CN1897272B - 光电探测系统 - Google Patents

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Abstract

一种光电探测系统包含宽带隙光电探测器阵列(10)，该光电探测器阵列物理且电集成在一个包含电连接(20)的柔性互连层(18)上，该光电探测器阵列以与处理电子器件(14)电集成的形式被封装并且封装和处理电子器件被配置用于获取并处理由光电探测器阵列探测到的信号，或者该阵列包括柔性互连层和处理电子器件的封装特性。

Description

光电探测系统
技术领域
本发明一般涉及半导体光电探测器阵列，尤其是用于紫外线辐射成像的半导体光电探测器阵列。
背景技术
当前用于这样的成像系统的光电探测系统或者使用一个盖革弥勒管或者使用一个涂磷的硅光电二极管结合一个窄带滤光片，以便阻断波长大于大约300纳米(nm)的光。盖革弥勒管的缺点包括其具有很低的灵敏度和需要使用很高的电源电压。硅光电二极管的磷涂层典型地被用来使其对紫外线(UV)敏感，在暴露于高强度UV时它随时间逐渐退化，因而硅光电二极管的灵敏度降低。
近期关于这样的成像的更多尝试包括使用氮化镓(GaN)探测器。这些尝试似乎具有发展希望，但是由于商用高品质氮化镓和氮化铝镓材料可获得性的限制而受到挑战。
发明内容
理想的是获得一种可以经受高能量辐射而不发生物理损坏(抗辐射)的光电探测器阵列，可以适用于很多紫外线探测应用中，并且可以被用于直接探测(不需要磷)。更为有利的是，提供一种集成的封装结构以方便在广泛的实施例中的使用和应用性。
根据一个实施方式来简要说明，光电探测系统包含一个宽带隙光电探测器阵列，该光电探测器阵列被物理且电集成在一个柔性的包括电连接的互连层上，该光电探测器阵列以与处理电子器件电集成的形式封装以便使封装和处理电子器件被配置用于获得并处理由光电探测器阵列探测得到的信号，或者该光电探测器阵列包括柔性互连层和处理电子器件封装。
根据另一个实施方式，宽带隙焦平面阵列模块包括：包含成像像素的阵列；可包含扫描寄存器的读出电子器件；一个支撑所述阵列和读出电子器件的基底；以及将每个像素耦合到读出电子器件的电互连。
附图说明
参照附图对后面的详细描述进行阅读，将对本发明的这些以及其他的特征、方面和优点有更好的理解，在所有的附图中相同的符号表示相同的组成部件，其中：
图1是根据一个实施方式的一个光电探测系统的示意图和展开图。
图2是根据另一个实施方式的一个光电探测系统的顶视图。
图3是图2所示的光电探测系统的侧视图。
图4示意了一个实施方式，其中滤光片构成光电探测器的整体组成部分。
图5是包含多孔碳化硅的一个光电探测器的侧视图。
图6是一个雪崩光电探测器的侧视图。
图7是多个平铺式光电探测器阵列的透视图。
图8是包含至少一个沟槽的光电探测器隔离实施方式的侧视图。
图9是根据另一个实施方式的光电探测器焦平面阵列模块的示意性结构图。
图10是根据另一个实施方式的光电探测器像素阵列的顶视图。
图11是沿图10中的线3-3的侧视剖面图。
图12是根据另一个实施方式的碳化硅像素结构的顶视图。
图13是沿图12中的线5-5的侧视剖面图。
图14是一个顶视图，示意了多个与图12中所示的像素相似的像素。
图15是根据另一个实施方式的光电探测器像素的侧视剖面图。
图16是根据另一个实施方式的光电探测器像素的示意图。
具体实施方式
图1是根据一个实施方式的光电探测系统10的示意图和展开图，其中光电探测系统10包括宽带隙光电探测器阵列12、处理电子器件14、和包含柔性的包括电连接20的互连层18的封装16，其中封装16被配置用于光电探测器阵列12和处理电子器件14的电集成，并且其中封装16和处理电子器件14被配置用于获得并处理光电探测器阵列12探测得到的信号。
