CN117038678A - 光学传感器以及光电二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学传感器以及光电二极管，该光电二极管包括：第一光电二极管，包括P型基材以及信号输出区；电场提供结构，位在该P型基材内，用以接收电压来根据该电压提供电场，以吸引该P型基材内的电子；其中若该电压大于阈电压，会形成崩溃区，使得该信号输出区以及该电场提供结构间形成电流路径。

Description

光学传感器以及光电二极管
技术领域
本发明有关于光学传感器以及光电二极管，特别有关于具有不同感亮度的像素的光学传感器以及可改善光子侦测效率的光电二极管。
背景技术
近年来，光学测距装置越来越普及。这种光学测距装置具有用在撷取用在距离计算的图像的图像传感器。然而，传统图像传感器中的像素具有相同的感亮度。因此，可能会发生过曝问题，从而导致不准确的距离计算。例如，如果光学测距装置距离物体太近，图像传感器可能会接收到来自物体的强烈反射光，因而出现过曝问题。
此外，传统光电二极管可能因为其难以吸引深P型基材中的电子而具有较低的光子侦测效率。或者，P型基材需要耦接到负电压准位来克服这个问题。然而，某些电路的P型基材无法耦接到负电压准位。因此，这种结构可能增加设计具有光电二极管的IC(Integrated Circuit，集成电路)时的困难度。
发明内容
本发明一目的为公开一种包括具有不同感亮度的像素的光学传感器。
本发明另一目的为公开一种可以在不将P型基材耦接到负电压准位的情况下具有更好的光子侦测效率的光电二极管。
本发明一实施例公开了一种光学传感器，其特征在于，包括：第一像素，包括具有第一感亮度的第一光电二极管；第二像素，包括具有第二感亮度的第二光电二极管；其中该第一感亮度高于该第二感亮度。
本发明另一实施例公开了一种光电二极管，其特征在于，包括：P型基材；第一P掺杂区，位在该P型基材中，作为输出光传感信号的信号输出区；第一N掺杂区，位在该P型基材中，用以接收电压；第二P掺杂区，位在该P型基材中且位在该第一P掺杂区以及该第一N掺杂区下方；当该电压大于阈电压，该第二P掺杂区以及该第一N掺杂区间形成崩溃区。
本发明另一实施例公开了一种光电二极管，其特征在于，包括：第一光电二极管，包括P型基材以及信号输出区；电场提供结构，位在该P型基材内，用以接收电压来根据该电压提供电场，以吸引该P型基材内的电子；其中若该电压大于阈电压，会形成崩溃区，使得该信号输出区以及该电场提供结构间形成电流路径。
本发明另一实施例公开了一种光电二极管，其包括一基板、一第一收集层、一第一型井层、一第二型井层以及一第二收集层。基板具有一第一表面与一相对第一表面的第二表面，其中基板被划分有一偏压区与一讯号区。第一收集层形成在基板内且掺杂有一第一半导体材料，其中第一收集层位在偏压区与讯号区的范围内。第一型井层形成在基板内且配置在第一表面与第一收集层之间，其中第一型井层位在偏压区的范围内。第二型井层形成在基板内且配置在第一型井层与第一收集层之间，其中第二型井层位在偏压区与讯号区的范围内。第二收集层形成在基板内且掺杂有一第二半导体材料，其中第二收集层位在第一表面与第二型井层之间。
本发明另一实施例公开了一种光电二极管的制造方法，其至少包括以下步骤。首先，提供一基板，其中基板具有一第一表面与一相对第一表面的第二表面，基板被划分有一接地区、一偏压区与一讯号区。接着，使用一第一半导体材料以在基板内形成一第一收集层P3，其中第一收集层位在偏压区与讯号区的范围内。然后，在基板内形成一第一型井层，其中第一型井层配置在第一表面与第一收集层之间且位在偏压区的范围内。而后，在基板内形成一第二型井层，其中第二型井层配置在第一型井层与第一收集层之间且位在偏压区与讯号区的范围内。接着，在基板的第一表面上形成暴露出第一型井层的一凹槽。然后，使用一第二半导体材料以在基板的凹槽内形成一第二收集层。
根据前述实施例，由于光学传感器包括高感亮度像素和低感亮度像素，因此光学传感器可以选择性地选择合适的感亮度像素来感测光学数据或确保至少部分像素即使物体靠近也能正常工作。另外，本发明公开的光电二极管可以在不将P型基材耦接到负电压准位的情况下具有更好的光子侦测效率。
附图说明
图1A绘示了根据本发明一实施例的光电二极管的剖面图。
图1B绘示了根据本发明一实施例的，使用了图1A所示的光电二极管的光学测距装置的方块图。
图2A、图2B以及图2C绘示了根据本发明不同实施例的光电二极管的剖面图。
图3绘示了根据本发明一实施例的光电二极管耦接于电阻的示意图。
图4A为本发明一实施例的光电二极管的上视图。
图4B则为沿图4A的AA’线所绘示的结构示意图。
图5A至图5N为本发明一实施例的光电二极管的制作流程示意图。
图6A为本发明另一实施例的光电二极管的示意图。
图6B为本发明又一实施例的光电二极管的示意图。
图6C为本发明再一实施例的光电二极管的示意图。
其中，附图标记说明如下：
PDH高感亮度光电二极管
PDL1、PDL2低感亮度光电二极管
光L反射光RL
P-sub P基材
P+、PR P掺杂区
N掺杂区NR N+N掺杂区
AR主动区
CL光感测电流
VA偏压
NWa N井
PWb P井
NR1第一N掺杂区
NR2第二N掺杂区
NR3第三N掺杂区
PR1第一P掺杂区
PR2第二P掺杂区
PR3第三P掺杂区
PR4第四P掺杂区
NW1第一N井
PW1第一P井
PH 高感亮度像素
PL 低感亮度像素
IM 隔离结构
200 测距装置
201 光学传感器
203 光源
205 处理电路
207 物体
300a、300b、300c、400、400a、400b、400c光电二极管410 基板
420 第一收集层
430第一型井层
440 第二型井层
450第二收集层
410A偏压区
410B 讯号区
410C接地区
410S浅沟渠隔离结构
410O氧化绝缘层
422第一半导体材料
432第一重掺杂层
