CN210805775U - 一种红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种红‑绿‑蓝三色探测芯片集成阵列，所述红‑绿‑蓝三色探测芯片集成阵列包括芯片和集成在芯片中SiO₂层上的3×3红绿蓝三色探测芯片阵列，所述红绿蓝三色探测芯片阵列y轴方向依次按照绿光光电二极管、红光光电二极管、蓝光光电二极管排列，x轴方向为单色光电二极管。本实用新型所述的红‑绿‑蓝三色探测芯片集成阵列通过将三种颜色的光电二极管集成在同一芯片上，同时三色探测芯片的厚度一致且很薄，本实用新型的结构增强了器件的集成度，减小了器件体积；提高了器件的响应带宽及量子效率。

Description

一种红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列

技术领域

本发明涉及光通信器件领域，更具体地，涉及一种红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列。

背景技术

可见光通信(visible light communication，VLC)可以同时兼顾照明及通信，可以有效提高能源的利用效率，满足未来通信系统的节能及绿色要求。由于VLC频谱资源丰富，可有效缓解目前无线通信频谱资源紧张的问题。而VLC的接收环节的性能是评价VLC系统优劣的主要参数之一。由于硅的灵敏度光谱范围在380nm-1100nm之间，VLC系统的可见光探测器以硅基光电二极管(photodiode，PD)为主。目前市场上常见的硅基可见光探测器的波峰在600nm左右，硅对蓝光和红光的吸收系数相差很多，所以红光探测器的厚度与蓝光探测器的厚度也相差很多，并且蓝光的量子效率很低，一般不超过80％。因此，需寻求一种集成度高，带宽高，量子效率高的光电二极管。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列，所述红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列通过将三种颜色的光电二极管集成在同一芯片上，同时三色探测芯片的厚度一致且很薄，本发明的结构增强了器件的集成度，减小了器件整体的体积；提高了器件的响应带宽与量子效率；横向具有微纳光学结构的探测芯片可以有效的提高入射光照面积，因此从另一方面进一步提高了器件的量子效率。

本发明采取的技术方案是：

一种红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列，包括芯片和集成在芯片中SiO₂层上的3×3红绿蓝三色探测芯片阵列，所述红绿蓝三色探测芯片阵列y轴方向依次按照绿光光电二极管、红光光电二极管、蓝光光电二极管排列，x轴方向横向为单色光电二极管。

本发明通过y轴方向依次将3个绿光光电二极管、3个红光光电二极管、3个蓝光光电二极管按顺序排列在同一芯片上，得到了3×3红绿蓝三色探测芯片阵列，这种三色探测芯片阵列使得三种颜色的光电二极管集成在了同一芯片上，增强了器件的集成度，横向具有微纳光学结构的探测芯片可以有效的提高器件的量子效率，超薄的三色光电二极管可以有效的提高器件的带宽。

优选地，所述单色光电二极管包括衬底硅层、位于衬底硅层上的SiO₂层、位于SiO₂层上的顶层硅层、位于顶层硅层中的p型Si、i型Si和n型Si、位于i型Si内的空气孔阵列，以及位于p型Si和n型Si上的电极。p型Si为重掺杂B的Si，n型Si为重掺杂P的Si，i型Si为轻掺杂P的本征区。

本发明在本征层i型Si内设计了分布均匀的二维孔阵列，光电二极管表面的空气与本征层内的二维孔阵列和SiO₂薄膜的折射率变化构成了类似于光纤折射率的结构，使得集成在同一芯片的红光、绿光和蓝光三色光的吸收率大大增加，从而提高了光电二极管对红绿蓝三色光的吸收率。

优选地，所述p型Si宽度为0.1μm-5μm，长度与i型Si宽度一致。

优选地，所述i型硅宽度为1μm-50μm，长度与i型Si宽度一致。

优选地，所述n型Si宽度为0.1μm-5μm，长度与i型Si宽度一致。

优选地，所述i型硅位于p型Si和n型Si之间。

优选地，所述空气孔阵列的周期P为350nm-600nm，填充率f(填充率为空气孔的面积占单个周期内硅面积百分比，f＝πd²/4p²，d为空气孔的直径)为40％-70％。

优选地，绿光光电二极管与红光光电二极管之间、红光光电二极管与蓝光光电二极管之间设有隔离区，隔离区宽度为5μm-50μm，隔离区深度与顶层硅厚度一致。

优选地，所述芯片为SOI芯片。

优选地，所述的红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列的制备方法，包括如下步骤：

(1)选取顶层硅厚度为0.1-2μm的SOI芯片，将SOI芯片依次放入食人鱼洗液、乙醇、丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洗；

