CN116469943A - 光敏元件及光电部件 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种光敏元件以及包括至少一个这样的光敏元件的光电部件。光敏元件(100、200)包括半导体基板(102、202)、在半导体基板(102、202)中形成的至少一个光敏区(108、208)、至少部分围绕光敏区(108、208)的非活性区、以及保护层(116、216)，该保护层具有使光敏区(108、208)不被保护层(116、216)覆盖的开口，其中，保护层(116、216)包括防反射涂层，该防反射涂层在300nm到1200nm之间的光谱范围的至少一部分中具有小于10％的反射率和小于0.1％的透光率。

Description

光敏元件及光电部件
技术领域
本公开涉及光敏元件以及包括至少一个这样的光敏元件的光电部件。
背景技术
光电部件在例如用于工业自动化或汽车应用、以及用于例如智能手机的消费产品的安全设备领域是众所周知的。
特别是，LIDAR(光探测和测距)技术将用于高级驾驶员辅助系统(ADAS)，并且是实现自主驾驶的关键技术。在这些LIDAR系统中，使用不同的探测器类型，它们基于不同的光敏元件如雪崩光电二极管(APD)和硅光电倍增管(SiPM)。
APD是二极管器件，其可以基于硅并且具有非常紧凑的尺寸、高量子效率和相对高的增益。下图显示了拉通型APD的内部结构，它由本征或轻掺杂的p型半导体构成，夹在两个重掺杂的p型和n型区域之间，其中p型区域在本征和n型区域之间。通过使用高掺杂的硅晶体，横跨p-n结保持很高的内场，这产生高的内增益。重掺杂的p区和n区作为与金属接触部连接的接触部工作。通过这些金属接触部，提供外部高反向偏置电压。
重掺杂的p区被制作得尽可能薄并作为入射光的窗口工作。电子从这个电子空穴对中朝向n区移动，在那里电子经受高场并获得足够的能量来释放次级电子。随着过程的进行这些次级电子也在这个高场中获得能量而释放三级电子，然后雪崩发生。这导致了内增益，其产生了高于噪声水平的电流脉冲并且可以通过二极管的电极读出。
由于它们的高灵敏度，APD容易受到由入射辐射的内反射造成的所谓的重象信号(ghost signal)的影响。
已经通过实验表明，目前的APD设计中，探测器的非活性区被金属覆盖，导致假阳性信号和降低的信噪比(SNR)。这些效应的来源主要是光被金属漫反射到光学活性区。此外，特别是在汽车应用中，必须满足在挑战性的环境条件下对保质期、长期稳定性和鲁棒性的极高需求。特别是，有利地满足汽车电子理事会(AEC)的要求。关于离散光电器件的认证，AECQ-102认证(AEC-Q102-Rev A，2020年4月6日)是相关的。AEC部件技术委员会是为可靠、高质量的电子元器件建立标准的标准化组织。满足这些规范的部件适合在恶劣的汽车环境中使用，而无需额外的部件级别的认证测试。这个网站提供由AEC部件技术委员会产生的技术文件。这些文档可以直接从www.aecouncil.com下载。
为了避免光敏元件和光电部件的损坏和失效，在大气条件下工作时，使用保护层作为钝化以防止腐蚀效应。施加这种钝化层涉及额外的制造步骤，从而提高了制造的复杂性和成本。因此特别需要减少内反射和提供保护免受环境影响的技术。
因此，还需要对现有的光敏元件和光电部件进行改进，以减轻或克服传统技术的缺点并且提供显著降低的制造成本和复杂性，并且提高精度和操作稳定性。
发明内容
该目的由独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
本公开基于提供防反射涂层的想法，该防反射涂层在光敏元件的那些不是活性的区域同时具有低反射和高吸收。
术语“活性区”是指光敏元件的敏感区，辐射进入该区域以被检测。如上所述，对于APD，活性区是重掺杂的p区，其作为入射光的窗口工作。
术语“光”是指在紫外至红外光谱范围内的电磁辐射，换句话说，不一定在可见光的光谱范围内。
根据本公开的光敏元件包括半导体基板、在半导体基板中形成的至少一个光敏区、至少部分围绕光敏区的非活性区、以及保护层，该保护层具有使光敏区不被该保护层覆盖的开口。
