[发明专利]苝四甲酸二酐有机层光电耦合器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子学与光电子学新型半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种苝四甲酸二酐有机层光耦合器，本发明还涉及苝四甲酸二酐有机层光耦合器的制作方法。

背景技术

光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC），又叫光电光耦器。它是光为媒介传输电信号的光—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。光耦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—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苝四甲酸二酐（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：苝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℃；当波长λ在0.5～1.0μm范围内变化时，其光吸收系数α₀变化范围是10²cm^-1～10⁴cm^-1。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垒特性。

发明人利用苝四甲酸二酐制得了电极芯片，该芯片获得实用新型专利，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150μm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150μm变更为50μm，同时每个芯片的四周边缘光刻出宽度由原来的50μm变更为 30μm，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～1100nm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，即表示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%的苝四甲酸二酐光耦合器。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种体积小、成本低、光电转换效率高的苝四甲酸二酐有机层光耦合器；本发明的第二目的是提供苝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，本发明采取的技术方案如下：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，受光器为苝四甲酸二酐光电探测器电极芯片。