侧面接收光的硅增益光探测阵列器件的制作方法技术

侧面接收光的硅增益光探测阵列器件的制作方法，属于光电技术领域。解决了如何提供一种蓝光量子效率高、集成度高、增益高的光侧面入射硅基雪崩光电二极管阵列器件的制作方法的问题。本发明专利技术的制作方法，先在清洁处理后的衬底的内部制作埋氧化层，将衬底分为厚薄两部分，然后在薄衬底上表面通过离子注入制作隔离区，然后制备阳极，然后制备衬底层，然后制备吸收层，然后制备场控层，然后制备雪崩层，然后制备非耗尽层，然后制备阴极，然后制备透光层，然后制备电极引线，完成封装，得到侧面接收光的硅增益光探测阵列器件。该制作方法制作的阵列器件蓝光灵敏度和量子效率高，截止频率和增益也较高。

Fabrication of SiO-Gain Optical Detection Array Device with Side Received Light

【技术实现步骤摘要】
侧面接收光的硅增益光探测阵列器件的制作方法
本专利技术属于光电
，具体涉及一种侧面接收光的硅增益光探测阵列器件的制作方法。
技术介绍
雪崩光电二极管(APD)是一种光敏元件，常在光通信领域中使用。在以硅或锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流，加大反向偏压会产生“雪崩”(即光电流成倍地激增)的现象，这种二极管被称为“雪崩光电二极管”。雪崩光电二极管的工作原理是：利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获得光电流的增益。在雪崩过程中，光生载流子在强电场的作用下高速定向运动，具有很高动能的光生电子或空穴与晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生二次电子-空穴对；二次电子和空穴对在电场的作用下获得足够的动能，又使晶格原子电离产生新的电子-空穴对，此过程像“雪崩”似的延续下去。电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。现有技术，对于可见光硅雪崩光电二极管，由于硅材料自身的特性，对于波长小于500nm的蓝光有着强烈的吸收，光经过器件顶部的非耗尽区时会被大量吸收，只有少量蓝光光生载流子进入耗尽区，因此蓝光的量子效率很低。为了提高探测器在短波方向的量子效率，通常将非耗尽区设计的很薄，同时减少长波方向上的光在耗尽层的吸收率。但在实际工艺中非耗尽层最低只能达到0.01μm，量子效率提升有限。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术为解决现有技术中可见光APD对蓝光量子效率低的缺点，进一步提高其截止频率及增益，提供一种侧面接收光的硅增益光探测阵列器件的制作方法。本专利技术解决上述技术问题采取的技术方案如下。本专利技术提供一种侧面接收光的硅增益光探测阵列器件的制作方法，该阵列器件包括从下至上依次设置的基底、氧化层和雪崩光电二极管阵列；所述雪崩光电二极管阵列包括多个探测单元、多个隔离区和多个电极引线；多个探测单元按规则排布形成阵列，每个探测单元包括阴极、非耗尽层、雪崩层、场控层、吸收层、衬底层、阳极和透光层；阴极、非耗尽层、雪崩层、场控层、吸收层、衬底层和阳极以阳极为中心轴从外至内依次设置，透光层覆盖在非耗尽层、雪崩层、场控层、吸收层、衬底层和部分阴极的上表面上；隔离区设置在相邻的两个探测单元之间，将相邻的两个探测单元隔离；电极引线设置在探测单元及隔离区的上表面上，电极引线连接多个探测单元之间的电极，连接方式为串联、并联、先串联后并联或先并联后串联，制作步骤如下：步骤一、选取衬底材料，对衬底材料进行清洁处理；步骤二、在清洁处理后的衬底材料的内部制作埋氧化层，埋氧化层将衬底材料分成厚度不同的两部分，位于上部的薄衬底材料用来制作雪崩光电二极管阵列，位于下部的厚衬底材料作为基底；步骤三、在步骤二得到的器件的上表面制作隔离区的掩膜图形，通过离子注入或刻蚀沟槽填充等方法制备隔离区，去除掩膜层；或在步骤二得到的器件的待制备隔离区的位置处刻蚀沟槽，在沟槽内填充隔离区材料，得到隔离区；步骤四、在步骤三得到的器件的上表面制备阳极掩膜图形，制备阳极沟槽，制备阳极，去除阳极掩膜材料；步骤五、在步骤四得到的器件的上表面制备衬底层掩膜图形，制备衬底层，去除衬底层掩膜材料；步骤六、在步骤五得到的器件的上表面制备吸收层掩膜图形，制备吸收层，去除吸收层掩膜材料；步骤七、在步骤六得到的器件的上表面制备场控层掩膜图形，制备场控层，去除场控层掩膜材料；步骤八、在步骤七得到的器件的上表面制备雪崩层掩膜图形，制备雪崩层，去除雪崩层掩膜材料；步骤九、在步骤八得到的器件的上表面制备非耗尽层掩膜图形，制备非耗尽层，去除掩膜材料；步骤十、在步骤九得到的器件的上表面制备阴极掩膜图形，制备阴极沟槽，制备阴极，去除掩膜材料；步骤十一、在步骤十得到的器件的上表面制备增透膜的掩膜图形，制备增透膜，得到透光层，去除掩膜材料；步骤十二、在透光层和隔离区上表面制备电极引线的掩膜图形，制备电极引线，去除掩膜材料，完成封装，得到侧面接收光的硅增益光探测阵列器件。