專(zhuān)利名稱(chēng)：光敏器件和具有內(nèi)電路系統(tǒng)的光敏器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)是第00128434.7號(hào)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。上述母案的內(nèi)容在這里一并引入。
本發(fā)明涉及一種光敏器件，以及具有內(nèi)電路系統(tǒng)的光敏器件，用于支持寫(xiě)入操作的光學(xué)拾取器等。
背景技術(shù)：
光學(xué)拾取器用于光盤(pán)設(shè)備，例如，CD-ROM或DVD(數(shù)字視頻光盤(pán))設(shè)備。近些年來(lái)，光盤(pán)設(shè)備的操作速度不斷得到提高，已經(jīng)具有在更高的速度下處理例如移動(dòng)圖像數(shù)據(jù)這樣的大量數(shù)據(jù)的趨勢(shì)。在這樣的背景下，就有了提高光學(xué)拾取器操作速度的強(qiáng)烈要求。
在過(guò)去的數(shù)年間，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出能夠在光盤(pán)上進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)的光盤(pán)設(shè)備，例如，CD-R/RW和DVD-R/RAW。這樣的光盤(pán)設(shè)備是能夠?qū)崿F(xiàn)將信息寫(xiě)在光盤(pán)上的寫(xiě)入操作的，這是通過(guò)在盤(pán)上基于激光誘發(fā)熱導(dǎo)致的染料相變而實(shí)現(xiàn)的。高能激光照射到光盤(pán)上，且由此反射的光被射入光電二極管。因此，在寫(xiě)入操作期間比讀出操作期間有更大量的激光照射到光電二極管。對(duì)更高速的這樣的可寫(xiě)光盤(pán)介質(zhì)也具有強(qiáng)烈的需求。
圖1A和1B圖解說(shuō)明了常規(guī)的光電二極管1000的結(jié)構(gòu)，它公開(kāi)于日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)9-153605。如圖1A所示，該光電二極管1000包括在第一導(dǎo)電類(lèi)型半導(dǎo)體基底84上設(shè)置的第二導(dǎo)電類(lèi)型的外延層85。第二導(dǎo)電類(lèi)型的外延層85被第一導(dǎo)電類(lèi)型的擴(kuò)散層87和88分成多個(gè)區(qū)域。在各被分的區(qū)域之間的接合處和第一導(dǎo)電類(lèi)型半導(dǎo)體基底84的下面部分構(gòu)成了光電二極管1000。
前述結(jié)構(gòu)的常規(guī)光電二極管1000的響應(yīng)速度是CR時(shí)間常數(shù)的一個(gè)函數(shù)，從而是光電二極管的電容(C)和電阻(R)的函數(shù)，而較接近于基底84的耗盡層86的側(cè)面上產(chǎn)生的載流子的遷移距離，通過(guò)擴(kuò)散移動(dòng)。
因此，根據(jù)該常規(guī)技術(shù)，第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體基底84中的雜質(zhì)濃度規(guī)定在如圖1 B所示的低水平，以便于獲得第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體基底84中寬闊的耗盡層86，圖1B圖示的是在圖1A中沿線a-a′橫截面的雜質(zhì)濃度圖譜。結(jié)果，光電二極管1000的結(jié)電容降低，從而降低了CR時(shí)間常數(shù)，而因此增加了光電二極管1000的響應(yīng)速度。而且，由于耗盡層86深深地延伸進(jìn)基底84，在基底84中相當(dāng)深部分產(chǎn)生的載流子不必通過(guò)擴(kuò)散遠(yuǎn)距離移動(dòng)，從而也增加了光電二極管1000的響應(yīng)速度。
決定著光電二極管響應(yīng)速度的CR時(shí)間常數(shù)中的C成分，也可以通過(guò)增加基底84的電阻系數(shù)直至某一值而被減少。因此，如圖2中所示，光電二極管的響應(yīng)速度(即截頻)被提高，直至基底84的電阻系數(shù)達(dá)到那個(gè)值。然而，進(jìn)一步增加基底84的電阻系數(shù)高于那個(gè)值會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極端的串聯(lián)電阻增加(這有助于R成分的增加)，使得作為CR時(shí)間常數(shù)的函數(shù)的光電二極管的響應(yīng)速度減少而不是增加，如圖2中所示。
因此，為了進(jìn)一步增強(qiáng)光電二極管的響應(yīng)速度，例如，日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)61-154063，提出具有如圖3所示結(jié)構(gòu)的光敏器件2000，其中光電二極管裝配在分層基底上，該分層基底通過(guò)在P-型低電阻基底141上形成P-型高電阻晶體生長(zhǎng)層142而得到。
如圖3所示的光敏器件2000包括N-型外延層143、P-型分離擴(kuò)散層144、N-型接觸區(qū)145、N-型嵌入?yún)^(qū)146、P-型基區(qū)147、N-型發(fā)射極區(qū)148、二氧化硅膜149，電極配線層150a、150b和150c，用于探測(cè)光信號(hào)的光電二極管結(jié)構(gòu)部分180，和用于處理探測(cè)到的信號(hào)的電路結(jié)構(gòu)部分190。
高電阻晶體生長(zhǎng)層142包括自動(dòng)摻雜層142a，從低電阻基底141開(kāi)始雜質(zhì)濃度逐漸降低，而層142b具有恒定的雜質(zhì)濃度。根據(jù)該常規(guī)技術(shù)，高電阻晶體生長(zhǎng)層142易于將耗盡層160延伸進(jìn)基底141，從而降低結(jié)電容。而且，在陽(yáng)極端的串聯(lián)電阻通過(guò)P-型低電阻基底141被降低，基底141的位置比耗盡層160的寬闊區(qū)域低得多。結(jié)果，光電二極管的C成分和R成分(確定響應(yīng)速度)均被降低，從而增強(qiáng)光敏器件2000的響應(yīng)速度。
為了通過(guò)使用前述的分層基底，提高光電二極管的響應(yīng)速度，必需通過(guò)讓耗盡層160充分地延伸進(jìn)高電阻晶體生長(zhǎng)層142以降低結(jié)電容。因此，需要增加高電阻晶體生長(zhǎng)層142的電阻系數(shù)直至1000Ωm，這相當(dāng)于在外延生長(zhǎng)下的最大的可控制電阻系數(shù)，且規(guī)定高電阻晶體生長(zhǎng)層142的厚度是約20μm(其中高電阻層的恒定雜質(zhì)濃度部分142b厚約13μm)，以便于耗盡層160充分地延伸進(jìn)高電阻層的恒定雜質(zhì)濃度部分142b。在高電阻晶體生長(zhǎng)層142沒(méi)有延伸到的區(qū)域中的任何增加會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極端的串聯(lián)電阻的增加，從而阻礙響應(yīng)速度的提高。
對(duì)于支持寫(xiě)入操作的光學(xué)拾取器，通過(guò)激光照射到光盤(pán)上的光量隨寫(xiě)入速度按比例增加，從而由光盤(pán)反射的和進(jìn)入光電二極管的激光量也增加。如果進(jìn)入光電二極管的光量超過(guò)一定量，光電二極管的響應(yīng)速度會(huì)降低。
圖4顯示的是基于入射光量具有如圖1所示結(jié)構(gòu)的光電二極管的響應(yīng)速度的相關(guān)性(即截頻)。由圖4可見(jiàn)，隨著進(jìn)入光電二極管的光量超過(guò)一定的量，光電二極管的響應(yīng)速度(即截頻)降低。也可以看出隨著基底的電阻系數(shù)的增加響應(yīng)速度中這樣的降低變得更明顯了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種光敏器件，其既能夠保持光電二極管的性能，并提高其響應(yīng)速度。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種光敏器件，包括第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體基底；在半導(dǎo)體基底上形成且與半導(dǎo)體基底相比具有較低雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層上形成的第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；和至少一個(gè)第一導(dǎo)電類(lèi)型的擴(kuò)散層用于將第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層分成多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中至少一個(gè)光電二極管部分是在多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域中的至少一個(gè)和第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的，以及其中第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層具有包含13μm至17μm的厚度和包含100Ωcm至1500Ωcm的電阻系數(shù)。
