CN115939153A

CN115939153A - 一种光电子集成芯片及其制备方法

Info

Publication number: CN115939153A
Application number: CN202211411136.2A
Authority: CN
Inventors: 郑志明
Original assignee: Jiangsu Liange Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Liange Technology Co ltd
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2023-04-07

Abstract

本发明公开了一种光电子集成芯片及其制备方法，包括衬底以及多个制备在衬底上的光电探测器，每一个光电探测器包括欧姆接触层A、光吸收层、欧姆接触层B、金属电极C和金属电极D，光吸收层设置在欧姆接触层A上侧，欧姆接触层B设置在光吸收层上侧，金属电极C与欧姆接触层A连接，金属电极D与欧姆接触层B连接，其中欧姆接触层A和欧姆接触层B互为P、N型导电，且所有光电探测器的光吸收层的厚度互不相同。本发明的光电集成芯片制备的光谱仪可以免去分光部分，使光谱仪的尺寸更小、成本更低廉，同时整体式的芯片相比于分开的分光部分和光探测部分的设计在性能上也更加的稳定。

Description

一种光电子集成芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种芯片及其制备方法，特别是一种光电子集成芯片及其制备方法，属于光电检测芯片技术领域。

背景技术

光谱仪是一种测试光谱的仪器，通过对光谱的测量，可以获得目标材料的发光、光吸收、光透射、光散射等信息，从而可以推算出材料的结构、组分等信息。

随着人们对光谱信息获取需求不断提高，应用范围不断拓展，集成化、小型化的微型光谱仪成为近年研究的热点领域。一般来说，微型光谱仪包括分光部分和光探测部分，分光部分是将不同波长的光分开，而光探测部分是对特定波长光的强度进行探测，从而获得不同波长的光强分布。分光部分可以有多种方法，如棱镜、线性滤光片、F-P滤光片、阵列波导光栅等等。分光部分和探测器部分往往是分开的，这样在封装难度、器件尺寸、成本等方面存在一定的优化难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光电子集成芯片及其制备方法，免去光谱仪分光部分。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种光电子集成芯片，其特征在于：包括衬底以及多个制备在衬底上的光电探测器，每一个光电探测器包括欧姆接触层A、光吸收层、欧姆接触层B、金属电极C和金属电极D，光吸收层设置在欧姆接触层A上侧，欧姆接触层B设置在光吸收层上侧，金属电极C与欧姆接触层A连接，金属电极D与欧姆接触层B连接，其中欧姆接触层A和欧姆接触层B互为P、N型导电，且所有光电探测器的光吸收层的厚度互不相同。本发明的光电子集成芯片由一系列半导体吸收层厚度不同的光电探测器组成，利用半导体材料的光吸收系数与波长相关以及半导体光电探测器的光响应度与吸收层厚度相关等为基本原理，通过测量不同厚度光电探测器的光响应度，可以拟合计算出光谱分布。可以采用外延、刻蚀、斜角研磨等方法获得不同厚度的半导体材料区域，利用不同厚度半导体区制备出光电探测器阵列，光电探测器的光吸收层具有不同的厚度，从而制备出光电子集成芯片。

进一步地，所述光吸收层采用硅、锗、锡、铅四族半导体材料、化合物半导体材料或者有机半导体材料。

进一步地，所述硅、锗、锡、铅四族半导体材料包含硅、锗、锗硅合金、锗锡合金、锗铅合金、硅锗锡合金和锗锡铅合金中的一种或几种的组合，化合物半导体材料或者有机半导体材料包含GaAs、InGaAs、AlGaAs和InGaAsP中的一种或几种的组合。

进一步地，所述每一个光电探测器的光吸收层的各处厚度相等。

进一步地，所述每一个光电探测器的光吸收层的各处厚度不相等，并且所有光电探测器的光吸收层的平均厚度均不相同。即在一个光电探测器的光吸收层各处的厚度不相等时，我们取其平均厚度用来与其他的光电探测器的光吸收层的平均厚度进行对比，保证他们的平均厚度的不同。

