CN114141903B - 双pn结式硅基光电二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双PN结式硅基光电二极管，包括：第一阳极、透光层、第二阳极、阴极、基底、第一探测区和第二探测区，第二探测区位于基底的上方，第二阳极位于基底的下方，第一探测区和阴极位于第二探测区的上方，第一阳极和透光层位于第一探测区的上方，在第一阳极、第二阳极和阴极之间施加相同的反向偏压，第一探测区吸收0.3‑0.5μm波段的入射光子，第二探测区吸收0.5‑1.1μm波段的入射光子，产生非平衡载流子，在内建电场作用下，使得电子到达阴极，空穴到达阳极，在外电路中形成电流，实现光电转换。本发明实现了可见光硅基光电器件能够同时满足高蓝光灵敏度、宽波段全覆盖以及近红外波段高电流增益的技术。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别涉及双PN结式硅基光电二极管及其制备方法。
背景技术
雪崩光电二极管(APD)是一种光伏型半导体器件，常在光通信领域中使用。在以硅或锗为材料制作的光电二极管的P-N结被施加反偏电压后，透射光被P-N结吸收后会形成光电流，提高反向偏压会产生“雪崩”现象(即光电流数倍激增)，这类二极管被称为“雪崩光电二极管”。雪崩光电二极管的工作原理是：当入射光透射至器件内激发光生载流子后，光生电子和空穴在高电场区中被电场加速而获得足够高的能量，高能载流子与原子相互碰撞使其电离产生新的自由载流子，同样次生载流子在高电场的作用下获得足够能量，进一步参与新的碰撞电离过程，如此多次连锁反应，使总的自由载流子浓度雪崩式增加，器件的过剩噪声因子可以表示为：
其中αp为空穴碰撞电离率，αn为电子碰撞电离率，M为倍增因子，从公式中看出在相同倍增系数的情况下空穴与电子的电离率相差越大，则光电探测器的额外噪声越小。以现有技术来说，与Ge和InGaAs-InP材料相比，Si在可见光波段具有光响应和较低的过剩噪声特性。因此在该光频段内，优先采用Si制备的雪崩光电二极管。
由于Si自身材料穿透深度存在差异，不同入射波长在Si中的穿透深度d可以表示为：
其中α为吸收系数，λ为入射的波长，k为Si所对应的该波长的消光系数，对于短波段k值较大，对于长波段k值较小，因此与长波波段的光吸收特性相比，Si对短波波段的光有着强烈的吸收，为了使短波波段入射光能量被充分吸收，通常吸收层设置在硅的浅表面区域，但这一结构会降低长波波段的光电流增益，无法实现可见光宽谱段高灵敏度，严重制约了相关应用领域的发展。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种双PN结式硅基光电二极管，通过器件分为上下两部分，上半部分主要实现穿透深度较浅的短波段高性能探测，下半部分主要实现穿透深度较深的长波段高性能探测，解决了现有技术中可见光硅基光电器件无法同时满足高蓝光灵敏度、宽波段全覆盖以及近红外波段高电流增益的技术问题，进一步扩展硅光电器件的应用场景。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种双PN结式硅基光电二极管，包括：第一阳极、透光层、第二阳极、阴极、基底、第一探测区和第二探测区，在基底的上方制备第二探测区，在基底的下方制备第二阳极，第一探测区和阴极位于第二探测区的上方，在第一探测区的上方制备第一阳极和透光层，
第一探测区用于吸收0.3-0.5μm波段的入射光子，第二探测区用于吸收0.5-1.1μm波段的入射光子，入射光子产生非平衡载流子。
优选地，第一探测区从上到下依次包括表面非耗尽层、第一吸收层、第一场控层和第一雪崩层。
优选地，第二探测区从上到下依次包括内部非耗尽层、第二雪崩层、第二场控层、第二吸收层。
优选地，透光层由高折射率薄膜、中折射率薄膜和低折射率薄膜中的两种或者三种交替排列组成，透光层由2～9层薄膜组成；
本发明还提供一种双PN结式硅基光电二极管的制备方法，包括如下步骤：
S1、在基底上生长第二探测区；
S2、在第二探测区上生长第一探测区；
S3、制备电极和透光层；
S4、通过封装工艺对制备完成的器件进行封装。
优选地，在步骤S1之前，还包括预处理步骤S0：
S0、选取P型重掺杂硅片作为基底，将基底进行清洁处理。
优选地，步骤S1包括以下子步骤：
S101、在基底上生长第二吸收层；
S102、在第二吸收层上生长第二场控层；
S103、在第二场控层上生长第二雪崩层；
S104、在第二雪崩层上生长内部非耗尽层。
优选地，步骤S2包括以下子步骤：
S201、在内部非耗尽层上生长第一雪崩层；
S202、在第一雪崩层上生长第一场控层；
S203、在第一场控层上生长第一吸收层；
S204、在第一吸收层上生长表面非耗尽层。
优选地，步骤S3包括以下子步骤：
S301、在第二探测区的上表面制备阴极；
S302、在第一探测区的上表面制备第一阳极和透光层；
S303、在第二探测区的下方制备第二阳极。
与现有的“雪崩光电二极管”相比，本发明通过器件分为上下两部分，上半部分主要实现穿透深度较浅的短波段高性能探测，下半部分主要实现穿透深度较深的长波段高性能探测，解决了现有技术中可见光硅基光电器件无法同时满足高蓝光灵敏度、宽波段全覆盖以及近红外波段高电流增益的技术问题，进一步扩展硅光电器件的应用场景。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的结构示意图。
图2是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的俯视结构示意图。
