一种光电检测结构及光电检测器的制作方法

1.本实用新型涉及光电检测技术领域，具体涉及一种光电检测结构及光电检测器。


背景技术：

2.光电检测技术目前已被广泛应用于各种智能设备，例如智能手机的屏幕亮度自动调节功能和接听电话自动熄屏功能均是应用了环境光检测技术。现有技术中，为了提高光电探测的量子效率，通常使用尽量大的光学开窗面积，并配合光学开窗设计相应的透镜和光路，将尽量大的光子通量导入光电探测器的光学开窗区。同时再采用尽量大的n阱面积来提高pn结耗尽区的面积，提高光电转化的量子效率，实现尽量大的光电流，从而提升光电检测的灵敏度。因此，现有技术中光电探测器通常是将感光区中的n阱最大限度的填满光学开窗区。
3.然而，随着n阱面积的增大，其与二氧化硅的接触面也随之增大，导致由于二氧化硅界面态缺陷产生的噪声电子更容易被n阱收集形成暗电流或者噪声电流，在整个n阱中都有较密的暗电流分布。暗电流和噪声电流的产生，导致光电检测器中检测电流信噪比的下降。同时由于n阱面积增大，光电管的寄生电容也相应增大。而在环境光传感器、接近传感器等微光探测领域，为了得到更大的光电信号，通常会采用等效于图1中的运放构成的积分电路对光电管产生的光电流进行积分。根据积分电路的总噪声计算可知，积分电路输出的总噪声和光电管本身的寄生电容呈正相关。因此，光电管中n阱面积的增大，会导致积分电路的总噪声变大，使得积分电路的设计难度也相应增加。如何能够在光信号强度满足检测要求的前提下，降低光电管中的暗电流、噪声电流以及寄生电容，对于提升光电检测的灵敏度和准确性有着重要意义。


