專利名稱：能直接測(cè)量波長(zhǎng)的新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器及其探測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體光電探測(cè)器及其探測(cè)方法，屬于H01L 27/00類半導(dǎo)體器件迄今為止，所有的圖像傳感器(包括CCD、CMOS或PN結(jié)光電二極管)都不能直接測(cè)量光的波長(zhǎng)，它們對(duì)顏色的探測(cè)主要是通過(guò)對(duì)紅、綠、藍(lán)三元色光分別測(cè)量、記錄、合成來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這樣記錄顏色(或測(cè)量光譜中心波長(zhǎng))的方法有以下缺點(diǎn)(1)每一個(gè)象素需包含三個(gè)器件元來(lái)分別探測(cè)紅、綠、藍(lán)三元色光，使圖像傳感器及其后續(xù)電路、數(shù)據(jù)處理變得累贅和復(fù)雜；(2)一個(gè)象素由三個(gè)器件元組成，器件元與器件元之間有一定間隔，這對(duì)提高分辨率不利；(3)象素中的三個(gè)器件元在同一平面內(nèi)排列，不能重疊，造成顏色失真(彩色照片上的三元色在不同層上排列，在視線方向上重合，沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題)；美國(guó)太平洋硅傳感器公司(Pacific Silicon Sensor Inc.)研制出了一種能夠直接測(cè)量光波長(zhǎng)的光電探測(cè)器[參閱Pacific Silicon Sensor Inc.產(chǎn)品信息，http//www.pacific-sensor.com/pages/pro-wsd.html]。如

圖1所示，它由在普通硅外延片上的二個(gè)背靠背的PN結(jié)光電二極管組成，工作時(shí)兩個(gè)二極管同時(shí)處于反向偏置狀態(tài)，同時(shí)探測(cè)光信號(hào)。由于光在硅材料中的穿透深度與光的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)較短的光穿透深度淺，靠近表面的光電二極管的光電流較大，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光穿透深度大，靠近襯底的光電二極管的光電流較大。通過(guò)測(cè)量這兩個(gè)光電二極管光電流之比，結(jié)合探測(cè)器對(duì)已知波長(zhǎng)的光所做的定標(biāo)數(shù)據(jù)，該探測(cè)器能夠探測(cè)450nm-950nm范圍的光及其中心波長(zhǎng)，波長(zhǎng)分辨率可達(dá)0.01nm[參閱Pacific Silicon Sensor Inc.產(chǎn)品信息，http//www.pacific-sensor.com/pages/pro-wsd.html]。這種探測(cè)器獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和能夠測(cè)量波長(zhǎng)的特性，引起人們極大的關(guān)注，美國(guó)的《今日物理》(Physics Today)雜志對(duì)此作了專門的介紹[參閱Physics Today，2001年8月]。然而，這種探測(cè)器結(jié)構(gòu)不適合用來(lái)制做陣列探測(cè)器，尤其是高分辨率成像傳感器中的探測(cè)單元。原因是(1)每個(gè)探測(cè)單元都需要三個(gè)電極，這對(duì)制做大規(guī)模陣列極為不利(一般成像傳感器探測(cè)單元只需要二個(gè)電極，甚至這二個(gè)中的一個(gè)電極還是公共的)；(2)由于采用低阻硅襯底材料上的外延層來(lái)制做器件，若用這種結(jié)構(gòu)來(lái)制做陣列探測(cè)器，則每個(gè)單元器件靠近襯底的PN結(jié)光電二極管的信號(hào)輸出很困難。