451第二半导体材料
460第一型半导体层
470缓冲材料层
482半导体材料连接层
484半导体材料接地层
486半导体材料隔绝层
482a、486a第二重掺杂层
具体实施方式
以下描述中的“第一”、“第二”以及类似描述仅用来定义不同的元件、参数、数据、信号或步骤。并非用以限定其次序。举例来说，第一装置和第二装置可为具有相同结构但为不同的装置。
图1A绘示了根据本发明一实施例的光电二极管的剖面图。在图1A中，符号PDH表示具有高感亮度的光电二极管(以下称为高感亮度光电二极管)，符号PDL1、PDL2表示低感亮度的光电二极管(以下称为低感亮度光电二极管)。感亮度是指光电二极管在接收相同强度的光时产生的电子数量。因此，在接收具有相同强度的光时，高感亮度光电二极管比低感亮度光电二极管产生更多的电子(即更大的电流)。
在图1A的实施例中，高感亮度光电二极管PDH的主动区(active region)AR的长度大于低感亮度光电二极管PDL1、PDL2的主动区AR的长度。如本领域技术人员所知悉，主动区AR是指可以将光子转换为电流的PN结(junction)区或NP结区。因此，主动区AR的长度是指沿着N掺杂区NR和P掺杂区PR的长度。在一实施例中，主动区AR是指P掺杂区和N掺杂区的投影的重叠区。
此外，在图1A的实施例中，高感亮度光电二极管PDH的尺寸(pitch)和低感亮度光电二极管PDL1、PDL2的尺寸相同。然而，高感亮度光电二极管PDH的尺寸和低感亮度光电二极管PDL1、PDL2的尺寸可以不同。因此，高感亮度光电二极管PDH的尺寸和低感亮度光电二极管PDL1、PDL的尺寸可以根据不同的需求进行设置。
在图1A的实施例中，高感亮度光电二极管PDH和低感亮度光电二极管PDLl、PDL中的每一个具有P型基材(substrate)P-sub、P掺杂区P+、P掺杂区PR和N掺杂区N+。P掺杂区P+的掺杂浓度高于P掺杂区PR的掺杂浓度。此外，N掺杂区N+的掺杂浓度高于N掺杂区NR的掺杂浓度。主动区AR位在P掺杂区PR和N掺杂区NR之间。请注意，图1A中公开的概念不限于应用于具有图1A所示结构的光电二极管。“通过主动区的长度设置光感度”的概念可以应用于具有任何其他结构的光电二极管。
除了主动区之外，还可以通过其他方式来调整光感度。在一实施例中，高感亮度光电二极管具有用于接收第一操作电压的电压接收区，且低感亮度光电二极管具有用于接收第二操作电压的电压接收区。第一工作电压的绝对值高于第二工作电压的绝对值。在一例子中，高感亮度光电二极管或低感亮度光电二极管都具有图1A中的高感亮度光电二极管PDH的结构。在这样的例子中，高感亮度光电二极管的N个掺杂区N+接收第一电压且低高感亮度光电二极管的N个掺杂区N+接收低于第一电压的第二电压。
在一实施例中，上述高感亮度光电二极管和低感亮度光电二极管应用在光学传感器。光学传感器可以是用于感测图像的图像传感器，但也可以是感测其他种类的光学数据的传感器。如图1B所示，光学传感器201包括高感亮度像素PH和低感亮度像素PL。高感亮度像素PH具有前述高感亮度光电二极管，低感亮度像素PL具有前述低感亮度光电二极管。还请了解，高感亮度像素PH和低感亮度像素PL的配置方式不限于图1B所示的配置方式。
在图1B的实施例中，光学传感器201应用在测距装置200，测距装置200还包括光源203和处理电路205。光源203产生光L，光学传感器201感测基于光L的反射光RL产生的光学数据。在这种情况下，高感亮度像素PH用以根据其内的高感亮度光电二极管产生的信号产生第一光学数据。此外，低感亮度像素PL用以根据其内的低感亮度光电二极管产生的信号来产生第二光学数据。当距离在第一距离范围内时，第一光学数据用于计算物体507之间的距离。此外，当距离在第二距离范围内时，第二光学数据用于计算这距离，但第一光学数据不用于计算这距离，其中第一距离范围大于第二距离范围。
简而言之，当测距装置200远离物体207时，处理电路205根据第一光学数据计算距离。在这种情况下，第二光学数据也可以用于计算距离，或者不用于计算距离。此外，当测距装置200接近物体207时，处理电路205根据第二光学数据而不根据第一光学数据计算距离。可以应用许多方法来执行这样的步骤。例如，可以预先记录高感度像素PH和低感度像素PL的地址或位置，从而处理电路205可以知道光学数据来自哪里。
在一实施例中，当测距装置200靠近物体时，由于第一光学数据是由高感亮度像素PH产生的，第一光学数据可能过曝，因此如果希望测距装置200忽略过曝的光学数据。处理电路205可以只使用第二光学数据来计算距离。
还请留意，上述光学传感器201不限于应用于测距装置。因此，本发明公开的光学传感器可以概括为：一种光学传感器，包括：第一像素，包括具有第一感亮度的第一光电二极管(例如高感亮度光电二极管PDH)；第二像素，包括具有第二感亮度的第二光电二极管(例如，低感亮度光电二极管PDL)；其中，第一感亮度高于第二感亮度。
除了上述包括高感亮度像素和低感亮度像素的光学传感器之外，本发明还公开了可以提高光子感测效率的光电二极管。图2A、图2B以及图2C绘示了根据本发明不同实施例的光电二极管的剖面图。这种光电二极管也可以作为上述实施例中所示的高感亮度光电二极管。
如图2A所示，光电二极管300包括：P型基材P-sub、第一N掺杂区NR1、第二N掺杂区NR2、第一P掺杂区PR1、第二P掺杂区PR2、第三P掺杂区PR3、第一N井NW1和第一P井PW1。第一P掺杂区PR1的掺杂浓度大于第二P掺杂区PR2的掺杂浓度。此外，第一N掺杂区NR1的掺杂浓度大于第二N掺杂区NR2的掺杂浓度。请注意，图2A中的光电二极管300具有对称结构，因此其右侧还具有对应于第一N井NW1的N井NWa和对应于第一P井PW1的P井PWb。在一实施例中，第一P井PW1和P井PWb用于隔离不同的光电二极管。以下所示的实施例也遵循相同的规则。
