專利名稱：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，用于支持寫入操作的光學(xué)拾取器等。
光學(xué)拾取器用于光盤設(shè)備，例如，CD-ROM或DVD(數(shù)字視頻光盤)設(shè)備。近些年來，光盤設(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圖象數(shù)據(jù)這樣的大量數(shù)據(jù)的趨勢。在這樣的背景下，就有了提高光學(xué)拾取器操作速度的強烈要求。
在過去的數(shù)年間，已經(jīng)開發(fā)出能夠在光盤上進行寫數(shù)據(jù)的光盤設(shè)備，例如，CD-R／RW和DVD-R／RAW。這樣的光盤設(shè)備是能夠?qū)崿F(xiàn)將信息寫在光盤上的寫入操作的，這是通過在盤上基于激光誘發(fā)熱導(dǎo)致的染料相變而實現(xiàn)的。高能激光照射到光盤上，且由此反射的光被射入光電二極管。因此，在寫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。對更高速的這樣的可寫光盤介質(zhì)也具有強烈的需求。


圖1A和1B圖解說明了常規(guī)的光電二極管1000的結(jié)構(gòu)，它公開于日本專利申請公開9-153605。如圖1A所示，該光電二極管1000包括在第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體基底84上設(shè)置的第二導(dǎo)電類型的外延層85。第二導(dǎo)電類型的外延層85被第一導(dǎo)電類型的擴散層87和88分成多個區(qū)域。在各被分的區(qū)域之間的接合處和第一導(dǎo)電類型半導(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時間常數(shù)的一個函數(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，通過擴散移動。
因此，根據(jù)該常規(guī)技術(shù)，第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基底84中的雜質(zhì)濃度規(guī)定在如圖1B所示的低水平，以便于獲得第一導(dǎo)電類型的半導(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深深地延伸進基底84，在基底84中相當深部分產(chǎn)生的載流子不必通過擴散遠距離移動，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時間常數(shù)中的C成分，也可以通過增加基底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)達到那個值。然而，進一步增加基底84的電阻系數(shù)高于那個值會導(dǎo)致陽極端的串聯(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，為了進一步增強光電二極管的響應(yīng)速度，例如，日本專利申請公開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，該分層基底通過在P-型低電阻基底141上形成P-型高電阻晶體生長層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，用于探測光信號的光電二極管結(jié)構(gòu)部分180，和用于處理探測到的信號的電路結(jié)構(gòu)部分190。
高電阻晶體生長層142包括自動摻雜層142a，從低電阻基底141開始雜質(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)，高電阻晶體生長層142易于將耗盡層160延伸進基底141，從而降低結(jié)電容。而且，在陽極端的串聯(lián)電阻通過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，從而增強光敏器件2000的響應(yīng)速度。
為了通過使用前述的分層基底，提高光電二極管的響應(yīng)速度，必需通過讓耗盡層160充分地延伸進高電阻晶體生長層142以降低結(jié)電容。因此，需要增加高電阻晶體生長層142的電阻系數(shù)直至1000Ωcm，這相當于在外延生長下的最大的可控制電阻系數(shù)，且規(guī)定高電阻晶體生長層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充分地延伸進高電阻層的恒定雜質(zhì)濃度部分142b。在高電阻晶體生長層142沒有延伸到的區(qū)域中的任何增加會導(dǎo)致陽極端的串聯(lián)電阻的增加，從而阻礙響應(yīng)速度的提高。
對于支持寫入操作的光學(xué)拾取器，通過激光照射到光盤上的光量隨寫入速度按比例增加，從而由光盤反射的和進入光電二極管的激光量也增加。如果進入光電二極管的光量超過一定量，光電二極管的響應(yīng)速度會降低。
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，隨著進入光電二極管的光量超過一定的量，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。
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)電類型的半導(dǎo)體基底；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雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層上形成的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層；和至少一個由第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面形成的第一導(dǎo)電類型的擴散層，以便于達到第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面，這至少一個的擴散層將第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層分成多個第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中至少一個用于將光信號轉(zhuǎn)化成電信號的光電二極管部分是在至少多個第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域中的一個和第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的，并且當向至少一個光電二極管部分施加反向偏壓時，其中第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層中形成的耗盡層具有約0．3V／μm或更多的場強。
在本發(fā)明的一個實施方案中，在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層中形成的耗盡層具有約5μm或更多的厚度。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層具有約13μm至約17μm的厚度和約100Ωcm至約1500Ωcm的電阻系數(shù)。
在本發(fā)明另外的一個實施方案中，半導(dǎo)體基底具有約1Ωcm至約20Ωcm的電阻系數(shù)。
