同面電極光電二極管陣列及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施例涉及光電二極管，具體涉及一種同面電極光電二極管陣列結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體光電二極管陣列通過(guò)直接入射光線或者X射線在閃爍體中產(chǎn)生可見(jiàn)光線，與半導(dǎo)體中原子發(fā)生電離反應(yīng)，從而產(chǎn)生非平衡載流子來(lái)檢測(cè)入射光的。衡量光電二極管陣列性能的關(guān)鍵參數(shù)包括分辨率、信噪比、讀出速度以及像素間電荷串?dāng)_等。此外，暗電流和單像素內(nèi)部光線收集有源區(qū)的電荷收集均勻性也尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題，提出了同面電極光電二極管陣列及其制作方法。
[0004]在本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種同面電極光電二極管陣列，包括多個(gè)同面電極光電二極管，每個(gè)同面電極光電二極管包括:第一導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底;在第一導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底上形成的第一導(dǎo)電型輕摻雜半導(dǎo)體層;在所述第一導(dǎo)電型輕摻雜半導(dǎo)體層的上部形成的第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域，其中所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域與所述第一導(dǎo)電型輕摻雜半導(dǎo)體層形成PN結(jié)二極管，并且第二電極從所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體層在光線入射側(cè)引出；圍繞所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域的第一導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域，并且第一電極從所述第一導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域在光線入射側(cè)引出；以及設(shè)置在所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域和所述第一導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域之間的溝槽結(jié)構(gòu)。
[0005]根據(jù)一些實(shí)施例，所述溝槽結(jié)構(gòu)是由一種絕緣材料或多種復(fù)合絕緣材料，或光線反射材料填充溝槽而形成的。
[0006]根據(jù)一些實(shí)施例，所述溝槽結(jié)構(gòu)是由與第一導(dǎo)電類型的重?fù)诫s單晶半導(dǎo)體或多晶半導(dǎo)體材料填充溝槽而形成的。
[0007]根據(jù)一些實(shí)施例，所述溝槽結(jié)構(gòu)包括且在所述溝槽周圍形成第一導(dǎo)電型的重?fù)诫s區(qū)域。
[0008]根據(jù)一些實(shí)施例，所述溝槽結(jié)構(gòu)包括未填充的溝槽，且在溝槽底部及側(cè)壁覆蓋一層絕緣層、多層復(fù)合絕緣層或光線反射材料。
[0009]根據(jù)一些實(shí)施例，在溝槽周圍形成第一導(dǎo)電型的重?fù)诫s區(qū)域，在溝槽底部及側(cè)壁覆蓋一層絕緣層、多層復(fù)合絕緣層或光線反射材料。
[0010]根據(jù)一些實(shí)施例，所述溝槽結(jié)構(gòu)包括溝槽，且在溝槽底部及側(cè)壁覆蓋一種絕緣材料，或多種復(fù)合絕緣材料，或光線反射材料，然后由單晶半導(dǎo)體材料或多晶半導(dǎo)體材料填充溝槽。
[0011]根據(jù)一些實(shí)施例，填充溝槽的單晶半導(dǎo)體材料或多晶半導(dǎo)體材料，相對(duì)于第二電極連接到高電位。
[0012]根據(jù)一些實(shí)施例，在第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域的上部形成較薄的第一導(dǎo)電型重?fù)诫s區(qū)域或第二導(dǎo)電型輕摻雜區(qū)域，且四周被所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s區(qū)域包圍。
[0013]根據(jù)一些實(shí)施例，在所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s區(qū)域下部形成連續(xù)第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)域，或僅在第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)域下方設(shè)置一段第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)域。
[0014]根據(jù)一些實(shí)施例，在所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s區(qū)域下面，形成連續(xù)的絕緣材料區(qū)域，或僅在所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s區(qū)域下方設(shè)置一段絕緣材料區(qū)域。
