CN201078806Y - 硅光电检测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种硅光电检测器，硅光电检测器的N⁺层的下表面设置有N型欧姆接触层，非掺杂本征层上端设有绝缘层，绝缘层上设置有与P⁺型浓硼扩散层接触的P型欧姆接触层，绝缘层上具有一个入射光窗口，硼扩散区位于该入射窗口的下方，非掺杂本征层位于N⁺层与硼扩散区之间，所述硼扩散区还包含有一P型淡硼扩散层，该P型淡硼扩散层位于非掺杂本征层与P⁺型浓硼扩散层之间，所述硼扩散区的面积小于非掺杂本征层的面积，P⁺型浓硼扩散层的厚度小于P型淡硼扩散层的厚度，一钝化薄膜层覆盖于P型欧姆接触层表面和入射光窗口底部。本实用新型减薄了高浓度掺杂层的P⁺型半导体中的死层，并使单位时间内耗尽区内的光生电子一空穴对数目得以增加，使得检测器的响应度得以提高。

Description

硅光电检测器

技术领域

本实用新型涉及一种光电检测器件，具体涉及一种用于提高响应度的硅光电检测器。

背景技术

光电检测器件用于将光信号转变成电信号，这类器件应用非常广泛。光电检测器由于体积小、噪声低、响应速度快、光谱响应性能好等特点，近年来得到了迅速的发展，广泛用于DVD、CD-ROM等的光学读取，以及光电检测***、光纤通信领域，同时在军事上也得到广泛的应用。

早期的光电检测器以PN光电检测器为代表，但由于PN光电检测器的耗尽区窄，对光的吸收效率低，因此存在响应速度慢，暗电流大，光电转换效率低的缺点。为克服PN光电检测器不足之处，目前在PN光电检测器的PN结的P型和N型半导体之间加入非掺杂本征层I，构成一种PIN光电检测器。当有光照时，并且PIN光电二极管反向偏压加大到某一定值时，整个非掺杂本征层I成为耗尽区。PIN光电检测器的耗尽区得到拓宽，不仅利于光辐射的吸收，提高了量子效率，也明显地减小了结电容，使电路的时间常数减小，从而减小了器件的响应时间。但对于目前国内多数厂家生产的光电检测器的，在650nm处的响应度都较低，一般的响应度在0.3A/W左右，这些检测器对于目前响应度要求较高的DVD及塑料光纤通信领域不能适用。

对于上述PIN结构的光电检测器，其响应度较低的原因是：由于其P⁺层和N⁺层都为高浓度掺杂层，高浓度的掺杂工艺使得P⁺层内的晶格受到破坏，因此，为高浓度掺杂的P⁺层内存在死层。当入射光照在高浓度掺杂的P⁺层时，由于死层中存在着大量的填隙原子、位错和缺陷，因此死层会使电子-空穴对扩散长度被大大缩短，高浓度掺杂的P⁺层所产生的电子-空穴对因扩散长度短而很快被复合，只有很少的光生电子-空穴对能够进入耗尽区，导致最终形成的光生电流很小，从而造成PIN光电检测器对短波光的响应度低。

发明内容

本实用新型为解决上述技术问题，提供了一种硅光电检测器，它减薄了高浓度掺杂层的P⁺型半导体中的死层，并使单位时间内耗尽区内的光生电子-空穴对数目得以增加，使得检测器的响应度得以提高。

本实用新型的目的是这样来实现的：一种硅光电检测器，包括下部的N⁺层、中部的非掺杂本征层、上部含有P⁺型浓硼扩散层的硼扩散区，N⁺层的下表面设置有N型欧姆接触层，非掺杂本征层上端设有绝缘层，绝缘层上设置有与所述P⁺型浓硼扩散层接触的P型欧姆接触层，绝缘层上具有一个通过光刻形成的入射光窗口，硼扩散区位于该入射窗口的下方，非掺杂本征层位于N⁺层与硼扩散区之间，所述硼扩散区还包含有一P型淡硼扩散层，该P型淡硼扩散层位于非掺杂本征层与P⁺型浓硼扩散层之间，P⁺型浓硼扩散层的厚度小于P型淡硼扩散层的厚度。