或者，提供一種光敏器件，包括一分層基底，包括第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體基底和在半導(dǎo)體基底上形成的、且與半導(dǎo)體基底相比具有較低的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；在該分層基底的第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層上形成的第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；和至少一個(gè)第一導(dǎo)電類(lèi)型的擴(kuò)散層用于將第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層分成多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中至少一個(gè)光電二極管部分是在多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域中的至少一個(gè)和第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的，以及其中第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層具有包含13μm至17μm的厚度和包含100Ωcm至1500Ωcm的電阻系數(shù)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，半導(dǎo)體基底具有包含1Ωcm至20Ωcm的電阻系數(shù)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，在半導(dǎo)體基底的背面配置一電極，其中該電極與配置在第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層一表面上的一陽(yáng)極電極電連接。
或者，提供一種光敏器件，包括一第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體基底；在半導(dǎo)體基底上形成且與半導(dǎo)體基底相比具有較高雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層上形成且與半導(dǎo)體基底相比具有較低雜質(zhì)濃度的一第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層；和在第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層上形成的一第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；和至少一個(gè)第一導(dǎo)電類(lèi)型的擴(kuò)散層用于將第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層分成多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中至少一個(gè)光電二極管部分是在多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域中的至少一個(gè)和第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的，以及其中第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層具有包含9μm至17μm的厚度和包含100Ωcm至1500Ωcm的電阻系數(shù)。
或者，提供一種光敏器件，包括一分層基底，包括一第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體基底和在半導(dǎo)體基底上形成的且與半導(dǎo)體基底相比具有較高的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層；在該分層基底的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層上形成且與半導(dǎo)體基底相比具有較低的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層上形成的一第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；和至少一個(gè)第一導(dǎo)電類(lèi)型的擴(kuò)散層用于將第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層分成多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中至少一個(gè)光電二極管部分是在多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域中的至少一個(gè)和第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的，以及其中第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層具有包含9μm至17μm的厚度和包含100Ωcm至1500Ωcm的電阻系數(shù)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，半導(dǎo)體基底具有的雜質(zhì)濃度等于或小于1/100的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層中的最高雜質(zhì)濃度。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)CZ方法生產(chǎn)半導(dǎo)體基底，且其具有20Ωcm至50Ωcm的電阻系數(shù)。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層具有1×1017cm-3或更多的最高雜質(zhì)濃度。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施方案中，第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層通過(guò)涂敷和擴(kuò)散形成。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層具有從半導(dǎo)體基底向第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層的表面雜質(zhì)濃度逐漸增長(zhǎng)的區(qū)域，并且其中具有約1/100的整個(gè)第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層的最高雜質(zhì)濃度的部分存在于離第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層的表面約38μm或更少的深度。
或者，提供具有內(nèi)電路系統(tǒng)的電路內(nèi)置類(lèi)型的光敏器件，包括一前述光敏器件；一信號(hào)處理電路部分，設(shè)置在與光敏器件的第二半導(dǎo)體類(lèi)型的半導(dǎo)體層的結(jié)合處的所述至少一個(gè)光電二極管部分不同的區(qū)域中，該信號(hào)處理電路系統(tǒng)用于處理被該至少一個(gè)發(fā)光二極管部分探測(cè)到的信號(hào)。
優(yōu)選地，在第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層或第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層的一個(gè)區(qū)域的至少一部分內(nèi)，設(shè)置一第一導(dǎo)電類(lèi)型的高濃度擴(kuò)散層，該區(qū)域不同于所述至少一個(gè)發(fā)光二極管部分，該高濃度擴(kuò)散層在第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層的一表面部分或第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層的一表面部分形成。


