CN114242802A - 一种背照式光电探测器及其阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种背照式光电探测器及其阵列，该背照式光电探测器包括第一导电类型衬底、第一导电类型掺杂区、第二导电类型掺杂区及凹槽结构，第一导电类型掺杂区与第二导电类型掺杂区均位于衬底的上表层并在水平方向上间隔设置，凹槽结构自衬底的下表面开口，并往衬底的上表面方向延伸，凹槽结构的底面在水平面上的垂直投影与第二导电类型掺杂区在水平面上的垂直投影有重叠部分，凹槽结构的底面在水平面上的垂直投影与第一导电类型掺杂区在水平面上的垂直投影没有重叠部分。本发明的背照式光电探测器中，凹槽结构所在区域的衬底厚度较薄，而其余位置衬底厚度较厚，可以在降低串扰的同时，保证器件结构的机械强度，减少碎片的概率。

Description

一种背照式光电探测器及其阵列
技术领域
本发明属于光电二极管技术领域，涉及一种背照式光电探测器及其阵列。
背景技术
半导体光电二极管(探测器)是安检、工业检测、医疗成像领域光电探测的核心器件，按照接收光线的位置的不同，探测器可以分为正照式探测器及背照式探测器。其中背照式探测器与正照式探测器相比，由于背照式探测器入光面没有金属引线及焊盘，提高了光线接收的效能，可以实现四面拼接，利于减小封装体积，进而适于制作大尺寸探测器模块。
但是背照式探测器存在串扰大的问题，为此通常把背面整体减薄至200微米以下，但背面减薄后会引起沾污、且薄片容易引起碎片，不利于减薄后背面钝化步骤的实施。
因此，如何提供一种新型的、能解决上述问题的背照式光电探测器及其阵列，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种背照式光电探测器及其阵列，用于解决现有技术中背照式探测器存在串扰大、减薄后容易引起沾污、碎片，且不利于背面钝化步骤的实施的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种背照式光电探测器，包括：
第一导电类型衬底；
第一导电类型掺杂区，位于所述衬底的上表层；
第二导电类型掺杂区，位于所述衬底的上表层，并与所述第一导电类型掺杂区在水平方向上间隔设置；
凹槽结构，自所述衬底的下表面开口，并往所述衬底的上表面方向延伸，所述凹槽结构的底面低于所述第一导电类型掺杂区及所述第二导电类型掺杂区的底面，所述凹槽结构的底面在水平面上的垂直投影与所述第二导电类型掺杂区在水平面上的垂直投影有重叠部分，所述凹槽结构的底面在水平面上的垂直投影与所述第一导电类型掺杂区在水平面上的垂直投影没有重叠部分。
可选地，所述背照式光电探测器还包括场氧化层，所述场氧化层在水平方向上位于所述第一导电类型掺杂区与所述第二导电类型掺杂区之间，且所述场氧化层的顶面高于所述衬底的上表面，所述场氧化层的底面低于所述衬底的上表面。
可选地，所述凹槽结构的横截面形状呈完整的面状。
可选地，所述凹槽结构包括多个间隔排布的子凹槽，所述凹槽结构的横截面形状呈网格状。
可选地，所述背照式光电探测器还包括抗反射层，所述抗反射层覆盖所述凹槽结构的底面及侧壁，并覆盖所述衬底的下表面。
可选地，所述抗反射层包括二氧化硅层及氮化硅层中的至少一种；所述抗反射层的厚度范围是50nm-100nm。
可选地，所述衬底的下表面未正对所述第二导电类型掺杂区的部分覆盖有金属掩蔽层。
可选地，所述凹槽结构的开口宽度大于所述第二导电类型掺杂区的宽度，所述金属掩蔽层还覆盖所述凹槽结构未正对所述第二导电类型掺杂区的部分的侧壁。
可选地，所述衬底的厚度范围是300μm-800μm，所述凹槽结构的底面与所述衬底的上表面之间的垂直距离范围是100μm-200μm。
可选地，所述背照式光电探测器还包括介质层、阳极与阴极，所述介质层位于所述衬底上表面并覆盖所述第一导电类型掺杂区及所述第二导电类型掺杂区，所述阳极位于所述介质层中并与所述第二导电类型掺杂区电连接，所述阴极位于所述介质层中并与所述第一导电类型掺杂区电连接，所述介质层中还设有显露所述阳极第一接触孔及显露所述阴极的第二接触孔。
可选地，所述衬底采用硅片或硅外延层。
