CN114899267A - 光电转换器件、感测装置、电子设备及制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光电转换器件、感测装置、电子设备及制造方法，能够在不增大反向偏置电压的情况下提高光子探测效率。该光电转换器件包括：衬底，具有P型区和N型区，且所述P型区和所述N型区之间形成有耗尽区；第一电极和第二电极，分别与所述P型区和所述N型区电连接；第三电极，设置于所述衬底，用于当所述第一电极和所述第二电极的电压设置使所述光电转换器件处于反向偏置状态时，在所述衬底的非耗尽区形成将在所述非耗尽区产生的光生载流子牵引至所述耗尽区的电场。

Description

光电转换器件、感测装置、电子设备及制造方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，具体涉及一种光电转换器件、感测装置、电子设备及制造方法。

背景技术

基于PN结的光电转换器件一般包括P型区和N型区，当光信号入射至光电转换器件时，光信号在P型区和N型区之间形成的耗尽区被吸收，产生光生载流子。通过检测光生载流子产生的电流信号可以探测光信号。

光子探测效率是衡量光电转换器件探测能力的关键性因素。目前提高光子探测效率主要是通过提高反向偏置电压来实现，反向偏置电压越大，光子探测效率越高。但是，过高的电压在电子产品中较难实现。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种光电转换器件、感测装置、电子设备及制造方法，能够在不增大反向偏置电压的情况下提高光子探测效率。

第一方面提供了一种光电转换器件，包括：衬底，具有P型区和N型区，且所述P型区和所述N型区之间形成有耗尽区；第一电极和第二电极，分别与所述P型区和所述N型区电连接；第三电极，设置于所述衬底，用于当所述第一电极和所述第二电极的电压设置使所述光电转换器件处于反向偏置状态时，在所述衬底的非耗尽区形成将在所述非耗尽区产生的光生载流子牵引至所述耗尽区的电场。

第二方面提供了一种感测装置，包括第一方面中的光电转换器件，用于感测所述光电转换器件或所述背照式单光子雪崩光电二极管在被光照射时产生的电流信号。

第三方面提供了一种电子设备，包括第二方面中的感测装置，所述电子设备用于根据所述感测装置感测到的电流信号执行相应的功能。

第四方面提供了一种光电转换器件的制造方法，包括：提供一衬底；在所述衬底上形成P型区和N型区，所述P型区和所述N型区之间形成有耗尽区；在所述衬底的顶面设置分别与所述P型区和所述N型区电连接的第一电极和第二电极；在所述衬底的背部和/或隔离槽中设置第三电极，所述第三电极用于当所述第一电极和所述第二电极的电压设置使所述光电转换器件处于反向偏置状态时，在所述衬底的非耗尽区形成将在所述非耗尽区产生的光生载流子牵引至所述耗尽区的电场。

本申请可以在光电转换器件的衬底上布置第三电极，使该第三电极在非耗尽区产生牵引非耗尽区的光生载流子向耗尽区移动的电场，以将非耗尽区的光生载流子牵引至耗尽区，从而充分利用非耗尽区的光生载流子来提高光子探测效率。因此，本申请的方案可以在无需增大反向偏置电压的情况下提高光子探测效率。

附图说明

图1提供了一种PN结的结构示意图。

图2是一种雪崩光电二极管的结构示意图。

图3是本申请实施例提供的一种前照式的器件结构的示意图。

图4是本申请实施例提供的另一种前照式的器件结构的示意图。

图5是本申请实施例提供的一种背照式的器件结构的示意图。

图6是本申请实施例提供的另一种背照式的器件结构的示意图。

图7是一种未布置第三电极的光电转换器件的结构示意图。

图8-图10是本申请实施例提供的在衬底背部布置第三电极的光电转换器件的结构示意图。

图11和图12是本申请实施例提供的在隔离槽中布置第三电极的光电转换器件的结构示意图。

图13-图15是本申请实施例提供的在衬底背部设置导电层的光电转换器件的结构示意图。

图16是本申请实施例提供的在第三电极和衬底之间设置绝缘层的光电转换器件的结构示意图。

图17是本申请实施例提供的一种光电转换器件的结构示意图。

图18和图19分别是对图7和图8所示的光电转换器件进行模拟验证的验证结果图。

图20是本申请实施例提供的一种光电转换器件的制造方法的示意性流程图。

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，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请实施例的光电转换器件可以是基于PN结的半导体器件。PN结属于单向导通的器件，在正向电压作用下，PN结处于导通状态；在反向电压作用下，PN结处于截止状态，仅仅能通过相当微弱的反向电流。对于处于反向偏置状态的PN结，当有光照射到PN结时，PN结上的反向电流会迅速增大，光强的变化会引起反向电流的变化。基于该原理，本申请实施例的光电转换器件可以通过检测反向电流的大小来检测光信号。

本申请实施例的光电转换器件的种类可以有多种。例如，按照电极的数量进行划分，该光电转换器件可以为光电二极管、光电三极管等。又例如，按照感光面的不同，该光电转换器件可以为前照式光电转换器件、背照式光电转换器件。再例如，按照检测原理的不同，该光电转换器件可以为雪崩光电二极管(Photon Avalanche Diode，APD)、光电倍增管、增强光电二极管等。

