TWI881271B - 光感測元件及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種光感測元件之製造方法，該方法包括以下步驟：提供待成型結構件，其中待成型結構件包括半導體結構及疊設於半導體結構上之帶通濾波器層；以及沿垂直帶通濾波器層之表面之方向對待成型結構件執行雷射切割製程，以將待成型結構件切割為複數光感測元件，各光感測元件具有複數側壁；其中各側壁藉由該雷射切割製程形成焦灼化表面以阻擋外界光線進入。

Description

光感測元件及其製造方法

本發明係關於一種光感測元件及其製造方法，尤指一種能有效降低雜訊之光感測元件及其製造方法。

習知光感測元件會藉由在收光表面設置帶通濾波器（band pass filter，簡稱BPF）膜層來限定具有特定波段之光線通過，以提供對特定光線之感測功能；同時，帶通濾波器膜層會反射該特定波段以外之光線，以限制其進入光感測元件之光吸收層，進而減少不必要之雜訊產生。

習知光感測元件在成型前，會針對待成型光感測結構件依據執行切割作業，以取得所需尺寸之光感測元件。然而，現行切割作業大多採用鑽石刀切割，使得光感測元件經切割後所形成之側壁成為可透光面。由於該些側壁表面並不存在BPF膜層，一旦光線從任一側壁表面射入元件內部，即會造成該特定波段以外之光線被光吸收層吸收，導致雜訊之產生。如此一來，習知光感測元件之感測準確度或/及效能將受到影響。

因此，如何設計出能改善前述問題之光感測元件及其製造方法以抑制雜訊產生，實為一個值得研究之課題。

本發明之目的在於提供一種能有效降低雜訊之光感測元件之製造方法。

本發明之另一目的在於提供應用前述製造方法製成之光感測元件。

為達上述目的，本發明之光感測元件之製造方法包括以下步驟：提供待成型結構件，其中待成型結構件包括半導體結構及疊設於半導體結構上之帶通濾波器層；以及沿垂直帶通濾波器層之表面之方向對待成型結構件執行至少一雷射切割製程，以將待成型結構件切割為複數光感測元件，各光感測元件具有複數側壁；其中各側壁藉由至少一雷射切割製程形成焦灼化表面以阻擋外界光線進入。

在本發明之一實施例中，焦灼化表面係以碳化物組成。

在本發明之一實施例中，焦灼化表面之碳含量不小於5%，且焦灼化表面之氧含量不小於5%。

在本發明之一實施例中，焦灼化表面至少覆蓋半導體結構之側面位置。

在本發明之一實施例中，半導體結構係以三五族半導體材料製成。。

在本發明之一實施例中，半導體結構係以磷化銦及砷化鎵銦之化合物半導體所組成。

在本發明之一實施例中，至少一雷射切割製程包括第一雷射切割製程、第二雷射切割製程及第三雷射切割製程，且第一雷射切割製程所使用之雷射之輸出功率為0.2-1W，參考頻率為10-18kHz，且移動速度為30-70mm/s。

在本發明之一實施例中，第二雷射切割製程及第三雷射切割製程所使用之雷射之輸出功率為1-5W，參考頻率為8-13kHz，且移動速度為100-180mm/s。

本發明還包括一種使用前述製造方法製成之光感測元件，該光感測元件包括複數側壁、半導體結構及帶通濾波器層。各該側壁形成一焦灼化表面以阻擋外界光線進入。半導體結構包括光吸收層。帶通濾波器層疊設於半導體結構上。

在本發明之一實施例中，帶通濾波器層係以為1520組之矽化氫材料層及二氧化矽材料層之組合堆疊而成。

據此，本發明藉由雷射切割製程將光感測元件切割成型，並使光感測元件之各側壁形成焦灼化表面，以阻擋外界光線自側壁進入光感測元件內之光吸收層，使得光感測元件可降低雜訊之產生。

由於各種態樣與實施例僅為例示性且非限制性，故在閱讀本說明書後，具有通常知識者在不偏離本發明之範疇下，亦可能有其他態樣與實施例。根據下述之詳細說明與申請專利範圍，將可使該等實施例之特徵及優點更加彰顯。

