CN117832314A - 一种pin型光敏元件及其制造方法、光敏探测器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种PIN型光敏元件及其制造方法及光敏探测器，本申请的PIN型光敏元件取消截止环结构，由此使得P型区在衬底表面的面积占比增加，由此可以增加光敏元件的光敏面积。由此可以提高光敏元件的光电流。另外，省去截止环结构，可以节省光敏元件的制作工序，也能够避免因衬底正面的P和B同时扩散形成的横向扩散导致的横向击穿漏电，提高器件的良率。因为本申请的光敏元件不存在上述因P和B同时扩散导致的横向击穿，因此可将背面的磷扩散加深，即将N型区加深，从而提高光敏二极管的暗电流的温漂性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件及装置技术领域，特别涉及一种PIN型光敏元件及其制造方法、光敏探测器。
背景技术
光敏二极管，又叫光电二极管是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。
现有技术中常见的光敏二极管为PIN结构，其中正面包括光敏区，氧化环，截止环。该结构的形成需要经过硼扩光罩、磷扩光罩分别形成光敏区与截止环扩散区域，流程复杂，成本高；
另外，当光敏区与截止环同时扩散较深的时候，二者同时会存在横向扩散，这样就会造成横向的击穿漏电，影响器件的良率；
其次，截止环需有一定的宽度，截止环和光敏区必须具有一定的间隔，因此会限制光敏区的面积。而截止环的光电效应极低，因此导致整体光敏二极管的光电流降低。
发明内容
鉴于现有技术中光敏元件存在的上述问题，本发明提供一种PIN型光敏元件及其制造方法、光敏探测器，以解决上述一个或多个问题。
本申请的一个实施例，提供一种PIN型光敏元件，其特征在于，至少包括：
衬底，所述衬底具有相对设置的正面及背面；
P型区，形成在所述衬底的正面，所述P型区的上表面与所述衬底的上表面位于同一平面，并且所述P型区在所述衬底正面的投影面积占所述P型区所在的光敏元件在所述衬底正面的投影面积的比介于0.8～0.95；
N型区，形成在所述衬底的背面，所述N型区的表面与所述衬底的背面位于同一平面。
本申请的另一实施例提供一种PIN型光敏元件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底，所述衬底具有相对设置的正面及背面；
高温氧化所述衬底，以在所述衬底的正面形成氧化层；
刻蚀所述氧化层，形成为氧化环，所述氧化环所围绕的区域暴露所述衬底的正面作为光敏区；
在所述光敏区对所述衬底进行B离子扩散，形成P型区，所述P型区的上表面与所述衬底的上表面位于同一平面，并且所述P型区在所述衬底正面的投影面积占所述P型区所在的光敏元件在所述衬底正面的投影面积的比介于0.8～0.95；
在所述衬底的背面一侧进行P离子扩散，形成N型区，所述N型区的表面与所述衬底的背面位于同一平面。
本申请的另一实施例提供一种光敏探测器，其特征在于，包括：
电路板，设置有模数转换电路、比较电路和放大电路中的至少一个；
多个光敏元件，阵列排布在所述电路板上，并且多个所述光敏元件与所述电路基板电连接，所述光敏元件包括本申请所述的PIN型光敏元件。
如上所述，本申请的PIN型光敏元件及其制造方法、光敏探测器，具有以下有益效果：
本申请的PIN型光敏元件取消截止环结构，由此使得P型区在所述P型区所在的光敏元件在所述衬底正面的投影面积的占比增加，可以增加到0.8～0.95。由此可以提高光敏元件的光电流。另外，省去截止环结构，可以节省光敏元件的制作工序，也能够避免因衬底正面的P和B同时扩散形成的横向扩散导致的横向击穿漏电，提高器件的良率。因为本申请的光敏元件不存在上述因P和B同时扩散导致的横向击穿，因此可将背面的磷扩散加深，即将N型区加深，从而提高光敏二极管的暗电流的温漂性能。
