[发明专利]INGAAS光电二极管阵列

说明书

技术领域

本发明涉及光电二极管阵列，并且更具体地涉及基于铟镓砷化物（InGaAs）和磷化铟（InP）的光电二极管阵列，以及其制造工艺。

背景技术

用于由具有小带隙的半导体材料制成光电二极管（经常用于红外光检测）的方法之一包括在两个大带隙半导体材料之间插入检测有源小带隙层。两个大带隙半导体层为有效保护/钝化，同时保持对预期被光电二极管检测到的辐射的波长透明。

并且，通过合适的掺杂，在有源层和两个保护/钝化层之间的两个异质结限制有源检测层中的光电荷，并因此提高了内置光电二极管的量子产率。

InGaAs光电二极管为这种临界结构的典型示例。由InGaAs材料组成的检测有源层可具有根据InGaAs中的铟和镓的组分可调节的带隙，对于在大约1.4到3μm的SWIR（短波红外线）带中操作很理想。

磷化铟和铟镓砷化物具有相同的面心立方晶体结构。最常用的组分为In_0.53Ga_0.47As。晶格尺寸然后与InP衬底的晶格尺寸相匹配，特别是晶格参数。这种晶体兼容性允许在InP衬底上通过外延生长优良品质的有源InGaAs层。In_0.53Ga_0.47As的带隙为大约0.73eV，能够检测到SWIR带中高达1.68μm的波长。它具有在诸如光谱测定、夜视、废塑料的分拣等应用的领域中不断增长的好处。

保护/钝化层两者通常由InP制成。尤其由于组分In_0.53Ga_0.47As具有与InP相同的晶格尺寸，这允许从室温开始的非常小的暗电流。

图1示出了光电二极管的阵列1的物理结构。由InGaAs组成的有源层5夹在两个InP层之间。下层实际上形成衬底4，在衬底4上通过复杂的MO-CVD外延形成InGaAs层。然后，该InGaAs层通过由InP组成的薄钝化层6保护，薄钝化层6也通过外延沉积。InP层通常为N型，采用硅掺杂。InGaAs的有源层5可轻微n掺杂或保持准本征。因此，下/上InP层和有源InGaAs层5两者形成该阵列中的光电二极管的共阴极。

通过锌（Zn）的局部扩散形成单独的阳极3。掺杂剂Zn穿过薄钝化InP层6并且穿透有源InGaAs层5。

图2示出了由InGaAs发光二极管的阵列1组成的InGaAs图像传感器，阵列1与读出电路2按照倒装模式连接。在InGaAs阵列传感器中，发光二极管阵列连接至通常由硅制成的读出电路，以读取通过InGaAs光电二极管产生的光电信号。如图2所示，该互连通常通过倒装工艺经由铟珠7实现。SWIR辐射9通过在该光带中透明的磷化铟衬底4到达光电二极管阵列上。

通过在集成模式下操作的检测器，获得与通量和曝光时间的乘积成比例的输出信号。然而，输出信号受到传感器的最大集成能力限制。对于高对比度的场景，往往不能够获得暗区的良好呈现并同时保持明亮区域没有任何饱和度。这个问题对夜视更为严重，具有InGaAs光电二极管的阵列传感器通常设计用于夜视。

通过文献EP1354360大体上提出并且通过本文所附附图的图3从其原理示出光电二极管读取光电信号的另一种方式。文献EP1354360提出光电二极管的太阳能电池操作模式，以便获得相对于入射光辐射59的强度的对数响应。

在该操作模式下，光电二极管51不接收任何外部偏置并且它通过在其结中产生的光电荷正向偏置。在光电二极管上观察到的直接偏置电压与入射光通量的对数成比例。

该对数响应提供在没有任何电和光调节的情况下覆盖对于在自然户外条件下使用SWIR InGaAs传感器不可缺少的超过120dB的操作动态范围的可能性。文献EP1354360还提出开关读出电路55与光电二极管的关联。

如图3所示的图像传感器的使用的原理如下：

a）启用选择信号SEL以通过闭合开关54选择所需光电二极管51。一旦选择了该光电二极管，则启用第一读出信号RD1，该第一读出信号RD1将闭合对应的受控开关，以将来自存储器56中的第一读出的电压存储到存储器中。该第一读出记录图像和固定空间噪声。

b）然后启用复位信号RSI，该信号将使得开关53闭合。因此，光电二极管51被短路，从而模拟在绝对黑暗中的参考图像。

c）接着禁用第一读出信号RD1，以重新断开对应的开关并然后启用第二读出信号RD2，以将第二读出的电压记录到存储器元件57中。因此，固定空间噪声被单独存储在存储器中。