於本文中，係使用「一」或「一個」來描述本文所述的元件和組件。此舉只是為了方便說明，並且對本發明之範疇提供一般性的意義。因此，除非很明顯地另指他意，否則此種描述應理解為包括一個或至少一個，且單數也同時包括複數。

於本文中，用語「第一」或「第二」等類似序數詞主要是用以區分或指涉相同或類似的元件或結構，且不必然隱含此等元件或結構在空間或時間上的順序。應了解的是，在某些情形或組態下，序數詞可以交換使用而不影響本創作之實施。

於本文中，用語「包括」、「具有」或其他任何類似用語意欲涵蓋非排他性之包括物。舉例而言，含有複數要件的元件或結構不僅限於本文所列出之此等要件而已，而是可以包括未明確列出但卻是該元件或結構通常固有之其他要件。

以下請一併參考圖1及圖2，其中圖1為本發明之光感測元件之製造方法之流程圖，圖2為配合圖1之結構製程示意圖。如圖1及圖2所示，本發明之光感測元件之製造方法包括以下步驟：

步驟S1：提供待成型結構件，其中待成型結構件包括半導體結構及疊設於半導體結構上之帶通濾波器層。

首先，本發明藉由半導體製程形成光感測元件之待成型結構件200，以便提供該待成型結構件200進行後續處理步驟。待成型結構件200至少包括半導體結構210及疊設於半導體結構210上之帶通濾波器層220。半導體結構210主要為以半導體材料經由磊晶製程堆疊而成之多層結構。在本發明之一實施例中，半導體結構210係以三五族半導體材料製成，其中各層結構可採用不同之三五族半導體材料之組合，且依據設計需求選擇性地摻雜特定元素以形成具有不同特性半導體材料層，但本發明不以此為限。半導體結構210中包括光吸收層211，光吸收層211用以吸收進入結構內之光線。此外，半導體結構210也可包括以其他材料經由相應製程所形成之層狀結構，例如電極層、絕緣層、抗反射層等。

帶通濾波器層220大致疊設於半導體結構210上。帶通濾波器層220主要用以來限定單一或複數特定波段之光線通過，並阻擋前述特定波段以外（例如所謂之截止帶波段）之光線通過。帶通濾波器層220為以透光材料經由塗覆製程堆疊而成之多層結構。各層結構可採用不同材料之組合，使得帶通濾波器層220依據設計需求形成可通過不同範圍之特定波段之光線之特性，並阻擋不同波段之光線通過。舉例來說，在本發明之一實施例中，帶通濾波器層220包括複數層狀結構，其中複數層狀結構係以15-20組之矽化氫材料層及二氧化矽材料層之組合堆疊而成；也就是說，帶通濾波器層220是以一層矽化氫材料層及二氧化矽材料層為1組，並於陸續堆疊至15-20組後形成帶通濾波器層220，但帶通濾波器層220之層數及材料選擇不以前述內容為限。

步驟S2：沿垂直帶通濾波器層之表面之方向對待成型結構件執行至少一雷射切割製程，以將待成型結構件切割為複數光感測元件；其中各光感測元件具有複數側壁，且各側壁藉由雷射切割製程形成焦灼化表面以阻擋外界光線進入。

於前述步驟S1提供待成型結構件200之後，接著本發明可針對待成型結構件200，沿垂直帶通濾波器層220之表面221之方向執行至少一雷射切割製程，以將待成型結構件200切割為複數光感測元件1；也就是說，每個光感測元件1會包括前述半導體結構210之一部分以及帶通濾波器層220之一部分。被切割成型後之各光感測元件1具有複數側壁，舉例來說，一般被切割後之光感測元件1為矩形體，因此光感測元件1具有4個側壁。而各光感測元件1之尺寸可依據設計需求不同而改變。

