CN105742397B - 一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的光电二极管，可以扩展光的吸收波段，完成从可见光到红外光波段(400nm～1350nm)的探测，且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm两个重要波段均具有较高响应性。其结构包括：含一个开口的重掺杂N型Si衬底，N型Si衬底上依次层叠有轻掺杂N型Si外延层、重掺杂P型Si、以及由本征Ge缓冲层和在其之上的重掺杂P型Ge构成的台面结构，台面上依次层叠有二氧化硅介质层和钝化层。在N型Si衬底背面设置有金属接触阴极VR，在重掺杂P型Si上设置有第一金属接触阳极VAF，在重掺杂P型Ge上设置有第二金属接触阳极VAS，轻掺杂N型Si外延层背面设置有抗反射层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别是一种光电二极管。
背景技术
在光纤通信系统中，光电探测器是必不可少的关键器件之一。0.8μm～0.9μm波段的短距离、高密度光纤通信系统、数据传输系统，常采用Si单晶衬底或GaAs基PIN光电探测器、雪崩光电探测器与硅前置放大器混合集成的光接收器。而1.06μm～1.55μm波段光纤通信网，则通常采用Ge单晶衬底或InP基PIN光电探测器、雪崩光电探测器与硅前置放大器混合集成的光接收器。
硅光电二极管作为其中一个重要分支，因其光谱响应良好、噪声低、寿命长和与CMOS工艺兼容性高等特点被广泛的应用在可见光探测和成像领域。其中，PIN硅光电平面二极管作为最常用的光电探测器之一，具有快速、室温、廉价、坚固、灵敏度高、量子效率高、体积小、重量轻、可靠性好、使用方便等特点。但是由于能带结构的固有特性，Si单晶材料对近红外光存在吸收系数低、吸收长度长、对1.1μm以上波段没有响应等问题。
Ge材料由于其具有比Si材料高的电子和空穴迁移率，与硅工艺兼容等优点，成为研究的热点。另外，Ge的带隙宽度小于Si，室温下为0.67eV，对通信波段1.3～1.6μm的光具有较高的吸收系数，可以提供在近红外波段的高响应性。因此，在Si基上外延Ge材料对光电集成具有重要的现实意义。而且，近年来，通过缓冲层技术的引入，在Si基上已经可以外延出高质量纯Ge材料，解决了由于Si和Ge的晶格失配较大，而带来的在Si基上直接外延纯Ge材料带来的大量失配位错，从而严重影响器件性能的问题。
在现有技术中，0.8μm～0.9μm波段光探测常采用Si基PIN光电探测器或雪崩光电探测器完成，而1.06μm～1.55μm波段光探测常采用Ge基PIN光电探测器获雪崩光电探测器完成，两个重要波段的探测分别用两种结构完成。因此，设计一种光电二极管，通过修改光电二极管的结构，将硅与锗结合，形成异质结构，分别发挥其材料在且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm两个重要波段的高响应性，从而扩展光电二极管对目标光的响应波段，完成波长400nm～1350nm，即可见光到红外光波段的探测，是非常有意义的。
发明内容
针对背景技术的不足之处设计一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管，目的在于得到一种能够扩展硅光电二极管探测波段，完成可见光到红外光探测的宽波段光电二极管。
本发明的技术方案是一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管，该光电二极管包括：可见光探测区和红外光探测区，所述可见光探测区包括：重掺杂N型Si衬底、设置于重掺杂N型Si衬底下表面两侧的金属阴极、设置于重掺杂N型Si衬底下表面中间位置的抗反射层、设于重掺杂N型Si衬底上的轻掺杂N型Si外延层、设于轻掺杂N型Si外延层上的重掺杂P型Si层、设于重掺杂P型Si层两侧的第一金属阳极；其特征在于所述红外光探测区设置于可见光探测区的重掺杂P型Si层上，所述红外光探测区包括：本征Ge缓冲层、设于本征Ge缓冲层上的重掺杂P型Ge层、设于重掺杂P型Ge层上的第二金属阳极、二氧化硅层、钝化层；其中本征Ge缓冲层、重掺杂P型Ge层、第二金属阳极构成棱台结构，所述二氧化硅层用于密封本征Ge缓冲层和重掺杂P型Ge层，所述钝化层设置于二氧化硅层上。
