苝四甲酸二酐有机层光电耦合器及其制作方法技术

苝四甲酸二酐有机层光电耦合器，包括组装在同一密封的金属壳体内的发光器和受光器，发光器为GaAs红外发光二极管芯片，受光器为苝四甲酸二酐光电探测器电极芯片。苝四甲酸二酐光电探测器电极芯片，包括依次叠层的金电极层、P-Si衬底层、苝四甲酸二酐单晶膜层和ITO膜层，ITO膜层表面设有镍膜层，镍膜层表面设有铝膜层；镍膜层与铝膜层组成芯片电极，芯片电极的直径为50μm。它以苝四甲酸二酐有机光电探测器芯片为受光器、以GaAs红外发光二极管为发光器制作而成。其体积小、性能优良，宽频带响应、光电转换效率达98%以上，比硅光敏二极管及三极管组合的光耦器的光电转换量子效率合器提高了20%，制造成本是单晶硅器件的50%。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子学与光电子学新型半导体光电子器件
，具体涉及一种 茈四甲酸二酐有机层光耦合器，本专利技术还涉及茈四甲酸二酐有机层光耦合器的制造方法。
技术介绍
光親合器（optical coupler，英文缩写为0C)，又叫光电光親器。它是光为媒介传 输电信号的光一电光转换器件。该器件由发光源和受光器两部分组装在同一密封的壳体 内，彼此间用透明绝缘物隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端。常见的发 光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等光电探测器。光親合器输入端加电 信号使发光源发出的光照射到受光器产生光电流由受光器输出端引出，从而实现光一电转 换。把不同的发光器件和各种光接受器组合可构成品种繁多的各种光耦合器，光耦合器已 成为一类独特的半导体器件。随着近年来信号处理的数字化、高速化、仪器/仪表的系统化 及网络化的发展，光敏二极管加放大器类的光耦合器在光电控制系统、光电通讯领域及各 种电路中被广泛应用。市场需求量不断增长。 随着科学技术的发展及应用范围的不断扩展，对光耦合器性能提出了更高的要 求。现有的光耦合器完全是利用单晶硅制作的光敏二极管和光敏三极管。事实上，光耦合 器是一种由光电流控制的电流转移器件，线性工作范围较窄，且随温度变化而变化；由单晶 硅制作的半导体器件其反向饱和电流Iceo (即暗电流)受温度变化的影响十分明显，使电路 工作的稳定性及可靠性受到影响；并且硅光敏二极管和光敏三极管的光电转换效率不高， 仅有78% ;而且生产成本较高。 有机光电子学及有机化学的迅速发展，极大地促进了新型有机半导体器件的创 新。我们在国家自然科学基金和甘肃省自然科学基金的资助下，率先开展了有机半导体材 料花四甲酸二酐（3,4，9，10 perylenetetracarboxylicdianhydride 简称 PTCDA)的合 成及其物理性质的深入研究得出结论：茈四甲酸二酐可以在各种无机材料衬底上形成有序 层，并且具有单斜晶系结构；它的价带和第一紧束缚导带之间的能量是2. 2ev ;每个晶胞含 有两个分子；分子量为392,它的密度为1.69g/cm3,升华温度为450°C;当波长A在〇. 5~ LOym范围内变化时，其光吸收系数a。变化范围是IO2cm1~IO 4Cm1c3利用这种染色有机 材料，能够通过真空蒸镀的方法，在无机半导体P-Si的表面形成高质量的分子层薄膜并具 有肖特基势皇特性。 专利技术人利用茈四甲酸二酐制得了电极芯片，该芯片获得技术专利，其名称为 《PTCDA/P-Si异质结光电探测器低阻欧姆电极芯片》，专利号为ZL201120070565. 9。该专利 公开了光电探测器电极芯片直径为150 ym欧姆电极的制作方法。在此基础上，为了使这种 宽频带高量子效率的光电探测器的性能得到提高并拓宽它的应用，我们进一步优化了该器 件的结构参数，使6层结构中每层薄膜的厚度通过理论分析和计算使其更合理和可行；并 且P-Si单晶背电极Al变更为具有延展性及可浸润性的Au，进一步降低了背电极的接触电 阻，提高了器件的光电性能；此外，将芯片电极的直径由150 ym变更为50 ym，同时每个芯 片的四周边缘光刻出宽度由原来的50 ym变更为30 ym，增加了 ITO膜的受光面积，进一步 提高了该器件的光电转换的效率。经过上述结构改进及工艺实践使这种宽频带高量子效率 的光电探测器的性能得到了大幅度提高提高。2014年8月经中国测试技术研究院提供的测 试报告表明，它对波长在450nm~IlOOnm的光都有响应（即它可将在该波段范围的光能转 变为电能)，是一种响应度很好的宽带光电子元器件。从入射光的波长与响应度的测试曲线 直接得出，它对930nm的光有最大的峰值，特别指出的是，它对波长为930nm的光，其光吸收 系数为1，即表不它对入射的光可以全部吸收，其光电转换的量子效率可达100%。这一波长 恰好与GaAs红外发光二极管发出光的波长完全相同。利用两者组合可制作出光电转换效 率近于100%的茈四甲酸二酐光耦合器。
