CN102201483B - 硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器，包括：一硅衬底；一氧化硅层，该氧化硅层制作在硅衬底上；一工形台面结构，该工形台面结构制作在氧化硅层上，该工形台面结构的两端为P型电极和N型电极，该P型电极和N型电极之间连接有硅纳米线光栅共振腔结构；一保护层，该保护层制作在工形台面结构的表面和侧面，在工形台面结构的两端的P型电极和N型电极上开有电极窗口；一金属栅电极，该金属栅电极制作在硅纳米线共振腔结构的保护层上，并靠近N型电极的一侧；两光电流输出金属电极，该光电流输出金属电极制作在工形台面结构的P型电极和N型电极上保护层的电极窗口内。
Description
技术领域
本发明涉及纳米结构光电探测器领域，尤其涉及一种硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器及其制作方法。
背景技术
硅不仅是一种电子材料，还是一种光子材料。非常成熟的微电子加工工艺已经为硅光子学提供了坚实的技术支持，大大加速了硅光子学的形成和发展。在过去的数十年中，硅加工能力早已经进入小于光波波长的亚微米范围，并正向纳米尺度范围发展。硅纳米光子学正在并已经成为当今最为激动人心的崭新的前沿领域。硅纳米光子学在比波长还要短的纳米范围内处理光与物质的相互作用，创造了足以令人振奋的机会并使新技术的发展成为可能。
硅纳米线由于具有纳米横向尺寸和较大的比表面积，俘获载流子的大量表面态相当于栅压功能，因此硅纳米线电导对外界光电环境变化具有较高的敏感度，可用做探测器。日本NTT实验室平本俊朗教授研究组早在2002年就利用硅纳米线晶体管对光生载流子通过顶栅和被栅进行栅压分离，实现了单电荷探测，并对光生载流子复合寿命进行了一系列的研究(参见A.Fujiwara et al.，Jpn.J.Appl.Phys.41，1209-1213，2002)。美国哈佛大学化学系的Lieber研究组2006年报道了采用单晶掺杂生长方法制作的轴向pin结构硅纳米线雪崩探测器，在击穿电压附近获得了很高的雪崩倍增因子，其中电子达到了100，空穴达到了20，远高于体材料硅雪崩探测器(参见C.Yang et al.，Nano Lett.6，2929-2934，2006)。2009年，他们又对轴向和横向pin结构硅纳米线结构进行了光伏特性的研究，其中横向结构获得了0.26V的开路电压，短路电流密度达到了24mA/cm2，与最好的硅纳米晶薄膜太阳电池相当，并且其输出功率达到72pW/Sun，比轴向结构高出15倍(参见Bozhi Tian et al.，Chem.Soc.Rev.38，16-24，2009)。美国加州大学Islam等人2008年报道了一种采用横向诱导生长方法进行大量硅、InP或Zn0纳米线平行跨接制备光电探测器的方法，并获得了30GHz带宽，具有新颖性，但器件纳米结构定位及可靠性控制方面仍面临诸多挑战(参见M.S.Islam et al.，2nd IEEE IhternationalNanoelectronics Conference，1009-1014，2008)。美国加州大学Jacobs工程学院的A.Zhang等人2008年报道了利用Top-down工艺刻蚀方法制备的平面及垂直硅纳米线光电探测器在低光强下光电导增益超过3.5×104(参见Arthur Zhang et al.，Appl.Phys.Lett.93，121110，2008)。他们于2010年又报道了利用纳米压印技术制作的垂直结构硅纳米线光电探测器，在低温条件下在可见光波段获得了105A/W的响应度，在红外波段获得了102A/W的响应度，远大于普通硅光电探测器低于1A/W的响应度(参见Arthur Zhang et al.，Nano.lett.10，2117-2120，2010)。2010年加拿大Waterloo大学的Adachi报道了一种横向结构MSM型硅纳米线光电探测器，硅纳米线阵列采用PECVD淀积在2μm间距电极中间，在-10V偏压下的光响应度为0.136，硅纳米线材料与电极接触的质量还有待提高(参见M.Adachi et al.