在閱讀和理解下面的詳細(xì)說(shuō)明、并參照附圖的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。
圖1A描述的是常規(guī)光電二極管的橫截面圖。
圖1B顯示的是沿圖1A中線a-a′的雜質(zhì)濃度分布圖。
圖2顯示的是基底電阻系數(shù)和常規(guī)光敏器件的響應(yīng)速度(截頻)之間的關(guān)系圖。
圖3是說(shuō)明常規(guī)光敏器件的橫截面圖。
圖4顯示的是基于入射光量的具有圖1A和1B中所示結(jié)構(gòu)的光電二極管的響應(yīng)速度(即截頻)的相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)圖。
圖5說(shuō)明在少量光通過(guò)光電二極管接收的情況下，如圖1A和1B所示結(jié)構(gòu)的光敏器件中的光電二極管電位水平的瞬時(shí)變化的模擬結(jié)果圖。
圖6說(shuō)明在大量光通過(guò)光電二極管接收的情況下，如圖1A和1B所示結(jié)構(gòu)的光敏器件中的光電二極管電位水平的瞬時(shí)變化的模擬結(jié)果圖。
圖7說(shuō)明在少量光通過(guò)光電二極管接收的情況下，如圖1A和1B所示結(jié)構(gòu)的光敏器件中的光電二極管載流子密度分布的瞬時(shí)變化的模擬結(jié)果圖。
圖8A是說(shuō)明用來(lái)被發(fā)明人模擬實(shí)施的，本發(fā)明的光電二極管的橫截面圖。
圖8B顯示的是沿圖8A中線a-a′的雜質(zhì)濃度分布圖。
圖8C顯示的是本發(fā)明實(shí)施例1的光敏器件的橫截面圖。
圖9顯示光電二極管的耗盡層中響應(yīng)時(shí)間和場(chǎng)強(qiáng)之間關(guān)系的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)圖。
圖10A和10B顯示在按照具有如圖8A所示結(jié)構(gòu)的光敏器件的光電二極管的情況下，載流子密度分布的瞬時(shí)變化圖。
圖11A和11B分別顯示在按照具有如圖8A所示結(jié)構(gòu)的光敏器件的光電二極管的情況下，在沒(méi)有光照和光照之后即時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)分布輪廓圖。
圖12顯示在通過(guò)按照如圖8C所示光敏器件的光電二極管接收少量光的情況下，基于耗盡層厚度的響應(yīng)速度(即截頻)的相關(guān)性圖。
圖13A顯示的是本發(fā)明實(shí)施例2的光敏器件的橫截面圖。
圖13B顯示的是沿圖13A中的線c-c′的雜質(zhì)濃度分布圖。
圖14A至14C分別顯示的是沿著按照如圖13A和13B所示的光敏器件的用于模擬研究的光電二極管的深度方向的雜質(zhì)濃度分布圖。
圖15A顯示的是在具有如圖14C所示的雜質(zhì)濃度輪廓的光電二極管中，進(jìn)行脈沖光照射(脈沖寬度10μsec)之后2nsec時(shí)得到的載流子平面分布圖。
圖15B顯示的是在具有如圖14B所示的雜質(zhì)濃度輪廓的光電二極管中，進(jìn)行脈沖光照射(脈沖寬度10μsec)之后2nsec時(shí)得到的載流子平面分布圖。
圖16A顯示的是具有15μm厚度P-型外延層的光電二極管中，進(jìn)行脈沖光照射(脈沖寬度10μsec)時(shí)得到的載流子平面分布圖。
圖16B顯示的是具有20μm厚度P-型外延層的光電二極管中，進(jìn)行脈沖光照射(脈沖寬度10μsec)時(shí)得到的載流子平面分布圖。
圖17顯示的是按照如圖13A和13B所示的光敏器件的耗盡層的場(chǎng)強(qiáng)和光電二極管的響應(yīng)速度模擬結(jié)果圖，其中二極管接收大量光。
圖18顯示的是由于雜質(zhì)濃度梯度產(chǎn)生的擴(kuò)散電位和雜質(zhì)濃度之間的關(guān)系圖。
圖19顯示的是具有根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的內(nèi)電路系統(tǒng)的光敏器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面，本發(fā)明通過(guò)例舉實(shí)施例的方式，并參照附圖進(jìn)行說(shuō)明。
如前所述，當(dāng)具有如圖1或3所示結(jié)構(gòu)的常規(guī)光電二極管用作寫(xiě)入操作的光電二極管時(shí)，在接收大量光時(shí)就會(huì)有響應(yīng)速度降低的問(wèn)題。
通過(guò)器件模擬在通過(guò)光電二極管接收大量光時(shí)載流子密度和電位的瞬時(shí)變化，發(fā)明人進(jìn)行了分析。模擬的結(jié)果，獲悉了如下情況的響應(yīng)速度降低。在接收大量光時(shí)產(chǎn)生的大量載流子在結(jié)附近積聚，導(dǎo)致了電位分布變得平坦，且因此產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)載流子朝向結(jié)的較弱的力，這樣使得載流子會(huì)發(fā)生遷移，如果有的話只是通過(guò)擴(kuò)散。圖5和6說(shuō)明在光電二極管中電位水平的瞬時(shí)變化的模擬結(jié)果，針對(duì)光電二極管在讀出操作中接收少量光的情況(圖5)，和針對(duì)在6倍速寫(xiě)入操作中光電二極管接收大量光的情況(圖6)。圖7說(shuō)明在通過(guò)光電二極管接收大量光情況下，載流子密度的瞬時(shí)變化的模擬效果。值得注意的是圖5至7的模擬結(jié)果是通過(guò)使用如圖1所示常規(guī)結(jié)構(gòu)獲得的。
由圖5可以看出，當(dāng)接收少量光時(shí)在結(jié)附近無(wú)電位變化。而另一方面，從圖6中可以看出，伴隨著光入射的時(shí)間的消逝，基底電位增加。而且，圖7顯示當(dāng)接收大量光時(shí)在PN結(jié)的附近和基底中載流子積聚。這是因?yàn)楫?dāng)接收大量光時(shí)在耗盡層和基底中產(chǎn)生大量載流子，從而增加了基底電位。由于在結(jié)附近的場(chǎng)強(qiáng)被減少，幾乎沒(méi)有力量驅(qū)動(dòng)載流子，讓更多的載流子積聚，這樣使得基底電位再次增加。通過(guò)這樣的重復(fù)，結(jié)附近的電位分布變得平坦，這樣使得載流子不得不通過(guò)擴(kuò)散遷移一個(gè)長(zhǎng)距離，這是響應(yīng)速度降低的原因。
下面將介紹發(fā)明人是如何分析載流子積聚原因和實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的。
由如上所述的圖4可以看出，在接收大量光時(shí)響應(yīng)速度降低的速率隨著基底電阻系數(shù)的降低而越來(lái)越小。由于實(shí)施同樣的反向偏壓，耗盡層的厚度隨著基底電阻系數(shù)的降低而變小，這樣在跨越耗盡層時(shí)采用更強(qiáng)的電場(chǎng)。隨著更強(qiáng)電場(chǎng)的使用，有更強(qiáng)的力將載流子從結(jié)附近驅(qū)出，這樣防止了載流子積聚。這大概是在接收大量光時(shí)，隨著基底電阻系數(shù)的降低響應(yīng)速度越來(lái)越快的原因，雖然耗盡層的厚度降低了。
因此，發(fā)明人實(shí)施器件模擬以檢驗(yàn)在接收大量光(350μW)時(shí)耗盡層中的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)光電二極管的響應(yīng)速度的影響。通過(guò)使用具有圖8A所示結(jié)構(gòu)和圖8B(對(duì)應(yīng)于圖8A中線b-b′)所示雜質(zhì)濃度輪廓的光電二極管100進(jìn)行該模擬。該光電二極管100具有的分層結(jié)構(gòu)包括在P-型低電阻基底181上形成的P-型高電阻層182，和在P-型高電阻層182上形成的N-型半導(dǎo)體層183。N-型半導(dǎo)體層183被P-型擴(kuò)散層184和185分成多個(gè)區(qū)域。由于光電二極管100具有如圖8B所示的雜質(zhì)輪廓，這樣使得在P-型低電阻基底181和P-型高電阻層182之間以逐步的方式進(jìn)行濃度變化，耗盡層延伸進(jìn)基底181和P-型高電阻層182之間的界面?；椎碾娮柘禂?shù)是如此的低，使得陽(yáng)極電阻的影響忽略。
當(dāng)照射大量脈沖光時(shí)通過(guò)模擬獲得光電二極管100的響應(yīng)，并且基于場(chǎng)強(qiáng)的響應(yīng)速度的相關(guān)性通過(guò)改變采用的反向偏壓進(jìn)行研究。圖9顯示的是基于場(chǎng)強(qiáng)響應(yīng)時(shí)間tf(90％→10％)的相關(guān)性的模擬結(jié)果，該響應(yīng)時(shí)間tf(90％→10％)指的是在脈沖光照射到光電二極管100上之后，光電流從其最大值的90％降低到10％所需要的時(shí)間。從圖9中可見(jiàn)，光電二極管100的響應(yīng)速度隨著耗盡層的場(chǎng)強(qiáng)的降低而降低。