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠直接測(cè)量光波長(zhǎng)的新型光電探測(cè)器，并提出一種使用該探測(cè)器測(cè)量光波長(zhǎng)的方法。不但只需一個(gè)器件就能直接探測(cè)光的強(qiáng)度和顏色信息，而且器件只有二個(gè)電極，適合用來(lái)制做大規(guī)模陣列探測(cè)器的探測(cè)單元。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種能夠測(cè)量波長(zhǎng)的新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，其特征在于它采用雙面拋光的高電阻率半導(dǎo)體單晶片制做，所述探測(cè)器包含二個(gè)PN結(jié)，分別位于半導(dǎo)體材料的正面和背面，并沿與半導(dǎo)體表面垂直的方向?qū)?zhǔn)排列；所述每個(gè)PN結(jié)有一個(gè)電極，所述探測(cè)器總共有二個(gè)電極。
所述探測(cè)器工作時(shí)偏置電壓加在所述兩個(gè)電極上，使得其中的一個(gè)PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，另一個(gè)PN結(jié)處于輕微的正向偏置狀態(tài)。改變偏置電壓的極性，就可改變所述PN結(jié)的偏置狀態(tài)，及由原來(lái)的正向偏置變?yōu)榉聪蚱?，或由原?lái)的反向偏置變?yōu)檎蚱?。所述反向偏置的PN結(jié)用來(lái)探測(cè)光信號(hào)。
所述半導(dǎo)體材料最好是單晶硅片，也可以是砷化鎵等其它半導(dǎo)體單晶材料，材料的正面與背面都是拋光的，材料可以是N型或P型，其電阻率大于500歐姆厘米，晶向可以是<100>、<111>或<110>。
由所述探測(cè)器作為基本結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)造出分立的或集成在同一芯片上的探測(cè)器陣列。
使用本發(fā)明的新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器探測(cè)光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的方法是將偏壓加在所述探測(cè)器的二個(gè)電極上，先使其中一個(gè)，例如正面的PN結(jié)處于反向偏置，偏置電壓足夠大使得耗盡區(qū)從正面一直延伸到材料內(nèi)部，同時(shí)背面的PN結(jié)處于輕微的正向偏置狀態(tài)，測(cè)量光電流的大小(光電流1)。然后改變偏置電壓的極性，使所述探測(cè)器背面的PN結(jié)處于反向偏置，且偏置電壓足夠大使得耗盡區(qū)從背面一直延伸到材料內(nèi)部，同時(shí)正面的PN結(jié)處于輕微的正向偏置狀態(tài)，測(cè)量光電流的大小(光電流2)。根據(jù)估算，所述探測(cè)器測(cè)量光信號(hào)所需時(shí)間可以短于20納秒，在這樣短的時(shí)間間隔內(nèi)如果光信號(hào)不發(fā)生改變，則光信號(hào)的強(qiáng)度與光電流1與光電流2之和成正比，光信號(hào)的波長(zhǎng)與光電流1和光電流2的相對(duì)大小有關(guān)。對(duì)所述探測(cè)器進(jìn)行定標(biāo)后，便可測(cè)量光強(qiáng)和波長(zhǎng)。
被測(cè)光信號(hào)沿與所述材料的表面垂直或接近垂直的方向入射進(jìn)所述探測(cè)器。
被測(cè)光信號(hào)從所述材料的正面或背面入射進(jìn)所述探測(cè)器。
所述探測(cè)器的結(jié)構(gòu)及所述測(cè)量光波長(zhǎng)的方法完全不同于美國(guó)太平洋硅傳感器公司的探測(cè)器。由于本發(fā)明中的光電探測(cè)器只有兩個(gè)電極，能方便地讀取光電流信號(hào)，適合用來(lái)制做需要測(cè)量波長(zhǎng)或區(qū)分顏色的陣列探測(cè)器。由于本發(fā)明只需一個(gè)器件就能直接探測(cè)光的強(qiáng)度和顏色信息，若用它來(lái)制做彩色成像傳感器的探測(cè)單元，不但有利于提高分辨率，而且每個(gè)象素的顏色信息沒(méi)有失真。
以下結(jié)合實(shí)施例具體地說(shuō)明本發(fā)明。
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器由在同一芯片上的二個(gè)PN結(jié)組成。圖2所示為采用n型硅材料的結(jié)構(gòu)示意圖。每個(gè)探測(cè)器包括p型區(qū)1(重?fù)诫s受主區(qū))、n型區(qū)2(襯底材料，輕摻雜施主區(qū))、p型區(qū)3(重?fù)诫s受主區(qū))、正面電極4、背面電極5、減反射膜6、絕緣介質(zhì)膜7。
