CN110970512A - 一种可见光宽谱段高效率pin光电二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光宽谱段高效率PIN光电二极管及其制备方法。所述可见光宽谱段高效率PIN光电二极管包括芯片和集成在芯片上顶层硅内的的PIN光电二极管，单个所述PIN光电二极管包括衬底硅层、位于衬底硅层上的SiO2层、位于SiO2层上的顶层硅层、位于顶层硅层中的p型Si、i型Si和n型Si、位于i型Si中的空气孔阵列，以及位于p型Si和n型Si上的电极。本发明所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管能同时满足从蓝光到红光波段范围的响应及该波段内的高吸收率。
Description
技术领域
本发明涉及光通信器件领域，更具体地，涉及一种可见光宽谱段高效率PIN光电二极管及其制备方法。
背景技术
可见光通信(visible light communication，VLC)具有绿色环保、安全性高、防干扰等优点，目前已经成为研究热点。由于硅的灵敏度光谱范围在380nm-1100nm之间，VLC系统的可见光探测器以硅基光电二极管为主。但是，市场上现有的可见光硅基探测器的灵敏波长在550nm或620nm，所以蓝色、青色、黄色和橙色等波段的光谱的量子效率很低。而硅对可见光的吸收系数不同，随着波长的增加吸收系数减小，所以各个波段的光的入射深度相差较大，其中蓝光的入射深度在0.2μm左右，而红光的入射深度在10μm左右。当设计光电二极管的厚度时，如果考虑红光的入射深度，那么就会影响蓝光的吸收率，反之，如果考虑蓝光的入射深度，那么红光的透射率就会增加，而吸收率就会下降。在同一光电二极管中很难同时满足从蓝光到红光波段的整体高吸收率。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种可见光宽谱段高效率PIN光电二极管，所述可见光宽谱段高效率PIN光电二极管在同一光电二极管中能同时满足从蓝光到红光波段范围的响应及该波段内的高吸收率。
本发明的另一目的在于提供所述可见光宽谱段高效率PIN光电二极管的制备方法。
本发明采取的技术方案是：
一种可见光宽谱段高效率PIN光电二极管，包括芯片和集成在芯片上的顶层硅内的PIN光电二极管，单个所述PIN光电二极管包括衬底硅层、位于衬底硅层上的SiO2层、位于SiO2层上的顶层硅层、位于顶层硅层中的p型Si、i型Si和n型Si、位于i型Si中的空气孔阵列，以及位于p型Si和n型Si上的电极。
可见光宽谱段高效PIN光电二极管由于PIN光电二极管位于芯片的顶层硅中，并且是横向设计，所以光电二极管的本征区完全暴露在空气中，当光入射后，可以直接照射在本征区表面。对于蓝光，蓝光的光子可以直接在本征区被吸收，从而提高蓝光的量子效率；但对于红光，由于芯片的顶层硅厚度较薄，红光的入射深度大，所以当红光入射到本征区后，会有大部分的红光透射出去，红光的量子效率会降低。本发明所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管在本征层内设计了空气孔阵列，光电二极管表面的空气与本征层内的二维孔阵列和SiO2薄膜的构成了类似于光纤的结构，使得红光光线在本征区内可以发生全反射，从而增加红光的吸收率。另外，由于空气孔阵列是均匀分布的，从而形成了布拉格光栅，使得光的反射率降低，更进一步的提高光的吸收率。本发明所述的可见光宽谱段高效PIN光电二极管在同一光电二极管中能同时满足从蓝光到红光波段的整体高吸收率。
优选地，所述空气孔阵列的周期P为400nm-500nm，填充率f(填充率为空气孔的面积占单个周期内硅面积百分比，f＝πd2/4p2，d为空气孔的直径)为40％-60％。
优选地，所述芯片为SOI晶圆芯片。
优选地，所述i型Si位于p型Si和n型Si之间。
优选地，所述p型Si宽度为0.1μm-100μm，长度与i型Si宽度一致。
优选地，所述i型硅宽度为1μm-500μm，长度与i型Si度一致。
优选地，所述n型Si宽度为0.1μm-100μm，长度与i型Si宽度一致。
所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管的制备方法，包括如下步骤：
(1)选取顶层硅厚度为2-5μm的SOI芯片，将SOI芯片依次放入食人鱼洗液、乙醇、丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洗；
