光电转换元件及图像传感器的制作方法

本发明涉及图像传感器技术领域，具体而言，涉及一种光电转换元件及图像传感器。

背景技术：

随着科技的发展，互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)图像传感器已经广泛应用在人们生活的各方各面，例如远距离高精度测距、高动态成像、高帧频成像。

现有技术中，cmos图像传感器中包括的光电转换元件包括：衬底、掺杂区、钳位层、输出区、调制栅极。由于衬底区域存在一定厚度的中性体区，该中性体区没有电场，光生电子从衬底向掺杂区转移时在中性体区仅能通过扩散方式移动，从而导致光生电子的转移速度较慢。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种光电转换元件及图像传感器，以解决现有技术中存在的光电转换元件中光生电子转移速度较慢的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种光电转换元件，所述光电转换元件的半导体区域包括：衬底、以及所述衬底上依次设置的第一掺杂区、第二掺杂区、第三掺杂区；

所述第三掺杂区的表面设置有调制栅极，所述衬底的边缘设置有隔离区，所述隔离区内设置有输出区；

所述光电转换元件中产生的光生电子，至少部分由所述衬底通过所述第三掺杂区到达所述输出区。

可选地，所述隔离区包括：第一隔离区和第二隔离区；

所述输出区设置在所述第一隔离区内，所述第二隔离区设置在所述第一隔离区远离所述输出区的一侧。

可选地，所述第二隔离区在所述衬底上的投影覆盖所述第一隔离区的投影。

可选地，所述第二掺杂区和所述第三掺杂区的两部分中间设置有第四掺杂区，所述第三掺杂区的表面设置有所述调制栅极。

可选地，所述第三掺杂区设置有两个或者多个调制栅极。

可选地，所述第四掺杂区的掺杂物类型与所述第二掺杂区掺杂物类型相同，且浓度大于所述第二掺杂区的浓度。

可选地，所述衬底背离所述第三掺杂区的表面设置有吸附层，所述吸附层用于吸附所述衬底中的空穴。

可选地，所述第三掺杂区掺杂物类型与所述第一掺杂区掺杂物类型相同，且所述第三掺杂区浓度高于所述第一掺杂区浓度。

可选地，所述衬底为n型衬底；所述衬底、所述第一掺杂区、所述第三掺杂区掺杂n型材料，形成n型区；所述隔离区、所述第二掺杂区掺杂p型材料，形成p型区。

第二方面，本申请实施例还提供一种图像传感器，包括上述第一方面所述的光电转换元件。

本申请的有益效果是：

本申请所提供的光电转换元件及图像传感器中，该光电转换元件的半导体区域包括：衬底、以及衬底上依次设置的第一掺杂区、第二掺杂区、第三掺杂区；第三掺杂区的表面设置有调制栅极，衬底的边缘设置有隔离区，隔离区内设置有输出区；光电转换元件中产生的光生电子，至少部分由衬底通过第三掺杂区到达输出区。其中，通过衬底与隔离区形成耗尽区，由于耗尽区存在强电场，进而可加速衬底中产生的光生电子的转移速度，从而有效提高了光电转换元件中产生的光生电子的输出效率。

另外，在第二掺杂区和第三掺杂区的中间设置第四掺杂区，可以有效阻止第三掺杂区的两部分中其中一个表面的调制栅极下方的光生电子直接转移到另一个表面的调制栅极下方并输出，从而提高光电转换元件的解调对比度。

其次，衬底和第一掺杂区均为n型，可有效避免光生电子由衬底向第一掺杂区转移的光生电子被其他类型材料(p型材料)阻碍，加快了光生电子的转移速度。

最后，衬底下方设置有吸附层，吸附层中填充三氧化二铝，三氧化二铝可以吸附一些空穴在其与衬底之间，使得降低了衬底下方区域电势，进而加快光生电子从衬底向第一掺杂区的转移速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光电二极管的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种光电转换元件的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的调制栅极未加电场景下光电转换元件中各区域电压大小示意图；

图4为本申请实施例提供的调制栅极加电场景下光电转换元件中各区域电压大小示意图；

图5为本申请实施例提供的一种图像传感器的装置示意图。

图标：1-第一p型衬底；2-第二p型衬底；3-n型掺杂区；4-输出端；5-传输栅；6-钳位层；10-光电转换元件；11-衬底；12-第一掺杂区；13-第二掺杂区；14-第三掺杂区；15-调制栅极；16-输出区；17-第一隔离区；18-第二隔离区；19-第四掺杂区；20-吸附层；100-图像传感器；110-时序控制模块；120-模拟信号处理模块；130-模数转换模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