进一步地，所述光电探测器的表面设置有介质层，介质层采用二氧化硅、氮化硅和三氧化二铝中的一种或几种的组合。

进一步地，所有所述光电探测器的欧姆接触层A相互连接为一体。本发明中欧姆接触层A可以是连接在一起的整体式结构，也可以是相互隔离开来的独立部件。

进一步地，所有所述金属电极C共用一个。本发明的金属电极C可以共用一个，也可以分开独立设置。

衬底与欧姆接触层A可以采用不同的材料，也可以采用同掺杂型号的同一半导体材料。

一种光电子集成芯片的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

S1、提供一个半导体材料的衬底；

S2、在衬底上制备欧姆接触层A；

S3、在欧姆接触层A上制作半导体光吸收层；

S4、对半导体光吸收层进行加工，使其在不同区域形成不同厚度；

S5、在不同区域不同厚度的光吸收层上分别制备分立的欧姆接触层B；

S6、在欧姆接触层A上制备金属电极C，在欧姆接触层B上制备金属电极D。

进一步地，所述衬底采用掺杂半导体材料，掺杂半导体材料同时作为欧姆接触层A。

进一步地，所述不同区域不同厚度的光吸收层之间采用刻蚀槽进行隔离。

进一步地，所述光吸收层通过选区外延形成，不同区域的选区外延形成的光吸收层之间相互隔离。

进一步地，所述光探测器之间设置有绝缘层，绝缘层上制备金属阻挡层。

进一步地，所述光吸收层采用干法刻蚀或者湿法刻蚀进行腐蚀，在不同区域形成不同厚度的光吸收层。

进一步地，所述光吸收层制作完成后，采用斜角研磨在光吸收层表面形成一个斜坡，使光吸收层沿斜坡方向形成渐变的光吸收层厚度。

进一步地，所述金属电极C制作在衬底的背面。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明的光电子集成芯片由不同吸收层厚度的光电探测器组成，利用半导体材料对不同波长光的吸收系数不同，通过测量不同吸收层厚度光电探测器的光电流，就可以计算出入射光的光谱结构，从而可以实现对光谱的测量，采用本发明的光电集成芯片制备的光谱仪可以免去分光部分，使光谱仪的尺寸更小、成本更低廉，同时整体式的芯片相比于分开的分光部分和光探测部分的设计在性能上也更加的稳定。

附图说明

图1是本发明的一种光电子集成芯片的示意图。

图2是本发明的实施例的步骤1示意图。

图3是本发明的实施例的步骤2示意图。

图4是本发明的实施例的步骤3示意图。

图5是本发明的实施例的步骤4示意图。

图6是本发明的实施例的步骤6示意图。

图7是本发明的实施例的步骤7示意图。

图8是本发明的实施例的步骤8示意图。

具体实施方式

为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的一种光电子集成芯片，包括衬底1以及多个制备在衬底1上的光电探测器，每一个光电探测器包括欧姆接触层A2、光吸收层3、欧姆接触层B4、金属电极C5和金属电极D6，光吸收层3设置在欧姆接触层A2上侧，欧姆接触层B4设置在光吸收层3上侧，金属电极C5与欧姆接触层A2连接，金属电极D6与欧姆接触层B4连接，其中欧姆接触层A2和欧姆接触层B4互为P、N型导电，即欧姆接触层A2为P型导电时，欧姆接触层B4为N型导电，当欧姆接触层A2为N型导电时，欧姆接触层B4为P型导电。并且所有光电探测器的光吸收层3的厚度互不相同。本发明的光电子集成芯片由一系列半导体吸收层厚度不同的光电探测器组成，利用半导体材料的光吸收系数与波长相关以及半导体光电探测器的光响应度与吸收层厚度相关等为基本原理，通过测量不同厚度光电探测器的光响应度，可以拟合计算出光谱分布。可以采用外延、刻蚀、斜角研磨等方法获得不同厚度的半导体材料区域，利用不同厚度半导体区制备出光电探测器阵列，光电探测器的光吸收层具有不同的厚度，从而制备出光电子集成芯片。

其中，光吸收层3采用硅、锗、锡、铅四族半导体材料、化合物半导体材料或者有机半导体材料。硅、锗、锡、铅四族半导体材料包含硅、锗、锗硅合金、锗锡合金、锗铅合金、硅锗锡合金和锗锡铅合金中的一种或几种的组合，化合物半导体材料或者有机半导体材料包含GaAs、InGaAs、AlGaAs和InGaAsP中的一种或几种的组合。

在本发明的一个实施例中，每一个光电探测器的光吸收层3的各处厚度相等，所有光电探测器的光吸收层3的厚度互不相同。

在本发明的另一个实施例中，每一个光电探测器的光吸收层3的各处厚度不相等，并且所有光电探测器的光吸收层3的平均厚度均不相同。即在一个光电探测器的光吸收层3各处的厚度不相等时，我们取其平均厚度用来与其他的光电探测器的光吸收层的平均厚度进行对比，保证他们的平均厚度的不同。

光电探测器的表面设置有介质层，介质层采用二氧化硅、氮化硅和三氧化二铝中的一种或几种的组合。

所有光电探测器的欧姆接触层A2相互连接为一体。本发明中欧姆接触层A可以是连接在一起的整体式结构，也可以是相互隔离开来的独立部件。所有金属电极C5共用一个。本发明的金属电极C5可以共用一个，也可以分开独立设置。衬底1与欧姆接触层A2可以采用不同的材料，也可以采用同掺杂型号的同一半导体材料。

