本公開(kāi)涉及光電探測(cè)器件，具體地，涉及具有改進(jìn)性能的光電二極管器件及光電二極管探測(cè)器。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體光電二極管陣列通過(guò)入射光(例如，直接入射的光線(xiàn)，或者 X射線(xiàn)在閃爍體中產(chǎn)生的可見(jiàn)光線(xiàn))與半導(dǎo)體中原子發(fā)生電離反應(yīng)，從而產(chǎn)生非平衡載流子來(lái)檢測(cè)入射光的。衡量光電二極管陣列性能的參數(shù)包括分辨率、信噪比、讀出速度、光響應(yīng)以及像素間電荷串?dāng)_等。

需要提供新的結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)光電二極管器件或光電二極管陣列的至少一部分性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本公開(kāi)的目的至少部分地在于提供一種具有改進(jìn)性能的光電二極管器件及光電二極管探測(cè)器。

根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，提供了一種光電二極管器件，包括：第一類(lèi)型輕摻雜的半導(dǎo)體基板，包括彼此相對(duì)的第一表面和第二表面；設(shè)于半導(dǎo)體基板的第一表面上的第一類(lèi)型重?fù)诫s的第一電極區(qū)域；以及設(shè)于半導(dǎo)體基板的第二表面上的第二類(lèi)型重?fù)诫s的第二電極區(qū)域，其中，第一表面為光入射面。

根據(jù)本公開(kāi)的另一方面，提供了一種光電二極管探測(cè)器，包括由多個(gè)上述光電二極管器件構(gòu)成的陣列。

根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，能夠至少部分地實(shí)現(xiàn)以下改進(jìn)：在探測(cè)入射光時(shí)有效提高電荷收集時(shí)間，增強(qiáng)光電二極管陣列的光響應(yīng)，降低像素間電荷串?dāng)_。

附圖說(shuō)明

通過(guò)以下參照附圖對(duì)本公開(kāi)實(shí)施例的描述，本公開(kāi)的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中：

圖1A是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器的俯視圖；

圖1B是示出了沿圖1A所示的AA'線(xiàn)的截面圖；

圖1C示出了在圖1A所示的光電二極管探測(cè)器中的示意電場(chǎng)分布；

圖2A是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器的截面圖；

圖2B示出了在圖2A所示的光電二極管探測(cè)器中的示意電場(chǎng)分布；

圖2C是示出了在圖2A所示的光電二極管探測(cè)器中可采用的伸出結(jié)構(gòu)的示意俯視圖；

圖3A是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器的截面圖；

圖3B是示出了在圖3A所示的光電二極管探測(cè)器中可采用的伸出結(jié)構(gòu)的示意俯視圖；

圖4A是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器的截面圖；

圖4B是示出了在圖4A所示的光電二極管探測(cè)器中可采用的伸出結(jié)構(gòu)的示意俯視圖；

圖5A是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器的截面圖；

圖5B是示出了在圖5A所示的光電二極管探測(cè)器中可采用的伸出結(jié)構(gòu)的示意俯視圖；

圖6A、圖6B和圖6C是示出了根據(jù)本公開(kāi)不同實(shí)施例的具有溝槽型伸出結(jié)構(gòu)的光電二極管探測(cè)器的截面圖；

圖7是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的具有溝槽型伸出結(jié)構(gòu)的光電二極管探測(cè)器的截面圖；

圖8是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的具有光反射結(jié)構(gòu)的光電二極管探測(cè)器的截面圖；

圖9是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的具有伸長(zhǎng)隔離部的光電二極管探測(cè)器的截面圖；

圖10是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的在外周具有隔離部的光電二極管探測(cè)器的截面圖；

圖11是示意性示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器與常規(guī)技術(shù)的光電二極管探測(cè)器在光收集效率和光響應(yīng)方面進(jìn)行比較的曲線(xiàn)圖；以及

圖12是示意性示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器與常規(guī)技術(shù)的光電二極管探測(cè)器在電荷收集速度方面進(jìn)行比較的曲線(xiàn)圖。

貫穿附圖，相同或相似的附圖標(biāo)記表示相同或相似的部件。

具體實(shí)施方式

以下，將參照附圖來(lái)描述本公開(kāi)的實(shí)施例。但是應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本公開(kāi)的范圍。此外，在以下說(shuō)明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本公開(kāi)的概念。

