CN101090138A - P+pin硅光电探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种P⁺PIN硅光电探测器，包括下部的N⁺层、中部的非掺杂本征层、上部含有P⁺型浓硼扩散层的硼扩散区，N⁺层的下表面设置有N型欧姆接触层，非掺杂本征层上端设有绝缘层，绝缘层上设置有与所述P⁺型浓硼扩散层接触的P型欧姆接触层，绝缘层上具有一个通过光刻形成的入射光窗口，硼扩散区位于该入射窗口的下方，非掺杂本征层位于N⁺层与硼扩散区之间，所述硼扩散区还包含有一P型淡硼扩散层，该P型淡硼扩散层位于非掺杂本征层与P⁺型浓硼扩散层之间，P⁺型浓硼扩散层的厚度小于P型淡硼扩散层的厚度。本发明减薄了高浓度掺杂层的P⁺型半导体中的死层，并使单位时间内耗尽区内的光生电子—空穴对数目得以增加，使得探测器的响应度得以提高。

Description

P+PIN硅光电探测器

技术领域

本发明涉及一种光电探测器件，具体涉及一种用于提高入射光波长为650nm响应度的P⁺PIN硅光电探测器。

背景技术

光电检测器件用于将光信号转变成电信号，这类器件应用非常广泛。光电探测器由于体积小、噪声低、响应速度快、光谱响应性能好等特点，近年来得到了迅速的发展，广泛用于DVD、CD-ROM等的光学读取，以及光电检测系统、光纤通信领域，同时在军事上也得到广泛的应用。

早期的光电探测器以PN光电探测器为代表，但由于PN光电探测器的耗尽区窄，对光的吸收效率低，因此存在响应速度慢，暗电流大，光电转换效率低的缺点。为克服PN光电探测器不足之处，目前在PN光电探测器的PN结的P型和N型半导体之间加入非掺杂本征层I，构成一种PIN光电探测器。当有光照时，并且PIN光电二极管反向偏压加大到某一定值时，整个非掺杂本征层I成为耗尽区。PIN光电探测器的耗尽区得到拓宽，不仅利于光辐射的吸收，提高了量子效率，也明显地减小了结电容，使电路的时间常数减小，从而减小了器件的响应时间。但对于目前国内多数厂家生产的光电探测器的，在650nm处的响应度都较低，一般的响应度在0.3A/W左右，这些探测器对于目前响应度要求较高的DVD及塑料光纤通信领域不能适用。

对于上述PIN结构的光电检测器，其响应度较低的原因是：由于其P⁺层和N⁺层都为高浓度掺杂层，高浓度的掺杂工艺使得P⁺层内的晶格受到破坏，因此，为高浓度掺杂的P⁺层内存在死层。当入射光照在高浓度掺杂的P⁺层时，由于死层中存在着大量的填隙原子、位错和缺陷，因此死层会使电子-空穴对扩散长度被大大缩短，高浓度掺杂的P⁺层所产生的电子-空穴对因扩散长度短而很快被复合，只有很少的光生电子-空穴对能够进入耗尽区，导致最终形成的光生电流很小，从而造成PIN光电探测器对短波光的响应度低。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种P⁺PIN硅光电探测器，它减薄了高浓度掺杂层的P⁺型半导体中的死层，并使单位时间内耗尽区内的光生电子-空穴对数目得以增加，使得探测器的响应度得以提高。

本发明的目的是这样来实现的：一种P⁺PIN硅光电探测器，包括下部的N⁺层、中部的非掺杂本征层、上部含有P⁺型浓硼扩散层的硼扩散区，N⁺层的下表面设置有N型欧姆接触层，非掺杂本征层上端设有绝缘层，绝缘层上设置有与所述P⁺型浓硼扩散层接触的P型欧姆接触层，绝缘层上具有一个通过光刻形成的入射光窗口，硼扩散区位于该入射窗口的下方，非掺杂本征层位于N⁺层与硼扩散区之间，所述硼扩散区还包含有一P型淡硼扩散层，该P型淡硼扩散层位于非掺杂本征层与P⁺型浓硼扩散层之间，P⁺型浓硼扩散层的厚度小于P型淡硼扩散层的厚度。

