南京理工大学
光电子与微电子综合实验
实验报告
姓名：学号：
学院：电子工程与光电技术学院
专业：电子科学与技术
指导老师：高频
实验日期： 12月26—12月31
2011年12月
试验一光电器件设计
1.实验目的
掌握半导体光电器件的原理，了解光电二极管特性，学会光电二极管的设计方法。
2.实验内容
①光电二极管结构及外形设计；
②光电二极管技术参数设计；
③光电二极管管芯设计；
④光电二极管材料性能设计；
⑤光电二极管工艺流程设计；
⑥光电二极管工艺参数设计；
⑦光电二极管测试方法；
⑧光刻掩膜板设计；
3.实验原理
3.1光电二极管工作原理
在热平衡状态下，未受光照时，P-N结中的P区和N区的费米能级是相同的。
图1.1示意出了热平衡状态下无光照时的P-N结能带。图中Ln，Lp分别为电子和空穴的扩散长度，Eg为禁带宽度，L为耗尽区长度。如果在热平衡状态下于P-N结上加一方向电压，则P-N结的耗尽区将被拉宽，并同时在电路中产生一个反向漏电流。P-N结的反向漏电流，主要是由结中少数载流子的扩散运动形成的，在一般条件下，P-N结中少数载流子极少，因而反向漏电流很小。
P-N结在受到能量大于禁带宽度Eg的光照射时，其价带中的电子在吸收光能后将跃迁到而导带而成为传导电子；与此同时在价带中将留下自由空穴。这些由光照产生的自由电子和自由空穴统称为光生载流子。
在受光照的光电二极管上加有反向电压，则管芯中多余的载流子所建立的电场反向，将与外加电压所建立的电场相同。在内外两个电场的共同作用下，光生载流子参与导电，从而形成电流。通常，把光照下流过光电二极管的反向电流称
为管子的光电流，流过不受光照的P-N结的反向漏电电流称为暗电流。既然光电二极管光电流是光生载流子参与导电形成的，而光生载流子的数目直接取决于光照强度，因此，光电流必定随着他、入射光的强度变化而变化。这就表明，加油反向电压的光电二极管能够把光信号变成电流信号。
图1.1
3.1光电二极管主要特性和参数
光电二极管的主要参数和特性包括：电压—电流特性、只想特性、光谱响应特性、最高工作电压、光电流、暗电流和响应时间等。
①电压—电流特性
光电二极管的电压—电流特性如图1.2所示。无光照时光电二极管的电压—电流曲线特性和一般的二极管一样。当反向电压的绝对值由零增大时，一开始反向电流略有增加，但随后即达到饱和；而后，若继续增大反向电压的绝对值，则增大到某一直后，反向电流突然急剧增大，P-N结反向击穿，这可能会导致管子损坏。向管子施加正向电压时，正向电流将几乎随电压升高而按指数规律上升。
在受到光照后，光电二极管的电压—电流特性曲线将沿着电流轴向平移，平移的幅度与光照的变化成正比。因此，有光照时，随光强变化，光电二极管的电压—电流特性曲线讲过三个象限。如图1.2所示
图1.2
②反向工作电压
U
r
光电二极管是在方向电压下工作的。在无光照条件下，光电二极管中反向电流不超过一定值（一般 0.2 0.3）时，所承受的最高反向电压，一般不大于10V，高者可达到50V。
③电流
I
D
光电二极管在无光照时，在最高工作电压下，在P-N结测得反向漏电流。通
μ。暗电流决定了低照度的测量界限，常在50V反压下，暗电流不大于0.1~0.2A
并随着温度与反向偏压的大小变化，并且变化幅度大。暗电流小的管子，其工作性能稳定。
I
④光电流
L
光电流指的是管子在最高工作电压下，一定光照下，流过光电二极管的电流。测试时光源采用2850K色温的钨丝灯为光源，在1000
L照度下，一般希望I值
x
越大越好。
