CN112582495B - 红外增强型硅基光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种红外增强型硅基光电探测器，涉及硅基光电探测器技术领域，所述红外增强型硅基光电探测器包括：正面减反射膜、pn结、正面金属电极、背面全反射结构、背面反射层和背面金属电极。解决了红外光不易吸收引起的硅基光电探测器响应低的难题，达到了可以增强红外波长的光学吸收的效果。
Description
技术领域
本发明涉及红外增强型硅基光电探测器，属于硅基光电探测器技术领域。
背景技术
光电探测器是一种将光信号转化为电信号的探测器件，被广泛的应用于光纤通讯系统、成像系统等领域。目前硅基光电探测器的探测波长范围为400 nm~1000 nm，主要是因为硅材料的带隙在1.12 eV，波长大于1000 nm的很难被硅所吸收，从而导致硅基光电探测器很难在大于1000nm处实现较好的光电转换。InGaAs常被用于红外的光电探测器，但是InGaAs具有材料价值昂贵、热机械性能差、晶体质量差且不易与现有微电子工艺兼容等缺点，因此对于红外硅基光电探测器的研究一直是光电探测器的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外增强型硅基光电探测器，用于解决现有技术中存在的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
根据第一方面，本发明实施例提供了一种红外增强型硅基光电探测器，所述红外增强型硅基光电探测器包括：正面减反射膜、pn结、正面金属电极、背面全反射结构、背面反射层和背面金属电极。
可选的，所述的背面全反射结构包含有第一倾斜面和第二倾斜面，所述第一倾斜面和所述第二倾斜面为平面、上凸和/或下凹的表面。
可选的，所述第一倾斜面与水平面的夹角为9°~40°，所述第二倾斜面与水平面的夹角为45°~90°。
可选的，所述第一倾斜面与水平面的夹角为15°~35°，所述第二倾斜面与水平面的夹角为65°~85°。
可选的，所述第一倾斜面与水平面的夹角为9°~15°，所述第二倾斜面与水平面的夹角为45°~90°。
可选的，所述背面反射层和背面金属电极为同一层。
可选的，所述背面反射层为氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化铝和氧化铪中的一种或多种的叠层结构。
可选的，所述背面反射层为两种不同介质层进行堆叠组成的布拉格光栅结构。
可选的，所述布拉格光栅中两种介质材料叠层的层数大于等于5层。
可选的，所述背面反射层和背面全反射结构结合被用于包括雪崩光电二极管、光电二极管、光电三极管或者太阳能电池的光电器件中。
红外增强型硅基光电探测器通过在硅片背面采用反射层和全反射结构，从而改变光线的传播行径，使得背面的反射光线传播到正面时发生全反射，同时全反射的光线到达背面后仍能够发生全反射，最终实现光线完全困在硅片内部，直到光的能量被硅所吸收。解决了红外光不易吸收引起的硅基光电探测器响应低的难题，达到了可以增强红外波长的光学吸收的效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明的红外增强型硅基光电探测器示意图；
图2为实施例1的红外增强型硅基光电探测器的吸收率结果；
图3为光线传播示意图；
图4为对比例1的硅基光电探测器示意图；
图5为对比例1~3的硅基光电探测器的吸收率结果；
图6为实施例2~3的硅基光电探测器的吸收率结果；
图7为实施例4的硅基光电探测器的吸收率结果；
图8为实施例5的硅基光电探测器的吸收率结果；
图9为非平面全反射结构的硅基光电探测器示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖 直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间 未构成冲突就可以相互结合。
请参考图1，其示出了本申请一个实施例提供的红外增强型硅基光电探测器的结构示意图，如图1所示，所述红外增强型硅基光电探测器包括：正面减反射膜2、pn结（图中未标出）、正面金属电极3、背面全反射结构（5为第一倾斜面的倾斜角，6为第二倾斜面的倾斜角）、背面反射层4和背面金属电极7。
上述红外增强型硅基光电探测器通过正面减反射膜，较好的将绝大部分的光能穿透进入硅材料内部，正面减反射膜的材料为氧化硅和氮化硅，薄膜的厚度根据光的干涉理论对特定的波长进行设计，实现光在薄膜表面发生相干相消，从而实现减反射的特性。当光进入到硅片内部时，硅片会吸收光能转化为光生载流子，但是硅片对不同波长光的吸收能力不同，特别是对波长大于940 nm以上的光，需要非常长的吸收距离，且所需要的吸收距离随着波长的增加而增加，因此背面的光学设计变得尤为重要。与正面减反射膜的方法类似，在背面增加一层反射层，使得光线能尽可能的反射到硅片内部，从而增加光的吸收距离。当光再次到达硅片的正面时，由于光传播的可逆性，正面的抗反射膜使得从硅片内部的光也非常容易透过硅片的上表面逃逸到空气中。两倍硅片厚度的光吸收距离不足以使红外光线的能量全部吸收，从而降低硅基光电器件在红外光的吸收率。
