CN112054073A - 一种带导光结构的光电二极管及其制作方法 - Google Patents

一种带导光结构的光电二极管及其制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112054073A
CN112054073A CN202010591023.XA CN202010591023A CN112054073A CN 112054073 A CN112054073 A CN 112054073A CN 202010591023 A CN202010591023 A CN 202010591023A CN 112054073 A CN112054073 A CN 112054073A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light guide
layer
guide hole
photodiode
photoelectric conversion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010591023.XA
Other languages
English (en)
Inventor
张江勇
杨健
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xiamen Sanan Integrated Circuit Co Ltd
Original Assignee
Xiamen Sanan Integrated Circuit Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xiamen Sanan Integrated Circuit Co Ltd filed Critical Xiamen Sanan Integrated Circuit Co Ltd
Priority to CN202010591023.XA priority Critical patent/CN112054073A/zh
Publication of CN112054073A publication Critical patent/CN112054073A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0232Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0216Coatings
    • H01L31/02161Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/105Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种带导光结构的光电二极管及其制作方法,包括衬底、光电转换结构和导光结构,光电转换结构设于所述衬底之上且顶面设有收光口,导光结构包括设于收光口之上的锥形导光孔和设于锥形导光孔内侧壁的高反射层,其中锥形导光孔由覆盖光电转换结构顶部的有机聚合物层开口形成,锥形导光孔的底部孔径与所述收光口相对应,顶部孔径大于底部孔径。本发明在光电二极管光敏面上利用半导体微加工技术制作了一个具有较大收光孔径的导光结构,可提高光纤耦合效率,降低封装成本。