雪崩光电二极管有多种工作状态，如线性模式、盖革模式等。盖革模式的雪崩光电二极管由于其增益极高，常被用作单光子探测，也被称为单光子雪崩光电二极管(SinglePhoton Avalanche Diode，SPAD)。其中，单光子探测是一种能够探测微弱光的技术，增强的灵敏度使其能够捕捉并感应单个光子。单光子探测技术是在光子尺度对光信号进行探测、分析和处理的关键技术，其科学意义和应用前景十分广泛。

光电转换器件在与芯片3D堆叠绑定键合时有前照式和背照式两种，两种方式各有特点，本申请实施例可以根据使用场景进行选择。

对于前照式的器件结构，金属走线位于器件的顶面，光从器件的顶面入射。前照式的PN结结深较浅，易于吸收蓝光等可见光波段的光。在3D堆叠绑定时，为了电互连两片晶圆，前照式的器件晶圆需要经硅穿孔(Through Silicon Via，TSV)将表面的金属走线引到背面，工艺较为繁琐。另外，位于顶面的金属走线会对入射光产生遮挡，降低光子探测效率。

对于背照式的器件结构，金属走线位于器件的顶面，光从器件的背面入射。在3D堆叠绑定时，两片晶圆面对面键合，能够保证金属连接对位精准。背照式的PN结所处位置较深，有利于吸收红外等长波段的光信号，光子探测效率相对较高。

由于目前主流的感测信号为红外光信号，因此，使用最多的是背照式的器件结构。本申请也主要围绕背照式的器件结构进行描述。

下面结合图1和图2，对本申请实施例的光电转换器件的结构进行描述。如图1所示，该光电转换器件可以包括P型区1和N型区2。由于N型区2内自由电子为多子，空穴几乎为零或少子，而P型区1内空穴为多子，自由电子为少子，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。由于自由电子和空穴的浓度差，P型区1的空穴向N型区2扩散，N型区2的电子向P型区1扩散，从而在P型区1和N型区2的接触面附近形成耗尽区12，该耗尽区12即为PN结，该耗尽区12也可以称为空间电荷区。

P型区1空穴的扩散在P型区1中留下了负受主离子，N型区2电子的扩散在N型区2留下了正施主离子，从而在该耗尽区12形成了从N型区2指向P型区1的内电场，该内电场提供了阻止空穴和电子(可称为载流子)扩散的力。随着耗尽区电场的增大，空穴和电子的扩散被中断并且耗尽区达到平衡。

耗尽区12的宽度、电场强度与P型区1的空穴浓度、N型区2电子的浓度以及施加到PN结上的电压大小有关。

如果给PN结上施加正向偏置电压，则耗尽区12的宽度将变小，电场强度也变小。如果给PN结上施加反向偏置电压，则耗尽区12的宽度将变大，电场强度也变大，且反向偏置电压越大，耗尽区12的宽度和电场强度也越大。

耗尽区12的宽度随着反向偏置电压的增大而增大，当反向偏置电压增大到超过一定电压时，PN结击穿且允许反向电流，可以将发生PN结击穿的电压称为击穿电压。

在反向偏置电压作用下，电势主要降在耗尽区上，即耗尽区的电场强度大于其他区域的电场强度。当光入射至该光电转换器件时，光子在耗尽区被吸收，产生光生载流子(如空穴载流子和电子载流子)，这些光生载流子可以在电场的作用下发生漂移，产生光生电流，通过检测光生电流信号可以检测光信号。

该光生电流信号可以是光生载流子通过雪崩效应产生的信号，或者也可以是将光生载流子输入倍增系统，通过光生载流子的二次发射放大后产生的信号。

本申请主要以雪崩效应为例进行描述，基于雪崩效应的光电转换器件可以包括真空雪崩光电二极管、雪崩光电二极管和单光子雪崩光电二极管。

下面结合图2，以雪崩光电二极管为例，对光电转换器件的工作原理进行描述。

光电转换器件的PN结可以是在半导体衬底3上形成的，该半导体衬底3可以是硅基衬底，也可以是锗基衬底，或者也可以是三五族衬底，如InP衬底。该半导体衬底3可以是高纯度衬底，也可以是掺杂有杂质的衬底，如该衬底3可以是掺杂有N类杂质的衬底，也可以是掺杂有P类杂质的衬底。衬底3的掺杂浓度可以有多种，如该衬底3可以是轻掺杂的衬底(如P-衬底，N-衬底)，也可以是中掺杂的衬底(如P衬底，N衬底)，或者也可以是重掺杂的衬底(如P+衬底，N+衬底)。其中，+、-表示衬底的掺杂浓度。对于重掺杂的衬底，可以在重掺杂层上再生长一层轻掺杂的外延层，使得该外延层和重掺杂层共同形成衬底。

该衬底3具有P型区1和N型区2，该P型区1和N型区2可以是通过离子注入或者热扩散方式制作的，或者可以是通过外延工艺制作的。例如，可以通过在衬底上分别注入P类离子和N类离子，对应形成P型区和N型区。又如，也可以在P(N)型衬底上外延生长N(P)型外延层，直接形成PN结。

