CN209418523U - 一种倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列，包括衬底以及设于衬底底部的阳极，所述衬底上表面设有凹槽，所述凹槽中自下而上依次包括：阴极、非耗尽层、倍增层和场控层，且阴极、非耗尽层、倍增层和场控层与所述衬底之间绝缘；所述场控层上覆有吸收层，且所述吸收层与所述衬底相接。同时还公开了由上述倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列设置组成的高增益倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列及其制备方法。本实用新型通过将吸收层设置在器件的表层，同时将器件的上阳极设置于器件的底部，大大提高了器件的量子效率以及对可见光的灵敏度；并且将器件进行阵列化分割，提高了器件的响应速度和增益。

Description

一种倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列

技术领域

本实用新型涉及光电领域，尤其是涉及一种倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列。

背景技术

可见光通信(VLC)技术绿色低碳、可实现近乎零耗能通信，还可有效避免无线电通信电磁信号泄露等弱点，快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。在现今大力倡导绿色低碳经济的大背景下，VLC技术在国际上逐渐受到关注。VLC 作为解决最后一公里无线接入的一个重要手段，被认为是5G关键技术之一。

VLC系统主要由信号调制编码、光源发射、传输和接收系统等部分组成，其中重要的接收环节，其性能在很大程度上决定了整个系统的优劣。VLC系统常用的可见光探测器主要有硅基PIN型光电二极管和雪崩光电二极(APD)，二者相比，APD的响应度可以提高几十倍甚至数百倍；APD探测器的灵敏度也很高，可以使可见光通信距离更远；而且APD探测器的体积小、易于集成，在恒温保持和应用配电方面更为简单；因此APD在弱光探测领域具有广阔的应用前景。目前，使用较广的可见光APD探测器主要是硅基APD探测器。硅基APD 探测器的灵敏度光谱范围为380nm～1100nm，适用于可见光波段和近红外波段，响应度高、倍增噪声较低。

对于硅基APD，由于材料自身的特性，硅对可见光的吸收系数范围为0.5×10³ cm^-1～10⁵cm^-1，所以可见光在APD中的入射深度仅为0.1μm～10μm左右，传统的硅基APD对可见光全波段的量子效率不理想。为了提高探测器在短波方向的量子效率，通常将非耗尽区设计的很薄，同时减少长波方向上的光在耗尽层的吸收率。但在实际工艺中非耗尽层最低只能达到0.01μm，量子效率提升有限。另外，硅基APD的光敏面积对器件的截止频率和灵敏度是一个矛盾的因素，增加光敏面积会提高器件的灵敏度，同时会减小会降低器件的截止频率。

实用新型内容

针对硅基APD对可见光全波段量子效率低和截止频率低的缺点，本实用新型提出一种倒装结构的可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列。

为实现本实用新型的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列，所述雪崩光电二极管阵列为SACM型APD，包括衬底以及设于衬底底部的阳极，所述衬底上表面设有凹槽，所述凹槽中自下而上依次包括：阴极、非耗尽层、倍增层和场控层，阴极、非耗尽层、倍增层和场控层侧面与所述衬底之间绝缘；所述场控层上覆有吸收层，且所述吸收层与所述衬底相接；所述衬底为p⁺型硅片；所述非耗尽层为n⁺型的硅外延层；所述倍增层为π型的硅外延层；所述场控层为p型的硅外延层；所述吸收层为π型硅外延层。

传统硅基APD的结构依次由n型非耗尽层，p型倍增层，p型场控层，p型吸收层和p型衬底层构成。然而在可见光波段，硅材料的吸收率高，可见光的光子在硅材料中的传播距离短，光子入射到APD光敏面后，在耗尽层与倍增层基本被完全吸收，很难到达吸收层，所以传统可见光APD的量子效率非常低。