技术实现要素：

4.鉴于此，为了提升光电检测的灵敏度和准确性，本实用新型提出了一种非全填式的光电检测结构及光电检测器。利用非全填的n阱结构，通过降低n阱与二氧化硅的接触面积，在仅减少部分光电流的情况下，显著降低了光电管的寄生电容和暗电流，从而大幅提升光电检测中检测电流的信噪比，利用n阱面积与光电流大小的解耦关系，克服了现有技术中使用尽量大n阱面积的技术偏见。
5.本实用新型通过下述技术方案解决上述问题：一种光电检测结构，其特征在于，包括：p衬底，所述p衬底中有掺杂形成的n阱，p衬底与n阱共同构成感光区；所述感光区上方设置有遮光金属，从所述遮光金属的上方俯视，所述遮光金属所包围的区域即为光学开窗，所述光学开窗内的n阱的总面积占所述光学开窗的60％以下。
6.优选地，所述光学开窗内的n阱的总面积占所述光学开窗的10％以下。
7.优选地，所述光学开窗内的n阱的总面积占所述光学开窗的1％以下。
8.优选地，所述感光区上方覆盖有二氧化硅层。
9.优选地，还包括金属接触部，所述金属接触部通过所述二氧化硅层中的空隙连接
到所述n阱，从而将光电流引出。
10.优选地，从所述遮光金属的上方俯视，所述光学开窗内有分离的三个条状n 阱。
11.优选地，从所述遮光金属的上方俯视，所述光学开窗内有多个圆形n阱。
12.优选地，从所述遮光金属的上方俯视，所述光学开窗内有多个n阱，且每个n阱的中心点与其相邻的n阱的中心点的距离相同。
13.优选地，从所述遮光金属的上方俯视，所述n阱被设置为1个整体的n阱，其形状为“十”字型。
14.本实用新型还提供了一种光电检测器，其特征在于，其感光区采用前述的光电检测结构。
15.本实用新型的有益效果是：通过利用光电流与n阱面积两者之间的解耦关系，采用相较于现有技术中更小面积的n阱，能够明显降低了光电检测结构中的寄生电容、暗电流以及噪声电流，增加了光电检测的灵敏度和准确性。
附图说明
16.图1为光电检测中对光电流进行积分的等效积分电路；
17.图2为现有光电检测结构的剖视图；
18.图3为现有光电检测结构的掺杂浓度示意图；
19.图4为现有光电检测结构内的暗电流分布图；
20.图5为实施例一提供的光电检测结构的剖视图；
21.图6为实施例一提供的光电检测结构的俯视图；
22.图7为实施例一提供的光电检测结构的掺杂浓度示意图；
23.图8为实施例一提供的光电检测结构内的暗电流分布图；
24.图9为光电流、寄生电容与信噪比系数三者关于n阱面积的变化趋势图；
25.图10为实施例二提供的光电检测结构的俯视图；
26.图11为实施例三提供的光电检测结构的俯视图；
27.图12为实施例四提供的光电检测结构的俯视图。
具体实施方式
28.下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
29.图2为现有光电检测结构的剖视图，在p衬底7中掺杂形成有n阱1，p衬底与n阱共同构成感光区，并在p衬底7和n阱1之间形成耗尽区2，在耗尽区2 中有内电场3。图3中示出了该光电管结构的掺杂浓度示意图。感光区上方覆盖有二氧化硅层6。金属接触部4通过二氧化硅层6中的空隙连接到n阱1中将光电流引出。感光区上方设置有遮光金属5，从遮光金属5的上方俯视，遮光金属5所包围的区域即为光学开窗。为了获得尽量大的光电流，从遮光金属5的上方俯视，n阱1填满了整个光学开窗。
30.然而对于光电检测技术，光电管中pn结的暗电流噪声来源主要是体暗电流和表面暗电流，体暗电流和n阱1的表面面积成正比。而对于表面暗电流而言，其大小由二氧化硅层6的表面缺陷态以及n阱1与二氧化硅层6表面的接触面积决定。图4示出了上述光电检测结
构内的暗电流分布图。因此在工艺确定的情况下，减小n阱表面面积可以视为近似等比例的减小暗电流的大小。同时，光电检测结构的寄生电容主要由耗尽区电容c
t
和扩散电容cd构成，两者也均与n阱1的表面面积成正比。因此，为了降低了光电检测结构的寄生电容和暗电流，可以考虑降低n阱1的表面面积，即降低n阱1与二氧化硅层6的接触面积。
31.在本实用新型的实施例中，示例性地展示了一种非全填式的光电检测结构，即实施例一，如图5中所示，相较于如图2中所示出的现有光电检测结构为增大光电流将n阱1设置为填满整个光学开窗区域，实施例一中的光电检测结构则采用了非全填式结构，即在光学开窗区域内，使用三个分离的n阱1，替代了图1中一体式的大面积的n阱1，从而降低了n阱与二氧化硅层的接触面积。该结构的俯视图如图6所示，相较于现有技术中使得n阱填满整个光学开窗区域，实施例1中的n阱被设置为分离的三个条状n阱1，从俯视图看，开窗区域并未被n阱全部填满，属于非全填式结构。图7中示出了实施例一中光电检测结构的掺杂浓度示意图。图8中示出了实施例一中光电检测结构内的暗电流分布图，相较于图4中的暗电流分布图，由于降低了 n阱与二氧化硅层总的接触面积，存在于接触面的暗电流显著减小。同时，由于n阱整体面积的降低，光电管的寄生电容也随之同步降低。
