CN102956652A - 光电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电传感器，其包括基于CMOS工艺的平面光波导及以集成电路实现的传感器，所述平面光波导及传感器集成在一芯片上，所述平面光波导设置在金属布线层上，所述传感器的感光元件用于响应所述平面光波导传导的光信号。本发明通过采用标准CMOS工艺制作平面光波导，然后将平面光波导与以集成电路实现的传感器制作在同一块芯片上，实现了平面光波导与传感器片上集成，因而体积小，能把入射的信号光更好地聚集到传感器的感光元件上，从而提高了传感器的量子效率，探测灵敏度及光学性能，其制作工艺简单，便于集成，解决了光电传感器难以同时集成复杂的光电性能在单一芯片上的问题，成本低，便于大规模产业化制作。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种光电传感器。
背景技术
作为半导体工艺的一种，CMOS工艺具有功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、集成度高等众多优势，因此在当今的半导体制造工业中已经成为大规模集成电路的主流工艺。随着半导体工艺尤其是CMOS工艺的快速发展，单个芯片上晶体管的数量正成几何级数不断增长，芯片这一按比例缩小的趋势使得芯片在高度集成化的同时拥有了更多、更复杂的功能。自20世纪90年代以来，集成电路、微处理器的芯片制造工艺已从“微米级”、“深亚微米级”进入到“纳米电子级”的系统单芯片时代，在一个芯片上，可以集成包括CPU、DSP、逻辑电路、模拟电路、射频电路、存储器和其他电路模块及嵌入软件等，并相互连接构成完整的系统。
光传感技术作为信息科学技术的一个重要分支，在光通信、工业过程控制、环境监测和国家安全等众多方面都有着十分重要的应用。光传感技术可以解决电传感技术存在的灵敏度低、易受干扰、感应时间较长、检测某些化学气体不安全等方面的问题；相比之下，光传感器具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰能力强、便于集成、可在线检测等众多优点。因此在传感领域中，光传感占有越来越重要的地位。
近年来，作为传感器技术中十分重要的一员，光传感器已广泛应用在各个行业。目前，光传感器主要有基于光纤、光栅和平面光波导等几种类型：与平面波导光传感器相比，光纤传感器处理工艺相对复杂，且无法实现芯片级集成，而平面光波导以制作简单、易于集成等优势具有很大发展潜力。尽管目前的光传感技术正在快速发展，在设计上却一直没有重大的突破。由于受到光学器件尺寸和材料的限制，平面光传感系统的制备通常需要复杂的加工工艺流程，如光刻、电子束刻蚀或者纳米压印技术，且难以同时集成复杂的光电性能在单一芯片上，不便于实现大规模产业化制作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的不足，提出一种光电传感器，其提高了传感器的量子效率，探测灵敏度及光学性能，体积小，制作工艺简单，成本低，便于大规模产业化制作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提出一种光电传感器，其包括基于CMOS工艺的平面光波导及以集成电路实现的传感器，所述平面光波导及传感器集成在一芯片上，所述平面光波导设置在金属布线层上，所述传感器的感光元件用于响应所述平面光波导传导的光信号。
进一步地，所述平面光波导设置有外层及内层，所述外层包覆所述内层。
进一步地，所述外层设置有N+埋层、重掺杂的深N阱、氧化层和钝化层，所述N+埋层位于所述内层的一侧，所述深N阱、氧化层和钝化层位于所述内层的另一侧。
进一步地，所述内层为轻掺杂的P+外延层。
进一步地，所述平面光波导还包括P型硅衬底，在所述P型硅衬底上通过N+离子注入形成所述N+埋层。
进一步地，所述N+埋层上方通过等离子溅射形成所述内层。
进一步地，所述P+外延层上通过氮化硅掩蔽和离子注入形成两个所述重掺杂的深N阱，所述两个重掺杂的深N阱位于所述P+外延层的两端。
进一步地，所述P+外延层和深N阱上方生长形成所述氧化层，所述氧化层上方生长形成所述钝化层。
进一步地，所述传感器是CMOS传感器。
进一步地，所述CMOS传感器设置有若干像素结构，每一像素结构设置有顺秩电连接的光电二极管、放大器及场效应管，所述场效应管的源极与列线相连，所述场效应管的栅极与行线相连。
