CN109638024A - 一种可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列及其制备方法 - Google Patents
一种可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列，包括吸收层，所述吸收层下部两侧分别连接有衬底层和场控层，所述场控层下部依次包括：倍增层和非耗尽层，且所述场控层、倍增层和非耗尽层依次连接；所述衬底层分别与所述场控层、倍增层和非耗尽层之间绝缘，且所述衬底层连接有第一电极，所述非耗尽层连接有第二电极。本发明通过将吸收层设计在器件的表层，从而使入射的可见光短波段在表层刚入射时就被充分吸收，提高了器件的响应度和量子效率；同时APD的阴极和阳极均位于器件的底部，增加了光敏面积，从而提高器件的量子效率，及对可见光的灵敏度；并且对器件进行阵列化分割，提高器件的截止频率及增益。
Description
技术领域
本发明涉及光电领域，尤其是涉及一种可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列及其制备方法。
背景技术
雪崩光电二极(APD)探测器由于其体积小、易于集成的特点，同时还具有较高的响应度和灵敏度，因此APD探测器在弱光探测领域具有非常广阔的应用前景，已成为了热门话题。由于硅材料的响应波长范围为380nm～1100nm，因此，目前使用较广的可见光APD探测器主要是硅基APD探测器，但是，目前市场上硅基可见光探测器主要是在600nm左右的波段会达到90％左右的量子效率，但是在短波蓝紫光波段处的量子效率过低。这是由于硅材料的本身特性决定的：硅在蓝紫光波段的吸收系数仅为104cm-1～105cm-1，那么短波段的可见光在硅中的传播距离仅为0.1μm～1μm。短波段的可见光在传统的硅基APD表面就被吸收，还没有到达吸收层，吸收后很快就被复合。因此，传统的硅基雪崩二极管对于蓝紫光等短波长的可将光的量子效率和响应度很低。
发明内容
为克服硅基APD对短波可见光的响应度和量子效率低的缺点，本发明提出了一种可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列，通过将吸收层设置在器件表层的阵列化结构，使入射的蓝紫光等短波段波长的光在器件表面可以被充分的吸收并激发载流子，从而解决可见光短波段量子效率和响应度低的问题。
同时，本发明还提供了上述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列的制备方法。
为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：
一种可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列，包括吸收层，所述吸收层下部两侧分别连接有衬底层和场控层，所述场控层下面依次包括：倍增层和非耗尽层，且所述场控层、倍增层和非耗尽层依次连接；所述衬底层分别和所述场控层、倍增层、非耗尽层之间绝缘，且所述衬底层连接有第一电极，所述非耗尽层连接有第二电极。
其中，所述吸收层为π型硅，掺杂浓度为1012～1015cm-3；所述场控层为p型B离子掺杂硅，掺杂浓度为1016～1018cm-3；所述倍增层为π型B离子掺杂硅，掺杂浓度为1012～1015cm-3；所述非耗尽层为n+型P离子掺杂硅，掺杂浓度为1015～1020cm-3；所述衬底层为p+型B离子掺杂硅，掺杂浓度为1015～1020cm-3。
本发明所提供的是一种倒装的SACM型APD，吸收层的一侧与衬底层连接，而另一侧自上而下依次连接有场控层、倍增层和非耗尽层，吸收层两侧的硅层之间绝缘，且衬底层和非耗尽层分别连接有电极。本发明所提供的硅基APD的吸收层位于器件的表层，如此形成一种倒装结构，从而使入射的可见光的短波段能在表层被充分的吸收，同时器件的第一电极和第二电极(阳极和阴极)均位于器件的底部，增加了器件的光敏面，从而提高器件的量子效率及对可见光的灵敏度。其工作过程是，在反向偏压的作用下，光照射在APD表面，入射光透过增透膜直接照射吸收层，当入射光的光子能量大于硅的禁带宽度时，在吸收层中入射的光子能量被吸收产生电子-空穴对，电子沿着电场方向向n型扩散，空穴向p型扩散，当反向偏压足够大时将引起载流子的雪崩倍增，形成大的反向电流，从而形成光电转换。