(2)在SOI芯片表面旋涂保护层，然后在热板上进行前烘处理，再利用光刻机进行光刻，在显影液中去除多余的保护层，最后在热板上进行坚膜处理，制备出具有p-Si的掩膜层；
(3)利用离子注入的方法形成B重掺杂的p++layer作为p型欧姆接触层，掺杂浓度为1015-1019cm-3，去除掩膜层；
(4)重复步骤(2)的操作过程制作n++layer掩膜层，然后利用离子注入的方法形成P重掺杂的n++layer作为n型欧姆接触层，掺杂浓度为1015-1019cm-3，然后去除掩膜层；
(5)重复步骤(2)的操作过程制作电极的掩膜层，然后利用电子束蒸发的方法沉积10～30nm/90～110nm厚的Pt/Al，然后在丙酮溶液中剥离多余的金属，最后在N2环境中进行退火处理；
(6)重复步骤(2)的操作过程制作i型Si的掩膜层，然后利用离子注入的方法形成P轻掺杂的n-layer作为本征区，掺杂浓度为1012-1016cm-3，然后去除掩膜层；再次制作空气孔阵列的掩膜层，利用反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀的方法制作光电二极管本征层内微纳光学结构，空气孔按立方晶格方式排列，然后去除掩膜层。
优选地，所述Pt/Al的厚度为20nm/100nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明在本征层内设计空气孔阵列，由光电二极管表面的空气、带有二维孔阵列的光电二极管的本征区和SOI中的SiO2层构成了类似光纤的结构，使得光线在本征区内可以发生全反射，从而增加光的吸收率，另外，由于空气孔阵列是均匀分布的，从而形成了布拉格光栅，使得光的反射率降低，更进一步的提高光的吸收率。
附图说明
图1为实施例可见光宽谱段高效率PIN光电二极管的整体结构示意图。
图2为实施例中单个PIN光电二极管单元的剖面图。
图3为实施例中步骤(1)得到的器件结构示意图。
图4为实施例中步骤(2)得到的器件结构示意图。
图5为实施例中步骤(3)得到的器件结构示意图。
图6为实施例中步骤(4)得到的器件结构示意图。
图7为实施例中步骤(5)得到的器件结构俯视图。
图8为实施例中步骤(6)得到的器件结构示意图。
附图说明：1、顶层硅层；2、SiO2层；3、衬底硅层；4、p型Si；5、n型Si；6、空气孔阵列；7、i型Si；8、电极；10、PIN光电二极管；20、芯片。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例
如图1所示，一种可见光宽谱段高效率PIN光电二极管，包括芯片20和集成在芯片20上的PIN光电二极管10，如图2所示，单个PIN光电二极管包括衬底硅层3、位于衬底硅层3上的SiO2层2、位于SiO2层上的顶层硅层1、位于顶层硅层1中的p型Si 4、i型Si 7和n型Si5、位于i型Si 7中的空气孔阵列6，以及位于p型Si 4和n型Si 5上的电极8，i型Si位于p型Si和n型Si之间。更具体地，本实施例中所述空气孔阵列6的周期p为400nm-500nm，填充率为40％-60％。
进一步地，本实施例中，所述p型Si宽度为0.1μm-100μm，长度与i型Si宽度一致；所述i型硅宽度为1μm-500μm，长度与i型Si宽度一致；所述n型Si宽度为0.1μm-100μm，长度与i型Si宽度一致。
本实施例所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管的制备过程如下：
(1)选取顶层硅厚度为2-5μm的SOI晶元芯片，将SOI晶元芯片依次放入食人鱼洗液、乙醇、丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洗；如图3所示；
(2)在SOI芯片表面旋涂保护层，然后在热板上进行前烘处理，再利用光刻机进行光刻，在显影液中去除多余的保护层，最后在热板上进行坚膜处理，制备出具有p-Si的掩膜层，如图4所示；
(3)利用离子注入的方法形成B重掺杂的p++layer作为p型欧姆接触层，掺杂浓度为1015-1019cm-3，去除掩膜层，如图5所示；
(4)重复步骤(2)的操作过程制作n++layer掩膜层，然后利用离子注入的方法形成P重掺杂的n++layer作为n型欧姆接触层，掺杂浓度为1015-1019cm-3，然后去除掩膜层，如图6所示；
(5)重复步骤(2)的操作过程制作电极的掩膜层，然后利用电子束蒸发的方法沉积20nm/100nm厚的Pt/Al，然后在丙酮溶液中剥离多余的金属，最后在N2环境中进行退火处理，如图7所示；