进一步的，所述重掺杂N型Si衬底中心处设有开口，抗反射层位于开口内，直接设置于轻掺杂N型Si外延层下表面。
进一步的，所述抗反射层材料由为SiO2和Si3N4组成，金属接触阴极、第一金属阳极、第二金属阳极的材料为Al，其中SiO2膜厚60nm,Si3N4膜厚50nm。
进一步的，所述的重掺杂N型Si衬底的掺杂浓度大于1e19cm-3。进一步的，所述N型Si外延层(3)的厚度为10μm，浓度在2e13cm-3到3e13cm-3之间。
进一步的，所述的重掺杂P型Si(4)的厚度为0.2μm，浓度1e19cm-3。
进一步的，所述的本征Ge缓冲层(5)的厚度为10μm，浓度在2e15cm-3到3e15cm-3之间。
进一步的，所述的重掺杂P型Ge(6)的厚度为0.8μm，浓度大于1e20cm-3。
在探测过程中：低波段光探测(波长1000nm以下)时，光子从开口的重掺杂N型Si衬底(2)射入，轻掺杂N型Si外延层(3)和重掺杂P型Si(4)作为光吸收区，吸收光子，产生光生载流子。在外加电压作用下，金属接触阴极VR和第一金属接触阳极VAF(12)之间产生电场，光生载流子在电场作用下，分别向两极漂移移动，直至被电极吸收；在较高探测波段(波长1000nm以上)时，光子从开口的重掺杂N型Si衬底(2)射入，轻掺杂N型Si外延层(3)和重掺杂P型Si(4)对于光子而言为透明材料，不能吸收光子，光透过轻掺杂N型Si外延层(3)和重掺杂P型Si(4)，进入由本征Ge缓冲层(5)和在其之上的重掺杂P型Ge(6)组成的台面结构(7)，被Ge材料吸收，并产生光生载流子。在外加电压作用下，金属接触阴极VR和第二金属接触阳极VAS(12)之间产生电场，光生载流子在电场作用下，分别向两极漂移移动，直至被电极吸收。
根据本发明，能扩展硅光电二极管的光探测波段，本发明结构能完成400nm～1350nm光波段的探测，且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm两个重要波段均具有较高响应性。
附图说明
图1为常规硅基光电PIN型二极管结构图；
图2为本发明实施例的具有较长波段探测的光电二极管(PD)的截面图。
具体实施方式
本发明所要解决的，就是针对上述光电二极管存在的问题，提出一种能完成可见光到红外波段探测的宽波段光电二极管，其在0.8μm～0.9μm波段以及1.06μm～1.55μm波段均有高响应性。下面结合附图和具体的实施例对本发明光电二极管作进一步的阐述。
需要注意的是，图1和图2仅仅表示所述二极管的示意性简化图，因此这两张图并不是按比例绘制的。
如图1所示为常规硅基光电PIN型二极管结构图。常规硅基光电PIN型二极管包括：重掺杂N型Si衬底(20)，其上一次层叠有低掺杂N型Si外延层(21)以及重掺杂P型注入层(22)。重掺杂P型注入层(22)上设置有金属阳极接触(23)，重掺杂N型Si衬底(20)背面设置有金属阴极接触(24)。重掺杂P型注入层(22)上设置有抗反射层(25)，以加强对入射光的吸收。典型地，金属阳极接触(23)和金属阴极接触均由金属Al材料构成，抗反射层由SiO2和Si3N4组合而成。应注意，上述材料仅仅是以示例的方式提供的，本技术领域人员应理解，其他材料也可以用在常规硅基光电PIN型二极管的构造中。
该类型光电二极管的工作原理是入射光射入器件，低掺杂N型Si外延层(21)作为光吸收区，吸收光子产生光生载流子。在外加反向偏置作用下，器件内部产生自下而上的电场，光生载流子在电场作用下，空穴被金属阳极(23)收集，电子被金属阴极(24)收集。