本实用新型提出的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列(APD)阵列的结构，将吸收层设计在器件的表层，从而使入射的可见光全波段在表层被充分的吸收，同时器件的阳极和阴极均位于器件的底部，增加了器件的光敏面，从而提高器件的量子效率及对可见光的灵敏度。其工作过程是，在反向偏压的作用下，光照射在硅基APD表面，入射光透过增透膜直接照射吸收层，硅材料对可见光的吸收系数大，可见光在硅材料中传播距离很短，在吸收层直接被吸收，而其它长波段的光将透过吸收层向下传播，当入射光的光子能量大于硅的禁带宽度时，在吸收层中入射的可见光光子能量被吸收产生电子-空穴对，电子沿着电场方向向n型扩散，空穴向p型扩散，当反向偏压足够大时将引起载流子的雪崩倍增，形成大的反向电流，进而实现光电转换。

优选地，所述衬底的掺杂浓度为10¹⁵～10³⁰cm^-3；所述非耗尽层的掺杂浓度为 10¹⁵～10³⁰cm^-3；所述倍增层的掺杂浓度为10¹²～10¹⁵cm^-3；所述场控层的掺杂浓度为10¹⁶～10¹⁸cm^-3；所述吸收层的掺杂浓度为10¹²～10¹⁵cm^-3。

进一步地，所述吸收层上还覆有增透膜。优选增透膜厚度为0.1～20μm。

优选阴极和阳极采用Au、Ag、Cu、Al、Cr、Ni、Ti中的一种或几种的合金层。

进一步地，所述阴极、非耗尽层、倍增层和场控层与所述衬底之间绝缘具体为：所述阴极、非耗尽层、倍增层和场控层侧面与所述衬底之间填充有绝缘填充物；所述绝缘填充物包括设于凹槽底部的第一绝缘层；所述绝缘填充物还包括设于凹槽侧面，将阴极、非耗尽层、倍增层和场控层的侧面与衬底隔离的第二绝缘层。

优选地，所述第一绝缘层为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或者SiO₂等有机或者无机绝缘材料，所述第二绝缘层为空气、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或者SiO₂等绝缘物质。优选所述第一绝缘层为SiO₂。

进一步地，所述非耗尽层的面积小于所述倍增层的面积。优选地，所述非耗尽层的面积略小于倍增层的面积，从而形成保护环减小漏电流。进一步优选地，所述非耗尽层的面积为倍增层的面积50％～99％。

为进一步提高上述倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列的增益和截止频率，阵列设置多个上述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列。

本技术方案将上述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列进行阵列化处理，使得阵列单元的光敏面减小，进而器件的结电容减小，APD的响应速度得到提高，总的光敏面积不变，所以器件的灵敏度不受影响，同时在光入射时，会同时触发多个单元APD，从而使APD具有高的增益，因此称为一种高增益倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列(APD)。

具体地，上述的高增益的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列包括衬底以及设于衬底底部的阳极，所述衬底上表面设有多个阵列的凹槽，所述凹槽中自下而上依次包括：阴极、非耗尽层、倍增层和场控层，且阴极、非耗尽层、倍增层和场控层与所述衬底之间绝缘；各所述凹槽的场控层上覆有吸收层，且所述吸收层与所述衬底相接，同时各所述凹槽所对应的吸收层之间是断开的。

上述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列的制备方法，具体包括以下步骤：

S1：先选取p⁺型、厚度为2～500μm的硅片作为衬底材料，对硅片进行清洁处理，在硅片背面制备一层10nm～5000nm厚的金属作为器件的阳极，所述金属为Au、Ag、Cu、Al、Cr、Ni、Ti等一种或几种的合金；

S2：对硅片表面进行清洁处理，然后烘干，在硅片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出掩膜图形；

S3：制备SiO₂掩膜层，然后去除硅片表面的光刻胶，去除部分硅片形成0.1～ 20μm深的凹槽；

S4：对硅片进行表面清洁处理，然后烘干，在硅片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出阴极的掩膜图形；

S5：制备SiO₂掩膜层，然后在硅片表面制备一层10nm～5000nm厚的金属作为器件的阴极，所述金属为Au、Ag、Cu、Al、Cr、Ni、Ti中的一种或几种的合金；

S6：去除硅片表面的光刻胶和SiO₂层，并进行表面清洁处理，再次在硅片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备掩膜图形；

S7：在阴极表面依次沉积非耗尽层、倍增层和场控层(此处优选非耗尽层的面积小于倍增层的面积，从而形成保护环减小漏电流)；去除表面光刻胶，然后对外延片表面做清洁处理，烘干；再次在外延片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出吸收层的掩膜图形；

