一种光电二极管、光电探测器及其制造方法与流程

1.本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种光电二极管、光电探测器及其制造方法。


背景技术：

2.背照式光电二极管相比传统的前照式光电二极管探测器在阵列模块应用中具有贴装可靠性高，像素间距小、易于拼接，串扰小以及一致性好等优势；由于背照式光电二极管的空间电荷区位于靠近正面的内侧，为确保其背面进光，需要对衬底进行减薄。如此，容易造成入射光在衬底中的吸收路径变小，尤其是对长波的吸收效率有所下降，使得空间电荷区所产生的光生载流子减少，从而导致具有该背照式光电二极管的半导体器件其光响应度有所下降。


技术实现要素：

3.根据本发明实施例的第一方面，提供一种光电二极管，所述光电二极管包括：
4.衬底，所述衬底具有相互背离的第一表面和第二表面，所述衬底的材料为第一导电类型材料；
5.第一掺杂区，设于所述衬底中，并在所述衬底的第二表面外露，所述第一掺杂区的材料为第一导电类型材料；
6.第二掺杂区，设于所述衬底中并自所述衬底的第二表面外露；
7.介质层，位于所述第二掺杂区自所述衬底外露的表面；
8.反光层，对应设于所述介质层背离所述第二掺杂区的表面。
9.在一些实施例中，所述反光层呈平直状。
10.在一些实施例中，所述反光层的至少部分为向背离所述衬底的第二表面一侧凸起的弯曲状结构。
11.在一些实施例中，所述反光层呈弓形状弯曲或球冠状弯曲。
12.在一些实施例中，所述反光层的尺寸与所述第二掺杂区的尺寸一致。
13.在一些实施例中，所述反光层为由不同光学厚度的高折射率材料和低折射率材料形成的多层介质反光层。
14.在一些实施例中，所述高折射率材料为hfo2，所述低折射率材料为sio2。
15.在一些实施例中，所述光电二极管包括第一电极线、第二电极线、第一电极及第二电极；其中，所述第一电极线设于所述第二掺杂区背离所述衬底的一侧并与所述第二掺杂区电连接；所述第二电极线设于所述第一掺杂区背离所述衬底的一侧并与所述第一掺杂区电连接；所述第一电极设于所述衬底的第二表面所在一侧且连接于所述第一电极线的外侧，所述第二电极设于所述衬底的第二表面所在一侧且连接于所述第二电极线的外侧。
16.在一些实施例中，所述介质层位于所述第一掺杂区自所述衬底外露的表面、所述第二掺杂区自所述衬底外露的表面以及所述衬底的第二表面，所述第一电极和第二电极均
位于所述介质层背离所述衬底的表面。
17.根据本发明实施例的第二方面，提供一种光电二极管探测器，所述光电二极管探测器包括多个如上所述的光电二极管，所述多个光电二极管呈阵列排布。
18.根据本发明实施例的第三方面，提供一种光电探测器的制造方法，其包括：
19.提供衬底，所述衬底具有相互背离的第一表面和第二表面，所述衬底的材料为第一导电类型材料；
20.在所述衬底的第二表面的第一预设区域注入第一型掺杂材料形成第一掺杂区，所述第一掺杂区自所述衬底的第二表面外露；所述第一掺杂区的材料为第一导电类型材料；
21.在所述衬底的第二表面的第二预设区域注入第二型掺杂材料形成第二掺杂区，所述第二掺杂区自所述衬底的第二表面外露，所述第二掺杂区的材料为第二导电类型材料；
22.形成介质层，所述介质层位于所述第二掺杂区自所述衬底外露的表面上；
23.形成反光层，对应设于所述介质层背离所述第二掺杂区的表面。
24.在一些实施例中，所述反光层呈平直状或所述反光层的至少部分为向背离所述衬底的第二表面一侧凸起的弯曲状结构。
25.在一些实施例中，在形成反光层之后，所述方法包括：