⑤光谱响应特性
硅光电二极管的光谱范围为400-1580nm，其峰值波长λ为800-900nm；锗光电二极管的光谱范围为600-1800nm，其峰值波长λ为1550-1580nm。当入射光的波长偏离峰值波长时，其接受灵敏度会下降。
⑥光电二极管入射光角分布
硅光电二极管有多种封装形式。常见的有金属外壳加入射窗封装，入射窗口
又分为透镜型和平面型等。透镜型有聚光作用，有利于提高探测灵敏度，还能减
小杂散光的干扰，缺点是探测灵敏度会随着反向而变化。平面镜型对入射光反向要求不严格，但是受背景杂散光的干扰。
⑦ 光电响应度S d
光电响应度是指在给定波长的入射光下，输入单位光功率P 时，光电二极管输出的信号强度。一般以每微瓦入射光能量所产生的光电流I 表示，又称为光电灵敏度。光电响应度是衡量光电二极管对光敏感程度的一个重要指标。
⑧ 测响应时间v r t t 、
响应时间是指光电二极管在一定的反向偏压和一定负载阻值的条件下，在输入矩形光脉冲时，光电二极管将光信号转化为电信号的响应时间，包括开通延迟时间v t ，脉冲上升时间和脉冲下降时间r t 。
⑨ 结电容j C
结电容是指在无光照并在规定的偏向电压下，测得的光电二极管P-N 结电容值。
4. 实验步骤
4.1光电二极管结构及外形设计
P-N 结光电二极管与普通半导体二极管一样，都具有一个P-N 结，引出两根电极引线，并且都是非线性器件，具有单向导电性能。但是，由于光电二极管是光敏器件，因此，在外形和结构方面有自己的特点。首先，在外形方面，光电二极管的管壳上一定有一个能透过入射光的窗口，以使光线通过窗口而照射在管芯上，窗口上还镶嵌着玻璃透镜，如图1.3所示；其次，在管芯方面，光电二极管的P-N 结面积做的很大，电极则做的很小，这样可以增大受光面积；再者，P-N 结的结深做的较浅，以提高光电转换效率。为保证管子性能的稳定，管芯表面生长着一层二氧化硅保护层。本次实验设计时参考2CU2型外形。
图1.3 光电二极管的外形及结构
4.2技术参数设计
常用光电二极管型号有2DU型、2CU型。他们的基体分别为P型硅和N型硅，主要用于红外光，可见光的光电转换和光电接受及控制等。
4.3光电二极管管芯设计
入射光子流密度不变时，光电二极管的光电流与光敏面成正比。只要响应时间准许，发射面积是有利的。但随着发射面积增加，暗电流也很快上升，大面积的光电管对微弱光的探测未必有利，光电二极管入射光窗通常是玻璃凸镜，聚焦到管芯上的光斑有一定的大小，光敏面不应大于光斑，本实验中设计的外径为
5mm的光电二极管，光斑直径不大于2mm，二极管的光敏面也应以此为限。此外为避免内电极引线遮住入射光，发射区的引线焊点设计在光敏面的边沿位置。图
1.4是本次实验设计的光电二极管管芯示意图。
图1.4 光电二极管管芯图
4.4光电二极管材料性能参数设计
根据光电二极管的性能和实验室的工艺条件，选用N型单晶硅作为衬底材料。
4.5工艺流程设计
根据光电二极管的结构可以画出工艺流程图
图1.5工艺流程图
4.6工艺参数设计
①二氧化硅膜厚度的选取
二氧化硅作为掩蔽膜，其厚度有一定的要求。当杂质原子在硅中扩散的同时，也在二氧化硅中扩散。只有在二氧化硅中的扩散系数小于在硅中的扩散系数的情况下，二氧化硅才能起到掩蔽的作用，因此，对扩散杂质起掩蔽作用所需的最小二氧化硅的厚度为
min X =当氧化温度在1180℃时，D=17410-?。 ②P-N 结深的选取
