[发明专利]一种可见光宽谱段高效率PIN光电二极管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种可见光宽谱段高效率PIN光电二极管及其制备方法。所述可见光宽谱段高效率PIN光电二极管包括芯片和集成在芯片上顶层硅内的的PIN光电二极管，单个所述PIN光电二极管包括衬底硅层、位于衬底硅层上的SiO₂层、位于SiO₂层上的顶层硅层、位于顶层硅层中的p型Si、i型Si和n型Si、位于i型Si中的空气孔阵列，以及位于p型Si和n型Si上的电极。本发明所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管能同时满足从蓝光到红光波段范围的响应及该波段内的高吸收率。

技术领域

本发明涉及光通信器件领域，更具体地，涉及一种可见光宽谱段高效率PIN光电二极管及其制备方法。

背景技术

可见光通信(visible light communication，VLC)具有绿色环保、安全性高、防干扰等优点，目前已经成为研究热点。由于硅的灵敏度光谱范围在380nm-1100nm之间，VLC系统的可见光探测器以硅基光电二极管为主。但是，市场上现有的可见光硅基探测器的灵敏波长在550nm或620nm，所以蓝色、青色、黄色和橙色等波段的光谱的量子效率很低。而硅对可见光的吸收系数不同，随着波长的增加吸收系数减小，所以各个波段的光的入射深度相差较大，其中蓝光的入射深度在0.2μm左右，而红光的入射深度在10μm左右。当设计光电二极管的厚度时，如果考虑红光的入射深度，那么就会影响蓝光的吸收率，反之，如果考虑蓝光的入射深度，那么红光的透射率就会增加，而吸收率就会下降。在同一光电二极管中很难同时满足从蓝光到红光波段的整体高吸收率。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种可见光宽谱段高效率PIN光电二极管，所述可见光宽谱段高效率PIN光电二极管在同一光电二极管中能同时满足从蓝光到红光波段范围的响应及该波段内的高吸收率。

本发明的另一目的在于提供所述可见光宽谱段高效率PIN光电二极管的制备方法。

本发明采取的技术方案是：

一种可见光宽谱段高效率PIN光电二极管，包括芯片和集成在芯片上的顶层硅内的PIN光电二极管，单个所述PIN光电二极管包括衬底硅层、位于衬底硅层上的SiO₂层、位于SiO₂层上的顶层硅层、位于顶层硅层中的p型Si、i型Si和n型Si、位于i型Si中的空气孔阵列，以及位于p型Si和n型Si上的电极。

可见光宽谱段高效PIN光电二极管由于PIN光电二极管位于芯片的顶层硅中，并且是横向设计，所以光电二极管的本征区完全暴露在空气中，当光入射后，可以直接照射在本征区表面。对于蓝光，蓝光的光子可以直接在本征区被吸收，从而提高蓝光的量子效率；但对于红光，由于芯片的顶层硅厚度较薄，红光的入射深度大，所以当红光入射到本征区后，会有大部分的红光透射出去，红光的量子效率会降低。本发明所述的可见光宽谱段高效率PIN光电二极管在本征层内设计了空气孔阵列，光电二极管表面的空气与本征层内的二维孔阵列和SiO₂薄膜的构成了类似于光纤的结构，使得红光光线在本征区内可以发生全反射，从而增加红光的吸收率。另外，由于空气孔阵列是均匀分布的，从而形成了布拉格光栅，使得光的反射率降低，更进一步的提高光的吸收率。本发明所述的可见光宽谱段高效PIN光电二极管在同一光电二极管中能同时满足从蓝光到红光波段的整体高吸收率。

优选地，所述空气孔阵列的周期P为400nm-500nm，填充率f(填充率为空气孔的面积占单个周期内硅面积百分比，f＝πd²/4p²，d为空气孔的直径)为40％-60％。

优选地，所述芯片为SOI晶圆芯片。

优选地，所述i型Si位于p型Si和n型Si之间。

优选地，所述p型Si宽度为0.1μm-100μm，长度与i型Si宽度一致。