26.形成第一电极线、第二电极线、第一电极及第二电极；其中，所述第一电极线设于所述第二掺杂区背离所述衬底的一侧并与所述第二掺杂区电连接；所述第二电极线设于所述第一掺杂区背离所述衬底的一侧并与所述第一掺杂区电连接；所述第一电极设于所述衬底的第二表面所在一侧且连接于所述第一电极线的外侧，所述第二电极设于所述衬底的第二表面所在一侧且连接于所述第二电极线的外侧。
27.在一些实施例中，所述介质层位于所述第一掺杂区自所述衬底外露的表面、所述第二掺杂区自所述衬底外露的表面以及所述衬底的第二表面，所述形成第一电极线、第二电极线、第一电极及第二电极包括：
28.在所述介质层中形成暴露所述第二掺杂区的第一凹槽，及暴露所述第一掺杂区的第二凹槽；
29.在所述第一凹槽、第二凹槽及所述绝缘层背离所述衬底的表面形成金属层；
30.对所述金属层进行刻蚀形成所述第一电极线、第二电极线、第一电极及第二电极。
31.在一些实施例中，所述形成反光层包括：
32.在所述介质层背离所述衬底的一侧形成反射材料层；
33.对所述反射材料层进行刻蚀形成所述反光层。
34.在一些实施例中，所述反光层的至少部分为向背离所述衬底的第二表面一侧凸起的弯曲状结构，所述形成介质层包括：
35.在所述第一掺杂区自所述衬底外露的表面、所述第二掺杂区自所述衬底外露的表面以及所述衬底的第二表面形成介质层，所述介质层背离所述衬底的一侧形成有与所述第二掺杂区对应的凸起结构；
36.所述形成反光层包括：在所述凸起结构的表面形成反光层。
37.基于上述技术方案，上述结构通过在第二掺杂区背离所述衬底第一表面的一侧设置反光层，有利于将自第二掺杂区背离所述衬底第一表面的一侧反射回去，有利于增加部分入射光(尤其长波入射光)的吸收路径，有利于提高光生载流子的产生效率。
附图说明
38.图1(a)为本发明一实施例提供的一种光电二极管的剖视图；
39.图1(b)为本发明一实施例提供的一种光电二极管的光电二极管去除钝化层的示意图；
40.图2为本发明的另一实施例提供的光电二极管的剖视图；
41.图3为本发明一实施例提供的一种光电探测器的制造方法流程图；
42.图4至图11为具有图1(a)和图1(b)所示光电二极管的光电探测器的制造工艺图；
43.图12至图16为具有图2所示光电二极管的光电探测器的部分制造工艺图。
具体实施方式
44.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。
45.下面参考附图详细描述本发明的各实施方式。
46.本发明实施例提供一光电二极管，所述光电二极管包括：
47.衬底，所述衬底具有相互背离的第一表面和第二表面，所述衬底的材料为第一导电类型材料；
48.第一掺杂区，设于所述衬底中，并在所述衬底的第二表面外露，所述第一掺杂区的材料为第一导电类型材料；
49.第二掺杂区，设于所述衬底中并自所述衬底的第二表面外露；
50.介质层，位于所述第二掺杂区自所述衬底外露的表面；
51.反光层，对应设于所述介质层背离所述第二掺杂区的表面。
52.上述结构通过在第二掺杂区背离所述衬底第一表面的一侧设置反光层，有利于将自第二掺杂区背离所述衬底第一表面的一侧反射回去，有利于增加部分入射光(尤其长波入射光)的吸收路径，有利于提高光生载流子的产生效率。
53.下面结合附图1(a)至16对本技术所提供的光电二极管及其制造方法进行详细说明。
54.如图1(a)所示，图1(a)为本发明一实施例提供的一种光电二极管100 的剖视图。该光电二极管100包括衬底10、第二掺杂区20、反光层30、第一掺杂区40以及介质层110。衬底10具有相互背离的第一表面1001和第二表面1002。第一掺杂区40设于衬底10中，并在所述衬底10的第二表面1002 外露，所述第一掺杂区40的材料为第一导电类型材料。第二掺杂区20设于所述衬底10中并自所述衬底10的第二表面1002外露。介质层110位于所述第二掺杂区20自所述衬底10外露的表面。反光层30对应设于所述介质层 110背离所述第二掺杂区20的表面。