第一P掺杂区PR1设置在P型基材P_sub中，并作为输出光感测信号的信号输出区。具体来说，第一P掺杂区PR1输出对应于光电二极管300接收到的光的光感测电流CL。第一N掺杂区NR1设置在P型基材P_sub中，用以接收偏压VA,其中偏压VA包括单光子崩溃二极管的一崩溃电压VBD以及一超额电压Vex，也就是说VA＝VBD+Vex。P型基材P-sub中设置的第二P掺杂区PR2位在第一P掺杂区PR1和第一N掺杂区NR1的下方。当偏压VA大于阈电压时，在第二P掺杂区PR2和第一N掺杂区PR1之间会形成崩溃区AVR。
第二N掺杂区NR2在第一P掺杂区PR2下方。此外，第一N井NW1设置在P型基材P-sub中并且位在第一P掺杂区PR1和第二N掺杂区NR2旁边。此外，第一P井PW1设置在P型基材P-sub中并且位在第一N井NW1旁边。第二N掺杂区NR2可视为收集区，用于帮助收集下方P型基材P-sub中的电子。
通过图1A所示的第一N掺杂区NRl和第二N掺杂区NR2，可以根据偏压VA提供电场，以吸引P型基材浅部和深部的电子。且P型基材P-sub可耦接至地电位而不用耦接负电压电位。这样一来，光感测电流CL便可形成在崩溃区AVR，并由第一P掺杂区PR1输出。因此，可以提高光子感测效率并改善传统光电二极管的问题。
本发明公开的光电二极管不限于具有图2A所示的结构。例如，在一实施例中，光电二极管不包括第二掺杂区NR2。此外，如图2B所示，除了图2A所示的P型基材P-sub，第一N掺杂区NR1、第二N掺杂区NR2、第一P掺杂区PR1、第二P掺杂区PR2、第三P掺杂区PR3、第一N井NW1和第一P井PW1，光电二极管300a还包括第四P掺杂区PR4和第三N掺杂区NR3。第四P掺杂区NR4设置在P型基材P-sub中并且位在第一N井NW1的旁边。第三N掺杂区NR3设置在P型基材P-sub中，第一N井NW1的旁边且在第四P掺杂区PR4下方。第四掺杂区PR4可用于保护光电二极管。第三N掺杂区NR3也用作收集区，以帮助收集位在其下方的P型基材P-sub中的电子。通过第三N掺杂区NR3，收集区可以覆盖的面积增加，从而可以吸引更多的P型基材P-sub中的电子。
图2B中的光电二极管300a可以进一步包括第一P井PW1，设置在P型基材P-sub中且位在第四P掺杂区PR4和第三N掺杂区NR3的旁边。第一P井PW1可用以隔离不同的光电二极管。
在图2B的实施例中，第四P掺杂区PR4、第三N掺杂区NR3和P型基材P-sub可视为光电二极管。因此，图2B中的光电二极管300a可视为：光电二极管，包括：第一光电二极管，包括P型基材(例如，P型基材P-sub)和信号输出区(例如，第一P掺杂区PR1)；电场提供结构，设置在P型基材中，用以接收电压(例如，第一掺杂区NR1接收偏压VA)，以根据电压提供电场吸引在P型基材中的电子。当电压大于阈电压时形成崩溃区，从而在信号输出区和电场提供结构之间形成电流路径。在一实施例中，除了第一N掺杂区NR1之外，电场提供结构还包括第二N掺杂区NR2。
图2C绘示了根据本发明另一实施例的光电二极管的示意图。如图2C所示，除了图2A所示的P型基材P-sub，第一N掺杂区NR1、第二N掺杂区NR2、第一P掺杂区PR1、第二P掺杂区PR2和第三P掺杂区PR3之外，光电二极管300b还包括位在第一P掺杂区PR1、第二P掺杂区PR2和第二N掺杂区NR2旁边的隔离结构IM。隔离结构IM可用以隔离不同的光电二极管，其可通过各种结构实现。在一实施例中，隔离结构IM是FTI(Full trench isolation，全沟槽隔离结构)。
在一实施例中，上述实施例中的第三P掺杂区PR3和第一P掺杂区PR1耦接到电阻。图3绘示了根据本发明一实施例的光电二极管300c耦接于电阻601的示意图。电阻601作为淬灭电阻(quenching resistor)，其用以分压光电二极管300c上的偏压。崩溃区随着光电二极管300c上的电压降而淬灭。
根据前述实施例，由于光学传感器包括高感亮度像素和低感亮度像素，因此光学传感器可以选择性地选择合适的感亮度像素来感测光学数据或确保至少部分像素即使物体靠近也能正常工作。另外，本发明公开的光电二极管可以在不将P型基材耦接到负电压准位的情况下具有更好的光子侦测效率。
图4A为本发明一实施例的光电二极管的上视图，而图4B则为沿图4A的AA’线所绘示的结构示意图。请同时参考图4A与图4B，本实施例的光电二极管400包括一基板410、一第一收集层420、一第一型井层430、一第二型井层440以及一第二收集层450。基板410具有一第一表面S1与一相对第一表面S1的第二表面S2，其中基板410可被划分有一偏压区410A、一讯号区410B与一接地区410C。在本实施例中，基板410可以是具有一浅沟渠隔离结构410S与一覆盖第一表面S1的氧化绝缘层410O的硅基板，如图4A与图4B所示。具体来说，采用浅沟渠隔离结构410S的基板410在IC制程与电性隔离的优点上，至少具有下述特点，例如：可减少占用基板410(硅晶圆)表面的面积、增加组件的积集度(Packing Density)、保持极佳的表面平坦度(Planarity)、降低闩锁效应(Latch-up Immunity)及较少通道宽度侵蚀(Channel-width Encroachment)等。当然，在其他实施例中，基板410也可以是采用其他具有隔绝结构的硅晶圆基板，例如：区域性硅表面氧化隔离技术(LOCal OxidationofSilicon,LOCOS)的硅晶圆基板。
请继续参考图4A与图4B，第一收集层420形成在基板410内且掺杂有一第一半导体材料422，其中第一收集层420位在偏压区410A与讯号区410B的范围内。在本实施例中，第一收集层420可以是N型半导体层，也就是说，第一半导体材料422可以是采用五价元素(pentavalent element)的半导体材料，例如：磷(Phosphorus)、砷(Arsenic)、锑(Antimony)等五价元素，其中本实施例是以磷作为举例说明，但不限于此。