在P型区1和N型区2之间形成有耗尽区，该耗尽区可以包括P耗尽区12和N耗尽区22。由于耗尽区12、22的存在，P型区1可以被划分为P中性区13和P耗尽区12，N型区2可以被划分为N中性区23和N耗尽区22。光子入射时有几率在P中性区13、P耗尽区12、N耗尽区22、N中性区23以及衬底3上被吸收，从而使处于价带上的电子跃迁至导带，形成电子空穴对，该电子空穴对可以称为光生载流子。

光电转换器件在反向偏置电压的作用下，绝大部分电势降在耗尽区12、22上，在耗尽区12、22产生较强的电场，其他区域的电场强度较弱。耗尽区12、22的电场牵引耗尽区12、22的电子空穴对分离，分别被N型区2和P型区1上的电极吸收，产生光生电流。反向偏置电压越大，光生载流子经电场加速后的能量越大，就有可能通过碰撞晶体电离产生新的载流子，从而增大光电转换器件转换的光强或电流的增益。

当反向偏置电压继续增大，超过雪崩击穿电压，强电场下电离产生的电子-空穴对大概率再通过碰撞产生新的电子-空穴对，载流子的增加将会自持，倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样越滚越大，反向电流剧增，甚至达到mA量级，这样的现象称之为雪崩效应，通过检测雪崩电流可以感测单个光子。PN结界面处的电场最强，碰撞电离主要发生在此，称为雪崩区，如图2所示的雪崩区14，雪崩区14为耗尽区12、22的部分区域。

除了耗尽区12、22，中性区13、23产生的光生少数载流子大多会被中性区13、23的多数载流子复合，但也有少部分通过扩散的方式进入耗尽区12、22，与耗尽区12、22的光生载流子一样被电场牵引加速，触发雪崩，从而提高雪崩发生概率。

被衬底吸收的光子，同样也可以产生电子-空穴对，但由于离耗尽区12、22较远，最终往往复合湮灭。

光子探测效率是衡量光电转换器件探测能力的关键性因素。光子探测效率PDE与雪崩触发几率ε、光吸收效率η以及填充因子FF有关。填充因子表示光电转换器件的实际感光面积与整个器件的面积的占比。光子探测效率可以通过以下公式来表示：

PDE＝PDP×FF＝FF×∫η×ε

由上可知，雪崩光电二极管通过吸收光子，生成光生载流子，经电场牵引漂移碰撞，触发雪崩效应，感应雪崩电流来探测光信号。触发雪崩的光生载流子多位于耗尽区12、22，因此光子探测效率主要由耗尽区12、22决定。耗尽区12、22越宽，光吸收效率η越高，雪崩区电场强度越大，雪崩触发几率ε越高，但这两者都需要提高反向偏置电压，过高的电压在消费电子类产品中较难实现。

上文是以雪崩光电二极管为例进行描述的，可以理解的是，其他类型的光电转换器件的光子探测效率也是与耗尽区12、22的宽度和电场强度息息相关的。因此，受反向偏置电压大小的限制，光电转换器件的探测效率无法进一步提高。

考虑到只有扩散至耗尽区12、22的光生载流子才能产生光生电流，而在常温下光生载流子的扩散距离非常有限，这导致中性区13、23和衬底3对光子探测效率的贡献微乎其微。基于此，本申请实施例可以在中性区13、23和衬底3中施加漂移电场，牵引这些区域的光生载流子漂移至耗尽区12、22，以充分利用中性区13、23和衬底3中的光生载流子，来提高光子探测效率。

为了在中性区13、23和衬底3中施加漂移电场，一种方式是通过调节中性区13、23和衬底3的掺杂浓度来实现。如增大其远离耗尽区12、22的掺杂浓度，降低其靠近耗尽区12、22的掺杂浓度，使其呈现杂质浓度渐变式的分布，形成类似倒装阱的一种结构。由于不均匀的掺杂浓度会引起载流子的扩散，载流子的扩散导致在中性区13、23和衬底3上形成内建电场，该内建电场可以牵引中性区13、23和衬底3中的光生载流子漂移至耗尽区12、22，从而提高光子探测效率。

然而，中性区12、22和/或衬底3渐变式的掺杂分布的工艺流程较为复杂，不利于节约成本。

基于此，本申请实施例提供一种光电转换器件，能够简化工艺流程，降低成本。如图3-图6以及图8-图12所示，该光电转换器件可以包括衬底3、第一电极15、第二电极25以及第三电极。下面先结合图3-图6进行描述。

该衬底3可以是高纯度衬底，也可以是掺杂型衬底，如掺杂P类杂质的衬底，或者掺杂N类杂质的衬底。该衬底可以是轻掺杂的衬底、中掺杂的衬底、或者也可以是重掺杂的衬底。本申请实施例以衬底3为N-衬底为例进行描述。

该衬底3具有P型区1和N型区2，在P型区1和N型区2之间形成有耗尽区。P型区1可以为中掺杂的区域，即P型区1为P区，N型区2可以为重掺杂的区域，即N型区2为N+区。P型区1和N型区2可以靠近器件的顶面设置。N型区2可以位于P型区1的上方，或者P型区1也可以位于N型区2的上方。

对于P型衬底而言，N型区2位于P型区1的上方。例如，N型区2可以位于器件的顶面位置。第三电极可用于将非耗尽区中的电子牵引至耗尽区，以提高光子探测效率。可以理解的是，对于N型衬底而言，P型区会位于N型区的上方。例如，P型区可以位于器件的顶面位置，第三电极可用于将非耗尽区中的空穴牵引至耗尽区，以提高光子探测效率。