55.这里的衬底10的第一表面1001所在的一侧为入光侧，入射光可自衬底 10的第一表面1001向该光电二极管100内入射，该光电二极管100为背照式光电二极管。第二掺杂区20的材料中具有感光材料，第二掺杂区20形成感光区，从而可在该第二掺杂区20的附近形成空间电荷区。
56.这里的第一导电类型为n型，第二导电类型为p型。第一导电类型材料为n型材料，第二导电类型材料为p型材料。相应地，衬底10为n型衬底。第一掺杂区40为n型掺杂区，第二掺杂区20为p型掺杂区。第一掺杂区 40及第二掺杂区20可通过分别注入n型掺杂材料、p型掺杂材料的方式形成。其中，第一掺杂区40的n型掺杂材料的掺杂浓度高于衬底10中的n型掺杂材料的掺杂浓度。
57.这里的第一掺杂区40可以位于第二掺杂区20的外围。比如，第一掺杂区40可以为位于第二掺杂区20外围的闭合环状区域，当然也可以是不闭合的环状区域。第一掺杂区40在衬底10厚度方向上的尺寸可大于第二掺杂区 20在衬底10厚度方向上的尺寸。
58.这里的介质层110可以是设于衬底10的第二表面1002、第二掺杂区20 自衬底10外露的表面以及第一掺杂区40自衬底10外露的表面的介质层。
59.进一步，请结合图1(b)所示，光电二极管100包括第一电极线50、第二电极线60。其中，第一电极线50设于第二掺杂区20背离衬底10的一侧并与第二掺杂区20电连接。第二电极线60设于第一掺杂区40背离衬底10的一侧并与第一掺杂区40电连接。第一电极线50的部分可以沿着第二掺杂区20边缘处附近走线以自第二掺杂区20边缘处附近与第二掺杂区20电连接。
60.进一步，请继续结合图1(b)所示，该光电二极管100还包括第一电极 81和第二电极82，以便于与外接电源或其它外接结构连接。其中，所述第一电极81设于衬底10的第二表面1002所在一侧且连接于第一电极线50的外侧，所述第二电极82设于衬底10的第二表面1002所在一侧且连接于第二电极线60 的外侧。对于介质层110设于衬底10的第二表面1002、第二掺杂区20自衬底10外露的表面以及第一掺杂区40自衬底10外露的表面的，所述第一电极 81和第二电极82均可位于介质层110背离衬底10的表面或可部分穿设于介质层110中，另一部分位于介质层110背离衬底10的表面。
61.这里的第一电极线50为阳极导电线，第一电极81为阳极。这里的第二电极线60为阴极导电线，第二电极82为阴极。
62.在一些实施例中，反光层30呈平直状。该平直状反光层30可以设于介质层110靠近反光层30一侧的表面。
63.在一些实施例中，反光层30的尺寸与第二掺杂区20的尺寸一致。比如，反光层30的形状、大小与第二掺杂区20的形状、大小可以相同或者大致相同。
64.在一些实施例中，反光层30为由不同光学厚度的高折射率材料和低折射率材料形成的多层介质反光层。比如，反光层30可以包括一层高折射率层和与高折射率层叠设于一起的一层低折射率层。高折射率层由高折射率材料形成，低折射率层由低折射率材料形成。
65.在一些实施例中，所述高折射率材料为hfo2，所述低折射率材料为 sio2。当然，在其它一些实施例中，所述高折射率材料和低折射率材料还可以为其它材料，本技术对此不做限定，可根据具体情况进行设置。