可选地，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型；或者所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
本发明还提供一种背照式光电探测器阵列，所述背照式光电探测器阵列包括多个如上任意一项所述的背照式光电探测器，多个所述背照式光电探测器呈阵列式排布。
如上所述，本发明的背照式光电探测器包括第一导电类型衬底、第一导电类型掺杂区、第二导电类型掺杂区及凹槽结构，所述第一导电类型掺杂区与所述第二导电类型掺杂区均位于所述衬底的上表层并在水平方向上间隔设置，所述凹槽结构自所述衬底的下表面开口，并往所述衬底的上表面方向延伸，所述凹槽结构的底面低于所述第一导电类型掺杂区及所述第二导电类型掺杂区的底面，所述凹槽结构的底面在水平面上的垂直投影与所述第二导电类型掺杂区在水平面上的垂直投影有重叠部分，所述凹槽结构的底面在水平面上的垂直投影与所述第一导电类型掺杂区在水平面上的垂直投影没有重叠部分。本发明的背照式光电探测器中，凹槽结构所在区域的衬底厚度较薄，而其余位置衬底厚度较厚，可以在降低串扰的同时，保证器件结构的机械强度，减少碎片的概率。凹槽结构底面及侧壁可覆盖有抗反射层，可以减少光反射，并降低表面复合，减小暗电流。衬底背面非正对所述第二导电类型掺杂区的区域可覆盖有金属掩蔽层，可以减小光学串扰、减小该区域厚衬底导致的暗电流增大。衬底正面的介质层可以降低表面复合，减小暗电流，起到表面钝化和绝缘作用。所述第一导电类型掺杂区与所述第二导电类型掺杂区之间可进一步设置场氧层，起隔离作用，可以减小PN穿通和漏电。
附图说明
图1显示为本发明的背照式光电探测器于实施例一中的剖面结构示意图。
图2显示为图1所示结构的仰视结构示意图。
图3显示为本发明的背照式光电探测器于实施例二中的剖面结构示意图。
图4显示为本发明的背照式光电探测器于实施例三中的剖面结构示意图。
图5显示为图4所示结构的仰视结构示意图。
图6显示为本发明的背照式光电探测器于实施例四中的剖面结构示意图。
元件标号说明
1 衬底
2 第一导电类型掺杂区
3 第二导电类型掺杂区
4 凹槽结构
401 子凹槽
5 介质层
6 阳极
7 阴极
8 第一接触孔
9 第二接触孔
10 抗反射层
11 金属掩蔽层
12 场氧化层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本实施例中提供一种背照式光电探测器，请参阅图1及图2，其中，图1显示为所述背照式光电探测器的剖面结构示意图，且图1中呈现了两个相邻设置的背照式光电探测器，图 1中多个平行箭头代表入射光线，图2显示为图1所示结构的仰视结构示意图。
具体的，如图1及图2所示，所述背照式光电探测器包括第一导电类型衬底1、第一导电类型掺杂区2、第二导电类型掺杂区3及凹槽结构4，所述第一导电类型掺杂区2与所述第二导电类型掺杂区3均位于所述衬底1的上表层并在水平方向上间隔设置，所述凹槽结构4 自所述衬底1的下表面开口，并往所述衬底1的上表面方向延伸，所述凹槽结构4的底面低于所述第一导电类型掺杂区2及所述第二导电类型掺杂区3的底面，所述凹槽结构4的底面在水平面上的垂直投影与所述第二导电类型掺杂区3在水平面上的垂直投影有重叠部分，所述凹槽结构4的底面在水平面上的垂直投影与所述第一导电类型掺杂区2在水平面上的垂直投影没有重叠部分。
本实施例中，所述背照式光电探测器还包括介质层5、阳极6与阴极7，所述介质层5位于所述衬底1上表面并覆盖所述第一导电类型掺杂区2及所述第二导电类型掺杂区3，所述阳极6位于所述介质层5中并与所述第二导电类型掺杂区3电连接，所述阴极7位于所述介质层5中并与所述第一导电类型掺杂区2电连接，所述介质层5中还设有显露所述阳极6的第一接触孔8及显露所述阴极6的第二接触孔9。
具体的，所述衬底1包括但不限于硅衬底，本实施例中，所述衬底1可选用N型硅片，也可选用N型硅外延片，所述衬底1的厚度范围是300μm-800μm。
具体的，可通过对所述衬底1的正面进行离子注入以得到位于所述衬底1上表层的所述第一导电类型掺杂区2与所述第二导电类型掺杂区3，且所述第一导电类型掺杂区2与所述第二导电类型掺杂区3的掺杂浓度高于所述衬底1的掺杂浓度。本实施例中，所述第一导电类型掺杂区2为N型重掺杂区，所述第二导电类型掺杂区3为P型重掺杂区。