(2)在SOI芯片表面旋涂保护层，然后在热板上进行前烘处理，再利用光刻机进行光刻，在显影液中去除多余的保护层，最后在热板上进行坚膜处理，制备出具有p-Si的掩膜层；

(3)利用离子注入的方法形成B重掺杂的p⁺⁺layer作为p型欧姆接触层，掺杂浓度为10¹⁵-10¹⁹cm^-3，去除掩膜层；

(4)重复步骤(2)的操作过程制作n⁺⁺layer掩膜层，然后利用离子注入的方法形成P重掺杂的n⁺⁺layer作为n型欧姆接触层，掺杂浓度为10¹⁵-10¹⁹cm^-3，然后去除掩膜层；

(5)重复步骤(2)的操作过程制作三种颜色像素单元之间隔离区的掩膜层；然后利用湿法腐蚀或者干法刻蚀的方法制作像素单元之间的隔离区，去除掩膜层；

(6)重复步骤(2)的操作过程制作电极的掩膜层，然后利用电子束蒸发的方法沉积10～30nm/90～110nm厚的Pt/Al，然后在丙酮溶液中剥离多余的金属，最后在N2环境中进行退火处理；

(7)重复步骤(2)的操作过程制作i型Si的掩膜层，然后利用离子注入的方法形成P轻掺杂的n^-layer作为本征区，掺杂浓度为10¹²-10¹⁶cm^-3，然后去除掩膜层；再次制作空气孔阵列的掩膜层，利用反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀的方法分别制作三种颜色光电二极管本征层内微纳光学结构，空气孔按立方晶格方式排列，然后去除掩膜层；三种颜色光电二极管的区别在于本征层内的微纳光学结构的周期和填充率不同，其中绿光光电二极管的周期和填充率分别为450nm-500nm、50％-60％，红光光电二极管的周期和填充率分别为500nm-600nm、40％-50％，蓝光光电二极管分别为350nm-450nm、60％-70％。

优选地，所述Pt/Al的厚度为20nm/100nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过y轴方向依次将绿光光电二极管、红光光电二极管、蓝光光电二极管按顺序排列在同一芯片上，得到了3×3红绿蓝三色探测芯片阵列，这种三色探测芯片集成阵列使得三种颜色的光电二极管集成在了同一芯片上，增强了器件的集成度，横向探测芯片可以有效的提高入射光照面积；在本征层内设计分布均匀的二维孔阵列，使得集成在同一芯片的红光、绿光和蓝光三色光的吸收率大大增加；本发明将探测芯片的厚度控制在很小的范围内，从而减小了器件的结电容，提高器件的响应带宽。

附图说明

图1为实施例红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列整体结构示意图。

图2为实施例中单色光电二极管的剖面图。

图3为实施例中步骤(1)得到的器件结构示意图。

图4为实施例中步骤(2)得到的器件结构示意图。

图5为实施例中步骤(3)得到的器件结构示意图。

图6为实施例中步骤(4)得到的器件结构示意图。

图7为实施例中步骤(5)得到的器件结构俯视图。

图8为实施例中步骤(6)得到的器件结构示意图。

图9为实施例中步骤(7)得到的器件结构示意图。

附图说明：10、绿光光电二极管；20、红光光电二极管；30、蓝光光电二极管；1、顶层硅层；2、SiO₂层；3、衬底硅层；4、p型Si；5、n型Si；6、空气孔阵列；7、i型Si；8、电极。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例

如图1所示，一种红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列，包括芯片和集成在芯片上的3×3红绿蓝三色探测芯片阵列，所述红绿蓝三色探测芯片阵列y轴方向依次按照绿光光电二极管10、红光光电二极管20、蓝光光电二极管30排列，x轴方向为单色光电二极管。如图2所示，所述单色光电二极管包括衬底硅层3、位于衬底硅层3上的SiO₂层2、位于SiO₂层上的顶层硅层1、位于顶层硅层1中的p型Si 4、i型硅7和n型Si 5、位于i型Si 7中的空气孔阵列6，以及位于p型Si 4和n型Si 5上的电极8，i型Si 7位于p型Si 4和n型Si 5之间。更具体地，本实施例中所述空气孔阵列的周期为350nm-600nm，填充率为40％-70％。

进一步地，本实施例中所述p型Si宽度为0.1μm-5μm，长度与i型Si宽度一致；所述i型Si宽度为1μm-50μm，长度与i型Si宽度一致；所述n型Si宽度为0.1μm-5μm，长度与i型Si宽度一致。