术语“保护层”是指保护光敏元件不受光的反射和/或导致腐蚀或类似情况的化学或物理的恶化影响的层。
保护层包括防反射涂层，该防反射涂层在300nm到1200nm之间的光谱范围的至少一部分中具有小于10％的反射率和小于0.1％的透光率。优选地，防反射涂层反射率小于10％的光谱范围基本上与光敏元件敏感的范围相同。对于一些APD来说，这可以是例如500nm和1000nm之间的或400nm到1000nm之间的光谱范围。
通过设置同时防反射并具有低透光率的层，可以避免入射辐射在非活性区的漫反射。因此，可以减少甚至完全避免由于这种内反射而导致的重象信号的产生，从而导致提高单个像素以及光敏元件阵列的信噪比。此外，取决于为防反射保护层选择的材料，保护层可以作为有效的钝化，其保护下面的层免受腐蚀和湿气的侵入。
为了在除了活性的光敏区之外的所有区域屏蔽光敏元件免受入射辐射，在保护层下方布置光屏蔽层。光屏蔽层对于在300nm到1200nm之间的光谱范围的至少一部分中的辐射具有小于0.1％的透光率。优选地，光屏蔽层透光率小于0.1％的光谱范围基本上与光敏元件敏感的范围相同。对于一些APD来说，这可以是例如500nm到1000nm或400nm到1000nm之间的光谱范围。
如果防反射涂层覆盖了用于接触布置在外围区域中的光敏元件的至少一个电接触部，则该防反射涂层是特别有效的。原因是电接触部由金属制成，并且因此当它们没有被覆盖时产生明显的反射。
特别地，电接触部可以包括围绕光敏区的环形金属层。这是对于APD的通常配置，其中防反射涂层在信噪比和精度方面产生了特别显著的改进。在保护层是导电的情况下，必须在电接触部和光屏蔽层之间提供电绝缘。
如上所述，本公开的想法可以有利地用于APD，其中因为其极高的灵敏度，光敏区包括雪崩光电二极管。然而，也有不同的光电探测器概念，例如Si光电倍增管，可以得益于本公开提供的解决方案。例如，光敏区可以形成雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)和/或光电倍增管(SiPM)的光敏区。
根据进一步有利的示例，光敏元件可以包括覆盖光敏区的第二防反射涂层，其中第二防反射涂层对300nm到1200nm之间的光谱范围的至少一部分中的辐射具有大于99％的透光率。优选地，第二防反射涂层透光率大于99％的光谱范围基本上与光敏元件敏感的范围相同。对于一些APD来说，这可以是例如400nm到1000nm之间、或者500nm到1000nm之间的光谱范围。
根据有利的示例，保护层包括钛/二氧化硅层和/或钛/五氧化二钽层和/或黑色抗蚀层。
当保护层包括钛/二氧化硅和/或钛/五氧化二钽层时，它可以作为下面的金属镀层的钝化层。
黑色抗蚀层可以是例如已公开的欧洲专利申请EP 2466341 A1第[0050]至[0197]段所述的黑色抗蚀剂。当保护层是这样的黑色抗蚀层时，可能需要额外的钝化。此外，在这种情况下，通过使用贵金属(例如铂)用于下面的金属镀层也可以改进抗腐蚀的总体鲁棒性。
有利地，光屏蔽层包括具有二氧化硅/氮化硅钝化层的铝层、铬/金层或铂层。
如本领域已知，APD的过早边缘击穿是负面地影响雪崩二极管的光子灵敏度的重要因素。提供防护环是防止雪崩二极管这样的过早击穿的有效方法。因此，根据本公开的光敏元件可以进一步包括围绕光敏区的环形防护二极管。特别地，防护二极管的电接触部可以包括被保护层覆盖的环形金属镀层。
本公开的原理可以应用于仅表示一个像素的光敏元件，但是也可应用于包括光敏区阵列的光敏元件。特别是对于LIDAR应用，光敏元件的单片阵列因其紧凑和精确而具有优势。
本公开进一步涉及光电部件，其包括至少一个如上所述的光敏元件，其中半导体基板附接到电接触半导体基板的背面接触部的载体上。
为了提供紧凑的、气密密封的探测器单元，光电部件可以进一步包括至少部分透明的包覆模制部。
特别是对于LIDAR应用，光电部件可以进一步包括至少一个辐射源，优选为激光二极管，用于在一个紧凑单元中设置辐射发射器和接收器。
附图说明