进一步地，所述衬底层分别和场控层、倍增层、非耗尽层之间只需保持绝缘即可，两者之间可以填充任何绝缘材料，如空气、绝缘的有机材料或无机材料等。优选地，所述衬底层分别和所述场控层、倍增层、非耗尽层之间通过SiO2隔开。
为形成保护环减小漏电流，所述非耗尽层的面积略小于倍增层的面积。优选地，所述非耗尽层嵌在所述倍增层中。进一步优选地，所述非耗尽层的面积为倍增层的面积50％～99％。
进一步地，所述吸收层上还覆有增透膜。优选增透膜厚度为0.1～5μm。
进一步地，所述硅基雪崩二极管阵列还包括基底，所述第一电极和所述第二电极固定在所述基底上。
进一步地，所述衬底层的厚度等于所述场控层、倍增层和非耗尽层的厚度。本发明通过将衬底层和场控层、倍增层和非耗尽层分别设置于吸收层的两侧，以使吸收层位于器件的表层，且能够保持SACM型APD的结构，在提高器件的量子效率及对可见光的灵敏度的同时，还能减小器件的厚度，有利于器件的薄型化。
进一步地，所述第一电极和所述第二电极的材质为Au、Ag、Al、Cr、Mo、Ti中的一种或几种组合而成的合金。
进一步地，为了提高器件的增益，将APD进行阵列分割，也就是将一组依次连接的第一电极、衬底层、吸收层、场控层、倍增层和非耗尽层及第二电极当作为一个硅基雪崩光电二极管单元，将多个硅基雪崩光电二极管单元进行阵列设置，而各硅基雪崩光电二极管单元之间通过绝缘材料分隔开，以使每个硅基雪崩光电二极管单元都是一个独立的APD。在相同面积的光入射时，阵列化的APD探测器会同时激发多个单元响应，从而能够大大提高器件的增益。优选地，所述绝缘材料可以是绝缘的无机物或有机物，如聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或者SiO2。
上述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：取硅片对其表面进行清洁、除杂质，在硅片表面沉积一层π型硅外延层作为吸收层；
S2：对外延片进行清洁、烘干处理，制备出隔离沟道的掩膜图形，然后通过干法刻蚀或者湿法腐蚀或者划片机等方法制备出隔离沟道，取绝缘的无机物或者有机物对隔离沟道进行填充，所述隔离沟道用于分离阵列单元，除去隔离沟道的掩膜图形；
S3：对外延片进行清洁、烘干处理，制备隔离区的掩膜图形，利用湿法腐蚀或干法刻蚀法制备隔离区，所述隔离区用于分离衬底层和场控层、倍增层和非耗尽层，再在隔离区中填充绝缘材料(优选SiO2)，除去隔离区的掩膜图形；
S4：对外延片进行清洁、烘干处理，制备场控层的掩膜图形，通过离子注入的方法依次进行场控层、倍增层以及非耗尽层的制备，除去场控层的掩膜图形；
S5：对外延片进行清洁、烘干处理，制备出衬底层的掩膜图形，通过离子注入的方法制备p+型衬底层，除去衬底层的掩膜图形；
S6：对外延片进行清洁、烘干处理，制备电极的掩膜图形，通过蒸发镀膜、磁控溅射或电镀的方法制备第一电极和第二电极，除去电极的掩膜图形；
S7：将电极固定于一基底上，然后去除硅片，直至暴露出隔离沟道；
S8：对吸收层表面进行清洁处理，烘干，在吸收层表面镀一层增透膜，即得到可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列。
其中，由于步骤S1中，硅片表面沉积一层π型硅外延层作为吸收层，因此之后的步骤S2～S8中的硅片都称之为外延片。
进一步地，所述吸收层的厚度为1～20μm；所述隔离沟道深度为1～20μm；和/或步骤S3中所述隔离区深度为0.1～15μm；所述增透膜的厚度为0.1～5μm。在本发明中，优选设计是隔离沟道的深度与吸收层的厚度一致。如果吸收层的厚度大于隔离沟道的厚度，后续步骤S7去除硅片时就需要损伤吸收层，甚至会使吸收层厚度减小。另外，为了设计成可见光APD，吸收层的厚度应该小于20μm。
进一步地，步骤S4还可以采用以下方法替代：
(1)对外延片进行清洁、烘干处理，制备出场控层的掩膜图形，先通过离子注入的方法制备场控层，注入B离子，掺杂浓度为1016～1018cm-3；
(2)再次通过离子注入的方法制备倍增层，注入B离子，掺杂浓度为1012～1015cm-3；
(3)去除场控层的掩膜图形，然后制备非耗尽层的掩膜图形，通过离子注入的方法制备非耗尽层，注入P离子，掺杂浓度为1015-1020cm-3，除去非耗尽层的掩膜图形。