如这里使用的，光电探测器阵列12上下文中的“宽带隙”是指包括具有大于或者等于大约2电子伏(eV)的带隙的半导体材料。这些材料的一些例子包括大多数类型的碳化硅、氮化镓、氮化铝镓、氧化锌和金刚石。与这些宽带隙材料中的大多数相同，碳化硅因为其固有的强抗辐射性并且不需要磷涂层以在紫外线(UV)空间中敏感而是有益的。在更具体的实施方式中，阵列的光电探测器22包括光电二极管构成。在其他的实施方式中，电容器或者光电导元件也可以或者可选择地被选用。甚至在更具体的实施方式中，光电探测器包含下面相应于图10-16所描述的类型的像素。
柔性互连层18的上下文中的“柔性”是指包括可以以半径或者弧线的方式弯曲，或者足够柔软以包括一个保形层(相对于其下面的表面)的材料。保形封装在光电探测系统的设计中提供了比平面类型实施方式更大的自由度。如下面所讨论的，在一些实施方式中不需要柔性互连层。例如在具有柔性互连层的实施方式中，柔性互连层包括大约50微米厚的聚酰亚胺构成。其他的材料例子包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethelyne)、聚醚酰亚胺(polyetherimide)(例如由通用电气公司出售的商标为ULTEM的类型)、笨并环丁烯(benzocyclobutene)和液晶聚合物。电连接20可以包括任何适当的材料并且在一个实施方式中包括铜。这些连接线可以包括置入柔性互连层的单层或多层实施方式。柔性层实施方式和电元件的对准技术例如分别在Cole等的US5527741和Saia等的US6475877中描述。
在图1的例子中，光电探测器阵列12和处理电子器件14的耦合通过与焊球13和15的连接实现。焊球形式的连接根据材料和连接的性质可以采用其它不同的技术实现。在另一个例子中，使用导电粘合剂来耦合光电探测器阵列和处理电子器件。在一个实施方式中，通过沿着阵列结构的边缘连接或者取决于材料和厚度在接近光电探测器的位置上构造通孔而形成后侧触点(在有源区所在侧的相反一侧)。在另一个实施方式中，前侧触点定位于阵列的外围(未示出)，柔性互连层中具有一个接入窗(未示出)，从而前侧触点直接耦合到柔性互连层。
与焊球实施方式对照，图2和3为根据另一个实施方式的光电探测系统的顶视图和侧视图，其中通过丝焊34实现耦合。图2还示出了一个实施方式，其中柔性层18进一步耦合到一个例如是印刷电路板的刚性层19。
在一个实施方式的一个方面，其中光电探测器阵列包含碳化硅光电探测器阵列，光电探测器阵列中的至少一部分碳化硅光电探测器22被配置来监测紫外线谱中一个预定波长范围内的能量。碳化硅光电探测器的响应度包络线从大约200nm延伸到大约400nm，这意味着它不是固有地对日光不敏感(也就是说，它的响应率本质上不限于低于大约300nm的波长，或者更明确地说不限于从大约240nm到大约280nm的波长范围)。
如图4所示，在一个更具体的实施方式中碳化硅光电探测器122中的至少一部分被配置通过耦合各自相应的滤光片32来监测在一个预定波长范围内的能量，所述滤光片被布置在截取指向各个相应的光电探测器的光线的位置。甚至更具体，图4示出了一个实施方式，其中滤光片通过已被置于光电探测器之上而构成光电探测器的整体组成部分。这样的滤光片在Brown等的US2004/0200975中被详细描述。在处理期间可以在晶片上增加多层电介质滤光片来适应响应率对波长的关系曲线以用于不同应用。如果使用例如SiO2和HfO2的无机化合物制造这些类型的滤光片，那么所得到的碳化硅光电探测器-滤光片组合在暴露于高温和强UV时就非常地稳定。虽然为了说明而给出了一个针对碳化硅的具体例子，但是这样的滤光片也可以和其它的宽带隙材料一起使用。
在更加改进的实施方式中，光电探测系统10包含多个不同的被布置来截取不同预定范围光线的滤光片32，所述的光线指向光电探测器阵列中的相应光电探测器。这样的实施方式提供了可以感测感兴趣光谱中多种成分的优点。作为另一个例子，不同特性的滤光片可以用于交替的或相邻的像素来形成一个多色UV视频芯片。