附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，以说明本发明的几个实施例。这些附图与说明书一起用于解释本发明的原理。这些附图仅用于说明如何制造和使用本发明的优选的和替代的示例，而不应被理解为将本发明限制到仅是所示出并描述的实施例。此外，实施例的几个方面可以单独地或以不同的组合形成根据本发明的解决方案。因此，下面描述的实施例可以被单独考虑或以其任意组合考虑。如附图中所示，从以下对本发明的各种实施例的更加具体的描述中，进一步的特征和优点将变得显而易见，附图中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：
图1是根据第一示例的光敏元件的示意性截面图；
图2是图1所示的光敏元件的示意性俯视图；
图3是根据进一步示例的光敏元件的示意性截面图；
图4是根据另一示例的光敏元件的示意性截面图；
图5是根据进一步示例的光敏元件的示意性截面图；
图6是光电部件的一部分的示意性截面图；
图7是另一个光电部件的一部分的示意性截面图。
具体实施方式
现在将参考附图并且首先参考图1更详细地解释本发明。
图1显示了根据本发明的示例的光敏元件100的示意性截面图。在本示例中，光敏元件100包括雪崩光电二极管(APD)，其以晶圆工艺在硅半导体基板102中制造。该APD包括二极管104，其形成光电部件的探测器单元的单个像素。光敏元件100可以包括集成在同一基板102内的其他像素二极管104。
设置电接触部106用于电接触二极管104。二极管的电接触部可以包括例如金属层，例如铝或贵金属，例如铂。
导电层设置在与活性区108相对的表面上以作为背面接触部105。
为了避免光在活性区108周围的非活性区进入基板102，围绕活性区108布置光屏蔽层110。光屏蔽层110优选地包括金属层，例如铝层或铂层。然而，也可以使用其他的光屏蔽材料。如果光屏蔽层110是导电的，则必须在光屏蔽层110和电接触部106之间设置电绝缘层112。在光敏元件100制造为CMOS(互补金属氧化物半导体)部件的情况下，电绝缘层112可以有利地由二氧化硅形成，特别是作为场氧化物层。在本示例中，电接触部106形成了雪崩二极管的阳极，光屏蔽层110形成了雪崩二极管的阴极。
光学活性区108覆盖有防反射涂层114。该防反射涂层114优选地对300nm到1200nm之间的光谱范围内的辐射具有大于99％的透光率。特别地，防反射涂层114优选地对500nm到1000nm之间的光谱范围内的辐射具有大于99％的透光率。该防反射涂层114的材料可以是例如光学透明的单层或两种或两种以上材料的多层涂层。
如在本领域中所知，可以从原子层沉积法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、物理气相沉积、电子溅射、离子束溅射、磁控反应溅射和它们的组合中选择的方法制成防反射涂层114。防反射涂层114可以包括至少一种从由AI2O3、TiO2、ZnO、HfO2、HfSiO、SiO2、MgO、Ta2O5、ZrO2组成的氧化物材料组中选择的材料，和/或包括至少一种从由AlN、HfN、SiNx、Si3N4、TaN、TiN组成的氮化物材料组中选择的材料。此外，防反射涂层114可以包括或由导电或半导体材料(例如氧化铟锡(ITO))组成。
根据本公开，活性区108覆盖有透光率特别高的防反射层114，其余非活性区则设置有防反射并且同时透光率特别低的保护层116。特别地，保护层116有利地包括防反射涂层，该防反射涂层在300nm到1200nm之间的光谱范围的至少一部分中具有小于10％的反射率和小于0.1％的透光率。优选地，防反射涂层反射率小于10％的光谱范围基本上与光敏元件敏感的范围相同。对于一些APD来说，这可以是例如500nm到1000nm之间的光谱范围。通过设置同时防反射并具有低透光率的层，可以避免入射辐射在非活性区的漫反射。因此，可以减少甚至完全避免由于这种内反射而产生的重象信号，从而导致提高单个像素以及光敏元件阵列的信噪比。此外，取决于为防反射保护层选择的材料，保护层116可以作为有效的钝化，其保护下层免受腐蚀和湿气的侵入。
