理电路的集成化，功率型光耦合器输出部分往往需要较大的驱动能力，因此信 号处理电路相比选择MOS工艺具有可以实现较大的驱动能力的有益效果。
[0050] 总之，针对功率型光耦合器输出部分电路集成化需要（同时集成光电探测单元和 信号处理驱动单元），利用双极工艺本身特点，本发明结合实际工艺情况选用了结深较大的 集电极作为光电探测器基本结构，这有利于提高探测器的量子效率。在现有技术普遍使用 MOS工艺实现光探测器的情况下，本发明做出的以上选择是本发明的第一个创新点，也是整 个创造性工作的起点。这对于探测器的最终结构提出非常重要，因为以上选择既使得功率 型光耦合器输出部分电路集成化需要（同时集成光电探测单元和信号处理驱动单元）成为 可能，又使得量子效率的提高具有基础结构上的优势，不会由于制造过程中工艺控制的缺 陷，使得量子效率过低。
[0051] 也即是说采用双极NPN晶体管工艺流程形成本发明光电探测器的基本结构在提 高量子效率方面具有先天优势。
[0052] 而在实际的探测器中，光不可能直接由材料表面达到吸收区，而是要经过一定的 厚度的中掺杂接触区，在这个区域内会造成一部分光子损耗，同时在探测器表面的反射作 用也会使部分入射光反射损失。基于这些因素，可将（1)式改写为：
[0053] n = (I-Rf) * e α(λ) d· (ι-e α(λ)·￥) (2)
[0054] 其中d为前端接触层厚度，Rf为探测器表面的反射率，入射到吸收区的光子产生 的光生载流子在耗尽区内建电场的作用下，向探测器的两极漂移运动，并在输出端形成光 电流。
[0055] 基于此分析，本发明在第一光电探测器的第二器件区12表面淀积增透膜；（增透 膜由二氧化硅和氮化硅构成）；或者可以采取腐蚀掉器件表面的SI02层和钝化层的方式减 少光发射能量的丢失，这些都是提高量子效率的进一步优化措施。
[0056] 此外，本发明的第一光电探测器的第二器件区12和第二光电探测器的第二器件 区22均可以采用圆形结构，这有利于提高光照效应，这也有利于量子效率和响应度的提 高。但是圆形结构由于面积大，也会导致器件表面漏电流增加。
[0057] 2)响应速度
[0058] 光电探测器的响应速度是由探测信号的上升时间或下降时间来衡量的，通常取两 者之间较大的值。通常要求光电探测器能够对高速光脉冲信号快速响应，从而提高信噪比， 提高系统的整体性能。在半导体光电探测器中，影响响应速度的因素主要有三点：
[0059] a.耗尽区内载流子的渡越时间。b.耗尽区外载流子扩散时间。c.探测器PN结二 极管耗尽区电容。耗尽层的电容是影响速度的主要因素，这就意味着大面积的探测器不能 用于探测频率较高的光信号。减小探测器的面积可以有效减少结电容和暗电流。
[0060] 本发明所采用的具体技术手段是在将M个第二器件区制作在第一光电探测器的 第一器件区内（两个光电探测器均采用此结构），因此探测器面积得到了减小，也即是一个 探测传感器内实际上包括多个面积较小的探测器，探测器面积减小，但是又不会减小PN结 结深，从而不影响量子效率。同时探测器器件面积的减小也可以降低由于采用圆形结构以 提高光照效应所导致的器件表面漏电流增加缺陷。
[0061] 3)漏电流和噪声
[0062] 对理想的光电探测器，在无光照的时候应该没有光电流，然而实际上仍然存在有 较小的电流。它主要是由耗尽层中载流子的产生-复合电流和耗尽层边界的少子扩散电 流，以及表面漏电流构成。由于硅的禁带宽度较大，只要在加工过程中尽量避免产生晶格缺 陷，保证硅的高纯度，由载流子产生-复合引起的漏电流是很小的（<2X10-llA/mm2)。除 了前述的通过器件结构设计的减小器件面积表来降低漏电流产生可能性，面漏电流可以通 过钝化表面来减小，可以减小到2X 10-11Α/_2之下。也即是可以从半导体工艺方面着手 改善性能。
[0063] 本发明中还采用了增加外延层厚度和电阻率等工艺手段提高响应度。
[0064] 三、本发明光电探测传感器的具体结构设计以及使用方法。
[0065] 如图2所示，第一光电探测器1包括第一器件区11，第一光电探测器的第一器件区 11由NPN晶体管的集电区形成，第一光电探测器的第一器件区11的水平方向截面为正方 形（为了提高光照效应，也可以选择圆形，但同时由于圆形面积较大，也带来器件表面漏电 流增加的风险，具体实施时候根据工艺本身成熟度和工艺控制难度选择第一器件区11的 水平方向截面形状；
[0066] M个第一光电探测器的第二器件区12制作在第一光电探测器的第一器件区11上， M为小于10的自然数，第一光电探测器的第二器件区12由NPN晶体管的基区形成，NPN晶 体管由硅双极工艺制作而成；
[0067] 第一光电探测器的第一器件区11上设有多个电极孔，第一光电探测器的每个第 二器件区12上设有电极孔；
[0068] 设置在第一光电探测器的第一器件区11上的电极孔通过铝膜连接线引出，记为 第一光电探测器的第一端子13 ;