[0015]根據(jù)一些實(shí)施例，所述第一導(dǎo)電型重?fù)诫s區(qū)域形成為溝槽結(jié)構(gòu)，向下延伸至所述第一導(dǎo)電型重?fù)诫s區(qū)域或絕緣材料區(qū)域，并與之連接。
[0016]根據(jù)一些實(shí)施例，在所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s區(qū)域下面，形成連續(xù)帶絕緣層的傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，或僅在所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s區(qū)域下方設(shè)置一段帶絕緣層的傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)由絕緣材料或半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
[0017]根據(jù)一些實(shí)施例，所述第一導(dǎo)電型重?fù)诫s區(qū)域?yàn)闇喜劢Y(jié)構(gòu)，向下延伸至帶絕緣層的傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體材料區(qū)域，并與之連接。
[0018]在本發(fā)明的另一方面，提出了一種制作同面電極光電二極管的方法，包括步驟:在第一導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底上形成第一導(dǎo)電型輕摻雜半導(dǎo)體層;在所述第一導(dǎo)電型輕摻雜半導(dǎo)體層的上部形成第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域，其中所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域與所述第一導(dǎo)電型輕摻雜半導(dǎo)體層形成PN結(jié)二極管，并且第二電極從所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體層在光線入射側(cè)引出；圍繞所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域形成第一導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域，并且第一電極從所述第一導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域在光線入射側(cè)引出；以及在所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域和所述第一導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域之間設(shè)置溝槽結(jié)構(gòu)。
[0019]利用上述實(shí)施例的方案，能夠在探測(cè)X射線時(shí)有效阻擋空穴載流子向非有源區(qū)擴(kuò)散，提高有源區(qū)邊緣位置的光響應(yīng)及收集效率。
【附圖說(shuō)明】
[0020]根據(jù)以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的以上及其其他目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)將更明顯，附圖中:
[0021 ]圖1A是描述本發(fā)明實(shí)施例的光電二極管的俯視圖；
[0022]圖1B是用以對(duì)所涉及的光電二極管的剖面A-A’結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的示意圖；
[0023]圖2是用以對(duì)第1、2實(shí)施方式所涉及的光電二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的示意圖；
[0024]圖3是用以對(duì)第3實(shí)施方式所涉及的光電二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的示意圖；
[0025]圖4是用以對(duì)第4實(shí)施方式所涉及的光電二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的示意圖；
[0026]圖5是用以對(duì)第5實(shí)施方式所涉及的光電二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的示意圖；
[0027]圖6是用以對(duì)第6實(shí)施方式所涉及的光電二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的示意圖；
[0028]圖7是用以對(duì)所涉及的光電二極管光線收集有源區(qū)邊緣部分光響應(yīng)進(jìn)行說(shuō)明的示意圖；
[0029]圖8是用以對(duì)所涉及的光電二極管光線收集有源區(qū)邊緣部分收集效率進(jìn)行說(shuō)明的示意圖。
[0030]圖9是用以對(duì)第7實(shí)施方式所涉及的光電二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的示意圖；
[0031]圖10是用以對(duì)第8實(shí)施方式所涉及的光電二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的示意圖；
[0032]圖11是用以對(duì)第9實(shí)施方式所涉及的光電二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的示意圖；