在本發(fā)明另外的一個實施方案中，光敏器件還包括在半導(dǎo)體基底的背面配置的第一電極；在第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層表面上配置的第二電極，其中第一和第二電極是彼此互相電耦合的。
在本發(fā)明另外的一個實施方案中，第二導(dǎo)電類型的多個半導(dǎo)體區(qū)域包括至少一個確定至少一個光電二極管部分的第一區(qū)域和與至少一個第一區(qū)域離散的至少一個第二區(qū)域，和在至少一個第二區(qū)域中的用于處理電信號的信號處理電路部分。
在本發(fā)明另外的一個實施方案中，光敏器件還包括在至少一個第二區(qū)域和第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層之間的界面處形成的第一導(dǎo)電類型的高濃度擴散層。
或者，提供一種光敏器件，包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基底；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雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層上形成的、且與半導(dǎo)體基底相比具有較低雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層上形成的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層；和至少一個由第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面形成的第一導(dǎo)電類型的擴散層，以便于達到第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層的表面，這至少一個的擴散層將第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層分成多個第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中至少一個用于將光信號轉(zhuǎn)化成電信號的光電二極管部分是在多個第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域中的至少一個和第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的。
在本發(fā)明的一個實施方案中，當向至少一個光電二極管部分施加反向偏壓時，第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層中形成的耗盡層具有約0．3V／μm或更多的場強。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層具有約9μm至約17μm的厚度和約100Ωcm至約1500Ωcm的電阻系數(shù)。
在本發(fā)明另外的一個實施方案中，半導(dǎo)體基底具有的雜質(zhì)濃度等于或小于約1／100的在第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層中的最高雜質(zhì)濃度。
在本發(fā)明另外的一個實施方案中，通過CZ方法生產(chǎn)半導(dǎo)體基底，且其具有約20Ωcm至約50Ωcm的電阻系數(shù)。
在本發(fā)明另外的一個實施方案中，第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層具有約1×1017cm-3或更多的最高雜質(zhì)濃度。
在本發(fā)明另外的一個實施方案中，第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層通過涂敷和擴散形成。
在本發(fā)明另外的一個實施方案中，第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層具有從半導(dǎo)體基底向第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面雜質(zhì)濃度逐漸增長的區(qū)域，和具有約1／100的整個第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層的最高雜質(zhì)濃度的部分存在于離第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面約38μm或更少的深度。
在本發(fā)明另外的一個實施方案中，大多數(shù)第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域包括至少一個確定至少一個光電二極管部分的第一區(qū)域和至少一個與至少一個第一區(qū)域離散的第二區(qū)域，并且用于處理電信號的信號處理電路部分設(shè)置在至少一個第二區(qū)域。
在本發(fā)明另外的一個實施方案中，光敏器件還包括在至少一個第二區(qū)域和第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層之間的界面形成的第一導(dǎo)電類型的高濃度擴散層。
因此，本文所述的本發(fā)明能實現(xiàn)的優(yōu)點是(1)提供用于支持寫入操作的光學(xué)拾取器的光敏器件，使得光敏器件在讀出操作期間接收少量光和在寫入操作期間接收大量光時均具有提高了的響應(yīng)速度；和(2)提供了具有內(nèi)電路系統(tǒng)的光敏器件。
下面，介紹本發(fā)明的效果。
本發(fā)明的光敏器件加入了分層基底(laminated substrate)，該基底包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基底和在其上形成的、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)電類型的半導(dǎo)體層。結(jié)果，光電二極管的電容和陽極電阻降低，從而提高了在讀出操作期間接收少量光時的響應(yīng)速度。為了防止由于在寫入操作期間接收大量光時經(jīng)常發(fā)生的平電位分布而造成的響應(yīng)速度降低，通過減少第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的厚度來控制耗盡層厚度，從而增強耗盡層內(nèi)的場強。鑒于接收支持寫入操作的光電二極管必需滿足的大量光時(即，在6倍速寫入操作期間)所需的響應(yīng)速度，耗盡層的場強規(guī)定在約0．3V／μm或更多。而且，鑒于接收支持寫入操作的光電二極管必需滿足的少量光時(即，在32倍速讀出操作期間)所需的響應(yīng)速度，耗盡層厚度規(guī)定在約5μm或更多。
為了滿足這樣的需要，優(yōu)選第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層具有約13μm至約17μm的厚度(包括自動摻雜層的厚度)，和約100Ωcm至約1500Ωcm的電阻系數(shù)。
為了通過減少陽極電阻來提高光電二極管的響應(yīng)速度，優(yōu)選使基底的電阻系數(shù)最小化。然而，太小的基底電阻系數(shù)會產(chǎn)生在第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的晶體生長過程中由基底進入第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的雜質(zhì)自動摻雜，從而降低了響應(yīng)速度。通過確保半導(dǎo)體基底的電阻系數(shù)是約1Ωcm至約20Ωcm，自動摻雜層這樣的影響可以被最小化至可以忽略的水平。