由于电子的漂移速度大于空穴的漂移速度，因此，目前使用最多的是将非耗尽区的电子牵引至耗尽区的方案。本申请实施例也主要以将非耗尽区中的电子牵引至耗尽区的方案为例进行描述。

第一电极15和第二电极25分别与P型区1和N型区2电连接，第一电极15也可以称为P电极，第二电极25也可以称为N电极。当光电转换器件为光电二极管时，第一电极15也可以称为阳极，第二电极25也可以称为阴极。第一电极15上的电压可以为P型区1提供电压，第二电极25上的电压可以为N型区2提供电压。在光电转换器件处于反向偏置电压状态下时，第一电极15上的电压V1小于第二电极25上的电压V2。

第一电极15和第二电极25分别与P型区1和N型区2电连接，可以指第一电极15与P型区1直接连接，第二电极25与N型区2直接连接；或者，也可以指第一电极15与P型区1间接连接，第二电极25与N型区2间接连接；或者，也可以指第二电极25与N型区1直接连接，第一电极15与P型区1间接连接。如图3和图5所示，衬底3上设置有重掺杂的P+区4，第一电极15设置在P+区上，第一电极15通过P+区4、衬底3为P型区1提供电压。如图4和图6所示，衬底3上设置有重掺杂的P+区4，第一电极15设置在P+区上，第一电极15通过P+区4为P型区1提供电压。

为了防止PN结的边缘过早击穿，本申请还可以在PN结的侧边设置保护环。如图4和图6所示，可以在PN结的侧边设置轻掺杂的N-区6。

为了避免光电转换器件光电转换器件中的电流与邻近的半导体设备之间产生干扰，该光电转换器件的侧边还设置有隔离槽7。

在图3-图6所述的结构中，在器件的侧边和底部还设置有重掺区域4，由于重掺区域4与其他区域的掺杂浓度不一致，该重掺区域4可以在非耗尽区产生牵引电场(如图3-图6中的带箭头的电场线)，以牵引非耗尽区的光生载流子朝向耗尽区移动。另外，由于只重掺在局部区域，由掺杂浓度不一致导致的内建电场的作用范围有限，为此可以在重掺区域4上施加偏置电压，该偏置电压可以由第三电极提供。通过电势差在非耗尽区中形成外建电场，牵引非耗尽区中的光生载流子漂移到耗尽区，提高光子探测效率。

由于该重掺区域4从器件的底部连通至器件的表面，如图3-图6所示的类似U形的重掺区域，因此，第三电极可以复用第一电极15，即第三电极与第一电极15为同一个电极。侧边和底部的重掺区域4与第一电极15相连，偏置在V1电势。第一电极15既能为P型区1提供电压，也能够为重掺区域4提供电压。第一电极15能够增强重掺区域4在非耗尽区产生的电场强度，从而可以提高光子探测效率。

图3和图4示出的是前照式的器件结构，光从器件的顶面入射。图5和图6示出的是背照式的器件结构，光从器件的背面入射。背照式的器件需要在做完顶面工艺过后，再将晶圆翻转进行减薄和磨平处理。例如，图5、图6所示的结构可以是在图3、图4所示结构的基础上，对衬底3进行减磨形成的。

相比于渐变式的掺杂方式，图3-图6所示的结构没有在大范围的区域进行掺杂调节，而是只在器件的侧边和底边进行重掺，以达到牵引非耗尽区中的光生载流子漂移至耗尽区的效果。因此，相比于渐变式的掺杂方式，图3-图6所示的结构有利于简化工艺，节约成本。

但是图3-图6所示的结构仍需要对衬底进行复杂的掺杂操作，需要在衬底上形成一个类似U型的重掺区域，以将第一电极电连接至重掺区域，这种方式仍存在工艺复杂的问题。

基于此，本申请实施例提出一种能进一步简化工艺、节约成本的方案。如图8-图16所示，通过在衬底3的合适的位置布置第三电极8，该第三电极8不同于第一电极15和第二电极25，利用电势差在非耗尽区产生电场(如图8-图16中带箭头的电场线)，该电场使得非耗尽区的光生载流子朝向耗尽区移动，以提高光子探测效率。与图3-图6所示的需要在衬底3上制作复杂的掺杂区域的结构相比，该第三电极8可以与衬底3上其他电极的制作工艺兼容，从而能够简化工艺，节约成本。

图8-图12是在图7所示的光电转换器件结构基础上的改进，其中，图7示出的是一种未布置第三电极8的器件结构的示意图，图8-图12是在图7所示结构基础上增加第三电极8的结构示意图。图8-图12增加第三电极8后，非耗尽区的电场强度相比于图7有所增加。可以理解的是，图7所示的结构仅是一种示例，本申请实施例的光电转换器件不局限于图7所示的结构，也可以是其他结构的光电转换器件。

在图7-图12所示的结构中，衬底3为P-衬底，P型区1的掺杂浓度高于衬底3的掺杂浓度，可以将P型区1记为P区，区域31的掺杂浓度高于P型区1，可以将区域31记为P+区。N型区2为重掺杂的区域，可以记为N+区，N型区2位于P型区1的上方。第一电极15与区域31相连，用于通过区域31、衬底3为P型区1提供电压。第二电极25与N型区2相连，用于为N型区2提供电压。在反向偏置状态下，第一电极15上的电压V1小于第二电极上的电压V2。

