CN1901239A - 低寄生电容结构的贯穿式光电二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种贯穿式(reach－through)光电二极管，具有一活动区接线垫(active bonding pad)，形成在光学活动区之上以降低接线垫与基板间的寄生电容。此光电二极管结构的特征为基板的背面有部份被蚀刻除去以在光学活动区下蚀刻一沟槽(grove)以形成一悬浮鼓膜(floating membrane)。该悬浮鼓膜被移除的厚度为合于二极管接面的贯穿空乏区(depletion)的条件，因而，此被移除的基板的串联电阻可完全被消除，以增进频宽及灵敏度。除悬浮鼓膜结构之外，此组件的特征为在凹陷的沟槽空间内重新以任何固体物质填入以在封装时增强悬浮鼓膜的强度。另外，此组件再一特征为具有一未蚀刻的台座(stand)在主动接线垫正下方的位置，以在打线时支持鼓膜免于破裂。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管构造的改良，尤其涉及减少发光二极管的串联电阻及寄生电容而在基板上蚀刻一凹沟(grove)，使二极管的接面形成悬浮鼓膜而消除串联电阻之结构上的改良。
背景技术
现代光电二极管(photodiode)大量用于高速的光通信中。此一应用对光电二极管的性能的两个重要指针为频宽及灵敏度。此两个要素因存在于光电二极管内的寄生电容(parasitic capacitance)及基板的串联电阻而严重降低其品质。先前曾有许多高速光电二极管的设计并商品化的产品。其中之一构造如图1所示，图1为先前技术被普遍应用的PIN光电二极管的构造示意图。此二极管有一宽的空乏区(depletion region)，如图1中的空乏区11，此区亦称为空间电荷区(space charge region)是由接近本质(intrinsic)掺杂浓度的高电阻系数的基板在二极管逆向偏压时产生。在空间电荷区的上下两侧，有重掺杂的P+型区15及N型基板区12、保护层16及活性区接线垫13。在N型基板区12上镀上下电极14。所显示的PIN二极管，下层的基板为N型，如图1所示。但亦可用P型基板，而上层为重掺杂的N+型。为求降低二极管的接面电容(junction capacitance)，应有较宽的空乏区，因而需使用具较高的电阻系数的基板供制造光电二极管。然而此却形成不想要的附加串联电阻Rs而减少频宽的性能。若基板太厚，使贯穿式构造的基板上在空乏区之下仍有中性区而形成串联电阻RS，使光电二极管的性能降低，如图1所示。
请参考图2，图2为显示光电二极管及相接的转移阻抗放大器(trans-impedance amplifier，TIA)的等效电路图。串联电阻RS，TIA的输入阻抗RA，二极管的空乏区电容及其寄生电容CP皆构成光电响应的RC时间延迟(time delay)。通常为考虑频宽，在TIA内，RA设计为最小，因此若二极管的串联电阻RS较大时，RC时间延迟将严重影响频宽品质。如图2所示，于高频时，大的串联电阻将阻碍光感应电流流入TIA的输入端供信号放大，反而易于旁路至对光检测无用的寄生电容上，因此在制造高速及灵敏度高的光电二极管，不但要降低二极管的电容，亦需减少在基板中性区的串联电阻至所需的极小值，以供实际应用。
通常一半导体晶圆有数百微米厚，甚难在PIN二极管的整个基板上获得完全空乏。除非偏压至数百伏特。但高偏压并不为商品化的集成电路所接受，一般皆偏压低于10伏特。为使此组件在低偏压时能够完全空乏，使载电子能够完全为空乏区内的内建电场(build-in field)所带动而达加速的目的，此本质半导体基板必需予以磨薄至小于100微米的厚度。
然而，整片磨薄晶圆至此厚度将使其在目前的制程技术在搬运处理时易于碎裂。
此困难的解决的方法如图3所示的先前例示技术的光电二极管。于此一贯穿式结构，此光电二极管在面向整个光学活性区(active region)的上表面以金属接触31为罩幕作选择性蚀刻，以除去P+层34及本质掺杂的基板35直到剩下贯穿厚度之处为止。为使相应于外部接线的寄生电容减至极小，初期技术利用一金属针尖32触及活性区，在偏压下入射光33照射产生光电流，如图3所示。于此一构造，串联电阻几被消除，RC时间延迟被极小化而最大的传送极限速度(transit-limited speed)可以获得，亦即，此速度仅计及光感电荷飞越空间电荷区的时间。
然而，前述组件的构造甚难以现有的自动打线设备大量封装。本发明即为克服上述的困难而提出一种新的光电二极管的构造。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，在基板的背面蚀刻一沟槽，除去光学活性区下面除贯穿区以外多余的基板，使其串联电阻完全被消除，以增进频宽及灵敏度的性能。