综上所述，本发明光电传感器通过采用标准CMOS工艺制作平面光波导，然后将平面光波导与以集成电路实现的传感器制作在同一块芯片上，实现了平面光波导与传感器片上集成，因而体积小，能把入射的信号光更好地聚集到传感器的感光元件上，从而提高了传感器的量子效率，探测灵敏度及光学性能，其制作工艺简单，便于集成，解决了光电传感器难以同时集成复杂的光电性能在单一芯片上的问题，成本低，便于大规模产业化制作。
附图说明
图1为本发明光电传感器的结构示意图。
图2至图7为本发明平面光波导的制作流程图。
图8为本发明传感器的像素结构的电路图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述：
请参阅图1，本发明光电传感器包括基于CMOS工艺的平面光波导1及以集成电路实现的传感器2，所述传感器2的感光元件用于响应所述平面光波导1传导的光信号。所述平面光波导1及传感器2集成在一芯片上，所述平面光波导1设置在金属布线层上，所述平面光波导1通过光栅耦合光信号进入所述传感器2中。将基于CMOS工艺的平面光波导1与传感器2集成在同一芯片上，从而在很大程度上降低外部的干扰，可以提高光电性能，同时降低传感器2的生产成本，便于大规模产业化制作。
请参阅图2至图7，所述平面光波导1包括P型硅衬底11、内层及外层，所述内层为轻掺杂的P+外延层13。所述外层包覆所述内层，所述外层设置有N+埋层12、重掺杂的深N阱15、氧化层16和钝化层17，所述N+埋层12位于所述内层的一侧，所述深N阱15、氧化层16和钝化层17依秩设置并位于所述内层的另一侧。在本实施例中，所述P型硅衬底11的厚度为250μm，离子注入形成的重掺杂N+埋层12的掺杂浓度为1020/cm3，厚度为10μm，通过等离子溅射形成的轻掺杂P+外延层13的掺杂浓度为1016/cm3，厚度为2μm，通过离子注入形成的重掺杂的深N阱15的注入浓度为1020/cm3，注入深度为1μm，氧化层16的和钝化层17生长厚度分别为μm和10μm。
所述平面光波导1的制造工艺流程如下：首先在P型硅衬底11上通过N+离子注入，形成重掺杂的N+埋层12；然后通过等离子溅射，在重掺杂的N+埋层12上方生长一层轻掺杂的P+外延层13；随后利用氮化硅掩蔽层14的掩蔽和离子注入，在P+外延层13上形成两个重掺杂的深N阱15，所述两个重掺杂的深N阱15位于所述P+外延层13的两端；接着在所述P+外延层13和深N阱15上方生长有源区氧化层16；再利用氮化硅掩蔽层14掩蔽重掺杂的深N阱15区，生长场氧化层16，便形成光波导。
请参阅图1及图8，所述传感器2是CMOS传感器，所述CMOS传感器2设置有若干像素结构，每一像素结构设置有顺秩电连接的光电二极管LED、放大器A及场效应管T，所述场效应管T的源极与列线b相连，所述场效应管T的栅极与行线a相连。行线a及列线b与其它部分的连接为现有技术，在此不再赘述。
所述光电二极管LED作为所述CMOS传感器的感光元件，该感光元件由半导体制成。半导体是介于导体和绝缘体之间的物质，它与金属的重大区别在于在被电子完全充满的价带(Evb)顶和未充满或半充满的导带(Ecb)底之间存在一带隙(Ebg)，使得价带电子态与导带电子态之间的相互作用减弱。正是由于半导体带隙的存在使得其具有特殊的光电化学性质，受到光激发后半导体的价带电子吸收光能进入导带并在价带中留下空穴，从而产生光生自由载流子对-电子空穴对，电子空穴对一经分离便可形成光电压，并在外电路形成光电流。在测量范围内传感器2的输出光电流通常与待测量存在一定的线性关系，因此通过测量光生电流便可检测待测量。
CMOS传感器2获得广泛应用的一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。像素灵敏度的一个衡量尺度是填充因子(感光面积与整个像素面积之比)与量子效率(由轰击屏幕的光子所生成的电子的数量)的乘积。CCD传感器2因其技术的固有特性而拥有一个很大的填充因子，而在CMOS传感器2中，为了实现堪与CCD转换器相媲美的噪声指标和灵敏度水平，通常的做法是给CMOS传感器2装配了有源像素结构，其导致填充因子降低，原因是像素表面相当大的一部分面积被放大器A所占用，留给光电二极管LED的可用空间较小。本发明通过所述平面光波导1把入射的信号光更好地聚集到传感器2的感光元件上，即光电二极管LED上，因而提高了传感器2的量子效率，从而提高了像素灵敏度。
综上所述，本发明光电传感器2通过采用标准CMOS工艺制作平面光波导1，然后将平面光波导1与以集成电路实现的传感器2制作在同一块芯片上，实现了平面光波导1与传感器2片上集成，因而体积小，能把入射的信号光更好地聚集到传感器2的感光元件上，从而提高了传感器2的量子效率，探测灵敏度及光学性能，其制作工艺简单，便于集成，解决了光电传感器2难以同时集成复杂的光电性能在单一芯片上的问题，成本低，便于大规模产业化制作。
