專利名稱：帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于半導(dǎo)體光電探測(cè)器中的光電探測(cè)器芯片。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中涉及光電探測(cè)器的芯片主要有直接光電探測(cè)芯片和帶諧振腔增強(qiáng)探 測(cè)芯片(RCE-PD)兩種形式。直接光電探測(cè)芯片通過(guò)圖3芯片所示的PN結(jié)，圖4所示的帶有肖特基電極(陽(yáng)極 電極)，空間電荷區(qū)(吸收區(qū))的肖特基結(jié)，圖5所示的陰、陽(yáng)極電極依附在N層和P層三的 PIN結(jié)，或者圖6所示設(shè)有保護(hù)環(huán)，I型吸收區(qū)為P電荷增強(qiáng)層，且P層設(shè)有增透膜系的雪崩 光電探測(cè)器(APD)結(jié)構(gòu)的吸收區(qū)吸收光子，并將吸收光子轉(zhuǎn)換為電子空穴對(duì)光電流，最后 輸出到芯片的兩極。該直接光電探測(cè)芯片的不足之處在于，在吸收長(zhǎng)度較長(zhǎng)的波長(zhǎng)時(shí)有響 應(yīng)速度和量子效率間的矛盾。由于其探測(cè)效率與吸收區(qū)的長(zhǎng)度相關(guān)，光僅通過(guò)吸收區(qū)一次， 吸收效率為Π ^ (l-r)exp (-α X0) [l-exp(aXm)]當(dāng)光的吸收長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，探測(cè)器的吸收效 率很低。另一方面，如果通過(guò)增加吸收區(qū)長(zhǎng)度來(lái)提高吸收效率，又會(huì)增加器件的光電子/空 穴在芯片內(nèi)部的渡越時(shí)間，降低了探測(cè)器的響應(yīng)速度和帶寬。圖7所示的帶諧振腔增強(qiáng)探測(cè)芯片是通過(guò)將吸收區(qū)和入射堆棧和反射堆棧的結(jié) 構(gòu)按光學(xué)諧振設(shè)計(jì)，將吸收區(qū)的位置放置于駐波的最大位置，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化效率的增強(qiáng)。該 帶諧振腔增強(qiáng)探測(cè)芯片的不足之處是，其結(jié)構(gòu)目前僅適合部分化合物半導(dǎo)體材料；且其增 強(qiáng)效果僅限于芯片全部可探測(cè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的一個(gè)或幾個(gè)較窄的波長(zhǎng)段，在芯片探測(cè)波長(zhǎng)范 圍內(nèi)，探測(cè)效率隨波長(zhǎng)變化而劇烈變化，不能實(shí)現(xiàn)全探測(cè)區(qū)的增強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出一種可以解決傳統(tǒng)直接光 電探測(cè)芯片元件在吸收長(zhǎng)度較長(zhǎng)的波長(zhǎng)時(shí)響應(yīng)速度和量子效率的矛盾限制，實(shí)現(xiàn)高速和高 量子效率的兼容，且可以適合于各種半導(dǎo)體材料的芯片，增強(qiáng)波長(zhǎng)范圍可以覆蓋芯片全部 工作波長(zhǎng)范圍的帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片新型結(jié)構(gòu)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片， 具有位于N+層和P+層之間的I型吸收區(qū)，以及分別位于所述N+層、P+層上的陽(yáng)極電極和陰 極電極組成的光電探測(cè)器(PD)半導(dǎo)體芯片本體，其特征在于，在所述芯片本體上制有由反 射腔體和微透鏡陣列構(gòu)成的光子陷阱，該光子陷阱使到達(dá)芯片表面光束經(jīng)過(guò)微透鏡陣列進(jìn) 入反射腔體，局限在芯片吸收區(qū)中反復(fù)反射，直至被完全吸收。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。本發(fā)明采用在半導(dǎo)體芯片上制有由反射腔體和微透鏡陣列構(gòu)成的光子陷阱，通過(guò) 小孔陣列，使芯片表面光束經(jīng)過(guò)微透鏡陣列進(jìn)入反射腔體，局限在芯片吸收區(qū)中反復(fù)反射 和吸收。從而可以用較薄的吸收區(qū)長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)幾倍到幾十倍吸收長(zhǎng)度的吸收效率。