背面全反射结构，其中包含有背面全反射结构的第一倾斜面5和背面全反射结构的第二倾斜面6，通过调整两个倾斜面的夹角，避免了光线逃离的可能性，从而大大的提升了硅基光电探测器在红外光的吸收能力。同时需要注意的是背面全反射结构需要结合背面反射层4才能够起到作用。所述第一倾斜面5和所述第二倾斜面6为平面、上凸和/或下凹的表面。
可选的，所述背面反射层4和背面金属电极7为可以为同一层。比如：金属银电极层、金属金电极层和金属铝电极层等。
并且，所述背面反射层4为氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化铝和氧化铪中的一种或多种的叠层结构。实际实现时，所述背面反射层4为两种不同介质层进行堆叠组成的布拉格光栅结构。并且，所述布拉格光栅中两种介质材料叠层的层数大于等于5层。
此外，上述实施例所述的背面反射层4和背面全反射结构结合被用于包括雪崩光电二极管、光电二极管、光电三极管或者太阳能电池的光电器件中。
在上述各个实施例中，第一倾斜面5和第二倾斜面6与水平面之间的夹角可以相互组合设置。比如，所述第一倾斜面与水平面的夹角为9°~40°，所述第二倾斜面与水平面的夹角为45°~90°。或者，所述第一倾斜面与水平面的夹角为15°~35°，所述第二倾斜面与水平面的夹角为65°~85°。又或者，所述第一倾斜面与水平面的夹角为9°~15°，所述第二倾斜面与水平面的夹角为45°~90°。以下将在不同实施例中分别举例说明。
实施例1
如图1所示，背面全反射结构中第一倾斜面5与水平面夹角为9°，第二倾斜面6与水平面夹角为90°。正面减反射膜2采用207 nm的氧化硅膜。背面反射层4采用氧化硅和氧化钛的叠层膜，构成布拉格光栅结构，周期数为20，其中氧化硅的厚度为207 nm，氧化钛的厚度为135 nm。硅基光电探测器所采用的硅片厚度为250 μm，光敏面积的边长为5 mm。该红外增强型硅基光电探测器的吸收率结果如图2所示。由于采用了背面全反射结构和背面反射层，使得不易吸收的红外光仍能够在硅片中进行长距离的传播，传播的光线示意图如图3所示，从而使1040 nm的光获得了最高的吸收率，吸收率达到90.43%。对于波长为1200 nm的光，虽然光能够在硅片中进行非常长距离的传播，但是硅对于该波长的光以及几乎不吸收，因此吸收率仅有1%。也即上述方案基本上将进入硅片的光全部吸收，因此对于光电探测器具有优异的红外增强特性。
对比例1，图4所示的硅基光电探测器，其中背面反射结构中第一倾斜面与水平面夹角为9°，第二倾斜面与水平面夹角同样为9°，是一个对称的槽形结构。正面减反射膜采用207 nm的氧化硅膜。背面反射层采用氧化硅和氧化钛的叠层膜，构成布拉格光栅结构，周期数为20，其中氧化硅的厚度为207 nm，氧化钛的厚度为135 nm。硅片厚度为250 μm，光敏面积的边长为5 mm。该红外增强型硅基光电探测器的吸收率结果如图5所示。由于采用了背面反射结构和背面全反射层，因此在红外处有一些增强，但是由于从正面全反射回的光线有很大概率在背面无法继续进行全反射传播，因此波长在大于1020 nm的吸收率明显低于上述所述的方案。
对比例2，对于硅基光电探测器的背面无反射结构时，即硅片的背面为平面。正面减反射膜采用207 nm的氧化硅膜。背面反射层采用氧化硅和氧化钛的叠层膜，构成布拉格光栅结构，周期数为20，其中氧化硅的厚度为207 nm，氧化钛的厚度为135 nm。硅片厚度为250μm，光敏面积的边长为5mm。该硅基光电探测器的吸收率结果如图5所示。背面仅采用了全反射层，相比于上述所述的两种方案红外的吸收率更低。波长的吸收率在960 nm处获得了最高吸收率，为86.8%。入射波长高于960 nm时，光电探测器的吸收率逐渐降低，在波长为1060 nm时，吸收率降低到了40.9%。充分表明背面全反射结构能够使光线在硅片中进行长距离传播，从而有利于硅基光电探测器的红外增强。
对比例3硅基光电探测器的背面全反射结构中第一倾斜面与水平面夹角为9°，第二倾斜面与水平面夹角为90°。正面的减反射膜采用207 nm的氧化硅膜。背面的全反射层采用金属钛，同时金属钛也是背面的金属电极。硅片厚度为250μm，光敏面积的边长为5mm。该硅基光电探测器的吸收率结果如图5所示，相比于上述三种方案该光电探测器的光学吸收最差，在波长为940 nm处就开始快速下降，波长为为1060 nm时，光学吸收仅剩22.2%，具有非常差的光学吸收率。其主要原因是金属钛与硅的折射率相类似，因此无法起到背面反射的作用，到达背面的光学无法经过背面反射结构反射到正面，因此背面反射结构起不到任何的作用，最终导致本方案具有最差的光学吸收。