如图1所示为常规硅基光电PIN型二极管结构在0.8μm～0.9μm波段具有高响应性，但是由于Si材料能带结构的固有特性，其对1.1μm以上红外光波段没有响应。
在一些实施例中，低掺杂N型Si外延层(21)的厚度T(21)大约是8μm。在一些实施例中，低掺杂N型Si外延层(21)的掺杂浓度大约在2e13cm-3到3e13cm-3之间。在一些实施例中，重掺杂P型注入层(22)的厚度T(22)大约是0.2μm，重掺杂N型Si衬底(20)和重掺杂P型注入层(22)的掺杂浓度均在1e19cm-3以上。
如图2所示为本发明实施例的具有较长波段探测的光电二极管(PD)100的结构图。具有较长波段探测的光电二极管(PD)包括含一个窗口(1)的重掺杂N型Si衬底(2)，其上依次 层叠有轻掺杂N型Si外延层(3)、重掺杂P型Si(4)、以及由本征Ge缓冲层(5)和在其之上的重掺杂P型Ge(6)构成的台面结构(7)。台面(7)上依次层叠有二氧化硅介质层(8)和钝化层(9)。在开口的重掺杂N型Si衬底(2)背面设置有金属接触阴极(10)，在重掺杂P型Si(4)上设置有第一金属接触阳极(11)，在重掺杂P型Ge(6)上设置有第二金属接触阳极(12)，轻掺杂N型Si外延层(3)背面设置的抗反射层(13)。典型地，第一金属接触阳极(11)、第二金属接触阳极(12)和金属阴极接触(10)均由金属Al材料构成，抗反射层由SiO2和Si3N4组合而成。应注意，上述材料仅仅是以示例的方式提供的，本技术领域人员应理解，其他材料也可以用在本发明实施例中的光电二极管的构造中。
本发明实施例光电二极管的原理是入射光从器件底部窗口射入，当探测波段较低(波长1μm以下)时，使用金属接触阴极VR(10)和第一金属接触阳极VAF(11)，第二金属接触阳极VAS(12)空置。光子从开口的重掺杂N型Si衬底(2)射入，轻掺杂N型Si外延层(3)作为光吸收区，吸收光子产生光生载流子。在外加反向偏置作用下，金属接触阴极VR(10)和第一金属接触阳极VAF(11)之间产生电场，光生载流子在电场作用下，空穴被第一金属接触阳极VAF(11)收集，电子被金属接触阴极VR(10)收集。其工作原理与常规硅基光电PIN型二极管类似，在0.8μm～0.9μm波段具有高响应性。
当探测波段较高(波长1μm以上)时，使用金属接触阴极VR(10)和第二金属接触阳极VAS(12)，第一金属接触阳极VAF(11)空置。光子从开口的重掺杂N型Si衬底(2)射入，由于光子能量小于Si的禁带宽度，轻掺杂N型Si外延层(3)和重掺杂P型Si(4)不能吸收光子，产生光生载流子，光透过轻掺杂N型Si外延层(3)和重掺杂P型Si(4)，进入由本征Ge缓冲层(5)和在其之上的重掺杂P型Ge(6)组成的台面结构(7)，被Ge材料吸收，并产生光生载流子。在外加反向偏置作用下，金属接触阴极VR(10)和第二金属接触阳极VAS(12)之间产生电场，光生载流子在电场作用下，空穴被第二金属接触阳极VAS(12)收集，电子被金属接触阴极VR(10)收集。
在一些实施例中，重掺杂N型Si衬底(2)的浓度大于1e19cm-3，N型Si外延层(3)的厚度T(3)大约是10μm，浓度大约在2e13cm-3到3e13cm-3之间。在一些实施例中，重掺杂P型Si(4)的厚度T(4)大约是0.2μm，浓度大于1e19cm-3。在一些实施例中，本征Ge缓冲层(5)的厚度T(5)大约是10μm，浓度大约是在2e15cm-3到3e15cm-3之间。在一些实施例中，重掺杂P型Ge(6)的厚度T(6)大约是0.8μm，浓度大于1e20cm-3。此实施例器件结构在1350nm左右波段具有高响应性。
在不同光探测波段(波长1μm以下及波长1μm以上)，通过使用不同的接触电极，在硅基PIN与Ge光电二极管之间切换，使本发明结构对不同波段入射光做出最大限度的响应，从而扩展光的吸收波段，使器件在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm波段具有较高响应。