采用了上述方案，由于硼扩散区含有P⁺型浓硼扩散层以及P型淡硼扩散层，硼扩散区在总体厚度不变的情况下，由含有P⁺型浓硼扩散层以及P型淡硼扩散层共同组成。当光束照射在P⁺PIN结上，除了P⁺型浓硼扩散层和非掺杂本征层会有电子-空穴对产生外，P型淡硼扩散层中的也会有光生电子-空穴对产生；又由于硼扩散区的面积小于非掺杂本征层的面积，P⁺型浓硼扩散层的厚度小于P型淡硼扩散层的厚度，硼扩散区中的P⁺型浓硼扩散层相应被减薄，P⁺型浓硼扩散层中所含的死层随P⁺型浓硼扩散层减薄而减薄，因此，光生电子-空穴对复合的机率大大降低，使得单位时间内光生电子-空穴对的数目得以增加。当对P⁺PIN结加上反向偏置电压后，在电场的作用下，硼扩散区的少数载流子在耗尽区中的扩散长度增加，因此，单位时间内在电场作用下在耗尽区内漂移的电子-空穴对数目大大增加。

当光束入射到P⁺PIN结后，检测器中半导体的原子被激发出电子-空穴对，电子-空穴对在内电场的作用下，其中的电子将向N⁺层漂移，而空穴将向P⁺型浓硼扩散层以及P型淡硼扩散层漂移，由于浓硼扩散层中含有的死层被减薄、电子-空穴对在耗尽区中不至于很快被复合，电子-空穴对的漂移长度将大大增加，因此，以使得单位时间内耗尽区中的电子-空穴对数目比普通PIN光电检测器的数目增多，当加上反向偏置电压后，从而使得形成的光电流增强，因此，本发明的光电检测器响应度相应得到提高。

附图说明

图1为本实用新型的硅光电检测器的一种优选实施例结构示意图；

图2为本本实用新型的硅光电检测器中各层掺杂浓度曲线颁布图；

图3为硅的吸收系数与波长的关系示意图；

图4为本实用新型的硅光电检测器响应度测试电路示意图；

图5为本实用新型的硅光电检测器响应度随波长变化的曲线图；

图6为分析本实用新型的硅光电检测器响应速度的高频小信号等效电路。

具体实施方式

参照图1，本实用新型的硅光电检测器包括下部的N⁺层2、中部的非掺杂本征层3、上部含有P⁺型浓硼扩散层5的硼扩散区。其中，N⁺层2的下表面设置有N型欧姆接触层1，用于连接电源的正极，N型欧姆接触层1采用溅射铝的方法形成。非掺杂本征层3上端设有绝缘层7，绝缘层上设置有与所述P⁺型浓硼扩散层5接触的P型欧姆接触层6，用于与电源的负极连接，P型欧姆接触层同样采用溅射铝的方法形成。绝缘层上具有一个通过光刻形成的入射光窗口8，以使光束能较入射到P⁺PIN结上。P型欧姆接触层表面与入射光窗口底部均覆盖一层钝化薄膜9，通过钝化薄膜可以保护P⁺PIN结。硼扩散区位于入射光窗口8的下方，非掺杂本征层3位于N⁺层2与硼扩散区之间，硼扩散区的面积小于非掺杂本征层的面积。硼扩散区还包含一P型淡硼扩散4层，硼扩散区的P⁺型浓硼扩散层5以及P型淡硼扩散层4，分别从入射光窗口8进行硼离子扩散形成，其中硼扩散区的P⁺型浓硼扩散层5硼离子扩散(掺杂)浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3；P型淡硼扩散层4的扩散浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3(如图2所示)。P⁺型浓硼扩散层的厚度小于P型淡硼扩散层的厚度，其中P⁺型浓硼扩散层的厚度为0.1μm，P型淡硼扩散层的厚度为0.5μm。P型淡硼扩散层位于非掺杂本征层与P⁺型浓硼扩散层之间。