详细来说，形成第一收集层420的方式可以是透过离子植入(ion implant)或离子扩散(ion diffusion)等传统的半导体制程方式将五价元素的半导体材料(如：磷原子)以一定浓度掺杂在基板410内，以形成第一收集层420，其中第一收集层420为一N型半导体层。在一实施例中，第一收集层420若掺杂三价元素的半导体材料则可形成一P型半导体层，其中本实施例是以N型半导体层为举例说明。另外，当光线照射于第一收集层420时，第一收集层420将会产生电子电洞对。具体来说，本实施例的第一收集层420主要是吸收波长为400nm～1100nm的光线而产生电子电洞对。
请继续参考图4A与图4B，第一型井层430形成在基板410内且配置在第一表面S1与第一收集层420之间，其中第一型井层430位在偏压区410A的范围内。在本实施例中，第一型井层430可以是一N型井层(N-well)，也就是说，第一型井层430也可以是采用五价元素(pentavalent element)的半导体材料，例如：磷(Phosphorus)、砷(Arsenic)、锑(Antimony)等五价元素，其中本实施例是以磷作为举例说明，但不限于此。
详细来说，形成第一型井层430的方式可以是透过前述离子植入(ion implant)或离子扩散(ion diffusion)等传统的半导体制程方式将五价元素的半导体材料(如：磷原子)以一定浓度掺杂在基板410内，以形成如图4A与图4B所绘示的第一型井层430，其中第一型井层430为一N型井层。在另一实施例中，第一型井层430若掺杂三价元素的半导体材料则可形成一P型半导体层，其中本实施例是以N型井层为举例说明。
在一实施例中，光电二极管400还可包括一第一重掺杂层432，其中第一重掺杂层432形成在第一型井层430内，如图4B所示。类似地，形成第一重掺杂层432的方式亦可采用前述离子植入或离子扩散等传统的半导体制程方式将五价元素的半导体材料(如：磷原子)以一定浓度掺杂在第一型井层430内，以形成如图4B所绘示的第一重掺杂层432，其中第一重掺杂层432为一N型重掺杂层。
另外，第二型井层440形成在基板410内且配置在第一型井层430与第一收集层420之间，其中第二型井层440位在偏压区410A与讯号区410B的范围内，如图4A与图4B所绘示。在本实施例中，第二型井层440可以是一P型井层(P-well)，也就是说，第二型井层440也可以是采用三价元素(trivalent element)的半导体材料，例如：硼(Boron)、铝(Aluminum)、镓(Gallium)等三价元素，其中本实施例是以硼作为举例说明，但不限于此。
类似地，形成第二型井层440的方式可以是透过离子植入(ion implant)或离子扩散(ion diffusion)等传统的半导体制程方式将三价元素的半导体材料(如：硼原子)以一定浓度掺杂在基板410内，以形成如图4A与图4B所绘示的第二型井层440，其中第二型井层440为一P型井层。在另一实施例中，第二型井层440若掺杂五价元素的半导体材料则可形成一N型井层，其中本实施例是以P型井层为举例说明。
请继续参考图4A与图4B，第二收集层450形成在基板410内且掺杂有一第二半导体材料451，其中第二收集层450位在第一表面S1与第二型井层440之间。在本实施例中，第二半导体材料451为锗、硅化锗或其组合。具体而言，第二收集层450可为四价元素(quadrivalent element)或其组合的半导体材料层，例如：碳(carbon)、硅(Silicon)、锗(germanium)等四价元素，其中本实施例是以锗作为举例说明。
详细来说，形成第二收集层450的方式可以是透过磊晶的方式将锗元素磊晶在第一型井层430的上方而与第一型井层430电性连接，其中当光线照射在第二收集层450时，第二收集层450将可产生电子电洞对。具体来说，本实施例的第二收集层450主要是吸收波长为400nm～1700nm的光线而产生电子电洞对，其中本实施例的光电二极管400使用第一收集层420与第二收集层450进行不同波长范围的具体机制将于后续架构完成后再进行说明。
在本实施例中，光电二极管400还可包括一第一型半导体层460，第一型半导体层460位在第一型井层430与第二型井层440之间，其中第一型半导体层460与第二型井层440掺杂相同或相似的半导体材料。具体来说，第一型半导体层460可以是采用三价元素(trivalent element)的半导体材料，例如：硼(Boron)、铝(Aluminum)、镓(Gallium)等三价元素，其中本实施例是以硼作为举例说明，但不限于此。
类似地，形成第一型半导体层460的方式可以是透过离子植入或离子扩散等传统的半导体制程方式将三价元素的半导体材料(如：硼原子)以一定浓度掺杂在基板410内，以形成如图4A与图4B所绘示的第一型半导体层460，其中第一型半导体层460为一P型半导体层。在另一实施例中，第一型半导体层460若掺杂五价元素的半导体材料则可形成一N型半导体层，其中本实施例是以P型半导体层为举例说明。
另外，为了可让第二收集层450较佳地形成在基板410内，本实施例光电二极管400还可包括一缓冲材料层470，其中缓冲材料层470部分地形成在基板410的第一表面S1上以及部分地形成基板410内，且部分缓冲材料层470位在第二收集层450与第一型井层430之间。具体来说，缓冲材料层470可以是采用四价元素(quadrivalent element)堆栈而成的半导体材料层，其中堆栈结构可以是碳(Si)、碳化锗(Si1-xGe)以及锗(Ge)依序堆栈而成。在本实施例中，形成缓冲材料层470的方式可以是透过半导体制程的依序沉积碳(Si)、碳化锗(Si1-xGe)以及锗(Ge)在第一型井层430上，其中锗原子的浓度会越来越浓。