一种光电子集成芯片的制备方法，具体包含以下步骤：

步骤1：取N型高掺杂（100）硅片，用PECVD生长一层二氧化硅，然后进行光刻和刻蚀二氧化硅，在刻蚀区域刻蚀到硅衬底（如图2）；

步骤2：在露出硅的区域选区外延，生长不掺杂的锗材料，厚度1.5微米（如图3）。

步骤3：刻蚀锗外延层，采用干法或者湿法工艺，对不同区的锗外延层进行刻蚀，不同区域获得不同的锗厚度（如图4）；

步骤4：进行硼离子注入，注量约为1-5×10¹⁵/cm²，能量为20-50KeV，注入后对样品进行快速退火，使晶格恢复，并使注入的B离子激活。（如图5）；

步骤5：生长二氧化硅钝化层；

步骤6：刻蚀二氧化硅，露出欧姆接触区（如图6）；

步骤7：蒸发欧姆接触金属P电极（如图7）；

步骤8：背面减薄并蒸发下欧姆接触金属N电极（如图8）；

步骤9：电极金属合金化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种光电子集成芯片，其特征在于：包括衬底以及多个制备在衬底上的光电探测器，每一个光电探测器包括欧姆接触层A、光吸收层、欧姆接触层B、金属电极C和金属电极D，光吸收层设置在欧姆接触层A上侧，欧姆接触层B设置在光吸收层上侧，金属电极C与欧姆接触层A连接，金属电极D与欧姆接触层B连接，其中欧姆接触层A和欧姆接触层B互为P、N型导电，且所有光电探测器的光吸收层的厚度互不相同。

2.根据权利要求1所述的一种光电子集成芯片，其特征在于：所述光吸收层采用硅、锗、锡、铅四族半导体材料、化合物半导体材料或者有机半导体材料。

3.根据权利要求2所述的一种光电子集成芯片，其特征在于：所述硅、锗、锡、铅四族半导体材料包含硅、锗、锗硅合金、锗锡合金、锗铅合金、硅锗锡合金和锗锡铅合金中的一种或几种的组合，化合物半导体材料或者有机半导体材料包含GaAs、InGaAs、AlGaAs和InGaAsP中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述的一种光电子集成芯片，其特征在于：所述每一个光电探测器的光吸收层的各处厚度相等。

5.根据权利要求1所述的一种光电子集成芯片，其特征在于：所述每一个光电探测器的光吸收层的各处厚度不相等，并且所有光电探测器的光吸收层的平均厚度均不相同。

6.根据权利要求1所述的一种光电子集成芯片，其特征在于：所述光电探测器的表面设置有介质层，介质层采用二氧化硅、氮化硅和三氧化二铝中的一种或几种的组合。

7.根据权利要求1所述的一种光电子集成芯片，其特征在于：所有所述光电探测器的欧姆接触层A相互连接为一体。

8.根据权利要求1所述的一种光电子集成芯片，其特征在于：所有所述金属电极C共用一个。

9.一种权利要求1-8任一项所述的光电子集成芯片的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

S1、提供一个半导体材料的衬底；

S2、在衬底上制备欧姆接触层A；

S3、在欧姆接触层A上制作半导体光吸收层；

10.根据权利要求9所述的光电子集成芯片的制备方法，其特征在于：所述衬底采用掺杂半导体材料，掺杂半导体材料同时作为欧姆接触层A。

11.根据权利要求9所述的光电子集成芯片的制备方法，其特征在于：所述不同区域不同厚度的光吸收层之间采用刻蚀槽进行隔离。

12.根据权利要求9所述的光电子集成芯片的制备方法，其特征在于：所述光吸收层通过选区外延形成，不同区域的选区外延形成的光吸收层之间相互隔离。

13.根据权利要求9所述的光电子集成芯片的制备方法，其特征在于：所述光探测器之间设置有绝缘层，绝缘层上制备金属阻挡层。

14.根据权利要求11所述的光电子集成芯片的制备方法，其特征在于：所述光吸收层采用干法刻蚀或者湿法刻蚀进行腐蚀，在不同区域形成不同厚度的光吸收层。

15.根据权利要求9所述的光电子集成芯片的制备方法，其特征在于：所述光吸收层制作完成后，采用斜角研磨在光吸收层表面形成一个斜坡，使光吸收层沿斜坡方向形成渐变的光吸收层厚度。

16.根据权利要求9所述的光电子集成芯片的制备方法，其特征在于：所述金属电极C制作在衬底的背面。