此外，为了避免光电转换器件中的电流与邻近的半导体设备之间产生干扰，该光电转换器件的侧边还设置有隔离槽7。该隔离槽7可以是不导电的材料。例如该隔离槽7可以由二氧化硅制成。该隔离槽可以为隔离深槽(deep trench isolation，DTI)。

本申请实施例对第三电极8的设置位置不做具体限定。该第三电极8可以设置在衬底3的背部，或者可以设置在衬底3的侧边，或者也可以同时设置在衬底3的背部和侧边。

第三电极8设置在衬底3的背部时，第三电极8可以理解为一个电极层，其可以在非耗尽区产生从衬底3顶面指向衬底3背部的纵向电场，纵向电场可以牵引非耗尽区的光生载流子向耗尽区移动，如图8-图10所示。

第三电极8可以设置在衬底3的背部上位于衬底3两侧的隔离槽7之间的区域，如图8和图10所示，第三电极8可以设置在两侧隔离槽7之间的位置。或者，第三电极8也可以设置在与隔离槽7对应的位置。与隔离槽7对应的位置可以指衬底3背部上隔离槽所在的位置，如图9中第三电极8所在的位置。将第三电极8设置与隔离槽7对应的位置，可以减小第三电极8对光信号的遮挡，有利于提高光子探测效率。

为了使第三电极8在非耗尽区产生更均匀的电场，第三电极8可以位于衬底3背部的中心位置，如图10所示，或者可以相对中心位置对称分布，如图8和图9所示。

本申请实施例对第三电极8的形状不做具体限定，第三电极8可以为连续环状，如圆环，或者第三电极8可以为散点块状。具体地，第三电极8可以在衬底3的背部呈连续环状或散点块状布置。

第三电极8的面积越大，在非耗尽区产生的电场越强，但会影响入射光的有效面积，减小FF，降低光电转换器件的探测效率。因此，第三电极8的位置和面积大小可以经过合理优化进行确定。

除了背部之外，第三电极8也可以设置在衬底3的侧边，侧边可以指衬底3外表面，或者也可以指衬底3的靠近外表面的位置，如可以指衬底3侧边的隔离槽，第三电极8可以设置在衬底3侧边的隔离槽7内。当对侧边的第三电极8施加电压时，该第三电极8可以在非耗尽区产生横向漂移电场，通过横向漂移电场可以牵引非耗尽区的光生载流子朝向耗尽区移动。另外，设置在侧边的第三电极8还不会对入射光信号造成遮挡，有利于提高光子探测效率。

该第三电极8可以位于隔离槽7内在深度方向上的部分或全部区域，即第三电极8可以沿隔离槽7的全部深度方向进行设置，如图11所示，或者第三电极8可以仅沿隔离槽7的部分深度方向进行设置，如图12所示。其中，隔离槽的深度方向可以指衬底的厚度方向。

当第三电极7沿隔离槽的整个深度方向进行设置时，第三电极8可以从衬底3的顶面引出，也可以从衬底3的背部引出。如果从衬底3的顶面引出，则第三电极8可以与第一电极15和第二电极25连接至一个外部处理器(或称处理芯片)，该处理器可对三个电极的电压进行调节。如果从衬底3的背部引出，则第三电极8可以连接至一个单独的处理器，该处理器可以对第三电极8上的电压进行调节。

本申请实施例还可以同时在衬底的侧边和背部设置第三电极，如第三电极可以包括设置在衬底的背部的电极和隔离槽中的电极。隔离槽中的电极与背部的电极可以相连，也可以不相连。如果隔离槽的电极与背部的电极相连，则可以仅需要一个供电端即可为隔离槽和背部的电极同时提供电压。

对于图8-图12来说，由于中性区和衬底均为低掺，导电率不高，第三电极8的电场分布局限在第三电极8的周围，其他位置的电场强度较低。基于此，本申请实施例还可以在衬底3的背部设置一层导电层9，并将该导电层9与第三电极8电连接，从而可以在第三导电层9的周围产生均匀的电场，提高电场的增益以及分布的均匀性，如图13-图15所示。

该导电层9可以为衬底3的一部分，该导电层9可以是衬底3上的重掺杂层。例如，该导电层9可以是通过对衬底3的背部进行重掺杂形成的，或者如果衬底3本身为重掺杂衬底，该导电层9可以是将衬底进行研磨减薄形成的。

第三电极8与导电层9电连接，该第三电极8的布置位置可以与图8-图12所示的布置位置类似。例如，第三电极8可以位于衬底3的背部，并与导电层9电连接，如图13所示。又例如，第三电极可以位于隔离槽7中，并与导电层9电连接，如图14和图15所示。

如图14和图15所示，第三电极8可以从隔离槽7延伸至衬底3的背部，并沿与衬底3背部平行的方向进行延伸，以与导电层9电连接。图14示出的是第三电极8占满整个隔离槽7区域的示意图，图15示出的是第三电极仅占用隔离槽7的部分区域的示意图。