参照图3，对于上述结构的硅光电检测器，P型淡硼扩散层4和N⁺层2之间的间距W就决定了非掺杂本征层3的厚度，入射光的强度与光的吸收系数成反比，相对于某种材料光存在一个吸收长度L，而L约为吸收系数α的倒数，即L≈1/α，由于光的吸收主要发生在耗尽区，而耗尽区主要集中在本征层中，所以为了让光得到充分的吸收，可以认为W的厚度要大于L。硅对于入射光的波长为650nm而言，α≈5×10³cm^-1，吸收长度L≈2μm，所以W要大于2μm，这样可以保证大部分光可被吸收，而且W的增大，相应地增大了器件的击穿电压，减少了耗尽区的电容，提高了频率特性。但是W的厚度不能过大，W的增大，增大了载流子的漂移时间，会对器件的响应速度降低。因此在保证电容和击穿的情况下，使W达到一定宽度，W应大于2μm，并且实际上应大于d(d≈6μm)小于50μm，这样可以同时兼顾响应速度和光谱响应度。

本实用新型的硅光电检测器采用N型硅材料作衬底，在顶层上设置绝缘层7，并光刻一个入射光窗口8，该窗口同时作为硼的扩散窗口，并进行两次硼离子扩散(可以根据时间的长短来控制两次扩散的厚度)。第一次作淡硼扩散，形成P型淡硼扩散层4，然后再进行浓硼扩散，形成P⁺型浓硼扩散层5，扩散结束后再做结的钝化薄膜9、N型欧姆接触1、P型欧姆接触层6，以及背面减薄等工序。芯片尺寸为300μm×300μm，其中光敏面直径为80μm和300μm两种，焊盘直径为50μm。芯片厚度可以根据需要减薄，但最薄不低于180μm。

本实用新型的工作过程是：当在P⁺PIN结上加有反向偏压时，外加电场的方向和空间电荷区里电场的方向相同，外电场使势垒加强，同时，外加电场将空间电荷区里的载流子基本耗尽，形成了一个耗尽区。当光束入射到P⁺PIN结上，且光子能量大于半导体材料的禁带宽度E_g时，可以将电子从价带激发到导带，结果产生一个电子-空穴对。在电场的作用下，耗尽区里的电子将向N⁺区漂移，而空穴将向P⁺区漂移，由于P⁺PIN结构，具有P型淡硼扩散层，减薄了传统PIN结构中的P⁺型浓硼扩散层处的死层，使电子-空穴对在漂移过程中的长度大大增加，而不至于很快被复合，从而产生比PIN结构更大的光生电流。当入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号。

下面通过具体实验分别对本实用新型的硅光电检测器响应度及响应速度进行说明：

(1)光谱响应度理论分析

光电检测器的响应度是描述检测器灵敏度的参数量，它表征检测器将入射光信号转换为电信号的能力。响应度Re表示，在一定波长下，入射单位光功率所产生的光电流，即响应度为光流与入射光功率的比值，可由下式给出：

Re＝I_L/P＝(λ/1.24)(1-e^-αw)①

式中：P是入射光功率，I_L为光电流，α为吸收系数，W为耗尽层厚度。进一步变换得到：

Re＝I_L/(H_oA)＝ηeλ/hc②

式中：H_o为功率密度，A为检测器有效面积，e为电子电量，c为光速，λ为光波长，η为材料的量子效率，h为普朗克常数，理想检测器的向应度Re直接与光波长成正比。目前DVD用的光电检测器波长为650nm，Si在650nm处的量子效率η≈90％。由式②进行理论计算可得到本实用新型的检测器响应度Re≈0.471A/W。

(2)对本实用新型的硅光电检测器光谱响应度进行测试：

采用中心波长为650nm，功率为1mW的激光器进行对光。测试电路部分如图4所示，其中V为高灵敏度、高精度伏特表，图中R为高精度电阻，其阻值为10KΩ。当光照射到硅光电检测器上将产生光电流，光电流流过电阻产生电压降，所以当电压表读出的数字为10V时，即表示响应度为1A/W。