通過在半導(dǎo)體基底的背面設(shè)置陽極電極，該陽極電極與位于表面附近的分離擴散區(qū)上設(shè)置的陽極電極電耦合，與陽極電極只設(shè)置在光敏器件表面的情況相比，該陽極電阻可以進一步降低。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，使用的分層基底包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基底和形成于其上的、且與半導(dǎo)體基底相比具有較高雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層，且還包括在第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層上形成的、且與半導(dǎo)體基底相比具有較低雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層。由于第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層從基底角度看可以作為位壘，產(chǎn)生在第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層的基底端上的載流子不能超越第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層以達到PN結(jié)，并會通過復(fù)合消失在基底中。結(jié)果，與產(chǎn)生在基底中的載流子有關(guān)的慢電流成分被去除，從而提高了響應(yīng)速度。由于第一導(dǎo)電類型的的第一半導(dǎo)體層和第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層之間的濃度差被提高，場強被加強，從而提高響應(yīng)速度。
鑒于接收支持寫入操作的光電二極管所需的大量光時(即，在12倍速寫入操作期間)所需的響應(yīng)速度，耗盡層的場強優(yōu)選規(guī)定為約0．3V／μm或更多。
而且，鑒于接收支持寫入操作的光電二極管所需的大量光時(即，在12倍速寫入操作期間)所需的響應(yīng)速度，第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層的厚度優(yōu)選規(guī)定在約9μm至約17μm之間，而第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層的電阻系數(shù)優(yōu)選規(guī)定在約100Ωcm至約1500Ωcm之間。鑒于在接收少量光時需要的響應(yīng)速度，耗盡層厚度優(yōu)選是約3μm或更多。
通過將第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基底中的雜質(zhì)濃度規(guī)定為第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層中的最高雜質(zhì)濃度的約1／100或更低，在接收超越第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層達到PN結(jié)的大量光時，可以足以降低產(chǎn)生在第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層的基底端的載流子數(shù)量。
優(yōu)選使用不太可能生產(chǎn)出有缺陷的產(chǎn)品的CZ方法生產(chǎn)第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基底。通過將基底的電阻系數(shù)規(guī)定為通過CZ方法可獲得的最高可能的電阻系數(shù)，即，約20Ωcm至約50Ωcm之間，可以提高第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層中基底端的位壘水平。結(jié)果，可以足以減少超越第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層的基底中產(chǎn)生的載流子數(shù)量，從而提高響應(yīng)速度。
優(yōu)選，第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層具有約1×1017cm-3或更多的最高雜質(zhì)濃度，以便保持相對于基底有足夠高的雜質(zhì)濃度(100倍或更多)。
優(yōu)選，第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層通過涂敷和后續(xù)的擴散制備，該技術(shù)不太可能生產(chǎn)出有缺陷的產(chǎn)品。
為了提高響應(yīng)速度，以有效地確保具有約1／100的整個第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層的最高雜質(zhì)濃度存在于該第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層具有離表面約38μm或更少的深度，在第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層中的區(qū)域中，該區(qū)域中增長的雜質(zhì)濃度由半導(dǎo)體基底至表面逐漸增加。
本發(fā)明的具有內(nèi)電路系統(tǒng)的光敏器件包括用于處理探測信號的信號處理電路系統(tǒng)部分，該部分設(shè)置在通過第一導(dǎo)電類型的擴散層與光電二極管部分分離的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層區(qū)域中。結(jié)果，整個拾取器系統(tǒng)可以被小型化。
通過在信號處理電路系統(tǒng)部分的下面設(shè)置高濃度的第一導(dǎo)電類型的擴散層，和將P型分離擴散層與光電二極管部分附近的陽極電極耦合，由第一導(dǎo)電類型的第一或第二半導(dǎo)體層的表面開始，可以規(guī)定接收用于支持寫入操作的光電二極管所需的大量光時用于實現(xiàn)響應(yīng)速度所需的低電極電阻。也可以防止電路系統(tǒng)的堵塞現(xiàn)象。
在閱讀和理解下面的詳細說明、并參照附圖的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。
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)性的實驗圖。
圖5說明在少量光通過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變化的模擬結(jié)果圖。
圖6說明在大量光通過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變化的模擬結(jié)果圖。
圖7說明在少量光通過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變化的模擬結(jié)果圖。
圖8A是說明用來被發(fā)明人模擬實施的，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)時間和場強之間關(guān)系的模擬結(jié)果和實測圖。
