具有電荷吸收摻雜區(qū)域的光電二極管陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電二極管陣列，并且更特別地涉及包含銦鎵砷(InGaAs)和磷化銦(InP)層的光電二極管陣列，本發(fā)明還涉及該光電二極管陣列的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用于制造具有窄帶隙的半導(dǎo)體材料光電二極管陣列(通常用于紅外光檢測)的方法中的一種方法為，在兩個具有寬帶隙的半導(dǎo)體材料之間插入具有窄帶隙的有源檢測層。兩層寬帶隙半導(dǎo)體提供有效的保護(hù)/鈍化，同時對于旨在通過光電二極管檢測的輻射波長是透明的。
[0003]另外，通過適當(dāng)?shù)負(fù)诫s，在有源層和兩個保護(hù)/鈍化層之間的異質(zhì)結(jié)將光電荷限制在有源檢測層中，并提高了這樣構(gòu)造的光電二極管的量子產(chǎn)率。
[0004]InGaAs光電二極管為這種物理結(jié)構(gòu)的典型示例。由InGaAs材料形成的有源檢測層能夠具有根據(jù)InGaAs材料的銦和鎵的組分而可調(diào)節(jié)的帶隙，這對于在約1.4 μπι到3 μπι的SWIR帶(短波紅外)中工作是非常理想的。
[0005]磷化銦和銦鎵砷具有相同的面心立方晶體結(jié)構(gòu)。最常使用的組分為Ina53Gaa47A^這時，晶格的尺寸與InP襯底的晶格尺寸(特別是晶格常數(shù))是相近的。這樣的晶體匹配性允許優(yōu)良品質(zhì)的有源InGaAs層在InP襯底上的外延生長。Ina53Gaa47As的帶隙為約0.73eV,在SWIR帶能夠檢測最高至1.68 μ m的波長。其在例如光譜測定、夜視和廢舊塑料分類等領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注。
[0006]兩層保護(hù)/鈍化層通常由InP形成。更特別地，由于Ina53Gaa47As組分具有與InP相同的晶格尺寸，這允許在室溫下和高于室溫時得到非常低的暗電流。
[0007]圖1示出了光電二極管陣列I的物理結(jié)構(gòu)。由InGaAs組成的有源層5夾在兩層InP層之間。底層事實(shí)上形成襯底4，在其上InGaAs層通過復(fù)雜的MO-CVD外延形成。然后該InGaAs層通過同樣經(jīng)由外延沉積的由InP組成的薄鈍化層6而受到保護(hù)。一般而言，InP層是N型和硅摻雜的。有源InGaAs層5可以進(jìn)行輕度N型摻雜或者其可以保持為準(zhǔn)本征的。因而該兩個底/頂InP層和InGaAs有源層5形成了在該陣列中的光電二極管的共同的陰極。
[0008]通過鋅(Zn)的局部擴(kuò)散而形成了單獨(dú)的陽極3。摻雜劑Zn穿過薄InP鈍化層6并且進(jìn)入有源InGaAs層5。
[0009]圖2示出了由以倒裝芯片模式連接至讀出電路2的InGaAs光電二極管陣列I形成的InGaAs圖像傳感器。在InGaAs傳感器陣列中，光電二極管陣列連接至通常由硅形成的讀出電路，從而讀取由這些InGaAs光電二極管產(chǎn)生的光電信號。如圖2所示，通常經(jīng)由銦珠8來使用倒裝芯片技術(shù)獲得這種互相連接。SWIR輻射9通過在該光帶為透明的磷化銦襯底4而到達(dá)光電二極管陣列。
[0010]在檢測器以積累模式工作的情況下，獲得了與流和曝光時間的積成比例的輸出信號。然而，該輸出信號受到檢測器的最大積累能力的限制。對于具有高對比度的場景，通常不能在獲得對暗區(qū)域的良好呈現(xiàn)的同時保持亮區(qū)域不發(fā)生飽和。這對于夜視領(lǐng)域(InGaAs光電二極管的傳感器陣列經(jīng)常旨在用于該領(lǐng)域)來說，是更為嚴(yán)重的問題。
[0011]在文獻(xiàn)EP1354360中提出了用于讀取光電二極管的光電信號的另一種常規(guī)方式，而其原理示出在附圖的圖3中。文獻(xiàn)EP1354360提出了光電二極管51作為太陽能電池工作，從而獲得根據(jù)入射光輻射59的強(qiáng)度的對數(shù)響應(yīng)。
[0012]利用這種工作模式，光電二極管51不接受任何外部偏置，而通過在其結(jié)處產(chǎn)生的光電荷而正向偏置。而在光電二極管上觀測到的正向偏壓與入射光流的對數(shù)成正比。