而且，為了研究響應(yīng)速度降低的原因，發(fā)明人檢測(cè)了沿著脈沖光(脈沖寬度100μsec)照射之后的深度方向光電二極管100的載流子密度分布的瞬時(shí)變化。結(jié)果示于圖10A和10B。圖10A顯示的是耗盡層中的場(chǎng)強(qiáng)是0.16V/μm的情況。圖10B顯示的是耗盡層中的場(chǎng)強(qiáng)是0.4V/μm的情況。由圖10A可見(jiàn)，在耗盡層中為低場(chǎng)強(qiáng)的情況下，在脈沖光照射之后即刻，結(jié)附近(約2μm深處)有大量載流子積聚。例如，在結(jié)附近有1012cm-3的載流子積聚。向N-型半導(dǎo)體層驅(qū)動(dòng)積聚載流子要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(例如，10ns或更多)的事實(shí)證明響應(yīng)速度降低。在另一方面，如圖10B所示，耗盡層附近的載流子密度幾乎不變化，表示沒(méi)有載流子積聚。
圖11A和11B分別顯示了無(wú)光照射和脈沖光照射(脈沖寬度10μsec)之后即刻的場(chǎng)強(qiáng)分布輪廓。從圖11A可見(jiàn)，結(jié)附近的場(chǎng)強(qiáng)由于載流子積聚而進(jìn)一步降低，在這種情況下在耗盡層中使用0.1 6V/μm的場(chǎng)強(qiáng)有載流子積聚。驅(qū)動(dòng)積聚載流子朝向N-型半導(dǎo)體層的降低的力量證明響應(yīng)速度大大降低。而另一方面，如圖11B所示，不管是否有光照或是無(wú)光照，耗盡層的場(chǎng)強(qiáng)實(shí)質(zhì)上是相同的，在這種情況下在耗盡層中使用0.4V/μm的場(chǎng)強(qiáng)沒(méi)有載流子積聚。
因此，發(fā)現(xiàn)在接收大量光時(shí)(即在寫(xiě)入操作期間)響應(yīng)速度降低的原因是結(jié)附近的載流子積聚，它可以通過(guò)增強(qiáng)耗盡層中的場(chǎng)強(qiáng)來(lái)減輕。
然而，在實(shí)際的光電二極管中，為了增強(qiáng)耗盡層中的場(chǎng)強(qiáng)而增加使用的反向偏壓，由于采用的電壓波動(dòng)還增加了噪音。因此，使用的電壓不能變動(dòng)太大。使用的電壓不能變動(dòng)太大的另一個(gè)原因是事實(shí)上設(shè)備中這樣的光電二極管與LSI(如果有的話)分享同一電源。
(實(shí)施例1)圖8C顯示的是本發(fā)明實(shí)施例1的光敏器件200。其對(duì)應(yīng)物出現(xiàn)在圖3所示的光敏器件2000中的該組件以同樣所用的引用數(shù)字表示。光敏器件2000具有P-型外延層242，該外延層依次包括從低電阻基底141開(kāi)始逐步降低雜質(zhì)濃度的自動(dòng)摻雜層242a和具有恒定雜質(zhì)濃度的層242b。依照光敏器件2000，形成P-型外延層(P-型高電阻晶體生長(zhǎng)層)242，以便于比在如圖3所示的常規(guī)光敏器件2000中的其對(duì)應(yīng)物更薄，從而限制耗盡層，并增強(qiáng)耗盡層場(chǎng)強(qiáng)。
為了通過(guò)使用前述的分層基底141以提高響應(yīng)速度，必需通過(guò)讓耗盡層160充分地延伸進(jìn)高電阻層242以降低結(jié)電容。因此，需要增加P-型外延層242的電阻系數(shù)至約1000Ωcm，這相當(dāng)于在外延生長(zhǎng)下的最大可控制的電阻系數(shù)，且規(guī)定高P-型外延層242的厚度是約20μm(其中高電阻層的恒定雜質(zhì)濃度部分242b厚約13μm)。在該區(qū)域中耗盡層沒(méi)有延伸進(jìn)的P-型外延層242的任意增加會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極端的串聯(lián)電阻的增加，這樣依次阻礙了響應(yīng)速度的提高。
實(shí)際生產(chǎn)的其中P-型外延層242厚度變化的圖8C所示的光敏器件2000的響應(yīng)，在接收大量光的情況下和接收少量光的情況下進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果示于下列表1。表1還顯示了耗盡層的厚度和不同P-型外延層242厚度的耗盡層的場(chǎng)強(qiáng)。
表1

由于P-型外延層242包括具有不同雜質(zhì)濃度的區(qū)域(即，自動(dòng)摻雜層242a)，如表1所示，耗盡層厚度比P-型外延層242的厚度小。
圖9顯示了實(shí)際測(cè)量值，顯示出在接收大量光時(shí)的響應(yīng)速度和耗盡層的場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系，所涉及的測(cè)量條件列于表1。如圖9所示，隨著耗盡層場(chǎng)強(qiáng)的增加響應(yīng)速度增加，具有與前述模擬結(jié)果相稱(chēng)的相關(guān)性水平。因此，可以看出在接收大量光時(shí)的響應(yīng)速度很大程度上由耗盡層的場(chǎng)強(qiáng)決定，且?guī)缀醪挥珊谋M層厚度決定。這也符合所推測(cè)的結(jié)附近場(chǎng)強(qiáng)上載流子積聚的極大的相關(guān)性，因?yàn)槿鐖D10A(它描述了在前述模擬中響應(yīng)速度降低的情況下的載流子分布)所示結(jié)附近(約2μm的深度)發(fā)生載流子積聚。
在另一方面，如上述表1可見(jiàn)，在接收少量光時(shí)的響應(yīng)速度隨著耗盡層厚度的減少而降低。這是因?yàn)楹谋M層厚度的減少導(dǎo)致電容成分的增加和在耗盡層之下產(chǎn)生的載流子通過(guò)擴(kuò)散遷移的距離增加。
如上所述，如圖8C所示結(jié)構(gòu)的光敏器件200的響應(yīng)速度在接收大量光時(shí)通過(guò)減少P-型外延層242的厚度而增加耗盡層場(chǎng)強(qiáng)的方式可以得到提高。然而，P-型外延層242的厚度過(guò)度的減少會(huì)導(dǎo)致在接收少量光時(shí)響應(yīng)速度的降低。因此，必需根據(jù)接收大量光時(shí)(如在寫(xiě)入操作中)的所需響應(yīng)速度和接收少量光時(shí)(如在讀出操作中)所需響應(yīng)速度對(duì)P-型外延層242的厚度進(jìn)行優(yōu)化。
對(duì)圖8C所示的光敏器件200的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
本發(fā)明的本實(shí)施例的光敏器件200可以通過(guò)采用生產(chǎn)具有如圖3所示結(jié)構(gòu)的常規(guī)光敏器件2000的同樣方法生產(chǎn)。根據(jù)本實(shí)施例的光敏器件200的特征差異在于P-型外延層(P-型高電阻晶體生長(zhǎng)層)242的厚度和電阻系數(shù)。確定P-型外延層242的厚度和電阻系數(shù)以便于滿足下式Ed≥0.3V/μm其中Ed表示當(dāng)對(duì)光敏器件200實(shí)施反向偏壓操作時(shí)耗盡層160中產(chǎn)生的平均場(chǎng)強(qiáng)。
規(guī)定上述方式的耗盡層場(chǎng)強(qiáng)的原因如下。通過(guò)增加耗盡層場(chǎng)強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)存在于結(jié)附近的光載流子的力增加以便于使響應(yīng)速度的減少最小化，這是由于當(dāng)光敏器件200接收大量光時(shí)有載流子積聚?，F(xiàn)在，對(duì)于支持寫(xiě)入操作的CD拾取器需要6倍速寫(xiě)能力。由上述圖9可見(jiàn)，用于6倍速寫(xiě)能力必需的響應(yīng)速度可以通過(guò)規(guī)定耗盡層場(chǎng)強(qiáng)為約0.3V/μm或更多而被實(shí)現(xiàn)。
而且，不僅寫(xiě)入操作的響應(yīng)速度還是讀出操作的響應(yīng)速度對(duì)支持寫(xiě)入操作的光電二極管都是至關(guān)重要的。目前，需要32倍速讀能力。圖12顯示了由上述表1所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)的接收少量光時(shí)耗盡層厚度和響應(yīng)速度之間的關(guān)系。為了獲得32倍更快的反應(yīng)速度，必需使響應(yīng)頻率是23MHz以上，其依次需要光電二極管的頻率特性以不低于15MHz的頻率下的1dB下降。根據(jù)圖12，32倍速讀能力所必需的響應(yīng)速度可以通過(guò)規(guī)定耗盡層厚度為約5μm以上來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了完全滿足用于寫(xiě)入操作和讀出操作的前述響應(yīng)速度的需要，優(yōu)選耗盡層的場(chǎng)強(qiáng)是約0.3V/μm或更多，而耗盡層厚度是約5μm或更多。依次需要P-型外延層242的厚度優(yōu)選在約13μm至約17μm之間，且P-型外延層242的電阻系數(shù)優(yōu)選在約100Ωcm至1500Ωcm。這些優(yōu)選的范圍基于發(fā)明人獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定的。