66.在另一些实施例中，反光层也可以为单层介质结构。比如，可以采用如金属钨或具有高反射率的新型材料。
67.在一些实施例中，第一导电类型衬底10的厚度范围为50μm-200μm。
68.需要说明的是，对于反光层30具有金属或其它导电材质的，介质层可以作为第二掺杂区20和反光层30之间的绝缘材料层。此外，在一些实施例中，第二掺杂区20制作时第二
掺杂区20表面还可形成的有绝缘膜层，该绝缘膜层也可作为第二掺杂区20和反光层30之间的绝缘材料层。
69.进一步，在一些实施例中，衬底10的第一表面1001所在的一侧设有抗反光层70。抗反光层70至少覆盖衬底10第一表面1001中与第二掺杂区20正对的区域，当然也可以覆盖衬底10第一表面1001的全部区域。抗反光层70可以是具有不同光学厚度的多层抗反射膜所形成的抗反光层结构，各抗反射膜的厚度可根据具体情况进行设置，本技术对此不做限定。
70.进一步，衬底10的第二表面1002所在的一侧设有钝化层90。钝化层90至少包覆第一电极线61、第二电极线60、反光层30背离第二掺杂区20背离介质层110的表面以及介质层110背离衬底10一侧的表面。
71.如图2所示，本技术另提供一种光电二极管200。为便于理解，图2所示光电二极管200与上述图1(a)所示光电二极管100中相同的结构采用同样的标号。
72.与上述所述光电二极管100不同的是，该光电二极管200的反光层30’为弯曲状，该反光层30’具体为向背离衬底10的第一表面1001一侧凸起的弯曲状结构，以对入射光进行更好地反射及汇聚，进一步提高光生载流子的产生效率。
73.需要说明的是，这里反光层30’可以整体呈弯曲状，比如呈弓形状弯曲、球冠状弯曲等，使得反光层整体具有一定的曲率，以更好地对入射光进行反射及汇聚。
74.当然，反光层30’还可设置为部分向背离衬底10的第一表面1001一侧弯曲。此外，反光层30’具有朝向所述第二掺杂区20一侧的反射面，也可将该反光层 30’设置为部分或全部内凹弯曲，而对于反光层具有背离第二掺杂区20的一侧不做具体限定。
75.该介质层110’背离第一导电类型衬底10的一侧形成有与第二掺杂区20 对应的凸起结构。反光层30’具体设于该凸起结构背离第二掺杂区20一侧的表面上。相应地，钝化层90’在该凸起结构及反光层30’处形成相应的凹陷区域。
76.如图3所示，本技术另提供一种光电二极管探测器，所述光电二极管探测器包括多个上所述的光电二极管100或200，所述多个光电二极管100或200呈阵列排布。
77.本技术另提供一种光电探测器的制造方法。如图2所示，该光电探测器的制造方法包括如下步骤s101至步骤s109：
78.在步骤s101中，提供衬底，所述衬底具有相互背离的第一表面和第二表面，所述衬底的材料为第一导电类型材料；
79.在步骤s103中，在所述衬底的第二表面的第一预设区域注入第一型掺杂材料形成第一掺杂区，所述第一掺杂区自所述衬底的第二表面外露；所述第一掺杂区的材料为第一导电类型材料；
80.在步骤s105中，在所述衬底的第二表面的第二预设区域注入第二型掺杂材料形成第二掺杂区，所述第二掺杂区自所述衬底的第二表面外露，所述第二掺杂区的材料为第二导电类型材料；
81.在步骤s107中，形成介质层，所述介质层位于所述第二掺杂区自所述衬底外露的表面上；
82.在步骤s109中，形成反光层，对应设于所述介质层背离所述第二掺杂区的表面。
83.下面先结合图4至图11对该光电探测器的制造方法进行详细说明。
84.如图4所示，在步骤s101中，提供衬底10，衬底10具有相互背离的第一表面1001和
第二表面1002，衬底10的材料为第一导电类型材料。