上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，例如，将所述CMOS传感器2替换为光电化学型半导体生物传感器2，利用半导体的光电特性来检测与光生电流或光生电压相关的生化反应中的离子浓度及生物过程相关参数，如pH、O2、CO2、血糖和神经细胞活动电压等。这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光电传感器，其特征在于：包括基于CMOS工艺的平面光波导及以集成电路实现的传感器，所述平面光波导及传感器集成在一芯片上，所述平面光波导设置在金属布线层上，所述传感器的感光元件用于响应所述平面光波导传导的光信号。
2.根据权利要求1所述的光电传感器，其特征在于：所述平面光波导设置有外层及内层，所述外层包覆所述内层。
3.根据权利要求2所述的光电传感器，其特征在于：所述外层设置有N+埋层、重掺杂的深N阱、氧化层和钝化层，所述N+埋层位于所述内层的一侧，所述深N阱、氧化层和钝化层位于所述内层的另一侧。
4.根据权利要求2或3所述的光电传感器，其特征在于：所述内层为轻掺杂的P+外延层。
5.根据权利要求3所述的光电传感器，其特征在于：所述平面光波导还包括P型硅衬底，在所述P型硅衬底上通过N+离子注入形成所述N+埋层。
6.根据权利要求3所述的光电传感器，其特征在于：所述N+埋层上方通过等离子溅射形成所述内层。
7.根据权利要求4所述的光电传感器，其特征在于：所述P+外延层上通过氮化硅掩蔽和离子注入形成两个所述重掺杂的深N阱，所述两个重掺杂的深N阱位于所述P+外延层的两端。
8.根据权利要求4所述的光电传感器，其特征在于：所述P+外延层和深N阱上方生长形成所述氧化层，所述氧化层上方生长形成所述钝化层。
9.根据权利要求1至3任一项所述的光电传感器，其特征在于：所述传感器是CMOS传感器。
10.根据权利要求1至3任一项所述的光电传感器，其特征在于：所述CMOS传感器设置有若干像素结构，每一像素结构设置有顺秩电连接的光电二极管、放大器及场效应管，所述场效应管的源极与列线相连，所述场效应管的栅极与行线相连。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHENZHEN GUANGQI INTELLIGENT PHOTONICS TECHNOLOGY Free format text: FORMER OWNER: SHENZHEN KUANG-CHI INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY Effective date: 20150715 Free format text: FORMER OWNER: SHENZHEN KUANG-CHI INNOVATION TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20150715 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20150715 Address after: 518000 Guangdong city of Shenzhen province Futian District Shennan Road and CaiTian Road intersection East Xintiandi Plaza C block 2007-27 Applicant after: Shenzhen Guang Qi intelligent photonic Technology Co., Ltd. Address before: 518000 Nanshan District City, Guangdong province high tech Zone in the middle of a high tech building, No. 9 software building Applicant before: Shenzhen Kuang-Chi Institute of Advanced Technology Applicant before: Shenzhen Kuang-Chi Innovation Technology Co., Ltd. |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130306 |