此外，本发明设计的新型结构，在反向偏置电压持续增大时，在低探测波段，可形成硅雪崩光电二极管，从而提高器件响应度以及响应速度；在较高探测波段，本征Ge缓冲层(5)和在其之上的重掺杂P型Ge(6)作为光吸收区域，开口的重掺杂N型Si衬底(2)、轻掺杂N型Si外延层(3)和重掺杂P型Si(4)构成雪崩倍增区域，此区域可以用于放大具有低噪声的光生载流子，实现了较高波段探测时，光吸收区域与倍增区域的分离，从而提高器件响应度以及响应速度。
因此，本发明设计的新型光电二极管结构，在波段响应方面，能完成更长波段的探测，其在400nm～1350nm光波段均能响应，且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm两个重要波段均具有较高响应性。
虽然本发明已经描述了特定实施例，但是将意识到本发明的原理不限于那些实施例。本文描述的发明概念可在需完成可见光到红外光探测时使用。本文公开的实施例能完成400nm～1350nm宽光波段的探测，且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm两个重要波段均具有较高响应性。
Claims (7)
1.一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管，该光电二极管包括：可见光探测区和红外光探测区，所述可见光探测区包括：重掺杂N型Si衬底、设置于重掺杂N型Si衬底下表面两侧的金属阴极、设置于重掺杂N型Si衬底下表面中间位置的抗反射层、设于重掺杂N型Si衬底上的轻掺杂N型Si外延层、设于轻掺杂N型Si外延层上的重掺杂P型Si层、设于重掺杂P型Si层两侧的第一金属阳极；其特征在于所述重掺杂N型Si衬底中心处设有开口，抗反射层位于开口内，直接设置于轻掺杂N型Si外延层下表面；所述红外光探测区设置于可见光探测区的重掺杂P型Si层上，所述红外光探测区包括：本征Ge缓冲层、设于本征Ge缓冲层上的重掺杂P型Ge层、设于重掺杂P型Ge层上的第二金属阳极、二氧化硅层、钝化层；其中本征Ge缓冲层、重掺杂P型Ge层、第二金属阳极构成棱台结构，所述二氧化硅层用于密封本征Ge缓冲层和重掺杂P型Ge层，所述钝化层设置于二氧化硅层上。
2.如权利要求1所述的一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管，其特征在于所述抗反射层材料由为SiO2膜和Si3N4膜组成，金属接触阴极、第一金属阳极、第二金属阳极的材料为Al。
3.如权利要求1所述的一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管，其特征在于所述的重掺杂N型Si衬底的浓度大于1e19cm-3。
4.如权利要求1所述的一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管，其特征在于所述N型Si外延层(3)的厚度为10μm，浓度在2e13cm-3到3e13cm-3之间。
5.如权利要求1所述的一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管，其特征在于其中所述的重掺杂P型Si(4)的厚度为0.2μm，浓度1e19cm-3。
6.如权利要求1所述的一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管，其特征在于其中所述的本征Ge缓冲层(5)的厚度为10μm，浓度在2e15cm-3到3e15cm-3之间。
7.如权利要求1所述的一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管，其特征在于所述的重掺杂P型Ge(6)的厚度为0.8μm，浓度大于1e20cm-3。
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