S8：在外延片表面沉积一层π型硅外延层作为吸收层，吸收层制备完成后，去除光刻胶。

其中，由于步骤7中，在硅片上面做了外延(非耗尽层、倍增层和场控层为硅外延层)，因此做外延后的硅片则称之为外延片。

进一步地，在步骤S1之后、步骤S2之前，还包括以下步骤：

S9：对硅片进行表面清洁处理，烘干，再在硅片表面涂覆光刻胶，通过曝光、显影后得到掩膜图形，制备SiO₂掩膜层，然后去除硅片表面的光刻胶；

S10：在SiO₂掩膜层上面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出掩膜图形，然后制备1～20μm深、0.1～1000μm宽的隔离沟道；

S11：选取绝缘填充物对隔离沟道进行填充，再去除硅片表面的光刻胶和SiO₂层。

进一步地，步骤S7具体为：

(1)首先在阴极表面沉积非耗尽层；

(2)然后去除外延片表面的光刻胶，对外延片进行表面清洁处理，再在外延片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出倍增层的掩膜图形，然后沉积倍增层；之后再沉积场控层；

(3)去除表面光刻胶，然后对外延片表面做清洁处理，烘干；再次在外延片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出吸收层的掩膜图形。

进一步地，步骤S8中，最后在硅片表面镀一层0.1～20μm厚的增透膜作为 APD的透光层。

与现有技术比较，本实用新型提供了一种倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列结构，通过将吸收层设置在器件的表层，同时将器件的阳极和阴极设置于器件的底部，从而一方面使得入射的可见光在表层被充分吸收，另一方面增大了入射光光照面积，因此大大提高了器件的量子效率以及对可见光的灵敏度。

另外，本实用新型通过将倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列设置得到的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列具有高增益、高灵敏度等特点。

附图说明

图1为本实用新型所述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列的立体图；

图2为本实用新型所述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列的纵向剖面图；

图3为本实用新型所述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列的制作流程。

附图标记：

1.增透膜；2.吸收层；3.场控层；4.倍增层；5.非耗尽层；6.阴极；7.SiO₂氧化层；8.沟道填充物；9.衬底；10.阳极。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型实施方式作进一步详细地说明。

实施例

本实施例提供了一种可以提高可见光全波段的量子效率和具有高增益的硅基APD。

一种倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列，包括衬底9以及设于衬底底部的阳极10，所述衬底9上表面设有凹槽，所述凹槽中自下而上依次包括： SiO₂氧化层7、阴极6、非耗尽层5、倍增层4和场控层3，且阴极6、非耗尽层5、倍增层4和场控层3与所述衬底9之间绝缘；所述凹槽两侧设有隔离沟道，隔离沟道内设有沟道填充物8；所述场控层3上覆有吸收层2，且所述吸收层2 与所述衬底9相接，所述吸收层2上还覆有增透膜1。

作为另一种优选的实施方案，SiO₂氧化层7还可以是其他绝缘物质，既能将阴极6和衬底隔开，又能方便后续非耗尽层的生长。

其中，所述衬底9为高掺杂(杂质为B等三价态元素)的p⁺型硅片，掺杂浓度为10¹⁵～10³⁰cm^-3；所述非耗尽层5为n⁺型高掺杂浓度和高缺陷的多晶硅，掺杂浓度为10¹⁵～10³⁰cm^-3；所述倍增层4为π型的硅外延层，掺杂浓度为10¹²～10¹⁵ cm^-3；所述场控层3为p型的硅外延层，掺杂浓度为10¹⁶～10¹⁸cm^-3；所述吸收层 2为π型硅外延层，掺杂浓度为10¹²～10¹⁵cm^-3。

本实施例还提出了一种倒装型高增益可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列(APD)的结构，可以提高硅基APD对可见光的灵敏度，并且具有高的增益。具体的，如图1～2所示，所述的高增益倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列，包括衬底9以及设于衬底底部的阳极10，所述衬底上表面设有多个阵列的凹槽，所述凹槽中自下而上依次包括：SiO₂氧化层7、阴极6、非耗尽层5、倍增层4和场控层3；且阴极6底部通过SiO₂氧化层7与衬底9隔离，阴极6、非耗尽层5、倍增层4和场控层3的侧面通过隔离沟道中填充的沟道填充物8与衬底9隔离；各所述凹槽的场控层上覆有吸收层2，且所述吸收层2与所述衬底9 相接，同时各所述凹槽所对应的吸收层是断开的。

