其中，所述P电极和N电极分别与所述第三主体部和第四主体部直接物理和电连接。
本发明将叉指状的P型区和N型区的支部部分设置为没有拐角的圆滑结构，防止载流子的聚集，保证载流子在结处的分离效率，提高光生电流；并且，本发明还将汇流电极对应的设置于P型区和N型区之下，以此来减少P型区和N型区的上表面载流子的聚集，保证载流子的传输速率。
附图说明
图1为现有技术的PIN光电器件的俯视图；
图2为现有技术的PIN光电器件的剖面图；
图3为本发明第一实施例的PIN光电器件的俯视图；
图4为本发明第一实施例的PIN光电器件的剖面图；
图5-10为本发明第一实施例的PIN光电器件的制造方法的示意图；
图11为本发明第二实施例的PIN光电器件的俯视图；
图12为本发明第二实施例的PIN光电器件的剖面图；
图13-18为本发明第二实施例的PIN光电器件的制造方法的示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
第一实施例
参见图3和图4，本发明的PIN光电器件具有衬底20，该衬底20的上表面为受光面，即光的入射方向向下。该衬底20优选为不透光的材料，更优选为吸光材料，这样能够防止背面的光对PIN光电器件的影响。所述衬底20可以是陶瓷、SOI等刚性材质。
PIN光电二极管形成于衬底上的硅半导体层，该PIN光电二极管包括P型区21、N型区22以及在P型区21和N型区22之间的I型区(即本征硅)23。P型区21是由P型离子重掺杂得到的掺杂区，例如是以比较高的浓度使硼(B)等P型离子掺杂到硅半导体中形成。N型区22则是N型离子重掺杂得到的掺杂区，例如是以比较高的浓度使磷(P)等N型离子掺杂到硅半导体中形成。
如图3所示，所述P型区21和N型区22均呈叉指状结构，其中，所述P型区21包括第一主体部212和多个第一支部211，所述多个第一支部211间隔设置在所述第一主体部212的第一侧；所述N型区22包括第二主体部222和多个第二支部221，所述多个第二支部221间隔设置在所述第二主体部222的第二侧，其中所述第一侧和所述第二侧相对设置。
在本发明中，为了解决现有技术的多个支部的顶端(即彼此靠近的位置)由于具有直角部分，其载流子在此处产生大量聚集，导致载流子的复合湮灭的问题，所述多个第一支部211和所述多个第二支部212相互错位叉合设置且均具有圆滑的插入端。可以参见图3，多个第一支部211的顶端具有第一插入端213，其呈现圆滑的表面，具有一弧形结构，同样的，多个第二支部221的顶端具有第二插入端223，其也呈现圆滑的表面，具有一弧形结构，由此，可以减少分离的载流子大量聚集，增大光生电流。
优选的，多个第一支部211的任意两个之间具有供第二支部221插入的第一凹部，多个第二支部221的任意两个之间具有供第一支部211插入的第二凹部，该第一凹部和第二凹部也都是圆滑的表面，其与第一插入端213和第二插入端223的形状彼此对应，此时，多个第一支部211和多个第二支部221的卡和部分没有任何拐角。
P型区21和N型区22的厚度为5-15nm，过小的厚度会影响光生电流的大小，而过大的厚度，底部无法实现光的吸收，则造成浪费。
在P型区21和N型区22之间则是I型区23，其呈现圆滑的S形排布。I型区23为本征硅，其通过沉积的方式形成，且为了保证光的吸收效率，I型区23的本征硅至少具有一部分是覆盖所述P型区21和N型区22的，参见图4，即具有覆盖部分27，此时，本征硅的厚度也比P型区21和N型区22的厚度稍大。
该PIN光电二极管还包括覆盖在所述衬底20上的介质层24以及在所述介质层中的P电极26和N电极25。所述介质层24可以是氧化硅或氮化硅等无机材料，而P电极26和N电极25则通过电镀、沉积或溅射的方式形成于介质层24中，其材料可以是Al、Cu、Ag等，在P电极26和N电极25与P型区21和N型区22结合部分形成有金属硅化物(未示出)。
此外，该实施例还提供一种PIN光电器件的制造方法，其包括以下步骤：
(1)提供一衬底，在所述衬底上形成半导体层；
(2)对所述半导体层进行离子注入形成P型区和N型区；