采用了上述方案，由于硼扩散区含有P⁺型浓硼扩散层以及P型淡硼扩散层，硼扩散区在总体厚度不变的情况下，由含有P⁺型浓硼扩散层以及P型淡硼扩散层共同组成。当光束照射在P⁺PIN结上，除了P⁺型浓硼扩散层和非掺杂本征层会有电子-空穴对产生外，P型淡硼扩散层中的也会有光生电子-空穴对产生；又由于P⁺型浓硼扩散层的厚度小于P型淡硼扩散层的厚度，硼扩散区中的P⁺型浓硼扩散层相应被减薄，P⁺型浓硼扩散层中所含的死层随P⁺型浓硼扩散层减薄而减薄，因此，光生电子-空穴对复合的机率大大降低，使得单位时间内光生电子-空穴对的数目得以增加。当对P⁺PIN结加上反向偏置电压后，在电场的作用下，硼扩散区的少数载流子在耗尽区中的扩散长度增加，因此，单位时间内在电场作用下在耗尽区内漂移的电子-空穴对数目大大增加。

当光束入射到P⁺PIN结后，探测器中半导体的原子被激发出电子-空穴对，电子-空穴对在内电场的作用下，其中的电子将向N⁺层漂移，而空穴将向P⁺型浓硼扩散层以及P型淡硼扩散层漂移，由于浓硼扩散层中含有的死层被减薄、电子-空穴对在耗尽区中不至于很快被复合，电子-空穴对的漂移长度将大大增加，因此，以使得单位时间内耗尽区中的电子-空穴对数目比普通PIN光电探测器的数目增多，当加上反向偏置电压后，从而使得形成的光电流增强，因此，本发明的光电探测器响应度相应得到提高。

附图说明

图1为本发明的P⁺PIN硅光电探测器的一种优选实施例结构示意图；

图2为本发明的P⁺PIN硅光电探测器中各层掺杂浓度曲线颁布图；

图3为硅的吸收系数与波长的关系示意图；

图4为本发明的P⁺PIN硅光电探测器响应度测试电路示意图；

图5为本发明的P⁺PIN硅光电探测器响应度随波长变化的曲线图；

图6为分析本发明的P⁺PIN硅光电探测器响应速度的高频小信号等效电路。

具体实施方式

参照图1，本发明的P⁺PIN硅光电探测器包括下部的N⁺层2、中部的非掺杂本征层3、上部含有P⁺型浓硼扩散层5的硼扩散区。其中，N⁺层2的下表面设置有N型欧姆接触层1，用于连接外电源的正极，N型欧姆接触层1采用溅射铝(Al)的方法形成。非掺杂本征层3上端设有绝缘层7，绝缘层上设置有与所述P⁺型浓硼扩散层5接触的P型欧姆接触层6，欧姆接触层用于与外电源的负极连接，P型欧姆接触层同样采用溅射铝(Al)的方法形成。绝缘层上具有一个通过光刻形成的入射光窗口8，以使光束能较为集中地入射到P⁺PIN结上。P型欧姆接触层上端面与入射光窗口底部均覆盖一层钝化薄膜9，通过钝化薄膜可以保护P⁺PIN结。硼扩散区位于入射光窗口8的下方，非掺杂本征层3位于N⁺层2与硼扩散区之间，非掺杂本征层的面积大于硼扩散区的面积，有利于P⁺PIN结对光进行吸收。硼扩散区还包含一P型淡硼扩散4层，硼扩散区的P⁺型浓硼扩散层5以及P型淡硼扩散层4，分别从入射光窗口8进行硼离子扩散形成，其中硼扩散区的P⁺型浓硼扩散层5硼离子扩散(掺杂)浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3；P型淡硼扩散层4的扩散浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3(见图2)。P⁺型浓硼扩散层的厚度小于P型淡硼扩散层的厚度，其中P⁺型浓硼扩散层的厚度为0.1μm，P型淡硼扩散层的厚度为0.5μm。P型淡硼扩散层位于非掺杂本征层与P⁺型浓硼扩散层之间。

