CN112951941A - 一种柔性平面探测器pin芯片及其制作方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性平面探测器PIN芯片及其制作方法与应用，该芯片由下至上依次包括N面电极、外延片和P面电极；所述外延片依次为n型InGaAs欧姆接触层、n型InP层、InGaAs层、p型InP层和p型InGaAs欧姆接触环；所述P型InGaAs欧姆接触环设有扩散孔区域。本发明采用柔性芯片工艺，得到柔性平面探测器PIN芯片，应用场景不局限于常规封装形式，可应用于各类曲面、柔性器件等复杂环境使用。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器领域，具体涉及一种柔性平面探测器PIN芯片及其制作方法与应用。
背景技术
金属有机化合物气相外延技术，简称MOCVD，是用氢气载气将金属有机化合物蒸汽和非金属氢化物经过多路开关送入反应室内加热的衬底上，通过分解反应而最终在其上生长出外延层的先进技术。它的生长过程涉及流体力学，气相及固体表面反应动力学及二者相相合的复杂过程。一般其外延生长是在热力学近平衡条件下进行的。
光电探测器是将光信号转换为电信号的半导体器件，用于光纤通讯、计算机网络、有线电视网络和各种光电控制、光电探测的系统中。光电探测器主要有PIN和APD(雪崩二极管)两种结构。前者只探测不放大，通常在-5V反向偏压下工作；后者探测并同时放大，必须在高向偏压下工作。在长波长下工作的光电探测器一般采用InGaAs/InP材料。PIN光电探测器在低压下工作，响应度高、信噪比好、使用方便，是国内外光通讯中最常用的光电探测器。
目前GaInAs/InP PIN光电探测器芯片工艺均使用刚性InP衬底上制作外延层与芯片工艺，不适用于柔性器件。因此，需要开发一种柔性平面探测器PIN芯片，能应用于各类曲面、柔性器件等复杂环境使用。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题为：一种柔性平面探测器PIN芯片。
本发明要解决的第二个技术问题为：上述柔性平面探测器PIN芯片的制备方法。
本发明要解决的第三个技术问题为：上述柔性平面探测器PIN芯片的应用。
为解决上述第一个技术问题，本发明提供的技术方案是：一种柔性平面探测器PIN芯片，由下至上依次包括N面电极、外延片和P面电极；所述外延片依次为n型InGaAs欧姆接触层、n型InP层、InGaAs层、p型InP层和p型InGaAs欧姆接触环；所述p型InP层部分表面还设有绝缘层，剩余部分设有减反膜；所述p型InGaAs欧姆接触环设有扩散孔区域。
根据本发明的一些实施方式，所述P面电极结构从下至上依次为Ti层、Pt层和Au层。
根据本发明的一些实施方式，所述N面电极结构从下至上依次为Ni层、Ge层、Au层、Ti层和Cu层。
根据本发明实施方式的柔性平面探测器PIN芯片，至少具有如下有益效果：本发明所提供的PIN芯片，可应用于一定程度的曲面平面，从而拓展了该芯片的使用范围。
为解决上述第二个技术问题，本发明提供的技术方案是：上述柔性平面探测器PIN芯片的制备方法：
S1、在InP衬底表面形成Buffer层；
S2、在所述Buffer层表面形成外延片；
S3、在所述外延片与所述InP衬底相对的一面形成P面电极；
S4、在所述P面电极表面贴附热解胶膜；
S5、在所述热解胶膜表面贴附支撑部；
S6、通过第一次腐蚀所述InP衬底和Buffer层，得到剥离件；
S7、在所述剥离件与所述支撑部相对的一面上形成N面电极；
S8、在所述N面电极表面形成金属衬底；
S9、加热去除热解胶膜和支撑部后，低温退火，得到柔性平面探测器PIN芯片。
根据本发明的一些实施方式，所述Buffer层是与衬底晶格匹配的材料。
根据本发明的一些实施方式，所述P面电极结构从下至上依次为Ti层、Pt层和Au层。
根据本发明的一些实施方式，所述P面电极中Ti层的厚度为20～100nm，Pt层的厚度为50～200nm，Au层的厚度为100～2000nm。
根据本发明的一些实施方式，所述P面电极采用磁控溅射镀膜。
根据本发明的一些实施方式，所述支撑部为硅片。
根据本发明的一些实施方式，所述第一次腐蚀的腐蚀剂为HCl的水溶液。
根据本发明的一些实施方式，所述HCl的水溶液的质量浓度为10～35％
根据本发明的一些实施方式，所述N面电极结构从下至上依次为Ni层、Ge层、Au层、Ti层和Cu层。
根据本发明的一些实施方式，所述N面电极中Ni层的厚度为5～20nm，Ge层的厚度为20～200nm，Au层的厚度为30～200nm，Ti层的厚度为30～200nm，Cu层的厚度为1000～2000nm。
根据本发明的一些实施方式，所述N面电极采用电子束蒸镀镀膜。
根据本发明的一些实施方式，所述金属衬底为铜衬底、银衬底和金衬底中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述铜衬底的形成方式为电镀。