取其中10个硅光电二极管作测试，其结果如表1所示，其中第1至5个的光敏面直径为300μm，第6至10个的光敏面直径为80μm。测试响应度随波长变化的曲线如图5所示，测试结果见表1。从表1实验数据可以看出，本实用新型的硅光电检测器对于入射光波长为650nm的响应度有明显提高，即本实用新型的硅光电检测器在650nm波段的响应度明显高于一般结构的检测器的0.30A/W。

表1

从表1中的测试结果可以看出，虽然本实用新型的响应度提高，但与理论计算值(0.471A/W)还有一定差距，这与工艺过程有很大关系。封装用镀有650nm波长的增透膜的管帽，管座为金属管座，由于装片是手工操作，会引起放置不平，芯片的光敏面位置无法处在管帽球透镜的焦点上，接收光时会接收不全，导致检测器的响应度降低，造成不能达到理论计算值的因素之一。其次，在制作过程当中出现焊点脱落，以及二次击穿等现象，也会导致检测器的响应度降低。

(3)对本实用新型的硅光电检测器响应速度进行说明：

在高频下工作的检测器，PN结结电容和负载对其频率特性有着决定性的影响。其高频小信号等效电路如图6所示，其中D为理想二极管，Cj为结电容，Rs为串联电阻，RL为负载阻抗。电路的RC时间常数决定的工作频率为：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}(\mathrm{Rs}+\mathrm{RL})\mathrm{Cj}}$

时间常数越大，检测器的工作频率越低，检测器的频率特性就越差。因此应尽量减小检测器的结电容、串联电阻。在本研究中，分别取光面直径为80μm和300μm各5只作为样管，测得Rs均＜60Ω；用CTG21型高频C2V特性测试仪测量了上述10只样管的结电容，其Cj值均＜5pF；负载阻抗RL通常为对PIN光电检测器的电流信号进行放大的前置放大器的输入阻抗，这种放大器的阻抗通常为几至几十欧姆(如50Ω)。因此，由式下列式子进行计算得：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}(\mathrm{Rs}+\mathrm{RL})\mathrm{Cj}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}(60+50)\×5\×{10}^{-12}}\≈289\mathrm{MHz}$

由上述结果可以得出，本实用新型的硅光电二极管具有较好的频率特性，对于一般工作频率为40MHz的DVD完全适合，并且有很大的裕量，同时也满足650nm高速塑料光迁通信的要求。

根据上述测试及分析结果，本实用新型的硅光电检测器响应度比普通PIN光电二极管有了明显的提升，并且生产成本低廉，能够适用于DVD及塑料光纤通信领域。

Claims (4)

1.一种硅光电检测器，包括下部的N⁺层、中部的非掺杂本征层、上部含有P⁺型浓硼扩散层的硼扩散区，N⁺层的下表面设置有N型欧姆接触层，非掺杂本征层上端设有绝缘层，绝缘层上设置有与所述P⁺型浓硼扩散层接触的P型欧姆接触层，绝缘层上具有一个通过光刻形成的入射光窗口，硼扩散区位于该入射窗口的下方，非掺杂本征层位于N⁺层与硼扩散区之间，其特征在于：所述硼扩散区还包含有一P型淡硼扩散层，该P型淡硼扩散层位于非掺杂本征层与P⁺型浓硼扩散层之间，所述硼扩散区的面积小于非掺杂本征层的面积，P⁺型浓硼扩散层的厚度小于P型淡硼扩散层的厚度，一钝化薄膜层覆盖于P型欧姆接触层表面和入射光窗口底部。

2.根据权利要求1所述的硅光电检测器，其特征在于：所述硼扩散区的P⁺型浓硼扩散层为硼离子扩散浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3的浓硼扩散层；P型淡硼扩散层为硼离子扩散浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3的淡硼扩散层。

3.根据权利要求1所述的硅光电检测器，其特征在于：所述硼扩散区的P⁺型浓硼扩散层的厚度为0.1μm，P型硼扩散区的淡硼扩散层的厚度为0.5μm。

4.根据权利要求1所述的硅光电检测器，其特征在于：所述绝缘层是通过氧化生成的SiO₂薄膜层。

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