(3)对所述半导体层进行刻蚀，使得所述P型区和N型区均呈叉指状结构，且所述P型区和N型区通过一S形沟槽间隔开；其中，所述P型区包括第一主体部和多个第一支部，所述多个第一支部间隔设置在所述第一主体部的第一侧；所述N型区包括第二主体部和多个第二支部，所述多个第二支部间隔设置在所述第二主体部的第二侧；所述第一侧和所述第二侧相对设置，且所述多个第一支部和所述多个第二支部相互错位叉合设置且均具有圆滑的插入端；
(4)在S形沟槽中填充本征硅，所述本征硅的一部分覆盖于所述P型区和N型区之上；
(5)在所述衬底上覆盖介质层，并在所述介质层中形成P电极和N电极。
下面结合图5-10来具体的介绍该实施例所提供的PIN光电器件的制造方法。
首先，参见图5，提供一衬底20，在所述衬底20上沉积一层硅半导体层28，所述硅半导体层28可以本征硅，且具有厚度5-15nm。
接着，参见图6，对该硅半导体层28进行离子注入，P型离子(例如硼)掺杂形成P型区21，N型离子(例如磷)形成N型区22。
参见图7，对所述硅半导体层28进行刻蚀，使得所述P型区21和N型区22均呈叉指状结构，且所述P型区和N型区通过一S形沟槽29间隔开。
参见图8，在S形沟槽29中填充本征硅形成I型区23，所述本征硅的一部分(例如覆盖部分27)覆盖于所述P型区21和N型区22之上。本征硅可以先进行沉积，然后再刻蚀形成最终的I型区。
然后参见图9，在所述衬底20上覆盖介质层24。
参见图10，在所述介质层24中钻孔并填充导电材料形成P电极25和N电极26，得到该实施例的PIN光电器件。
第二实施例
在第一实施例中，P电极26和N电极25在PIN光电器件的受光面直接接触至P型区21和N型区22，该设置会导致遮挡部分光线，且使得半导体材料的上表面处的载流子密度较大，且载流子主要集中在P型区21和N型区22的上表面进行传输，其不利于传输效率，影响传输速度。为此特提出第二实施例。
参见图11和图12，本发明的PIN光电器件具有衬底30，该衬底30的上表面为受光面，即光的入射方向向下。该衬底30优选为不透光的材料，更优选为吸光材料，这样能够防止背面的光对PIN光电器件的影响。所述衬底30可以是陶瓷、SOI等刚性材质。
PIN光电二极管形成于衬底30上的硅半导体层，该PIN光电二极管包括P型区31、N型区32以及在P型区31和N型区32之间的I型区(即本征硅)33。P型区31是由P型离子重掺杂得到的掺杂区，例如是以比较高的浓度使硼(B)等P型离子掺杂到硅半导体中形成。N型区32则是N型离子重掺杂得到的掺杂区，例如是以比较高的浓度使磷(P)等N型离子掺杂到硅半导体中形成。
如图11所示，所述P型区31和N型区32均呈叉指状结构，其中，所述P型区31包括第一主体部311和多个第一支部312，所述多个第一支部312间隔设置在所述第一主体部311的第一侧；所述N型区32包括第二主体部321和多个第二支部322，所述多个第二支部322间隔设置在所述第二主体部321的第二侧，其中所述第一侧和所述第二侧相对设置。
在本发明中，为了解决现有技术的多个支部的顶端(即彼此靠近的位置)由于具有直角部分，其载流子在此处产生大量聚集，导致载流子的复合湮灭的问题，所述多个第一支部312和所述多个第二支部322相互错位叉合设置且均具有圆滑的插入端。可以参见图11，多个第一支部312的顶端呈现圆滑的表面，具有一弧形结构，同样的，多个第二支部322的顶端也呈现圆滑的表面，具有一弧形结构，由此，可以减少分离的载流子大量聚集，增大光生电流。
优选的，多个第一支部312的任意两个之间具有供第二支部322插入的第一凹部，多个第二支部322的任意两个之间具有供第一支部312插入的第二凹部，该第一凹部和第二凹部也都是圆滑的表面，其与多个第一支部312和多个第二支部322的顶端的形状彼此对应，此时，多个第一支部312和多个第二支部322的卡和部分没有任何拐角。
P型区31和N型区32的厚度为5-15nm，过小的厚度会影响光生电流的大小，而过大的厚度，底部无法实现光的吸收，则造成浪费。
在P型区31和N型区32之间则是I型区33，其呈现圆滑的S形排布。I型区33为本征硅，其通过沉积的方式形成，且为了保证光的吸收效率，I型区33的本征硅至少具有一部分是覆盖所述P型区31和N型区32的，参见图12，即具有覆盖部分39，此时，本征硅的厚度也比P型区31和N型区32的厚度稍大。
在衬底30与P型区31和N型区32之间的第一汇流电极34和第二汇流电极35，所述第一汇流电极34和第二汇流电极35与所述P型区31和N型区32对应设置，所述第一汇流电极34和第二汇流电极35均为叉指状结构。
