專利名稱：P的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電探測器件，具體涉及一種用于提高入射光波長為650nm響應(yīng)度的P+PIN硅光電探測器。
背景技術(shù)：
光電檢測器件用于將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，這類器件應(yīng)用非常廣泛。光電探測器由于體積小、噪聲低、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)性能好等特點，近年來得到了迅速的發(fā)展，廣泛用于DVD、CD-ROM等的光學(xué)讀取，以及光電檢測系統(tǒng)、光纖通信領(lǐng)域，同時在軍事上也得到廣泛的應(yīng)用。
早期的光電探測器以PN光電探測器為代表，但由于PN光電探測器的耗盡區(qū)窄，對光的吸收效率低，因此存在響應(yīng)速度慢，暗電流大，光電轉(zhuǎn)換效率低的缺點。為克服PN光電探測器不足之處，目前在PN光電探測器的PN結(jié)的P型和N型半導(dǎo)體之間加入非摻雜本征層I，構(gòu)成一種PIN光電探測器。當有光照時，并且PIN光電二極管反向偏壓加大到某一定值時，整個非摻雜本征層I成為耗盡區(qū)。PIN光電探測器的耗盡區(qū)得到拓寬，不僅利于光輻射的吸收，提高了量子效率，也明顯地減小了結(jié)電容，使電路的時間常數(shù)減小，從而減小了器件的響應(yīng)時間。但對于目前國內(nèi)多數(shù)廠家生產(chǎn)的光電探測器的，在650nm處的響應(yīng)度都較低，一般的響應(yīng)度在0.3A/W左右，這些探測器對于目前響應(yīng)度要求較高的DVD及塑料光纖通信領(lǐng)域不能適用。
對于上述PIN結(jié)構(gòu)的光電檢測器，其響應(yīng)度較低的原因是由于其P+層和N+層都為高濃度摻雜層，高濃度的摻雜工藝使得P+層內(nèi)的晶格受到破壞，因此，為高濃度摻雜的P+層內(nèi)存在死層。當入射光照在高濃度摻雜的P+層時，由于死層中存在著大量的填隙原子、位錯和缺陷，因此死層會使電子-空穴對擴散長度被大大縮短，高濃度摻雜的P+層所產(chǎn)生的電子-空穴對因擴散長度短而很快被復(fù)合，只有很少的光生電子-空穴對能夠進入耗盡區(qū)，導(dǎo)致最終形成的光生電流很小，從而造成PIN光電探測器對短波光的響應(yīng)度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供了一種P+PIN硅光電探測器，它減薄了高濃度摻雜層的P+型半導(dǎo)體中的死層，并使單位時間內(nèi)耗盡區(qū)內(nèi)的光生電子-空穴對數(shù)目得以增加，使得探測器的響應(yīng)度得以提高。
本發(fā)明的目的是這樣來實現(xiàn)的一種P+PIN硅光電探測器，包括下部的N+層、中部的非摻雜本征層、上部含有P+型濃硼擴散層的硼擴散區(qū)，N+層的下表面設(shè)置有N型歐姆接觸層，非摻雜本征層上端設(shè)有絕緣層，絕緣層上設(shè)置有與所述P+型濃硼擴散層接觸的P型歐姆接觸層，絕緣層上具有一個通過光刻形成的入射光窗口，硼擴散區(qū)位于該入射窗口的下方，非摻雜本征層位于N+層與硼擴散區(qū)之間，所述硼擴散區(qū)還包含有一P型淡硼擴散層，該P型淡硼擴散層位于非摻雜本征層與P+型濃硼擴散層之間，P+型濃硼擴散層的厚度小于P型淡硼擴散層的厚度。
采用了上述方案，由于硼擴散區(qū)含有P+型濃硼擴散層以及P型淡硼擴散層，硼擴散區(qū)在總體厚度不變的情況下，由含有P+型濃硼擴散層以及P型淡硼擴散層共同組成。當光束照射在P+PIN結(jié)上，除了P+型濃硼擴散層和非摻雜本征層會有電子-空穴對產(chǎn)生外，P型淡硼擴散層中的也會有光生電子-空穴對產(chǎn)生；又由于P+型濃硼擴散層的厚度小于P型淡硼擴散層的厚度，硼擴散區(qū)中的P+型濃硼擴散層相應(yīng)被減薄，P+型濃硼擴散層中所含的死層隨P+型濃硼擴散層減薄而減薄，因此，光生電子-空穴對復(fù)合的機率大大降低，使得單位時間內(nèi)光生電子-空穴對的數(shù)目得以增加。當對P+PIN結(jié)加上反向偏置電壓后，在電場的作用下，硼擴散區(qū)的少數(shù)載流子在耗盡區(qū)中的擴散長度增加，因此，單位時間內(nèi)在電場作用下在耗盡區(qū)內(nèi)漂移的電子-空穴對數(shù)目大大增加。