本实施例所提供的是一种SACM型雪崩光电二极管阵列。在本实施例中，硅基APD的吸收层位于器件的表层，形成倒装结构，从而实现可见光增敏。同时阵列化的APD在光入射时，会同时触发多个单元APD，从而使APD具有高的增益，因此称为一种倒装型高增益可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列(APD)。其工作过程是，在反向偏压的作用下，光照射在APD表面，入射光通过器件表面的增透膜到达吸收层，当入射光的光子能量大于硅的禁带宽度时，在吸收层中入射的光子能量被吸收产生电子-空穴对，电子沿着电场方向向n型扩散，空穴向p型扩散，当反向偏压足够大时将引起载流子的雪崩倍增，形成大的反向电流。

作为一种较优的实施方式，所述凹槽中设有绝缘填充物将沟槽中的阴极6、非耗尽层5、倍增层4以及场控层3的侧面与衬底9隔离。优选所述绝缘填充物为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或SiO₂等绝缘物质。

如图3所示，本实施例提出的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列 (APD)的制作方法步骤如下(其中，图3中的图(1)～(17)与以下的步骤(1) ～(17)相对应)：

(1)先选取高掺杂(杂质为B等三价态元素)的p⁺型、厚度为2～500μm 的硅片作为衬底材料，掺杂浓度为10¹⁵～10³⁰cm^-3，对硅片通过热处理、活性离子束法、光学清洁处理或者是化学清洁处理的方法对硅片进行去蜡、去油和去除表面杂质。

(2)在硅片背面通过磁控溅射或者蒸发镀膜或电镀等方法制备一层金属作为器件的阳极，该金属为Au、Ag、Cu、Al、Cr、Ni、Ti等一种或几种的合金。

(3)阳极制备完成后，将硅片进行表面清洁处理，去蜡、去油和去除表面杂质，然后进行烘干处理，在硅片表面涂覆光刻胶，通过曝光、显影后得到掩膜图形。

(4)通过热氧化法或气相外延生长法或者分子束外延法或低温蒸镀法制备 SiO₂掩膜层，然后利用去胶剂去除硅片表面的光刻胶。

(5)在SiO₂层上面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出掩膜图形，然后通过干法刻蚀或者湿法腐蚀或者机械法等方法制备出隔离沟道，沟道深度为1～20μm，宽度为0.1～1000μm。

(6)完成隔离沟道的制备后，选取聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺或SiO₂等有机或者无机材料作为沟道的填充物进行隔离沟道的填充，其中SiO₂可以通过外延生长方法进行填充，有机物可以通过真空旋涂法进行填充。

(7)利用去胶剂去除硅片表面的光刻胶，然后通过湿法腐蚀方法去除硅片表面的SiO₂层。

(8)对硅片表面进行清洁处理，然后烘干，在硅片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出掩膜图形。

(9)通过气相外延法或者分子束外延法制备SiO₂掩膜层，然后去除硅片表面的光刻胶。

(10)利用湿法腐蚀或干法刻蚀等方法去除部分硅片形成0.1～20μm深的凹槽，以备后续阴极的制作及外延层的生长。

(11)对硅片进行表面清洁处理，然后烘干备用。在硅片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备阴极的掩膜图形。

(12)通过热氧化法或气相外延生长法或分子束外延法或低温蒸镀法制备 SiO₂掩膜层，通过磁控溅射或蒸发镀膜及电镀等方法在硅片表面制备一层 10nm～5000nm厚的金属薄膜作为器件的阴极，该金属为Au、Ag、Cu、Al、Cr、 Ni、Ti等一种或几种的合金。

(13)去除硅片表面的光刻胶，然后通过湿法腐蚀方法去除硅片表面的SiO₂层，再进行表面清洁处理，再次在硅片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出非耗尽层的掩膜图形。