需要说明的是，对于P型衬底而言，第三电极8的电压可以设置成小于第二电极25的电压，换句话说，第三电极8的电压可以被配置为：当第一电极15和第二电极25的电压设置使光电转换器件处于反向偏置状态时，第三电极8的电压小于第二电极25的电压。也就是说，施加在第三电极8上的电压范围可以调节，只要第三电极8的电压小于第二电极25的电压即可。由于第三电极8与第二电极25之间存在电压差，因此，就可以在第三电极8与第二电极25之间形成电场，且第三电极8与第二电极25之间的电压差越大，形成的电场强度就越大。第三电极8与第二电极25之间电压差在非耗尽区产生漂移电场，该电场可以将非耗尽区的电子牵引至耗尽区。

第三电极8的电压V3可以与第一电极15的电压V1相等，也可以不等，如第三电极8的电压V3可以小于第一电极15的电压V1。如果第三电极8的电压V3等于第一电极15的电压V1，则可以减少第三电极8与第一电极15之间的电流泄露。如果第三电极8的电压V3不等于第一电极15的电压V1，就有可能在第三电极8与第一电极15之间产生漏电流，影响光子探测效率。

为了避免电流泄露，本申请实施例还可以在衬底3的背部设置一层绝缘层10，如图16所示。第三电极8设置在绝缘层10上，而不是直接与衬底3相接触，第三电极8透过绝缘层10在非耗尽区产生电场，可以减少第三电极8与第一电极15之间的电流泄露。另外，绝缘层10还能减小界面缺陷态的影响。

对于N型衬底而言，第三电极的电压可以设置成大于第一电极的电压，换句话说，第三电极的电压可以被配置为：当第一电极和第二电极的电压设置使光电转换器件处于反向偏置状态时，第三电极的电压大于第一电极的电压。也就是说，施加在第三电极上的电压范围可以调节，只要第三电极的电压大于第一电极的电压即可。由于第三电极与第一电极之间存在电压差，因此，就可以在第三电极与第一电极之间形成电场，且第三电极与第一电极之间的电压差越大，形成的电场强度就越大。第三电极与第一电极之间电压差在非耗尽区产生漂移电场，该电场可以将非耗尽区的空穴牵引至耗尽区。

第三电极的电压V3可以与第二电极的电压V2相等，也可以不等，如第三电极的电压V3可以大于第二电极的电压V2。如果第三电极的电压V3等于第二电极的电压V2，则可以减少第三电极与第二电极之间的电流泄露。如果第三电极的电压V3不等于第二电极的电压V1，就有可能在第三电极与第二电极之间产生漏电流，影响光子探测效率。

为了避免电流泄露，本申请实施例还可以在衬底的背部设置一层绝缘层。第三电极设置在绝缘层上，而不是直接与衬底相接触，第三电极透过绝缘层在非耗尽区产生电场，可以减少第三电极与第二电极之间的电流泄露。另外，绝缘层还能减小界面缺陷态的影响。

上文的图7-图16仅是本申请实施例提供的光电转换器件的一种示例性的结构，本申请实施例并不限于此。该光电转换器件还可以包括比上文介绍的光电转换器件更少或更多的结构。例如，还可以在衬底上设置绝缘层和/或多个电极层。下面结合图17，给出光电转换器件的结构的另一种可能的实现方式。

图17所示的器件在P重掺杂区31的周围还设置有P中掺杂区32，P中掺杂区32的掺杂浓度介于P重掺杂区31与P轻掺杂衬底3之间。在N型区2上还设置有N重掺杂区33，且N重掺杂区33的掺杂浓度大于N型区2的掺杂浓度。

可以理解的是，图17中的P重掺杂区31也可以称为P电极接触区；N重掺杂区33也可以称为N电极接触区。

在衬底的顶面还可以设置有绝缘层38，在绝缘层38上设置有电极层，该电极层包括第一电极15和第二电极25。在绝缘层38上还设置有通孔34，该通孔34用于将第一电极15和第二电极25分别电连接至P重掺杂区31和N重掺杂区33。

在设置完电极层之后，还可以继续在电极层上设置绝缘层39，并在该绝缘层39上设置金属层36，该金属层36通过绝缘层39上的通孔35电连接至电极层。

可以理解的是，绝缘层38可以与绝缘层39通过生长的工艺形成，在该情况下，绝缘层38和绝缘层39可以为一体式的结构，即绝缘层38和绝缘层39为一个绝缘层。

在衬底的背面还可以设置绝缘层37，第三电极8设置在衬底3与绝缘层37之间。图17示出的是第三电极8直接设置在衬底3的背面的情况，本申请实施例还可以在第三电极8与衬底3之间再设置一层绝缘层，然后将该第三电极8设置在该绝缘层上，如与图16类似的结构，在第三电极8与衬底3之间设置绝缘层10。

为了验证本申请方案的可行性，本申请实施例还对图7和图8所示的结构进行了模拟验证。图18和图19是以光电转换器件剖面图中心位置垂直方向上的纵向电场强度为例，经半导体工艺模拟以及器件模拟工具模拟验证的验证结果，图18示出的是图7所示的结构的纵向电场强度的分布图，图19示出的是图8所示的结构的纵向电场强度的分布图。从图18和图19虚线框中的区域可以看出，不加第三电极的传统结构，中性区和衬底的纵向电场强度基本为0，光生载流子绝大多数原地复合湮灭。与传统不加第三电极的结构相比，当第三电极被施加电压V3时(以V3等于V1为例)，增加第三电极的结构在中性区和衬底中存在明显上翘的牵引电场，强度在1E4 V/cm左右，证明了该新结构的可行性。