保护层116可以包括例如钛/二氧化硅层和/或钛/五氧化二钽层和/或黑色抗蚀层。当保护层116包括钛/二氧化硅和/或钛/五氧化二钽层时，保护层116可以作为下面的金属镀层、即光屏蔽层110和电接触部106的钝化层。
图2是图1的光敏元件100的示意性平面布局图。相同的附图标记用于相同的特征。在光学非活性区，布置芯片侧电连接部124，也称为接合焊盘(bond pad)。芯片侧电连接部经由导电连接结构126连接到电接触部106。芯片侧电连接部124经由接合线连接到电路载体上。芯片侧电连接部124可以包括多层结构的铝和铬层的金属镀层。例如，1.1μm的Al可以被60nm的Cr覆盖。
导电连接结构126可以包括从下文的组中选择的至少一种金属的金属层：Al、Cr、Ti、W、Ni、V，Al、Cr、Ti、W、Ni或V的氧化物，以及主要成分为Al、Cr、Ti、W、Ni或V的合金。导电连接结构126可以包括单层或多层结构。在多层结构的情况下，上述设计选项相应地适用于堆叠中的每一层。在多层结构的情况下，金属层可以形成顶层。在一个可能的例子中，该层堆叠可以由两层组成，例如铝层和在其上布置的铬层。
光屏蔽层110设置在光学活性区108周围。光屏蔽层110通过电绝缘层112与电接触部106电绝缘，该电绝缘层112例如由场氧化物形成。根据本公开，光敏元件100除活性区108以外的整个表面覆盖有如上所述的保护层116。为了不模糊图2的绘制，保护层116仅由透明的阴影线示意。应当注意，接合焊盘124可以保持敞开(如图所示)或可以用保护层116覆盖。在后一种情况下，保护层116在接合过程中被打开。
如果保护层116由黑色抗蚀剂形成，则保护层116的构造可以通过任何标准的减成法微结构工艺实现，例如光刻。替代地，也可以使用加成技术，例如打印。如果保护层116包括无机黑色层，例如钛/二氧化硅层和/或钛/五氧化二钽层，则可以通过使用电子和/或离子辅助沉积技术进行沉积和构造。此外可以使用本领域合适且已知的剥离技术。
图3显示了图1的光敏元件100的修改例。在保护层116是导电的情况下，电接触部106和光屏蔽层110不被保护层116短路是重要的。如图3所示，可以设置电绝缘间隙115用于将电接触部106和光屏蔽层110相互间隔开。
参考图4，具有防护环的光敏元件200的例子将在下面解释。
如上所述，设置防护环是防止雪崩二极管过早击穿的有效方法。因此，根据本公开的进一步示例的光敏元件200可以进一步包括围绕光敏区的环形防护二极管218。特别地，防护二极管218的电接触部220可以包括被保护层216覆盖的环形金属镀层。防护二极管可以具有圆形环形形状、多边形环形形状或围绕光敏区的任何其他合适的轮廓。
在本示例中，光敏元件(200)包括APD，该APD以晶圆工艺在硅半导体基板202中制造。该APD包括二极管204，二极管204形成光电部件的探测器单元的单个像素。光敏元件200可以包括集成在同一基板102内的其他像素二极管204。
设置电接触部206用于电接触二极管204。二极管204的电接触部206可以例如包括金属层，例如铝或贵金属，例如铂。
导电层设置在与活性区208相对的表面上以作为背面接触部205。
为了避免光在活性区208周围的非活性区进入基板202，围绕活性区208布置光屏蔽层210。光屏蔽层210优选地包括金属镀层，例如铝层或铂层。但是，也可以使用其他的光屏蔽材料。
光学活性区208覆盖有防反射涂层214。该防反射涂层214优选地对300nm到1200nm之间的光谱范围内的辐射具有大于99％的透光率。特别地，防反射涂层214优选地对500nm到1000nm之间的光谱范围内的辐射具有大于99％的透光率。该防反射涂层214的材料可以例如是光学透明的单层或两种或两种以上材料的多层涂层，如已经参照图1和图2所描述的。
在电接触部206周围，在基板202中植入防护二极管218。防护二极管218通过防护二极管接触部220被电接触。防护二极管接触部220可以由金属镀层形成，例如包括铝或贵金属如铂。
在光屏蔽层210与防护二极管接触部220之间、以及在防护二极管接触部220与电接触部206之间设置电绝缘层212。在光敏元件200制造为CMOS部件的情况下，电绝缘层212可以有利地由二氧化硅形成，特别是作为场氧化物层。