所述第一汇流电极34包括第三主体部341和多个第三支部342，所述多个第三支部342间隔设置在所述第三主体部341的第一侧；所述第二汇流电极35包括第四主体部351和多个第四支部352，所述多个第四支部352间隔设置在所述第四主体部351的第二侧；其中，所述多个第三支部342被所述多个第一支部312覆盖，所述多个第四支部352被所述多个第二支部322覆盖，且所述第三主体部341从所述第一主体部311的第二侧延伸出，所述第四主体部351从所述第二主体部321的第一侧延伸出。
该PIN光电二极管还包括覆盖在所述衬底30上的介质层36以及在所述介质层中的P电极38和N电极37。所述介质层36可以是氧化硅或氮化硅等无机材料，而P电极38和N电极37则通过电镀、沉积或溅射的方式形成于介质层36中，其材料可以是Al、Cu、Ag等。
P电极38和N电极37分别与第一汇流电极34和第二汇流电极35电连接，P电极38位于P型区31的第二侧，而N电极37位于N型区32的第一侧，所述P电极38和N电极37分别与所述第三主体部341和第四主体部351直接物理和电连接，但是均不与半导体层接触，以此来减少P型区31和N型区32的上表面载流子的聚集，保证载流子的传输速率。
此外，该实施例还提供一种PIN光电器件的制造方法，其包括以下步骤：
(1)提供一衬底；
(2)在所述衬底上形成的第一汇流电极和第二汇流电极，所述第一汇流电极和第二汇流电极均为叉指状结构；
(3)在所述衬底上形成半导体层；
(4)对所述半导体层进行离子注入形成P型区和N型区；
(5)对所述半导体层进行刻蚀，使得所述P型区和N型区与第一汇流电极和第二汇流电极对应，且所述P型区和N型区均呈叉指状结构，并通过一S形沟槽间隔开；
(6)在S形沟槽中填充本征硅，所述本征硅的一部分覆盖于所述P型区和N型区之上；
(7)在所述衬底上覆盖介质层，并在所述介质层中形成P电极和N电极。
下面结合图13-18来具体的介绍该实施例所提供的PIN光电器件的制造方法。
首先，参见图13，提供一衬底30，在所述衬底30上形成的第一汇流电极34和第二汇流电极35，所述第一汇流电极34和第二汇流电极35均为叉指状结构。所述第一汇流电极34包括第三主体部341和多个第三支部342，所述多个第三支部342间隔设置在所述第三主体部341的第一侧；所述第二汇流电极35包括第四主体部351和多个第四支部352，所述多个第四支部352间隔设置在所述第四主体部351的第二侧。
接着，参见图14，在所述衬底30上形成硅半导体层40、41分别覆盖所述第一汇流电极34和第二汇流电极35。
然后，参见图15，对该硅半导体层40、41进行离子注入，P型离子(例如硼)掺杂形成P型区31，N型离子(例如磷)形成N型区32。对所述P型区31和N型区32进行刻蚀，使得所述P型区21和N型区22均呈叉指状结构，且所述P型区和N型区通过一S形沟槽间隔开。
所述P型区31和N型区32均呈叉指状结构，其中，所述P型区31包括第一主体部311和多个第一支部312，所述多个第一支部312间隔设置在所述第一主体部311的第一侧；所述N型区32包括第二主体部321和多个第二支部322，所述多个第二支部322间隔设置在所述第二主体部321的第二侧，其中所述第一侧和所述第二侧相对设置。
其中，所述多个第三支部342被所述多个第一支部312覆盖，所述多个第四支部352被所述多个第二支部322覆盖，且所述第三主体部341从所述第一主体部311的第二侧延伸出，所述第四主体部351从所述第二主体部321的第一侧延伸出。
参见图16，在S形沟槽中填充本征硅形成I型区33，所述本征硅的一部分(例如覆盖部分39)覆盖于所述P型区31和N型区32之上。本征硅可以先进行沉积，然后再刻蚀形成最终的I型区。
然后参见图17，在所述衬底30上覆盖介质层36。
参见图18，在所述介质层36中钻孔并填充导电材料形成P电极38和N电极37，得到该实施例的PIN光电器件。其中，P电极38和N电极37分别与第一汇流电极34和第二汇流电极35直接物理和电连接，P电极38位于P型区31的第二侧，而N电极37位于N型区32的第一侧，但是均不与半导体层接触。