本申请实施例的非耗尽区可以包括衬底的以下区域中的一种或多种：P型区的中性区，N型区的中性区，以及衬底的除P型区和N型区之外的区域，如衬底的除P型区和N型区之外的中性区域。例如，非耗尽区可以包括衬底3上除N型区2和P型区1之外的区域。又例如，非耗尽区可以包括衬底3的除N耗尽区和P耗尽区之外的区域，以图2为例，非耗尽区可以包括N中性区、P中性区以及衬底的除P型区和N型区之外的区域。

对于雪崩光电二极管来说，该雪崩光电二极管可以包括位于耗尽区内的雪崩区，雪崩区为耗尽区中电场强度最强的区域，第三电极可用于将非雪崩区的光生载流子牵引至雪崩区，以提高雪崩发生概率。可选地，该雪崩光电二极管可以为背照式单光子雪崩光电二极管。

图7-图17示出的是一种背照式的光电转换器件，本申请实施例也可以在前照式的光电转换器件背部布置第三电极，以在非耗尽区产生牵引电场。

上文是以N型区位于P型区上方为例进行描述的，当然，P型区也可以位于N型区上方，如将图7-图17中的N区和P区的位置进行调换，在该情况下，可以通过第三电极在非耗尽区产生向上的牵引电场，以牵引非耗尽区的空穴朝向耗尽区移动。在该情况下，第三电极的电压可以大于第一电极的电压，第三电极的电压可以与第二电极的电压相等，也可以与第二电极的电压不等。

本申请实施例还提供一种感测装置，该感测装置可以包括上文描述的任一种光电转换器件，该感测装置可以感测光电转换器件在被光照射时产生的电流信号。该感测装置可以包括阵列排布的光电转换器件。该感测装置可以为感测芯片或感测电路。该感测装置例如可以为接近传感器、飞行时间(time of flight，TOF)传感器等。

本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备可以包括上文描述的感测装置，该电子设备可以根据感测装置感测到的电流信号执行相应的功能。

所述相应功能包括但不限于识别使用者身份后解锁、支付、启动预设的应用程序、避障、识别使用者脸部表情后利用深度学习技术判断使用者的情绪和健康情况中的任意一种或多种。

该电子设备可以为测距设备、3D成像设备。测距设备例如可以为雷达测距设备。

该电子设备例如但不局限于为消费性电子产品、家居式电子产品、车载式电子产品、金融终端产品等合适类型的电子产品。其中，消费性电子产品例如但不局限为手机、平板电脑、笔记本电脑、桌面显示器、电脑一体机等。家居式电子产品例如但不局限为智能门锁、电视、冰箱、穿戴式设备等。车载式电子产品例如但不局限为车载导航仪、车载数字视频光盘(digital video disc，DVD)等。金融终端产品例如但不局限为自动取款机(asynchronous transfer mode，ATM)机、自助办理业务的终端等。

上文结合图1-图19，详细描述了本申请的装置实施例，下面结合图20，详细描述本申请的方法实施例。应理解，装置实施例的描述与方法实施例的描述相互对应，因此，未详细描述的部分可以参见前面装置实施例。

图20是本申请提供的一种光电转换器件的制造方法的示意性流程图，该方法包括步骤S110-S140。

S110、提供一衬底。该衬底可以为晶圆衬底。

S120、在所述衬底上形成P型区和N型区，所述P型区和所述N型区之间形成有耗尽区。可选地，可以通过对衬底的顶部进行掺杂和退火处理，形成P型区和N型区。

S130、在所述衬底的顶面设置分别与P型区和N型区电连接的第一电极和第二电极。

具体地，可以在形成P型区和N型区的同时，在衬底的顶面形成第一电极接触区和第二电极接触区。例如，可以在进行掺杂和退火处理的过程中，在衬底的顶面同时形成P型区、N型区、第一电极接触区和第二电极接触区。

以图17为例，本申请实施例可以在衬底3上形成P型区1、N型区2、P电极接触区31，以及N电极接触区33。在形成P型区、N型区以及电极接触区之后，可以在衬底的顶面生长绝缘层38，并在该绝缘层38上设置电极层，该电极层包括第一电极15和第二电极25。该电极层经绝缘层38中的通孔34与衬底3上的电极接触区相连。

进一步地，还可以在电极层上继续生长绝缘层39，在该绝缘层39上设置金属层36，该金属层经绝缘层39中的通孔35与电极层相连。

可选地，绝缘层38和绝缘层39可以为一个绝缘层。

如果光电转换器件为背照式器件，还可以将衬底的顶面键合在另一个晶圆载片上。

如果光电转换器件为背照式器件，还可以从衬底3的背面开始对衬底进行减薄处理，以减小到所需要的厚度。在对衬底3减薄处理之后，再在衬底3的背部设置第三电极8。

S140、在所述衬底的背部和/或隔离槽中设置第三电极。第三电极例如可以为金属电极。

可选地，在一些实施例中，所述制造方法还包括：对所述衬底的侧边进行深槽隔离工艺，形成隔离槽。例如，可以在衬底的顶面工艺完成后，将衬底翻转，进行背面工艺。如可以先对衬底进行减薄处理，然后从衬底的背面开始制作隔离槽。