附图说明
图1显示为现有技术中光敏二极管的结构示意图。
图2显示为本发明实施例一提供的PIN型光敏元件的结构示意图。
图3显示为自图2所示的PIN型光敏元件的衬底正面一侧的俯视结构示意图。
图4显示为图2所示的PIN型光敏元件的制造方法的流程示意图。
图5显示为在衬底正面一侧形成氧化层的结构示意图。
图6显示为在图5所示结构的正面一侧形成P型区及氧化环的结构示意图。
图7显示为在衬底背面一侧形成N型区的结构示意图。
图8显示为本发明实施例二提供的光敏探测器的结构示意图。
元件标号说明
001、衬底；002、截止环；003、N型层；004、P型层；
100、光敏二极管；101、衬底；1001、正面；1002、背面；102、氧化环；103、P型区；104、N型区；105、减反射膜层；1050、电极通孔；106、第一电极；107、第二电极；110，氧化层；
200、发光装置；201、电路板；202、光敏原件；203、导线。
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。
如图1所示，现有技术中，光敏二极管包括衬底001、形成在衬底001的正面一侧的P型层004，以及形成在背面一侧的N型层003。同时，在衬底的正面一侧，还形成有截止环002，该截止环002与P型层004相互间隔设置，二者之间为衬底001。截止环002和P型区004形成在衬底正面这样的结构需要经过硼扩光罩、磷扩光罩分别形成光敏区与截止环扩散区域，流程复杂，成本高；另外，当光敏区与截止环同时扩散较深的时候，二者同时会存在横向扩散，这样就会造成横向的击穿漏电，影响器件的良率；其次，截止环需有一定的宽度，截止环和光敏区必须具有一定的间隔，因此限制光敏区的面积。而截止环的光电效应极低，因此导致整体光敏二极管的光电流降低。
如上现有技术的光敏元件在存在诸多的不足与缺陷，因此，针对上述问题，本申请一方面提供一种PIN型光敏元件，其至少包括：
衬底，所述衬底具有相对设置的正面及背面；
P型区，形成在所述衬底的正面，所述P型区的上表面与所述衬底的上表面位于同一平面，并且所述P型区在所述衬底正面的投影面积占所述P型区所在的光敏元件在所述衬底正面的投影面积的比介于0.8～0.95；
N型区，形成在所述衬底的背面，所述N型区的表面与所述衬底的背面位于同一平面。
如上所述，衬底的正面一侧形成P型区不再形成截止环，因此P型区在衬底表面的面积占比增加，可以增加到0.8～0.95。由此可以提高光敏元件的光电流。
可选地，所述PIN型光敏元件还包括氧化环，位于所述衬底的正面的边缘，在所述衬底正面的俯视方向上，所述氧化环位于所述P型区的周围。氧化环一方面保护裸露的衬底表面，另一方面能够起到隔离作用，防止在后续芯粒切割时造成芯粒损伤，由此能够防止出现漏电等现象，提高器件的良率。
可选地，所述N型区的深度介于1μm～10μm。由于衬底的正面一侧不再形成截止环，因此不存在因横向扩散导致的横向击穿漏电风险，因此可以将N型区的深度加深，如加深至1μm～10μm，由此可以提高光敏元件的暗电流的温漂性能。
可选地，所述PIN型光敏元件还包括减反射膜层，位于所述衬底的正面一侧，并且覆盖所述第一掺杂层及所述氧化环。上述减反射膜层位于衬底的正面一侧并且覆盖P型区，即覆盖光敏区，因此，当光自光敏区入射时，该减反射膜层能够减少入射光的反射，使得入射光尽可能多地入射至衬底，增加衬底的光吸收率。
可选地，所述PIN型光敏元件还包括电极结构，所述电极结构包括第一电极和第二电极，所述第一电极形成在所述衬底的背面一侧，并且所述第一电极与所述第一掺杂层电连接，所述第二电极形成在所述衬底的正面一侧与所述第二掺杂层电连接。