85.如图5所示，在步骤s103中，在衬底10的第二表面1002的第一预设区域注入第一型掺杂材料形成第一掺杂区40，第一掺杂区40自衬底10的第二表面 1002外露。该第一掺杂区40的掺杂浓度高于衬底10的掺杂浓度。
86.如图6所示，在步骤s105中，在衬底10的第二表面1002的第二预设区域注入第二型掺杂材料形成第二掺杂区20。第二掺杂区20自衬底10的第二表面 1002外露，第二掺杂区20的材料为第二导电类型材料。
87.这里的第一导电类型为n型，第二导电类型为p型。第一导电类型材料为n型材料，第二导电类型材料为p型材料。相应地，衬底10为n型衬底。第一掺杂区40为n型掺杂区，第二掺杂区20为p型掺杂区。第一掺杂区 40的n型掺杂材料的掺杂浓度高于衬底10中的n型掺杂材料的掺杂浓度。第一型掺杂材料为n型掺杂材料、第二型掺杂材料为p型掺杂材料。
88.如图7所示，在步骤s107中，形成介质层110。该介质层110是设于衬底 10的第二表面1002、第二掺杂区20自衬底10外露的表面以及第一掺杂区 40自衬底10外露的表面的绝缘材料层。
89.该介质层110的材料可以为二氧化硅，或其它绝缘材料。可以采用化学气相沉积的方式形成。
90.在其它一些实施例中，介质层还可以是制作第二掺杂区时第二掺杂区表面形成的绝缘膜层。只要保证该介质层位于第二掺杂区20自衬底10外露的表面上，以便于后续设置反光层。
91.这里的介质层110为平直状层结构。
92.如图8所示，在步骤s109中，在介质层110背离第二掺杂区20的一侧形成反光层30。该反光层30与第二掺杂区20对应设置。
93.该反光层30呈平直状。
94.在一些实施例中，该反光层30的尺寸与第二掺杂区20的尺寸一致。
95.在一些实施例中，该反光层30为由不同光学厚度的高折射率材料和低折射率材料形成的多层介质反光层。比如，反光层30可以包括一层高折射率层和与高折射率层叠设于一起的一层低折射率层。高折射率层由高折射率材料形成，低折射率层由低折射率材料形成。
96.在一些实施例中，所述高折射率材料为hfo2，所述低折射率材料为sio2。当然，在其它一些实施例中，所述高折射率材料和低折射率材料还可以为其它材料，本技术对此不做限定，可根据具体情况进行设置。
97.在一些实施例中，该步骤s109可通过如下步骤s1091和步骤s1092实现：
98.在步骤s1091中，在介质层110背离衬底10的一侧形成反射材料层。
99.该反射材料层覆盖介质层110背离衬底10一侧的整个表面。可以通过气相沉积的方式形成。对于发光层30为由不同光学厚度的高折射率材料和低折射率材料交替形成的多层介质的实施方式而言，可分别通过相应气相沉积的方式形成。
100.在步骤s1092中，对所述反射材料层进行刻蚀形成反光层30。
101.将所述反射材料层位于反光层30所对应区域以外的部分刻蚀掉，从而形成反光层30。
102.当然，在其它一些实施例中，也可在介质层表面上与反光层所对应区域以外的部分设置保护层，该保护层能够露出反光层所对应的区域，进而在该反光层所对应的区域沉积用于形成反射材料层的材料，从而形成反光层，进而再将保护层去除。
103.在步骤s109后，所述方法包括如下步骤s110：
104.在步骤s110中，形成第一电极线50、第二电极线60、第一电极及第二电极。其中，第一电极线50设于第二掺杂区20背离所述衬底10的一侧并与第二掺杂区20电连接。第一电极线50的部分可以沿着第二掺杂区20边缘处附近走线以自第二掺杂区20边缘处附近与第二掺杂区20电连接。第二电极线60设于所述第一掺杂区40背离衬底10的一侧并与第一掺杂区40电连接。所述第一电极设于衬底10的第二表面1002所在一侧且连接于第一电极线50的外侧。所述第二电极设于衬底10的第二表面1002所在一侧且连接于第二电极线60的外侧。