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，在沒有光照和光照之后即時的場強分布輪廓圖。
圖12顯示在通過按照如圖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，進行脈沖光照射(脈沖寬度10μsec)之后2nsec時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，進行脈沖光照射(脈沖寬度10μsec)之后2nsec時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，進行脈沖光照射(脈沖寬度10μsec)時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，進行脈沖光照射(脈沖寬度10μsec)時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強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)明一個實施方案的內(nèi)電路系統(tǒng)的光敏器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
下面，本發(fā)明通過例舉實施例的方式，并參照附圖進行說明。
如前所述，當具有如圖1或3所示結(jié)構(gòu)的常規(guī)光電二極管用作寫入操作的光電二極管時，在接收大量光時就會有響應(yīng)速度降低的問題。
通過器件模擬在通過光電二極管接收大量光時載流子密度和電位的瞬時變化，發(fā)明人進行了分析。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)動載流子朝向結(jié)的較弱的力，這樣使得載流子會發(fā)生遷移，如果有的話只是通過擴散。圖5和6說明在光電二極管中電位水平的瞬時變化的模擬結(jié)果，針對光電二極管在讀出操作中接收少量光的情況(圖5)，和針對在6倍速寫入操作中光電二極管接收大量光的情況(圖6)。圖7說明在通過光電二極管接收大量光情況下，載流子密度的瞬時變化的模擬效果。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，當接收少量光時在結(jié)附近無電位變化。而另一方面，從圖6中可以看出，伴隨著光入射的時間的消逝，基底電位增加。而且，圖7顯示當接收大量光時在PN結(jié)的附近和基底中載流子積聚。這是因為當接收大量光時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)附近的場強被減少，幾乎沒有力量驅(qū)動載流子，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擴散遷移一個長距離，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)的降低而越來越小。由于實施同樣的反向偏壓，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采用更強的電場。隨著更強電場的使用，有更強的力將載流子從結(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，隨著基底電阻系數(shù)的降低響應(yīng)速度越來越快的原因，雖然耗盡層的厚度降低了。
因此，發(fā)明人實施器件模擬以檢驗在接收大量光(350μW)時耗盡層中的場強對光電二極管的響應(yīng)速度的影響。通過使用具有圖8A所示結(jié)構(gòu)和圖8B(對應(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-型擴散層184和185分成多個區(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行濃度變化，耗盡層延伸進基底181和P-型高電阻層182之間的界面。基底的電阻系數(shù)是如此的低，使得陽極電阻的影響忽略。
當照射大量脈沖光時通過模擬獲得光電二極管100的響應(yīng)，并且基于場強的響應(yīng)速度的相關(guān)性通過改變采用的反向偏壓進行研究。圖9顯示的是基于場強響應(yīng)時間tf(90％→10％)的相關(guān)性的模擬結(jié)果，該響應(yīng)時間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％所需要的時間。從圖9中可見，光電二極管100的響應(yīng)速度隨著耗盡層的場強的降低而降低。
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變化。結(jié)果示于圖10A和10B。圖10A顯示的是耗盡層中的場強是0．16V／μm的情況。圖10B顯示的是耗盡層中的場強是0．4V／μm的情況。由圖10A可見，在耗盡層中為低場強的情況下，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)動積聚載流子要花費相當長的時間(例如，10ns或更多)的事實證明響應(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，表示沒有載流子積聚。
圖11A和11B分別顯示了無光照射和脈沖光照射(脈沖寬度10μsec)之后即刻的場強分布輪廓。從圖11A可見，結(jié)附近的場強由于載流子積聚而進一步降低，在這種情況下在耗盡層中使用0．16V／μm的場強有載流子積聚。驅(qū)動積聚載流子朝向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光照，耗盡層的場強實質(zhì)上是相同的，在這種情況下在耗盡層中使用0．4V／μm的場強沒有載流子積聚。
因此，發(fā)現(xiàn)在接收大量光時(即在寫入操作期間)響應(yīng)速度降低的原因是結(jié)附近的載流子積聚，它可以通過增強耗盡層中的場強來減輕。
然而，在實際的光電二極管中，為了增強耗盡層中的場強而增加使用的反向偏壓，由于采用的電壓波動還增加了噪音。因此，使用的電壓不能變動太大。使用的電壓不能變動太大的另一個原因是事實上設(shè)備中這樣的光電二極管與LSI(如果有的話)分享同一電源。
(實施例1)圖8C顯示的是本發(fā)明實施例1的光敏器件200。其對應(yīng)物出現(xiàn)在圖3所示的光敏器件2000中的該元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開始逐步降低雜質(zhì)濃度的自動摻雜層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中的其對應(yīng)物更薄，從而限制耗盡層，并增強耗盡層場強。
為了通過使用前述的分層基底141以提高響應(yīng)速度，必需通過讓耗盡層160充分地延伸進高電阻層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，這相當于在外延生長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)域中耗盡層沒有延伸進的P-型外延層242的任意增加會導(dǎo)致陽極端的串聯(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行測量。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厚度的耗盡層的場強。