本发明中使用的表述“示例性实施例”、“示例”等不是指同一实施例，而是被提供来着重描述不同的特定特征。然而，上述示例和示例性实施例不排除他们与其他示例的特征相组合来实现。例如，即使在另一示例中未提供特定示例的描述的情况下，除非另有陈述或与其他示例中的描述相反，否则该描述可被理解为与另一示例相关的解释。
本发明中使用的术语仅用于示出示例，而无意限制本发明。除非上下文中另外清楚地指明，否则单数表述包括复数表述。
虽然以上示出并描述了示例实施例，但对本领域技术人员将明显的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可做出变型和改变。
Claims (10)
1.一种PIN光电器件的制造方法，其包括以下步骤：
(1)提供一衬底，在所述衬底上形成半导体层；
(2)对所述半导体层进行离子注入形成P型区和N型区；
(3)对所述半导体层进行刻蚀，使得所述P型区和N型区均呈叉指状结构，且所述P型区和N型区通过一S形沟槽间隔开；
(4)在S形沟槽中填充本征硅，所述本征硅的一部分覆盖于所述P型区和N型区之上；
其中，所述P型区包括第一主体部和多个第一支部，所述多个第一支部间隔设置在所述第一主体部的第一侧；所述N型区包括第二主体部和多个第二支部，所述多个第二支部间隔设置在所述第二主体部的第二侧；所述第一侧和所述第二侧相对设置，且所述多个第一支部和所述多个第二支部相互错位叉合设置且均具有圆滑的插入端。
2.根据权利要求1所述的PIN光电器件的制造方法，其特征在于：还包括(5)：在所述衬底上覆盖介质层，并在所述介质层中形成P电极和N电极。
3.根据权利要求2所述的PIN光电器件的制造方法，其特征在于：在步骤(1)中，在所述衬底上形成半导体层之前还包括：在所述衬底上形成与所述P型区和N型区对应的第一汇流电极和第二汇流电极，所述第一汇流电极和第二汇流电极均为叉指状结构。
4.根据权利要求3所述的PIN光电器件的制造方法，其特征在于：所述第一汇流电极包括第三主体部和多个第三支部，所述多个第三支部间隔设置在所述第三主体部的第一侧；所述第二汇流电极包括第四主体部和多个第四支部，所述多个第四支部间隔设置在所述第四主体部的第二侧；其中，所述多个第三支部被所述多个第一支部覆盖，所述多个第四支部被所述多个第二支部覆盖，且所述第三主体部从所述第一主体部的第二侧延伸出，所述第四主体部从所述第二主体部的第一侧延伸出。
5.根据权利要求1所述的PIN光电器件的制造方法，其特征在于：所述P电极和N电极分别与所述第三主体部和第四主体部直接物理和电连接。
6.一种PIN光电器件，包括：
衬底；
P型区和N型区，在所述衬底上；所述P型区和N型区均呈叉指状结构，其中，所述P型区包括第一主体部和多个第一支部，所述多个第一支部间隔设置在所述第一主体部的第一侧；所述N型区包括第二主体部和多个第二支部，所述多个第二支部间隔设置在所述第二主体部的第二侧；所述第一侧和所述第二侧相对设置，且所述多个第一支部和所述多个第二支部相互错位叉合设置且均具有圆滑的插入端；
S形的本征硅，填充于所述P型区和N型区之间，所述本征硅的一部分覆盖于所述P型区和N型区之上。
7.根据权利要求6所述的PIN光电器件，其特征在于：其还包括覆盖在所述衬底上的介质层以及在所述介质层中的P电极和N电极。
8.根据权利要求7所述的PIN光电器件，其特征在于：还包括在衬底与P型区和N型区之间的第一汇流电极和第二汇流电极，所述第一汇流电极和第二汇流电极与所述P型区和N型区对应设置，所述第一汇流电极和第二汇流电极均为叉指状结构。
9.根据权利要求8所述的PIN光电器件，其特征在于：所述第一汇流电极包括第三主体部和多个第三支部，所述多个第三支部间隔设置在所述第三主体部的第一侧；所述第二汇流电极包括第四主体部和多个第四支部，所述多个第四支部间隔设置在所述第四主体部的第二侧；其中，所述多个第三支部被所述多个第一支部覆盖，所述多个第四支部被所述多个第二支部覆盖，且所述第三主体部从所述第一主体部的第二侧延伸出，所述第四主体部从所述第二主体部的第一侧延伸出。
10.根据权利要求6所述的PIN光电器件，其特征在于：所述P电极和N电极分别与所述第三主体部和第四主体部直接物理和电连接。
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