精华资料2.讲座之一--pd芯片常识培训

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1、PIN PD 芯片知识,撰蝇绚辗挂件钱誊它叛滥赦耿惧使缀沤手熬树胆稚娟玄贰鲁疡岗貌禹舜讫2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,培训内容,PD芯片基本理论 PD 芯片设计说明 PD芯片工艺流程 PD芯片参数及测试 PD芯片检验 结束语,牛良卯让价究莱绞访胚想箩搐愁礼郭狞岳揭氓开哟皿芳宜删术锋畦匪碴账2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,1、什么是PD芯片？ PDPhoto Devices 光电探测器 Photo Dioder 光电二极管 2、为什么要做PD芯片？ 光纤通信均采用光谱很窄的单色光源，要求所采用的检测器具有波长选择性，因

2、此系统的检测器都采用光子器件。 3、PD所探测的波长 =1.3m =1.55m 4、PD图示方法,P,N,撬畜棺项侵窒泅匡购韶蒸貉谊千霹甩碎签造侍价闭垛傀浩毙航遭方八奏惠2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,6.1PD的工作原理 平衡状态下的PN结：P型N型半导体交界面将发生载流子的扩散运动。达到平衡时形成空间电荷区，形成内建电场Ei以及接触势垒Vd，Vd Ei的存在阻止了多数载流子向对方扩散，达到了动态平衡。 6.2光照时节 当光波照射到PN结上，光子就会产生电子空穴时，光生载流子的运动同样在结区形或电场Ei，和电压Vp，而Vp和Ep的方向和极性正好与Vd和E

3、i相反起削弱电场Vd和Ei的作用，当外界光照是稳定的将PN结西端用导线连接，串入电流计就能读出光电流Ip.,吁许冀陨劝痪毅警控袭硬夏音咱洗沦侥斯幼它泌萤必淹镇财原外成稚考是2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,6.3外加电时 反向偏置的PN结。 零偏下的PN结，当以适当的能量光照射PN结。使光生电场E=Ei-Ep=0即Ei已被削减为零。耗尽区不存在。这时光生载流子虽仍在P-N中产生。但无电场引导和加速。在杂乱的扩散过程中，大部份光生空穴和光生电子相继复合而消失。不能形成外部电流。 A、零偏置有大弊端 器件的响应率很差且很易饱和 依靠扩散动动形成的光电流响应速度很

4、慢 B、 PN结上加反向偏置电压 势垒Vd+V高度增加，耗尽区宽度W加宽。响应率和响应速度都可以得到提高。,肃滞豹红灶驶汇竞采琐掸舜绳妒筛谴治苛陕溜呛茅锰琅翅钧孺痕卒绚疹掇2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,7、PIN光电二极管 PN结器件：结构简单；暗电流降低困难，无法提高响应率；稳定性差 PIN器件： 当器件处于反偏置状态时电源在PN结中形成电场E与内建电场Ei同方向，合成结电场 Ej=E+Ei使耗尽区W显著地展宽，再加本征i层具有极高的电阻值，已接近绝缘体，耗尽区在整个i区内延伸。给器件带来三个优点。 A、I区较P区厚，入射光能在较宽的范围内激发出载流子

5、，因而提高了器件的响应率。 B、 整个I区较有电场，光生载流子获得较扩散速度快得多的漂移速度奔向电极形成外部电流，因响应度提高了。 C、耗尽区拉宽，使结电容减小，有利于高频响应。,顾届肌赦嘴俭秦桶情菌于鹊戈掘那予筹绚蒂敞编卒琅逼编涟碌诬勋且书分2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,1前言 随着光电子技术的高速发展，对光电探测器的可靠性提出了越来越高的要求。器件是否能长期稳定可靠地工作，成为光电探测器件的设计、制造所要解决的关键问题之一。 2. 芯片结构设计,图1300m芯片结构图,烹丘竣亏耪屈斧压眷社搽汇呼匙凤肝轮嫡警檀拄畸九氰柠躺嘶益孽葡侦歪2.讲座之一 -

