CN111312876A - 一种高速高响应度的硅基光电二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速高响应度的硅基光电二极管及其制备方法，在不影响光电二极管响应度的前提下，解决了硅基光电二极管响应速度慢的问题。本发明通过低阻材料降低了扩散区电阻，缩短了扩散时间；通过增加高反层，降低了耗尽区的物理厚度，缩短了漂移时间；通过高反层，提高了长波的吸收效率；通过在高反层上开孔，减小了扩散区的阻抗。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种高速高响应度的硅基光电二极管及其制备方法。
背景技术
硅基光电二极管由于其材料成本低，制造工艺简单，响应度峰值波长为940nm，在3Dsensor、红外测距、光通讯等领域有着广泛的应用。由于光在硅中的入射深度跟入射光波长相关，波长越长，入射越深，因此为了提高响应度，传统光电二极管均选用高阻材料(电阻率2000～5000ohmcm)来提升耗尽区宽度，从而达到提高响应度的目的。随着光电二极管在光通讯中的广泛应用，光电二极管的响应速度要求越来越高，常规硅基光电二极管响应时间为纳秒级，已无法满足数据传输率1Gbps以上的应用场景，因此，提高硅基光电二极管响应速度变得越来越迫切。
高阻材料虽然可以提高响应度，同时它也会引入三个方面的缺点：一是耗尽区宽度变宽，使得光生载流子漂移时间变长，响应速度变慢；二是耗尽区变宽，需要材料厚度相应的变厚，而对于某些应用场景，需要芯片厚度在150um左右，这种情况下，宽耗尽区并未带来响应度的明显提升；三是由于材料为高阻材料，扩散区电阻率太高，导致扩散时间变长，从而导致响应速度变慢。
可以看出，为了得到高响应度，材料厚度需要做厚，电阻率选用高阻；为了得到高响应速度，材料厚度尽量薄，电阻率尽量低；这样就很难实现两者的兼顾。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供高速高响应度的硅基光电二极管及其制备方法，在不影响光电二极管响应度的前提下，解决了硅基光电二极管响应速度慢的问题，实现硅基光电二极管高响应度与高响应速度同时提升。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高速高响应度的硅基光电二极管，包括背面设有背面电极的衬底；衬底正面依次设有高反层、外延层、注入层、氧化硅层、氮化硅层和正面金属电极；
所述的高反层上开设有用于形成电流路径的刻蚀孔，以及与正面金属电极相对应的刻蚀区；
所述的注入层包括保护环以及设在其内的有源区；
所述的正面金属电极还贯穿氧化硅层、氮化硅层与有源区相连接。
所述的衬底为电阻率20～100为Ohm·cm的硅基衬底，衬底背面直接做金属化处理形成背面电极。
所述的高反层由折射率2.4～2.8的高折射薄膜与折射率1.2～1.6的低折射薄膜交替叠加组成；
高反层上开设的刻蚀孔为矩阵排列的圆形孔，或者为同心环形孔。
所述的刻蚀孔为均匀分布的圆形孔时，孔直径为10～50um，孔间距为15～50um，圆形孔的总面积为结面积的1/2；
所述的刻蚀孔为同心环形孔时，同心环中心与正面金属电极的中心重合，同心环中心为刻蚀区，相邻环间距5～20um。
所述的外延层淀积在高反层上；在外延层上分别以N型离子注入形成保护环，以P型离子注入形成有源区；
所述的氧化硅层为热氧化生成SiO2层，所述的氮化硅层为淀积生长的Si3N4层；
所述的正面金属电极是在溅射后经刻蚀成形。
所述外延层的电阻率为500～1000ohm·cm，外延层厚度Wepi根据耗尽区宽度WD确定：Wepi≈WD，而WD≥W入/2，其中W入＝f(λ)，W入为入射光入射深度，λ为入射光波长。