另一方 面，因?yàn)楣猱a(chǎn)生的電子、空穴等載流子在半導(dǎo)體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度受到飽和漂移速度的限制，所以更短的吸收區(qū)長(zhǎng)度可以獲得與之成線性比例關(guān)系的較短的渡越時(shí)間，獲得更高的響應(yīng)速 度。這樣解決了傳統(tǒng)直接光電探測(cè)芯片元件在吸收長(zhǎng)度較長(zhǎng)的波長(zhǎng)時(shí)響應(yīng)速度和量子效率 的矛盾限制，實(shí)現(xiàn)高速和高量子效率的兼容。與帶諧振腔增強(qiáng)探測(cè)芯片相比，可以適合于各 種半導(dǎo)體材料的芯片，且增強(qiáng)波長(zhǎng)范圍可以覆蓋芯片的全部工作波長(zhǎng)范圍。


圖1是本發(fā)明帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片的構(gòu)造示意圖。圖2是圖1的俯視圖。圖3是現(xiàn)有技術(shù)PN結(jié)光電芯片示意圖。圖4是現(xiàn)有技術(shù)肖特基結(jié)光電芯片示意圖。圖5是現(xiàn)有技術(shù)PIN光電芯片的示意圖。圖6是現(xiàn)有技術(shù)雪崩光電芯片示意圖。圖7是現(xiàn)有技術(shù)帶諧振腔增強(qiáng)探測(cè)芯片的示意圖。圖中1.微透鏡陣列，2.小孔陣列，3、4.全反射膜系，5.N+層，6.P+層，7.陽(yáng)極電 極，8.陰極電極，9、10.增透膜系，11. I型吸收區(qū)，12芯片本體。
具體實(shí)施例方式參閱圖1、圖2。在圖示描述的一種帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片的最佳實(shí)施例中， 光電探測(cè)器(PD)可以是PIN光電二級(jí)管、雪崩光電二級(jí)管(APD)或者肖特基光電二極管 中的一種的半導(dǎo)體芯片本體12，在芯片上制有由反射腔體和微透鏡陣列構(gòu)成的光子陷阱， 可以使到達(dá)芯片表面光束經(jīng)過(guò)微透鏡陣列進(jìn)入反射腔體，大部分光被局限在芯片中反復(fù)反 射，直至被完全吸收。該芯片本體12具有一個(gè)位于N+層5和P+層6之間的I型吸收區(qū)11，以及分別位 于所述N+層5、P+層6上的陽(yáng)極電極7和陰極電極8組成的PIN光電探二極管(PD)硅基芯 片本體12。其中N+層(5)和P+層(6)位置可以交換。陽(yáng)極電極7位于PD元件上表面N+ 層5的周邊，陰極電極8在PD元件下表面上，位于全反射膜系4的周邊。在硅基芯片本體 12光敏區(qū)的入射表面和反射表面上制有由反射腔體和微透鏡陣列1構(gòu)成的光子陷阱。微 透鏡陣列1整體由對(duì)光電探測(cè)器(PD)工作波長(zhǎng)透光的材料組成，其材料可以是SiO2等化 合物介質(zhì)材料、有機(jī)材料、玻璃體材料、半導(dǎo)體材料，可以由其中的一種或多種材料。在反射 腔體的光電元件PD的兩個(gè)表面上制有全反射膜系3，4，在進(jìn)光面反射膜系3上制作小孔陣 列2，對(duì)入射光形成一個(gè)帶孔的暗室，其反射面積與進(jìn)光面反射膜系(3)的總面積之比大于 66%。微透鏡陣列1是一種匯聚入射光線的波前沿整形結(jié)構(gòu)。微透鏡陣列1嚴(yán)格按光學(xué) 聚焦設(shè)計(jì)制作，將各微透鏡的焦點(diǎn)落于各小孔陣列2中心，垂直入射的光匯聚到小孔中心， 通過(guò)小孔陣列2進(jìn)入芯片。這樣的微透鏡陣列配合增透膜系9、10能高效率(大于96% ) 的將垂直入射的光匯聚到小孔中心，通過(guò)小孔陣列進(jìn)入芯片。為提高光學(xué)注入效率，在微透鏡的波前整形表面上設(shè)置有增透膜系10。為使絕大 部分光束局限在芯片的吸收區(qū)中反復(fù)反射，直至被完全吸收，在PD元件的上下兩個(gè)表面上 制有全反射膜系3、4。為使到達(dá)芯片表面的光束，經(jīng)過(guò)微透鏡陣列聚焦后，進(jìn)入具備反射腔體結(jié)構(gòu)的芯片內(nèi)部中，使絕大部分光束局限在芯片的吸收區(qū)中反復(fù)反射，直至被完全吸收， 在反射腔體的正面反射膜系3上的小孔陣列2與微透鏡陣列1 一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)微透鏡的焦 點(diǎn)落于一個(gè)小孔的中心上。小孔與反射膜系3的面積比與芯片需要的反射次數(shù)相關(guān)，需要 的次數(shù)越多，其面積比就越小。為提高光學(xué)注入效率，小孔陣列2上還設(shè)有增透膜系9。芯片上PIN光敏元件的反射腔體可以通過(guò)光電集成工藝在PIN元件的上下兩個(gè)表 面制作的全反射膜系3、4。進(jìn)光面反射膜系3上制有小孔陣列，使入射光形成一個(gè)帶孔的暗 室黑體。入射光按圖中箭頭方向?qū)?yīng)通過(guò)小孔陣列進(jìn)入I型吸收區(qū)11。光子陷阱的工作效率由反射腔體設(shè)計(jì)參數(shù)、波前陣列設(shè)計(jì)參數(shù)、硅APD光電結(jié)構(gòu)、 工作波長(zhǎng)和入射光角度共同決定的，一般情況下有
