[發明專利]新型光電二極管結構、制備方法及電路結構

有效

• 申請號: 202110394839.8
• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113140649B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發明（設計）人: 黃尊愷;李全澤;汪輝;祝永新;汪寧;田犁
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海高等研究院
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/02;H01L31/18
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 余明偉

本發明提供一種新型光電二極管結構、制備方法及電路結構，新型光電二極管結構包括：第一摻雜類型襯底、第二摻雜類型功能摻雜區、第一摻雜類型表面摻雜區及第二摻雜類型輔助摻雜區。本發明通過形成非均勻摻雜的功能摻雜區，在功能摻雜區中形成自建電勢差，可以驅動光剩載流子的運動方向，如可以使光生載流子在電勢差的作用下加速移動，使得被收集的載流子會直接通過運輸門(TG)進入后續的電路。另外，環狀結構的輔助摻雜區可以增大接收電荷的面積，能更快地接收運輸來的載流子，能進一步提升光生載流子的運輸效率。

技術領域

本發明屬于光電轉換器件領域，特別是涉及一種新型光電二極管結構、制備方法及電路結構。

背景技術

光電二極管是響應高能粒子和光子的半導體器件，其吸收光子或高能粒子，并在外部電路中產生與入射功率成比例的電流。光電二極管應用廣泛，涉及光譜學、攝影、分析儀器、光學位置傳感器、光束對準、表面表征、激光測距儀、光學通信和醫學成像儀器等眾多應用和研究領域。

目前，光電二極管普遍的研究趨勢是設計更小尺寸的器件，對大尺寸器件性能提升的研究較少。然而，在科學和醫學成像等應用中，由于信號強度的限制，小尺寸二極管不再具備優勢，往往需要大尺寸光電二極管來改善信噪比性能。在大尺寸光電二極管器件研究領域，一個核心設計挑戰是如何實現快速、完整的電荷轉移，這對于高速低噪聲成像應用中至關重要。通常，像素的工作效率由讀出電子器件的速度及其內部電荷轉移的速度決定，然而，隨著光電二極管尺寸的增大，電荷傳輸距離也隨之增加，電荷轉移時間及效率將不可避免地受到影響，必須對其進行優化。

其中，電荷轉移是基于各種耦合過程驅動的復雜過程，包括漂移、擴散和自感漂移。在沒有電場的情況下，擴散是主要因素，電荷轉移時間與距離的平方成正比，在有電場的情況下，電荷轉移時間與距離成正比。目前已經提出了多種方法來提高大尺寸光電二極管中的電荷轉移速度，包括Diode shaping技術、多次摻雜技術、外部偏置技術、PIN-PD等。Diode shaping的缺點是實現起來很復雜，并且可能會降低填充因子；使用多次摻雜技術的確可以實現電荷轉移速度的提高，但是它們通常使用幾個附加的掩模來實現，每個掩模對應一個摻雜水平，這大大增加了制造成本。總的來說，科學、醫學成像等領域對大尺寸光電二極管有著極大的需求和要求，特別是在提升電荷轉移的效率上，目前的主流的方法在工藝復雜程度、實際制造成本、普適性等方面都需要進一步地優化。

因此，如何提供一種新型光電二極管結構、制備方法及電路結構，以解決現有技術中的上述問題實屬必要。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種新型光電二極管結構、制備方法及電路結構，用于解決現有技術中內部電荷轉移時間、效率以及光生電荷收集難以得到有效改善等問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種新型光電二極管結構，所述光電二極管結構包括：

第一摻雜類型的襯底，所述襯底具有第一摻雜濃度；

第二摻雜類型的功能摻雜區，形成在所述襯底中，所述功能摻雜區的摻雜濃度分布為非均勻摻雜，以在所述功能摻雜區形成電勢梯度；

第一摻雜類型的表面摻雜區，自所述功能摻雜區的上表面形成在所述功能摻雜區中，且所述表面摻雜區具有第二摻雜濃度；

柵極結構，位于所述襯底上；以及

第二摻雜類型的輔助摻雜區，形成在所述功能摻雜區中，并連接所述柵極結構與所述功能摻雜區，且所述輔助摻雜區與所述表面摻雜區之間具有間距，所述輔助摻雜區的摻雜濃度大于所述功能摻雜區的摻雜濃度。

可選地，所述表面摻雜區及所述輔助摻雜區的形狀均包括環形，所述柵極結構位于所述輔助摻雜區構成環形結構內，且所述柵極結構呈環形設置，環形的所述柵極結構內對應的所述功能摻雜區中還形成有內部摻雜區，所述內部摻雜區與所述輔助摻雜區的摻雜類型及摻雜濃度均相同。