一种高速高响应度的硅基光电二极管的制备方法，包括以下操作：
1)在衬底上溅射生成高反层；
2)高反层开设刻蚀孔；
3)高反层上通过淀积的方法生长外延层；
4)在外延层上通过离子注入分别形成保护环和有源区；
5)在保护环和有源区上生成SiO2层，然后在SiO2层上方生成Si3N4层；
6)在SiO2层、Si3N4层上刻出接触孔，然后溅射金属，溅射完成后刻蚀形成正面金属电极；
7)在衬底的背面做金属化处理形成背面电极。
所述的衬底采用电阻率20～100为ohm·cm的低电阻率硅材料；衬底直接与背面金属形成良好的欧姆接触；
所述的高反层是由折射率2.4～2.8的高折射薄膜与折射率1.2～1.6的低折射薄膜交替叠加组成，通过化学气相淀积或光学镀膜技术生成；
所述的外延层的电阻率为500～1000ohm·cm，外延层的厚度与耗尽区宽度相当；
所述的保护环为As离子源注入，注入剂量为1e15～2e15；
所述的有源区为B离子源注入，注入剂量为1e15～2e15；
所述的正面金属电极是在溅射Al之后刻蚀形成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的高速高响应度的硅基光电二极管，通过适当减小耗尽区宽度和减小扩散区电阻率，耗尽区宽度减小导致响应度的降低，本发明通过增加高反层使得光子在耗尽区中二次吸收来补偿；高反层的形成使得器件保持对长波响应度的同时，降低响应时间；由于扩散区(耗尽区以外的区域)材料电阻率很低，扩散区阻抗很小，因此扩散时间很短；从而实现硅基光电二极管高响应度与高响应速度同时提升。
本发明提供的高速高响应度的硅基光电二极管，由于通过低阻材料降低了扩散区电阻，缩短了扩散时间；而高反层的设置提高了长波的吸收效率，降低了耗尽区的物理厚度，缩短了漂移时间，并且在其上开孔减小了扩散区的阻抗；衬底采用低电阻率材料，背面不用进行减薄注入，直接背面金属化形成背面电极，避免了加工过程中碎片的情况。
附图说明
图1为本发明的结构图示意图；
图2为本发明的等效电路示意图；
图3为本发明的高反层原理示意图；
图4为多孔结构高反层的示意图；
图5-1～图5-7分别为本发明的逐层制备示意图；
图6为本发明的硅基光电二极管的响应度测试曲线；
图7为本发明的硅基光电二极管的频率特性测试曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1～图4，一种高速高响应度的硅基光电二极管，包括背面设有背面电极108的衬底107；衬底107正面依次设有高反层(109、外延层101、注入层、氧化硅层、氮化硅层和正面金属电极106；
所述的高反层109上开设有用于形成电流路径的刻蚀孔，以及与正面金属电极106相对应的刻蚀区；
所述的注入层包括保护环102以及设在其内的有源区103；
所述的正面金属电极106还贯穿氧化硅层、氮化硅层与有源区103相连接。
进一步的，所述的衬底107为电阻率20～100为Ohm·cm的硅基衬底，衬底背面直接做金属化处理形成背面电极108。
所述的外延层101淀积在高反层109上；在外延层101上分别以N型离子注入形成保护环102，以P型离子注入形成有源区103；
所述的氧化硅层为热氧化生成SiO2层104，所述的氮化硅层为淀积生长的Si3N4层105；
所述的正面金属电极106是在溅射后经刻蚀成形。
参见图2所示的光电二极管等效电路示意图，RSH为光电二极管关断阻抗，RSH＝∞，RS为光电二极管串联电阻(由衬底107与外延层101体电阻组成)，CJ为光电二极管结电容(主要由P+有源区103与外延层101构成二极管的势垒电容组成)，RL为系统等效负载(50Ω)；
RS＝ρ(WO-WD)/AJ+RC，其中，WO为衬底厚度，WD为耗尽区宽度，AJ为结面积，RC为接触电阻(欧姆接触可忽略不计)，ρ为衬底电阻率；