Description

一种带导光结构的光电二极管及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,尤其涉及一种带导光结构的光电二极管及其制作方法。
背景技术
随着通讯技术的发展,用于光接收的光电探测器的速率要求越来越高。为了达到更高的速率,必须降低光电探测器的结电容,也就是减小收光面的直径。目前,25G InGaAs高速探测器的光敏面直径普遍在20μm左右,而更高速率的探测器光敏面直径更小。小光敏面探测器导致耦合效率低,良品率差,直接影响高速光模块产品的成本降低。
为了提升高速光电探测器的耦合效率,目前采用衬底背面集成微透镜的技术方案。这一技术方案虽然可以降低耦合难度,但同时也存在明显的弊端,比如增加了工艺复杂程度,良率偏低,并且芯片还需要filp-chip工艺,将芯片倒装到载体上才能使用,芯片体积偏大。这些都导致芯片加工成本明显增加。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足,提供一种带导光结构的光电二极管及其制作方法。
为了实现以上目的,本发明的技术方案为:
一种带导光结构的光电二极管,包括衬底、光电转换结构和导光结构;所述光电转换结构设于所述衬底之上且顶面设有收光口,所述导光结构包括设于所述收光口之上的锥形导光孔和设于所述锥形导光孔内侧壁的高反射层,其中所述锥形导光孔由覆盖所述光电转换结构顶部的有机聚合物层开口形成,所述锥形导光孔的底部孔径与所述收光口相对应,顶部孔径大于底部孔径。
可选的,所述收光口的孔径不大于30μm,所述锥形导光孔的顶部孔径是所述收光口孔径的1.1~10倍。
可选的,所述锥形导光孔的侧壁与水平面的外夹角为30°~70°。
可选的,所述有机聚合物层具有感光特性,材料是PI(聚酰亚胺)、PMMA、光刻胶或BCB(苯并环丁烯),所述锥形导光孔的高度为3~100μm。
可选的,所述高反射层的在所述光电二极管的工作波段的反射率大于80%,厚度大于10nm。
可选的,所述高反射层的材料是金属。
可选的,所述光电转换结构包括PIN外延层、抗反射层、钝化层和电极,所述PIN外延层设于所述衬底之上,所述钝化层覆盖所述PIN外延层的收光口之外的表面并设有让位于电极连接的开口,所述抗反射层设于所述PIN外延层顶面的收光口内,所述电极通过所述开口与所述PIN外延层连接。
可选的,所述PIN外延层包括按序设于所述衬底之上的N型层、I层吸收区和P型层,所述电极包括连接所述N型层的N电极和连接所述P型层的P电极,其中所述P电极于所述P型层上环形设置,所述抗反射层设于环形内部并形成所述收光口。
上述光电二极管的制作方法包括以下步骤:
1)于衬底上制作光电转换结构;
2)涂覆有机聚合物并预处理形成有机聚合物层;
3)通过光刻技术于所述有机聚合物层形成对应所述收光口的锥形导光孔;
4)于所述锥形导光孔的内侧壁形成高反射层。
可选的,步骤4)具体包括:涂覆光阻,通过曝光显影裸露所述锥形导光孔的内侧壁,通过蒸镀工艺沉积金属于所述锥形导光孔的内侧壁上形成所述高反射层,剥离光阻将所述收光口内的金属去除。
本发明的有益效果为:
1)在光电二极管光敏面上利用半导体微加工技术制作了一个具有较大收光孔径的导光结构,这一结构可提高光纤耦合效率,降低光纤耦合难度,增加芯片响应度。
2)相比于背部集成透镜的光电二极管,本结构不需要filp-chip工艺,成本优势明显,并且芯片尺寸更小。
3)光电二极管的台面区域覆盖了较厚的有机聚合物,一方面该区域高度较高,有效地防止了覆盖部分和光窗部分机械刮伤,起到了保护作用,另一方面,覆盖物可进一步增强芯片的防水汽能力。
附图说明
图1为一实施例的带导光结构的光电二极管的结构示意图;
图2为实施例的光路原理示意图,其中带箭头的线表示入射光线;
图3为图1的结构的工艺流程图,图中表示各个步骤所得到的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明,其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及顶面/底面的定义,在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言,因此皆可以翻转而呈现相同的构件,此皆应同属本说明书所揭露的范围。
参考图1至图2,实施例的一种带导光结构的光电二极管100包括衬底1、光电转换结构2和导光结构3。光电转换结构2设于衬底1之上且顶面设有收光口2a,导光结构3包括设于所述收光口2a之上的锥形导光孔31和设于所述锥形导光孔31内侧壁的高反射层32,其中所述锥形导光孔31由覆盖所述光电转换结构2顶部的有机聚合物层33开口形成,所述锥形导光孔31的底部开口31a与所述收光口2a相对应(即孔径相同且重合),顶部开口31b的孔径大于底部开口31a的孔径。
其中,所述光电转换结构2包括PIN外延层21、抗反射层22、钝化层23和N电极24和P电极25。PIN外延层21包括按序设于所述衬底1之上的N型层211、I层吸收区212和P型层213,钝化层23覆盖PIN外延层21的收光口2a之外的表面并设有让位于电极连接的开口,N电极24通过钝化层23的开口由N型层211引出,P电极25通过钝化层23的开口于P型层213上环形设置并引出,环形内部形成收光口2a。所述抗反射层22设于环形设置的P型层213内部,即覆盖收光口2a表面。
本实施例的光电转换结构2举例为InGaAs高速光电二极管结构,具体,衬底1为半绝缘衬底,N型层211的材料为N型InP,I层吸收区212的材料为InGaAs,P型层213的材料为P型InP,抗反射层、钝化层和电极等参考习知设置。