，Medical Imaging 2010，Proc.of SPIE 7622，76224，2010)。可以看出，新型的硅纳米线结构探测器由于较大的比表面积，表现出较高的光电导增益，已经成为目前国际上的研究热点。研发硅纳米线结构探测器，将对于硅光电集成电路(OEIC)的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的主要目的在于揭示一种具有平面PIN结构的硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器及其制作方法，探测器的本征吸收区采用硅纳米线光栅共振腔结构以及部分覆盖的周期性的纳米金属栅光栅结构，具有高耦合效率、高量子效率和高响应速度特点。
为达到上述目的，本发明提供一种硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器，包括：
一硅衬底：
一氧化硅层，该氧化硅层制作在硅衬底上；
一工形台面结构，该工形台面结构制作在氧化硅层上，该工形台面结构的两端为P型电极和N型电极，该P型电极和N型电极之间连接有硅纳米线光栅共振腔结构；
一保护层，该保护层制作在工形台面结构的表面和侧面，在工形台面结构的两端的P型电极和N型电极上开有电极窗口；
一金属栅电极，该金属栅电极制作在硅纳米线共振腔结构的保护层上，并靠近N型电极的一侧；
两光电流输出金属电极，该光电流输出金属电极制作在工形台面结构的P型电极和N型电极上保护层的电极窗口内。
其中工形台面结构的材料为硅，该工形台面结构上的P型电极和N型电极的材料为Ni和Al。
其中保护层的材料为氧化硅或氮化硅，厚度为10-20nm。
其中的金属栅电极的材料为金或银，该金属栅电极为周期性的纳米金属栅光栅结构，激发的局域表面等离子体激元，能够有效地把光集中到亚波长光栅探测区域，增强光的表面透射和吸收。
本发明还提供一种硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器的制作方法，包括如下步骤：
a)取一包括硅衬底-氧化硅层-顶硅薄层的SOI基片；
b)在SOI基片的顶硅薄层上刻蚀出工形台面结构；
c)在工形台面结构上，采用电子束曝光套刻并刻蚀出工形台面结构两端之间连接部分的硅纳米线共振腔结构；
d)在工形台面结构的表面和侧面，气相沉积介质层，形成保护层；
e)在工形台面结构两端的P型电极和N型电极的保护层上，光刻电极窗口，分别注入P型和N型离子，在电极窗口内制作P型电极和N型电极；
f)进行退火，形成欧姆接触；
g)在工形台面结构两端之间的硅纳米线共振腔结构上的保护层上蒸发金属栅电极，该金属栅电极靠近N型电极的一侧；
h)在P型电极和N型电极上蒸发光电流输出金属电极，完成制作。
6、根据权利要求5所述的硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器，其中保护层的材料为氧化硅或氮化硅，该保护层的厚度为10-20nm。
其中的金属栅电极的材料为金或银，该金属栅电极为周期性的纳米金属栅光栅结构，激发的局域表面等离子体激元，能够有效地把光集中到亚波长光栅探测区域，增强光的表面透射和吸收。
其中工形台面结构上制作的P型电极和N型电极的材料为Ni和Al。
其中退火温度为400-500℃。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、在硅纳米线光吸收区采用光栅共振腔结构，可使腔内光场增强，增加吸收长度，提高量子效率；
2、硅纳米线光栅通过对入射光的衍射可以实现很好的耦合，耦合效率的提高，可进一步增强共振腔中的光场；
3、金属栅电极为周期性的纳米金属栅光栅结构，可产生表面等离子体共振的光耦合增强效应，有助于增强光场的吸收；
4、金属栅电极部分覆盖硅纳米线光栅共振腔，将光吸收区与载流子漂移区分开，使载流子保持一定的漂移速度，可降低源漏偏执电压，有效提高量子效率与响应速度。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细描述，其中：