需要指出的是，在其它实施例中，所述衬底1也可以是P型掺杂，相应的，所述第一导电类型掺杂区2为P型重掺杂区，所述第二导电类型掺杂区3为N型重掺杂区。
具体的，所述介质层5用于降低表面复合，减小暗电流，并起到表面钝化和绝缘作用。所述介质层5包括二氧化硅层及氮化硅层中的至少一种，即所述抗反射层10可以是单一的二氧化硅层或单一的氮化硅层，也可以二氧化硅层/氮化硅层叠层。所述阳极6与所述阴极7可选用导电金属材料。
具体的，所述凹槽结构4的横截面形状呈完整的面状。
具体的，所述凹槽结构4的底面与所述衬底1的上表面之间的垂直距离范围是100μm-200 μm。也就是说，所述凹槽结构4所在区域的衬底厚度较薄，特别是所述第二导电类型掺杂区 3所在区域的衬底厚度较薄，而其余位置衬底厚度较厚，从而可以在降低串扰的同时，保证器件结构的机械强度，减少碎片的概率。
作为示例，所述凹槽结构4的底面及侧壁覆盖有抗反射层10，用以减少光反射，并降低表面复合，减小暗电流。本实施例中，所述抗反射层5还覆盖所述衬底1的下表面。
作为示例，所述抗反射层10包括二氧化硅层及氮化硅层中的至少一种，即所述抗反射层 10可以是单一的二氧化硅层或单一的氮化硅层，也可以是二氧化硅层/氮化硅层叠层。所述抗反射层10的厚度范围是50nm-100nm。
作为示例，所述衬底1的下表面未正对所述第二导电类型掺杂区3的部分覆盖有金属掩蔽层11，用以减小光学串扰、减小该区域厚衬底导致的暗电流增大。
作为示例，所述凹槽结构4的开口宽度大于所述第二导电类型掺杂区3的宽度，所述金属掩蔽层11还覆盖所述凹槽结构4未正对所述第二导电类型掺杂区3的部分的侧壁。
实施例二
本实施例与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于，本实施例中的背照式光电探测器还包括场氧化层。
具体的，请参阅图3，显示为本实施例的背照式光电探测器的剖面结构示意图，其中，所述场氧化层12在水平方向上位于所述第一导电类型掺杂区2与所述第二导电类型掺杂区3 之间，且所述场氧化层12的顶面高于所述衬底1的上表面，所述场氧化层12的底面低于所述衬底1的上表面。
具体的，所述场氧化层12用于隔离所述第一导电类型掺杂区2与所述第二导电类型掺杂区3，减小PN穿通和漏电。
实施例三
本实施例与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于，实施例一中，所述凹槽结构4的横截面形状呈完整的面状，而本实施例中，所述凹槽结构的横截面形状呈网格状。
请参阅图4及图5，其中，图4显示为本实施例的背照式光电探测器的剖面结构示意图，图5显示为图4所示结构的仰视结构示意图。
具体的，如图4及图5所示，本实施例中，所述凹槽结构4包括多个间隔排布的子凹槽 401，使得所述凹槽结构的横截面形状呈网格状。相对于实施例一中的技术方案，本实施例的深槽结构的布局设计可进一步提高器件的结构强度，并提高器件的长波响应。
具体的，所述凹槽结构中的子凹槽401的尺寸与数目可根据需要进行调整。
实施例四
本实施例与实施例三采用基本相同的技术方案，不同之处在于，本实施例中的背照式光电探测器还包括场氧化层。
具体的，请参阅图6，显示为本实施例的背照式光电探测器的剖面结构示意图，其中，所述场氧化层12在水平方向上位于所述第一导电类型掺杂区2与所述第二导电类型掺杂区3 之间，且所述场氧化层12的顶面高于所述衬底1的上表面，所述场氧化层12的底面低于所述衬底1的上表面。
具体的，所述场氧化层12用于隔离所述第一导电类型掺杂区2与所述第二导电类型掺杂区3，减小PN穿通和漏电。
实施例五
本实施例中提供一种背照式光电探测器阵列，所述背照式光电探测器阵列包括多个如实施例一、实施例二、实施例三或实施例四中所述的背照式光电探测器，多个所述背照式光电探测器呈阵列式排布。