入射光所产生的光生载流子中只有能扩散进耗尽区的那部分才能有助去增大光电流；如果光生载流子离耗尽区太远，则有可能在扩散途中被符合掉，从而不会使光电流增加，这样便降低了入射光的量子效率。因此，为了提高入射光的量子效率，应使P-N 结尽量靠近硅片表面，P-N 结做的较浅，一般小于1μm 。 ③方块电阻的选取
发射区硼的掺杂浓度对光敏二极管的光电特性影响很大。高浓度能够得到较好的单结特性和较小的暗电流，但是俄歇复合的激增导致光电子的寿命迅速下降。能带变窄使靠近表面附近实际的多数载流子浓度比杂质浓度低很多，因而出现一个负漂移场，将发射区光生的电子扫向表面复合。高杂质浓度也使表面复合速度增加。根据硅中N 型余误差函数分布扩散层N-σ关系曲线选取R=100Ω/ 。 4.7测试方法设计
①干涉显微法测试2SiO 薄膜厚度
利用测定氧化台阶上的干涉条纹的弯曲量与间隔之比来测量2SiO 薄膜的厚度。氧化层台阶的制备方法如下：取一边和正片一起氧化的陪片，在它的表面三分之二的地方涂上石蜡，让后放入氢氟酸中将未被石蜡保护的2SiO 腐蚀掉。用水冲洗再用滤纸吸干后放入热的无水乙醇中去蜡。这样就在2SiO 表面出现一个台阶，把它放在6JA 干涉显微镜下观察，在台阶的表面可以看到弯曲的干涉条纹，测量中间两条黑条纹的弯曲量与间隔之比，就可以算出2SiO 的厚度，表达式为
()3421
0.27m N N h n N N -=?
-μ
34N N -————干涉条纹的弯曲量
21N N -————干涉条纹的间隔量 n ————白光时n 等于1
④四探针法测量方块电阻
扩散薄层电阻是反应扩散层质量是否符合设计要求的重要指标之一。目前在试验中，测量R 广泛使用四探针法。本次试验使用SDY —5型双电测四探针测试仪并配有试验数据处理器，步骤如下：
（1） 开启数据处理器电源，显示H —710—F 通过主机面板上的5K 和7K 键，是
电流换向指示灯熄灭和n V 指示灯亮； （2） 从键盘置入的“量程”和“电流”值；
（3） 从键盘置入打印格式，根据需要选择第一种或第二种格式；
（4） 从键盘置入厚度，测量R 师为1，完后按“测量”键进入待测量状态，再
按一次“测量”键开始测量。
验数据：
A ． 方块电阻测量如表1所示：
表1
平均值R □=172.5529Ω/□
B ．测量电阻率ρ时，只需按照上面的测试步骤将第（5）步的厚度改为Si 片的实际厚度即可。利用SDY-5型双电测四探针测试仪测出电阻率如表2所示：
表2
实验时用螺旋测位仪测出Si片的厚度为t=0.345mm。
平均值ρ=5.9207（Ω·㎝）。
③阳极氧化法测试P-N结深
在试验中，控制扩散工艺条件的目的在于控制扩散杂质的分布。而表面杂质浓度则是通过对扩散层的薄层电阻的测量和扩散的结深推算出来。因此扩散结深，薄层电阻和表面浓度是评价扩散层质量的三个重要指标。
扩散法形成的P-N结深一般为微米量级，因此从硅片的侧面直接测量师困难的，可以采用电解水氧化显微法。它是磨角、阳极氧化、显微测量等多种实验方法的综合。
4.8光刻掩膜版设计
在光电二极管制作过程中，需要进行多次光刻，即在
SiO层上开出各种选择
2
扩散窗口要和引线孔，或在金属蒸发层上刻蚀出电极布线图形。每次光刻都需要一块具有特定几何形状的光刻掩膜版（俗称光刻版）。由于光刻版的质量好坏直接决定光刻质量的优劣，从而影响晶体管或集成电路性能和成品率。因此在，硅品面器件的生产中，制版工艺是关键的工艺之一。
实验仪器设备：
实验二光电器件工艺制作
1．实验目的
根据光电二极管工艺制作流程,用集成电路工艺制作光电二极管,了解微电子技术工艺,掌握集成电路工艺中常用的设备和仪器。