光电二极管响应度responsivity很大程度上依赖于耗尽区的宽度，耗尽区越宽，光子转换的光生载流子越多，响应度越高；
而光电二极管响应时间t由三部分组成：t＝(tcc 2+tdiff 2+tRC 2)1/2；
tcc为耗尽区中光生载流子的收集时间，与耗尽区宽度WD成正比；
tdiff为耗尽区之外的光生载流子扩散到耗尽区里面所需的时间，正比于(WO-WD)2；
tRC为RC时间常数，tRC＝2.2(RS+RL)CJ；
本发明提供的高速高响应度的硅基光电二极管，通过适当减小耗尽区宽度和减小扩散区电阻率，耗尽区宽度减小导致响应度的降低，再通过增加高反层使得光子在较薄的耗尽区中二次吸收来补偿，以减小耗尽区变薄对光响应度的影响(参见图3)；高反层的形成使得器件保持对长波响应度的同时，降低响应时间；进一步，通过在高反层上刻孔形成均匀的电流路径同时获得高的响应速度(参见图4)；由于扩散区(耗尽区以外的区域)材料电阻率很低，扩散区阻抗很小，因此扩散时间很短；从而实现硅基光电二极管高响应度与高响应速度同时提升。
该结构中，衬底材料107不用进行背面处理，直接与金属形成良好的欧姆接触；外延层厚度取决于耗尽区宽度。
进一步的，所述外延层101的电阻率为500～1000ohm·cm，外延层101厚度Wepi根据耗尽区宽度WD确定：Wepi≈WD，而WD≥W入/2，其中W入＝f(λ)，W入为入射光入射深度，λ为入射光波长；
所述的高反层109由折射率2.4～2.8的高折射薄膜与折射率1.2～1.6的低折射薄膜交替叠加组成；
高反层109上开设的刻蚀孔为矩阵排列的圆形孔，或者为同心环形孔。
所述的刻蚀孔为均匀分布的圆形孔时，孔直径为10～50um，孔间距为15～50um，圆形孔的总面积为结面积的1/2；
所述的刻蚀孔为同心环形孔时，同心环中心与正面金属电极106的中心重合，同心环中心为刻蚀区，相邻环间距5～20um。
具体的，高反层109可以为多孔结构，可采用矩阵排列(比如采用正方形阵列排列)，孔直径为25um，孔间距35um；
也可以为同心环结构，该同心环中心与金属电极106中心重合，第一个环直径与金属电极106直径相同，相邻环间距10um，环中心距35um；
正面金属电极106下方的高反层需要刻蚀掉，以增大同流能力，降低扩散电阻，提高响应速度。
进一步的，参见图5-1～图5-7，本发明还提出一种高速高响应度的硅基光电二极管的制备方法，包括以下操作：
1)在衬底107上溅射生成高反层109；
2)高反层109开设刻蚀孔；
3)高反层109上通过淀积的方法生长外延层101；
4)在外延层101上通过离子注入分别形成保护环102和有源区103；
5)在保护环102和有源区103上生成SiO2层104，然后在SiO2层上方生成Si3N4层105；
6)在SiO2层104、Si3N4层105上刻出接触孔，然后溅射金属，溅射完成后刻蚀形成正面金属电极106；
7)在衬底107的背面做金属化处理形成背面电极108。
进一步的，所述的衬底107采用电阻率20～100为ohm·cm的低电阻率硅材料；衬底107直接与背面金属形成良好的欧姆接触；
所述的高反层109是由折射率2.4～2.8的高折射薄膜与折射率1.2～1.6的低折射薄膜交替叠加组成，通过化学气相淀积或光学镀膜技术生成；
所述的外延层101的电阻率为500～1000ohm·cm，外延层101的厚度与耗尽区宽度相当；
所述的保护环102为As离子源注入，注入剂量为1e15～2e15；
所述的有源区103为B离子源注入，注入剂量为1e15～2e15；
所述的正面金属电极106是在溅射Al之后刻蚀形成。
具体的，包括以下操作：
1)以在N+掺杂硅材料作为衬底107，在其上通过化学气相淀积或光学镀膜生成厚度3～5um的高反层109；其中，高反层109由高折射率薄膜与低折射率薄膜交替叠加组成；