随着科技的发展，cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器已经广泛应用在人们生活的各方各面，例如远距离高精度测距、高动态成像、高帧频成像。

图1为本申请实施例提供的一种光电二极管的结构示意图；首先，对现有cmos图像传感器中光电转换单元的结构以及存在的缺陷进行说明。需要说明的是，现有技术中，cmos图像传感器至少包括：光电转换单元、时序控制模块、模拟信号处理模块以及模数转换模块，其中，光电转换单元可以采用光电二极管实现光电转换。如图1所示，该光电二极管包括：第一p型衬底1，第一p型衬底1上设置有第二p型衬底2，第二p型衬底2中一个区域设置有n型掺杂区3，同时在n型掺杂区3的一部分上表面设置有钳位层6，第二p型衬底2中另一个区域设置有输出端4，在第二p型衬底2的上表面形成传输栅5，其中，该传输栅5的下表面分别与输出端4以及n型掺杂区3直接连接。从而，光电二极管接收光照时，光波穿透到第二p型衬底2区域，在第二p型衬底2区域产生光生电子，同时n型掺杂区3对该光生电子进行吸引，从而将第二p型衬底2区域中产生的光生电子存储在n型掺杂区3，当对传输栅5加电时，n型掺杂区3与输出端4之间形成反型层，该反型层作为导电沟道将n型掺杂区3的光生电子通过该导电沟道自身从输出端4输出。

现有技术中的第二p型衬底2区域比较厚，主要是由于对于同种半导体材料，吸收系数和入射深度与入射光的波长有关，波长越长吸收系数越小，入射深度就越大，而光电二极管所感测的光波波长范围包括较长的波长波动段，因此需要比较深的第二p型衬底层，以保证器件能够设计为吸收较长波长的结构，然而当第二p型衬底2较厚时n型掺杂区3的耗尽区无法覆盖整个第二p型衬底2区域，因此在第二p型衬底2区域内会存在一定厚度的中性体区，在具体实现的过程中，由于第二p型衬底2区域存在一定厚度的中性体区，该中性体区没有电场，光生电子从第二p型衬底2向n型掺杂区3转移时在中性体区进能通过扩散方式移动，导致光生电子的转移速度较慢。

本发明的方案提供的光电转换元件，可有效克服上述现有技术中存在的缺陷，加快了光生电子的转移速度。

如下通过多个实例对本申请所提供的光电转换单元进行示例说明。

图2为本申请实施例提供的一种光电转换元件的结构示意图；可选地，如图2所示，该光电转换元件10的半导体区域可包括：衬底11、以及衬底11上依次设置的第一掺杂区12、第二掺杂区13、第三掺杂区14；第三掺杂区14的表面设置有调制栅极15，衬底11的边缘设置有隔离区，隔离区内设置有输出区16；光电转换元件10中产生的光生电子，至少部分由衬底11通过第三掺杂区14到达输出区16。

可选地，调制栅极15用于输入调制信号，并作用于第三掺杂区14。光波穿射至衬底11，在衬底11区域中产生光生电子，光生电子通过衬底11上依次设置的第一掺杂区12、第二掺杂区13、第三掺杂区14发生转移，当给第三掺杂区14表面的调制栅极15施加电压后，第一掺杂区12中的光生电子通过第二掺杂区13和第三掺杂区14转移至输出区16输出，设置的第一掺杂区12可以配合调制栅极15实现更深的电压差，保证不同的调制栅极15工作时得到最大的光生电子捕获能力。

可选地，在一些实施例中，衬底11与隔离区可形成耗尽区，由于采用本方案的布置，耗尽区存在强电场，进而可加速衬底11中产生的光生电子的转移速度。

可选地，第一掺杂区12、第二掺杂区13、第三掺杂区14的掺杂物浓度可以梯度设置，或者只限定第一掺杂区12的掺杂浓度大于第三掺杂区14的掺杂浓度，从而可以进一步地加快衬底11中产生的光生电子通过第一掺杂区12、第二掺杂区13传输至第三掺杂区14中，也能保证在无调制电压时光生电子能够被可靠钳制，而不会进入输出区16造成误差干扰。

