CN209418524U - 一种增强蓝光型硅基雪崩光电二极管阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种增强蓝光型硅基雪崩光电二极管阵列，所述雪崩光电二极管为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、倍增层以及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；所述吸收层表面覆有规则排列的亚波长结构层；所述衬底为p⁺型硅片；所述非耗尽层为n⁺型高掺杂浓度和高缺陷的多晶硅；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。与现有技术比较，本实用新型提供了一种可以提高蓝光量子效率和灵敏度，并具有高增益的硅基APD。

Description

一种增强蓝光型硅基雪崩光电二极管阵列

技术领域

本实用新型涉及本实用新型涉及光电领域，尤其是涉及一种基于等离激元共振增强蓝光的硅基雪崩光电二极管阵列。

背景技术

VLC技术在国际上受到越来越多的关注，欧、美、日等国的许多研究机构已投入大量资金开展该领域的研究，其主要工作集中在理论研究方面。由于硅基雪崩光电二极管(APD)具有灵敏度高、体积小、调制性好、具有高增益和易于集成等特点，而且硅基APD的光谱响应范围宽(380～1100nm)，因此硅基APD是VLC系统常用探测器。

然而，硅材料对蓝光的吸收系数约为10^-4cm^-1，而蓝光在硅材料中传播距离约为1μm，所以蓝光在传统的硅基APD中传播不到吸收层就已经被吸收，导致蓝光的灵敏度低、量子效率低。也就是说，具有蓝光高敏感度的APD探测器是可见光探测的瓶颈问题。

实用新型内容

为克服现有的技术缺陷，本实用新型提供了一种可以提高蓝光量子效率和灵敏度的硅基雪崩光电二极管阵列及其制备方法。

为实现本实用新型的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种增强蓝光型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，且阴极、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；所述吸收层表面覆有规则排列的亚波长结构层；所述衬底为p⁺型硅片；所述非耗尽层为n⁺型硅外延层；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。

由于硅材料的自身特性，硅对蓝光的吸收率随厚度增加，对于传统的硅基APD来说，由于其吸收层位于器件底层，蓝光很难到达吸收层就被吸收了，从而导致蓝光的量子效率低。基于这些原因，本实用新型提供了一种采用倒装结构，将吸收层设置于器件的表层，从而使入射的蓝光在表层被充分的吸收，大大提高了吸收层对蓝光的吸收率；同时本实用新型还在吸收层的表层增加了一层亚波长结构层，使得蓝光入射光照射到器件光敏面时能产生等离激元共振的效应，大大增强器件对蓝光的灵敏度。

本实用新型的工作过程具体为：在反向偏压的作用下，光照射在APD光敏面，入射光在具有亚波长结构层的表面产生等离激元共振的现象，电子被束缚在等离激元结构的周围，渗入到吸收层里电子在内建电场的作用下向n型漂移，在倍增层发生雪崩现象，形成大的反向电流；而在APD表面没有发生等离激元共振现象的光子会入射到吸收层，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；由等离激元共振效应和吸收层光生载流子的效应的共同作用，则能产生更大的反相电流，如此能放大光电信号的转换。

其中，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。优选地，阴极和阳极可采用Au、Ag、Cu、Al、Cr、Ni、Ti等一种或几种的合金层。

进一步地，所述亚波长结构层的材质为Au、Ag或者Al；和/或所述亚波长结构层的厚度为10nm～500nm；和/或所述亚波长结构层的形状为正方形、长方形、圆形或者十字型。

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，且将阴极、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％。

为进一步增大本实用新型所述器件的增益，得到高增益的增强型蓝光硅基雪崩光电二极管阵列，将上述的APD阵列设置。也就是，可以在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是断开的。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，如此，进一步提高器件的灵敏度。

上述的增强蓝光型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，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；在阴极表面依次沉积非耗尽层、倍增层和场控层(优选此处非耗尽层的面积可以略小于倍增层的面积，从而形成保护环减小漏电流)；

S7：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；在硅片表面沉积一层π型硅外延层作为吸收层；

S8：对外延片进行清洁处理，烘干，在外延片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出亚波长结构的掩膜图形；通过溅射或者电子束蒸发在外延片表面制备亚波长结构层；

S9：对器件进行封装。

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：

S10：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；

S11：在SiO₂掩膜层上面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备掩膜图形，制备出隔离沟道；

S12：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S6具体为：

(1)去除硅片表面的光刻胶和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，然后在阴极表面沉积一层硅外延层作为非耗尽层；