在附圖中示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的各種結(jié)構(gòu)示意圖。這些圖并非是按比例繪制的，其中為了清楚表達(dá)的目的，放大了某些細(xì)節(jié)，并且可能省略了某些細(xì)節(jié)。圖中所示出的各種區(qū)域、層的形狀以及它們之間的相對(duì)大小、位置關(guān)系僅是示例性的，實(shí)際中可能由于制造公差或技術(shù)限制而有所偏差，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際所需可以另外設(shè)計(jì)具有不同形狀、大小、相對(duì)位置的區(qū)域/層。

在本公開(kāi)的上下文中，當(dāng)將一層/元件稱(chēng)作位于另一層/元件“上”時(shí)，該層/元件可以直接位于該另一層/元件上，或者它們之間可以存在居中層/元件。另外，如果在一種朝向中一層/元件位于另一層/元件“上”，那么當(dāng)調(diào)轉(zhuǎn)朝向時(shí)，該層/元件可以位于該另一層/元件“下”。

圖1A是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器的俯視圖，且圖1B是示出了沿圖1A所示的AA'線(xiàn)的截面圖。

如圖1A和1B所示，根據(jù)該實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器100可以包括在半導(dǎo)體基板101上形成的多個(gè)光電二極管器件P，每個(gè)光電二極管器件P可以構(gòu)成光電二極管探測(cè)器100的一個(gè)像素。半導(dǎo)體基板101可以包括各種合適的半導(dǎo)體材料，例如硅(Si)晶片，并包括彼此相對(duì)的兩個(gè)表面：第一表面101-1S和第二表面101-2S。這兩個(gè)表面可以基本上平行。兩個(gè)表面之間的距離a(即，半導(dǎo)體基板101的厚度)可以為約 50-300μm。半導(dǎo)體基板101可以摻雜為合適的導(dǎo)電類(lèi)型，例如第一類(lèi)型 (例如，N型)。

光電二極管器件P可以包括在第一表面101-1S上形成的第一電極區(qū)域103以及在第二表面101-2S上形成的第二電極區(qū)域105。在此，第二電極區(qū)域105可以被摻雜為與半導(dǎo)體基板101不同的導(dǎo)電類(lèi)型，例如第二類(lèi)型(例如，P型)，從而與半導(dǎo)體基板101構(gòu)成PN結(jié)。相應(yīng)地，第一電極區(qū)域103可以摻雜為與半導(dǎo)體基板相同的導(dǎo)電類(lèi)型，例如第一類(lèi)型(例如，N型)。于是，在第一類(lèi)型為N型且第二類(lèi)型為P型的情況下，第一電極區(qū)域103構(gòu)成光電二極管器件P的陰極，而第二電極區(qū)域 105可以構(gòu)成光電二極管器件P的陽(yáng)極。根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，第一電極區(qū)域103和第二電極區(qū)域105可以重?fù)诫s。但是，半導(dǎo)體基板101可以輕摻雜，從而避免了兩個(gè)重?fù)诫s區(qū)域直接相鄰，并因此可以抑制隧穿效應(yīng)。

例如，第一電極區(qū)域103的厚度可以為約0.3-3μm，第二電極區(qū)域 105的厚度可以為約0.3-3μm，第一電極區(qū)域103與第二電極區(qū)域105之間的間距可以為約10-200μm。

入射光可以從第一表面101-1S處入射到光電二極管器件P上。光電二極管器件P可以工作于反偏模式。此時(shí)，在像素中的光收集有源區(qū)(入射面101-1S附近的區(qū)域)附近可以形成反偏條件下較寬的空間電荷區(qū)。備選地，光電二極管器件P也可以工作于零偏模式。此時(shí)，在像素中的光收集有源區(qū)附近可以形成零偏條件下較窄的內(nèi)建空間電荷區(qū)?？梢栽诘谝浑姌O區(qū)域103和第二電極區(qū)域105處分別引出電極，以便施加偏壓和/或讀出信號(hào)。

入射光可以在光收集有源區(qū)中與半導(dǎo)體基板101中的硅原子發(fā)生碰撞電離，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子可以在內(nèi)建電場(chǎng)或外加偏置電場(chǎng)作用下，向第一電極區(qū)域103漂移或擴(kuò)散，并最終被第一電極區(qū)域103收集。另外，空穴可以在內(nèi)建電場(chǎng)或外加偏置電場(chǎng)作用下，向第二電極區(qū)域105漂移或擴(kuò)散，并最終被第二電極區(qū)域105收集?？梢詮牡诙姌O區(qū)域105讀出電信號(hào)，并據(jù)此得到有關(guān)入射光的信息(例如，入射光的強(qiáng)度)。