综上，本实施例提供的光电转换元件中，该光电转换元件的半导体区域包括：衬底、以及衬底上依次设置的第一掺杂区、第二掺杂区、第三掺杂区；第三掺杂区的表面设置有调制栅极，衬底的边缘设置有隔离区，隔离区内设置有输出区；光电转换元件中产生的光生电子，至少部分由衬底通过第三掺杂区到达输出区。其中，通过衬底与隔离区形成耗尽区，由于耗尽区存在强电场，进而可加速衬底中产生的光生电子的转移速度，从而有效提高了光电转换元件中产生的光生电子的输出效率。

可选地，如图2所示，隔离区可包括：第一隔离区17和第二隔离区18；输出区16设置在第一隔离区17内，第二隔离区18设置在第一隔离区远离输出区16的一侧。

可选地，第一隔离区17和第二隔离区18用于对不同的光电转换元件进行隔离，避免多个光电转换元件中生成的光生电子相互渗透。同时两隔离区还可用于与衬底11形成耗尽区。

可选地，第二隔离区18在衬底11上的投影覆盖第一隔离区17的投影，可以保证在底层获得更高的光生电子加速，也同时使得底部光生电子能够被更有效的隔离，防止不同像素单元之间的电荷串扰等影响。

可选地，第二掺杂区13和第三掺杂区14的两部分中间设置有第四掺杂区19，第三掺杂区14的表面设置有调制栅极15。

在一些实施例中，如图2所示，第二掺杂区13和第三掺杂区14可分别包括两部分；第二掺杂区13和第三掺杂区14的两部分中间设置有第四掺杂区19，第三掺杂区14中两部分的表面可分别设置有一个调制栅极15。

可选地，第四掺杂区19的掺杂物类型与第二掺杂区13掺杂物类型相同，且第四掺杂区19的掺杂物浓度大于第二掺杂区13的浓度。

可选地，在第二掺杂区13和第三掺杂区14的中间设置第四掺杂区19，第四掺杂区19区域电压一般为接地电压(0v)，可以有效阻止第三掺杂区14的两部分中其中一个表面的调制栅极15下方的光生电子直接转移到另一个表面的调制栅极15下方并输出，也即，可以使得不同调制栅极15下的光生电子从对应的调制栅极15下进行输出，从而提高光电转换元件10的解调对比度。

需要说明的是，解调对比度就是电荷分离能力，如果其中一个表面的调制栅极15能完全收集在它开启时产生的光电子，解调对比度就为100％，如果其中一个表面的调制栅极15不能完全收集在它开启时产生的光电子，反而被另一个表面的调制栅极15开启时收集，解调对比度就降低。

可选地，第三掺杂区14设置有两个或者多个调制栅极15。

在一些实施例中，可以如图2中所示，第三掺杂区14的表面上设置有两个调制栅极15，对应的，输出区16也设置有两个。而在另一些实施例中，第三掺杂区14表面上可以不限于仅设置有两个调制栅极15，可以包括多个调制栅极15，此时，对应的，输出区16的个数也可以增加设置，以与调制栅极15的个数相匹配，从而保证每个调制栅极15开启时，产生的光生电子可以从与其对应的输出区16中输出。当然，对于第三掺杂区14设置有多个调制栅极15，将不再以附图的形式呈现，其在图2的结构的基础上增加设置即可。

可选地，衬底11背离第三掺杂区14的表面设置有吸附层20，吸附层20用于吸附衬底11中的空穴。

可选地，上述吸附层20中可填充有三氧化二铝。可选地，在调制栅极15均未加电的情况下，光波从衬底11底部进入，产生光生电子，进而，由于在衬底11下方设置有三氧化二铝，三氧化二铝可以吸附相当数量的空穴在其与衬底11之间，使得降低了衬底11下部区域的电势，从而加快衬底11中产生的光生电子从衬底11向第一掺杂区12的转移速度，此处空穴可以理解为一种带正电可传输介质，与电子电位不同，可以理解为一种准粒子，某些物质对于其有一定的吸附作用如三氧化二铝，当部分空穴被吸收后衬底层电势将降低，其他一些负电型材料例如二氧化铪也可以实现吸附空穴的效果，此处不限定。

可选地，第三掺杂区14掺杂物类型与第一掺杂区12掺杂物类型相同，且第三掺杂区14浓度高于第一掺杂区12浓度，从而能够加快由衬底11转移至第一掺杂区12的光生电子向第三掺杂区14的转移速度。

可选地，本实施例中，衬底11可为n型衬底；衬底11、第一掺杂区12、第三掺杂区14可掺杂n型材料，形成n型区；隔离区(第一隔离区17和第二隔离区18)、第二掺杂区13可掺杂p型材料，形成p型区；调制栅极15可为多晶硅。