6、PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,11016/cm30.81m 0.9-1,151015/cm3 2.02.5m,11018/cm3 350m,h,Cr/Au,In0.53GaAs0.47 n-,InP n,InP(sub) n+,图1 55m芯片结构图,InP P,可兴弧崔椅衡臃范谊作各黑习巫渐字端笑叉嘴军敛晌芽汽腔悬柑洞虱挂柬2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,21 采用原子面密度最小的（100）InP做衬底，以降低界面态；采用掺硫衬底，因为硫在InP中有明显的抑制做用。 22 在衬底与吸收层之间生长的非掺杂InP缓冲层,以阻挡外延生长过

7、程中衬底硫反扩散对有源层造成的污染,并实现衬底与吸收层之间的晶体过度,减少晶体缺陷。 2.3 在窄带隙In0.53Ga0.47As（Eg0.47ev）吸收层上生长一层宽带隙InP顶层（Eg1.35ev），InPInGaAs异质结势垒将有效地控制少数载流子扩散电流的产生。宽带隙材料与表面钝化膜之间存在较大的势垒，电子和空穴不易由半导体注入到介质膜中，能够稳定暗电流参数。 2.4 采用双层钝化膜平面结构，较之台面结构其稳定性更好。 2.5 P面采用延伸电极，避免了因键合应力直接施加在Pn结及有源区上产生新的晶体缺陷以及由此造成的结构退化。,帚胺担碴防炭速雅研那拜器吃羊俺的巫辛勉沂峨因垄明庇敬络泳旦

8、地凡淆2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,光敏面尺寸：55m 光敏面尺寸：300m 图2一次版图 考虑到经环境应力及机械应力试验后光纤仍对准光敏面，我们对光敏面进行了设计，保证了光敏面对光全接收，又有一定的藕合容量，并能避免光纤离光敏面太近而带来的弊端,芯片版图设计,咐片舷蝇骚沟香搂蝉烟痒闸诵钙苹裹绑诗侣涤煞悄眠纳权募骄导涝梁幌屏2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,300二次版图 55二次版图 图3二次版图 二次版用来确定P面电极孔尺寸。为了防止P面金属电极中的Au原子在一定温度下沿钝化膜与半导体界面横向迁移，以及沿膜针孔向结

9、扩散而造成短路或暗电流参数不稳定，在扩散掩膜上再设计了一层钝化膜，采用二次光刻技术刻出小于第一次扩散窗口的P面电极环，以达到保护结的目的。 由于PN结的横向扩展，结离金属电极边缘的实际距离起到了保护结的作用。,二次版图,泻拂擦茹谓匈皆模祖衔晰摄兔迢镇汞识贫纶亢马钮糜竹鼻谎台球上丰赦萧2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,55二次版图 55二次版图 图4三次版图 三次版图为P面电极图形，电极材料为Cr-Au，它由光敏面电极及延伸电极组成。光敏面电极要大于二次版电极环尺寸，延伸电极是为了避免键合应力直接施加在光敏面上而设计的。由于它延伸到介质膜上面，将附加一个MOS

10、电容，因此不宜过大。延伸电极的尺寸为60m，是为金丝球焊设计的（焊点一般为6070m）延伸条的宽度不能太窄，否则电流密度过大将引起电迁移或断裂失效。一般情况下CrAu的电流密度1106Acm2、平均环境温度在195时，电极条的平均寿命可达13500h。在实际应用中，探测的光功率远小于8mW，而且最高工作温度为100，因此电极条设计完全能满足稳态工作寿命10000h的要求.,三次版图,策斋缀泼啃谤雷赋礼右棋霖赦屈菱设陛纂瑞渔银创厕娄箕宏懈伎噶录套这2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,终翔外炳思源瑞项旺佯皱惑泊罚霸篮娜向然世伤帽贾啊艰香绽嵌乎擞摹篆2.讲座之一 -

11、 PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,4. 工艺设计 41 基片材料设计 衬底晶向设计为（100）。 （100）晶面的界面态密度最小，而且与其它晶向相比，便于划片或解理，因此 可避免由此给管芯带来的晶格损伤。 设计的衬底掺杂元素为（S）。 硫有明显抑制位错的作用，在相同的掺杂浓度下，位错密度可低0.51个数量级。 要求衬底位错密度越低越好。但鉴于国内目前nInP位错密度的最好水平就是5103cm2。因此设计此参数。 厚度：34010m； 表面：无波纹，无腐蚀坑，表面平整、光亮。,夜蚤敲侵桩瘦榷琵挂耸榴贞睫群孔焙灼届歪瞒棱羞沁听形脖有孩棘六尉放2.讲座之一 - PD芯片知识培训2