器件用雙面拋光的<100>晶向硅片制作，n型區(qū)2的電阻率很高，摻雜濃度很低，電阻率為4000-10000歐姆厘米。器件所用半導(dǎo)體材料的厚度為300μm。
本發(fā)明的新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器用于探測(cè)光的方法是讓光垂直于硅材料的表面沿正面入射到探測(cè)器中；在電極4與電極5之間施加工作電壓，且電極4相對(duì)于電極5為負(fù)偏壓；使探測(cè)器正面的PN結(jié)(由p型區(qū)1和襯底構(gòu)成)處于反向偏置，探測(cè)器背面PN結(jié)(由p型區(qū)3和襯底構(gòu)成)處于輕微的正向偏置。從電極4與電極5之間取出光電流信號(hào)(稱為光電流1)。改變施加在電極4與電極5之間的工作電壓的極性，即使電極4相對(duì)于電極5為正偏壓，此時(shí)探測(cè)器正面的PN結(jié)處于輕微的正向偏置狀態(tài)，探測(cè)器背面的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，從電極4與電極5之間取出光電流信號(hào)(稱為光電流2)。則光信號(hào)的強(qiáng)度與光電流1與光電流2之和成正比，光信號(hào)的波長(zhǎng)與光電流1和光電流2的相對(duì)大小有關(guān)。利用已知光強(qiáng)和波長(zhǎng)的光對(duì)所述探測(cè)器進(jìn)行定標(biāo)后，所述探測(cè)器則可用來(lái)測(cè)量光信號(hào)的強(qiáng)度與波長(zhǎng)。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中探測(cè)器可以由正面的PN結(jié)、半導(dǎo)體襯底材料和背面的PN結(jié)一起組成p+-n--p+基本結(jié)構(gòu)，或n+-p--n+基本結(jié)構(gòu)，也可以是由這些基本結(jié)構(gòu)，構(gòu)造出分立的或集成在同一芯片上的探測(cè)器陣列或其它變種形式的結(jié)構(gòu)。其中p+和n+分別指受主和施主重?fù)诫s區(qū)，其摻雜濃度大于1018cm-3；p-和n-分別指摻雜濃度很低，小于1014cm-3的受主區(qū)和施主區(qū)。
器件最好用雙面拋光的單晶硅片制作，也可選用砷化鎵或其它半導(dǎo)體單晶材料。半導(dǎo)體材料可以是<100>、<111>或<110>晶向。半導(dǎo)體材料的厚度大于100μm。
被探測(cè)的光沿與半導(dǎo)體表面垂直或接近垂直的方向入射進(jìn)入探測(cè)器。
被探測(cè)的光由半導(dǎo)體材料的正面或背面入射進(jìn)入探測(cè)器。
需要說(shuō)明的是，上述實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明而非限制本發(fā)明的專利范圍，任何基于本發(fā)明的等同變換技術(shù)，均應(yīng)在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，其特征在于探測(cè)器包含二個(gè)PN結(jié)，分別位于半導(dǎo)體單晶材料的正面和背面，并沿與所述材料表面垂直的方向?qū)?zhǔn)排列，每個(gè)PN結(jié)有一個(gè)電極，探測(cè)器總共有二個(gè)電極。
2.如權(quán)利要求1所述的新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，其特征在于所述制做探測(cè)器的半導(dǎo)體材料為雙面拋光的單晶片。
3.如權(quán)利要求1所述的新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，其特征在于所述制做探測(cè)器的半導(dǎo)體材料為高電阻率單晶材料(例如，電阻率大于500歐姆厘米)。
4.如權(quán)利要求1所述的新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，其特征在于如權(quán)利要求1所述分別位于半導(dǎo)體單晶材料正面和背面的所述二個(gè)PN結(jié)和如權(quán)利要求2和權(quán)利要求3所述半導(dǎo)體材料一起組成p+-n--p+基本結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，其特征在于如權(quán)利要求1所述分別為于半導(dǎo)體單晶材料正面和背面的所述二個(gè)PN結(jié)和如權(quán)利要求2和權(quán)利要求3所述半導(dǎo)體材料一起組成n+-p--n+基本結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，其特征在于由如權(quán)利要求4所述p+-n--p+基本結(jié)構(gòu)組成的分立陣列或單片集成陣列。