而且，優(yōu)選P-型半導(dǎo)體基底141的雜質(zhì)濃度不超過(guò)P-型外延層242表面的雜質(zhì)濃度的103倍以防止在逐步形成N-型外延層期間，通過(guò)基底流失的、并附著在基底上形成的P-型外延層242(或恒定的雜質(zhì)濃度層242b)表面的雜質(zhì)展開(kāi)自動(dòng)摻雜層。例如，當(dāng)形成P-型外延層242以便于具有約1KΩ的高電阻系數(shù)時(shí)，P-型半導(dǎo)體基底141中的雜質(zhì)濃度是約1Ωcm，因?yàn)槿魏卧赑-型外延層242表面上的自動(dòng)摻雜層中形成的雜質(zhì)濃度和P-型半導(dǎo)體基底141中的雜質(zhì)濃度一般的關(guān)系是1∶1000。因此，通過(guò)確保P-型半導(dǎo)體基底141中的雜質(zhì)濃度不超過(guò)規(guī)定的P-型外延層242表面的雜質(zhì)濃度1000倍，即使發(fā)生自動(dòng)摻雜，所得P-型外延層242表面的雜質(zhì)濃度不會(huì)超過(guò)預(yù)定的設(shè)計(jì)值。以減少陽(yáng)極電阻為目標(biāo)，只要不發(fā)生自動(dòng)摻雜，基底電阻系數(shù)優(yōu)選盡可能低。例如，如果基底電阻系數(shù)具有約1Ωcm的下限，其上限優(yōu)選約20Ωcm或更低，以便于光敏器件穩(wěn)定地大規(guī)模生產(chǎn)。
而且，通過(guò)在基底的底面提供陽(yáng)極電極151(圖8C)，并將陽(yáng)極電極151與設(shè)置在光敏器件200上表面的分離擴(kuò)散層144上的陽(yáng)極電極152電連接，與陽(yáng)極電極只設(shè)置在上表面情況相比可以進(jìn)一步減少陽(yáng)極電阻。結(jié)果，響應(yīng)速度可以進(jìn)一步提高。
(實(shí)施例2)圖13A和13B顯示的是本發(fā)明的實(shí)施例2的光敏器件300的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。陽(yáng)極電極、陰極電極、接線、保護(hù)膜等從圖13A省略。
如圖13A所示，光敏器件300具有分層結(jié)構(gòu)，包括P-型掩埋的擴(kuò)散層109，P-型外延層104和在P-型半導(dǎo)體基底103上形成的N-型外延層110。N-型外延層110被P-型分離擴(kuò)散層107和P-型分離掩埋擴(kuò)散層108分成多個(gè)區(qū)域。各被分的區(qū)域和P-型外延層104的下面部分之間的結(jié)構(gòu)成光電二極管結(jié)構(gòu)。如圖13B所示，其顯示了沿圖13A線c-c′的雜質(zhì)輪廓，P-型外延層104包括自動(dòng)摻雜(“逐漸增加”)層104a和具有恒定電阻系數(shù)的層104b。
光敏器件300與實(shí)施例1的光敏器件200主要的不同在于，P-型掩埋擴(kuò)散層109位于P-型半導(dǎo)體基底103和P-型外延層104之間。光敏器件300可以如下制作硼跨越P-型半導(dǎo)體基底103擴(kuò)散，以便于形成在其上的P-型掩埋的擴(kuò)散層109，且P-型外延層104通過(guò)晶體生長(zhǎng)而形成，之后可以與常規(guī)方法相同的方法進(jìn)行。
依照實(shí)施例1的光敏器件200，通過(guò)優(yōu)化P-型外延層242的厚度和電阻系數(shù)可以得到至多6倍速寫(xiě)能力和32倍速讀能力。這是因?yàn)椋瑴p少耗盡層厚度用以增強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)致了電容成分增加和通過(guò)擴(kuò)散載流子(產(chǎn)生于基底中相當(dāng)深的部分)移動(dòng)的距離的增加。這不僅對(duì)讀出操作期間的響應(yīng)速度也對(duì)寫(xiě)入操作期間的響應(yīng)速度施加了限制。
因此，根據(jù)本實(shí)施例，在P-型半導(dǎo)體基底103和P-型外延層104之間形成P-型掩埋擴(kuò)散層109，使得P-型掩埋擴(kuò)散層109起阻止產(chǎn)生于基底中相當(dāng)深的部分的載流子的位壘的作用，從而提高了光敏器件300的響應(yīng)速度。
首先，進(jìn)行裝置模擬以研究P-型掩埋擴(kuò)散層109是如何作用的。表2顯示了通過(guò)使用脈沖光(780nm、300μW)的1％響應(yīng)時(shí)間tf(90％→1％)(即光電流從其最大值的90％降低到1％所需要的時(shí)間)，這是針對(duì)光電二極管部分中濃度輪廓分別如圖14A、14B和14C所示的三種結(jié)構(gòu)。在表2中，掩埋層厚度被定義為P-型掩埋擴(kuò)散層109中最高雜質(zhì)濃度的位置到接近于其表面且其中濃度為1014cm-3的位置的距離。
表2

如本文所使用的，1％響應(yīng)時(shí)間通過(guò)基底中經(jīng)擴(kuò)散移動(dòng)的載流子確定。具有圖14A和14B所示濃度輪廓的結(jié)構(gòu)之間，只是P-型掩埋擴(kuò)散層109的厚度被改變，同時(shí)保持P-型半導(dǎo)體基底103、P-型掩埋擴(kuò)散層109和P-型外延層104的雜質(zhì)濃度在同一水平。
具有圖14A和14B所示濃度輪廓的結(jié)構(gòu)，具有圖14B所示輪廓的結(jié)構(gòu)使響應(yīng)速度大大提高。因此，可以看出在具有這樣大厚度的P-型掩埋擴(kuò)散層109的情況下，不能得到響應(yīng)速度提高的效果，以致通過(guò)該P(yáng)-型掩埋擴(kuò)散層109創(chuàng)造的位壘不具有大的梯度。
具有圖14B和14C所示濃度輪廓的結(jié)構(gòu)之間，只是P-型半導(dǎo)體基底103的雜質(zhì)濃度(電阻系數(shù))被改變，同時(shí)保存濃度輪廓的剩余物。從圖14B和14C可以看出，依靠P-型半導(dǎo)體基底103中的濃度，響應(yīng)速度極大地改變了。
圖15A顯示了具有圖14C所示濃度輪廓的結(jié)構(gòu)之間，在脈沖光進(jìn)行照射(脈沖寬度10μsec)之后2nsec的電子濃度分布。圖15B顯示了具有圖14B所示濃度輪廓的結(jié)構(gòu)，在脈沖光進(jìn)行照射(脈沖寬度10μsec)之后2nsec的電子濃度分布。圖15A和15B各顯示了光電二極管部分的橫截面，其中電子以點(diǎn)表示；高密度點(diǎn)的區(qū)域表示電子濃度較高。圖15A和15B的實(shí)線各表示P-型掩埋擴(kuò)散層109的濃度最高值。整個(gè)表面附近的較高的電子濃度被歸為提供用以減少陰極電阻的N-型高濃度注入層。
從圖15A可見(jiàn)描述了具有圖14C所示濃度輪廓的結(jié)構(gòu)，其中基底具有高電阻系數(shù)，且位壘具有足夠的高度，比P-型掩埋擴(kuò)散層109位置更深的載流子不能跨越該位壘，導(dǎo)致載流子積聚。在另一方面，從圖15B可見(jiàn)描述了具有圖14B所示濃度輪廓的結(jié)構(gòu)，其中位壘不具有足夠的高度，載流子流向該表面以便于分布在P-型掩埋擴(kuò)散層109中最高濃度的附近。因此，具有圖14B所示濃度輪廓的結(jié)構(gòu)的響應(yīng)速度的降低可歸于這樣的事實(shí)，這個(gè)事實(shí)就是在P-型掩埋擴(kuò)散層109的基底端上產(chǎn)生的載流子跨越位壘作為慢電流成分。
因此，在光敏器件中摻入圖13所示的P-型掩埋擴(kuò)散層109，P-型掩埋擴(kuò)散層109作為位壘阻止P-型掩埋擴(kuò)散層109的基底端產(chǎn)生的載流子。結(jié)果，在P-型掩埋擴(kuò)散層109的基底端上產(chǎn)生的載流子被阻止跨越位壘以移向該表面，且在基底中通過(guò)復(fù)合消失。而且，在從P-型掩埋擴(kuò)散層109的最高濃度部分到耗盡層106范圍的區(qū)域中產(chǎn)生的載流子通過(guò)由于P-型掩埋的擴(kuò)散層109的大濃度梯度產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)被加速，且因此比它們通過(guò)擴(kuò)散更快地移動(dòng)到耗盡層106的末端。因此，支持寫(xiě)入操作的光電二極管在寫(xiě)入操作期間的響應(yīng)速度和讀出操作期間的響應(yīng)速度均可以被提高。該響應(yīng)速度被提高的效果可以通過(guò)P-型掩埋擴(kuò)散層109呈現(xiàn)相對(duì)P-型半導(dǎo)體基底103足夠的濃度差和梯度來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)。
