具有电荷吸收掺杂区域的光电二极管阵列的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电二极管阵列，并且更特别地涉及包含铟镓砷(InGaAs)和磷化铟(InP)层的光电二极管阵列，本发明还涉及该光电二极管阵列的制造方法。
【背景技术】
[0002]用于制造具有窄带隙的半导体材料光电二极管阵列(通常用于红外光检测)的方法中的一种方法为，在两个具有宽带隙的半导体材料之间插入具有窄带隙的有源检测层。两层宽带隙半导体提供有效的保护/钝化，同时对于旨在通过光电二极管检测的辐射波长是透明的。
[0003]另外，通过适当地掺杂，在有源层和两个保护/钝化层之间的异质结将光电荷限制在有源检测层中，并提高了这样构造的光电二极管的量子产率。
[0004]InGaAs光电二极管为这种物理结构的典型示例。由InGaAs材料形成的有源检测层能够具有根据InGaAs材料的铟和镓的组分而可调节的带隙，这对于在约1.4 μπι到3 μπι的SWIR带(短波红外)中工作是非常理想的。
[0005]磷化铟和铟镓砷具有相同的面心立方晶体结构。最常使用的组分为Ina53Gaa47A^这时，晶格的尺寸与InP衬底的晶格尺寸(特别是晶格常数)是相近的。这样的晶体匹配性允许优良品质的有源InGaAs层在InP衬底上的外延生长。Ina53Gaa47As的带隙为约0.73eV,在SWIR带能够检测最高至1.68 μ m的波长。其在例如光谱测定、夜视和废旧塑料分类等领域受到了越来越多的关注。
[0006]两层保护/钝化层通常由InP形成。更特别地，由于Ina53Gaa47As组分具有与InP相同的晶格尺寸，这允许在室温下和高于室温时得到非常低的暗电流。
[0007]图1示出了光电二极管阵列I的物理结构。由InGaAs组成的有源层5夹在两层InP层之间。底层事实上形成衬底4，在其上InGaAs层通过复杂的MO-CVD外延形成。然后该InGaAs层通过同样经由外延沉积的由InP组成的薄钝化层6而受到保护。一般而言，InP层是N型和硅掺杂的。有源InGaAs层5可以进行轻度N型掺杂或者其可以保持为准本征的。因而该两个底/顶InP层和InGaAs有源层5形成了在该阵列中的光电二极管的共同的阴极。
[0008]通过锌(Zn)的局部扩散而形成了单独的阳极3。掺杂剂Zn穿过薄InP钝化层6并且进入有源InGaAs层5。
[0009]图2示出了由以倒装芯片模式连接至读出电路2的InGaAs光电二极管阵列I形成的InGaAs图像传感器。在InGaAs传感器阵列中，光电二极管阵列连接至通常由硅形成的读出电路，从而读取由这些InGaAs光电二极管产生的光电信号。如图2所示，通常经由铟珠8来使用倒装芯片技术获得这种互相连接。SWIR辐射9通过在该光带为透明的磷化铟衬底4而到达光电二极管阵列。
[0010]在检测器以积累模式工作的情况下，获得了与流和曝光时间的积成比例的输出信号。然而，该输出信号受到检测器的最大积累能力的限制。对于具有高对比度的场景，通常不能在获得对暗区域的良好呈现的同时保持亮区域不发生饱和。这对于夜视领域(InGaAs光电二极管的传感器阵列经常旨在用于该领域)来说，是更为严重的问题。
[0011]在文献EP1354360中提出了用于读取光电二极管的光电信号的另一种常规方式，而其原理示出在附图的图3中。文献EP1354360提出了光电二极管51作为太阳能电池工作，从而获得根据入射光辐射59的强度的对数响应。
[0012]利用这种工作模式，光电二极管51不接受任何外部偏置，而通过在其结处产生的光电荷而正向偏置。而在光电二极管上观测到的正向偏压与入射光流的对数成正比。
[0013]这种对数响应使得无需任何电学调整和光学调整而能够覆盖大于120dB的动态操作范围，这对于在自然外部环境中使用InGaAs SWIR传感器来说是必要的。文献EP1354360还提出将转换读出电路55与光电二极管相结合。
[0014]图3所示出的图像传感器的使用的原理如下所述:
[0015]a)激活选择信号SEL，从而通过闭合开关54而选择所需光电二极管51。一旦选择了该光电二极管，则第一读出信号RDl激活，其将闭合对应的控制开关，以用于将第一读出的电压存储在存储器56中。该第一读出记录了图像和固定图形噪声两者；
[0016]b)然后激活复位信号RSI，其将导致开关53闭合。光电二极管因而短路，从而在绝对黑暗中模拟参考图像；
[0017]c)然后禁用第一读出信号RDl以再次关断相应的开关，而激活第二读出信号RD2以将第二读出的电压记录在存储元件57中。以这种方式而存储了单独的固定图形噪声；
[0018]d)通过差分放大器58而计算分别包含在存储元件56和存储元件57的两个存储结果之间的差值。于是该放大器58的输出信号对应于没有固定图形噪声的图像。
[0019]借助于第二读出，产生了对应于黑暗环境的零点电压。该电子黑暗信号能够删除在检测器阵列的读出链中的信号偏移。
[0020]由EP1354360提出的原理应用在InGaAs传感器中并完美地工作。然而，在白天的场景中会观察到高光溢出(blooming)现象。该现象可以简单地描述为图像中空间分辨率的损失。而检测器仍然按对数规律维持对光的变化的敏感。