由於雷射切割製程是利用高能量聚焦之雷射來針對待成型結構件200執行切割作業，因此於複數光感測元件1之切割成型過程中，藉由高能量之雷射使得各光感測元件1之各側壁產生材質燒結現象而形成焦灼化表面。前述焦灼化表面為一粗糙表面，且焦灼化表面主要係以碳化物組成。也就是說，於各光感測元件1之各側壁可形成一層碳化物層，藉由該碳化物層可吸收照射至側壁之光線，進而提供阻擋外界光線進入之效果。

在本發明之一實施例中，至少一雷射切割製程可包括依序執行之第一雷射切割製程、第二雷射切割製程及第三雷射切割製程。其中，第一雷射切割製程所使用之雷射之輸出功率為0.2-1W，參考頻率為10-18kHz，且移動速度為30-70mm/s；第二雷射切割製程及第三雷射切割製程所使用之雷射之輸出功率為1-5W，參考頻率為8-13kHz，且移動速度為100-180mm/s。藉由該些雷射切割製程所選用之雷射提供足夠之輸出功率、參考頻率配合切割時之移動速度，使得被切割成型之各光感測元件1之各側壁得以形成焦灼化表面，但所選用之雷射參數以及雷射切割製程之執行次數不以此為限。

請參考圖3為本發明之光感測元件之實施例之結構示意圖。本發明之光感測元件係藉由前述光感測元件之製造方法所製成，以下針對本發明之光感測元件之結構作進一步說明。如圖3所示，在本實施例中，本發明之光感測元件1至少包括複數側壁A、半導體結構10及帶通濾波器層20。半導體結構10為本發明之光電二極體結構1之基礎結構件。半導體結構10大致可分為基板11、第一半導體層12、光吸收層13及第二半導體層14。基板11主要以磷化銦（InP）材料製成。第一半導體層12主要以摻雜矽之磷化銦（InP）材料製成。光吸收層13主要以未摻雜之砷化銦鎵（InGaAs）材料製成。第二半導體層14主要以摻雜矽之磷化銦材料製成。其中半導體結構10於基板11之另一側可形成第一電極30，且第一電極30主要以含金（Au）之合金材料製成。

於半導體結構10及帶通濾波器層20之間更可包括保護層40、抗反射層50及第二電極60。保護層40形成於半導體結構10之第二半導體層14之另一側表面上，且保護層40主要以氧化矽（SiO _x）材料製成。抗反射層50形成於保護層40及半導體結構10之第二半導體層14之另一側表面上，且抗反射層50主要以氮化矽（SiN）材料製成。第二電極60與半導體結構10之第二半導體層14保持歐姆接觸，且第二電極60主要以含金材料製成。帶通濾波器層20則形成於抗反射層50及第二電極60上。

當本發明之光感測元件1經由雷射切割製程切割成型後，即會產生複數側壁A，並藉由高能量聚焦之雷射於各側壁A形成焦灼化表面A1。在本實施例中，焦灼化表面A1至少覆蓋半導體結構10之側面位置，也就是針對以三五族半導體材料製成之結構側面形成焦灼化表面A1。在本發明之一實施例中，前述焦灼化表面A1之碳含量不小於5%，且焦灼化表面A1之氧含量不小於5%，使得焦灼化表面A1足以呈現非透光狀態。

據此，照射至本發明之光感測元件1光線僅能經由帶通濾波器層20進入半導體結構10之光吸收層13，使得光吸收層13所接收到之光線大致均為特定波段內之光線；而本發明之光感測元件1藉由焦灼化表面A1之形成能有效減少其他波段之光線自側壁A進入光吸收層13之可能性，以降低雜訊之產生。

請參考圖4為習知光感測元件與本發明之光感測元件之雜訊率測試結果圖。在以下實驗中，光感測元件係以具有帶通濾波器之光感測器為例，將利用習知刀鋸切割製程成型之光感測器作為對照組R1，並將利用本發明之雷射切割製程成型之光感測器作為實驗組R2，比較兩者經測試後之雜訊率。圖4上方表示帶通濾波器所對應之光譜特性圖，其中光感測器之帶通濾波器可允許通過之第1帶通波段區間為1000-1150nm及可允許通過之第2帶通波段區間為1350-1600nm，而帶通濾波器對應之截止帶波段區間為1180-1350nm。圖4下方表示前述對照組R1及實驗組R2所對應之實際光譜特性圖，對照組R1於前述截止帶波段區間所呈現之平均雜訊率大於10%，而實驗組R2於前述截止帶波段區間所呈現之平均雜訊率小於5%。由此可知，相較於習知以刀鋸切割方式製成之光感測器，藉由本發明之製造方法所製成之光感測器明顯可提供較低之平均雜訊率，更能有效減少雜訊之產生。