图5是包含多孔碳化硅36的光电探测器的侧视图，所述的多孔碳化硅与背面有涂有金属38的碳化硅的基层40相接，并且具有耦合的电触点42(典型地为氧化铟锡)。这个实施方式可以任选地结合上面描述滤光片实施方式，由于它可以感测可见光谱范围内的光从而提供了更好的灵活性。多孔碳化硅的暗电流特性与非多孔碳化硅的特性是可比的，并且多孔碳化硅的频谱响应度在可见光谱范围内增大。
图6是一个雪崩光电探测器(APD)57的侧视图。APD是高速、高灵敏度的光电探测器，其利用内部增益机构来实现施加一个反向电压。这样的光电探测器在适用于低光度场合的光电探测器阵列实施方式中是非常有用的。在一个示范性实施方式中，如Sandvik等在US6838741中描述的，一个雪崩光电探测器包含基底58、第一外延层59、第二外延层60、第三外延层61、第三外延层之上的为了限制运动离子传输的磷硅酸盐玻璃层62、在由外延层形成的倾斜侧壁上延伸的钝化层63和64、以及电极65和66。
不考虑光电探测器的类型，阵列本身可以包括不同的布局，图2的一个例示布局包括至少两个方向44和46而且在至少两个方向的每个方向包括至少两个光电探测器22。在一个更具体的实施方式中，阵列正好包含两个方向并且在正好两个方向的每个方向有至少512个单元。可以设想这样的阵列可能达到1024乘以1024的尺寸或者更大。然而为了避免阵列过大，光电探测系统可以包含多个平铺式光电探测器阵列50，如图7的透视图所示。平铺由Burdick，Jr.等在US2004/0109299中描述，容许大比例的探测器尺寸进而具有较大视野。另外，探测器的二维平铺可以用来从小的、合理生产的子阵列产生一个较大的阵列。
图8是光电探测器阵列中包含至少一个沟槽52的光电探测器隔离实施方式的侧视图。沟槽对光电探测器22进行物理隔离。沟槽内侧涂有一层电绝缘材料54并且填充保形沉积的光绝缘材料56，如Kretchmer等在US2005/0101100中所描述的。这样的实施方式对于减小阵列内部的串扰是有益的。
光电探测系统可以被可操作地连接到如下大量装置和系统中的任一个，其中一些例子包括飞行器引擎、通信装置、污染监测装置、X射线探测装置、测井工具、手持式安全装置、酒精监测装置、辉光成像装置、工业弧度探测装置、生物传感阵列、CT探测器和紫外线天文装置。
处理电子器件14(图1)可以由任何模拟的、数字的或者模拟数字组合装置构成，用于获得并处理来自光电探测器阵列的信号。这里所使用的“处理信号”是指对光电探测器响应电磁辐射导致的电荷或电流的电改变。这种改变的一个例子是对光电探测器的电流输出进行放大，然后提供给读出电子器件。很多处理技术的实施方式例如在Garverick等的US5371501和Rao等的US6366231中提供。Rao等的US6366231中的实施方式作为一个非限制性的例子，采用一个模拟数字转换电路(未示出)将模拟输入信号转换成多个二进制输出位。模拟数字转换电路包含一个运算放大器，该运算放大器具有一个倒相输入端和一个输出端，模拟输入信号与倒相输入端相连接。在运算放大器的倒相输入端和输出端之间接有一个积分电容器。积分电容器存储与输入信号的积分成比例的电荷。一个电荷减法电路选择性地连接到运算放大器的倒相输入端和输出端。当运算放大器的输出电荷基本上等于一个第二预定电荷时，电荷减法电路从积分电容器中消除第一预定电荷。
大量像素结构类型中的任一个适合于在探测系统实施方式中使用。下面结合附图9-16描述了一些具体的实施方式。例如在一个例子中简要地描述，一个电荷累积器件(CID)成像像素包含两个MOS电容器以在它们相关联的势阱间向前和向后移动电荷。CID成像像素与电荷耦合(CCD)成像像素相比更抗辐射，因为CID成像像素只需要两次电荷传输来读取一帧期间内积累的电荷，而CCD成像像素需要多次电荷传输。阵列的读取可替代地使用每个像素两个光电二极管同连接到光电二极管对的一个光电二极管上的传输门并且它的另一边沿搭接在另一个光电二极管上，或者每个像素包含一个耦合到开关的光电探测器来完成。