接著發(fā)明人對(duì)通過(guò)改變P-型外延層104的厚度而改變耗盡層106的厚度而獲得的輪廓進(jìn)行模擬。表3顯示了通過(guò)使用350μW光照射的響應(yīng)時(shí)間tf(90％→10％)(即光電流從其最大值的90％降低到10％所需要的時(shí)間)，它是針對(duì)如圖14B所示的光電二極管部分的濃度輪廓的結(jié)構(gòu)的，其中P-型高電阻外延層104的厚度有變化。
表3


圖16A顯示具有厚度是15μm的P-型外延層104的結(jié)構(gòu)且在脈沖光照射(脈沖寬度10μsec)時(shí)耗盡層106具有0.42V/μm的場(chǎng)強(qiáng)的光電二極管部分中的電子濃度分布。圖16B顯示具有厚度是20μm的P-型外延層104且在脈沖光照射(脈沖寬度10μsec)時(shí)耗盡層場(chǎng)強(qiáng)為0.21V/μm的結(jié)構(gòu)的光電二極管部分中的電子濃度分布。圖16A和16B分別顯示了光電二極管部分的橫截面，其中電子用點(diǎn)表示；高密度點(diǎn)的區(qū)域表示較高的電子濃度。圖16A和16B的實(shí)線各表示P-型掩埋擴(kuò)散層109的濃度最高值。整個(gè)表面附近的較高電子濃度被歸為提供用以減少陰極電阻的N-型高濃度注入層。
從圖16B可見(jiàn)描述了P-型外延層104是厚度為20μm的結(jié)構(gòu)，載流子積聚在耗盡層106的附近。因此，耗盡層變得更大，而耗盡層的場(chǎng)強(qiáng)隨著P-型外延層厚度的增加而減少，從而產(chǎn)生電荷積聚和較低的響應(yīng)速度。
圖17顯示耗盡層106內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)和通過(guò)使用脈沖光(780nm，300μW)的10％響應(yīng)時(shí)間tf(90％→90％)(即陰極電流降低到其最大值10％所需要的時(shí)間)之間的關(guān)系。從圖17可見(jiàn)，通過(guò)規(guī)定P-型外延層104的厚度和電阻系數(shù)以便于滿足下式，12倍速寫(xiě)能力(tf≤4ns)，這將是支持寫(xiě)入操作的下一代光電二極管所需的Ed′＞0.3V/μm其中Ed′表示當(dāng)對(duì)光敏器件300實(shí)施反向偏壓操作時(shí)耗盡層106中產(chǎn)生的平均場(chǎng)強(qiáng)。規(guī)定上述方式的P-型外延層104的厚度和電阻系數(shù)的原因如下。通過(guò)增加耗盡層場(chǎng)強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)存在于結(jié)附近的光載流子的力增加以便于使響應(yīng)速度的減少最小化，這是由于當(dāng)光敏器件300接收大量光時(shí)載流子積聚。
為了獲得耗盡層場(chǎng)強(qiáng)約0.3V/μm或更高以便于達(dá)到前述寫(xiě)入能力，同時(shí)使光電二極管的電容的增加最小化，優(yōu)選P-型外延層104的厚度是約9μm至約17μm之間，且其電阻系數(shù)在約100Ωcm至1500Ωcm之間。P-型外延層104優(yōu)選的厚度范圍由表3所示的模擬數(shù)據(jù)確定，P-型外延層104優(yōu)選的電阻系數(shù)范圍由發(fā)明人進(jìn)行的模擬結(jié)果確定。P-型外延層104優(yōu)選的厚度下限設(shè)置在約9μm，因?yàn)閺膱D14B可見(jiàn)，N-型外延層110和P-型外延層104之間結(jié)合處部分的濃度由于自動(dòng)摻雜層104a隨著P-型外延層104的厚度小于約9μm的影響會(huì)增加，從而產(chǎn)生結(jié)電容增加和響應(yīng)速度降低。
而且，為了讓本實(shí)施例的P-型掩埋擴(kuò)散層109完全作為位壘，優(yōu)選P-型掩埋擴(kuò)散層109的最高雜質(zhì)濃度等于或大于約100倍的P-型半導(dǎo)體基底103的雜質(zhì)濃度，原因如下。
在P-型掩埋擴(kuò)散層109相對(duì)于P-型半導(dǎo)體基底103不具有足夠的高擴(kuò)散電位的情況下，在P-型掩埋擴(kuò)散層109的基底端上產(chǎn)生的載流子由于熱能跨越P-型掩埋擴(kuò)散層109，并達(dá)到PN結(jié)，從而使響應(yīng)速度降低。操作溫度范圍，即約10℃至約100℃的熱能在約0.03eV至約0.04eV的范圍中。因此，必需提供足夠高的擴(kuò)散電位以廢除這樣的熱能。為了確保10％或更少的載流子可以跨越P-型掩埋擴(kuò)散層109以便于防止在基底103中產(chǎn)生的載流子流向光敏器件300的表面，對(duì)于P-型半導(dǎo)體基底103，P-型掩埋擴(kuò)散層109必需具有約0.1V或更高的電位。這是因?yàn)榫哂袩崮蹺e(eV)的電子跨越位壘Eb(eV)的概率是p＝Exp(-Eb/Ee)，使得p＝Exp(-Eb/0.04)＜0.1Eb＞-0.04×log(0.1)＝0.1現(xiàn)在，雜質(zhì)濃度和擴(kuò)散電位之間的關(guān)系顯示于圖18。從圖18可見(jiàn)，為了獲得P-型掩埋擴(kuò)散層109和P-型半導(dǎo)體基底103之間的電位差為約0.1V或以上，必需規(guī)定P-型掩埋擴(kuò)散層109的最高雜質(zhì)濃度等于或大于100倍的P-型半導(dǎo)體基底103的雜質(zhì)濃度。換言之，通過(guò)規(guī)定P-型掩埋擴(kuò)散層109的最高雜質(zhì)濃度等于或大于100倍的P-型半導(dǎo)體基底103的雜質(zhì)濃度，由于在P-型掩埋擴(kuò)散層109基底端上產(chǎn)生的載流子可以改善響應(yīng)速度的降低。
而且，隨著P-型半導(dǎo)體基底103和P-型掩埋擴(kuò)散層109之間的最高雜質(zhì)濃度的差變大，P-型掩埋擴(kuò)散層109更有效地作為位壘。通過(guò)FZ(浮區(qū)法)技術(shù)制備的基底對(duì)于減少基底的雜質(zhì)濃度更為有利，但可能削弱芯片的機(jī)械強(qiáng)度，這將導(dǎo)致出現(xiàn)有缺陷的產(chǎn)品，且因此降低產(chǎn)量。通過(guò)CZ(提拉法)技術(shù)設(shè)備的基底是優(yōu)選的，因?yàn)樗A(yù)先排除了有缺陷產(chǎn)品和降低產(chǎn)量的問(wèn)題。由于用CZ技術(shù)實(shí)現(xiàn)的最高的基底電阻系數(shù)是約50Ωm，優(yōu)選使用電阻系數(shù)為約20Ωm至約50Ωm的CZ基底。因?yàn)椋俣娮柘禂?shù)的上限是約50Ωm，下限是約20Ωm是確保光敏器件穩(wěn)定的大規(guī)模生產(chǎn)所必需的。
為了對(duì)P-型半導(dǎo)體基底103提供足夠高的雜質(zhì)濃度(100倍以上)，優(yōu)選P-型掩埋擴(kuò)散層109的最高雜質(zhì)濃度是約1×1017cm-3以上。
根據(jù)膜厚度和電阻系數(shù)的可控制性，優(yōu)選通過(guò)離子注入形成P-型掩埋擴(kuò)散層109。然而，由于若離子在約1×1017cm-3以上的高濃度下注入會(huì)產(chǎn)生有缺陷的產(chǎn)品，因此產(chǎn)量會(huì)降低。為了防止由于這樣的缺陷導(dǎo)致產(chǎn)量降低，優(yōu)選P-型掩埋擴(kuò)散層109通過(guò)涂敷且接著擴(kuò)散形成。
為了提高相對(duì)脈沖光的1％響應(yīng)時(shí)間，優(yōu)選規(guī)定P-型掩埋擴(kuò)散層109的濃度輪廓如下Xu＜38μm其中，Xu表示光電二極管的表面到P-型掩埋擴(kuò)散層109的基底端上存在的P-型掩埋擴(kuò)散層109中的最高雜質(zhì)濃度的1/100濃度水平的位置的厚度。優(yōu)選這樣的濃度輪廓，是因?yàn)槿绻粔局辉诒热肷涔馕罩良s1％以下的強(qiáng)度位準(zhǔn)的位置淺的位置形成，響應(yīng)慢的載流子可以被充分消除使得不能獲得足夠的響應(yīng)速度的改善效果?，F(xiàn)在，當(dāng)具有780nm的波長(zhǎng)的光(用于CD-ROM的應(yīng)用)入射到Si上，在約38μm的深度光已經(jīng)衰減至約1％以下的強(qiáng)度位準(zhǔn)。因此，優(yōu)選規(guī)定厚度Xu，其定義是從光電二極管的表面至P-型掩埋擴(kuò)散層109的基底端上存在的P-型掩埋擴(kuò)散層109中的最高雜質(zhì)濃度的1/100濃度水平的位置的厚度，在約38μm以下。
類(lèi)似于使用圖8C所示的本發(fā)明實(shí)施例1的光敏器件200的方式，具有內(nèi)電路系統(tǒng)的光敏器件可以通過(guò)使用本發(fā)明實(shí)施例2的光敏器件300獲得，使得信號(hào)處理電路系統(tǒng)在N-型外延層區(qū)域中形成，該區(qū)域通過(guò)由設(shè)置在同一基底上的P-型分離擴(kuò)散層107和P-型分離掩埋擴(kuò)散層108與光電二極管部分分離。結(jié)果，整個(gè)拾取器系統(tǒng)可以被小型化，且產(chǎn)品成本可以被降低。
圖19顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的光敏器件400。
