一种高速高响应度的硅基光电二极管制造技术

本实用新型专利技术公开了一种高速高响应度的硅基光电二极管，在不影响光电二极管响应度的前提下，解决了硅基光电二极管响应速度慢的问题。本实用新型专利技术通过低阻材料降低了扩散区电阻，缩短了扩散时间；通过增加高反层，降低了耗尽区的物理厚度，缩短了漂移时间；通过高反层，提高了长波的吸收效率；通过在高反层上开孔，减小了扩散区的阻抗。

【技术实现步骤摘要】
一种高速高响应度的硅基光电二极管
本技术属于半导体器件
，涉及一种高速高响应度的硅基光电二极管。
技术介绍
硅基光电二极管由于其材料成本低，制造工艺简单，响应度峰值波长为940nm，在3Dsensor、红外测距、光通讯等领域有着广泛的应用。由于光在硅中的入射深度跟入射光波长相关，波长越长，入射越深，因此为了提高响应度，传统光电二极管均选用高阻材料(电阻率2000～5000ohmcm)来提升耗尽区宽度，从而达到提高响应度的目的。随着光电二极管在光通讯中的广泛应用，光电二极管的响应速度要求越来越高，常规硅基光电二极管响应时间为纳秒级，已无法满足数据传输率1Gbps以上的应用场景，因此，提高硅基光电二极管响应速度变得越来越迫切。高阻材料虽然可以提高响应度，同时它也会引入三个方面的缺点：一是耗尽区宽度变宽，使得光生载流子漂移时间变长，响应速度变慢；二是耗尽区变宽，需要材料厚度相应的变厚，而对于某些应用场景，需要芯片厚度在150um左右，这种情况下，宽耗尽区并未带来响应度的明显提升；三是由于材料为高阻材料，扩散区电阻率太高，导致扩散时间变长，从而导致响应速度变慢。可以看出，为了得到高响应度，材料厚度需要做厚，电阻率选用高阻；为了得到高响应速度，材料厚度尽量薄，电阻率尽量低；这样就很难实现两者的兼顾。
技术实现思路
本技术解决的技术问题在于提供高速高响应度的硅基光电二极管，在不影响光电二极管响应度的前提下，解决了硅基光电二极管响应速度慢的问题，实现硅基光电二极管高响应度与高响应速度同时提升。本技术是通过以下技术方案来实现：一种高速高响应度的硅基光电二极管，包括背面设有背面电极的衬底；衬底正面依次设有高反层、外延层、注入层、氧化硅层、氮化硅层和正面金属电极；所述的高反层上开设有用于形成电流路径的刻蚀孔，以及与正面金属电极相对应的刻蚀区；所述的注入层包括保护环以及设在其内的有源区；所述的正面金属电极还贯穿氧化硅层、氮化硅层与有源区相连接。所述的衬底为电阻率20～100为Ohm·cm的硅基衬底，衬底背面直接做金属化处理形成背面电极。所述的高反层由折射率2.4～2.8的高折射薄膜与折射率1.2～1.6的低折射薄膜交替叠加组成；高反层上开设的刻蚀孔为矩阵排列的圆形孔，或者为同心环形孔。所述的刻蚀孔为均匀分布的圆形孔，孔直径为10～50um，孔间距为15～50um，圆形孔的总面积为结面积的1/2。所述的刻蚀孔为同心环形孔，同心环中心与正面金属电极的中心重合，同心环中心为刻蚀区，相邻环间距5～20um。所述的外延层淀积在高反层上；在外延层上分别以N型离子注入形成保护环，以P型离子注入形成有源区；所述的氧化硅层为热氧化生成SiO2层，所述的氮化硅层为淀积生长的Si3N4层；所述的正面金属电极是在溅射后经刻蚀成形。所述外延层的电阻率为500～1000ohm·cm，外延层厚度Wepi根据耗尽区宽度WD确定：Wepi≈WD，而WD≥W入/2，其中W入＝f(λ)，W入为入射光入射深度，λ为入射光波长。与现有技术相比，本技术具有以下有益的技术效果：本技术提供的高速高响应度的硅基光电二极管，通过适当减小耗尽区宽度和减小扩散区电阻率，耗尽区宽度减小导致响应度的降低，本技术通过增加高反层使得光子在耗尽区中二次吸收来补偿；高反层的形成使得器件保持对长波响应度的同时，降低响应时间；由于扩散区(耗尽区以外的区域)材料电阻率很低，扩散区阻抗很小，因此扩散时间很短；从而实现硅基光电二极管高响应度与高响应速度同时提升。本技术提供的高速高响应度的硅基光电二极管，由于通过低阻材料降低了扩散区电阻，缩短了扩散时间；而高反层的设置提高了长波的吸收效率，降低了耗尽区的物理厚度，缩短了漂移时间，并且在其上开孔减小了扩散区的阻抗；衬底采用低电阻率材料，背面不用进行减薄注入，直接背面金属化形成背面电极，避免了加工过程中碎片的情况。附图说明图1为本技术的结构图示意图；图2为本技术的等效电路示意图；图3为本技术的高反层原理示意图；图4为多孔结构高反层的示意图；图5-1～图5-7分别为本技术的逐层制备示意图；图6为本技术的硅基光电二极管的响应度测试曲线；图7为本技术的硅基光电二极管的频率特性测试曲线。