2)利用等离子刻蚀机在高反层109上以干法刻蚀开设刻蚀孔，并刻蚀掉与正面金属电极106相对的高反层109；
3)刻蚀完成后，在高反层109上以化学气相淀积的方法生长电阻率500～1000ohm·cm的N-外延层，其厚度与耗尽区宽度相当；
4)在外延层101上以As离子源进行N型离子注入，注入剂量1e15～2e15，形成保护环102；
与保护环102间距12～20um，在外延层101上以B离子源进行P型离子注入，注入剂量1e15～2e15，形成有源区103；
5)在保护环102和有源区103上通过热氧化法生成SiO2层104，在SiO2层上方淀积生长Si3N4层105；
6)接连刻穿Si3N4层和SiO2层形成接触孔，然后溅射Al，并将溅射层刻蚀形成正面金属电极106；
7)在衬底107背面直接进行金属化处理形成背面电极108。
下面给出具体的实施例。
实施例1
1)在N+重掺杂的衬底107上溅射生成厚度3～5um的高反层109，
2)利用等离子刻蚀机干法刻蚀工艺在高反层109刻孔；
3)高反层109上通过淀积的方法生长N-外延层101；
4)通过离子注入分别形成N+保护环102和P+有源区103，间距12～20um；
5)热氧化生成SiO2层104)，SiO2层上方淀积生长Si3N4层105；
6)接连刻掉Si3N4层和SiO2层形成接触孔，然后溅射Al，刻蚀形成正面金属电极106；
7)背面做金属化处理形成背面电极108。
综上所述，本发明通过低阻材料降低了扩散区电阻，缩短了扩散时间；通过增加高反层，降低了耗尽区的物理厚度，缩短了漂移时间；通过高反层，提高了长波的吸收效率；通过在高反层上开孔，减小了扩散区的阻抗。
本发明的硅基光电二极管的响应度测试曲线如图6所示；
本发明的硅基光电二极管的频率特性测试曲线如图7所示；其测试条件：λ＝940nm，VR＝10V，RL＝50Ω；
检测结果表明，在不影响光电二极管响应度的前提下，解决了硅基光电二极管响应速度慢的问题，实现硅基光电二极管高响应度与高响应速度同时提升。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高速高响应度的硅基光电二极管，其特征在于，包括背面设有背面电极(108)的衬底(107)；衬底(107)正面依次设有高反层(109)、外延层(101)、注入层、氧化硅层、氮化硅层和正面金属电极(106)；
所述的高反层(109)上开设有用于形成电流路径的刻蚀孔，以及与正面金属电极(106)相对应的刻蚀区；
所述的注入层包括保护环(102)以及设在其内的有源区(103)；
所述的正面金属电极(106)还贯穿氧化硅层、氮化硅层与有源区(103)相连接。
2.如权利要求1所述的高速高响应度的硅基光电二极管，其特征在于，所述的衬底(107)是电阻率为20～100为ohm·cm的硅基衬底，衬底背面直接做金属化处理形成背面电极(108)。
3.如权利要求1所述的高速高响应度的硅基光电二极管，其特征在于，所述的高反层(109)由折射率2.4～2.8的高折射薄膜与折射率1.2～1.6的低折射薄膜交替叠加组成；
高反层(109)上开设的刻蚀孔为矩阵排列的圆形孔，或者为同心环形孔。
4.如权利要求3所述的高速高响应度的硅基光电二极管，其特征在于，所述的刻蚀孔为均匀分布的圆形孔时，孔直径为10～50um，孔间距为15～50um，圆形孔的总面积为结面积的1/2；
所述的刻蚀孔为同心环形孔时，同心环中心与正面金属电极(106)的中心重合，同心环的中心为刻蚀区，相邻环间距5～20um。
5.如权利要求1所述的高速高响应度的硅基光电二极管，其特征在于，所述的外延层(101)淀积在高反层(109)上；在外延层(101)上分别以N型离子注入形成保护环(102)，以P型离子注入形成有源区(103)；