上述电极结构分别连接PIN型光敏元件的正极和负极，便于后续将PIN型光敏元件的正、负极连接至外接电路，实现PIN型光敏元件中光电流的传导。
可选地，所述氧化环的宽度大于等于15μm。氧化环的上述宽度设计，能够保证其隔离及保护作用，提高器件的良率。
本发明的另一实施例提供PIN型光敏元件的制造方法，其包括以下步骤：
提供衬底，所述衬底具有相对设置的正面及背面；
高温氧化所述衬底，以在所述衬底的正面形成氧化层；
刻蚀所述氧化层，形成为氧化环，所述氧化环所围绕的区域暴露所述衬底的正面作为光敏区；
在所述光敏区对所述衬底进行B离子扩散，形成P型区，所述P型区的上表面与所述衬底的上表面位于同一平面；在所述衬底的背面一侧进行P离子扩散，形成N型区，所述N型区的表面与所述衬底的背面位于同一平面。
如上本申请只需要在衬底正面一侧形成P型区，在衬底背面一侧形成N型区，因此只需两道光罩，由此简化了器件的形成工序，降低了成本。同时因为衬底的正面一侧只需进行B扩散，不存在因B和P同时扩散形成的横向扩散导致的横向击穿漏电，提高了器件的良率。由于衬底的正面不再形成截止环，因此可以增加P型区的横向距离，即增加P型区的面积，由此提高器件的光电流。
可选地，所述P型区在所述衬底正面的投影面积占所述P型区所在的光敏元件在所述衬底正面的投影面积的比介于0.8～0.95。P型区的面积占比增加，由此提高器件的光电流。
可选地，所述PIN型光敏元件的制造方法还包括：在所述衬底的正面一侧沉积介质层形成减反射膜层，所述减反射膜层覆盖所述P型区及所述氧化环。
在衬底的正面一侧形成减反射膜层，能够减少入射光的反射，使得入射光尽可能多地入射至衬底，增加衬底的光吸收率。
可选地，所述的PIN型光敏元件制造方法还包括：
刻蚀所述减反射膜层直至暴露所述P型区，以形成电极通孔；
在所述电极通孔中及所述电极通孔周围的减反射膜层上方沉积金属材料，以形成第二电极；
在所述衬底的背面沉积金属材料，形成第一电极。
本申请的另一方面提供一种光敏探测器，其包括：
电路板，设置有模数转换电路、比较电路和放大电路中的至少一个；
多个光敏元件，阵列排布在所述电路板上，并且多个所述光敏元件与所述电路基板电连接，所述光敏元件包括本申请提供的所述PIN型光敏元件。
上述光敏探测器具有本申请上述PIN型光敏元件，因此其具有良好的光电转换率及较高的响应速度。
实施例一
本实施例提供一种PIN型光敏元件，如图2所示，本实施例的PIN型光敏元件为光敏二极管100，该光敏二极管100包括衬底101，形成在衬底101的正面1001的P型区103，以及位于衬底101的背面1002的N型区104。
如图2所示，本实施例中，上述衬底101该衬底作为光吸收层，能够有效吸收入射至其中的光线。为了进一步缩短光生载流子的传输距离，从而提升响应速度，本实施例中上述衬底101的厚度设置为50μm～200μm，例如可以是50μm、60μm、75μm、90μm、100μm、150μm、200μm等。
同样参照图2，衬底101具有相对设置的正面1001及背面1002，在衬底101的正面1001一侧形成有P型区103，在衬底101背面1002一侧形成有N型区104。经离子注入形成上述P型区103及N型区104。可选地，上述P型区103和N型区104均通过高能离子注入的方式形成，P型区103可以通过自衬底101的正面1001掺杂三价的硼元素形成；N型区104通过自衬底101的背面1002掺杂五价的磷元素形成。P型区103的上表面与衬底101的正面1001共平面，N型区104的表面与衬底101的背面1002共平面。上述P型区103作为光接收侧。P型区103和N型区104构成PIN型光敏元件的光敏部，该光敏部能够实现光电二极管的光电转换功能。