[0033]圖12是用以對(duì)第10實(shí)施方式所涉及的光電二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的示意圖；
[0034]圖13是用以對(duì)第11實(shí)施方式所涉及的光電二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明的示意圖；
[0035]符號(hào)的說(shuō)明
[0036]1.N+型半導(dǎo)體層，2.N-型半導(dǎo)體層，3.N+型半導(dǎo)體區(qū)域，4.P+型半導(dǎo)體區(qū)域，5.—層絕緣層、多層復(fù)合絕緣層或光線反射材料，6.空間電荷區(qū)，7.—層絕緣層、多層復(fù)合絕緣層或光線反射材料，或P+型半導(dǎo)體材料，8.空隙區(qū)域，10.N+或P+摻雜的單晶半導(dǎo)體材料或多晶半導(dǎo)體材料，11.較薄N+型半導(dǎo)體區(qū)域或P-型半導(dǎo)體區(qū)域，12.N+型半導(dǎo)體區(qū)域或二氧化硅、氮化硅等絕緣材料區(qū)域，13.N-型半導(dǎo)體層，14，二氧化硅、氮化硅等絕緣材料，15.單晶硅、多晶硅或鍺等重?fù)诫s半導(dǎo)體材料，16，二氧化硅、氮化硅等絕緣材料，21.N+型半導(dǎo)體區(qū)域引出電極，22.P+型半導(dǎo)體區(qū)域引出電極，31.N+型半導(dǎo)體區(qū)域，32.N+型半導(dǎo)體區(qū)域，34.一層絕緣層、多層復(fù)合絕緣層或光線反射材料。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面，將參考附圖描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例。如果對(duì)公知的功能或結(jié)構(gòu)的描述使得本發(fā)明的主題不簡(jiǎn)潔，則將其省略。而且，為了清楚地說(shuō)明的目的，附圖中實(shí)處的部分被簡(jiǎn)化或放大。此處，特點(diǎn)層或區(qū)域的位置可以表示相對(duì)位置，但實(shí)際情況不一定與示意圖中比例相同。參照?qǐng)D1?圖13對(duì)實(shí)施方式所涉及的光電二極管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。
[0038]本發(fā)明實(shí)施例的光電二極管陣列中，像素對(duì)應(yīng)的光檢測(cè)通道形成于第一導(dǎo)電類型的外延娃片中。該外延娃片為低電阻率襯底，高電阻率外延類型的外延娃片。包括:第一導(dǎo)電類型的離子注入，在硅外延片表面形成重?fù)诫s區(qū)域，具有使通過(guò)被檢測(cè)光的入射而產(chǎn)生的多數(shù)載流子進(jìn)行收集區(qū)域;第二導(dǎo)電類型的離子注入，在硅外延片表面形成重?fù)诫s區(qū)域，與第一導(dǎo)電類型的外延片形成PN結(jié)，并且按照光檢測(cè)通道的方式設(shè)置其對(duì)應(yīng)的注入位置，具有使通過(guò)被檢測(cè)光的入射而產(chǎn)生的少數(shù)載流子進(jìn)行收集區(qū)域，該區(qū)域?yàn)楣饩€收集有源區(qū)。該兩種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)域不能夠相鄰放置，以防止發(fā)生遂穿效應(yīng)，而其間則為半導(dǎo)體基板的高阻外延材料。該光電二極管陣列的PN結(jié)可以工作在反偏模式，在像素中的光線收集有源區(qū)附近形成反偏條件下較寬的空間電荷區(qū);光電二極管陣列的PN結(jié)也可以工作在零偏模式，在像素中的光線收集有源區(qū)附近形成零偏條件下較窄的內(nèi)建空間電荷區(qū)。
[0039]光線通過(guò)入射窗口進(jìn)入到硅半導(dǎo)體中，在光線收集有源區(qū)中同硅原子發(fā)生碰撞電離，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子會(huì)在內(nèi)建電場(chǎng)或外加偏置電場(chǎng)條件下，向第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)域漂移或擴(kuò)散，最終被收集;而空穴會(huì)在內(nèi)建電場(chǎng)或外加偏置電場(chǎng)條件下，向第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)域漂移或擴(kuò)散，最終被收集，從而讀出電信號(hào)?？紤]到PN結(jié)電容效應(yīng)，第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型摻雜區(qū)域間距可能較大，像素有源區(qū)邊緣位置激發(fā)的載流子很容易被光電二極管陣列中的臨近像素收集;此外也可能被硅體中陷阱或缺陷所捕獲。
[0040]例如，同面電極光電二極管陣列包括多個(gè)同面電極光電二極管，每個(gè)同面電極光電二極管包括:第一導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底;在第一導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底上形成的第一導(dǎo)電型輕摻雜半導(dǎo)體層;在第一導(dǎo)電型輕摻雜半導(dǎo)體層的上部形成的第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域，其中所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)域與所述第一導(dǎo)電型輕摻雜半導(dǎo)體層形成PN結(jié)二極管，并且第二電極從所述第二導(dǎo)電型重?fù)诫s半導(dǎo)體層在光線入