本实施例所述的红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列的制备过程如下：

(1)选取顶层硅厚度为0.1-2μm的SOI芯片，将SOI芯片依次放入食人鱼洗液、乙醇、丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洗，如图3所示；

(2)在SOI芯片表面旋涂保护层，然后在热板上进行前烘处理，再利用光刻机进行光刻，在显影液中去除多余的保护层，最后在热板上进行坚膜处理，制备出具有p-Si的掩膜层，如图4所示；

(3)利用离子注入的方法形成B重掺杂的p⁺⁺layer作为p型欧姆接触层，掺杂浓度为10¹⁵-10¹⁹cm^-3，去除掩膜层，如图5所示；

(4)重复步骤(2)的操作过程制作n⁺⁺layer掩膜层，然后利用离子注入的方法形成P重掺杂的n⁺⁺layer作为n型欧姆接触层，掺杂浓度为10¹⁵-10¹⁹cm^-3，然后去除掩膜层，如图6所示；

(5)重复步骤(2)的操作过程制作三种颜色像素单元之间隔离区的掩膜层；然后利用湿法腐蚀或者干法刻蚀的方法制作像素单元之间的隔离区，去除掩膜层，如图7所示；

(6)重复步骤(2)的操作过程制作电极的掩膜层，然后利用电子束蒸发的方法沉积20nm/100nm厚的Pt/Al，然后在丙酮溶液中剥离多余的金属，最后在N₂环境中进行退火处理，如图8所示；

(7)重复步骤(2)的操作过程制作i型Si的掩膜层，然后利用离子注入的方法形成P轻掺杂的n^-layer作为本征区，掺杂浓度为10¹²-10¹⁶cm^-3，然后去除掩膜层；再次制作空气孔阵列的掩膜层，利用反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀的方法分别制作三种颜色光电二极管本征层内微纳光学结构，其中空气孔阵列的周期p为350nm-600nm，填充率f为40％-70％，空气孔按立方晶格方式排列，然后去除掩膜层，如图9所示。三种颜色光电二极管的区别在于本征层内的微纳光学结构的周期和填充率不同，其中绿光光电二极管的周期和填充率分别为450nm-500nm、50％-60％，红光光电二极管的周期和填充率分别为500nm-600nm、40％-50％，蓝光光电二极管分别为350nm-450nm、60％-70％。

本实施例制备的红-绿-蓝三色探测芯片阵列通过将SOI中的顶层硅设计成横向探测芯片，从而使得入射光完全照射在本征层表面，增加入射面积，提高了器件的量子效率；同时在本征层内设计分布均匀的二维孔阵列，使得集成在同一芯片的红光、绿光和蓝光三色光的吸收率大大增加；并且将探测芯片的厚度控制在很小的范围内，从而减小了器件的结电容，提高器件的响应速度与带宽。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列，其特征在于，包括芯片和集成在芯片中SiO₂层上的3×3红绿蓝三色探测芯片阵列，所述红绿蓝三色探测芯片阵列y轴方向依次按照绿光光电二极管、红光光电二极管、蓝光光电二极管排列，x轴方向为单色光电二极管。

2.根据权利要求1所述的红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列，其特征在于，所述单色光电二极管包括衬底硅层、位于衬底硅层上的SiO₂层、位于SiO₂层上的顶层硅层、位于顶层硅层中的p型Si、i型Si和n型Si、位于i型Si中的空气孔阵列，以及位于p型Si和n型Si上的电极。

3.根据权利要求2所述的红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列，其特征在于，所述p型Si宽度为0.1μm-5μm，长度与i型Si宽度一致。

4.根据权利要求2所述的红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列，其特征在于，所述i型Si宽度为1μm-50μm，长度与i型Si宽度一致。

5.根据权利要求2所述的红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列，其特征在于，所述n型Si宽度为0.1μm-5μm，长度与i型Si宽度一致。

6.根据权利要求2所述的红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列，其特征在于，所述空气孔阵列的周期为350nm-600nm，填充率为40％-70％。

7.根据权利要求1所述的红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列，其特征在于，绿光光电二极管与红光光电二极管之间、红光光电二极管与蓝光光电二极管之间设有隔离区，隔离区宽度为5μm-50μm，隔离区深度与顶层硅厚度一致。

8.根据权利要求1所述的红-绿-蓝三色探测芯片集成阵列，其特征在于，所述芯片为SOI芯片。

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