前面描述的实施方式具有很多优点，包括快速读取的实现、具有提供大量光电探测器数量和几何形状的可能性的可升级设计的稳定光电探测系统。虽然已经发现光电探测器阵列、柔性互连层和处理电子器件的组合产生出非常有益的结果，但是部分组合也是有益的并且在这里由权利要求请求。例如，一个实施方式中的光电探测系统包括：包含电连接的柔性互连层，和一个集成在柔性互连层上并且耦合到电连接的宽带隙光电探测器阵列。作为另一个例子，另一个实施方式中的光电探测系统包括宽带隙光电探测器阵列、处理电子器件、配置用来电集成光电探测器阵列和处理电子器件的封装，其中封装和处理电子器件被配置用于获得和处理由光电探测器阵列检测得到的信号。在这个实施方式中，光电探测器阵列和处理电子器件的封装可以用任何合适的基底来实现，这样的基底的一个例子包含包括例如硅的材料的刚性半导体基底。任一部分组合实施方式可以选择性地包括多个具体的探测器和上述描述的关于更大组合的其它特性。如果需要，作为另一个进一步的例子，相对于图9-16描述的像素实施方式可以独立于柔性互连层和处理电子器件的实施方式使用。
图9是根据一个实施方式的宽带隙焦平面阵列模块1010的示意性结构图，其中模块1010包含阵列1014，其包括多个碳化硅像素1018；多个扫描寄存器示为1022和1026；支撑阵列1014和扫描寄存器1022和1026的基底1030；以及多个电互连1034，其耦合每一个像素1018至扫描寄存器1022和1026中的至少两个。基底1030可以包括任何结构合适的能够为像素和扫描寄存器提供支撑的材料，无论其是柔性的还是刚性的。例如在一个实施方式中基底由例如矾土的陶瓷材料构成。如果希望，箱型结构可以与基底相耦合并且在感兴趣区域之上包含石英或蓝宝石窗。
下面结合附图10-16描述了光电探测器像素1018的几个例子。理想地，阵列1014和互连1034的结构被设置成使像素1018可以通过交叉点耦合到扫描寄存器1022和1026。交叉点耦合的一个例子在图9中示出，其中像素1118沿互连线1034耦合到扫描寄存器1026和扫描寄存器1022。这样的实施方式避免了每个像素需要单独耦合到一个独立的读出焊盘(pad)。虽然示出的是一个九十度的定向，但这样的定向不是必需的。另外下面使用术语“行”和“列”用于描述目的但并不意味着限制或者必需一个特定的定向。在一个实施方式中扫描寄存器包括硅扫描寄存器例如硅扫描晶体管。Burke等在US3993897中描述了这样的扫描寄存器和读取存储电荷方法的几个例子。虽然作为例子示出了两个扫描寄存器1022和1026，但是如果需要可以增加另外的扫描寄存器。
图10是根据另一个实施方式的光电探测器像素阵列的顶视图，和图11是沿图10中线3-3的侧视剖面图。在这些实施方式中，光电探测器像素中的至少一部分包含一对耦合的MOS(金属氧化物半导体)电容器1038和1042。
在一个更具体的实施方式中，参照图11可以看出，MOS电容器对1038和1042的加工顺序以一个碳化硅结构开始，该碳化硅结构包含一个n型碳化硅基底1044、一个n型碳化硅外延层1046和一个p型碳化硅外延层1048。注入n+型电导性形成区域1050然后沉积第一氧化层1052。在一个例子中，外延层1046具有大约1-2微米的厚度，外延层1048具有大约6微米的厚度，注入区1050具有大约1-2微米的厚度，第一氧化层1052具有大约1微米的厚度。导电性类型用于示例目的并且如果需要可以是相反的。这里描述的氧化层典型地包括氧化硅，但如果需要可以使用其它的氧化物。
第一氧化层1052在形成像素1218的区域内被变薄(通过任何适当的技术来减少或者移除)，并且沉积或者热生长形成第二氧化层1054。在一个例子中，第二氧化层1054的厚度大约为400埃。如果需要，可以在第二氧化层1054上使用可选的氮化硅(Si3N4)层(未示出)以减小渗漏。