进一步的，所述探测单元的形状为正方形、多边形、矩形或圆形。进一步的，所述阴极、阳极和电极引线的材料分别为Au、Ag、Cu、Al、Cr、Ni、Ti中的一种或几种的合金。进一步的，所述非耗尽层为高掺杂n+型硅，厚度为0.5-1.5微米，掺杂浓度为1018-1021cm-3；雪崩层为p型硅，厚度为0.2-1.5微米，掺杂浓度为1015-1017cm-3；场控层为p型硅，厚度为1-5微米，掺杂浓度为1012-1014cm-3；吸收层为p型硅，厚度为1-20微米，掺杂浓度为1014-1017cm-3；衬底层为高掺杂p+型硅，厚度为2-50微米，掺杂浓度为1018-1021cm-3；所述p型硅掺杂离子为B3+，n型硅掺杂离子为P5+或As5+。进一步的，所述透光层由高折射率薄膜、中折射率薄膜和低折射率薄膜中的两种或者三种交替排列组成，共二至九层；其中，高折射率薄膜材料为CeO2、ZrO2、TiO2、Ta2O5、ZnS、ThO2中的一种或几种的组合，中折射率薄膜材料为MgO、ThO2H2、InO2、MgO-Al2O3中的一种或几种的组合，低折射率薄膜材料为MgF2、SiO2、ThF4、LaF2、NdF3、BeO、Na3(AlF4)、Al2O3、CeF3、LaF3、LiF中的一种或几种的结合。进一步的，所述隔离区的材料为聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环氧树脂或SiO2。进一步的，所述隔离区通过在硅片表面注入离子，使硅转变成氧化硅制备。进一步的，所述基底的材料为硅片。进一步的，所述埋氧化层通过在硅片表面离子注入，使硅转变成氧化硅制备。本专利技术提供的侧面接收光的硅增益光探测阵列器件的工作原理是：在本专利技术的侧面接收光的硅增益光探测阵列器件的阴极和阳极间施加反向偏压，当光照射在阵列器件的上表面时，在吸收层内被吸收的可见光光子产生非平衡载流子，在内建电场作用下，使得电子向阴极运动速度增加，最后到达阴极，空穴向p型衬底层运动到达阳极，从而在外电路中形成电流，实现光电转换，当反向偏压足够大时将引起载流子在雪崩层产生雪崩倍增的效果，使反向电流增大，使得阵列器件对可将光的量子效率增加。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的侧面接收光的硅增益光探测阵列器件的制作方法采用的是具有较高的集成度和批量化的MOEMS技术与半导体材料生长技术相结合。在器件质量上，实现了阵列器件外延片上探测单元的原位分割，保证了单元分布的均匀性和一致性；在制作周期上，采用的集成制备工艺，提高了工作效率，而且适合大阵列的批量制作；在探测单元的光接收方面，由于在阵列器件表面制备增透膜，减少了光的反射，提高了光的接收率。本专利技术的制作方法制作的侧面接收光的硅增益光探测阵列器件，可以将入射光直接照射到吸收层，由于本专利技术提供的阵列器件的上表面与传统APD阵列器件的侧面一致，所以相当于将传统器件侧面暴露在光照下，入射光从阵列器件结构的侧面进入，让蓝光在吸收层直接被吸收，就会增加吸收层对蓝光的吸收，从而解决现有APD阵列器件蓝光量子效率低的问题，提高蓝光灵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.侧面接收光的硅增益光探测阵列器件的制作方法，其特征在于，该阵列器件包括从下至上依次设置的基底(11)、埋氧化层(10)和雪崩光电二极管阵列；所述雪崩光电二极管阵列包括多个探测单元、多个隔离区(9)和多个电极引线；多个探测单元按规则排布形成阵列，每个探测单元包括阴极(1)、非耗尽层(2)、雪崩层(3)、场控层(4)、吸收层(5)、衬底层(6)、阳极(7)和透光层(8)；阴极(1)、非耗尽层(2)、雪崩层(3)、场控层(4)、吸收层(5)、衬底层(6)和阳极(7)以阳极(7)为中心轴从外至内依次设置，透光层(8)覆盖在非耗尽层(2)、雪崩层(3)、场控层(4)、吸收层(5)、衬底层(6)和部分阴极(1)的上表面上；隔离区(9)设置在相邻的两个探测单元之间，将相邻的两个探测单元隔离；电极引线设置在探测单元及隔离区(9)的上表面上，电极