本发明的另一目的在于提供一种减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，在光学活性区之上形成一活性区接线垫，利用其较小的接触面积，以减少杂散电容而增进光电二极管的速度。
本发明的再一目的在于提供一种减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，于蚀刻的沟槽内填入固体物质，以增进光电二极管的强度，于打线封装时免于破裂。
为达成上述目的及其它目的，本发明的第一观点在于说明一种减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管(photodiode)的构造，至少包含：一高电阻系数的第一型硅基板(Substrate)，具有接近本质掺杂(intrinsic doping)的高电阻系数；一空间电荷区(space charge region)，为加电压后产生的贯穿空乏区(reach-through depletion region)；一第二型掺杂层，由离子布植或扩散形成的重掺杂区，作为二极管的上电极(活性电极)；一保护层(passivation layer)，覆盖二极管形成保护及绝缘，其中有一接触孔(contacthole)；一活性区接线垫(active bonding pad)，供打线(wire bond)之用；一背面蚀刻区，自背面选择性蚀刻基板正对活性区(active region)到达空乏区的贯穿(reach through)厚度之处以形成悬浮鼓膜(floating membrane)结构；一背面电极(bottom contact)，形成在前述背面蚀刻区；其特征为：该背面蚀刻区为正对活性区到达贯穿空乏区的贯穿厚度之处形成悬浮鼓膜结构，以减少光电二极管导通时的串联电阻；该活性区接线垫位于光学活性区域(active area)内直接与该上电极接触，使接线垫与基板间的寄生电容减至最小，以提高该光电二极管的速度、频宽及灵敏度。
本发明的第二观点在于说明一种减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，于该背面蚀刻沟槽的该活性区接线垫的正下方留有一台座(stand)，以增强活性区接线垫下面的强度，供封装时平衡打线所承受的压力。
本发明的第三观点在于说明一种减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，该背面蚀刻沟槽以固体材料填充以增强该鼓膜的强度以承受封装时施加的压力。
本发明的以上及其它目的及优点参考以下的参照图标及最佳实施例的说明而更易完全了解。
附图说明
图1为先前技术被普遍应用的PIN光电二极管的构造示意图。
图2为显示光电二极管及相接的转移阻抗放大器(trans-impedanceamplifier，TIA)的等效电路图。
图3为先前技术的例示性技术的光电二极管。
图4为依据本发明的一实施例的高速光电二极管的构造。
图5为依据本发明的另一实施例的高速光电二极管的构造图。
图6为依据本发明的又一实施侧的高速光电二极管的构造图。
主要元件符号说明
11空乏区 12N型基板区
13活性区接线垫 14下电极
15重掺杂的P+型区 16保护层
31金属接触 32金属针尖
33入射光 34P+层
35基板 41活性区接线垫
42上电极 43贯穿空乏区
44下电极 45贯穿空乏区的下表面
46保护层 47台座
48固体材料 49沟槽
具体实施方式
本发明的内容可经由下述实施例配合其相关图式的阐述而予揭示。参考图4，图4为依据本发明的一实施例的高速光电二极管的构造。此光电二极管制作在一硅基板12上，硅基板12为例如具有高电阻系数的N型硅芯片，但亦可为P型，其掺杂低至接近本质半导体的程度，使贯穿空乏区可更深以减少接面电容。在每一光电二极管的活性区(active region)上以扩散或离子布值形成一重掺杂(heavily doped)的P+层以形成上电极42，而与N型基板形成PN接面。然后镀上一层保护层(passivation glass)或绝缘层46，在活性区内将保护层46开一接触窗并以金属形成一活性区接线垫41，此活性区接线垫供打线连接至外部电源。然后在芯片的每一光电二极管的活性区的正下方以选择性蚀刻形成一沟槽49，直到预计的贯穿空乏区43的厚度之下。此厚度视应用时所加电压的贯穿深度而定，如此使主动区形成一悬浮鼓膜的构造。为在接线垫41上打线时增加承受力，在接线垫41正下方另留在一台座(supporting stand)47。然后于贯穿空乏区43的下表面45镀一层金属形成下电极44。在外加电压加于上电极42至下电极44时，光电二极管的基板因掺杂浓度低，其空乏区甚厚而抵达下电极，谓之贯穿(reach-through)，因其完全贯穿，故串联电阻几乎不存在，仅在台座47有串联电阻，但电流必从台座47两侧流出而不经由台座47，故串联电阻可以极小化，又活性区接线垫41位于活性区之上，且其面积小，可减少寄生电容，因而本发明的光电二极管的构造具有小寄生电容及极小的串联电阻，可增进二极管的操作速度，提增进频宽及灵敏度。为本发明的一大优点。