参照图3，对于上述结构的P⁺PIN硅光电探测器，P型淡硼扩散层4和N⁺层2之间的间距W就决定了非掺杂本征层3的厚度。由于入射光的强度与光的吸收系数成反比，相对于某种材料光存在一个吸收长度L，而L约为吸收系数α的倒数，即L≈1/α，由于光的吸收主要发生在耗尽区，而耗尽区主要集中在本征层中，所以为了让光得到充分的吸收，可以认为W的厚度要大于L。硅对于入射光的波长为650nm而言，α≈5×10³cm^-1，吸收长度L≈2μm，所以W要大于2μm，这样可以保证大部分光可被吸收，而且W的增大，相应地增大了器件的击穿电压，减少了耗尽区的电容，提高了频率特性。但是W的厚度不能过大，W的增大，增大了载流子的漂移时间，会对器件的响应速度降低。因此在保证电容和击穿的情况下，使W达到一定宽度，W应大于2μm，并且实际上应大于d(d≈6μm)小于50μm，这样可以同时兼顾响应速度和光谱响应度。

本发明的P⁺PIN硅光电探测器采用N型硅材料作衬底，在顶层上设置绝缘层7，并光刻一个入射光窗口8，该窗口同时作为硼的扩散窗口，并进行两次硼离子扩散(可以根据时间的长短来控制两次扩散的厚度)。第一次作淡硼扩散，形成P型淡硼扩散层4，然后再进行浓硼扩散，形成P⁺型浓硼扩散层5，扩散结束后再做结的钝化薄膜9、N型欧姆接触1、P型欧姆接触层6，以及背面减薄等工序。芯片尺寸为300μm×300μm，其中光敏面直径为80μm和300μm两种，焊盘直径为50μm。芯片厚度可以根据需要减薄，但最薄不低于180μm。

本发明的工作过程是：当P⁺PIN结上加有反向偏压时，外加电场的方向和空间电荷区里电场的方向相同，外电场使势垒加强，同时，外加电场将空间电荷区里的载流子基本耗尽，形成了一个耗尽区。当光束入射到P⁺PIN结上，且光子能量大于半导体材料的禁带宽度E_g时，可以将电子从价带激发到导带，结果产生一个电子-空穴对。在电场的作用下，耗尽区里的电子将向N⁺区漂移，而空穴将向P⁺区漂移，由于P⁺PIN结构，具有P型淡硼扩散层，减薄了传统PIN结构中的P⁺型浓硼扩散层处的死层，使电子-空穴对在漂移过程中的长度大大增加，而不至于很快被复合，从而产生比PIN结构更大的光生电流。当入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号。

下面通过具体实验分别对本发明的P⁺PIN硅光电探测器响应度及响应速度进行说明：

(1)光谱响应度理论分析

光电探测器的响应度是描述探测器灵敏度的参数量，它表征探测器将入射光信号转换为电信号的能力。响应度Re表示，在一定波长下，入射单位光功率所产生的光电流，即响应度为光流与入射光功率的比值，可由下式给出：

Re＝I_L/P＝(λ/1.24)(1-e^-αw)    ①

式中：P是入射光功率，I_L为光电流，α为吸收系数，W为耗尽层厚度。进一步变换得到：

Re＝I_L/(H_oA)＝ηeλ/hc          ②

式中：H_o为功率密度，A为探测器有效面积，e为电子电量，c为光速，λ为光波长，η为材料的量子效率，h为普朗克常数，理想探测器的向应度Re直接与光波长成正比。目前DVD用的光电探测器波长为650nm，Si在650nm处的量子效率η≈90％。由式②进行理论计算可得到本发明探的测器响应度Re≈0.471A/W。

(2)对本发明的P⁺PIN硅光电探测器光谱响应度进行测试：

采用中心波长为650nm，功率为1mW的激光器进行对光。测试电路部分如图4所示，其中V为高灵敏度、高精度伏特表，图中R为高精度电阻，其阻值为10KΩ。当光照射到光电探测器上将产生光电流，光电流流过电阻产生电压降，所以当电压表读出的数字为10V时，即表示响应度为1A/W。

取其中10个P⁺PIN硅光电二极管作测试，其结果如表1所示，其中第1至5个的光敏面直径为300μm，第6至10个的光敏面直径为80μm。测试响应度随波长变化的曲线如图5所示，测试结果见表1。从表1实验数据可以看出，本发明的P+PIN硅光电探测器对于入射光波长为650nm的响应度有明显提高，即本发明的光电探测器在650nm波段的响应度明显高于一般结构的探测器的0.30A/W。