为了输出第一收集层420或第二收集层450因照光所产生的电子电洞对的讯号，光电二极管400还可包括一半导体材料连接层482，其中半导体材料连接层482形成在基板410内且位在讯号区410B的范围内，如图4A与图4B所绘示。在本实施例中，半导体材料连接层482实体连接第二型井层440，且半导体材料连接层482与第二型井层440可掺杂相同或相似的半导体材料。
详细来说，若第二型井层440为P型井层，半导体材料连接层482则可为一P型半导体掺杂层，也就是说，半导体材料连接层482可以是采用三价元素的半导体材料，例如：硼(Boron)、铝(Aluminum)、镓(Gallium)等三价元素，其中本实施例是以硼作为举例说明，但不限于此。类似地，形成半导体材料连接层482的方式可以是透过离子植入或离子扩散等传统的半导体制程方式将三价元素的半导体材料(如：硼原子)以一定浓度掺杂在基板410内，以形成如图4A与图4B所绘示的半导体材料连接层482。在另一实施例中，半导体材料连接层482若掺杂五价元素的半导体材料则可形成一N型半导体掺杂层，其中本实施例是以P型半导体掺杂层为举例说明。
请继续参考图4A与图4B，本实施例的光电二极管400具有前述的接地区410C，因此光电二极管400还可包括一半导体材料接地层484，其中半导体材料接地层484形成在基板410内，且半导体材料接地层484位在基板410的接地区410C的范围内。具体来说，半导体材料接地层484可以是一P型井层(P-well)，也就是说，半导体材料接地层484可以是采用三价元素的半导体材料，例如：硼、铝、镓等三价元素，其中本实施例是以硼作为举例说明，但不限于此。
类似地，形成半导体材料接地层484的方式可以是透过离子植入或离子扩散等传统的半导体制程方式将三价元素的半导体材料(如：硼原子)以一定浓度掺杂在基板410内且位在基板410的接地区410C的范围内，以形成如图4A与图4B所绘示的半导体材料接地层484，其中半导体材料接地层484为一P型井层。在另一实施例中，半导体材料接地层484若掺杂五价元素的半导体材料则可形成一N型半导体层，其中本实施例是以P型井层为举例说明。
为了避免半导体材料连接层482与半导体材料接地层484产生因顺偏而产生漏电流，因此本实施例的光电二极管400还可包括一半导体材料隔绝层486，其中半导体材料隔绝层486形成在基板410内，半导体材料隔绝层486位在讯号区410B与接地区410C之间。在本实施例中，半导体材料隔绝层486可以是采用与第一收集层420相同或相似的半导体材料层，也就是说，半导体材料隔绝层486可以是采用五价元素(pentavalent element)的半导体材料，例如：磷(Phosphorus)、砷(Arsenic)、锑(Antimony)等五价元素，其中本实施例是以磷作为举例说明，但不限于此。
在一实施例中，为了可较佳地避免漏电流的产生，半导体材料隔绝层486的掺杂浓度高于第一收集层420。类似地，形成半导体材料隔绝层486的方式可以是透过离子植入或离子扩散等传统的半导体制程方式将五价元素的半导体材料(如：磷原子)以一定浓度掺杂在基板410内，以形成半导体材料隔绝层486，其中半导体材料隔绝层486可为一N型半导体层。在一实施例中，半导体材料隔绝层486若掺杂三价元素的半导体材料则可形成一P型半导体层，其中本实施例是以N型半导体层为举例说明。
在本实施例中，光电二极管400还可包括一第二重掺杂层482a、486a，分别形成在半导体连接层482与半导体接地层486内，如图4B所绘示。类似地，形成第二重掺杂层482a、486a的方式可以是透过离子植入(ion implant)或离子扩散(ion diffusion)等传统的半导体制程方式将三价元素的半导体材料(如：硼原子)以一定浓度掺杂在半导体连接层482与半导体接地层486内，以形成如图4B所绘示的第二重掺杂层482a、486a，其中第二重掺杂层482a、486a为一P型重掺杂层。在另一实施例中，第二重掺杂层482a、486a若掺杂五价元素的半导体材料则可形成一N型重掺杂层，其中本实施例是以P型重掺杂层为举例说明。
在光电二极管400中，若在偏压区410A内的第一型井层430上方施加偏压时，将使第一型井层430与第二型井层440之间将产生多重崩溃区，如此一来，第一收集层420吸收波长400nm～1100nm的光线而产生电子电洞对后，电子将进入多重崩溃区时而产生大量的电流讯号，其中电流讯号将从上述的半导体材料连接层482输出出去。
类似地，由于第二收集层450是采用锗元素的材料，因此第二收集层450吸收波长400nm～1700nm的光线后也会产生电子电洞对，此时电洞进入多重崩溃区时也将会产生大量的电流讯号，其中电流讯号将从上述的半导体材料连接层482输出出去。
具体而言，本实施例的光电二极管400透过具有不同半导体材料的双重吸收层结构，将可使本实施例的光电二极管400在侦测近红外线(NIR)和短波红外线(SWIR)时具有较佳的表现。换言之，本实施例的光电二极管400除了可侦测传统波长为400nm～1100nm的光线外，也可侦测波长400nm～1700nm的光线，从而提升本实施例的光电二极管的应用范围与表现，以下将提供一种制作出上述光电二极管400的方法。
图5A至图5N为本发明一实施例的光电二极管的制作流程示意图。首先，提供前述基板410，如图5A所示。在本实施例中，基板410具有第一表面S1与相对第一表面S1的第二表面S2，其中基板410可被划分有前述的偏压区410A、讯号区410B与接地区410C。类似地，基板410可以是具有上述浅沟渠隔离结构410S与覆盖第一表面S1的氧化绝缘层410O的硅基板，如图5A所示。同样地，采用浅沟渠隔离结构410S的基板410在IC制程与电性隔离的优点上，至少具有下述特点，例如：可减少占用基板410(硅晶圆)表面的面积、增加组件的积集度(Packing Density)、保持极佳的表面平坦度(Planarity)、降低闩锁效应(Latch-upImmunity)及较少通道宽度侵蚀(Channel-width Encroachment)等。当然，在其他实施例中，基板410也可以是采用其他具有隔绝结构的硅晶圆基板，例如：区域性硅表面氧化隔离技术(LOCal Oxidation ofSilicon,LOCOS)的硅晶圆基板。