如上所述，衬底101的正面一侧仅形成P型区103，因此可以在横向上增加P型区103的宽度，也即在俯视方向上增加P型区103的投影面积。如图2所示，本实施例中，P型区103的宽度W1大约为衬底宽度的0.8～0.9。结合图3所示，在光敏二极管100的俯视方向上，P型区103在衬底101正面1001的投影面积为S2，该P型区所在的光敏元件在衬底101正面1001的投影面积为S1，S2与S1的比0.8～0.95。P型区103在衬底101的正面1001上的面积占比明显增大，由此可以显著提高光敏元件的光电流，提高其光电效率。
相应地，由于衬底101的正面1001只形成P型区103，不存在与之电性相反的其他掺杂结构，因此，P型区不存在横向击穿漏电的风险，可以将背面的N型区加深，例如可将N型区扩散的深度D1至自衬底100背面1002向衬底内部1μm～10μm的深度范围内，进一步地可扩散至4μm～8μm的范围，具体地，例如：3μm、4μm、4.5μm、6μm、8μm等。N型区104深度D1加深，可以提高光敏元件的暗电流温漂性能，提高器件的可靠性。
再次参照图2，衬底101的正面1001一侧形成有氧化环102，该氧化环102可以是在经高温氧化在衬底101的表面形成的氧化物材料层。该氧化环102位于衬底101的正面1001的边缘区域。如图3所示，在俯视方向上，氧化环102环绕P型区103。本实施例中，氧化环的宽度W2大于等于15μm。该氧化环102一方面保护P型区103周围的衬底101的表面，另一方面，氧化环102还能够起到隔离的作用，在后续的切割等过程中，保护衬底101及光敏二极管100不会因外力受到破坏，有利于提高光敏二极管100的良率及可靠性。
另外，为了进一步增加入射至衬底101的光，如图2所示，在光的入射面，即衬底101的正面1001一侧还形成有减反射膜层105，该减反射膜层105至少覆盖衬底101正面1001一侧的P型区103，进一步地，覆盖P型区103和氧化环102。减反射膜层105可选地可以是SiNX、SiO2、NiOX等其中的一种或几种的组合，该减反射膜层105能够减少入射至此的光的反射，使得更多的光能够入射至衬底101被衬底101吸收，增加光电转换效率。
再次参照图2，本实施例的光敏二极管100还包括电极结构，该电极结构包括第一电极106和第二电极107，第一电极106形成在衬底100的背面1002一侧，与N型区电连接；第二电极107形成衬底100的正面1001一侧，具体地，形成在减反射膜层105上方，经减反射膜层105中的电极通孔1050与P型区电连接。第一电极106和第二电极107可以是Al、Ag、Au、Ti等中的一种或者几种的组合形成的金属层。进一步地，第一电极106为Ti、Au复合层，第二电极107为Al层。第一电极106在衬底101的背面1002可以形成为整面覆盖的结构，因此该第一电极106可同时起到反射作用，将由衬底101出射的光再次反射回衬底101由衬底101吸收，增加光敏二极管100的光子吸收效率，提高其灵敏度。上述电极结构实现后续发光二极管与外界电路的连接，以实现光敏二极管100的光电流向外界的传输。
本实施还提供了上述光电二极管的制造方法，如图4所示，该方法包括以下步骤：
S100：提供衬底，所述衬底具有相对设置的正面及背面；
参照图5，本实施例中，上述衬底101的初始厚度通常在100μm～500μm。该衬底101具有相对设置的正面1001及背面1002。
S200：高温氧化所述衬底，以在所述衬底的正面形成氧化层；