根据本发明的一些实施方式，所述电镀过程中电镀液选用CuSO4和H2SO4溶液。
根据本发明的一些实施方式，所述铜衬底厚度为30～50μm。
根据本发明的一些实施方式，所述加热温度为200～300℃。
根据本发明的一些实施方式，所述低温退火的温度为200～300℃，低温退火的时间为30～120min。
根据本发明的一些实施方式，在所述Buffer层表面形成外延片的具体操作为：
(1)、在所述Buffer层表面形成n型InGaAs欧姆接触层；
(2)、在所述n型InGaAs欧姆接触层表面形成n型InP层；
(3)、在所述n型InP层表面形成InGaAs层；
(4)、在所述InGaAs层表面形成p型InP层；
(5)、在所述p型InP层表面形成p型InGaAs欧姆接触层；
(6)、在所述p型InGaAs欧姆接触层表面形成掩膜层，得到预制片A，对所述预制片A光刻后第二次腐蚀，形成p型InGaAs欧姆接触环掩膜层；
(7)、对所述p型InGaAs欧姆接触层进行第三次腐蚀，形成p型InGaAs欧姆接触环，所述p型InGaAs欧姆接触环的形状与所述p型InGaAs欧姆接触环掩膜层一致，得预制片B；
(8)、在预制片B表面形成绝缘层，得预制片C；光刻后第四次腐蚀，裸露出扩散孔区域，得预制片D；所述扩散孔区域包括p型InGaAs欧姆接触环与环内区域；
(9)、在所述预制片D的所述扩散孔区域进行掺杂，掺杂后退火，得预制片E；
(10)、在所述在预制片E上表面沉积减反膜，得预制片F；将所述预制片F光刻后干法刻蚀将p型InGaAs欧姆接触环裸露出来，得预制片G；
(11)、在所述预制片G中所述p型InGaAs欧姆接触环表面形成P面电极，得到所述外延片。
根据本发明的一些实施方式，所述掩膜层为SiO2。
根据本发明的一些实施方式，所述第二次腐蚀的腐蚀剂为HF的水溶液；优选地，所述HF的水溶液的质量浓度为10～40％。
根据本发明的一些实施方式，所述第三次腐蚀的腐蚀剂为H3PO4和H2O2混合溶液；优选地，所述H3PO4和H2O2的质量比为1:0.2～2，所述磷酸在所述H3PO4和H2O2混合溶液中的质量浓度为25～50％。
根据本发明的一些实施方式，所述第四次腐蚀的腐蚀剂为HF的水溶液；优选地，所述HF的水溶液的质量浓度为10～50％。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层为SiO2。
根据本发明的一些实施方式，所述减反膜为SiNx。
根据本发明的一些实施方式，所述掺杂为Zn扩散。
根据本发明的一些实施方式，所述Zn扩散的扩散源为二甲基锌(DMZn)和PH3。
根据本发明的一些实施方式，所述掺杂后退火温度为550～650℃，掺杂后退火时间为1～5min。
根据本发明实施方式的柔性平面探测器PIN芯片的制备方法，至少具有如下有益效果：本发明的制备方法，得到了柔性平面探测器PIN芯片，应用场景不局限于常规封装形式，可应用于各类曲面、柔性器件等复杂环境使用。
为解决上述第三个技术问题，本发明提供的技术方案是：上述柔性平面探测器PIN芯片在光电探测器中的应用。
本发明的柔性平面探测器可拓展相关技术中光电探测器的应用范围，实现了光电探测器在各类曲面和柔性器件等复杂环境中的使用。
附图说明
图1为本发明实施例预制片A的结构示意图；
图2为本发明实施例预制片B的结构示意图；
图3为本发明实施例预制片C的结构示意图；
图4为本发明实施例预制片D的结构示意图；
图5为本发明实施例预制片E的结构示意图；
图6为本发明实施例预制片F的结构示意图；
图7为本发明实施例预制片G的结构示意图；
图8为本发明实施例预制片H的结构示意图；
图9为本发明实施例预制片I结构示意图；
图10为本发明实施例预制片J的结构示意图；
图11为本发明实施例预制片K的结构示意图；
图12为本发明实施例柔性平面探测器PIN芯片的结构示意图。
标号说明：
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到的试剂和材料。
本发明的实施例为：一种柔性平面探测器PIN芯片及其制备方法，包括以下步骤：
S1、在InP衬底表面生长Buffer层(InP)，自Buffer层采用MOCVD法依次往上生长以下各层：n型InGaAs欧姆接触层、n型InP层、InGaAs层、p型InP层与p型InGaAs欧姆接触层，制得如图1所示的一种预制片A；
S2、在预制片A的p型InGaAs欧姆接触层表面沉积SiO2掩膜层，制得如图2所示的预制片B；其中，沉积方法为等离子体增强化学气相沉积；
S3、将预制片B中SiO2掩膜层特定区域光刻后，选用质量分数10％的HF的水溶液进行腐蚀，形成接触环掩膜；再选用H3PO4和H2O2的混合溶液(其中，水：磷酸：过氧化氢的质量比为1：1：0.2)对P型InGaAs欧姆接触层进行腐蚀，形成P型InGaAs欧姆接触环，制得如图3所示的预制片C；其中，P型InGaAs欧姆接触环与接触环掩膜尺寸一致；