如圖19所示的光敏器件400包括P-型半導(dǎo)體基底1、P-型高電阻外延層30、P-型高濃度掩埋擴(kuò)散層4、P-型分離掩埋擴(kuò)散層7、耗盡層5、N-型集電極區(qū)6、N-型外延層8、P-型分離擴(kuò)散層9、N-型集電極接觸區(qū)10、P-型基區(qū)11、N-型發(fā)射極區(qū)12、覆蓋膜14、陰極接觸15、陽(yáng)極接觸16、晶體管接觸17、陰極接觸區(qū)22、光電二極管結(jié)構(gòu)部分80和電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分90。P-型高電阻外延層30包括恒定電阻系數(shù)層2和自動(dòng)摻雜層3。
在具有內(nèi)電路系統(tǒng)的光敏器件中，如圖19中的光敏器件400的情況下，優(yōu)選形成從P-型外延層30表面開(kāi)始的P-型高濃度掩埋擴(kuò)散層4。結(jié)果，通過(guò)減少P-型分離掩埋擴(kuò)散層7之下的電阻，可以降低陽(yáng)極電阻，從而進(jìn)一步增強(qiáng)光電二極管的響應(yīng)速度。也可以通過(guò)降低電路系統(tǒng)部分的基底電阻防止電路和堵塞現(xiàn)象。
如圖8C或13A所示的光敏器件200或300中，同樣優(yōu)選分別形成從P-型外延層242表面開(kāi)始的前述P-型高濃度掩埋擴(kuò)散層或P-型掩埋擴(kuò)散層109。
雖然前述實(shí)施例顯示P-型作為第一導(dǎo)電類(lèi)型和N-型作為第二導(dǎo)電類(lèi)型，但將N-型作為第一導(dǎo)電類(lèi)型使用，和將P-型作為第二導(dǎo)電類(lèi)型使用是可以理解的。
雖然優(yōu)選在本發(fā)明的光敏器件中形成多個(gè)光電二極管部分，但本發(fā)明也適用于只設(shè)有一個(gè)光電二極管部分的實(shí)施方案。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，使用的分層基底包括第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體基底和在其上形成的、且與使用的半導(dǎo)體基底相比具有較低雜質(zhì)濃度以便于在其上形成光電二極管的第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層。耗盡層厚度通過(guò)調(diào)節(jié)第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層的厚度和電阻系數(shù)被降低，從而耗盡層的場(chǎng)強(qiáng)可以被增強(qiáng)，但沒(méi)有改變施用于光電二極管的偏壓。結(jié)果，由于提供了電場(chǎng)增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)結(jié)附近的載流子的力，從而可以阻止由于在接收大量光時(shí)載流子的積聚降低響應(yīng)速度。
然而，較小的耗盡層厚度導(dǎo)致增長(zhǎng)的電容成分和較長(zhǎng)的載流子通過(guò)擴(kuò)散遷移的距離，所述載流子是在耗盡層下面產(chǎn)生的，從而導(dǎo)致在接收少量光時(shí)響應(yīng)速度降低。因此，為了滿足在讀出操作期間少量光所需的響應(yīng)速度和寫(xiě)入操作期間大量光所需的響應(yīng)速度，調(diào)節(jié)第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層的厚度和電阻系數(shù)以便于實(shí)現(xiàn)所需的裝置規(guī)格。
而且，根據(jù)本發(fā)明，具有相對(duì)高雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層設(shè)置在雜質(zhì)濃度低于半導(dǎo)體基底的第一半導(dǎo)體型的半導(dǎo)體基底和第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層之間。因此，第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層可以作為位壘抵抗在其基底端上產(chǎn)生的載流子，從而消除通過(guò)擴(kuò)散長(zhǎng)距離遷移的慢電流成分。由于在比第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層的最高雜質(zhì)濃度部分離表面更近的位置產(chǎn)生的載流子通過(guò)第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層的內(nèi)電場(chǎng)被加速，它們遷移至耗盡層末端的速度比其通過(guò)擴(kuò)散快。結(jié)果，響應(yīng)速度可以進(jìn)一步提高。
如上所述，本發(fā)明提供了一種支持寫(xiě)入操作的光敏器件，以及具有內(nèi)電路系統(tǒng)的光敏器件，這樣阻止了由于在寫(xiě)入操作期間接收大量光時(shí)載流子積聚的響應(yīng)速度降低，從而使在讀出操作期間接收少量光時(shí)的響應(yīng)速度和寫(xiě)入操作期間接收大量光時(shí)的響應(yīng)速度均被提高。
在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，多種其它變化對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，且能容易地實(shí)施。因此，并不意味著本發(fā)明附加的權(quán)利要求的范圍被本文前述內(nèi)容所限制，相反權(quán)利要求解釋的內(nèi)容是寬范圍的。
權(quán)利要求
1.一種光敏器件，包括第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體基底；在半導(dǎo)體基底上形成且與半導(dǎo)體基底相比具有較低雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層上形成的第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；和至少一個(gè)第一導(dǎo)電類(lèi)型的擴(kuò)散層，用于將第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層分成多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中至少一個(gè)光電二極管部分是在多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域中的至少一個(gè)和第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的，以及其中第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層具有包含13μm至17μm的厚度和包含100Ωcm至1500Ωcm的電阻系數(shù)。
2.一種光敏器件，包括一分層基底，包括第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體基底和在半導(dǎo)體基底上形成的、且與半導(dǎo)體基底相比具有較低的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；在該分層基底的第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層上形成的第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；和至少一個(gè)第一導(dǎo)電類(lèi)型的擴(kuò)散層，用于將第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層分成多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中至少一個(gè)光電二極管部分是在多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域中的至少一個(gè)和第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的，以及其中第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層具有包含13μm至17μm的厚度和包含100Ωcm至1500Ωcm的電阻系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的光敏器件，其中半導(dǎo)體基底具有包含1Ωcm至20Ωcm的電阻系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一個(gè)的光敏器件，還包括在半導(dǎo)體基底的背面配置一電極，其中該電極與配置在第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層一表面上的一陽(yáng)極電極電連接。