实施例2
红外增强型硅基光电探测器所述的背面全反射结构中第一倾斜面5与水平面夹角为20°，第二倾斜面6与水平面夹角为90°，正面氧化硅膜为180nm，背面采用金属银。金属银既可以作为电极，也可以作为反射层。硅片厚度为250μm，光敏面积的边长为5mm。该硅基光电探测器的吸收率结果如图6所示，在波长为1000 nm时吸收率达到最大值，为92.90%。在波长为1060 nm时吸收率也达到了79.36%，上述实施例1，但是仍然高于对比例1。主要是因为正面氧化硅膜的厚度没有很好的进行匹配，但背面的全反射结构和背面的反射层仍然使得该光电探测器具有较好的光学吸收率。
实施例3
红外增强型硅基光电探测器所述的背面全反射结构中第一倾斜面5与水平面夹角为15°，第二倾斜面6与水平面夹角为80°。正面的减反射膜采用164 nm的氮化硅膜。背面反射层采用氧化硅和氮化硅的叠层膜，构成布拉格光栅结构，周期数为5，其中氧化硅的厚度为224 nm，氮化硅的厚度为164 nm。整个硅基光电探测器所采用的硅片厚度为300 μm，光敏面积的边长为1 mm。该硅基光电探测器的吸收率结果如图6所示，在波长为1060 nm时吸收率达到80.62%，相比于现有技术的红外光电探测器，光学吸收在红外波段有明显的提升。
实施例4
红外增强型硅基光电探测器所述的背面全反射结构中第一倾斜面与水平面夹角分别为4°、6°、8°和10°，第二倾斜面与水平面夹角为90°，正面氧化硅膜为200 nm。背面反射层采用氧化硅和氧化铪的叠层膜，构成布拉格光栅结构，周期数为10。硅片厚度为450μm，光敏面积的边长为15mm。该组红外增强型硅基光电探测器的吸收率结果如图7所示。可以明显的发现，当第一倾斜角为4°和6°时，并不足以改变光线使得光线能够在正反面发生来回的全反射，因此具有较差的红外吸收特性。当第一倾角为8°时，红外波段的吸收略有增强。但是当第一倾角为10°时，光电探测器的吸收出现了明显的红外增强效应。
实施例5
红外增强型硅基光电探测器所述的背面全反射结构中第一倾斜面与水平面夹角分别为35°、39°、41°和45°，第二倾斜面与水平面夹角为90°，正面氧化硅膜为200 nm，背面采用金属铝。金属铝既可以作为电极，也可以作为反射层。硅片厚度为350μm，光敏面积的边长为10mm。该组红外增强型硅基光电探测器的吸收率结果如图8所示。可以明显的发现，当第一倾斜角为41°和45°时，由于光线在背面出现了两次反射效应，从而改变了光线的传播方向，破坏了正面全反射效应，因此具有较差的红外吸收特性。当第一倾角低于40°时，光电探测器的吸收能够出现了明显的红外增强效应。
此外，上述仅以红外增强型硅基光电探测器为图1所示的结构来举例说明，可选的，请参考图9，红外增强型硅基光电探测器还可以采用图9所示的结构，本实施例对此并不做限定。
综上所述，红外增强型硅基光电探测器通过在硅片背面采用反射层和全反射结构，从而改变光线的传播行径，使得背面的反射光线传播到正面时发生全反射，同时全反射的光线到达背面后仍能够发生全反射，最终实现光线完全困在硅片内部，直到光的能量被硅所吸收。解决了红外光不易吸收引起的硅基光电探测器响应低的难题，达到了可以增强红外波长的光学吸收的效果。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种红外增强型硅基光电探测器，其特征在于，所述红外增强型硅基光电探测器包括：正面减反射膜、pn结、正面金属电极、背面全反射结构、背面反射层和背面金属电极；
所述背面全反射结构包含有第一倾斜面和第二倾斜面，所述第一倾斜面和所述第二倾斜面为平面、上凸和/或下凹的表面；
所述背面全反射结构中第一倾斜面与水平面夹角为9°，第二倾斜面与水平面夹角为90°；
所述正面减反射膜采用207nm的氧化硅膜；
所述背面反射层采用氧化硅和氧化钛的叠层膜，构成布拉格光栅结构，周期数为20；其中氧化硅的厚度为207nm，氧化钛的厚度为135nm。
2.根据权利要求1所述的红外增强型硅基光电探测器，其特征在于，所述背面反射层和背面金属电极为同一层。
3.根据权利要求1所述的红外增强型硅基光电探测器，其特征在于，所述布拉格光栅中两种介质材料叠层的层数大于等于5层。
4.根据权利要求1至3任一所述的红外增强型硅基光电探测器，其特征在于，所述背面反射层和背面全反射结构结合被用于包括雪崩光电二极管、光电二极管、光电三极管或者太阳能电池的光电器件中。
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