S4、将预制片C与InP衬底相对的一面沉积SiO2绝缘层，制得如图4所示的预制片D；
S5、将预制片D表面SiO2绝缘层部分区域和SiO2掩膜层光刻后，选用质量分数10％的HF的水溶液进行腐蚀，裸露出扩散孔区域，制得如图5所示的预制片E；其中，扩散孔区域包括P型InGaAs欧姆接触环与环内区域；
S6、将预制片E采用MOCVD法进行Zn扩散，扩散完成后，在550℃下退火1min，制得如图6所示的预制片F；其中，扩散源为二甲基锌(DMZn)与PH3在高温下形成的磷化锌；
S7、将预制片F上表面沉积SiNx减反膜，制得如图7所示的预制片G；其中，沉积方法为等离子体增强化学气相沉积；
S8、将预制片G光刻后进行刻蚀，将P型InGaAs欧姆接触环裸露出来，得到如图8所示的预制片H；其中，刻蚀工艺使用感应耦合等离子体进行刻蚀与质量分数10％的HF水溶液湿法腐蚀；
S9、在预制片H的P型InGaAs欧姆接触环表面溅射P面电极，溅射完成后，在上表面贴附热解胶膜，在热解胶膜表面贴附硅片，得到如图9所示的预制片I；其中，P面电极结构为Ti层、Pt层和Au层；P面电极中Ti层的厚度为50nm，Pt层的厚度为100nm，Au层的厚度为1000nm；P面电极的溅射方法为磁控溅射镀膜法；热解胶膜为双面胶膜；
S10、使用HCl的水溶液对预制片I的InP衬底与Buffer层进行腐蚀，裸露出InGaAs欧姆接触层，得到如图10所示的预制片J；
S11、在预制片J的InGaAs欧姆接触层表面制备N面电极，在N面电极表面电镀铜衬底，得到如图11所示的预制片K；其中，N面电极结构为Ni层、Ge层、Au层、Ti层和Cu层；其中，N面电极Ni层的厚度为10nm，Ge层的厚度为100nm，Au层的厚度为100nm，Ti层的厚度为100nm，Cu层的厚度为1000nm；其中，N面电极制备方法为电子束蒸镀镀膜法；其中，电镀液为质量分数为20％的CuSO4和质量分数为6.5％的H2SO4混合溶液，电镀铜衬底厚度为40μm；
S12、将预制片K加热去除热解胶膜与硅片，其中，去除热解胶膜与硅片温度为200℃，将剥离下来的外延层低温退火，得到如图12所示的柔性平面探测器PIN芯片；其中低温退火温度为200℃，低温退火时间为90min。
综上所述，本发明提供的制备方法，得到了柔性平面探测器PIN芯片，应用场景不局限于常规封装形式，可应用于各类曲面、柔性器件等复杂环境使用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种柔性平面探测器PIN芯片，其特征在于：由下至上依次包括N面电极、外延片和P面电极；所述外延片由下至上依次为n型InGaAs欧姆接触层、n型InP层、InGaAs层、p型InP层、p型InGaAs欧姆接触环；所述p型InP层的表面部分还设有绝缘层，剩余部分设有减反膜；所述p型InGaAs欧姆接触环设有扩散孔区域。
2.根据权利要求1所述的一种柔性平面探测器PIN芯片，其特征在于：所述P面电极结构从下至上依次为Ti层、Pt层和Au层。
3.根据权利要求1所述的一种柔性平面探测器PIN芯片，其特征在于：所述N面电极结构从下至上依次为Ni层、Ge层、Au层、Ti层和Cu层。
4.一种制备如权利要求1至3任一项所述的柔性平面探测器PIN芯片的方法，其特征在于：包含以下步骤：
S1、在InP衬底表面形成Buffer层；
S2、在所述Buffer层表面形成外延片；
S3、在所述外延片与所述InP衬底相对的一面形成P面电极；
S4、在所述P面电极表面贴附热解胶膜；
S5、在所述热解胶膜表面贴附支撑部；
S6、通过第一次腐蚀所述InP衬底和Buffer层，得到剥离件；
S7、在所述剥离件与所述支撑部相对的一面上形成N面电极；
S8、在所述N面电极表面形成金属衬底；
S9、加热去除热解胶膜和支撑部后，低温退火，得到柔性平面探测器PIN芯片。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述支撑部为硅片。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述第一次腐蚀的腐蚀剂为HCl的水溶液。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述金属衬底为铜衬底、银衬底和金衬底中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述加热温度为200～300℃。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述低温退火的温度为200℃～300，低温退火的时间为30～120min。
10.根据权利要求1至3任一项所述的柔性平面探测器PIN芯片在光电探测器中的应用。
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