然后，在基板410内形成前述的半导体材料接地层484，其中半导体材料接地层484位在接地区410C的范围内，如图5B所绘示。在本实施例中，形成半导体材料接地层484的方式可以是透过离子植入或离子扩散等传统的半导体制程方式将三价元素的半导体材料(如：硼原子)以一定浓度掺杂在基板410内且位在基板410的接地区410C的范围内，以形成如图5B所绘示的半导体材料接地层484，其中半导体材料接地层484为一P型井层。在另一实施例中，半导体材料接地层484若掺杂五价元素的半导体材料则可形成一N型半导体层，其中本实施例是以P型井层为举例说明。
接着，形成前述的第一型半导体层460在基板410内，如图5C所绘示。在本实施例中，形成第一型半导体层460的方式可以是透过离子植入或离子扩散等传统的半导体制程方式将三价元素的半导体材料(如：硼原子)以一定浓度掺杂在基板410内，以形成如图5C所绘示的第一型半导体层460，其中第一型半导体层460为一P型半导体层。在另一实施例中，第一型半导体层460若掺杂五价元素的半导体材料则可形成一N型半导体层，其中本实施例是以P型半导体层为举例说明。
而后，使用前述第一半导体材料422以在基板410内形成前述的第一收集层420，其中第一收集层420位在偏压区410A与讯号区410B的范围内，如图5D所绘示。类似地，上述的第一收集层420可以是N型半导体层，也就是说，第一半导体材料422可以是采用五价元素(pentavalent element)的半导体材料，例如：磷(Phosphorus)、砷(Arsenic)、锑(Antimony)等五价元素，其中本实施例是以磷作为举例说明，但不限于此。
相同地，形成第一收集层420的方式可以是透过离子植入(ion implant)或离子扩散(ion diffusion)等传统的半导体制程方式将五价元素的半导体材料(如：磷原子)以一定浓度掺杂在基板410内，以形成第一收集层420，其中第一收集层420可为一N型半导体层。在一实施例中，第一收集层420若掺杂三价元素的半导体材料则可形成一P型半导体层，其中本实施例是以N型半导体层为举例说明。
然后，在基板410内形成前述的半导体材料隔绝层486，其中半导体材料隔绝层486位在讯号区410B与接地区410C之间，如图5E所绘示。在本实施例中，半导体材料隔绝层486可以是采用与前述的第一收集层420相同或相似的半导体材料层，也就是说，半导体材料隔绝层486可以是采用五价元素(pentavalent element)的半导体材料，例如：磷(Phosphorus)、砷(Arsenic)、锑(Antimony)等五价元素，其中本实施例是以磷作为举例说明，但不限于此。
在一实施例中，为了可较佳地避免漏电流的产生，半导体材料隔绝层486的掺杂浓度高于第一收集层420。类似地，形成半导体材料隔绝层486的方式可以是透过离子植入或离子扩散等传统的半导体制程方式将五价元素的半导体材料(如：磷原子)以一定浓度掺杂在基板410内，以形成半导体材料隔绝层486，其中半导体材料隔绝层486可为一N型半导体层。在一实施例中，半导体材料隔绝层486若掺杂三价元素的半导体材料则可形成一P型半导体层，其中本实施例是以N型半导体层为举例说明。
接着，在基板410内形成前述的第一型井层430，其中第一型井层430配置在第一表面S1与第一收集层420之间且位在偏压区410A的范围内，如图5F所绘示。类似地，第一型井层430可以是一N型井层(N-well)，也就是说，第一型井层430也可以是采用五价元素(pentavalent element)的半导体材料，例如：磷(Phosphorus)、砷(Arsenic)、锑(Antimony)等五价元素，其中本实施例是以磷作为举例说明，但不限于此。
详细来说，形成第一型井层430的方式可以是透过离子植入(ion implant)或离子扩散(ion diffusion)等传统的半导体制程方式将五价元素的半导体材料(如：磷原子)以一定浓度掺杂于基板410内，以形成如图5F所绘示的第一型井层430，其中第一型井层430为一N型井层。在另一实施例中，第一型井层430若掺杂三价元素的半导体材料则可形成一P型半导体层，其中本实施例是以N型井层为举例说明。
而后，在基板410内形成前述的第二型井层440，其中第二型井层440配置在第一型井层430与第一收集层420之间且位在偏压区410A与讯号区410B的范围内，如图5G所示。类似地，第二型井层440可以是P型井层(P-well)，也就是说，第一型井层430也可以是采用三价元素(trivalent element)的半导体材料，例如：硼(Boron)、铝(Aluminum)、镓(Gallium)等三价元素，其中本实施例是以硼作为举例说明，但不限于此。
类似地，形成第二型井层440的方式可以是透过离子植入(ion implant)或离子扩散(ion diffusion)等传统的半导体制程方式将三价元素的半导体材料(如：硼原子)以一定浓度掺杂在基板410内，以形成如图5G所绘示的第二型井层440，其中第二型井层440为一P型井层。在另一实施例中，第一型井层440若掺杂五价元素的半导体材料则可形成一N型半导体层，其中本实施例是以P型井层为举例说明。
然后，在基板410内形成前述的半导体材料连接层482，其中半导体材料连接层482位在讯号区410B的范围内且与第二型井层440实体连接，如图5H所示。在本实施例中，半导体材料连接层482实体连接第二型井层440，且半导体材料连接层482与第二型井层440可掺杂相同或相似的半导体材料。