与现有技术比较，本发明提供了一种可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列，将吸收层设计在器件的表层，从而使入射的可见光短波段在表层刚入射时就被充分吸收，并激发载流子，在反向偏压下，载流子在倍增层引起雪崩效应，提高了器件的响应度和量子效率；同时APD的阴极和阳极均位于器件的底部，增加了器件的光敏面积，从而提高器件的量子效率，及对可见光的灵敏度；同时将器件进行阵列化分割，使得光入射APD表面时，会激发多个APD单元，从而可以有效的提高APD的增益。
附图说明
图1为本发明所述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列的立体图；
图2为本发明所述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列的纵向剖面图(其中纵向剖面图仅示出两个硅基雪崩光电二极管单元)；
图3为本发明所述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列的制作流程图。
附图说明：1增透膜；2吸收层；3场控层；4倍增层；5第二电极；6硬质基底；7非耗尽层；8衬底层；9绝缘材料；10第一电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。
实施例
如图1～2所示，本实施例提供了一种可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列，包括多个阵列设置的硅基雪崩光电二极管单元，而各硅基雪崩光电二极管单元之间通过绝缘材料9分隔开，以使每个硅基雪崩光电二极管单元都是一个独立的APD。其中，硅基雪崩光电二极管单元包括吸收层2，吸收层2下部两侧分别连接有衬底层8以及场控层3、倍增层4、非耗尽层7，衬底层8和场控层3、倍增层4、非耗尽层7之间通过SiO2隔开，且所述衬底层8和所述非耗尽层7分别连接有第一电极10和第二电极5；所述场控层3下面连接有倍增层4，倍增层4下面连接有非耗尽层7，所述场控层3与所述吸收层2连接，所述非耗尽层7与第二电极5连接。
其中，所述吸收层为π型硅，掺杂浓度为1012～1015cm-3；所述场控层为p型B离子掺杂硅，掺杂浓度为1016～1018cm-3；所述倍增层为π型B离子掺杂硅，掺杂浓度为1012～1015cm-3；所述非耗尽层为n+型P离子掺杂硅，掺杂浓度为1015～1020cm-3；所述衬底层为p+型B离子掺杂硅，掺杂浓度为1015～1020cm-3；第一电极10和第二电极5的材质为Au、Ag、Al、Cr、Mo、Ti中的一种或几种组合而成的合金。
优选地，硅基雪崩光电二极管单元通过电极5固定在硬质基底上，且吸收层表面覆有一层增透膜1，增透膜1的厚度为0.1～5μm。
优选地，所述绝缘材料9可以是绝缘的无机物或有机物，如聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或者SiO2。
本实施例将吸收层设计到器件的表层，形成倒装结构，使得可见光短波段的光可以在入射到APD表面时就被吸收，并激发载流子。为了增加器件的量子效率，将APD的电极设计到同一侧(器件底部)，这样使得器件表面没有电极的覆盖，增加了光敏面；同时为了提高器件的增益，将APD进行阵列分割，使相同面积的光入射时，阵列化的APD探测器会同时激发多个单元响应，从而提高了器件的增益。
如图3所示，本实施例提出的可见光短波段硅基雪崩光电二极管(APD)阵列的制作方法步骤如下：
(1)首先选取单晶硅片，对硅片通过热处理、活性离子束法、光学清洁处理或者化学清洁处理等方法对硅片进行去蜡、去油和去除表面杂质，再利用气相外延或者分子束外延在硅片表面沉积一层π型硅外延层作为吸收层，掺杂浓度为1012-1015cm-3，厚度为1μm-20μm。
其中，由于步骤(1)中，硅片表面沉积一层π型硅外延层作为吸收层，因此以下的步骤中的硅片都称之为外延片。
(2)将外延片进行表面清洁处理，去蜡、去油和去除表面杂质，然后进行烘干处理，在外延片表面涂覆光刻胶，通过曝光、显影后得到掩膜图形。
(3)通过热氧化法、气相外延生长法或者分子束外延法制备SiO2掩膜层，然后利用去胶液去除硅片表面的光刻胶。