(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；

(3)最后再沉积场控层。

优选地，所述隔离沟道的深度为1～20μm，宽度为0.1～1000μm。

与现有技术比较，本实用新型提供了一种可以提高蓝光量子效率和灵敏度，并具有高增益的硅基APD，通过将APD的表层制备一层亚波长结构层，使入射的蓝光在表层产生等离激元共振效应，从而蓝光在表层被充分的吸收，并可以对弱光进行感应，增加了APD对蓝光的灵敏度和量子效率，还可以减薄吸收层的厚度；同时器件的阳极和阴极均位于器件的同一侧底部，免于因电极的影响而减少入射光的感应面积，同时电极的尺寸可以达到阵列单元的尺寸，从而增加响应速度以及量子效率；阵列化器件使得入射光照到APD表面时，同时驱动多个单元工作，从而提高了APD的增益，并且阵列单元的光敏面积减小，提高了器件的截止频率。

附图说明

图1为本实用新型所提供的增强蓝光型硅基雪崩光电二极管阵列的立体图；

图2为本实用新型所提供的增强蓝光型硅基雪崩光电二极管阵列的纵向剖面图；

图3为本实用新型的制备流程图。

附图说明：1.亚波长结构层；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；11.光刻胶。

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采用将吸收层设于表层的倒装结构，同时在吸收层表面设置亚波长结构的方法，得到一种基于等离激元共振增强的蓝光硅基雪崩光电二极管阵列。本实施例可以大大提高蓝光量子效率和灵敏度，并具有高增益的硅基APD。

本实施例所提供的增强蓝光型硅基雪崩光电二极管阵列包括衬底9以及设于衬底9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侧面与所述衬底9之间绝缘；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表面覆有规则排列的亚波长结构层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(杂质为P、As等五价态元素)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10¹²～10¹⁵cm^-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；所述亚波长结构层1的材质为Au、Ag或者Al，厚度为10nm～500nm，形状为正方形、长方形、圆形或者十字型。

优选地，所述凹槽两侧设有隔离沟道，隔离沟道内填充有沟道填充物8，将凹槽中的阴极6、非耗尽层5、倍增层4和场控层3的侧面与衬底9隔离。进一步优选地，所述沟道填充物8采用聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或者SiO₂等有机绝缘材料或者无机绝缘材料。

作为一种优选的实施方案，如图1～2所示，衬底表面阵列设置多个凹槽，各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；各凹槽所对应的场控层3表面都覆有吸收层2，且该吸收层2同时覆盖与衬底9的表面，但各凹槽所对应的吸收层2之间相互断开。也就是说，本方案采用多个独立的APD共用同一个衬底的方式得到阵列化的APD。当光入射时，能够同时触发多个单元APD，从而使APD具有高的增益和高的响应速度。

如图3所示，上述的增强蓝光型硅基雪崩光电二极管阵列的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)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蒸发镀膜或电镀等方法制备一层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。

(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，在硅片正表面涂覆光刻胶，通过曝光、显影后得到掩膜图形。

(4)通过热氧化法、气相外延生长法或者分子束外延法制备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)选取聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或者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。

(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，通过光刻工艺制备掩膜图形。

(9)通过气相外延法或分子束外延法或低温蒸镀法制备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，通过光刻工艺制备出阴极的掩膜图形。

(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或电镀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，所述金属为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。

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

(17)对外延片进行表面清洁处理，然后烘干待用，在外延片表面涂覆光刻胶，通过光刻工艺制备出亚波长结构的掩膜图形。

(18)通过溅射或者电子束蒸发等方法在外延片表面制备亚波长结构层，材料为Au、Ag或者Al等，厚度为10nm～500nm左右，等离激元结构的形状可以正方形、长方形、圆形或者十字型等。

(19)对器件进行封装。

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 (7)

1.一种增强蓝光型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、倍增层以及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；所述吸收层表面覆有亚波长结构层；

所述衬底为p⁺型硅片；所述非耗尽层为n⁺型硅外延层；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所述的增强蓝光型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。

3.根据权利要求2所述的增强蓝光型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。

4.根据权利要求1所述的增强蓝光型硅基雪崩光电二极管阵列，其特征在于，所述亚波长结构层的厚度为10nm～500nm；和/或所述亚波长结构层的形状为正方形、长方形、圆形或者十字型。

5.根据权利要求1所述的增强蓝光型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。

6.根据权利要求5所述的增强蓝光型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％。

7.根据权利要求1或4～6任一项所述的增强蓝光型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。