综上所述，本发明的背照式光电探测器包括第一导电类型衬底、第一导电类型掺杂区、第二导电类型掺杂区及凹槽结构，所述第一导电类型掺杂区与所述第二导电类型掺杂区均位于所述衬底的上表层并在水平方向上间隔设置，所述凹槽结构自所述衬底的下表面开口，并往所述衬底的上表面方向延伸，所述凹槽结构的底面低于所述第一导电类型掺杂区及所述第二导电类型掺杂区的底面，所述凹槽结构的底面在水平面上的垂直投影与所述第二导电类型掺杂区在水平面上的垂直投影有重叠部分，所述凹槽结构的底面在水平面上的垂直投影与所述第一导电类型掺杂区在水平面上的垂直投影没有重叠部分。本发明的背照式光电探测器中，凹槽结构所在区域的衬底厚度较薄，而其余位置衬底厚度较厚，可以在降低串扰的同时，保证器件结构的机械强度，减少碎片的概率。凹槽结构底面及侧壁可覆盖有抗反射层，可以减少光反射，并降低表面复合，减小暗电流。衬底背面非正对所述第二导电类型掺杂区的区域可覆盖有金属掩蔽层，可以减小光学串扰、减小该区域厚衬底导致的暗电流增大。衬底正面的介质层可以降低表面复合，减小暗电流，起到表面钝化和绝缘作用。所述第一导电类型掺杂区与所述第二导电类型掺杂区之间可进一步设置场氧层，起隔离作用，可以减小PN穿通和漏电。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种背照式光电探测器，其特征在于，包括：
第一导电类型衬底；
第一导电类型掺杂区，位于所述衬底的上表层；
第二导电类型掺杂区，位于所述衬底的上表层，并与所述第一导电类型掺杂区在水平方向上间隔设置；
凹槽结构，自所述衬底的下表面开口，并往所述衬底的上表面方向延伸，所述凹槽结构的底面低于所述第一导电类型掺杂区及所述第二导电类型掺杂区的底面，所述凹槽结构的底面在水平面上的垂直投影与所述第二导电类型掺杂区在水平面上的垂直投影有重叠部分，所述凹槽结构的底面在水平面上的垂直投影与所述第一导电类型掺杂区在水平面上的垂直投影没有重叠部分。
2.根据权利要求1所述的背照式光电探测器，其特征在于：所述背照式光电探测器还包括场氧化层，所述场氧化层在水平方向上位于所述第一导电类型掺杂区与所述第二导电类型掺杂区之间，且所述场氧化层的顶面高于所述衬底的上表面，所述场氧化层的底面低于所述衬底的上表面。
3.根据权利要求1或2所述的背照式光电探测器，其特征在于：所述凹槽结构的横截面形状呈完整的面状。
4.根据权利要求1或2所述的背照式光电探测器，其特征在于：所述凹槽结构包括多个间隔排布的子凹槽，所述凹槽结构的横截面形状呈网格状。
5.根据权利要求1或2所述的背照式光电探测器，其特征在于：所述背照式光电探测器还包括抗反射层，所述抗反射层覆盖所述凹槽结构的底面及侧壁，并覆盖所述衬底的下表面。
6.根据权利要求5所述的背照式光电探测器，其特征在于：所述抗反射层包括二氧化硅层及氮化硅层中的至少一种；所述抗反射层的厚度范围是50nm-100nm。
7.根据权利要求1或2所述的背照式光电探测器，其特征在于：所述衬底的下表面未正对所述第二导电类型掺杂区的部分覆盖有金属掩蔽层。
8.根据权利要求7所述的背照式光电探测器，其特征在于：所述凹槽结构的开口宽度大于所述第二导电类型掺杂区的宽度，所述金属掩蔽层还覆盖所述凹槽结构未正对所述第二导电类型掺杂区的部分的侧壁。
9.根据权利要求1或2所述的背照式光电探测器，其特征在于：所述衬底的厚度范围是300μm-800μm，所述凹槽结构的底面与所述衬底的上表面之间的垂直距离范围是100μm-200μm。
10.根据权利要求1或2所述的背照式光电探测器，其特征在于：所述背照式光电探测器还包括介质层、阳极与阴极，所述介质层位于所述衬底上表面并覆盖所述第一导电类型掺杂区及所述第二导电类型掺杂区，所述阳极位于所述介质层中并与所述第二导电类型掺杂区电连接，所述阴极位于所述介质层中并与所述第一导电类型掺杂区电连接，所述介质层中还设有显露所述阳极第一接触孔及显露所述阴极的第二接触孔。
11.根据权利要求1或2所述的背照式光电探测器，其特征在于：所述衬底采用硅片或硅外延层。
12.根据权利要求1或2所述的背照式光电探测器，其特征在于：所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型；或者所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
13.一种背照式光电探测器阵列，其特征在于：所述背照式光电探测器阵列包括多个如权利要求1-12任意一项所述的背照式光电探测器，多个所述背照式光电探测器呈阵列式排布。
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