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顯示了實際測量值，顯示出在接收大量光時的響應(yīng)速度和耗盡層的場強之間的關(guān)系，所涉及的測量條件列于表1。如圖9所示，隨著耗盡層場強的增加響應(yīng)速度增加，具有與前述模擬結(jié)果相稱的相關(guān)性水平。因此，可以看出在接收大量光時的響應(yīng)速度很大程度上由耗盡層的場強決定，且?guī)缀醪挥珊谋M層厚度決定。這也符合所推測的結(jié)附近場強上載流子積聚的極大的相關(guān)性，因為如圖10A(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，在接收少量光時的響應(yīng)速度隨著耗盡層厚度的減少而降低。這是因為耗盡層厚度的減少導(dǎo)致電容成分的增加和在耗盡層之下產(chǎn)生的載流子通過擴散遷移的距離增加。
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通過減少P-型外延層242的厚度而增加耗盡層場強的方式可以得到提高。然而，P-型外延層242的厚度過度的減少會導(dǎo)致在接收少量光時響應(yīng)速度的降低。因此，必需根據(jù)接收大量光時(如在寫入操作中)的所需響應(yīng)速度和接收少量光時(如在讀出操作中)所需響應(yīng)速度對P-型外延層242的厚度進行優(yōu)化。
對圖8C所示的光敏器件200的結(jié)構(gòu)進行更詳細的描述。
本發(fā)明的本實施例的光敏器件200可以通過采用生產(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表示當對光敏器件200實施反向偏壓操作時耗盡層160中產(chǎn)生的平均場強。
規(guī)定上述方式的耗盡層場強的原因如下。通過增加耗盡層場強，驅(qū)動存在于結(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，這是由于當光敏器件200接收大量光時有載流子積聚?，F(xiàn)在，對于支持寫入操作的CD拾取器需要6倍速寫能力。由上述圖9可見，用于6倍速寫能力必需的響應(yīng)速度可以通過規(guī)定耗盡層場強為約0．3V／μm或更多而被實現(xiàn)。
而且，不僅寫入操作的響應(yīng)速度還是讀出操作的響應(yīng)速度對支持寫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所示的試驗數(shù)據(jù)評價的接收少量光時耗盡層厚度和響應(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)速度可以通過規(guī)定耗盡層厚度為約5μm以上來實現(xiàn)。
為了完全滿足用于寫入操作和讀出操作的前述響應(yīng)速度的需要，優(yōu)選耗盡層的場強是約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)明人獲得的實驗結(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)展開自動摻雜層。例如，當形成P-型外延層242以便于具有約1KΩ的高電阻系數(shù)時，P-型半導(dǎo)體基底141中的雜質(zhì)濃度是約1Ωcm，因為任何在P-型外延層242表面上的自動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，通過確保P-型半導(dǎo)體基底141中的雜質(zhì)濃度不超過規(guī)定的P-型外延層242表面的雜質(zhì)濃度1000倍，即使發(fā)生自動摻雜，所得P-型外延層242表面的雜質(zhì)濃度不會超過預(yù)定的設(shè)計值。以減少陽極電阻為目標，只要不發(fā)生自動摻雜，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，通過在基底的底面提供陽極電極151(圖8C)，并將陽極電極151與設(shè)置在光敏器件200上表面的分離擴散層144上的陽極電極152電連接，與陽極電極只設(shè)置在上表面情況相比可以進一步減少陽極電阻。結(jié)果，響應(yīng)速度可以進一步提高。
(實施例2)圖13A和13B顯示的是本發(fā)明的實施例2的光敏器件300的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。陽極電極、陰極電極、接線、保護膜等從圖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-型分離擴散層107和P-型分離掩埋擴散層108分成多個區(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與實施例1的光敏器件200主要的不同在于，P-型掩埋擴散層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擴散，以便于形成在其上的P-型掩埋的擴散層109，且P-型外延層104通過晶體生長而形成，之后可以與常規(guī)方法相同的方法進行。
依照實施例1的光敏器件200，通過優(yōu)化P-型外延層242的厚度和電阻系數(shù)可以得到至多6倍速寫能力和32倍速讀能力。這是因為，減少耗盡層厚度用以增強場強導(dǎo)致了電容成分增加和通過擴散載流子(產(chǎn)生于基底中相當深的部分)移動的距離的增加。這不僅對讀出操作期間的響應(yīng)速度也對寫入操作期間的響應(yīng)速度施加了限制。
因此，根據(jù)本實施例，在P-型半導(dǎo)體基底103和P-型外延層104之間形成P-型掩埋擴散層109，使得P-型掩埋擴散層109起阻止產(chǎn)生于基底中相當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，進行裝置模擬以研究P-型掩埋擴散層109是如何作用的。表2顯示了通過使用脈沖光(780nm、300μW)的1％響應(yīng)時間tf(90％→1％)(即光電流從其最大值的90％降低到1％所需要的時間)，這是針對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)時間通過基底中經(jīng)擴散移動的載流子確定。具有圖14A和14B所示濃度輪廓的結(jié)構(gòu)之間，只是P-型掩埋擴散層109的厚度被改變，同時保持P-型半導(dǎo)體基底103、P-型掩埋擴散層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)之間，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，以致通過該P-型掩埋擴散層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中的雜質(zhì)濃度(電阻系數(shù))被改變，同時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)，在脈沖光進行照射(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，其中電子以點表示；高密度點的區(qū)域表示電子濃度較高。圖15A和15B的實線各表示P-型掩埋擴散層109的濃度最高值。整個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，這個事實就是在P-型掩埋擴散層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-型掩埋擴散層109，P-型掩埋擴散層109作為位壘阻止P-型掩埋擴散層109的基底端產(chǎn)生的載流子。結(jié)果，在P-型掩埋擴散層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，且在基底中通過復(fù)合消失。而且，在從P-型掩埋擴散層109的最高濃度部分到耗盡層106范圍的區(qū)域中產(chǎn)生的載流子通過由于P-型掩埋的擴散層109的大濃度梯度產(chǎn)生的內(nèi)電場被加速，且因此比它們通過擴散更快地移動到耗盡層106的末端。因此，支持寫入操作的光電二極管在寫入操作期間的響應(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P-型掩埋擴散層109呈現(xiàn)相對P-型半導(dǎo)體基底103足夠的濃度差和梯度來進一步增強。