[0069] 所有设置在第一光电探测器第二器件区上的电极孔通过铝膜连接线相互连接 (该铝膜连接线图2中未示出），连接电节点记为第一光电探测器的第二端子；
[0070] 第一光电探测器的第一端子13与第二光电探测器的第一端子23电连接；
[0071] 第二光电探测器2采用与第一光电探测器1相同的结构，第二光电探测器2的表 面覆盖有铝膜，当然，用于连接电极孔的铝膜和用于覆盖器件表面的铝膜之间使用二氧化 硅材料层隔离开；
[0072] 第一光电探测器1和第二光电探测器2对称设置在单芯片中。
[0073] 本发明的使用方法是：将本发明光电探测传感器与具有差动输入级信号处理电路 集成在一起，第一光电探测器1的第二端子，第二光电探测器2的第二端子分别于差动输入 级电路的两个输入端相电连接；由于第一光电探测器1，第二光电探测器2为完全相同的两 个光电探测器（第一光电探测器1接收光信号，第二光电探测器2由于器件表面覆盖了铝 膜因此对光屏蔽），输入偏置电路为它们提供稳定的公共基准电压，这样同一个干扰源几乎 相同程度的影响到差动信号的每一端，出现在差动两边的同样干扰就可以被忽略掉起到了 抑制外部电磁干扰的作用。此外差动信号很大程度上与偏置电位的精确值无关，即使偏置 电位有微小变化也不会影响到测量信号的数值。
[0074] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
【主权项】
L 一种与硅双极工艺兼容的光电探测传感器，其特征在于，包括第一光电探测器a) 和第二光电探测器（2); 所述第一光电探测器a)包括第一器件区（id，所述第一光电探测器的第一器件区 (11)由NPN晶体管的集电区形成，第一光电探测器的第一器件区（11)的水平方向截面为正 方形； M个第一光电探测器的第二器件区（12)制作在第一光电探测器的第一器件区（11)内， M为小于10的自然数，所述第一光电探测器的第二器件区（12)由NPN晶体管的基区形成， 所述NPN晶体管由硅双极工艺制作而成； 所述第一光电探测器的第一器件区（11)上设有电极孔，第一光电探测器的第二器件 区（12)上设有电极孔； 所有设置在第一光电探测器第二器件区上的电极孔通过铝膜连接线相互连接，连接电 节点记为第一光电探测器的第二端子； 设置在第一光电探测器的第一器件区上的电极孔通过铝膜连接线引出，记为第一光电 探测器的第一端子（13); 所述第二光电探测器（2)包括第一器件区（21)，所述第二光电探测器的第一器件区 (21)由NPN晶体管的集电区形成，第二光电探测器的第一器件区（21)的水平方向截面为正 方形； M个第二光电探测器的第二器件区（22)制作在第二光电探测器的第一器件区（21)内， M为小于10的自然数，所述第二光电探测器的第二器件区（22)由NPN晶体管的基区形成， 所述NPN晶体管由硅双极工艺制作而成； 所述第二光电探测器的第一器件区（21)上设有电极孔，第二光电探测器的第二器件 区（22)上设有电极孔； 所有设置在第二光电探测器第二器件区上的电极孔通过铝膜连接线相互连接，连接电 节点记为第二光电探测器的第二端子； 设置在第二光电探测器的第一器件区上的电极孔通过铝膜连接线引出，记为第二光电 探测器的第一端子（23); 所述第二光电探测器（2)表面覆盖有铝膜； 所述第一光电探测器（1)和第二光电探测器（2)对称设置在单芯片中； 所述第一光电探测器的第一端子（13)与第二光电探测器的第一端子（23)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种与硅双极工艺兼容的光电探测传感器，其特征在于，所 述第一光电探测器的第二器件区（12)水平方向截面为圆形；所述第二光电探测器的第二 器件区（22)水平方向截面为圆形。
【专利摘要】本发明公开了一种与硅双极工艺兼容的光电探测传感器，包括第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一光电探测器包括第一器件区，第一光电探测器的第一器件区由NPN晶体管的集电区形成，M个第一光电探测器的第二器件区制作在第一光电探测器的第一器件区内，M为小于10的自然数，所述第一光电探测器的第二器件区由NPN晶体管的基区形成，第二光电探测器结构与第一光电探测器结构相同；第二光电探测器表面覆盖有铝膜。本发明具有在获得更高量子效率方面具有明显优势的有益效果，并且具有响应速度快的有益效果。
【IPC分类】H01L27/144, H01L27/102
【公开号】CN105097848
【申请号】CN201510519581
【发明人】尹洪剑
【申请人】重庆电子工程职业学院
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年8月16日