图3是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的基底示意图。
图4是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的第二吸收层的制备过程示意图。
图5是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的第二场控层的制备过程示意图。
图6是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的第二雪崩层的制备过程示意图。
图7是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的内部非耗尽层的制备过程示意图。
图8是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的第一雪崩层的制备过程示意图。
图9是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的第一场控层的制备过程。
图10是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的第一吸收层的制备过程示意图。
图11是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的表面非耗尽层的制备过程示意图。
图12是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的阴极的制备过程示意图。
图13是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的第一阳极的制备过程示意图。
图14是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的透光层的制备过程示意图。
图15是根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的第二阳极的制备过程示意图。
其中的附图标记包括：第一阳极1、透光层2、表面非耗尽层3、第一吸收层4、第一场控层5、第一雪崩层6、阴极7、内部非耗尽层8、第二雪崩层9、第二场控层10、第二吸收层11、基底12和第二阳极13。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管结构。
如图1所示，本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管从上到下依次包括：第一阳极1、透光层2、表面非耗尽层3、第一吸收层4、第一场控层5、第一雪崩层6、阴极7、内部非耗尽层8、第二雪崩层9、第二场控层10、第二吸收层11、基底12和第二阳极13。
第一阳极1和透光层2均位于第一探测区的上方，第一阳极1位于透光层2的侧面，第一探测区的直径大于透光层2的直径。
透光层2由高折射率薄膜、中折射率薄膜和低折射率薄膜中的两种或者三种交替排列组成，共二至九层；其中，高折射率薄膜材料为氧化铈(CeO2)、二氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、硫化锌(ZnS)、二氧化钍(ThO2)中的一种或几种的组合，中折射率薄膜材料为氧化镁(MgO)、氧化铟(InO2)中的一种或两种的组合，低折射率薄膜材料为氟化镁(MgF2)、二氧化硅(SiO2)、四氟化钚(ThF4)、氟化镧(LaF3)、氟化钕(NdF3)、氧化铍(BeO)、氧化铝(Al2O3)、三氟化铈(CeF3)、氟化锂(LiF)中的一种或几种的结合。
第一探测区从上到下依次包括：表面非耗尽层3、第一吸收层4、第一场控层5、第一雪崩层6；表面非耗尽层3为高掺杂p++型超薄硅；第一吸收层4为p-型硅；第一场控层5为p+型硅；第一雪崩层6为p型硅。
阴极7和第一探测区均位于第二探测区的上方，阴极7位于第一探测区的侧面，第二探测区的直径大于第一探测区的直径。
第二探测区从上到下依次包括：内部非耗尽层8、第二雪崩层9、第二场控层10和第二吸收层11；内部非耗尽层8为高掺杂n++型硅；第二雪崩层9为p型硅；第二场控层10为p+型硅；第二吸收层11为本征硅。
基底12位于第二探测区的下方，基底12的直径与第二探测区的直径相同，基底12为高掺杂p++型硅。
上述p型硅的掺杂离子为B3+，n型硅的掺杂离子为P5+或As5+。
第二阳极13位于基地12的下方。
第一阳极1、第二阳极13和阴极7的形状分别可以为外环形、单条形、多条形、圆形、内圆环形、内多边形中的一种或几种的结合。
第一阳极1、第二阳极13和阴极7材料分别可以为金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)、钛(Ti)中的一种或几种的合金。
图2示出了根据本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管俯视结构。
如图2所示，本发明实施例提供的双PN结式硅基光电二极管的形状可以为圆形、正方形或多边形等。
光束垂直于透光层2进入本发明的双PN结式硅基光电二极管，在阴极7和第一阳极1、第二阳极13之间施加相同的反向偏压，第一吸收层4内吸收0.3-0.5μm波段的入射光子，产生非平衡载流子，在内建电场作用下，使得电子向阴极7运动速度增加，最后到达阴极7，空穴向基底12运动到达阳极13；第二吸收层11内吸收0.5-1.1μm入射光子，产生非平衡载流子，在内建电场作用下，使得电子向阴极7运动速度增加，最后到达阴极7，空穴向基底12运动到达阳极13，从而在外电路中形成电流，实现光电转换，当反向偏压足够大时将引起载流子在雪崩层产生雪崩倍增的效果，使反向电流增大，使得APD的可见光波段光响应度增加。