P+PIN硅光电二极管作测试结果
				序号	响应度(A/W)	暗电流(n/A)	反向击穿电压(V)
1	0.380	5.41	83
				2	0.379	4.20	85
3	0.380	4.56	89
				4	0.373	5.60	85
5	0.382	3.45	85
				6	0.370	0.86	70
7	0.375	1.06	73
				8	0.372	0.89	69
9	0.383	0.79	70
				10	0.365	1.23	69

                              表1

从表1中的测试结果可以看出，虽然本发明的响应度提高，但与理论计算值(0.471A/W)还有一定差距，这与工艺过程有很大关系。封装用镀有650nm波长的增透膜的管帽，管座为金属管座，由于装片是手工操作，会引起放置不平，芯片的光敏面位置无法处在管帽球透镜的焦点上，接收光时会接收不全，导致探测器的响应度降低，造成不能达到理论计算值的因素之一。其次，在制作过程当中出现焊点脱落，以及二次击穿等现象，也会导致探测器的响应度降低。

(3)对本发明的P⁺PIN硅光电探测器响应速度进行说明：

在高频下工作的探测器，PN结电容和负载对其频率特性有着决定性的影响。其高频小信号等效电路如图6所示，其中D为理想二极管，Cj为结电容，Rs为串联电阻，RL为负载阻抗。电路的RC时间常数决定的工作频率为：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}(\mathrm{Rs}+\mathrm{RL})\mathrm{Cj}}$

时间常数越大，探测器的工作频率越低，探测器的频率特性就越差。因此应尽量减小探测器的结电容、串联电阻。在本研究中，分别取光面直径为80μm和300μm各5只作为样管，测得Rs均＜60Ω；用CTG21型高频C2V特性测试仪测量了上述10只样管的结电容，其Cj值均＜5pF；负载阻抗RL通常为对PIN光电探测器的电流信号进行放大的前置放大器的输入阻抗，这种放大器的阻抗通常为几至几十欧姆(如50Ω)。因此，由式下列式子进行计算得：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}(\mathrm{Rs}+\mathrm{RL})\mathrm{Cj}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}(60+50)\×5\×{10}^{-12}}\≈289\mathrm{MHz}$

由上述结果可以得出，本发明P⁺PIN硅光电二极管具有较好的频率特性，对于一般工作频率为40MHz的DVD完全适合，并且有很大的裕量，同时也满足650nm高速塑料光迁通信的要求。

根据上述测试及分析结果，本发明的P⁺PIN硅光电探测器响应度比普通PIN光电二极管有了明显的提升，并且生产成本低廉，能够适用于DVD及塑料光纤通信领域。

Claims (5)

1.一种P⁺PIN硅光电探测器，包括下部的N⁺层、中部的非掺杂本征层、上部含有P⁺型浓硼扩散层的硼扩散区，N⁺层的下表面设置有N型欧姆接触层，非掺杂本征层上端设有绝缘层，绝缘层上设置有与所述P⁺型浓硼扩散层接触的P型欧姆接触层，绝缘层上具有一个通过光刻形成的入射光窗口，硼扩散区位于该入射窗口的下方，非掺杂本征层位于N⁺层与硼扩散区之间，其特征在于：所述硼扩散区还包含有一P型淡硼扩散层，该P型淡硼扩散层位于非掺杂本征层与P⁺型浓硼扩散层之间，P⁺型浓硼扩散层的厚度小于P型淡硼扩散层的厚度。

2.根据权利要求1所述的P⁺PIN硅光电探测器，其特征在于：所述硼扩散区的P⁺型浓硼扩散层的厚度为0.1μm，P型硼扩散区的淡硼扩散层的厚度为0.5μm。

3.根据权利要求1所述的P⁺PIN硅光电探测器，其特征在于：所述P型欧姆接触层表面与入射光窗口底部覆盖一层钝化薄膜。

4.根据权利要求1所述的P⁺PIN硅光电探测器，其特征在于：所述绝缘层是通过氧化生成的SiO₂薄膜层。

5.根据权利要求1所述的P⁺PIN硅光电探测器，其特征在于：所述非掺杂本征层的面积大于硼扩散区的面积。

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