所述收光口2a的孔径(也即锥形导光孔31的底部开口31a的孔径)不大于30μm,所述锥形导光孔31的顶部开口31b的孔径是所述收光口2a孔径的1.1~10倍。锥形导光孔31的侧壁与水平面的外夹角α为30°~70°。锥形导光孔31的高度为3~100μm。形成锥形导光孔31的有机聚合物层33的材料具有感光特性,材料是PI、PMMA、光刻胶或BCB。高反射层32在光电二极管的工作波段的反射率大于80%,厚度大于10nm。高反射层的材料优选为金属,例如Ti、Ni、Al等。
锥形导光孔31和高反射层32形成的导光结构类似光锥,进入顶部开口31b的入射光通过侧壁的高反射层32反射并进入收光口2a,增大了光电转换结构2的收光孔径,使光电转换结构2可收集的光增多,从而获得更高的响应度。举例来说,收光口2a的孔径(也即锥形导光孔31的底部开口31a的孔径)为10μm,锥形导光孔31的外夹角α(导光孔侧壁与水平面的夹角)为60°、高度为10μm,则顶部开口31b的孔径为21.5μm,收光孔径增大了一倍以上,效果明显。
参考图3,以下具体说明上述光电二极管的制作方法。
见图3-1,于衬底1上制作光电转换结构2。例如,于衬底1上依次外延形成包括N型层211、I层吸收区212、P型层213的外延层21,然后形成覆盖上述结构的钝化层23,去除P型层213顶面的钝化层23并对覆盖N型层211的钝化层23开口,沉积金属制作通过开口与N型层211接触的N电极24和于P型层213的顶面与P型层213接触的P电极25,其中P电极25于P型层213顶面环形设置以定义出收光口2a,然后于环形内形成抗反射层22。
见图3-2,涂覆有机聚合物于光电转换结构2上并通过例如紫外固化等预处理方式形成有机聚合物层33。聚合物的厚度通过选择聚合物粘稠度及调节匀胶条件控制。
见图3-3,利用光刻技术蚀刻有机聚合物层33,制作对应收光口2a的锥形导光孔31。锥形导光孔31的侧壁与水平面的外夹角通过调节焦距、曝光剂量及显影条件控制。
见图3-4,涂覆光阻4,通过曝光显影裸露所述锥形导光孔31的内侧壁,通过蒸镀工艺沉积金属于锥形导光孔31的内侧壁上形成高反射层32。
见图3-5,剥离光阻4,将收光口2a内部的金属去除,即形成导光结构3。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种带导光结构的光电二极管及其制作方法,但本发明并不局限于实施例,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带导光结构的光电二极管,其特征在于:包括衬底、光电转换结构和导光结构;所述光电转换结构设于所述衬底之上且顶面设有收光口,所述导光结构包括设于所述收光口之上的锥形导光孔和设于所述锥形导光孔内侧壁的高反射层,其中所述锥形导光孔由覆盖所述光电转换结构顶部的有机聚合物层开口形成,所述锥形导光孔的底部孔径与所述收光口相对应,顶部孔径大于底部孔径。
2.根据权利要求1所述的光电二极管,其特征在于:所述收光口的孔径不大于30μm,所述锥形导光孔的顶部孔径是所述收光口孔径的1.1~10倍。
3.根据权利要求1所述的光电二极管,其特征在于:所述锥形导光孔的侧壁与水平面的外夹角为30°~70°。
4.根据权利要求1所述的光电二极管,其特征在于:所述有机聚合物层具有感光特性,材料是PI、PMMA、光刻胶或BCB,所述锥形导光孔的高度为3~100μm。
5.根据权利要求1所述的光电二极管,其特征在于:所述高反射层的在所述光电二极管的工作波段的反射率大于80%,厚度大于10nm。
6.根据权利要求1所述的光电二极管,其特征在于:所述高反射层的材料是金属。
7.根据权利要求1所述的光电二极管,其特征在于:所述光电转换结构包括PIN外延层、抗反射层、钝化层和电极,所述PIN外延层设于所述衬底之上,所述钝化层覆盖所述PIN外延层的收光口之外的表面并设有让位于电极连接的开口,所述抗反射层设于所述PIN外延层顶面的收光口内,所述电极通过所述开口与所述PIN外延层连接。
8.根据权利要求7所述的光电二极管,其特征在于:所述PIN外延层包括按序设于所述衬底之上的N型层、I层吸收区和P型层,所述电极包括连接所述N型层的N电极和连接所述P型层的P电极,其中所述P电极于所述P型层上环形设置并形成收光口,所述抗反射层设于环形内部。
9.权利要求1~8任一项所述光电二极管的制作方法,其特征在于包括以下步骤:
1)于衬底上制作光电转换结构;
2)涂覆有机聚合物并预处理形成有机聚合物层;
3)通过光刻技术于所述有机聚合物层形成对应所述收光口的锥形导光孔;
4)于所述锥形导光孔的内侧壁形成高反射层。
10.根据权利要求9所述的制作方法,其特征在于:步骤4)具体包括:涂覆光阻,通过曝光显影裸露所述锥形导光孔的内侧壁,通过蒸镀工艺沉积金属于所述锥形导光孔的内侧壁上形成所述高反射层,剥离光阻将所述收光口内的金属去除。
CN202010591023.XA 2020-06-24 2020-06-24 一种带导光结构的光电二极管及其制作方法 Pending CN112054073A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010591023.XA CN112054073A (zh) 2020-06-24 2020-06-24 一种带导光结构的光电二极管及其制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010591023.XA CN112054073A (zh) 2020-06-24 2020-06-24 一种带导光结构的光电二极管及其制作方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112054073A true CN112054073A (zh) 2020-12-08