[0013]這種對數(shù)響應(yīng)使得無需任何電學(xué)調(diào)整和光學(xué)調(diào)整而能夠覆蓋大于120dB的動態(tài)操作范圍，這對于在自然外部環(huán)境中使用InGaAs SWIR傳感器來說是必要的。文獻(xiàn)EP1354360還提出將轉(zhuǎn)換讀出電路55與光電二極管相結(jié)合。
[0014]圖3所示出的圖像傳感器的使用的原理如下所述:
[0015]a)激活選擇信號SEL，從而通過閉合開關(guān)54而選擇所需光電二極管51。一旦選擇了該光電二極管，則第一讀出信號RDl激活，其將閉合對應(yīng)的控制開關(guān)，以用于將第一讀出的電壓存儲在存儲器56中。該第一讀出記錄了圖像和固定圖形噪聲兩者；
[0016]b)然后激活復(fù)位信號RSI，其將導(dǎo)致開關(guān)53閉合。光電二極管因而短路，從而在絕對黑暗中模擬參考圖像；
[0017]c)然后禁用第一讀出信號RDl以再次關(guān)斷相應(yīng)的開關(guān)，而激活第二讀出信號RD2以將第二讀出的電壓記錄在存儲元件57中。以這種方式而存儲了單獨(dú)的固定圖形噪聲；
[0018]d)通過差分放大器58而計(jì)算分別包含在存儲元件56和存儲元件57的兩個存儲結(jié)果之間的差值。于是該放大器58的輸出信號對應(yīng)于沒有固定圖形噪聲的圖像。
[0019]借助于第二讀出，產(chǎn)生了對應(yīng)于黑暗環(huán)境的零點(diǎn)電壓。該電子黑暗信號能夠刪除在檢測器陣列的讀出鏈中的信號偏移。
[0020]由EP1354360提出的原理應(yīng)用在InGaAs傳感器中并完美地工作。然而，在白天的場景中會觀察到高光溢出(blooming)現(xiàn)象。該現(xiàn)象可以簡單地描述為圖像中空間分辨率的損失。而檢測器仍然按對數(shù)規(guī)律維持對光的變化的敏感。
[0021]法國專利申請N° 1156290提出通過在每個光電二極管周圍進(jìn)行蝕刻而獲得電絕緣。利用這種方式能夠獲得對這種高光溢出現(xiàn)象的有效抑制，而其代價為由于該蝕刻生成的缺陷所引起的在光電二極管中的非常強(qiáng)的暗電流。這種方式的另一個問題是這樣的事實(shí)，即在制造工藝中蝕刻的步驟和光電二極管陽極擴(kuò)散的步驟是兩個分開的步驟，需要不同的掩模。而掩模對準(zhǔn)誤差會在陣列的光電二極管之間生成額外的不均勻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]本發(fā)明提出另一種簡單且有效地克服在InGaAs光電二極管陣列中的這種高光溢出現(xiàn)象的解決方案。由本發(fā)明提出的解決方案還使積累模式的常規(guī)檢測器的圖像質(zhì)量能夠得到提升。
[0023]為了這個目的，提供了這樣的光電二極管陣列，其包括:
[0024]-陰極，其包括至少一個來自磷化銦族的材料的襯底層，以及來自銦鎵砷族的材料的有源層；以及
[0025]-至少部分地在有源層中形成的至少兩種相同類型的摻雜區(qū)域:
[0026]-第一摻雜區(qū)域，其與陰極一起形成用于圖像的形成的光電二極管；
[0027]-至少一個第二摻雜區(qū)域，其吸收過量電荷載流子，以用于將電荷載流子排放。
[0028]本發(fā)明的光電二極管陣列有益地通過單獨(dú)地采用下述特征或者采用下述特征的任何技術(shù)上可能的組合而完成:
[0029]-偏置裝置將所述第二摻雜區(qū)域維持等于或低于第一摻雜區(qū)域的最低電勢的電勢；
[0030]-根據(jù)在光電二極管陣列上的光照水平而調(diào)節(jié)第二摻雜區(qū)域的電勢；
[0031]-第一摻雜區(qū)域和第二摻雜區(qū)域在相同的深度具有相同的摻雜水平；
[0032]-第二摻雜區(qū)域位于至少一些第一摻雜區(qū)域之間；
[0033]-第二摻雜區(qū)域單獨(dú)地圍繞一些第一摻雜區(qū)域；
[0034]-第二摻雜區(qū)域在一些第一摻雜區(qū)域之間形成網(wǎng)格圖形；
[0035]-多個第二摻雜區(qū)域互相平行地分布，并且與一些第一摻雜區(qū)域穿插設(shè)置；