(4)在SiO2层上面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备掩膜图形，然后通过干法刻蚀或者湿法腐蚀或者划片机等方法制备隔离沟道，沟道深度为1-20μm。
(5)完成隔离沟道的制备后，选取绝缘的无机物或者有机物(如SiO2)作为沟道的填充物，通过气相外延生长法、分子束外延法、蒸发镀膜法、磁控溅射法、真空填充法等进行隔离沟道的填充。
(6)利用去胶液去除外延片表面的光刻胶，然后通过湿法腐蚀方法去除外延片表面的SiO2层。
(7)对外延片表面进行清洁处理，然后烘干，在外延片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备掩膜图形。
(8)通过气相外延法或者分子束外延法制备SiO2掩膜层，然后去除外延片表面的光刻胶。
(9)利用湿法腐蚀或干法刻蚀等方法去除部分吸收层形成隔离区，用来分离衬底层和场控层、倍增层、非耗尽层。
(10)利用湿法腐蚀去除SiO2掩膜层，然后对外延片进行表面清洁处理，然后烘干备用。在外延片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备掩膜图形。
(11)通过气相外延生长法或者分子束外延法制备SiO2层，使隔离区内填满SiO2，然后利用去胶液去除硅片表面的光刻胶，
(12)对外延片进行表面清洁处理，再次在外延片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备掩膜图形。
(13)通过热氧化法、气相外延法或分子束外延法等技术在外延片表面制备SiO2掩膜层，然后去除外延片表面的光刻胶。
(14)对外延片表面进行清洁处理，然后烘干。再通过离子注入的方法进行场控层的制备，注入B离子，掺杂浓度为掺杂浓度为1016-1018cm-3，然后再次通过离子注入的方法制备倍增层，注入B离子，掺杂浓度为1012-1015cm-3。
(15)通过湿法腐蚀去除外延片表面的SiO2掩膜层，然后对外延片进行清洁处理，烘干。在外延片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备掩膜图形。
(16)通过气相外延法或分子束外延法等技术在外延片表面制备SiO2掩膜层，然后去除外延片表面的光刻胶。
(17)对外延片进行清洁处理，然后烘干。再次通过离子注入的方法制备n+型非耗尽层，注入P离子，掺杂浓度为1015-1020cm-3。
(18)通过湿法腐蚀去除外延片表面的SiO2掩膜层，然后对外延片进行清洁处理，烘干。在外延片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备掩膜图形。
(19)通过气相外延法或分子束外延法等技术在外延片表面制备SiO2掩膜层，然后去除外延片表面的光刻胶。
(20)对外延片进行清洁处理，然后烘干。再次通过离子注入的方法制备p+型衬底层，注入B离子，掺杂浓度为1015-1020cm-3。
(21)通过湿法腐蚀去除硅片表面的SiO2掩膜层，然后对外延片进行清洁处理，烘干。在外延片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出电极的掩膜图形。
(22)通过蒸发镀膜、磁控溅射或者电镀的方法制备APD的电极(第一电极和第二电极)，电极材料可以是Au、Ag、Al、Cr、Mo、Ti的一种或几种的合金。
(23)利用去胶液去除硅片表面的光刻胶，然后将器件固定在硬质基底上。
(24)利用湿法腐蚀、干法刻蚀或者两者结合的方法去除单晶硅片，直至暴露出隔离沟道(由于隔离沟道的深度小于或等于吸收层的厚度，因此，暴露出隔离沟道时，也就是同时暴露出了吸收层)。
(25)对吸收层表面进行清洁处理，烘干。然后在吸收层表面通过电子束蒸发蒸镀一层厚度约为0.1-5μm增透膜作为APD的透光层。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，包括吸收层，所述吸收层下部两侧分别连接有衬底层和场控层，所述场控层下面依次包括：倍增层和非耗尽层，且所述场控层、倍增层和非耗尽层依次连接；所述衬底层分别和所述场控层、倍增层、非耗尽层之间绝缘，且所述衬底层连接有第一电极；所述非耗尽层与第二电极连接；
所述吸收层为π型硅；所述场控层为p型硅；所述倍增层为π型硅；所述非耗尽层为n+型硅；所述衬底层为p+型硅。