以上實施方式本質上僅為輔助說明，且並不欲用以限制申請標的之實施例或該等實施例的應用或用途。此外，儘管已於前述實施方式中提出至少一例示性實施例，但應瞭解本發明仍可存在大量的變化。同樣應瞭解的是，本文所述之實施例並不欲用以透過任何方式限制所請求之申請標的之範圍、用途或組態。相反的，前述實施方式將可提供本領域具有通常知識者一種簡便的指引以實施所述之一或多種實施例。再者，可對元件之功能與排列進行各種變化而不脫離申請專利範圍所界定的範疇，且申請專利範圍包含已知的均等物及在本專利申請案提出申請時的所有可預見均等物。

1:光感測元件 10:半導體結構 11:基板 12:第一半導體層 13:光吸收層 14:第二半導體層 20:帶通濾波器層 30:第一電極 40:保護層 50:抗反射層 60:第二電極 200:待成型結構件 210:半導體結構 211:光吸收層 220:帶通濾波器層 221:表面 A:側壁 A1:焦灼化表面 R1:對照組 R2:實驗組 S1~S2:步驟

圖1為本發明之光感測元件之製造方法之流程圖。 圖2為配合圖1之結構製程示意圖。 圖3為本發明之光感測元件之實施例之結構示意圖。 圖4為習知光感測元件與本發明之光感測元件之實際光譜特性圖。

S1~S2:步驟

Claims (10)

1. 一種光感測元件之製造方法，該方法包括以下步驟： 提供一待成型結構件，其中該待成型結構件包括一半導體結構及疊設於該半導體結構上之一帶通濾波器層；以及 沿垂直該帶通濾波器層之表面之方向對該待成型結構件執行至少一雷射切割製程，以將該待成型結構件切割為複數光感測元件； 其中各該光感測元件具有複數側壁，且各該側壁藉由該至少一雷射切割製程形成一焦灼化表面以阻擋外界光線進入。
2. 如請求項1所述之製造方法，其中該焦灼化表面係以碳化物組成。
3. 如請求項1所述之製造方法，其中該焦灼化表面之碳含量不小於5%，且該焦灼化表面之氧含量不小於5%。
4. 如請求項1所述之製造方法，其中該焦灼化表面至少覆蓋該半導體結構之側面位置。
5. 如請求項1所述之製造方法，其中該半導體結構係以三五族半導體材料製成。
6. 如請求項5所述之製造方法，其中該半導體結構係以磷化銦及砷化鎵銦之化合物半導體所組成。
7. 如請求項1所述之製造方法，其中該至少一雷射切割製程包括一第一雷射切割製程、一第二雷射切割製程及一第三雷射切割製程，且該第一雷射切割製程所使用之雷射之輸出功率為0.2-1W，參考頻率為10-18kHz，且移動速度為30-70mm/s。
8. 如請求項7所述之製造方法，其中該第二雷射切割製程及該第三雷射切割製程所使用之雷射之輸出功率為1-5W，參考頻率為8-13kHz，且移動速度為100-180mm/s。
9. 一種使用請求項1至8中任一項所述之製造方法製成之光感測元件，該光感測元件包括： 複數側壁，各該側壁形成一焦灼化表面以阻擋外界光線進入； 一半導體結構，包括一光吸收層；以及 一帶通濾波器層，疊設於該半導體結構上。
10. 如請求項9所述之光感測元件，其中該帶通濾波器層係以15-20組之矽化氫材料層及二氧化矽材料層之組合堆疊而成。