技术实现思路
本专利技术的第一目的是提供一种体积小、成本低、光电转换效率高的茈四甲酸二酐 有机层光耦合器；本专利技术的第二目的是提供茈四甲酸二酐有机层光耦合器的制造方法。 为了实现上述第一目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种茈四甲酸二酐有机层 光親合器，包括组装在同一密封的金属壳体内的发光器和受光器，其特征在于：发光器为 GaAs红外发光二极管芯片，受光器为茈四甲酸二酐光电探测器电极芯片。 茈四甲酸二酐光电探测器电极芯片，包括依次叠层的金电极层、P-Si衬底层、茈四 甲酸二酐单晶膜层和ITO膜层，ITO膜层表面设有镍膜层，镍膜层表面设有铝膜层；镍膜层 与铝膜层组成芯片电极，芯片电极的直径为50 y m。 叠层的金电极层、P-Si衬底层与茈四甲酸二酐单晶膜层的边长为3000 ym，ITO 膜层的边长为2940 y m。 本专利技术提供的光耦合器以茈四甲酸二酐有机光电探测器芯片为受光器、以GaAs 红外发光二极管为发光器制作而成。其体积小、性能优良，宽频带响应、光电转换效率达98% 以上，比硅光敏二极管及三极管组合的光耦器的光电转换量子效率合器提高了 28%，制造成 本是单晶硅器件的50%。本专利技术提供的光耦合器具有良好的稳定性及可靠性，应用于计算机 及各种电子电路中。 为了实现上述第二目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种茈四甲酸二酐有机层 光耦合器的制造方法，其特征在于按照下述步骤进行：制作Au-Si欧姆接触层，在Si片正面 沉积茈四甲酸二酐薄膜，沉积ITO膜、高纯Ni薄膜与高纯Al薄膜，刻蚀Al-Ni电极引线孔 与每个芯片的四周边缘刻蚀出宽度为30 y m的台阶，热压焊接茈四甲酸二酐芯片与GaAs红 外发光二极管芯片；具体方法如下： a、制作Au-Si欧姆接触层 将厚度350 y m，电阻率2 Q ? cm，晶面指数为100,经抛光后的P型单晶Si片进行清洁 处理：依次用甲苯、四氯化碳、丙酮、无水乙醇各超声波处理5mim，而后使用去离子水冲洗； 经H2SO 4煮沸3min冷却至室温后再次用大量去离子水冲洗；经体积比H 20 :HF为9 :1的腐 蚀液微处理15秒，再次用去离子水多次冲洗后，在红外灯下烘干；用夹具将该Si片放置在 高真空加热蒸镀设备中，待真空度达5X10 3Pa时，在高真空蒸镀室中在Si片的背面蒸镀 200nm的Au薄膜后，并在合金化炉中通氏气，在385°C的温度下恒温6分钟，形成Au-Si欧 姆接触层； b、 在Si片正面沉积茈四甲酸二酐薄膜 在高真空状态下，将茈四甲酸二酐在其升华点450°C向Si片正面沉积IOOnm的薄膜， 使用型号为Rigaku-D/max-2400粉末X射线衍射仪；采用Cu靶K a辐射，其X射线波长为 0. 154056nm，管压为40kv，管流为150mA，衍射角为2 0 =5°~100 °，2 0扫描速度为5°/min， 扫描步长A 2 0为0. 02°，每步采样时间为10秒；在上述条件下，测得在单晶Si片表面沉积 的茈四甲酸二酐只有a-PTCDA相存在，即茈四甲酸二酐在单晶Si片的清洁表面形成单斜 晶系结构；单斜晶系结构与S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种苝四甲酸二酐有机层光耦合器，包括组装在同一密封的金属壳体内的发光器和受光器，其特征在于：发光器为GaAs红外发光二极管芯片（1），受光器为苝四甲酸二酐光电探测器电极芯片（2）；金属壳体（3）是顶端开口的金属管壳，金属管壳（3）填注高透明环氧树脂，将两个芯片在电气上完全绝缘封装。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭，
申请(专利权)人：兰州文理学院，
类型：发明
国别省市：甘肃;62