[0021]法国专利申请N° 1156290提出通过在每个光电二极管周围进行蚀刻而获得电绝缘。利用这种方式能够获得对这种高光溢出现象的有效抑制，而其代价为由于该蚀刻生成的缺陷所引起的在光电二极管中的非常强的暗电流。这种方式的另一个问题是这样的事实，即在制造工艺中蚀刻的步骤和光电二极管阳极扩散的步骤是两个分开的步骤，需要不同的掩模。而掩模对准误差会在阵列的光电二极管之间生成额外的不均匀。
【发明内容】
[0022]本发明提出另一种简单且有效地克服在InGaAs光电二极管阵列中的这种高光溢出现象的解决方案。由本发明提出的解决方案还使积累模式的常规检测器的图像质量能够得到提升。
[0023]为了这个目的，提供了这样的光电二极管阵列，其包括:
[0024]-阴极，其包括至少一个来自磷化铟族的材料的衬底层，以及来自铟镓砷族的材料的有源层；以及
[0025]-至少部分地在有源层中形成的至少两种相同类型的掺杂区域:
[0026]-第一掺杂区域，其与阴极一起形成用于图像的形成的光电二极管；
[0027]-至少一个第二掺杂区域，其吸收过量电荷载流子，以用于将电荷载流子排放。
[0028]本发明的光电二极管阵列有益地通过单独地采用下述特征或者采用下述特征的任何技术上可能的组合而完成:
[0029]-偏置装置将所述第二掺杂区域维持等于或低于第一掺杂区域的最低电势的电势；
[0030]-根据在光电二极管阵列上的光照水平而调节第二掺杂区域的电势；
[0031]-第一掺杂区域和第二掺杂区域在相同的深度具有相同的掺杂水平；
[0032]-第二掺杂区域位于至少一些第一掺杂区域之间；
[0033]-第二掺杂区域单独地围绕一些第一掺杂区域；
[0034]-第二掺杂区域在一些第一掺杂区域之间形成网格图形；
[0035]-多个第二掺杂区域互相平行地分布，并且与一些第一掺杂区域穿插设置；
[0036]-第二掺杂区域以足够的距离与第一掺杂区域分隔开，使得分别与第二掺杂区域和第一掺杂区域相关联的空间电荷区分隔开；
[0037]-在所述阵列的表面上的金属栅极连接第二掺杂区域或多个第二掺杂区域的不同的点，从而使第二掺杂区域的电势均匀化。
[0038]本发明还涉及包含根据第一方面的光电二极管阵列的图像传感器。优选地，读出电路为对数电路。
[0039]还提出了一种用于制造光电二极管阵列的方法，所述阵列包括:
[0040]-阴极，其包括至少一个来自磷化铟族的材料的衬底层，以及来自铟镓砷族的材料的有源层；
[0041]-至少部分地在有源层中形成的至少两种相同类型的掺杂区域:
[0042]-第一掺杂区域，其与阴极一起形成用于图像的形成的光电二极管；
[0043]-至少一个第二掺杂区域，其吸收由光电二极管发射的电荷载流子；
[0044]所述方法的特征在于，在同一选择掺杂步骤中形成第一掺杂区域和所述至少一个第二掺杂区域。
【附图说明】
[0045]通过阅读以下具体描述，本发明的其它方面、目标和优点将会变得明显。通过参考以非限制性示例给出的与附图相结合而进行考虑的以下描述，本发明还可以得到更好的理解，并且其中:
[0046]-图1已在上文进行评论，其为示出现有技术的InGaAs光电二极管阵列的结构的示意图；
[0047]-图2已在上文进行评论，其示出了由InGaAs光电二极管阵列所形成的InGaAs图像传感器，所述InGaAs光电二极管阵列在娃衬底上经由倒装芯片连接至读出电路；
[0048]-图3已在上文进行评论，其是具有太阳能电池模式的光电二极管的对数传感器的原理的流程图；
[0049]-图4示出了在现有技术的光电二极管阵列中的不同的结；
[0050]-图5是根据本发明的光电二极管阵列的截面视图，其中示出了不同的结；
[0051]-图6至图8是本发明的不同实施方案的俯视图；
[0052]-图9是示出了根据本发明的方法的步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0053]在如图1所示的现有技术的结构中，能够查知每个光电二极管包含数个PN结，这些PN结中的一个为所需的，而这些PN结中的一定数量的结为寄生的。这些PN结示出在图4中。在阳极3和有源层5之间的PN结31为所需的，并且形成光电二极管阵列的二极管。
[0054]在阳极3和钝化层6之间的寄生横向PN结32经由钝化层而在相邻光电二极管之间形成了可能的电通路。
[0055]常规的读出电路通过在光电二极管上施加反向偏置而将在光电二极管中的反向电流积累在电容器中。以这样的配置，在光电二极管中的寄生横向结32也在同时反向偏置，这具有在积累电容器中增加额外的寄生电流的影响。该寄生电流使图像质量变差，但是实际上没有在相邻光电二极管之间产生串扰。这些寄生电流能够通过对从读出电路输出的原始图像进行复杂的处理而得到部分补偿。
[0056]当光电二极管以太阳能电池模式工作时，结通过入射光而正向偏置。在这种情况下，寄生横向结32也正向偏置，并在相邻光电二极管之间形成电流通路。入射光强度越增大，该正向偏置变得越大，从而生成使传感器的空间分辨率严重变差的高光溢出效应。
[0057]本发明提出一种结构，其能够降低在InGaAs光电二极管阵列中的横向导电性。根据本发明而制造的光电二极管阵列能够以文献EP1354360所述的太阳能电