接著發(fā)明人對通過改變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行模擬。表3顯示了通過使用350μW光照射的響應(yīng)時間tf(90％→10％)(即光電流從其最大值的90％降低到10％所需要的時間)，它是針對如圖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)時耗盡層106具有0．42V／μm的場強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)時耗盡層場強為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，其中電子用點表示；高密度點的區(qū)域表示較高的電子濃度。圖16A和16B的實線各表示P-型掩埋擴散層109的濃度最高值。整個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，而耗盡層的場強隨著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)場強和通過使用脈沖光(780nm、300μW)的10％響應(yīng)時間tf(0％→90％)(即陰極電流降低到其最大值10％所需要的時間)之間的關(guān)系。從圖17可見，通過規(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倍速寫能力(tf≤4ns)，這將是支持寫入操作的下一代光電二極管所需的Ed＇＞0．3V／μm
其中Ed’表示當對光敏器件300實施反向偏壓操作時耗盡層106中產(chǎn)生的平均場強。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。通過增加耗盡層場強，驅(qū)動存在于結(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，這是由于當光敏器件300接收大量光時載流子積聚。
為了獲得耗盡層場強約0．3V／μm或更高以便于達到前述寫入能力，同時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，因為從圖14B可見，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摻雜層104a隨著P-型外延層104的厚度小于約9μm的影響會增加，從而產(chǎn)生結(jié)電容增加和響應(yīng)速度降低。
而且，為了讓本實施例的P-型掩埋擴散層109完全作為位壘，優(yōu)選P-型掩埋擴散層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-型掩埋擴散層109相對于P-型半導(dǎo)體基底103不具有足夠的高擴散電位的情況下，在P-型掩埋擴散層109的基底端上產(chǎn)生的載流子由于熱能跨越P-型掩埋擴散層109，并達到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，對于P-型半導(dǎo)體基底103，P-型掩埋擴散層109必需具有約0．1V或更高的電位。這是因為具有熱能Ee(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)濃度和擴散電位之間的關(guān)系顯示于圖18。從圖18可見，為了獲得P-型掩埋擴散層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，通過規(guī)定P-型掩埋擴散層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-型掩埋擴散層109之間的最高雜質(zhì)濃度的差變大，P-型掩埋擴散層109更有效地作為位壘。通過FZ(浮區(qū)法)技術(shù)制備的基底對于減少基底的雜質(zhì)濃度更為有利，但可能削弱晶片的機械強度，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CZ(提拉法)技術(shù)制備的基底是優(yōu)選的，因為它預(yù)先排除了有缺陷產(chǎn)品和降低產(chǎn)量的問題。由于用CZ技術(shù)實現(xiàn)的最高的基底電阻系數(shù)是約50Ωcm，優(yōu)選使用電阻系數(shù)為約20Ωcm至約50Ωcm的CZ基底。因為，假定電阻系數(shù)的上限是約50Ωcm，下限是約20Ωcm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)選通過離子注入形成P-型掩埋擴散層109。然而，由于若離子在約1×1017cm-3以上的高濃度下注入會產(chǎn)生有缺陷的產(chǎn)品，因此產(chǎn)量會降低。為了防止由于這樣的缺陷導(dǎo)致產(chǎn)量降低，優(yōu)選P-型掩埋擴散層109通過涂敷且接著擴散形成。
為了提高相對脈沖光的1％響應(yīng)時間，優(yōu)選規(guī)定P-型掩埋擴散層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-型掩埋擴散層109的基底端上存在的P-型掩埋擴散層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，是因為如果位壘只在比入射光吸收至約1％以下的強度位準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。現(xiàn)在，當具有780nm的波長的光(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％以下的強度位準。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-型掩埋擴散層109的基底端上存在的P-型掩埋擴散層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。
類似于使用圖8C所示的本發(fā)明實施例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使用本發(fā)明實施例2的光敏器件300獲得，使得信號處理電路系統(tǒng)在N-型外延層區(qū)域中形成，該區(qū)域通過由設(shè)置在同一基底上的P-型分離擴散層107和P-型分離掩埋擴散層108與光電二極管部分分離。結(jié)果，整個拾取器系統(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)明的一個實施方案的光敏器件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-型高濃度掩埋擴散層4、P-型分離掩埋擴散層7、耗盡層5、N-型集電極區(qū)6、N-型外延層8、P-型分離擴散層9、N-型集電極接觸區(qū)1O、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表面開始的P-型高濃度掩埋擴散層4。結(jié)果，通過減少P-型分離掩埋擴散層7之下的電阻，可以降低陽極電阻，從而進一步增強光電二極管的響應(yīng)速度。也可以通過降低電路系統(tǒng)部分的基底電阻防止電路的堵塞現(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表面開始的前述P-型高濃度掩埋擴散層或P-型掩埋擴散層109。