参考图5，图5为依据本发明的另一实施例的高速光电二极管的构造图。此图与图4构造不同之处为沟槽49形成在活性区的正下方而不留有台座。为加强封装时在活性区接线垫上打线的承受力及增进二极管的平坦性而利于切割成晶粒，在沟槽49内回填固体材料48例如聚亚醯胺(polyimide)、光阻(photoresist)或其它聚合物(polymer)以增强在活性区形成的悬浮鼓膜的强度及平整度，且用以承受打线时的压力。
图6为依据本发明的又一实施例的高速光电二极管的构造图。此图与图5构造不同之处为沟槽49内在正对活性区接线垫41正下方有一台座47，但仍可在沟槽49内回填固体材料例如聚亚醯胺、光阻或其它聚合物，以增强在活性区形成的悬浮鼓膜的强度及平整度。
通过以上较佳的具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本创作的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实例来对本发明的范畴加以限制。相反的，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范畴内。
Claims (10)
1.一种减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，至少包含：
一片高电阻系数的第一型硅基板，具有接近本质掺杂的高电阻系数；
一个空间电荷区，为加电压后产生的贯穿空乏区；
一层第二型掺杂层，由离子布植或扩散形成的重掺杂区，作为二极管的上电极；
一层保护层，覆盖二极管形成保护及绝缘，其中有一接触孔；
一个活性区接线垫，供打线之用；
一个背面蚀刻区，自背面选择性蚀刻基板正对活性区到达空乏区的贯穿厚度之处以形成悬浮鼓膜结构；
一个背面电极，形成在前述背面蚀刻区；
其特征为：
该背面蚀刻区为正对活性区到达贯穿空乏区的贯穿厚度之处形成悬浮鼓膜结构，以减少光电二极管导通时的串联电阻；
该活性区接线垫位于光学活性区域内直接与该上电极接触，使接线垫与基板间的寄生电容减至最小，以提高该光电二极管的速度、频宽及灵敏度。
2.如权利要求1所述的减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，其特征在于，该第一型硅基板为N型。
3.如权利要求1所述的减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，其特征在于，该第二型掺杂层为P型。
4.如权利要求1所述的减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，其特征在于，该第一型硅基板为P型。
5.如权利要求1所述的减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，其特征在于，该第二型掺杂层为N型。
6.如权利要求1所述的减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，进一步包含：
于该背面蚀刻沟槽的该活性区接线垫的正下方留有一台座，以增强活性区接线垫下面的强度，供封装时平衡打线所承受的压力。
7.如权利要求1或6所述的减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，进一步包含：
该背面蚀刻沟槽以固体材料填充以增强该悬浮鼓膜的强度以承受封装时施加的压力。
8.如权利要求7所述的减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，其特征在于，该固体材料为聚亚醯胺。
9.如权利要求7所述的减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，其特征在于，该固体材料为光阻。
10.如权利要求7所述的减少串联电阻的PIN贯穿式光电二极管的构造，其特征在于，该固体材料为聚合物材料。
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| CNA2005100854370A CN1901239A (zh) | 2005-07-18 | 2005-07-18 | 低寄生电容结构的贯穿式光电二极管 |
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