然后施加透明的导电材料层1040(例如通过沉积)并构图形成电容器1038和1042的区域以及行互连(在图10中以标记1058表示)。如这里所使用的，透明包括允许感兴趣波长范围内至少大约50％(或者在一个更具体的例子中为大约80％)的光通过的材料层。例如取决于其厚度，铂对于碳化硅器件所响应的波长(大约200纳米到大约400纳米)可以是透明的。随着铂层变厚，透明度下降而导电性增加。层1040可以通过例如蚀刻技术来进行构图。
构图完成后，施加第三氧化层1056(图11)。可以通过例如蚀刻的方法来形成向下延伸到层1040的过孔1064(图10)。在图10的实施方式中，层1040在像素中的相邻电容器金属化之间包括有连接焊盘区(landing pad)1041，这样相邻的两个像素可以共同使用一条列连接。然后施加第二级导电材料层1059以提供列互连1062。第二级导电材料层1059也可以用来提供连接焊盘1060以提供到扫描寄存器的连接。层1059不需要是透明的。作为例子的材料包括铝、钛/钼、以及它们的组合。
图12根据另一个实施方式的光电探测器像素1318结构的顶视图，图13是沿图12中线5-5的侧视剖面图，图14是对与图12所示像素相似的多个像素1318进行示例的顶视图。这个实施方式比图10-11中的实施方式复杂性低，因为不需要注入区1050(图11)而且不需要连接单独像素单元的触点。
在一个例子中，这个实施方式的处理可以结合图11描述的类似方式开始，提供包含n型衬底1044、n型外延层1046、p型外延层1048(但没有注入区1050)的结构，在形成像素1318的区域进行薄化或者移除第一氧化层1052、并且沉积或者热生长第二氧化层1054。
然后可以施加第一导电层1158并在行的方向上构图。层1158不需要是透明的，尤其是其足够窄的情况下。例如如果在像素区域上的层1158的行材料的覆盖被限制不超过像素区域的大约百分之二十五，那么量子效率得到最大化。材料的例子包括钼和多晶硅。然后在结构上施加第三氧化层1156，在一个例子中其厚度为大约400埃。在一些实施方式中，在第三氧化层1156之上可以应用可选的Si3N4层(未示出)，其示例性的厚度为大约600埃。
然后在像素上施加第二导电层1162并且在列方向上构图。层1162选择为透明的(以前面结合图11所述的类似方式)，并可以包括例如铂、氮化铝、氮化铝镓(AlGaN)、类金刚石碳薄膜、薄碳或者任何其他透明的材料。在使用AlGaN的实施方式中，可以设计其组成成分以限制短波长的灵敏度。可选地，可以在层1162上面选沉积多个电介质滤光片(未示出)，来控制作为波长函数的响应度并且通过基本上消除长波长(在大约250nm以上)响应以使成像装置对日光不灵敏。滤光片的例子例如在前面提到的Brown等的US2004/0200975中描述的，可以和这里描述的任何像素结合使用。另外在这个实施方式中为了不减小透明度而增大导电率，可以使用一个导电条带1066并且沿着层1162的边缘构图。在一个实施方式中，导电条带1066包括铝。条带材料的其它例子例如包括钼、铜、钛。导电条带1066可以在第二导电层1162构图之前或者之后进行沉积并构图。
图15是根据另一个实施方式的光电探测器像素1418的侧视剖面图，其中像素中的至少一部分包括一对光电二极管1072和1074。在一个更具体的实施方式中光电二极管包括碳化硅光电二极管构成。典型地如在图15中所示，两个光电二极管之间有一个传输门1069。由于光电探测器1072和1074是台式绝缘的而且形成有到每个n+区的触点1078和1080，所以像素1418是不平坦的。这样以来封装密度就不能像前面讨论的电容器实施方式中的一样大。
图16是根据另一个实施方式的光电探测器像素1518的示意图，其中像素1518包含耦合到交叉点场效应晶体管开关1084的光电探测器1082。例如在一个更具体的实施方式中，光电探测器由碳化硅光电二极管构成。