需要说明的是，衬底11和第一掺杂区12均为n型，可有效避免光生电子由衬底11向第一掺杂区12转移的光生电子被其他类型材料(p型材料)阻碍，进而加快了光生电子的转移速度。

图3为本申请实施例提供的调制栅极未加电场景下光电转换元件中各区域电压大小示意图；图4为本申请实施例提供的调制栅极加电场景下光电转换元件中各区域电压大小示意图。参照图3和图4对本申请的光生电子转移原理进行整体说明。

在调制栅极15均未加电的场景下，光波从衬底11底部进入，产生光生电子，由于在衬底11下方设置有三氧化二铝，三氧化二铝可以吸附相当数量的空穴在其与衬底11之间，使得降低了衬底11下部区域的电势，从而加快光生电子从衬底11向第一掺杂区12的转移速度。同时，由于添加的掺杂物类型的设置，衬底11两侧的第二隔离区18与衬底11形成pnp结构，从而衬底11形成耗尽区，由于耗尽区存在强电场，进而加速光生电子的转移速度。

可选地，调制栅极15均未加电的场景下，光电转换元件10中各区域电压如图3所示，第二掺杂区13的电压低于第一掺杂区12的电压，所以第二掺杂区13会阻挡光生电子从第一掺杂区12越过第二掺杂区13向第三掺杂区14转移，此时，在一个调制栅极15(如图2中，第三掺杂区14右侧表面的调制栅极)上施加电压，如图4所示，从而第二掺杂区13的电势迅速高于第一掺杂区12(在该调制栅极15上施加正电压时，第一掺杂区12的势垒高度会被第三掺杂区14电势拉低，从而达到降低第一掺杂区12势垒的作用，也即降低第一掺杂区12的电压，使光生电子从衬底11的光生电子收集区域越过第一掺杂区12到达第三掺杂区14，然后从该施加了正电压的调制栅极15对应的输出区16中输出)，使得光生电子很容易从第一掺杂区12向第三掺杂区14转移，同时，输出区16设置有电压，设置在输出区16上的电压高于第三掺杂区14电压，从而，光生电子迅速从另一个调制栅极15(如图2中，第三掺杂区14左侧表面的调制栅极)下方区域转移到对应的输出区(左侧的输出区)并输出。

优选的，在第二掺杂区13和第三掺杂区14的中间设置有第四掺杂区19，第四掺杂区19电压一般为接地电压(0v)，会阻止一个调制栅极15下方的光生电子直接转移到另一个调制栅极15下方并输出，从而提高光电转换元件10的解调对比度。

综上所述，本申请实施例提供的光电转换元件，该光电转换元件的半导体区域包括：衬底、以及衬底上依次设置的第一掺杂区、第二掺杂区、第三掺杂区；第三掺杂区的表面设置有调制栅极，衬底的边缘设置有隔离区，隔离区内设置有输出区；光电转换元件中产生的光生电子，至少部分由衬底通过第三掺杂区到达输出区。其中，通过衬底与隔离区形成耗尽区，由于耗尽区存在强电场，进而可加速衬底中产生的光生电子的转移速度，从而有效提高了光电转换元件中产生的光生电子的输出效率。

另外，在第二掺杂区和第三掺杂区的中间设置第四掺杂区，可以有效阻止第三掺杂区的两部分中其中一个表面的调制栅极下方的光生电子直接转移到另一个表面的调制栅极下方并输出，从而提高光电转换元件10的解调对比度。

其次，衬底和第一掺杂区均为n型，可有效避免光生电子由衬底向第一掺杂区转移的光生电子被其他类型材料(p型材料)阻碍，进而加快了光生电子的转移速度。

最后，衬底下方设置有吸附层，吸附层中填充三氧化二铝，三氧化二铝可以吸附一些空穴在其与衬底之间，使得降低了衬底下方区域电势，进而加快光生电子从衬底向第一掺杂区的转移速度。

图5为本申请实施例提供的一种图像传感器的装置示意图。如图5所示，该图像传感器100可以包括上面多个实施例中所说明的光电转换元件10。另外，该图像传感器100还可包括时序控制模块110、模拟信号处理模块120以及模数转换模块130。其中，图像传感器100中，光电转换元件10的结构及工作原理已在上述多个实施例中进行详细说明，此处不再一一赘述。

上仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。