可选地，在一些实施例中，所述在所述衬底的背部和/或隔离槽中设置第三电极，包括：在所述衬底背部的中心位置设置所述第三电极；或者，在所述衬底背部上相对衬底背部的中心位置对称的位置上布置所述第三电极。

可选地，在一些实施例中，所述在所述衬底的背部和/或隔离槽中设置第三电极，包括：在所述衬底的背部上位于衬底两侧的隔离槽之间的区域设置所述第三电极；或者，在所述衬底背部上与隔离槽对应的位置设置所述第三电极。与隔离槽对应的位置例如可以指的是衬底3背部上隔离槽所在的位置。

可选地，在一些实施例中，所述在所述衬底的背部和/或隔离槽中设置第三电极，包括：在所述隔离槽内设置所述第三电极。可选地，在所述隔离槽内沿深度方向上的部分或全部设置所述第三电极。

可选地，在一些实施例中，所述在所述衬底的背部和/或隔离槽中设置第三电极，包括：在所述衬底的背部设置导电层；在所述导电层上设置第三电极，使所述第三电极与所述导电层电连接。

可选地，在一些实施例中，所述在所述衬底的背部设置导电层，包括：对所述衬底的背部进行重掺杂，形成所述导电层。

可选地，在一些实施例中，所述在所述衬底的背部和/或隔离槽中设置第三电极，包括：在所述衬底的背部设置绝缘层；在所述绝缘层上设置所述第三电极。

可选地，在一些实施例中，第三电极包括设置在衬底背部上的电极和隔离槽内的电极，本申请实施例可以在衬底背部上和隔离槽内同时设置电极，并将背部上的电极与隔离槽内的电极相连。

可选地，在一些实施例中，所述光电转换器件为雪崩光电二极管。

可选地，在一些实施例中，对于背照式器件，在完成第三电极的设置之后，还可以在衬底的背部完成通孔、透镜、滤光片等半导体工艺。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种光电转换器件，其特征在于，包括：

衬底，具有P型区和N型区，且所述P型区和所述N型区之间形成有耗尽区；

第一电极和第二电极，分别与所述P型区和所述N型区电连接；

第三电极，设置于所述衬底，用于当所述第一电极和所述第二电极的电压设置使所述光电转换器件处于反向偏置状态时，在所述衬底的非耗尽区形成将在所述非耗尽区产生的光生载流子牵引至所述耗尽区的电场。

2.根据权利要求1所述的光电转换器件，其特征在于，

所述第三电极设置在所述衬底的背部；或者，

所述第三电极位于所述衬底的隔离槽内。

3.根据权利要求1所述的光电转换器件，其特征在于，所述第三电极包括设置在所述衬底的背部上的电极和设置在所述衬底的隔离槽内的电极，且设置在所述衬底背部上的电极与设置在所述隔离槽内的电极电连接。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光电转换器件，其特征在于，所述衬底还包括：

导电层，位于所述衬底的背部，且与所述第三电极电连接；或者，

绝缘层，设置在所述衬底的背部，所述第三电极设置在所述绝缘层上。

5.根据权利要求4所述的光电转换器件，其特征在于，所述导电层为重掺杂层。

6.根据权利要求1所述的光电转换器件，其特征在于，所述衬底为P型衬底，所述第三电极的电压小于所述第二电极的电压；或者，

所述衬底为N型衬底，所述第三电极的电压大于所述第一电极的电压。

7.根据权利要求1所述的光电转换器件，其特征在于，所述非耗尽区包括所述衬底的以下区域中的一种或多种：所述P型区的中性区，所述N型区的中性区，以及所述衬底的除所述P型区和所述N型区之外的中性区域。

8.根据权利要求1所述的光电转换器件，其特征在于，所述光电转换器件为背照式器件。

9.根据权利要求1所述的光电转换器件，其特征在于，所述光电转换器件为真空雪崩光电二极管、雪崩光电二极管和单光子雪崩光电二极管的其中一种，所述P型区和所述N型区之间形成有雪崩区，所述雪崩区为耗尽区的部分区域，所述第三电极用于形成将在所述非雪崩区产生的光生载流子牵引至所述雪崩区的电场。

10.一种感测装置，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的光电转换器件，所述感测装置用于感测所述光电转换器件在被光照射时产生的电流信号。

11.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求10所述的感测装置，所述电子设备用于根据所述感测装置感测到的电流信号执行相应的功能。

12.一种光电转换器件的制造方法，其特征在于，包括：

提供一衬底；

在所述衬底上形成P型区和N型区，所述P型区和所述N型区之间形成有耗尽区；

在所述衬底的顶面设置分别与所述P型区和所述N型区电连接的第一电极和第二电极；

在所述衬底的背部和/或隔离槽中设置第三电极，所述第三电极用于当所述第一电极和所述第二电极的电压设置使所述光电转换器件处于反向偏置状态时，在所述衬底的非耗尽区形成将在所述非耗尽区产生的光生载流子牵引至所述耗尽区的电场。

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