5.一種光敏器件，包括一第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體基底；在半導(dǎo)體基底上形成且與半導(dǎo)體基底相比具有較高雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層上形成且與半導(dǎo)體基底相比具有較低雜質(zhì)濃度的一第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層；和在第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層上形成的一第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；和至少一個(gè)第一導(dǎo)電類(lèi)型的擴(kuò)散層，用于將第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層分成多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中至少一個(gè)光電二極管部分是在多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域中的至少一個(gè)和第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的，以及其中第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層具有包含9μm至17μm的厚度和包含100Ωcm至1500Ωcm的電阻系數(shù)。
6.一種光敏器件，包括一分層基底，包括一第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體基底和在半導(dǎo)體基底上形成的且與半導(dǎo)體基底相比具有較高的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層；在該分層基底的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層上形成且與半導(dǎo)體基底相比具有較低的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層上形成的一第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；和至少一個(gè)第一導(dǎo)電類(lèi)型的擴(kuò)散層，用于將第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層分成多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中至少一個(gè)光電二極管部分是在多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域中的至少一個(gè)和第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的，以及其中第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層具有包含9μm至17μm的厚度和包含100Ωcm至1500Ωcm的電阻系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的光敏器件，其中半導(dǎo)體基底具有的雜質(zhì)濃度等于或小于1/100的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層中的最高雜質(zhì)濃度。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任意一項(xiàng)的光敏器件，其中通過(guò)CZ方法生產(chǎn)半導(dǎo)體基底，且其具有20Ωcm至50Ωcm的電阻系數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的光敏器件，其中第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層具有1×1017cm-3或更多的最高雜質(zhì)濃度。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至9中任意一項(xiàng)的光敏器件，其中第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層通過(guò)涂敷和擴(kuò)散形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任意一項(xiàng)的光敏器件，其中第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層具有從半導(dǎo)體基底向第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層的表面雜質(zhì)濃度逐漸增長(zhǎng)的區(qū)域，并且其中具有大致上1/100的整個(gè)第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體層的最高雜質(zhì)濃度的部分存在于離第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層的表面約38μm或更少的深度。
12.一種具有內(nèi)電路系統(tǒng)的電路內(nèi)置類(lèi)型的光敏器件，包括根據(jù)權(quán)利要求1至11中任意一項(xiàng)的光敏器件；一信號(hào)處理電路部分，設(shè)置在與光敏器件的第二半導(dǎo)體類(lèi)型的半導(dǎo)體層的結(jié)合處的所述至少一個(gè)光電二極管部分不同的區(qū)域中，該信號(hào)處理電路系統(tǒng)用于處理被該至少一個(gè)發(fā)光二極管部分探測(cè)到的信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的具有內(nèi)電路系統(tǒng)的電路內(nèi)置類(lèi)型的光敏器件，其中在第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層或第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層的一個(gè)區(qū)域的至少一部分內(nèi)，設(shè)置一第一導(dǎo)電類(lèi)型的高濃度擴(kuò)散層，該區(qū)域不同于所述至少一個(gè)發(fā)光二極管部分，該高濃度擴(kuò)散層在第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層的一表面部分或第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體層的一表面部分形成。
全文摘要
一種光敏器件，包括第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體基底；在半導(dǎo)體基底上形成且與半導(dǎo)體基底相比具有較低雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層上形成的第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層；和至少一個(gè)第一導(dǎo)電類(lèi)型的擴(kuò)散層，用于將第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層分成多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中至少一個(gè)光電二極管部分是在多個(gè)第二導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體區(qū)域中的至少一個(gè)和第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的，以及其中第一導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體層具有包含13μm至17μm的厚度和包含100Ωcm至1500Ωcm的電阻系數(shù)。
文檔編號(hào)H01L27/14GK1553508SQ200410063750
公開(kāi)日2004年12月8日 申請(qǐng)日期2000年9月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月6日
發(fā)明者細(xì)川誠(chéng), 福永直樹(shù), 瀧本貴博, 久保勝, 福島稔彥, 大久保勇, 勇, 博, 彥, 樹(shù) 申請(qǐng)人:夏普公司