同样参照图5，经热氧化工艺在Si衬底的表面形成氧化层110，具体地，将衬底101置于1000℃左右的熔炉中进行氧化，例如在1000℃～1200℃的温度下进行热氧化。氧气被引入到炉管中，并且与衬底101接触，在高温下，氧气分解，并与衬底101表面的硅原子反应生成氧化硅，即形成氧化层110。可以通过控制通入的氧气量以及反应时间、反应温度来控制氧化层110的生成厚度。本实施例中，形成的氧化层的厚度D3大于等于100nm，进一步地，大约为100nm～200nm。
S300：刻蚀所述氧化层，形成为氧化环，所述氧化环所围绕的区域暴露所述衬底的正面作为光敏区；
S400：在所述光敏区对所述衬底进行B离子扩散，形成P型区，所述P型区的上表面与所述衬底的上表面位于同一平面；
在衬底100的表面形成的图5所示的氧化层110可以作为进行离子扩散的掩膜层。因此，如图6所示，刻蚀图5所示的氧化层110，保留衬底101表面的边缘区域的氧化层即形成氧化环102，暴露出的衬底101表面区域作为离子扩散区，即光敏区。
在图6所示的氧化环102的遮挡下，对光敏区进行离子扩散，具体地，注入三价硼元素，形成P型区103。P型区103的掺杂深度可根据实际需要进行控制。P型区103的上表面与衬底101的上表面位于同一平面，并且P型区103在衬底101的正面1001的投影面积占P型区10所在的光敏元件在衬底101正面1001的投影面积的比介于0.8～0.95。由此能够提高光敏元件的光电流。
S500：在所述衬底的背面一侧进行P离子扩散，形成N型区，所述N型区的表面与所述衬底的背面位于同一平面。
形成P型区103之后，如图7所示，在衬底101的背面1002一侧进行离子掺杂，形成N型区104。由于在热氧化过程中，衬底101的背面1002不可避免地也会形成氧化物层，因此在离子注入之前，首先对衬底101的背面1002进行腐蚀，去除生成的氧化物层，然后在衬底101的背面1002进行P离子扩散，形成N型区。由于衬底101的正面1001一侧不存在P离子扩散区，因此不存在因P离子扩散的同时B离子也会同时扩散而导致的横向击穿漏电，因此，在衬底101背面1002进行P离子扩散时，可以适当增加扩散深度，即增加N型区104的深度，本实施例中P离子的扩散深度D1(即N型区104的深度)介于1μm～10μm，进一步地可扩散至4μm～8μm的范围，具体地，例如：3μm、4μm、4.5μm、6μm、8μm等。N型区104深度D1加深，可以提高光敏元件的暗电流温漂性能，提高器件的可靠性。
之后，再次参照图2，在P型区103上方，进一步地，在P型区103和氧化环102的上方沉积介质层形成减反射膜层105，该减反射膜层105可选地为绝缘材料层，用于减少入射至此的光的反射，使得更多地光能够入射至衬底101。
然后，在减反射膜层105上方形成电极结构。例如在P型区103对应区域刻蚀部分减反射膜层105形成电极通孔1050，以暴露P型区103。然后在电极通孔1050中及电极通孔1050周围的减反射膜层105上方沉积金属材料，例如沉积金属Al形成与P型区103电连接的第二电极107。
之后，在衬底101的背面1002溅射金属薄膜，形成第一电极106，该第一电极106可选地为Al、Ag、Au、Ti等中的一种或者几种的组合形成的金属层，进一步地，为Ti、Au复合层。第一电极106在衬底101的背面1002可以形成为整面覆盖的结构，因此该第一电极106可同时起到反射作用，将由衬底101出射的光再次反射回衬底101由衬底101吸收，增加光敏二极管100的光子吸收效率，提高其灵敏度。
实施例二
本实施例提供一种光敏探测器，如图8所示，该敏探测器200包括电路板201及多个光敏元件202。该电路板201中设置有模数转换电路、比较电路以及放大电路中的一个或多个。多个光敏元件固定至电路板，并且经电极结构电连接至电路基板的响应电路。本实施例中，上述光敏元件包括本申请上述实施例一提供的PIN型光敏元件。如图8所示，其中光敏元件202一侧，即第一电极106一侧直接固接至电路基板201，另一侧，即第二电极107一侧经导线203以打线方式连接至电路板。因此其同样具有良好的光电转换效率，同时具有更好的光子响应速度。