7.如權(quán)利要求1所述的新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，其特征在于由如權(quán)利要求5所述n+-p--n+基本結(jié)構(gòu)組成的分立陣列或單片集成陣列。
8.一種使用權(quán)利要求1所述的新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器探測(cè)光的方法，其特征在于如權(quán)利要求1所述的新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器工作時(shí)偏置電壓加在如權(quán)利要求1所述的兩個(gè)電極上，使得如權(quán)利要求1所述的一個(gè)PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)；如權(quán)利要求1所述的另一個(gè)PN結(jié)處于輕微的正向偏置狀態(tài)。改變偏置電壓的極性，就可掉換這二個(gè)PN結(jié)的偏置狀態(tài)。被探測(cè)光從如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體單晶材料的正面或背面入射進(jìn)探測(cè)器。被探測(cè)光沿與如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體單晶材料的表面垂直或接近垂直的方向入射進(jìn)探測(cè)器。
9.如權(quán)利要求8所述，將偏壓加在如權(quán)利要求1所述的二個(gè)電極上，先使其中一個(gè)，例如正面的PN結(jié)處于反向偏置，偏置電壓足夠大使得耗盡區(qū)從正面一直延伸到半導(dǎo)體材料內(nèi)部，同時(shí)背面的PN結(jié)處于輕微的正向偏置狀態(tài)，測(cè)量光電流的大小(光電流1)。改變偏置電壓的極性，使背面的PN結(jié)處于反向偏置，且偏置電壓足夠大使得耗盡區(qū)從背面一直延伸到半導(dǎo)體材料內(nèi)部，同時(shí)正面的PN結(jié)處于輕微的正向偏置狀態(tài)，測(cè)量光電流的大小(光電流2)。光信號(hào)的強(qiáng)度與光電流1與光電流2之和成正比，光信號(hào)的波長(zhǎng)與光電流1和光電流2的相對(duì)大小有關(guān)。
10.利用已知光強(qiáng)和波長(zhǎng)的光、結(jié)合如權(quán)利要求8和權(quán)利要求9所述的方法對(duì)如權(quán)利要求1所述的探測(cè)器進(jìn)行定標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明新結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器采用雙面拋光的高電阻率半導(dǎo)體單晶材料，由沿與半導(dǎo)體表面垂直方向?qū)?zhǔn)排列且分別位于半導(dǎo)體材料的正面和背面的二個(gè)PN結(jié)構(gòu)成。利用光在半導(dǎo)體材料中的穿透深度與波長(zhǎng)有關(guān)的特性，本發(fā)明能夠用來(lái)精確地測(cè)量光的強(qiáng)度與光的中心波長(zhǎng)。本發(fā)明光電探測(cè)器只有兩個(gè)電極，能方便地讀取光電流信號(hào)，只需一個(gè)器件就能直接探測(cè)光的強(qiáng)度和顏色信息，適合用來(lái)制做需要測(cè)量波長(zhǎng)或區(qū)分顏色的光電探測(cè)器陣列，適合用來(lái)制做彩色成像傳感器的探測(cè)單元。
文檔編號(hào)G01J9/00GK1451953SQ0211685
公開(kāi)日2003年10月29日 申請(qǐng)日期2002年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月17日
發(fā)明者韓德俊 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)