虽然在这里只示例和描述了本发明的一些特征，但对于本领域熟练技术人员来说可以有很多修改和变化。因此可以理解的是，附加的权利要求将覆盖落入本发明实质精神的范围内的所有的修改和变化。
部件列表
10    光电探测系统
12，112  光电探测器阵列
13    焊球
14    处理电子器件
15    焊球
16    封装
18    柔性互连层
20，120  电连接
22，222  光电探测器
24    芯片焊接金属
26    光电探测器
28    氧化层
30    接触金属
32    滤光片
34    丝焊
36    多孔碳化硅
38    芯片焊接金属
40    碳化硅
42    触点
44    方向
46    方向
50    平铺式光电探测器阵列
52    沟槽
54    电绝缘材料
56    光绝缘材料
57    雪崩光电探测器
58    基底
59    第一外延层
60    第二外延层
61    第三外延层
62    磷硅酸盐玻璃层
63    钝化层
64    钝化层
65    电极
66    电极
68    过孔
70    开关
1010  模块
1014  阵列
1018  像素
1022  扫描寄存器
1026  扫描寄存器
1030  基底
1034  互连
1038  MOS电容器
1040  透明层
1041  连接焊盘区
1042  MOS电容器
1044  基底(n)
1046  外延层(n)
1048  外延层(p)
1050  注入区(n+)
1052  第一氧化层
1054  第二氧化层
1056  第三氧化层
1058  行
1060  连接焊盘
1062  列
1064    过孔
1066    边缘金属化
1072    光电探测器
1069    传输门
1074    光电探测器
1076    氧化物
1078    互连
1080    互连
1082    光电探测器
1084    开关

Claims (8)

1.一种光电探测系统(10)，包括：
具有电触点的宽带隙光电探测器阵列(12)；
处理电子器件(14)；和
包含柔性互连层(18)的封装(16)，该柔性互连层包含直接接触宽带隙光电探测器阵列(12)的电触点的电连接(20)，
其中该封装被配置用于电集成该光电探测器阵列和该处理电子器件，和
其中该封装和该处理电子器件被配置用于获得并处理由该光电探测器阵列探测到的信号。
2.如权利要求1所述的系统，其中该柔性互连层包括保形层。
3.如权利要求1所述的系统，其中该光电探测器阵列包括碳化硅光电探测器阵列，并且其中通过在截取指向相应光电探测器的光的位置上配置相应的滤光片(32)，光电探测器阵列中的至少一些碳化硅光电探测器(22)被配置用于监测紫外线谱的一个预定波长范围内的能量。
4.如权利要求1所述的系统，进一步包括被布置用来截取指向光电探测器阵列的相应光电探测器的不同预定范围光的多个不同的滤光片(32)。
5.如权利要求1所述的系统，其中光电探测器阵列包括氮化镓光电探测器、氧化锌光电探测器、金刚石光电探测器或其组合。
6.如权利要求1所述的系统，其被可操作地连接到飞行器引擎、通信装置、污染监测装置、X射线探测装置、测井工具、手持式安全装置、酒精监测装置、辉光成像装置、工业弧度探测装置、生物传感阵列、CT探测器或者紫外线天文装置。
7.如权利要求1所述的系统，其中光电探测器中的至少一些包括(a)一对耦合的MOS电容器、(b)一对光电探测器、(c)耦合到一个交叉点场效应晶体管开关的一个光电探测器，或(d)其组合。
8.一种光电探测系统(10)，包括：
包含电连接(20)的柔性互连层(18)；
集成在该柔性互连层上具有电触点的宽带隙光电探测器阵列(12)，并且该电触点直接接触该电连接(20)。
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