在此，第一電極區(qū)域103和/或第二電極區(qū)域105可以是半導(dǎo)體基板 101上例如通過(guò)離子注入而形成的摻雜區(qū)，通過(guò)外延生長(zhǎng)(在外延生長(zhǎng)時(shí)可以原位摻雜)而形成的外延區(qū)，等等。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道多種手段來(lái)在半導(dǎo)體基板的限定區(qū)域中/上形成一定類(lèi)型的摻雜區(qū)。另外，在光電二極管探測(cè)器100中，各光電二極管器件P的第一電極區(qū)域103可以彼此連接從而形成一體。各光電二極管器件P的第二電極區(qū)域105可以彼此分離，并例如按行和列排列成陣列形式。

在此，所謂“高摻雜”和“輕摻雜”是相對(duì)而言的。例如，“高摻雜”是指摻雜濃度在約1×10¹⁷cm^-3以上，而“輕摻雜”是指摻雜濃度在約 1×10¹⁷cm^-3以下。另外，半導(dǎo)體基板101在第一類(lèi)型輕摻雜之后，可以保持高阻，例如電阻率在約100-8×10³Ω·cm。為進(jìn)行第一類(lèi)型(例如， N型)摻雜，可以使用N型摻雜劑如磷(P)或砷(As)；為進(jìn)行第二類(lèi)型(例如，P型)摻雜，可以使用P型摻雜劑如硼(B)。

根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，在相鄰的光電二極管器件P之間，還可以設(shè)置像素間隔離部107。例如，隔離部107可以是第一類(lèi)型重?fù)诫s的，其厚度可以與第二電極區(qū)域105的厚度基本上相同。隔離部107可以形成為圍繞每個(gè)光電二極管器件P的第二電極區(qū)域105，從而可以隔開(kāi)各像素的有源區(qū)空間。這可以抑制像素間電荷串?dāng)_，并提高光子位置分辨率。

圖1C示出了在圖1A所示的光電二極管探測(cè)器中的示意電場(chǎng)分布。當(dāng)光電二極管探測(cè)器100處于零偏或者反偏狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)方向?yàn)閺牡谝槐砻?01-1S處的N+層指向空穴電荷收集P+區(qū)域。此外，電場(chǎng)也由像素間的N+區(qū)域指向空穴電荷收集P+區(qū)域。所以當(dāng)入射光從光電二極管探測(cè)器100的第一表面101-1S處的N+層入射時(shí)，此處產(chǎn)生的空穴載流子需要漂移整個(gè)半導(dǎo)體基板厚度，才可被像素中的P+型半導(dǎo)體區(qū)域所收集。

為進(jìn)一步改善器件性能，根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，可以設(shè)置與第二電極區(qū)域相連接且從第二電極區(qū)域向第一表面伸出的伸出結(jié)構(gòu)。伸出結(jié)構(gòu)也可以被第二類(lèi)型重?fù)诫s，從而與第二電極一起構(gòu)成例如空穴載流子的收集機(jī)構(gòu)。通過(guò)這種伸出結(jié)構(gòu)，可以減小空穴載流子與其收集機(jī)構(gòu)之間的距離，從而可以加快空穴載流子的吸收，并可以降低半導(dǎo)體基板缺陷對(duì)載流子的捕獲，從而提高光響應(yīng)輸出電流。

這種伸出結(jié)構(gòu)可以不同地設(shè)置，以下將描述一些示例。

圖2A是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器的截面圖。

如圖2A所示，根據(jù)該實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器可以包括在半導(dǎo)體基板201上形成的多個(gè)光電二極管器件，每個(gè)光電二極管器件可以包括在半導(dǎo)體基板201的第一表面201-1S上形成的第一電極區(qū)域203以及在在半導(dǎo)體基板201的第二表面201-2S上形成的第二電極區(qū)域205。另外，在相鄰光電二極管器件的第二電極區(qū)域205之間，可以設(shè)置有像素間隔離部207。關(guān)于這些部件，可以參見(jiàn)以上結(jié)合圖1A和1B的描述。

另外，各光電二極管器件還可以包括與第二電極區(qū)域205相連的伸出結(jié)構(gòu)209。伸出結(jié)構(gòu)209可以基本上垂直于第二電極區(qū)域205。在此，伸出結(jié)構(gòu)209可以是半導(dǎo)體基板201中的第二類(lèi)型重?fù)诫s區(qū)。這種摻雜區(qū)例如可以通過(guò)離子注入而在半導(dǎo)體基板201中形成，或者可以在半導(dǎo)體基板201中形成溝槽，并在溝槽中填充第二類(lèi)型重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料來(lái)形成。以下，將進(jìn)一步詳細(xì)描述溝槽型的伸出結(jié)構(gòu)。