雖然前述實施例顯示P-型作為第一導(dǎo)電類型和N-型作為第二導(dǎo)電類型，但將N-型作為第一導(dǎo)電類型使用，和將P-型作為第二導(dǎo)電類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光電二極管部分，但本發(fā)明也適用于只設(shè)有一個光電二極管部分的實施方案。
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)電類型的半導(dǎo)體層。耗盡層厚度通過調(diào)節(jié)第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的厚度和電阻系數(shù)被降低，從而耗盡層的場強可以被增強，但沒有改變施用于光電二極管的偏壓。結(jié)果，由于提供了電場增強了驅(qū)動結(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)致增長的電容成分和較長的載流子通過擴散遷移的距離，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)電類型的半導(dǎo)體層的厚度和電阻系數(shù)以便于實現(xiàn)所需的裝置規(guī)格。
而且，根據(jù)本發(fā)明，具有相對高雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類型的第一半導(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)電類型的第二半導(dǎo)體層之間。因此，第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層可以作為位壘抵抗在其基底端上產(chǎn)生的載流子，從而消除通過擴散長距離遷移的慢電流成分。由于在比第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層的最高雜質(zhì)濃度部分離表面更近的位置產(chǎn)生的載流子通過第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層的內(nèi)電場被加速，它們遷移至耗盡層末端的速度比其通過擴散快。結(jié)果，響應(yīng)速度可以進一步提高。
如上所述，本發(fā)明提供了一種支持寫入操作的光敏器件，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入操作期間接收大量光時載流子積聚的響應(yīng)速度降低，從而使在讀出操作期間接收少量光時的響應(yīng)速度和寫入操作期間接收大量光時的響應(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，多種其它變化對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，且能容易地實施。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)電類型的半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層上形成的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層；和至少一個由第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面形成的第一導(dǎo)電類型的擴散層，以便于達到第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面，這至少一個的擴散層將第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層分成多個第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中用于將光信號轉(zhuǎn)化成電信號的光電二極管的至少一部分是在多個第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域中的至少一個和第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的，以及其中當向該至少一個光電二極管部分施加反向偏壓時，在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層中形成的耗盡層的場強是約0．3V／μm或更多。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的光敏器件，其中在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層中形成的耗盡層具有約5μm或更多的厚度。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的光敏器件，其中第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層具有約13μm至約17μm的厚度和約100Ωcm至約1500Ωcm的電阻系數(shù)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的光敏器件，其中半導(dǎo)體基底具有約1Ωcm至約20Ωcm的電阻系數(shù)。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的光敏器件，還包括在半導(dǎo)體基底的背面配置的第一電極；在第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層表面上配置的第二電極，其中第一和第二電極是彼此互相電耦合的。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的光敏器件，其中第二導(dǎo)電類型的多個半導(dǎo)體區(qū)域包括至少一個確定至少一個光電二極管部分的第一區(qū)域和與至少一個第一區(qū)域分立的至少一個第二區(qū)域，和其中在至少一個第二區(qū)域中設(shè)置用于處理電信號的信號處理電路系統(tǒng)部分。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的光敏器件，還包括在至少一個第二區(qū)域和第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層之間的界面處形成的第一導(dǎo)電類型的高濃度擴散層。