當光束入射到P+PIN結(jié)后，探測器中半導(dǎo)體的原子被激發(fā)出電子-空穴對，電子-空穴對在內(nèi)電場的作用下，其中的電子將向N+層漂移，而空穴將向P+型濃硼擴散層以及P型淡硼擴散層漂移，由于濃硼擴散層中含有的死層被減薄、電子-空穴對在耗盡區(qū)中不至于很快被復(fù)合，電子-空穴對的漂移長度將大大增加，因此，以使得單位時間內(nèi)耗盡區(qū)中的電子-空穴對數(shù)目比普通PIN光電探測器的數(shù)目增多，當加上反向偏置電壓后，從而使得形成的光電流增強，因此，本發(fā)明的光電探測器響應(yīng)度相應(yīng)得到提高。


圖1為本發(fā)明的P+PIN硅光電探測器的一種優(yōu)選實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的P+PIN硅光電探測器中各層摻雜濃度曲線頒布圖；圖3為硅的吸收系數(shù)與波長的關(guān)系示意圖；圖4為本發(fā)明的P+PIN硅光電探測器響應(yīng)度測試電路示意圖；圖5為本發(fā)明的P+PIN硅光電探測器響應(yīng)度隨波長變化的曲線圖；圖6為分析本發(fā)明的P+PIN硅光電探測器響應(yīng)速度的高頻小信號等效電路。
具體實施例方式
參照圖1，本發(fā)明的P+PIN硅光電探測器包括下部的N+層2、中部的非摻雜本征層3、上部含有P+型濃硼擴散層5的硼擴散區(qū)。其中，N+層2的下表面設(shè)置有N型歐姆接觸層1，用于連接外電源的正極，N型歐姆接觸層1采用濺射鋁(Al)的方法形成。非摻雜本征層3上端設(shè)有絕緣層7，絕緣層上設(shè)置有與所述P+型濃硼擴散層5接觸的P型歐姆接觸層6，歐姆接觸層用于與外電源的負極連接，P型歐姆接觸層同樣采用濺射鋁(Al)的方法形成。絕緣層上具有一個通過光刻形成的入射光窗口8，以使光束能較為集中地入射到P+PIN結(jié)上。P型歐姆接觸層上端面與入射光窗口底部均覆蓋一層鈍化薄膜9，通過鈍化薄膜可以保護P+PIN結(jié)。硼擴散區(qū)位于入射光窗口8的下方，非摻雜本征層3位于N+層2與硼擴散區(qū)之間，非摻雜本征層的面積大于硼擴散區(qū)的面積，有利于P+PIN結(jié)對光進行吸收。硼擴散區(qū)還包含一P型淡硼擴散4層，硼擴散區(qū)的P+型濃硼擴散層5以及P型淡硼擴散層4，分別從入射光窗口8進行硼離子擴散形成，其中硼擴散區(qū)的P+型濃硼擴散層5硼離子擴散(摻雜)濃度為1×1019cm-3～1×1020cm-3；P型淡硼擴散層4的擴散濃度為1×1017cm-3～1×1018cm-3(見圖2)。P+型濃硼擴散層的厚度小于P型淡硼擴散層的厚度，其中P+型濃硼擴散層的厚度為0.1μm，P型淡硼擴散層的厚度為0.5μm。P型淡硼擴散層位于非摻雜本征層與P+型濃硼擴散層之間。
參照圖3，對于上述結(jié)構(gòu)的P+PIN硅光電探測器，P型淡硼擴散層4和N+層2之間的間距W就決定了非摻雜本征層3的厚度。由于入射光的強度與光的吸收系數(shù)成反比，相對于某種材料光存在一個吸收長度L，而L約為吸收系數(shù)α的倒數(shù)，即L≈1/α，由于光的吸收主要發(fā)生在耗盡區(qū)，而耗盡區(qū)主要集中在本征層中，所以為了讓光得到充分的吸收，可以認為W的厚度要大于L。硅對于入射光的波長為650nm而言，α≈5×103cm-1，吸收長度L≈2μm，所以W要大于2μm，這樣可以保證大部分光可被吸收，而且W的增大，相應(yīng)地增大了器件的擊穿電壓，減少了耗盡區(qū)的電容，提高了頻率特性。但是W的厚度不能過大，W的增大，增大了載流子的漂移時間，會對器件的響應(yīng)速度降低。因此在保證電容和擊穿的情況下，使W達到一定寬度，W應(yīng)大于2μm，并且實際上應(yīng)大于d(d≈6μm)小于50μm，這樣可以同時兼顧響應(yīng)速度和光譜響應(yīng)度。