2.根据权利要求1所述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述吸收层的掺杂浓度为1012～1015cm-3；和/或，所述场控层为B离子掺杂，掺杂浓度为1016～1018cm-3；和/或，所述倍增层为B离子掺杂，掺杂浓度为1012～1015cm-3；和/或，所述非耗尽层为P离子掺杂，掺杂浓度为1015～1020cm-3；和/或，所述衬底层为B离子掺杂，掺杂浓度为1015～1020cm-3。
3.根据权利要求1所述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述衬底层的厚度等于所述场控层、倍增层和非耗尽层的总厚度。
4.根据权利要求1所述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的材质为Au、Ag、Al、Cr、Mo、Ti中的一种或几种组合而成的合金。
5.根据权利要求1所述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述衬底层分别与所述场控层、倍增层、非耗尽层之间通过绝缘材料隔开；和/或，所述非耗尽层嵌在所述倍增层中；和/或，所述吸收层上还覆有增透膜。
6.根据权利要求1所述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，还包括基底，所述第一电极和所述第二电极固定于所述基底上。
7.根据权利要求1～6任一项所述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，由多个硅基雪崩光电二极管单元阵列设置组成，各所述硅基雪崩光电二极管单元之间通过绝缘材料分开；所述硅基雪崩光电二极管单元由一组依次连接的第一电极、衬底层、吸收层、场控层、倍增层、非耗尽层及第二电极组成。
8.根据权利要求6所述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：取硅片对其表面进行清洁、除杂质，在硅片表面沉积一层π型硅外延层作为吸收层；
S2：对外延片进行清洁、烘干处理，制备出隔离沟道的掩膜图形，然后制备出隔离沟道，所述隔离沟道用于分离阵列单元，取绝缘材料对隔离沟道进行填充，除去隔离沟道的掩膜图形；
S3：对外延片进行清洁、烘干处理，制备出隔离区的掩膜图形，利用湿法腐蚀或干法刻蚀法制备隔离区，再在隔离区中填充绝缘材料，除去隔离区的掩膜图形；
S4：对外延片进行清洁、烘干处理，制备出场控层的掩膜图形，通过离子注入的方法依次进行场控层、倍增层以及非耗尽层的制备，除去场控层的掩膜图形；
S5：对外延片进行清洁、烘干处理，制备出衬底层的掩膜图形，通过离子注入的方法制备p+型衬底层，除去衬底层的掩膜图形；
S6：对外延片进行清洁、烘干处理，制备电极的掩膜图形，通过蒸发镀膜、磁控溅射或电镀的方法制备第一电极和第二电极，除去电极的掩膜图形；
S7：将电极固定于一基底上，然后去除硅片，直至暴露出隔离沟道；
S8：对吸收层表面进行清洁处理，烘干，在吸收层表面镀一层增透膜，即得到可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列。
9.根据权利要求7所述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述吸收层的厚度为1～20μm；和/或步骤S2中所述隔离沟道深度为1～20μm；和/或步骤S3中所述隔离区深度为0.1～15μm；和/或所述增透膜的厚度为0.1～5μm。
10.根据权利要求7所述的可见光短波段硅基雪崩光电二极管阵列的制备方法，其特征在于，步骤S4采用以下方法替代：
(1)对外延片进行清洁、烘干处理，制备出场控层的掩膜图形，先通过离子注入的方法制备场控层，注入B离子，掺杂浓度为1016～1018cm-3；
(2)再次通过离子注入的方法制备倍增层，注入B离子，掺杂浓度为1012～1015cm-3；
(3)去除场控层的掩膜图形，然后制备非耗尽层的掩膜图形，通过离子注入的方法制备非耗尽层，注入P离子，掺杂浓度为1015～1020cm-3，除去非耗尽层的掩膜图形。
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