图3-图15示出了宽谱段高响应双PN结式硅基雪崩光电探测器的制备过程，步骤如下：
S0、选取P型重掺杂硅片作为基底，进行清洁处理。
当基底干净时，则无需步骤S0。
S1、在基底上生长第二探测区。
步骤S1包括以下子步骤：
S101、通过气相外延(Vapour Phase Epitaxy、Chemical Vapor Deposition)技术在基底上生长第二吸收层。
S102、通过分子束外延(Molecular Beam Eitaxy)或气相外延(VPE、CVD)技术在第二吸收层上生长第二场控层。第二场控层的作用调节器件内部的场强分布。
S103、通过分子束外延(MBE)或气相外延(VPE、CVD)技术在第二场控层上生长第二雪崩层。
S104、通过分子束外延(MBE)或气相外延(VPE、CVD)技术在第二雪崩层上生长内部非耗尽层。内部非耗尽层用于导电。
S2、在第二探测区上生长第一探测区。
步骤S2包括以下子步骤：
S201、通过分子束外延(MBE)或气相外延(VPE、CVD)技术在内部非耗尽层上生长第一雪崩层。
S202、通过分子束外延(MBE)或气相外延(VPE、CVD)技术在第一雪崩层上生长第一场控层。第一场控层的作用调节器件内部的场强分布。
S203、通过分子束外延(MBE)或气相外延(VPE、CVD)技术在第一场控层上生长第一吸收层。
S204、通过分子束外延(MBE)或气相外延(VPE、CVD)技术在第一吸收层上生长表面非耗尽层。表面非耗尽层用于导电。
S3、制备电极和透光层；
步骤S3包括以下子步骤：
S301、在第二探测区的上表面制备阴极。
在内部非耗尽层的上表面旋涂光刻胶，通过光刻工艺制备出阴极掩膜图形，利用湿法腐蚀、干法刻蚀或者机械方法，等形成阴极沟槽，通过蒸发镀膜、磁控溅射及电铸等方法在内部非耗尽层的上表面制备阴极，去除掩膜材料，得到阳极。
S302、在第一探测区的上表面制备第一阳极和透光层。
步骤S302包括以下子步骤：
S3021、在第一探测区的上表面旋涂光刻胶，通过光刻工艺制备出阳极掩膜图形，利用湿法腐蚀、干法刻蚀或者机械方法等形成阳极沟槽，通过蒸发镀膜、磁控溅射及电铸等方法制备第一阳极，去除掩膜材料，得到第一阳极。
S3022、在第一探测区的上表面旋涂光刻胶，通过光刻工艺制备出增透膜的掩膜图形，通过低温蒸镀法制备一层增透膜作为透光层，然后去除表面光刻胶，得到透光层。
S303、在第二探测区的下表面制备第二阳极。
在第二探测区的下表面通过蒸发镀膜、磁控溅射及电铸等方法制备第二阳极。
S4、通过封装工艺对器件进行封装。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种双PN结式硅基光电二极管，其特征在于，包括：第一阳极、透光层、第二阳极、阴极、基底、第一探测区和第二探测区，在所述基底的上方制备所述第二探测区，在所述基底的下方制备所述第二阳极，所述第一探测区和所述阴极位于所述第二探测区的上方，在所述第一探测区的上方制备所述第一阳极和所述透光层，
所述第一探测区用于吸收0.3-0.5μm波段的入射光子，所述第二探测区用于吸收0.5-1.1μm波段的入射光子，所述入射光子产生非平衡载流子；
所述第一探测区从上到下依次包括表面非耗尽层、第一吸收层、第一场控层和第一雪崩层；
所述第二探测区从上到下依次包括内部非耗尽层、第二雪崩层、第二场控层、第二吸收层。
2.根据权利要求1所述的双PN结式硅基光电二极管，其特征在于，所述透光层由高折射率薄膜、中折射率薄膜和低折射率薄膜中的两种或者三种交替排列组成，所述透光层由2～9层薄膜组成。
3.一种如权利要求1-2中任一项所述的双PN结式硅基光电二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在基底上生长第二探测区；
S2、在第二探测区上生长第一探测区；
S3、制备电极和透光层；
S4、通过封装工艺对制备完成的器件进行封装。
4.根据权利要求3所述的双PN结式硅基光电二极管的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，还包括预处理步骤S0：
S0、选取P型重掺杂硅片作为基底，将所述基底进行清洁处理。
5.根据权利要求4所述的双PN结式硅基光电二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下子步骤：
S101、在所述基底上生长第二吸收层；
S102、在所述第二吸收层上生长第二场控层；
S103、在所述第二场控层上生长第二雪崩层；
S104、在所述第二雪崩层上生长内部非耗尽层。
6.根据权利要求5所述的双PN结式硅基光电二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：
S201、在所述内部非耗尽层上生长第一雪崩层；
S202、在所述第一雪崩层上生长第一场控层；
S203、在所述第一场控层上生长第一吸收层；
S204、在所述第一吸收层上生长表面非耗尽层。
7.根据权利要求6所述的双PN结式硅基光电二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤：
S301、在第二探测区的上表面制备阴极；
S302、在第一探测区的上表面制备第一阳极和透光层；
S303、在第二探测区的下方制备第二阳极。
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