详细来说，若第二型井层440为P型井层，半导体材料连接层482则可为一P型半导体掺杂层，也就是说，半导体材料连接层482可以是采用三价元素的半导体材料，例如：硼(Boron)、铝(Aluminum)、镓(Gallium)等三价元素，其中本实施例是以硼作为举例说明，但不限于此。
类似地，形成半导体材料连接层482的方式可以是透过离子植入或离子扩散等传统的半导体制程方式将三价元素的半导体材料(如：硼原子)以一定浓度掺杂在基板410内，以形成如图5H所绘示的半导体材料连接层482。在另一实施例中，半导体材料连接层482若掺杂五价元素的半导体材料则可形成一N型半导体掺杂层，其中本实施例是以P型半导体掺杂层为举例说明。
接着，在基板410的第一表面S1上形成暴露出第一型井层430的一凹槽412，如图5I所绘示。在本实施例中，形成凹槽412的方式可以是采用传统的微影蚀刻技术将部分基板410进行蚀刻，以形成如图5I所绘示的凹槽412。具体来说，蚀刻基板410以形成凹槽412的方式可以是采用干式蚀刻或湿式蚀刻，此部分可根据半导体厂的标准制程而定。
而后，形成前述的缓冲材料层470在基板410的第一表面S1上，如图5J所绘示。在本实施例中，缓冲材料层470可以是采用四价元素(quadrivalent element)堆栈而成的半导体材料层，其中堆栈结构可以是碳(Si)、碳化锗(Si1-xGe)以及锗(Ge)依序堆栈而成。在本实施例中，形成缓冲材料层470的方式可以是透过半导体制程的依序沉积碳(Si)、碳化锗(Si1-xGe)以及锗(Ge)在第一型井层430上，其中锗原子的浓度会越来越浓。
接着，在第一型井层430内形成前述的第一重掺杂层432，如图5K所绘示。类似地，形成第一重掺杂层432的方式可以是透过离子植入(ion implant)或离子扩散(iondiffusion)等传统的半导体制程方式将五价元素的半导体材料(如：磷原子)以一定浓度掺杂在第一型井层430内，以形成如图5K所绘示的第一重掺杂层432，其中第一重掺杂层432为一N型重掺杂层。在另一实施例中，第一重掺杂层432若掺杂三价元素的半导体材料则可形成一P型重掺杂层，其中本实施例是以N型重掺杂层为举例说明。
而后，使用前述的第二半导体材料451以在基板410的凹槽412内形成前述的第二收集层450，如图5L所绘示。在本实施例中，第二半导体材料451可为锗、硅化锗或其组合。具体而言，第二收集层450可为四价元素(quadrivalent element)或其组合的半导体材料层，例如：碳(carbon)、硅(Silicon)、锗(germanium)等四价元素，其中本实施例是以锗作为举例说明。详细来说，形成第二收集层450的方式可以是透过磊晶的方式将锗元素与硅元素逐层磊晶在第一型井层430的上方而与第一型井层430电性连接，其中锗元素逐层磊晶的浓度可越来越浓，而在最上方一层形成一第一型锗层452。
接着，分别在半导体连接层482与半导体接地层486内形成前述的第二重掺杂层482a、486a，如图5M所绘示。类似地，形成第二重掺杂层482a、486a的方式可以是透过离子植入(ion implant)或离子扩散(ion diffusion)等传统的半导体制程方式将三价元素的半导体材料(如：硼原子)以一定浓度掺杂在半导体连接层482与半导体接地层486内，以形成如图5M所绘示的第二重掺杂层482a、486a，其中第二重掺杂层482a、486a为一P型重掺杂层。在另一实施例中，第二重掺杂层482a、486a若掺杂五价元素的半导体材料则可形成一N型重掺杂层，其中本实施例是以P型重掺杂层为举例说明。
而后，可分别在前述的第二重掺杂层482a、486a与第一型锗层452形成金属接触层E1，如图5N所绘示。在本实施例中，形成金属接触层E1的材料可以是采用金属硅化物，其主要功能是可降低晶体管在闸极、源极和汲极的接触电阻。最后，可在金属接触层E1上形成金属导电层E2，如图5N所示，至此，大致完成一种制作前述光电二极管400的方式。需要说明的是，上述各掺杂层的形成顺序可依设计者的需要而定，本实施例仅是用以说明制作光电二极管400的制作方式，并不特别限制形成顺序。
图6A为本发明另一实施例的光电二极管的示意图。请同时参考图6A与图4B，本实施例的光电二极管400a与前述的光电二极管400二者结构相似，二者不同之处在于，光电二极管400a与前述的光电二极管400的各膜层的极性相反。举例来说，在光电二极管400中，第一收集层420、第一型井层430、第一重掺杂层432以及半导体材料隔绝层486掺杂或植入N型半导体材料，而第二型井层440、第一型半导体层460、半导体材料连接层482、第二重掺杂层482a、486a以及半导体材料接地层484掺杂或植入P型半导体材料。相反地，在光电二极管400a中，第一收集层420、第一型井层430、第一重掺杂层432以及半导体材料隔绝层486掺杂或植入P型半导体材料，而第二型井层440、第一型半导体层460、半导体材料连接层482、第二重掺杂层482a、486a以及半导体材料接地层484掺杂或植入N型半导体材料。在本实施例中，光电二极管400a同样具有前述的光电二极管400所提及的优点，在此便不再赘述。
图6B为本发明又一实施例的光电二极管的示意图。请同时参考图6B与图4B，本实施例的光电二极管400a与前述的光电二极管400二者结构相似，二者不同之处在于，光电二极管400b并无前述的第二收集层450、第一重掺杂层432与第一型半导体层460，而是仅有第一型井层430a，如图6B所绘示。类似地，光电二极管400b同样具有前述的光电二极管400所提及的优点，在此便不再赘述。
图6C为本发明再一实施例的光电二极管的示意图。请同时参考图6C与图4B，本实施例的光电二极管400c与前述的光电二极管400二者结构相似，二者不同之处在于，光电二极管400c并无前述的第二收集层450，而是仅有第一重掺杂层432与第一型井层430b，如图6C所绘示。类似地，光电二极管400c同样具有前述的光电二极管400所提及的优点，在此便不再赘述。