(7)重复步骤(2)的操作过程制作i型Si的掩膜层，然后利用离子注入的方法形成P轻掺杂的n-layer作为本征区，掺杂浓度为1012-1016cm-3，然后去除掩膜层；再次制作空气孔阵列的掩膜层，利用反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀的方法分别制作三种颜色光电二极管本征层内微纳光学结构，其中空气孔阵列的周期p为400nm-500nm，填充率f为40％-60％，空气孔按立方晶格方式排列，然后去除掩膜层，如图8所示。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书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 (9)
1.一种可见光宽谱段高效率PIN光电二极管，其特征在于，包括芯片和集成在芯片上的顶层硅内的PIN光电二极管，单个所述PIN光电二极管包括衬底硅层、位于衬底硅层上的SiO2层、位于SiO2层上的顶层硅层、位于顶层硅层中的p型Si、i型Si和n型Si、位于i型Si中的空气孔阵列，以及位于p型Si和n型Si上的电极。
2.根据权利要求1所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管，其特征在于，所述空气孔阵列周期为400nm-500nm，填充率为40％-60％。
3.根据权利要求1所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管，其特征在于，所述芯片为SOI晶圆芯片。
4.根据权利要求1所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管，其特征在于，所述i型Si位于p型Si和n型Si之间。
5.根据权利要求1所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管，其特征在于，所述p型Si宽度为0.1μm-100μm，长度与i型Si宽度一致。
6.根据权利要求1所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管，其特征在于，所述i型硅宽度为1μm-500μm，长度与i型Si宽度一致。
7.根据权利要求1所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管，其特征在于，所述n型Si宽度为0.1μm-100μm，长度与i型Si宽度一致。
8.权利要求1至7任一项权利要求所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取顶层硅厚度为2-5μm的SOI芯片，将SOI芯片依次放入食人鱼洗液、乙醇、丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洗；
(2)在SOI芯片表面旋涂保护层，然后在热板上进行前烘处理，再利用光刻机进行光刻，在显影液中去除多余的保护层，最后在热板上进行坚膜处理，制备出具有p-Si的掩膜层；
(3)利用离子注入的方法形成B重掺杂的p++layer作为p型欧姆接触层，掺杂浓度为1015-1019cm-3，去除掩膜层；
(4)重复步骤(2)的操作过程制作n++layer掩膜层，然后利用离子注入的方法形成P重掺杂的n++layer作为n型欧姆接触层，掺杂浓度为1015-1019cm-3，然后去除掩膜层；
(5)重复步骤(2)的操作过程制作电极的掩膜层，然后利用电子束蒸发的方法沉积10～30nm/90～110nm厚的Pt/Al，然后在丙酮溶液中剥离多余的金属，最后在N2环境中进行退火处理；
(6)重复步骤(2)的操作过程制作i型Si的掩膜层，然后利用离子注入的方法形成P轻掺杂的n-layer作为本征区，掺杂浓度为1012-1016cm-3，然后去除掩膜层；再次制作空气孔阵列的掩膜层，利用反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀的方法制作光电二极管本征层内微纳光学结构，空气孔按立方晶格方式排列，然后去除掩膜层。
9.根据权利要求8所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管的制备方法，其特征在于，所述Pt/Al的厚度为20nm/100nm。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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