具体实施方式下面结合实施例对本技术做进一步详细描述，所述是对本技术的解释而不是限定。参见图1～图4，一种高速高响应度的硅基光电二极管，包括背面设有背面电极108的衬底107；衬底107正面依次设有高反层(109、外延层101、注入层、氧化硅层、氮化硅层和正面金属电极106；所述的高反层109上开设有用于形成电流路径的刻蚀孔，以及与正面金属电极106相对应的刻蚀区；所述的注入层包括保护环102以及设在其内的有源区103；所述的正面金属电极106还贯穿氧化硅层、氮化硅层与有源区103相连接。进一步的，所述的衬底107为电阻率20～100为Ohm·cm的硅基衬底，衬底背面直接做金属化处理形成背面电极108。所述的外延层101淀积在高反层109上；在外延层101上分别以N型离子注入形成保护环102，以P型离子注入形成有源区103；所述的氧化硅层为热氧化生成SiO2层104，所述的氮化硅层为淀积生长的Si3N4层105；所述的正面金属电极106是在溅射后经刻蚀成形。参见图2所示的光电二极管等效电路示意图，RSH为光电二极管关断阻抗，RSH＝∞，RS为光电二极管串联电阻(由衬底107与外延层101体电阻组成)，CJ为光电二极管结电容(主要由P+有源区103与外延层101构成二极管的势垒电容组成)，RL为系统等效负载(50Ω)；RS＝ρ(WO-WD)/AJ+RC，其中，WO为衬底厚度，WD为耗尽区宽度，AJ为结面积，RC为接触电阻(欧姆接触可忽略不计)，ρ为衬底电阻率；光电二极管响应度responsivity很大程度上依赖于耗尽区的宽度，耗尽区越宽，光子转换的光生载流子越多，响应度越高；而光电二极管响应时间t由三部分组成：t＝(tcc2+tdiff2+tRC2)1/2；tcc为耗尽区中光生载流子的收集时间，与耗尽区宽度WD成正比；tdiff为耗尽区之外的光生载流子扩散到耗尽区里面所需的时间，正比于(WO-WD)2；tRC为RC时间常数，tRC＝2.2(RS+RL)CJ；本技术提供的高速高响应度的硅基光电二极管，通过适当减小耗尽区宽度和减小扩散区电阻率，耗尽区宽度减小导致响应度的降低，再通过增加高反层使得光子在较薄的耗尽区中二次吸收来补偿，以减小耗尽区变薄对光响应度的影响(参见图3)；高反层的形成使得器件保持对长波响应度的同时，降低响应时间；进一步，通过在高反层上刻孔形成均匀的电流路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速高响应度的硅基光电二极管，其特征在于，包括背面设有背面电极(108)的衬底(107)；衬底(107)正面依次设有高反层(109)、外延层(101)、注入层、氧化硅层、氮化硅层和正面金属电极(106)；/n所述的高反层(109)上开设有用于形成电流路径的刻蚀孔，以及与正面金属电极(106)相对应的刻蚀区；/n所述的注入层包括保护环(102)以及设在其内的有源区(103)；/n所述的正面金属电极(106)还贯穿氧化硅层、氮化硅层与有源区(103)相连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种高速高响应度的硅基光电二极管，其特征在于，包括背面设有背面电极(108)的衬底(107)；衬底(107)正面依次设有高反层(109)、外延层(101)、注入层、氧化硅层、氮化硅层和正面金属电极(106)；
所述的高反层(109)上开设有用于形成电流路径的刻蚀孔，以及与正面金属电极(106)相对应的刻蚀区；
所述的注入层包括保护环(102)以及设在其内的有源区(103)；
所述的正面金属电极(106)还贯穿氧化硅层、氮化硅层与有源区(103)相连接。


2.如权利要求1所述的高速高响应度的硅基光电二极管，其特征在于，所述的衬底(107)是电阻率为20～100为ohm·cm的硅基衬底，衬底背面直接做金属化处理形成背面电极(108)。


3.如权利要求1所述的高速高响应度的硅基光电二极管，其特征在于，所述的高反层(109)由折射率2.4～2.8的高折射薄膜与折射率1.2～1.6的低折射薄膜交替叠加组成；
高反层(109)上开设的刻蚀孔为矩阵排列的圆形孔，或者为同心环形孔。


4.如权利要求3所述的高速高响应度的硅基光电二极...

【专利技术属性】
技术研发人员：李炘，张跃，
申请(专利权)人：欧跃半导体西安有限公司，
类型：新型
国别省市：陕西;61