Family

ID=73602137

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010591023.XA Pending CN112054073A (zh) 2020-06-24 2020-06-24 一种带导光结构的光电二极管及其制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112054073A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112615250A (zh) * 2021-01-06 2021-04-06 厦门市三安集成电路有限公司 一种光电二极管

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1685513A (zh) * 2002-09-24 2005-10-19 浜松光子学株式会社 光电二极管阵列及其制造方法
US20060267124A1 (en) * 2005-05-27 2006-11-30 Rohm Co., Ltd. Light receiving device
JP2007198983A (ja) * 2006-01-27 2007-08-09 Hamamatsu Photonics Kk 積分球用アダプタ及びこれを備える光検出装置
US20110147707A1 (en) * 2009-12-22 2011-06-23 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Detection device, photodiode array, and method for manufacturing the same
CN105742397A (zh) * 2016-03-14 2016-07-06 电子科技大学 一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管
CN106098836A (zh) * 2016-08-19 2016-11-09 武汉华工正源光子技术有限公司 通讯用雪崩光电二极管及其制备方法
CN106992194A (zh) * 2017-03-28 2017-07-28 上海集成电路研发中心有限公司 一种提高光利用率的图像传感器及其制造方法
TWM561365U (zh) * 2016-10-20 2018-06-01 Boly Media Communications Shenzhen Co Ltd 聚光式光能接收裝置
CN108288665A (zh) * 2018-01-29 2018-07-17 扬州乾照光电有限公司 一种具有电极导光结构的led芯片及制作方法
CN108807449A (zh) * 2018-08-24 2018-11-13 德淮半导体有限公司 图像传感器及其形成方法
CN111221438A (zh) * 2020-01-06 2020-06-02 Tcl华星光电技术有限公司 触控显示面板及其制备方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1685513A (zh) * 2002-09-24 2005-10-19 浜松光子学株式会社 光电二极管阵列及其制造方法
US20060267124A1 (en) * 2005-05-27 2006-11-30 Rohm Co., Ltd. Light receiving device
JP2007198983A (ja) * 2006-01-27 2007-08-09 Hamamatsu Photonics Kk 積分球用アダプタ及びこれを備える光検出装置
US20110147707A1 (en) * 2009-12-22 2011-06-23 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Detection device, photodiode array, and method for manufacturing the same
CN105742397A (zh) * 2016-03-14 2016-07-06 电子科技大学 一种可见光到红外光探测的宽波段光电二极管
CN106098836A (zh) * 2016-08-19 2016-11-09 武汉华工正源光子技术有限公司 通讯用雪崩光电二极管及其制备方法
TWM561365U (zh) * 2016-10-20 2018-06-01 Boly Media Communications Shenzhen Co Ltd 聚光式光能接收裝置
CN106992194A (zh) * 2017-03-28 2017-07-28 上海集成电路研发中心有限公司 一种提高光利用率的图像传感器及其制造方法
CN108288665A (zh) * 2018-01-29 2018-07-17 扬州乾照光电有限公司 一种具有电极导光结构的led芯片及制作方法
CN108807449A (zh) * 2018-08-24 2018-11-13 德淮半导体有限公司 图像传感器及其形成方法
CN111221438A (zh) * 2020-01-06 2020-06-02 Tcl华星光电技术有限公司 触控显示面板及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112615250A (zh) * 2021-01-06 2021-04-06 厦门市三安集成电路有限公司 一种光电二极管

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106098836B (zh) 通讯用雪崩光电二极管及其制备方法
JP2002289904A (ja) 半導体受光素子とその製造方法
EP2665102A1 (en) Light receiving device, optical device, and method for manufacturing light receiving device
CN106784118B (zh) 背照式高速光电二极管接收芯片及其制作方法
US20200105957A1 (en) Photodiode having light redirection layer
CN103367370B (zh) 亚波长光栅反射增强型硅基宽光谱集成光探测器及其制备方法
CN115458623B (zh) 光电探测器芯片、距离传感器及电子设备
CN111524994A (zh) 基于混合吸收层背入射高速铟镓砷光电探测器及制备方法
CN112054073A (zh) 一种带导光结构的光电二极管及其制作方法
CN106057957A (zh) 具有周期性纳米结构的雪崩光电二极管
KR100464333B1 (ko) 수광소자 및 그 제조방법
CN212011002U (zh) 一种高速光电二极管
CN104576808B (zh) 带载体的高速雪崩光电探测器芯片及其制作方法
US20200209495A1 (en) Optical sensing device having integrated optics and methods of manufacturing the same
US5045908A (en) Vertically and laterally illuminated p-i-n photodiode
CN115036377B (zh) 一种光电探测器、阵列及终端
CN209675303U (zh) 一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管
CN112768550A (zh) 一种用于提高背照式光电二极管响应度的结构及制作方法
CN115458624B (zh) 光电探测器芯片、距离传感器及电子设备
CN209199952U (zh) 集成光电探测器
CN115810680A (zh) 一种局域场增强的光电导型高速光电探测器
KR102176477B1 (ko) 후면 입사형 광 검출기
CN114023831A (zh) 一种高速高响应光电探测器及其制作方法
JP2650389B2 (ja) 受光素子とその製造方法
CN109378349B (zh) 集成光电探测器及其制作方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201208