2．实验内容
①清洗工艺
②一次氧化工艺
③制版工艺
④一次光刻工艺
⑤固态氮化硼扩散工艺
⑥二次氧化工艺
⑦二次光刻工艺
⑧镀铝膜
⑨光刻铝膜
⑩合金化
?镀背电极
?焊接引线
3．实验原理
目前集成电路的产品都是硅平面工艺制作的,二极管、三极管和半导体集成电路内部的管芯结构虽然互不相同,但都是由不同类型半导体材料间的一个或多个PN结结构组成的。在制造晶体管和集成电路时,核心问题是如何按设计要求,在半导体材料内部的不同区域形成要求的一个或多个PN结构。在实验中,无论采用那一类工艺,实现这一目标的基本原理都是在某种导电类型的半导体材料内部,采用“掺杂”的方法,通过补偿的过程,改变其中部分区域的导电类型,形成一个PN结构这种“掺杂”补偿作用可以进行多次,以形成最终的晶体管和集成电路结构。光电二管结构由一个PN结组成,它的制作过程可以通过下面流程图看出来。如图2.1所示
图2.1硅平面工艺流程图
4．实验步骤：
4.1清洗工艺
（1）把切割好的直径为50mm的硅片放在丙酮中浸泡几分钟，用脱脂棉沾着丙酮轻轻擦拭硅片（不要划破表面），然后放在无水乙醇中清洗；
（2）用Ⅰ号液(NHOH:H
2O
2
;H
2
O=1:2:5)煮至沸腾倒掉残液,然后用去离子水冲
洗；
（3）用Ⅱ号液(HCL:H
2O
2
:H
2
O=1:2:5)煮至沸腾3—4分钟,倒掉残液,用去离
子水冲洗。
清洗完成之后的硅片放在无水乙醇中送至氧化扩散室进行一次氧化。
4.2一次氧化工艺
光电二极管的一次氧化的氧化层,主要是掩蔽扩散时的硼杂质,根据设计的最小厚度其氧化条件为:
具体操作步骤如下:
①当炉温和水浴温度达到后,先通入干氧排除石英管内的空气(排气时间
为20—30分钟),并保持炉温稳定；
②将硅片放置炉口预热10分钟,然后将石英舟慢慢地推入炉内,通干氧；
③再进行湿氧；
④最后通干氧,时间到后将石英舟慢慢地拉至炉口,轻轻地把硅片夹入培养
膜厚,正片准备进入光刻工皿中,观察一下氧化层表面质量情况,留下倍片测SiO
2
序进行光刻。将工艺数据填入下表：
4.3 制版工艺
在进行光刻之前需要先制作光刻掩膜。光刻掩膜的制作一般的讲，要经过原图绘制、刻图、初缩等步骤。在制作光电二极管的过程中，光刻工艺对于光刻版的质量要求归纳起来有如下几点：
1.图形的尺寸要准确。图形的大小和图形的间距必须符合设计要求，图形不发生畸变。
2.整套光刻版中的各块版应能一一套准，套准的误差要尽量小。各块版之间的套合精度要求随着器件性能和图形的大小的不同有所不同，对于实验要做的光电二极管要求的套合精度为几个微米。
3.版子的黑白区反差要高。黑区要充分的黑，应能很好的阻挡紫外光的通过；而白区应无灰雾，应该很好的透过紫外光线或对光的吸收极小。一般要求反差在2.5以上。
4.图形边缘要光滑陡直，无毛刺，过渡区要小。
5.版面要光洁，没有较大的针孔（即黑区没有1微米以上的白点）、小岛（即白区没有1微米以上的黑点或污点）和划痕等缺陷。
6.版子要坚固耐用，不易变形。由于光刻版在光刻时要和硅片接触并发生摩擦，极易损坏，如果光刻版不坚固耐磨，则寿命很短，不经济。
①绘制总图
由于实验使用的是直径为50mm的硅片，而实验要制作的光电二极管的发射mm，考虑到在一片硅片上制造最多的光电二极管并且要留有加工余区为5*52
量，在设计时每两个发射区间隔1mm，这样在一个硅片上最多可以画出40个光电二极管的发射区也就是可以制造40个光电二极管。为了便于绘图并且考虑到纸张的大小，把器件放大十倍来绘制，绘制完成的发射区、引线孔、铝电极的图如下图2.2、图2.3、图2.4所示：