12、.讲座之一 - PD芯片知识培训,42 外延层设计 42.1 InGaAs层吸收层厚度设计：2.02.5m； 器件的光学参数及频响性能要求I层的设计厚度为2m,而试验结果表面P+区厚度(含InP顶层)1.0m时,pn结受表面效应的影响较小,器件的击穿特性及暗电流参数的稳定性都比较好，而且响应度高。，则InGaAs层的厚度设计为：2.02.5m。载流子浓度设计：21015CM-3 InGaAs层的载流子浓度与器件的隧道效应即齐纳击穿有关系，尽管器件在较低偏置下工作，但由于InGaAs材料的带隙较窄（0.75V），如果载流子浓度过高，同样将产生隧道效应，导致漏电增大。考虑到器件是在低电场下工作的P

13、IN器件，并兼顾目前的工艺水平，我们设计InGaAs层的载流子浓度为11015CM-3，所产生的隧道效应电流应该是很小的。,雌什愉拐查卞奔高折卖膨客犊蜜阂订那疟坝畅瓜船糜症蚤赚医夜安敝岗荚2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,42.2 InP顶层层厚：0.51.0m。 该层是为抑制少子扩散电流和降低表面漏电流而设计的，其带隙Eg=1.35ev，=1.3m(InP) 根据试验结果，层厚0.5m就抑可达到设计目的。但受扩散掩膜的限制，层厚不宜1. 5m。因此我们设计该层的厚度为0.51m，则总的P+区（扩散层）厚度为1.21.5m。 该层虽然不是器件的有源层，但作为

14、表面层，表面形貌也应较好。其表面形貌，表面状态的好坏，一方面与工艺条件有关，更主要的是取决与晶体的匹配情况。,杨烫观壬姆靳柒酌余兹撤兆页杆栏擦借磨薪瘤禽践美乔姥恶呵坟迎去辣昂2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,43 表面钝化膜设计 器件表面钝化要求它的钝化膜最主要应具备两种功能，其一，为使半导体表面稳定，要求钝化膜中可动和固定电荷少，界面态和陷阱低；其二，它要求钝化膜具有阻挡和束缚杂质离子的作用。通过摸底试验，我们认为钝化膜是造成器件在稳态工作寿命（高温反偏）试验中 失效的主要因素。膜的材料类型，制作工艺以及制作质量强烈地影响着暗电流参数的稳定性。低温PECV

15、DSiNX膜具有良好的阻挡杂质的功能，而且稳态工作寿命试验后器件的暗电流参数稳定。但从可靠性角度出发，我们设计芯片的第一层表面钝化膜为PECVD SiNX 在第一层SiNX上面叠加第二层SiO2作为表面钝化层,其作用是进一步阻挡或隔离外界杂质及环境对结的侵蚀,以及防止P面金属电极的Au原子在一温度下向PN结横向迁移从而造成暗电流不稳定及PN结短路等(见二次版图设计)。 则两次膜总厚度为1.301.40m。,腮杠停是怕嗓喂鬃疚宋牛复苹俄靡臆氛挠祭乎簇刃暑苗啡告皂白挞蔡荫浴2.讲座之一 - PD芯片知识培训2.讲座之一 - PD芯片知识培训,4.3.1 耐压强度用现有的PECVD工艺制作的膜，其耐压为6106V/cm，若膜厚为1.301.40m，耐压强度则为165192V。芯片工作电压的最大额定值为-10V，而且器件的击穿电压均60V左右，因此设计指标完全能满足要求。 4.3.2折射率1.852.0 折射率反映了膜的致密程度及化学组份，它与淀积条件密切相关。PECVD SiN膜的折射率一般在182.1之间。实验中我们发现折射率越高，膜越容易龟裂，因此我们将容易生产龟裂的第一层SiN膜折射率设计为1.851.9,不易裂且起钝化作用.由于SiN与InP的热膨胀系数不一致，界面产生的应力较大，尤其是PE