[0036]-第二摻雜區(qū)域以足夠的距離與第一摻雜區(qū)域分隔開，使得分別與第二摻雜區(qū)域和第一摻雜區(qū)域相關(guān)聯(lián)的空間電荷區(qū)分隔開；
[0037]-在所述陣列的表面上的金屬柵極連接第二摻雜區(qū)域或多個第二摻雜區(qū)域的不同的點(diǎn)，從而使第二摻雜區(qū)域的電勢均勻化。
[0038]本發(fā)明還涉及包含根據(jù)第一方面的光電二極管陣列的圖像傳感器。優(yōu)選地，讀出電路為對數(shù)電路。
[0039]還提出了一種用于制造光電二極管陣列的方法，所述陣列包括:
[0040]-陰極，其包括至少一個來自磷化銦族的材料的襯底層，以及來自銦鎵砷族的材料的有源層；
[0041]-至少部分地在有源層中形成的至少兩種相同類型的摻雜區(qū)域:
[0042]-第一摻雜區(qū)域，其與陰極一起形成用于圖像的形成的光電二極管；
[0043]-至少一個第二摻雜區(qū)域，其吸收由光電二極管發(fā)射的電荷載流子；
[0044]所述方法的特征在于，在同一選擇摻雜步驟中形成第一摻雜區(qū)域和所述至少一個第二摻雜區(qū)域。
【附圖說明】
[0045]通過閱讀以下具體描述，本發(fā)明的其它方面、目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將會變得明顯。通過參考以非限制性示例給出的與附圖相結(jié)合而進(jìn)行考慮的以下描述，本發(fā)明還可以得到更好的理解，并且其中:
[0046]-圖1已在上文進(jìn)行評論，其為示出現(xiàn)有技術(shù)的InGaAs光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0047]-圖2已在上文進(jìn)行評論，其示出了由InGaAs光電二極管陣列所形成的InGaAs圖像傳感器，所述InGaAs光電二極管陣列在娃襯底上經(jīng)由倒裝芯片連接至讀出電路；
[0048]-圖3已在上文進(jìn)行評論，其是具有太陽能電池模式的光電二極管的對數(shù)傳感器的原理的流程圖；
[0049]-圖4示出了在現(xiàn)有技術(shù)的光電二極管陣列中的不同的結(jié)；
[0050]-圖5是根據(jù)本發(fā)明的光電二極管陣列的截面視圖，其中示出了不同的結(jié)；
[0051]-圖6至圖8是本發(fā)明的不同實(shí)施方案的俯視圖；
[0052]-圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053]在如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中，能夠查知每個光電二極管包含數(shù)個PN結(jié)，這些PN結(jié)中的一個為所需的，而這些PN結(jié)中的一定數(shù)量的結(jié)為寄生的。這些PN結(jié)示出在圖4中。在陽極3和有源層5之間的PN結(jié)31為所需的，并且形成光電二極管陣列的二極管。
[0054]在陽極3和鈍化層6之間的寄生橫向PN結(jié)32經(jīng)由鈍化層而在相鄰光電二極管之間形成了可能的電通路。
[0055]常規(guī)的讀出電路通過在光電二極管上施加反向偏置而將在光電二極管中的反向電流積累在電容器中。以這樣的配置，在光電二極管中的寄生橫向結(jié)32也在同時反向偏置，這具有在積累電容器中增加額外的寄生電流的影響。該寄生電流使圖像質(zhì)量變差，但是實(shí)際上沒有在相鄰光電二極管之間產(chǎn)生串?dāng)_。這些寄生電流能夠通過對從讀出電路輸出的原始圖像進(jìn)行復(fù)雜的處理而得到部分補(bǔ)償。
[0056]當(dāng)光電二極管以太陽能電池模式工作時，結(jié)通過入射光而正向偏置。在這種情況下，寄生橫向結(jié)32也正向偏置，并在相鄰光電二極管之間形成電流通路。入射光強(qiáng)度越增大，該正向偏置變得越大，從而生成使傳感器的空間分辨率嚴(yán)重變差的高光溢出效應(yīng)。
[0057]本發(fā)明提出一種結(jié)構(gòu)，其能夠降低在InGaAs光電二極管陣列中的橫向?qū)щ娦?。根?jù)本發(fā)明而制造的光電二極管陣列能夠以文獻(xiàn)EP1354360所述的太陽能電