图2.2发射区
图2.3引线孔
图2.4铝电极
②刻图
把绘制好的总图固定在刻图桌上,在将喷有红色的塑料透明膜压在上面,拉平固定。然后用手术刀描刻图形轮廓,并用手工剥去透明区内的塑料薄膜。考虑到以后的步骤还有光刻时使用的是负性胶，所以对于不同区域的进行光刻所用的光刻掩膜版各有不同，对应发射区、引线孔、铝电极所用的光刻掩膜板分别如下图2.5、2.6、2.7所示
图2.5发射区
图2.6引线孔
图2.7铝电极
③初缩
打开照相机的背光源，调节原图平面和光轴垂直，然后再对焦。对焦的目的是使象平面与感光底板的药膜面完全重合。对焦的具体做法是在感光底版平面上放一块有图形的光刻版（药膜面朝向镜头），用显微镜观察光刻版上的图像，调节显微镜的焦距到最佳位置（此时从显微镜可以看到光刻版上的清晰的毛玻璃面）并固定下来。然后再用次显微镜观察所要拍摄的物象，调节照相镜头的焦距，知道所要拍照的物象与对焦所用的光刻版上的图像同样清晰为止。拍照是除了要把图像对清晰外，还要把图像的缩小倍率对准。由于使用时不容易测准照相系统的物距，所以一般是先粗略地估计物距，
然后通过对线条影像尺寸的精确测量来
调整物距，进一步纠正缩小倍率的偏差，直到缩小倍率为10为止。
对光调准后，即可把感光底版装在底版架上。根据光源强度、光圈大小、缩小倍率以及感光版的感光速度等因素综合考虑，选定合适的曝光时间，然后开启快门进行试拍检查（曝光、显影、定影），根据试拍的效果确定一组合适的曝光。显影、定影时间，即可进行正式拍照。在本次试验中，由于仪器比较古老，曝光时间不得大于60s，以免损坏仪器。
曝光之后的感光底版经过显影、定影、冲洗、烘干之后就可得到初缩版，根据试拍的效果，调节拍照时的参数，直到得到符合要求的底版为止。
下面详细说明显影和定影过程。
（1）显影
曝光之后的感光底版，必须经过显影才能显现出图形影像。显影就是使乳胶层中感光部分的溴化银与显影液中的还原剂发生还原反应析出银原子，银原子聚集在感光部分的潜影上形成影像的黑色区域。而乳胶层中的未感光部分的溴化银没有被还原，因此没有银原子析出，这部分溴化银可以被后面的定影液清除而成为透明部分，从而在乳胶层上得到黑白分明的图形影像。实验所用的显影液为D-8显影液配方如下：
在实验时，使用配置好的显影液在20℃下进行显影操作，选择显影时间为30s，可以得到合适的图像。
（2）定影
把显影得到的清晰的图形影像固定下来的工艺成为定影。显影后的感光底版，除了感光部分的溴化银被显影液还原成银原子而程黑色图形外，乳胶层内还有相当多的未感光溴化银残留着，如果这些残留的溴化银没有被清除，则当感光底版遇光时它们仍会感光分解，使原来清晰的形影像变得模糊。为了使显影后的感光底板上的清晰影像不至于变坏，并能长期保存下来，就必须在显影之后，用定影液进行定影，把残留在乳胶层的溴化银清除掉。实验时用的定影液为F-5定影液，配方如下：
注意无论在配置显影液或者是定影液时试剂加入的顺序都不能颠倒，否则会
使配置的药剂失效，配置完成后，装到干净的无水乙醇的瓶子中，放到无光的地方保存。在实验时，直接使用配置的定影剂，定影80s，即可。
定影后先用水充分冲洗干净，用无水乙醇脱水后，使用吹风机吹干即可。下
面图2.8是实际得到的全部处理好的一片感光底版
图2.8
上图中的破损是由于夹持感光底版时镊子损坏所致，图中的黑色不够黑是由于曝光时间不足所致，但是由于仪器原因无法再加大曝光时间，如果再增大显影时间可以使黑色更黑，但是会导致底版发黄，上图是折中的选择。做好的感光底版可以送至光刻室，用于光刻。