權(quán)利要求
1.一種帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片，具有位于N+層(5)和P+層(6)之間的I型吸收 區(qū)，以及分別位于所述N+層、P+層上的陽(yáng)極電極(7)和陰極電極⑶組成的光電探測(cè)器(PD) 半導(dǎo)體芯片本體(12)，其特征在于，在所述芯片本體(12)上制有由反射腔體和微透鏡陣列 構(gòu)成的光子陷阱，該光子陷阱使到達(dá)芯片表面的光束經(jīng)過(guò)微透鏡陣列進(jìn)入反射腔體，局限 在芯片吸收區(qū)中反復(fù)反射，直至被完全吸收。
2.如權(quán)利要求1所述的帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片，其特征在于，所述微透鏡陣列(1) 的焦點(diǎn)與小孔陣列中心重合，其功能是使大部分入射光聚焦通過(guò)小孔陣列進(jìn)入芯片。
3.如權(quán)利要求1所述的帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片，其特征在于，在APD元件的上下兩 個(gè)表面上制有全反射膜系(3、4)。
4.如權(quán)利要求1所述的帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片，其特征在于，在反射腔體的光電 元件PD的兩個(gè)表面上制有全反射膜系(3、4)，在反射膜系(3)的進(jìn)光面上制作小孔陣列 O)，對(duì)入射光形成一個(gè)帶孔的暗室，其反射面積與總進(jìn)光面反射膜系的總面積之比大于 66%。
5.如權(quán)利要求1或2所述的帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片，其特征在于，在微透鏡的波前 整形表面上設(shè)置有增透膜系(10)。
6.如權(quán)利要求1所述的帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片，其特征在于，在小孔陣列(2)位置 上設(shè)有增透膜系(9)。
7.如權(quán)利要求1所述的帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片，其特征在于，光子陷阱的工作效 率由反射腔體設(shè)計(jì)參數(shù)、微透鏡陣列設(shè)計(jì)參數(shù)、光電探測(cè)器(PD)的光電結(jié)構(gòu)、工作波長(zhǎng)和 入射光角度共同決定，一般情況下有
全文摘要
本發(fā)明提出的一種帶光子陷阱的光電探測(cè)芯片，旨在提供一種可以解決傳統(tǒng)直接光電探測(cè)芯片元件在吸收長(zhǎng)度較長(zhǎng)的波長(zhǎng)時(shí)響應(yīng)速度和量子效率的矛盾限制，實(shí)現(xiàn)高速和高量子效率的兼容，適合各種半導(dǎo)體材料的芯片，增強(qiáng)波長(zhǎng)范圍可以覆蓋芯片全部工作波長(zhǎng)范圍的光電探測(cè)芯片。本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)它具有光電探測(cè)元件(PD)，在所述PD芯片本體(12)上制有由反射腔體和微透鏡陣列構(gòu)成的光子陷阱，該光子陷阱使到達(dá)芯片表面光束經(jīng)過(guò)微透鏡陣列進(jìn)入反射腔體，局限在芯片吸收區(qū)中反復(fù)反射，直至被完全吸收。
文檔編號(hào)H01L31/109GK102142468SQ201010593239
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者何偉, 劉從吉, 劉小會(huì), 向秋澄, 周小燕, 周紅輪, 李豐, 李瀟, 柯尊貴, 王平秋, 王鷗, 石柱, 胡衛(wèi)英, 蘇潔梅, 覃文治, 郭勇, 錢煜, 馬孜 申請(qǐng)人:西南技術(shù)物理研究所