在該示例中，伸出結(jié)構(gòu)209可以沿第二電極區(qū)域205的周邊形成，并至少部分地圍繞第二電極區(qū)域205的周邊。例如，如圖2C中的(a)部分所示，伸出結(jié)構(gòu)209可以完全環(huán)繞第二電極區(qū)域205的周邊，形成環(huán)狀圍欄結(jié)構(gòu)，從而與第二電極區(qū)域205一起形成圍繞相應(yīng)像素有源區(qū)的半包圍構(gòu)造。當(dāng)然，伸出結(jié)構(gòu)209不一定完全環(huán)繞第二電極區(qū)域205的周邊，而是可以沿第二電極區(qū)域205的周邊的一部分來(lái)形成。例如，如圖2C中的(b)部分所示，伸出結(jié)構(gòu)209可以包括沿第二電極區(qū)域205的周邊對(duì)向設(shè)置的一對(duì)伸出結(jié)構(gòu)(特別是在第二電極區(qū)域205為矩形形狀時(shí)，可以設(shè)置在矩形的一對(duì)相對(duì)邊上)。當(dāng)然，本公開(kāi)不限于此。例如，可以在第二電極區(qū)域205的更多周邊部分或更少周邊部分上形成伸出結(jié)構(gòu)209。

在一個(gè)示例中，伸出結(jié)構(gòu)209的端部距離第一表面101-1S的距離c 為約5-100μm，伸出結(jié)構(gòu)209的寬度d為約0.5-10μm，像素間伸出結(jié)構(gòu)的間距e為約5-50μm。由于X射線(xiàn)經(jīng)過(guò)閃爍體發(fā)出的可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍在400nm-600nm，在硅器件內(nèi)吸收深度不超過(guò)1微米，所以這種伸出結(jié)構(gòu)不會(huì)降低光生載流子的吸收。另一方面，由于P+收集區(qū)的端部更加接近光入射面，空穴載流子在半導(dǎo)體基板中距離P+收集區(qū)的間距減小，所以加快了空穴載流子的吸收，并且降低了半導(dǎo)體基板缺陷對(duì)載流子的捕獲，提高了光響應(yīng)輸出電流。

圖2B示出了在圖2A所示的光電二極管探測(cè)器中的示意電場(chǎng)分布。

如圖2B所示，內(nèi)部電場(chǎng)方向仍由N+半導(dǎo)體區(qū)域指向P+半導(dǎo)體區(qū)域，但由于位于像素有源區(qū)邊緣處的P+伸出結(jié)構(gòu)，所以電場(chǎng)線(xiàn)到像素內(nèi) P+伸出結(jié)構(gòu)所圍繞的空間后開(kāi)始發(fā)散，并指向P+伸出結(jié)構(gòu)的側(cè)壁?？梢?jiàn)大部分電場(chǎng)線(xiàn)的長(zhǎng)度得到了減小，也意味著空穴漂移到P+收集區(qū)的路徑縮短，即降低了P+收集區(qū)空穴電荷的收集時(shí)間。此外，擴(kuò)散到P+伸出結(jié)構(gòu)所圍繞空間內(nèi)部的空穴，不易被鄰近像素的P+收集區(qū)所收集，從而可以在提高目標(biāo)像素電荷收集效率的同時(shí)，降低像素間電荷串?dāng)_效應(yīng)。

根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，除了沿第二電極區(qū)域的周邊形成的伸出結(jié)構(gòu)之外，還可以包括在第二電極區(qū)域的周邊內(nèi)側(cè)形成的一個(gè)或多個(gè)另外的伸出結(jié)構(gòu)。這些另外的伸出結(jié)構(gòu)同樣地可以與第二電極區(qū)域相連，并可以是第二類(lèi)型重?fù)诫s的。類(lèi)似地，這些另外的伸出結(jié)構(gòu)可以形成為至少部分地圍繞第二電極區(qū)域的一部分，或者可以與沿周邊形成的伸出結(jié)構(gòu)一起形成格柵狀。

圖3A是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器的截面圖。

如圖3A所示，根據(jù)該實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器可以包括在半導(dǎo)體基板301上形成的多個(gè)光電二極管器件，每個(gè)光電二極管器件可以包括在半導(dǎo)體基板301的第一表面301-1S上形成的第一電極區(qū)域303以及在在半導(dǎo)體基板301的第二表面301-2S上形成的第二電極區(qū)域305。另外，在相鄰光電二極管器件的第二電極區(qū)域305之間，可以設(shè)置有像素間隔離部307。關(guān)于這些部件，可以參見(jiàn)以上結(jié)合圖1A和1B的描述。