需要说明的是，光电二极管400b与光电二极管400c也可以是采用类似光电二极管400a的极性结构。另外，上述的光电二极管400、400a、400b、400c可以为单光子崩溃光电二极管。
值得一提的是，在本发明所有实施例中，由于是将光电二极管操作单光子崩溃二极管(SPAD)的状态中，因此施加的偏压皆为逆偏压，此部分系属一般传统的光电效应原理，在此便不赘述。
综上所述，本发明的光电二极管由于具有第一收集层与第二收集层的结构，因此，本发明的光电二极管透过具有不同半导体材料的双重吸收层结构，将可使本实施例的光电二极管在侦测近红外线(NIR)和短波红外线(SWIR)时具有较佳的表现。换言之，本实施例的光电二极管除了可侦测传统波长的光线外，也可侦测近红外波长的光线，从而提升本实施例的光电二极管的应用范围与表现。另外，本发明亦提供一种制作出上述光电二极管的制作方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种光学传感器，其特征在于，包括：
第一像素，包括具有第一感亮度的第一光电二极管；
第二像素，包括具有第二感亮度的第二光电二极管；
其中该第一感亮度高于该第二感亮度。
2.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，该第一光电二极管的主动区的长度大于该第二光电二极管的主动区的长度。
3.如权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，该第一光电二极管的尺寸和该第二光电二极管的尺寸相同。
4.如权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，该第一光电二极管的尺寸和该第二光电二极管的尺寸不同。
5.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，该第一光电二极管以及该第二光电二极管分别具有电压接收区，该第一光电二极管的该电压接收区用以接收第一操作电压而该第二光电二极管的该电压接收区用以接收第二操作电压，其中该第一操作电压高于该第二操作电压。
6.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：
其中该光学传感器位在测距装置内；
该第一像素用以根据该第一光电二极管产生的信号来产生第一光学数据，且该第二像素用以根据该第二光电二极管产生的信号来产生第二光学数据；
若该距离在第一距离范围内，该第一光学数据用以计算物体以及该测距装置内的距离；
若该距离在第二距离范围内，该第二光学数据用以计算该距离但该第一光学数据不用以计算该距离；
其中该第一距离范围大于该第二距离范围。
7.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：
其中该光学传感器位在测距装置内；
该第一像素用以根据该第一光电二极管产生的信号来产生第一光学数据，且该第二像素用以根据该第二光电二极管产生的信号来产生第二光学数据；
若该距离在第一距离范围内，该第一光学数据用以计算物体以及该测距装置内的距离；
若该距离在第二距离范围内，过曝的光学数据不用以计算该距离；
其中该第一距离范围大于该第二距离范围。
8.一种光电二极管，其特征在于，包括：
P型基材；
第一P掺杂区，位在该P型基材中，作为输出光传感信号的信号输出区；
第一N掺杂区，位在该P型基材中，用以接收电压；
第二P掺杂区，位在该P型基材中且位在该第一P掺杂区以及该第一N掺杂区下方；
当该大于阈电压，该第二P掺杂区以及该第一N掺杂区间形成崩溃区。
9.如权利要求8所述的光电二极管，其特征在于，进一步包括位在该第二P掺杂区下的第二N掺杂区，该第二N掺杂区用以收集电子。
10.如权利要求9所述的光电二极管，其特征在于，进一步包括第一N井，该第一N井位在该P型基材内且位在该第一P掺杂区和该第二N掺杂区的旁边。
11.如权利要求10所述的光电二极管，其特征在于，进一步包括第一P井，该第一P井位在该P型基材内以及该第一N井的旁边。
12.如权利要求10所述的光电二极管，其特征在于，进一步包括
第四P掺杂区，位在该P型基材内以及该第一N井的旁边；以及
第三N掺杂区，位在该P型基材内、位在该第一N井的旁边且位在该第四P掺杂区的下方。
13.如权利要求12所述的光电二极管，其特征在于，进一步包括第一P井，该第一P井位在该P型基材内以及该第四P掺杂区和该第三N掺杂区的旁边。
14.如权利要求10所述的光电二极管，其特征在于，进一步包括：
隔离结构，位在该第一P掺杂区、该第二P掺杂区以及该第二N掺杂区的旁边。
15.如权利要求8所述的光电二极管，其特征在于，进一步包括该第二P掺杂区上的第三P掺杂区，其中该第一P掺杂区以及该第三P掺杂区耦接电阻。
16.如权利要求8所述的光电二极管，其特征在于，当该崩溃区未形成时，该第一P掺杂区以及该第二P掺杂区形成单一P掺杂区。
17.一种光电二极管，其特征在于，包括：
第一光电二极管，包括P型基材以及信号输出区；
电场提供结构，位在该P型基材内，用以接收电压来根据该电压提供电场，以吸引该P型基材内的电子；
其中若该电压大于阈电压，会形成崩溃区，使得该信号输出区以及该电场提供结构间形成电流路径。
18.如权利要求17所述的光电二极管，其特征在于，该电场提供结构包括：
第一N掺杂区，用以接收该电压；
其中该崩溃区位在该第一N掺杂区下方。
19.如权利要求18所述的光电二极管，其特征在于，该电场提供结构进一步包括位在该崩溃区下方的第二P掺杂区。
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