所述的氧化硅层为热氧化生成SiO2层(104)，所述的氮化硅层为淀积生长的Si3N4层(105)；
所述的正面金属电极(106)是在溅射后经刻蚀成形。
6.如权利要求1所述的高速高响应度的硅基光电二极管，其特征在于，所述外延层(101)的电阻率为500～1000ohm·cm，外延层(101)厚度Wepi根据耗尽区宽度WD确定：Wepi≈WD，而WD≥W入/2，其中W入＝f(λ)，W入为入射光入射深度，λ为入射光波长。
7.一种高速高响应度的硅基光电二极管的制备方法，其特征在于，包括以下操作：
1)在衬底(107)上溅射生成高反层(109)；
2)高反层(109)开设刻蚀孔；
3)高反层(109)上通过淀积的方法生长外延层(101)；
4)在外延层(101)上通过离子注入分别形成保护环(102)和有源区(103)；
5)在保护环(102)和有源区(103)上生成SiO2层(104)，然后在SiO2层上方生成Si3N4层(105)；
6)在SiO2层(104)、Si3N4层(105)上刻出接触孔，然后溅射金属，溅射完成后刻蚀形成正面金属电极(106)；
7)在衬底(107)的背面做金属化处理形成背面电极(108)。
8.如权利要求7所述的高速高响应度的硅基光电二极管的制备方法，其特征在于，所述的衬底(107)采用电阻率20～100为ohm·cm的低电阻率硅材料；衬底(107)直接与背面金属形成良好的欧姆接触；
所述的高反层(109)是由折射率2.4～2.8的高折射薄膜与折射率1.2～1.6的低折射薄膜交替叠加组成，通过化学气相淀积或光学镀膜技术生成；
所述的外延层(101)的电阻率为500～1000ohm·cm，外延层(101)的厚度与耗尽区宽度相当；
所述的保护环(102)为As离子源注入，注入剂量为1e15～2e15；
所述的有源区(103)为B离子源注入，注入剂量为1e15～2e15；
所述的正面金属电极(106)是在溅射Al之后刻蚀形成。
9.如权利要求7所述的高速高响应度的硅基光电二极管的制备方法，其特征在于，所述外延层(101)厚度Wepi根据耗尽区宽度WD确定：Wepi≈WD，而WD≥W入/2，其中W入＝f(λ)，W入为入射光入射深度，λ为入射光波长；
所述高反层(109)上开设的刻蚀孔为矩阵排列的圆形孔，或者为同心环形孔。
10.如权利要求7所述的高速高响应度的硅基光电二极管的制备方法，其特征在于，具体包括以下操作：
1)以在N+掺杂硅材料作为衬底(107)，在其上通过化学气相淀积或光学镀膜生成厚度3～5um的高反层(109)；其中，高反层(109)由高折射率薄膜与低折射率薄膜交替叠加组成；
2)利用等离子刻蚀机在高反层(109)上以干法刻蚀开设刻蚀孔，并刻蚀掉与正面金属电极(106)相对的高反层(109)；
3)刻蚀完成后，在高反层(109)上以化学气相淀积的方法生长电阻率500～1000ohm·cm的N-外延层，其厚度与耗尽区宽度相当；
4)在外延层(101)上以As离子源进行N型离子注入，注入剂量1e15～2e15，形成保护环(102)；
与保护环(102)间距12～20um，在外延层(101)上以B离子源进行P型离子注入，注入剂量1e15～2e15，形成有源区(103)；
5)在保护环(102)和有源区(103)上通过热氧化法生成SiO2层(104)，在SiO2层上方淀积生长Si3N4层(105)；
6)接连刻穿Si3N4层和SiO2层形成接触孔，然后溅射Al，并将溅射层刻蚀形成正面金属电极(106)；
7)在衬底(107)背面直接进行金属化处理形成背面电极(108)。
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