另外，各光電二極管器件還可以包括與第二電極區(qū)域305相連的伸出結(jié)構(gòu)，包括沿第二電極區(qū)域305的周邊形成的伸出結(jié)構(gòu)309-1以及在二電極區(qū)域305的周邊內(nèi)側(cè)形成的伸出結(jié)構(gòu)309-2。關(guān)于伸出結(jié)構(gòu)309-1，例如可以參見(jiàn)以上結(jié)合圖2A、2B和2C的描述。另外，如圖3B中的俯視圖所示，伸出結(jié)構(gòu)309-2可以將相應(yīng)像素的有源區(qū)(例如，被伸出結(jié)構(gòu)309-1所圍繞)分割為多個(gè)區(qū)域(通過(guò)形成環(huán)形，如圖3B中的(a)部分所示，或者形成格柵，如圖3B中的(b)和(c)部分所示)。在一個(gè)示例中，伸出結(jié)構(gòu)的寬度d為約0.5-10μm，像素內(nèi)伸出結(jié)構(gòu)的間距f為約 10-500μm。在該示例中，各伸出結(jié)構(gòu)309-1、309-2可以具有基本上相同的延伸長(zhǎng)度即深度(從第二表面向第一表面的方向延伸的尺度)。

當(dāng)光生載流子在半導(dǎo)體基板中漂移時(shí)，會(huì)到達(dá)像素有源區(qū)內(nèi)各個(gè)分割區(qū)域，這樣進(jìn)一步降低了空穴載流子到達(dá)最近P+收集區(qū)的距離。于是，可以將有源區(qū)內(nèi)的空穴載流子吸收大致平均地分配，以降低載流子的收集時(shí)間，減小空穴載流子被半導(dǎo)體基板陷阱捕獲的概率，增強(qiáng)光響應(yīng)強(qiáng)度。

圖4A是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器的截面圖，圖4B是示出了在圖4A所示的光電二極管探測(cè)器中可采用的伸出結(jié)構(gòu)的示意俯視圖。

如圖4A和4B所示，根據(jù)該實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器可以包括在半導(dǎo)體基板401上形成的多個(gè)光電二極管器件，每個(gè)光電二極管器件可以包括在半導(dǎo)體基板401的第一表面401-1S上形成的第一電極區(qū)域403 以及在在半導(dǎo)體基板401的第二表面401-2S上形成的第二電極區(qū)域405。另外，在相鄰光電二極管器件的第二電極區(qū)域405之間，可以設(shè)置有像素間隔離部407。關(guān)于這些部件，可以參見(jiàn)以上結(jié)合圖1A和1B的描述。

另外，各光電二極管器件還可以包括與第二電極區(qū)域405相連的伸出結(jié)構(gòu)，包括沿第二電極區(qū)域405的周邊形成的伸出結(jié)構(gòu)409-1以及在二電極區(qū)域405的周邊內(nèi)側(cè)形成的伸出結(jié)構(gòu)409-2。關(guān)于伸出結(jié)構(gòu)，可以參見(jiàn)以上結(jié)合圖3A和3B的描述。

在該實(shí)施例中，在第二電極區(qū)域405的周邊內(nèi)側(cè)形成的伸出結(jié)構(gòu) 409-2的深度可以小于沿第二電極區(qū)域405的周邊形成的伸出結(jié)構(gòu)409-1 的深度。各伸出結(jié)構(gòu)409-2的深度可以彼此基本上相等。

在以上實(shí)施例中，伸出結(jié)構(gòu)形成為圍欄構(gòu)造，但是本公開(kāi)不限于此。根據(jù)本公開(kāi)的其他實(shí)施例，伸出結(jié)構(gòu)可以形成為柱狀結(jié)構(gòu)(在俯視圖中類(lèi)似于點(diǎn)狀結(jié)構(gòu))。這種柱狀結(jié)構(gòu)可以形成于第二電極區(qū)域的范圍內(nèi)任意位置處。

圖5A是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器的截面圖。

如圖5A所示，根據(jù)該實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器可以包括在半導(dǎo)體基板501上形成的多個(gè)光電二極管器件，每個(gè)光電二極管器件可以包括在半導(dǎo)體基板501的第一表面501-1S上形成的第一電極區(qū)域503以及在在半導(dǎo)體基板501的第二表面501-2S上形成的第二電極區(qū)域505。另外，在相鄰光電二極管器件的第二電極區(qū)域505之間，可以設(shè)置有像素間隔離部507。關(guān)于這些部件，可以參見(jiàn)以上結(jié)合圖1A和1B的描述。