如对于图1所示示例所解释的，活性区208覆盖有透光率特别高的防反射层214，其余的非活性区则设置有防反射并且同时透光率特别低的保护层216。特别地，保护层216有利地包括防反射涂层，该防反射涂层在300nm到1200nm之间的光谱范围的至少一部分中具有小于10％的反射率和小于0.1％的透光率。优选地，防反射涂层在其中反射率小于10％的光谱范围基本上与光敏元件敏感的范围相同。对于一些APD来说，这可以是例如500nm到1000nm之间的光谱范围。通过设置同时防反射并具有低透光率的层，可以避免入射辐射在非活性区的漫反射。因此，可以减少甚至完全避免由于这种内反射而产生的重象信号，从而导致提高单个像素以及光敏元件阵列的信噪比。此外，取决于为防反射保护层选择的材料，保护层216可以作为有效的钝化，其保护下面的层免受腐蚀和湿气的侵入。
保护层216可以包括例如钛/二氧化硅层和/或钛/五氧化二钽层和/或黑色抗蚀层。当保护层216包括钛/二氧化硅和/或钛/五氧化二钽层时，保护层216可以作为下面的金属镀层的钝化层，即作为光屏蔽层210、防护二极管接触部220和电接触部206的钝化层。
图5显示了图4的光敏元件200的修改例。在保护层216是导电的情况下，电接触部206、防护二极管接触部220和光屏蔽层210不被保护层216短路是重要的。如图5所示，可以设置电绝缘间隙215用于将电接触部206、防护二极管接触部220和光屏蔽层210相互间隔开。
图6显示了根据本公开的第一示例的光电部件300的示意性截面图。虽然在本图中显示了没有防护二极管的光敏元件100，但很明显也可以使用具有如图4所示的防护二极管的光敏元件200。
光电部件300包括电路载体302，该电路载体可以由印刷电路板(PCB)、柔性电路载体、例如直接铜键合(DCB)基板的陶瓷电路板，或任何其他合适的载体材料形成。例如，载体302是聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)薄膜和/或FR4层压板的聚合物支撑基板。此外，载体302可以是柔性的或刚性的，也可以是几种材料的组合。
根据本公开的技术也可以有利地用于三维基板结构，例如通过3D打印或注塑模制生产的结构。三维电路载体具有注塑模制的塑料部件作为基本基板，并且导体轨道施加于其表面。该技术被称为机电一体化设备(MID)。三维电路载体将机械和电子功能结合在一个部件中以减少空间需求和重量。
光敏元件100(或200，未在图中显示)通过粘合剂308或焊接连接附接到电路载体302。电路载体302包括导电连接部，例如接合焊盘306和导电引线304用于分别连接到芯片侧电连接部124和背面接触部105。虽然图6显示了接合连接部310，当然也可以使用其他合适的接触器件。
根据图6所示的示例，保护层116不仅施加到光敏元件100的上表面，还施加到电路载体302和粘合层308的侧壁和可接取表面。在图6的示例中，光学活性区108以及接合焊盘124和306不被保护层116覆盖。在已经沉积保护层116之后建立接合连接部310。
图7显示了光电部件400，其与图6所示的光电部件300基本相同，不同之处是保护层116也覆盖接合连接部310。
总之，本公开提供了对现有APD的问题的解决方案，现有APD中的问题是探测器的非活性区被金属覆盖，导致假阳性信号和降低的信噪比。这种重象信号的来源主要是光被金属漫反射到光学活性区。在本公开中，使用各种技术来沉积防反射层(高吸收)以覆盖APD的非活性区以消除大于90％的反射光。此外，APD被设计成、并且层堆叠被制造成使其可能与AECQ-102认证兼容。通过使用例如溅射或电阻技术来沉积保护层以在光屏蔽金属上覆盖防反射涂层，可以改进探测器的信噪比。该技术通过吸收非活性区的光来限制探测器的有效合成放大并且也可以提供管芯的有效钝化。
附图标记列表
附图标记 描述
100、200 光敏元件
102、202 半导体基板
104、204 APD像素二极管
105、205 背面接触部
106、206 电接触部