本發(fā)明的P+PIN硅光電探測器采用N型硅材料作襯底，在頂層上設(shè)置絕緣層7，并光刻一個入射光窗口8，該窗口同時作為硼的擴散窗口，并進行兩次硼離子擴散(可以根據(jù)時間的長短來控制兩次擴散的厚度)。第一次作淡硼擴散，形成P型淡硼擴散層4，然后再進行濃硼擴散，形成P+型濃硼擴散層5，擴散結(jié)束后再做結(jié)的鈍化薄膜9、N型歐姆接觸1、P型歐姆接觸層6，以及背面減薄等工序。芯片尺寸為300μm×300μm，其中光敏面直徑為80μm和300μm兩種，焊盤直徑為50μm。芯片厚度可以根據(jù)需要減薄，但最薄不低于180μm。
本發(fā)明的工作過程是當P+PIN結(jié)上加有反向偏壓時，外加電場的方向和空間電荷區(qū)里電場的方向相同，外電場使勢壘加強，同時，外加電場將空間電荷區(qū)里的載流子基本耗盡，形成了一個耗盡區(qū)。當光束入射到P+PIN結(jié)上，且光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時，可以將電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，結(jié)果產(chǎn)生一個電子-空穴對。在電場的作用下，耗盡區(qū)里的電子將向N+區(qū)漂移，而空穴將向P+區(qū)漂移，由于P+PIN結(jié)構(gòu)，具有P型淡硼擴散層，減薄了傳統(tǒng)PIN結(jié)構(gòu)中的P+型濃硼擴散層處的死層，使電子-空穴對在漂移過程中的長度大大增加，而不至于很快被復(fù)合，從而產(chǎn)生比PIN結(jié)構(gòu)更大的光生電流。當入射光功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電流信號。
下面通過具體實驗分別對本發(fā)明的P+PIN硅光電探測器響應(yīng)度及響應(yīng)速度進行說明(1)光譜響應(yīng)度理論分析光電探測器的響應(yīng)度是描述探測器靈敏度的參數(shù)量，它表征探測器將入射光信號轉(zhuǎn)換為電信號的能力。響應(yīng)度Re表示，在一定波長下，入射單位光功率所產(chǎn)生的光電流，即響應(yīng)度為光流與入射光功率的比值，可由下式給出Re＝IL/P＝(λ/1.24)(1-e-αw)①式中P是入射光功率，IL為光電流，α為吸收系數(shù)，W為耗盡層厚度。進一步變換得到Re＝IL/(HoA)＝ηeλ/hc ②式中Ho為功率密度，A為探測器有效面積，e為電子電量，c為光速，λ為光波長，η為材料的量子效率，h為普朗克常數(shù)，理想探測器的向應(yīng)度Re直接與光波長成正比。目前DVD用的光電探測器波長為650nm，Si在650nm處的量子效率η≈90％。由式②進行理論計算可得到本發(fā)明探的測器響應(yīng)度Re≈0.471A/W。
(2)對本發(fā)明的P+PIN硅光電探測器光譜響應(yīng)度進行測試采用中心波長為650nm，功率為1mW的激光器進行對光。測試電路部分如圖4所示，其中V為高靈敏度、高精度伏特表，圖中R為高精度電阻，其阻值為10KΩ。當光照射到光電探測器上將產(chǎn)生光電流，光電流流過電阻產(chǎn)生電壓降，所以當電壓表讀出的數(shù)字為10V時，即表示響應(yīng)度為1A/W。
取其中10個P+PIN硅光電二極管作測試，其結(jié)果如表1所示，其中第1至5個的光敏面直徑為300μm，第6至10個的光敏面直徑為80μm。測試響應(yīng)度隨波長變化的曲線如圖5所示，測試結(jié)果見表1。從表1實驗數(shù)據(jù)可以看出，本發(fā)明的P+PIN硅光電探測器對于入射光波長為650nm的響應(yīng)度有明顯提高，即本發(fā)明的光電探測器在650nm波段的響應(yīng)度明顯高于一般結(jié)構(gòu)的探測器的0.30A/W。