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 (11)
1.一种PIN型光敏元件，其特征在于，至少包括：
衬底，所述衬底具有相对设置的正面及背面；
P型区，形成在所述衬底的正面，所述P型区的上表面与所述衬底的上表面位于同一平面，并且所述P型区在所述衬底正面的投影面积占所述P型区所在的光敏元件在所述衬底正面的投影面积的比介于0.8～0.95；
N型区，形成在所述衬底的背面，所述N型区的表面与所述衬底的背面位于同一平面。
2.根据权利要求1所述的PIN型光敏元件，其特征在于，还包括氧化环，位于所述衬底的正面的边缘，在所述衬底正面的俯视方向上，所述氧化环位于所述P型区的周围。
3.根据权利要求1所述的PIN型光敏元件，其特征在于，所述N型区的深度介于1μm～10μm。
4.根据权利要求1所述的PIN型光敏元件，其特征在于，还包括减反射膜层，位于所述衬底的正面一侧，并且覆盖所述第一掺杂层及所述氧化环。
5.根据权利要求1所述的PIN型光敏元件，其特征在于，还包括电极结构，所述电极结构包括第一电极和第二电极，所述第一电极形成在所述衬底的背面一侧，并且所述第一电极与所述第一掺杂层电连接，所述第二电极形成在所述衬底的正面一侧与所述第二掺杂层电连接。
6.根据权利要求3所述的PIN型光敏元件，其特征在于，所述氧化环的宽度大于等于15μm。
7.一种PIN型光敏元件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底，所述衬底具有相对设置的正面及背面；
高温氧化所述衬底，以在所述衬底的正面形成氧化层；
刻蚀所述氧化层，形成为氧化环，所述氧化环所围绕的区域暴露所述衬底的正面作为光敏区；
在所述光敏区对所述衬底进行B离子扩散，形成P型区，所述P型区的上表面与所述衬底的上表面位于同一平面；
在所述衬底的背面一侧进行P离子扩散，形成N型区，所述N型区的表面与所述衬底的背面位于同一平面。
8.根据权利要求7所述的PIN型光敏元件的制造方法，其特征在于，所述P型区在所述衬底正面的投影面积占所述P型区所在的光敏元件在所述衬底正面的投影面积的比介于0.8～0.95。
9.根据权利要求7所述的PIN型光敏元件的制造方法，其特征在于，还包括：在所述衬底的正面一侧沉积介质层成减反射膜层，所述减反射膜层覆盖所述P型区及所述氧化环。
10.根据权利要求9所述的PIN型光敏元件的制造方法，其特征在于，还包括：
刻蚀所述减反射膜层直至暴露所述P型区，以形成电极通孔；
在所述电极通孔中及所述电极通孔周围的减反射膜层上方沉积金属材料，以形成第二电极；
在所述衬底的背面沉积金属材料，形成第一电极。
11.一种光敏探测器，其特征在于，包括：
电路板，设置有模数转换电路、比较电路和放大电路中的至少一个；
多个光敏元件，阵列排布在所述电路板上，并且多个所述光敏元件与所述电路基板电连接，所述光敏元件包括权利要求1～6中任意一项所述的PIN型光敏元件。
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| CN202311785035.6A CN117832314A (zh) | 2023-12-22 | 2023-12-22 | 一种pin型光敏元件及其制造方法、光敏探测器 |
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