32.通过控制n阱的总面积与光学开窗面积的百分比，对光电流和寄生电容进行仿真，分别与n阱填满光学开窗时的参数对比，计算光电流比例关系和寄生电容比例关系，把光电流比例关系与寄生电容比例关系的倍数设为信噪比系数，再将信噪比系数与n阱填满光学开窗时的参数对比，便能够得到随着n阱面积减小，光电流、寄生电容与信噪比系数三者的变化趋势，具体数据如下表所示。
[0033][0034][0035]
对上表中的参数进行拟合，即可得到随着n阱面积与光学开窗面积的百分比的变化，光电流、寄生电容与信噪比系数三者的变化趋势图，如图9中所示。从该图中能够看出，随着n阱面积的降低，光电流并不随之显著降低，而寄生电容却几乎呈现出线性下降的趋势，因此，信噪比系数随着n阱总面积占光学开窗的比例上升而呈现出单调下降的变化趋势。对于光电流来说，由于光电流主要由三个部分组成，分别为p区的光生电子电流，n区的光生空穴电流，以及势垒区(耗尽区)产生电流。其中，势垒区由于处于耗尽状态，所以势垒区中的电场可以使载流子进行漂移运动，这样可以保证几乎所有产生于势垒区的光生载流子都被收集，因此势垒区产生电流带来的载流子损耗可以忽略不计。而p区和n区的少子电流则因为不同区域的不同掺杂浓度会有不同的少子寿命和扩散长度引起不同程度的光生载流子损耗。在实施例一中感光区的结构中，将现有技术中感光区的一体式的大面积n阱分成多个小面积n阱，使得导致的结果是光电管中的耗尽区体积得到了减少，因此会有更多的光生载流子无法达到百分百的收集效率，该因素会导致光电流降低。然而，原来一部分产生于n区损耗于n区的少子现在转为产生在p区损耗于p区的少子。对于通常的标准cmos工艺下
设计的光电探测器，其n阱的掺杂浓度一般高于p衬底，n阱的少子寿命更短，会损耗更多的光生载流子，n阱体积的减少会降低整体光生电子的损耗，该因素会导致光电流的增加。由于n阱表面面积的降低，使得上述两个因素所导致的光电流变化量能够大致相互抵消，即可以让光电流在n阱表面面积降低的情况下，得到总量变化不大的光电流。因此光电流与n阱面积两者之间呈现解耦关系。利用该解耦关系，以及寄生电容与n阱面积的线性相关关系，能够在不显著降低光电流的情况下，大幅降低寄生电容，从而明显提升信噪比系数。从列表中能够看出，当n阱总面积占光学开窗的比例为60％时，此时信噪比系数为n阱填满整个光学开窗时的2倍；当n阱总面积占光学开窗的比例为10％时，相较于n阱填满整个光学开窗，此时的信噪比系数提高到了14 倍以上；而当n阱总面积占光学开窗的比例为1％时，相较于n阱填满整个光学开窗，此时的信噪比系数更是提高到了70倍以上。同时考虑暗电流与n阱面积的关系，更小面积的n阱能够明显降低光电管中的暗电流、噪声电流以及寄生电容，增加了光电检测的灵敏度和准确性。上述光电检测结构的性能提升，在 n阱总面积占光学开窗的比例60％以下时，即有显著效果。图9中信噪比系数的变化趋势也显示出，相较于n阱填满整个光学开窗，当n阱总面积占光学开窗的比例在10％以下时，信噪比系数进一步提升到了14倍以上；当n阱总面积占光学开窗的比例在1％以下时，信噪比系数更是显著升高到70倍以上。
[0036]
同时，本实用新型还提供了实施例二。在实施例二中，光电检测结构中设置n阱的俯视图如图10所示，在光学开窗区域内，共设置有9个n阱 1，呈现3x3形式排列，每个n阱的形状均为圆形。9个n阱的总面积相较于填满整个光学开窗，也有较大幅度下降。进一步的，在光学开窗区域内的n阱也能被设置为其他数量的多个分离的圆形n阱或其他形状的n阱。
[0037]
图11中示出了实施例三。在该实施例中，在光学开窗区域内有多个n 阱，为保证光生电子更加均匀地被n阱收集，每个n阱的中心点与其相邻的n阱的中心点距离相同，均为固定的距离d。光学开窗区域内的多个n阱的总面积相较于填满整个光学开窗，有较大幅度下降。
[0038]
另外，本实用新型还提供了实施例四，光电检测结构中设置n阱的俯视图如图12所示，在光学开窗区域内设置1个整体的n阱，n阱的形状为“十”字型，相比于现有光电检测结构，n阱的总面积仅占光学开窗的 60％以下。进一步的，在光学开窗区域内的1个整体的n阱也可以是其他形状，例如圆形、四边形。
[0039]
本实用新型实施例还提供一种光电检测器，其感光区采用了如前述实施例中的光电检测结构。
[0040]
尽管这里参照本实用新型的解释性实施例对本实用新型进行了描述，上述实施例仅为本实用新型较佳的实施方式，本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本技术公开的原则范围和精神之内。