108、208 活性区；光敏区
110、210 光屏蔽层
112、212 电绝缘层
114、214 在活性区上的防反射涂层
115、215 电绝缘间隙
116、216 保护层
122 第一光学非活性区
124 芯片侧电连接部
126 导电连接结构
218 防护二极管
220 防护二极管接触部
300、400 光电部件
302 载体
304 电连接部
306 电连接部
308 粘合剂
310 电互连；接合线

Claims (15)

1.一种光敏元件(100、200)，包括：
半导体基板(102、202)，
至少一个光敏区(108、208)，所述至少一个光敏区形成在所述半导体基板(102、202)中，
非活性区，所述非活性区至少部分地围绕所述光敏区(108、208)，以及
保护层(116、216)，所述保护层具有使所述光敏区(108、208)不被所述保护层(116、216)覆盖的开口，
其中，所述保护层(116、216)包括防反射涂层，所述防反射涂层在300nm到1200nm之间的光谱范围的至少一部分中具有小于10％的反射率和小于0.1％的透光率。
2.根据权利要求1所述的光敏元件，还包括光屏蔽层(110、210)，所述光屏蔽层布置在所述保护层(116、216)下方并且对于在300nm到1200nm之间的光谱范围的至少一部分中的辐射具有小于0.1％的透光率。
3.根据权利要求1或2所述的光敏元件，其中，用于接触所述光敏元件(100、200)的至少一个电接触部(124)布置在外围区域。
4.根据权利要求3所述的光敏元件，其中，所述电接触部(106、206)包括围绕所述光敏区(108、208)的环形金属层(126)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光敏元件，其中，所述光敏区(108、208)形成雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)和/或光电倍增管(SiPM)的光敏区。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光敏元件，还包括覆盖所述光敏区(108、208)的第二防反射涂层(114、214)，其中，所述第二防反射涂层(114、214)对于300nm到1200nm之间的光谱范围的至少一部分中的辐射具有大于99％的透光率。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光敏元件，其中，所述保护层(116、216)包括钛/二氧化硅层和/或钛/五氧化二钽层和/或黑色抗蚀层。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的光敏元件，其中，所述光屏蔽层(110、210)包括具有二氧化硅/氮化硅钝化层的铝层、铬/金层或铂层。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光敏元件，还包括围绕所述光敏区(208)的环形防护二极管(218)。
10.根据权利要求9所述的光敏元件，其中，所述防护二极管(218)的电接触部(220)包括环形金属镀层并且被所述保护层(216)覆盖。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光敏元件，包括光敏区的阵列。
12.一种光电部件(300、400)，包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的光敏元件(100)，其中，所述半导体基板(102)附接到载体(302)，所述载体电接触所述半导体基板(102)的背面接触部(105)。
13.根据权利要求12所述的光电部件，还包括至少部分透明的包覆模制部。
14.根据权利要求12或13所述的光电部件，还包括至少一个辐射源。
15.根据权利要求14所述的光电部件，其中，所述辐射源包括激光二极管。
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