制版时的一些工艺数据如下表所示：
4.4一次光刻工艺
将光刻版的图形精确地复印在涂有感光胶的SiO
层上,然后利用光刻胶的保
2
层上得到与光刻版相应的图护作用,对SiO进行选择性的化学腐蚀,从而在SiO
2
形。
具体操作步骤如下:
①涂胶
从高温炉中取出的片子,装在干净的培养皿中,立即送光刻工序涂胶。涂胶在均胶台上进行，根据设计要求选用负性胶。
②前烘
把装有硅片的培养皿放在干净的铝盒中,然后用红外灯照射15分钟左右, (红外灯的调压器调40～50V)。
③曝光
将涂好光刻胶的硅片表面覆盖掩膜版,用汞灯紫外光进行照射,使受光部分的光刻胶发生化学反应,经显影,在胶膜上显现出与掩膜版相应的图形。曝光时间要根据光源强弱,距离远近和光刻胶的性能来确定。
④显影
显影的目的是将未感光部分的光刻胶熔除,留下感光部分的胶膜,从而显现出我们需要的图形。对与聚乙醇肉桂酸酯光刻胶,一般都采用容解能力较强的丁酮作为显影液。
显影过程如下:
将曝光后的硅片依次放在两杯丁酮中显影,再依次放在丙酮和去离子水中漂洗。显影和漂洗的时间要根据光刻胶的性质和胶膜厚度来确定。
⑤坚膜
由于显影时胶膜发生软化膨胀,所以显影后必须进行坚固胶膜的工作。将显影后的硅片放在铝盒中,红外灯的调压器调到120V,然后用红外灯照射。时间在30分钟左右。
⑥腐蚀
O==1:3:6的溶液将无光刻胶膜覆盖的氧化层腐蚀掉。腐蚀温度用HF:NHF:H
2
在30～40℃，腐蚀速率可以先用陪片测试一下。
⑦去胶
用浓硫酸去胶。把插好硅片的石英花蓝放在石英杯中(石英杯一定要干燥),倒入浓硫酸，将石英杯放在电炉上把浓硫酸煮至沸腾2～3分钟,关掉电炉,等硫酸自然冷却后拿出花蓝用去离子水冲洗硅片,冲洗几次后放在培养皿中,用无水乙醇脱水烘干后送扩散工序。在腐蚀和去胶时，自始至终都要将通风设备开着，并做好防护措施。实验时记录工艺数据并填入下表。
4.5 固态氮化硼扩散工艺
扩散工艺的主要目的在于形成PN结,从光电二极管工艺流程图可以看出，通过硼杂质的扩散在N型衬底上形成了P型层，从而形成了PN结的管芯结构。
扩散工艺条件填入下表
具体操作步骤如下:
①固态氮化硼源的制备
固态氮化硼扩散采用粉末状氮化硼作源,粉末状氮化硼烧结在石英圆片上的工艺条件及操作如下:
炉温: 1050℃; 氧气流量: 500毫升/分。烧源时先把粉末状氮化硼均匀地平铺在清洁的石英圆片上,平放在石英舟内进炉烧结20～30分钟(烧至透明即可),然后反过来再烧石英圆片另一面,使其两面都烧结有氮化硼源。最后把烧好的石英片插在扩散舟上,再将其推入恒温区烧制，30分钟后,拉至炉口冷却。
②化硼的活化
在扩散以前必须进行一次氮化硼的活化处理。其做法是在扩散温度下(960℃)通氧气30分钟,使表层氮化硼与氧反应生成三氧化二硼,其反映式如：
4BN+3O
3==△==2B
2
O
2
+N
2
↑
扩散时B
2O
3
与Si片表面发生如下反映:
2B
2
O
2
+3Si====3Si0
2
+4B
淀积在Si片表面的硼原子(B)向硅片内部扩散。
③硼扩散
把扩散舟放入操作箱内装片,硅片插在两片氮化硼中间,硅片要放正,使其与前后氮化硼片保持等距离。装片后把扩散舟放在炉口预热5分钟,然后推入恒温区进行预沉积，扩散时间根据PN结厚度和R
□
大小下来确定。时间到后将舟慢慢拉至炉口冷却10分钟,留下陪片测试方块电阻。其它进行二次氧化。用四探针测
试R
□
。