引线连接多个探测单元之间的电极，连接方式为串联、并联、先串联后并联或先并联后串联，制作步骤如下：步骤一、选取衬底材料，对衬底材料进行清洁处理；步骤二、在清洁处理后的衬底材料的内部制作埋氧化层(10)，埋氧化层(10)将衬底材料分成厚度不同的两部分，位于上部的薄衬底材料用来制作雪崩光电二极管阵列，位于下部的厚衬底材料作为基底(11)；步骤三、在步骤二得到的器件的上表面制作隔离区(9)的掩膜图形，通过离子注入制备隔离区(9)，去除掩膜层；或在步骤二得到的器件的待制备隔离区(9)的位置处刻蚀沟槽，在沟槽内填充隔离区材料，得到隔离区(9)；步骤四、在步骤三得到的器件的上表面制备阳极(7)掩膜图形，制备阳极(7)沟槽，制备阳极(7)，去除阳极(7)掩膜材料；步骤五、在步骤四得到的器件的上表面制备衬底层(6)掩膜图形，制备衬底层(6)，去除衬底层(6)掩膜材料；步骤六、在步骤五得到的器件的上表面制备吸收层(5)掩膜图形，制备吸收层(5)，去除吸收层(5)掩膜材料；步骤七、在步骤六得到的器件的上表面制备场控层(4)掩膜图形，制备场控层(4)，去除场控层(4)掩膜材料；步骤八、在步骤七得到的器件的上表面制备雪崩层(3)掩膜图形，制备雪崩层(3)，去除雪崩层(3)掩膜材料；步骤九、在步骤八得到的器件的上表面制备非耗尽层(2)掩膜图形，制备非耗尽层(2)，去除掩膜材料；步骤十、在步骤九得到的器件的上表面制备阴极(1)掩膜图形，制备阴极(1)沟槽，制备阴极(1)，去除掩膜材料；步骤十一、在步骤十得到的器件的上表面制备增透膜的掩膜图形，制备增透膜，得到透光层(8)，去除掩膜材料；步骤十二、在透光层(8)和隔离区(9)上表面制备电极引线的掩膜图形，制备电极引线，去除掩膜材料，完成封装，得到侧面接收光的硅增益光探测阵列器件。...

【技术特征摘要】
1.侧面接收光的硅增益光探测阵列器件的制作方法，其特征在于，该阵列器件包括从下至上依次设置的基底(11)、埋氧化层(10)和雪崩光电二极管阵列；所述雪崩光电二极管阵列包括多个探测单元、多个隔离区(9)和多个电极引线；多个探测单元按规则排布形成阵列，每个探测单元包括阴极(1)、非耗尽层(2)、雪崩层(3)、场控层(4)、吸收层(5)、衬底层(6)、阳极(7)和透光层(8)；阴极(1)、非耗尽层(2)、雪崩层(3)、场控层(4)、吸收层(5)、衬底层(6)和阳极(7)以阳极(7)为中心轴从外至内依次设置，透光层(8)覆盖在非耗尽层(2)、雪崩层(3)、场控层(4)、吸收层(5)、衬底层(6)和部分阴极(1)的上表面上；隔离区(9)设置在相邻的两个探测单元之间，将相邻的两个探测单元隔离；电极引线设置在探测单元及隔离区(9)的上表面上，电极引线连接多个探测单元之间的电极，连接方式为串联、并联、先串联后并联或先并联后串联，制作步骤如下：步骤一、选取衬底材料，对衬底材料进行清洁处理；步骤二、在清洁处理后的衬底材料的内部制作埋氧化层(10)，埋氧化层(10)将衬底材料分成厚度不同的两部分，位于上部的薄衬底材料用来制作雪崩光电二极管阵列，位于下部的厚衬底材料作为基底(11)；步骤三、在步骤二得到的器件的上表面制作隔离区(9)的掩膜图形，通过离子注入制备隔离区(9)，去除掩膜层；或在步骤二得到的器件的待制备隔离区(9)的位置处刻蚀沟槽，在沟槽内填充隔离区材料，得到隔离区(9)；步骤四、在步骤三得到的器件的上表面制备阳极(7)掩膜图形，制备阳极(7)沟槽，制备阳极(7)，去除阳极(7)掩膜材料；步骤五、在步骤四得到的器件的上表面制备衬底层(6)掩膜图形，制备衬底层(6)，去除衬底层(6)掩膜材料；步骤六、在步骤五得到的器件的上表面制备吸收层(5)掩膜图形，制备吸收层(5)，去除吸收层(5)掩膜材料；步骤七、在步骤六得到的器件的上表面制备场控层(4)掩膜图形，制备场控层(4)，去除场控层(4)掩膜材料；步骤八、在步骤七得到的器件的上表面制备雪崩层(3)掩膜图形，制备雪崩层(3)，去除雪崩层(3)掩膜材料；步骤九、在步骤八得到的器件的上表面制备非耗尽层(2)掩膜图形，制备非耗尽层(2)，去除掩膜材料；步骤十、在步骤九得到的器件的上表面制备阴极(1)掩膜图形，制备阴极(1)沟槽，制备阴极(1)，去除掩膜材料；步骤十一、在步骤十得到的器件的上表面制备增透膜的掩膜图形，制备增透膜，得到透光层(8)，去除掩膜材料；...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁静秋，陶金，王维彪，张军，高丹，吕金光，秦余欣，王浩冰，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22