(14)通过气相外延(VPE)或分子束外延(MBE)等技术在阴极表面上沉积硅外延层作为APD的非耗尽层，生长的外延层为n⁺型高掺杂浓度和高缺陷的多晶硅，掺杂浓度为10¹⁵～10³⁰cm^-3；然后依次在非耗尽层上沉积倍增层和场控层，倍增层为π型的硅外延层，掺杂浓度为10¹²～10¹⁵cm^-3，场控层为p型的硅外延层，掺杂浓度为10¹⁶～10¹⁸cm^-3。

(15)去除表面光刻胶，然后对硅片表面做清洁处理，烘干，再次在硅片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出吸收层的掩膜图形。

(16)利用气相外延或者分子束外延在硅片表面沉积一层π型硅外延层作为吸收层，掺杂浓度为10¹²～10¹⁵cm^-3。

(17)去除光刻胶，然后在外延片表面通过电子束蒸发蒸镀一层厚度约为 0.1～20μm增透膜作为APD的透光层。

由于隔离沟道比较深，同时隔离沟道的宽度窄，深度大，深宽比高，在做 ICP(Inductively Coupled Plasma)刻蚀时容易损坏硅表面，因此本制备方法采用了 SiO₂掩膜层+光刻胶掩膜层(双层)的方式(详见步骤(3)～(5))；而凹槽的深度大概只有二十微米以内，而且凹槽的深宽比小，容易刻蚀，所以制作一层保护即可(见步骤(8)～(10))。

作为一种优选的实施方案，非耗尽层5的面积可以略小于倍增层4的面积，从而形成保护环减小漏电流。基于此，上述制备方案中，步骤(14)则修改为；通过气相外延(VPE)或分子束外延(MBE)等技术在阴极表面上沉积硅外延层作为APD的非耗尽层，生长的外延层为n⁺型高掺杂浓度和高缺陷的多晶硅，掺杂浓度为10¹⁵～10³⁰cm^-3；然后去除外延片表面的光刻胶，再进行表面清洁处理，再次在外延片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出倍增层的掩膜图形，然后沉积倍增层；之后再沉积场控层；倍增层为π型的硅外延层，掺杂浓度为10¹²～10¹⁵cm^-3，场控层为p型的硅外延层，掺杂浓度为10¹⁶～10¹⁸cm^-3。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述雪崩光电二极管阵列为SACM型APD，包括衬底以及设于衬底底部的阳极，所述衬底上表面设有凹槽，所述凹槽中自下而上依次包括：阴极、非耗尽层、倍增层和场控层，且阴极、非耗尽层、倍增层和场控层与所述衬底之间绝缘；所述场控层上覆有吸收层，且所述吸收层与所述衬底相接；

所述衬底为p⁺型硅片；所述非耗尽层为n⁺型的硅外延层；所述倍增层为π型的硅外延层；所述场控层为p型的硅外延层；所述吸收层为π型硅外延层。

2.根据权利要求1所述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述吸收层上还覆有增透膜。

3.根据权利要求1～2任一项所述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述阴极、非耗尽层、倍增层和场控层侧面与所述衬底之间绝缘具体为：所述阴极、非耗尽层、倍增层和场控层与所述衬底之间填充有绝缘填充物；所述绝缘填充物包括设于凹槽底部的第一绝缘层；所述绝缘填充物还包括设于凹槽侧面，将阴极、非耗尽层、倍增层和场控层的侧面与衬底隔离的第二绝缘层。

4.根据权利要求3所述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述第一绝缘层为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或者SiO₂，所述第二绝缘层为空气、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或者SiO₂。

5.根据权利要求4所述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述第一绝缘层为SiO₂，所述第二绝缘层为聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺。

6.根据权利要求1所述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述非耗尽层的面积小于所述倍增层的面积。

7.根据权利要求1所述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述非耗尽层的面积为倍增层的面积50％～99％。

8.根据权利要求1～2或4～7任一项所述的倒装型可见光增敏硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述衬底上表面设有多个阵列的凹槽；各所述凹槽覆有相对应的吸收层，且所述吸收层分别与所述场控层和衬底相接，同时各所述凹槽所对应的吸收层之间是相互断开的。