另外，各光電二極管器件還可以包括與第二電極區(qū)域505相連的柱狀伸出結(jié)構(gòu)509。例如，伸出結(jié)構(gòu)509的端部距第一表面501-1S的距離 c可以為約5-100μm。

因?yàn)樯斐鼋Y(jié)構(gòu)509的端部更加接近光入射面，空穴載流子在半導(dǎo)體基板中距離P+收集區(qū)的間距減小，所以加快了空穴載流子的吸收，降低了半導(dǎo)體基板缺陷對(duì)載流子的捕獲，提高了光響應(yīng)輸出電流。

例如，這種伸出結(jié)構(gòu)509可以沿著第二電極區(qū)域505的周邊斷續(xù)地設(shè)置，如圖3B中的(a)部分所示；可以設(shè)置在第二電極區(qū)域505的周邊內(nèi)側(cè)，例如設(shè)置的第二電極區(qū)域505的大致中心位置處，如圖3B中的(b) 部分所示。當(dāng)然，在第二電極區(qū)域505的周邊內(nèi)側(cè)，不限于設(shè)置單個(gè)柱狀伸出結(jié)構(gòu)，也可以設(shè)置多個(gè)柱狀伸出結(jié)構(gòu)，例如可以按行和列設(shè)置柱狀伸出結(jié)構(gòu)的陣列。

也可以在第二電極區(qū)域505的周邊和周邊內(nèi)側(cè)同時(shí)設(shè)置伸出結(jié)構(gòu)，這種伸出結(jié)構(gòu)可以是圍欄結(jié)構(gòu)和/或柱狀結(jié)構(gòu)。例如，如圖3B中的(d)部分所示，可以在第二電極區(qū)域505的大致中心處設(shè)置柱狀伸出結(jié)構(gòu)509-1，且沿第二電極區(qū)域505的周邊設(shè)置多個(gè)柱狀伸出結(jié)構(gòu)509-2。伸出結(jié)構(gòu) 509-2中的至少一部分可以沿著第二電極區(qū)域505的周邊延伸一定的范圍，從而這些伸出結(jié)構(gòu)509-2整體上看起來(lái)像是不連續(xù)的圍欄結(jié)構(gòu)。根據(jù)另一示例，伸出結(jié)構(gòu)509-2可以延伸為彼此相接，從而構(gòu)成繞第二電極區(qū)域505的周邊的圍欄結(jié)構(gòu)，如圖3B中的(c)部分所示。

當(dāng)然，本公開(kāi)不限于此?？梢院线m地設(shè)置圍欄狀或柱狀的伸出結(jié)構(gòu)。例如，可以在外側(cè)設(shè)置柱狀伸出結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)側(cè)設(shè)置圍欄狀伸出結(jié)構(gòu)；或者，可以在圍欄狀伸出結(jié)構(gòu)所分割的區(qū)域中，設(shè)置柱狀伸出結(jié)構(gòu)；等等。

如上所述，伸出結(jié)構(gòu)可以通過(guò)在半導(dǎo)體基板中形成溝槽，并在其中填充第二類(lèi)型重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料來(lái)形成。

圖6A、圖6B和圖6C是示出了根據(jù)本公開(kāi)不同實(shí)施例的具有溝槽型伸出結(jié)構(gòu)的光電二極管探測(cè)器的截面圖。

如圖6A、圖6B和圖6C所示，根據(jù)該實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器可以包括在半導(dǎo)體基板601上形成的多個(gè)光電二極管器件，每個(gè)光電二極管器件可以包括在半導(dǎo)體基板601的第一表面601-1S上形成的第一電極區(qū)域603以及在在半導(dǎo)體基板601的第二表面601-2S上形成的第二電極區(qū)域605。各光電二極管器件還可以包括與第二電極區(qū)域605相連的伸出結(jié)構(gòu)609。另外，在相鄰光電二極管器件的第二電極區(qū)域605之間，可以設(shè)置有像素間隔離部607。關(guān)于這些部件，可以參見(jiàn)以上描述。圖 6A、圖6B和圖6C示出了伸出結(jié)構(gòu)609的不同布局。需要指出的是，以上描述的各種伸出結(jié)構(gòu)布局均可使用。

在此，伸出結(jié)構(gòu)609可以通過(guò)在半導(dǎo)體基板601的第二表面601-2S 處刻蝕從第二表面601-2S向第一表面601-1S延伸(例如，垂直于表面延伸)的溝槽F并在溝槽F中填充(例如，通過(guò)淀積)半導(dǎo)體材料如多晶硅(在該示例中，P+摻雜)來(lái)形成。用P+多晶硅填充，不僅可以實(shí)現(xiàn)電極引出，還可以增強(qiáng)器件的整體機(jī)械強(qiáng)度。