表1從表1中的測試結(jié)果可以看出，雖然本發(fā)明的響應(yīng)度提高，但與理論計算值(0.471A/W)還有一定差距，這與工藝過程有很大關(guān)系。封裝用鍍有650nm波長的增透膜的管帽，管座為金屬管座，由于裝片是手工操作，會引起放置不平，芯片的光敏面位置無法處在管帽球透鏡的焦點上，接收光時會接收不全，導(dǎo)致探測器的響應(yīng)度降低，造成不能達到理論計算值的因素之一。其次，在制作過程當中出現(xiàn)焊點脫落，以及二次擊穿等現(xiàn)象，也會導(dǎo)致探測器的響應(yīng)度降低。
(3)對本發(fā)明的P+PIN硅光電探測器響應(yīng)速度進行說明在高頻下工作的探測器，PN結(jié)電容和負載對其頻率特性有著決定性的影響。其高頻小信號等效電路如圖6所示，其中D為理想二極管，Cj為結(jié)電容，Rs為串聯(lián)電阻，RL為負載阻抗。電路的RC時間常數(shù)決定的工作頻率為f=12π(Rs+RL)Cj]]>時間常數(shù)越大，探測器的工作頻率越低，探測器的頻率特性就越差。因此應(yīng)盡量減小探測器的結(jié)電容、串聯(lián)電阻。在本研究中，分別取光面直徑為80μm和300μm各5只作為樣管，測得Rs均＜60Ω；用CTG21型高頻C2V特性測試儀測量了上述10只樣管的結(jié)電容，其Cj值均＜5pF；負載阻抗RL通常為對PIN光電探測器的電流信號進行放大的前置放大器的輸入阻抗，這種放大器的阻抗通常為幾至幾十歐姆(如50Ω)。因此，由式下列式子進行計算得f=12π(Rs+RL)Cj=12π(60+50)×5×10-12≈289MHz]]>由上述結(jié)果可以得出，本發(fā)明P+PIN硅光電二極管具有較好的頻率特性，對于一般工作頻率為40MHz的DVD完全適合，并且有很大的裕量，同時也滿足650nm高速塑料光遷通信的要求。
根據(jù)上述測試及分析結(jié)果，本發(fā)明的P+PIN硅光電探測器響應(yīng)度比普通PIN光電二極管有了明顯的提升，并且生產(chǎn)成本低廉，能夠適用于DVD及塑料光纖通信領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種P+PIN硅光電探測器，包括下部的N+層、中部的非摻雜本征層、上部含有P+型濃硼擴散層的硼擴散區(qū)，N+層的下表面設(shè)置有N型歐姆接觸層，非摻雜本征層上端設(shè)有絕緣層，絕緣層上設(shè)置有與所述P+型濃硼擴散層接觸的P型歐姆接觸層，絕緣層上具有一個通過光刻形成的入射光窗口，硼擴散區(qū)位于該入射窗口的下方，非摻雜本征層位于N+層與硼擴散區(qū)之間，其特征在于所述硼擴散區(qū)還包含有一P型淡硼擴散層，該P型淡硼擴散層位于非摻雜本征層與P+型濃硼擴散層之間，P+型濃硼擴散層的厚度小于P型淡硼擴散層的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P+PIN硅光電探測器，其特征在于所述硼擴散區(qū)的P+型濃硼擴散層的厚度為0.1μm，P型硼擴散區(qū)的淡硼擴散層的厚度為0.5μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P+PIN硅光電探測器，其特征在于所述P型歐姆接觸層表面與入射光窗口底部覆蓋一層鈍化薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P+PIN硅光電探測器，其特征在于所述絕緣層是通過氧化生成的SiO2薄膜層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P+PIN硅光電探測器，其特征在于所述非摻雜本征層的面積大于硼擴散區(qū)的面積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種P
文檔編號H01L31/105GK101090138SQ20071007867
公開日2007年12月19日 申請日期2007年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月2日
發(fā)明者潘銀松, 孔謀夫, 林聚承, 張仁富 申請人:重慶大學(xué)