105.上述步骤s110可通过如下步骤s1101至步骤s1103实现：
106.在步骤s1101中，在介质层110中形成暴露第二掺杂区20的第一凹槽，及暴露所述第一掺杂区的第二凹槽。
107.该第一凹槽和第二凹槽可以通过激光开孔的方式形成，也可以通过其他开孔方式形成，本技术对此不做限定。
108.在步骤s1102中，在所述第一凹槽、第二凹槽及介质层110背离衬底10的表面形成金属层。
109.在步骤s1103中，对所述金属层进行刻蚀形成第一电极线50、第二电极线 60、第一电极及第二电极。
110.在步骤s110后，所述方法还包括如下步骤s120：
111.在衬底10的第二表面1002所在的一侧形成钝化层90。该钝化层90至少包覆第一电极线61、第二电极线60、反光层30背离第二掺杂区20背离介质层110 的表面以及介质层110背离衬底10一侧的表面。
112.第一电极、第二电极自该钝化层90暴露，以与外界的其他结构电性连接。
113.在步骤s120之后，所述方法还包括如下步骤s130：
114.在步骤s130中，在衬底10的第一表面1001形成抗反光层70。
115.衬底10的第一表面1001所在的一侧设有抗反光层70。抗反光层70至少覆盖衬底10第一表面1001中与第二掺杂区20正对的区域，当然也可以覆盖衬底 10第一表面1001的全部区域。抗反光层70可以是具有不同光学厚度的多层抗反射膜所形成的抗反光层结构，各抗反射膜的厚度可根据具体情况进行设置，本技术对此不做限定。
116.下面先结合图12至图16对该光电探测器的制造方法进行说明。该光电探测器的制造方法中步骤与上述光电探测器的制造方法大致相同，设置介质层 110’之前的步骤与上述光电探测器的制造方法相同，可以参照上述相关描述。下面主要针对不同之处进行相应说明。
117.如图12，在步骤s107中，形成介质层110’。
118.介质层110’背离衬底10的一侧形成有与第二掺杂区20对应的凸起结构 111。该凸起结构可以根据具体需要设置反光层的形状进行设置。
119.该介质层110是设于衬底10的第二表面1002、第二掺杂区20自衬底10 外露的表面以及第一掺杂区40自衬底10外露的表面的绝缘材料层。
120.该介质层110的材料可以为二氧化硅，或其它绝缘材料。可以采用化学气相沉积的方式形成。
121.具体实施时，可以先形成以厚度较大的绝缘材料层，进而对该绝缘材料层进行刻蚀形成具有凸起结构的介质层110’。
122.在其它一些实施例中，介质层还可以是制作第二掺杂区时第二掺杂区表面形成的绝缘膜层。只要保证该介质层位于第二掺杂区20自衬底10外露的表面上，且其外表面形成相应的凸起以便于后续设置反光层即可。
123.在步骤s109中，在所述凸起结构的表面形成反光层30’。
124.反光层30’的至少部分为向背离衬底10一侧凸起的弯曲状结构。该反光层 30’的具体结构可参照上述关于图2所示实施例的相关描述，此处不予以赘述。
125.进一步，在后续步骤中形成的钝化层90’在所述凸起结构及反光层30’处形成相应的凹陷区域。
126.需要说明的是，在其它一些实施例中，第一导电类型也可为p型，第二导电类型为n型。相应地，衬底为p型衬底，第一掺杂区为p型掺杂区，第二掺杂区为n型掺杂区。第一电极相应地为阴极，第二电极为阳极。
127.本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。