另外，在刻蝕溝槽F之后，會(huì)在溝槽F的底部及側(cè)壁形成較多的缺陷和不平整。根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，經(jīng)過(guò)初步的犧牲氧去除后，可以進(jìn)行溝槽側(cè)壁的重離子注入，形成P+層區(qū)域。這樣，可以降低電荷在溝槽側(cè)壁或底部復(fù)合的概率，而直接被電極收集。

另外，根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，溝槽可以延伸至第一電極區(qū)域處。這種情況下，嵌入于該溝槽中的半導(dǎo)體材料可以只占據(jù)該溝槽的一部分深度，而在溝槽的端部可以填充有光反射材料。

圖7是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的具有溝槽型伸出結(jié)構(gòu)的光電二極管探測(cè)器的截面圖。

如圖7所示，根據(jù)該實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器可以包括在半導(dǎo)體基板701上形成的多個(gè)光電二極管器件，每個(gè)光電二極管器件可以包括在半導(dǎo)體基板701的第一表面701-1S上形成的第一電極區(qū)域703以及在在半導(dǎo)體基板701的第二表面701-2S上形成的第二電極區(qū)域705。各光電二極管器件還可以包括與第二電極區(qū)域705相連的伸出結(jié)構(gòu)709。另外，在相鄰光電二極管器件的第二電極區(qū)域705之間，可以設(shè)置有像素間隔離部707。關(guān)于這些部件，可以參見(jiàn)以上描述。需要指出的是，以上描述的各種伸出結(jié)構(gòu)布局均可使用。

在該示例中，在溝槽靠近第一表面701-1S一側(cè)的端部E中，形成了反射結(jié)構(gòu)713。反射結(jié)構(gòu)713可以包括能夠反射入射光的絕緣材料或者第二類(lèi)型重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料。例如，用于反射結(jié)構(gòu)713的半導(dǎo)體材料可以包括Ge、SiGe、SiC等與硅工藝相兼容的材料。這樣，可以控制擴(kuò)散到有源區(qū)內(nèi)部的載流子限制在溝槽結(jié)構(gòu)內(nèi)，最終被P+收集區(qū)所收集。

圖8是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的具有光反射結(jié)構(gòu)的光電二極管探測(cè)器的截面圖。

如圖8所示，根據(jù)該實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器可以包括在半導(dǎo)體基板801上形成的多個(gè)光電二極管器件，每個(gè)光電二極管器件可以包括在半導(dǎo)體基板801的第一表面801-1S上形成的第一電極區(qū)域803以及在在半導(dǎo)體基板801的第二表面801-2S上形成的第二電極區(qū)域805。各光電二極管器件還可以包括與第二電極區(qū)域805相連的伸出結(jié)構(gòu)(圖中未示出)。另外，在相鄰光電二極管器件的第二電極區(qū)域805之間，可以設(shè)置有像素間隔離部807。關(guān)于這些部件，可以參見(jiàn)以上描述。

另外，沿著第二電極區(qū)域805的周邊，可以形成至少部分地圍繞第二電極區(qū)域805的周邊(優(yōu)選地，完全圍繞第二電極區(qū)域805的周邊) 的光反射結(jié)構(gòu)815。反射結(jié)構(gòu)815可以包括能夠反射入射光的絕緣材料或者第二類(lèi)型重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料。例如，用于反射結(jié)構(gòu)815的半導(dǎo)體材料可以包括Ge、SiGe、SiC等與硅工藝相兼容的材料。

光反射結(jié)構(gòu)815可以從第二表面801-2S向著第一表面看801-1S伸出，其深度可以大于第二電極區(qū)域805的深度(在形成伸出結(jié)構(gòu)的情況下，可以大于等于伸出結(jié)構(gòu)的深度)。這種光反射結(jié)構(gòu)815特別適用于沿著第二電極區(qū)域805的周邊未形成或者未全部形成伸出結(jié)構(gòu)的情況 (例如，在沿著第二電極區(qū)域805的周邊形成斷續(xù)的伸出結(jié)構(gòu)的情況下，光反射結(jié)構(gòu)815可以填充伸出結(jié)構(gòu)之間的間隙形成)。

與以上實(shí)施例中類(lèi)似，通過(guò)這種光反射結(jié)構(gòu)，可以控制擴(kuò)散到有源區(qū)內(nèi)部的載流子限制在溝槽結(jié)構(gòu)內(nèi)，最終被P+收集區(qū)所收集。