8．一種光敏器件，包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基底；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雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層上形成的、且與半導(dǎo)體基底相比具有較低雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層上形成的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層；和至少一個由第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面形成的第一導(dǎo)電類型的擴散層，以便于達到第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層的表面，這至少一個的擴散層將第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層分成多個第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域，其中至少一個用于將光信號轉(zhuǎn)化成電信號的光電二極管部分是在多個第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域中的一個至少和第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的光敏器件，其中當向至少一個光電二極管部分施加反向偏壓時，第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層中形成的耗盡層的場強是約0．3V／μm或更多。
10．根據(jù)權(quán)利要求8的光敏器件，其中第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層具有約9μm至約17μm的厚度和約100Ωcm至約1500Ωcm的電阻系數(shù)。
11．根據(jù)權(quán)利要求8的光敏器件，其中半導(dǎo)體基底具有的雜質(zhì)濃度等于或小于約1／100的第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層中的最高雜質(zhì)濃度。
12．根據(jù)權(quán)利要求8的光敏器件，其中通過CZ方法生產(chǎn)半導(dǎo)體基底，且其具有約20Ωcm至約50Ωcm的電阻系數(shù)。
13．根據(jù)權(quán)利要求11的光敏器件，其中第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層具有約1×1017cm-3或更多的最高雜質(zhì)濃度。
14．根據(jù)權(quán)利要求12的光敏器件，其中第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層具有約1×1017cm-3或更多的最高雜質(zhì)濃度。
15．根據(jù)權(quán)利要求8的光敏器件，其中第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層通過涂敷和擴散形成。
16．根據(jù)權(quán)利要求11的光敏器件，其中第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層具有從半導(dǎo)體基底向第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面雜質(zhì)濃度逐漸增長的區(qū)域，并且其中具有約1／100的整個第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層的最高雜質(zhì)濃度的部分存在于離第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面約38μm或更少的深度。
17．根據(jù)權(quán)利要求12的光敏器件，其中第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層具有從半導(dǎo)體基底向第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面雜質(zhì)濃度逐漸增長的區(qū)域，并且其中具有約1／100的整個第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層的最高雜質(zhì)濃度的部分存在于離第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面約38μm或更少的深度。
18．根據(jù)權(quán)利要求15的光敏器件，其中第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層具有從半導(dǎo)體基底向第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面雜質(zhì)濃度逐漸增長的區(qū)域，并且其中具有約1／100的整個第一導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體層的最高雜質(zhì)濃度的部分存在于離第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面約38μm或更少的深度。
19．根據(jù)權(quán)利要求8的光敏器件，其中大多數(shù)第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域包括至少一個確定至少一個光電二極管部分的第一區(qū)域和至少一個與至少一個第一區(qū)域離散的第二區(qū)域，和其中用于處理電信號的信號處理電路系統(tǒng)部分設(shè)置在至少一個第二區(qū)域中。
20．根據(jù)權(quán)利要求19的光敏器件，還包括在至少一個第二區(qū)域和第一導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體層之間的界面形成的第一導(dǎo)電類型的高濃度擴散層。
全文摘要
一種光敏器件包括:依次形成的第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基底;與半導(dǎo)體基底相比具有較低雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層;第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層;和第一導(dǎo)電類型的擴散層,擴散層將第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層分成多個半導(dǎo)體區(qū)域。用于將光信號轉(zhuǎn)化成電信號的光電二極管的至少一部分是在多個半導(dǎo)體區(qū)域中的至少一個和第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層之間的結(jié)合處形成的。當向至少一個發(fā)電二極管部分施加反向偏壓時,其中第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層中形成的耗盡層的場強是約0.3V/μm或更多。
文檔編號H01L31/0248GK1290965SQ0012843
公開日2001年4月11日 申請日期2000年9月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月6日
發(fā)明者細川誠, 福永直樹, 瀧本貴博, 久保勝, 福島稔彥, 大久保勇 申請人:夏普公司