在以上實(shí)施例中，像素間隔離部107、207、307、407、507、607、 707、807形成為并未相對(duì)于第二電極區(qū)域伸出(與第二電極區(qū)域具有大致相同的深度)。根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，這種像素間隔離部可以相對(duì)于第二電極區(qū)域伸出。

圖9是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的具有伸長(zhǎng)隔離部的光電二極管探測(cè)器的截面圖。

如圖9所示，根據(jù)該實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器可以包括在半導(dǎo)體基板901上形成的多個(gè)光電二極管器件，每個(gè)光電二極管器件可以包括在半導(dǎo)體基板901的第一表面901-1S上形成的第一電極區(qū)域903以及在在半導(dǎo)體基板901的第二表面901-2S上形成的第二電極區(qū)域905。各光電二極管器件還可以包括與第二電極區(qū)域905相連的伸出結(jié)構(gòu)909。另外，在相鄰光電二極管器件的第二電極區(qū)域905之間，可以設(shè)置有像素間隔離部907。關(guān)于這些部件，可以參見(jiàn)以上描述。需要指出的是，以上描述的各種伸出結(jié)構(gòu)布局均可使用。

在該示例中，像素間隔離部907相對(duì)于第二電極區(qū)域905伸出，例如具有與伸出結(jié)構(gòu)909大致相等的深度。這樣，像素間隔離部907可以包圍每個(gè)像素內(nèi)有源區(qū)中的P+收集區(qū)，充分隔離開(kāi)各個(gè)像素的有源區(qū)空間，從而可以降低像素間電荷串?dāng)_，提高光子位置分辨率。

另外，根據(jù)本公開(kāi)的其他實(shí)施例，可以只在陣列的外周設(shè)置隔離部，而不在陣列內(nèi)的像素之間設(shè)置隔離部，特別是在繞像素周邊形成伸出結(jié)構(gòu)的情況下。

圖10是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的在外周具有隔離部的光電二極管探測(cè)器的截面圖。

如圖10所示，根據(jù)該實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器可以包括在半導(dǎo)體基板1001上形成的多個(gè)光電二極管器件，每個(gè)光電二極管器件可以包括在半導(dǎo)體基板1001的第一表面1001-1S上形成的第一電極區(qū)域1003以及在在半導(dǎo)體基板1001的第二表面1001-2S上形成的第二電極區(qū)域1005。各光電二極管器件還可以包括與第二電極區(qū)域1005相連的伸出結(jié)構(gòu) 1009。關(guān)于這些部件，可以參見(jiàn)以上描述。需要指出的是，以上描述的各種伸出結(jié)構(gòu)布局均可使用。

在該示例中，在陣列的外周設(shè)置隔離部1007，而在陣列內(nèi)各像素可以彼此直接相鄰。隔離部1007可以相對(duì)于第二電極區(qū)域1005不伸出，或者可以伸出。這樣，可以擴(kuò)大像素有源區(qū)的范圍和/或縮小像素間間距。

圖11和12示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的光電二極管探測(cè)器與常規(guī)技術(shù)的光電二極管探測(cè)器在光收集效率、光響應(yīng)和電荷收集速度方面進(jìn)行比較的曲線(xiàn)圖。其中，進(jìn)行比較的探測(cè)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，但是一個(gè)具有根據(jù)本公開(kāi)的伸出結(jié)構(gòu)，另一個(gè)則無(wú)這種伸出結(jié)構(gòu)，并假設(shè)光信號(hào)在 0.1ns時(shí)刻停止。

如圖11和12所示，在400nm-600nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)帶圍柵結(jié)構(gòu)電極的光響應(yīng)和量子效率要高于無(wú)圍柵結(jié)構(gòu)電極的結(jié)構(gòu)。此外，帶有圍柵電極結(jié)構(gòu)的電荷收集時(shí)間明顯快于無(wú)圍柵電極結(jié)構(gòu)的光電二極管陣列。因此，根據(jù)本公開(kāi)的結(jié)構(gòu)可以有效提高電荷收集能力，降低電荷收集時(shí)間。

在以上的描述中，分別說(shuō)明了各實(shí)施例，但是這并不意味著各個(gè)實(shí)施例中的措施不能有利地結(jié)合使用。

以上對(duì)本公開(kāi)的實(shí)施例進(jìn)行了描述。但是，這些實(shí)施例僅僅是為了說(shuō)明的目的，而并非為了限制本公開(kāi)的范圍。本公開(kāi)的范圍由所附權(quán)利要求及其等價(jià)物限定。不脫離本公開(kāi)的范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出多種替代和修改，這些替代和修改都應(yīng)落在本公開(kāi)的范圍之內(nèi)。