图1是一种硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器结构图。
具体实施方式
参阅图1所示，本发明提供一种硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器，包括：
一硅衬底11；
一氧化硅层12，该氧化硅层12制作在硅衬底11上；
一工形台面结构13，该工形台面结构13制作在氧化硅层12上，该工形台面结构13的两端为P型电极131和N型电极132，该P型电极131和N型电极132之间连接有硅纳米线光栅共振腔结构133，该工形台面结构13的材料为硅，该工形台面结构13上的P型电极131和N型电极132的材料为Ni和Al；
一保护层14，该保护层14制作在工形台面结构13的表面和侧面，在工形台面结构13的两端的P型电极131和N型电极132上开有电极窗口，该保护层14的材料为氧化硅或氮化硅，厚度为10-20nm；
一金属栅电极15，该金属栅电极15制作在硅纳米线共振腔结构133的保护层14上，并靠近N型电极132的一侧，所述的金属栅电极15的材料为金或银，该金属栅电极15为周期性的纳米金属栅光栅结构，激发的局域表面等离子体激元，能够有效地把光集中到亚波长光栅探测区域，增强光的表面透射和吸收；
两光电流输出金属电极16，该光电流输出金属电极16制作在工形台面结构13的P型电极131和N型电极132上保护层14的电极窗口内。
请再参阅图1所示，本发明提供一种硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器的制作方法，包括如下步骤：
a)取一包括硅衬底11-氧化硅层12-顶硅薄层的SOI基片；
b)在S0I基片的顶硅薄层上刻蚀出工形台面结构13；
c)在工形台面结构13上，采用电子束曝光套刻并刻蚀出工形台面结构13两端之间连接部分的硅纳米线共振腔结构133；
d)在工形台面结构13的表面和侧面，气相沉积介质层，形成保护层14，该保护层14的材料为氧化硅或氮化硅，该保护层14的厚度为10-20nm；
e)在工形台面结构13两端的P型电极131和N型电极132的保护层14上，光刻电极窗口，分别注入P型和N型离子，在电极窗口内制作P型电极131和N型电极132，该工形台面结构13上制作的P型电极131和N型电极132的材料为Ni和Al；
f)进行退火，所述的退火温度为400-500℃，形成欧姆接触；
g)在工形台面结构13两端之间的硅纳米线共振腔结构133上的保护层14上蒸发金属栅电极15，该金属栅电极15靠近N型电极132的一侧，所述的金属栅电极15的材料为金或银，该金属栅电极15为周期性的纳米金属栅光栅结构，激发的局域表面等离子体激元，能够有效地把光集中到亚波长光栅探测区域，增强光的表面透射和吸收；
h)在P型电极131和N型电极132上蒸发光电流输出金属电极16，完成制作。
实施例：
请参照图1，本发明的一种硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器能够完全与CMOS工艺相兼容，适合于光电混合集成电路(OEIC)应用。
首先，选取硅衬底11(400μm)-氧化硅层12(300nm)-本征顶硅薄层(200nm)结构的SOI(或SIMOX)片；对200nm厚顶层硅900℃热氧化得到30nm厚的热氧化硅层；在样品上覆盖1μm厚的光刻胶AZ6130，前烘后光刻出工形台面13的胶掩膜图形，ICP刻蚀氧化硅后，再用ICP刻蚀顶硅薄层，硅薄层形成工形台面13。其次，在样品上覆盖200nm厚光刻胶PMMA950K，180℃热板烘干90秒；用电子束曝光套刻出工形台面13中间连接部分的硅纳米线光栅谐振腔结构133掩膜层，其中硅纳米线光栅占空比根据探测波长可调；先用ICP刻蚀氧化硅纳米线硬掩膜后，再用ICP刻蚀顶硅薄层，形成硅纳米线光栅共振腔结构133。然后，BHF腐蚀掉氧化硅薄层，在工形台面13表面和侧面，气相沉积二氧化硅介质层，形成保护层14；覆盖光刻胶AZ6130，在工形台面13两端光刻出电极窗口图形，并分别在P型电极131和N型电极132的电极窗口内注入P型和N型离子；BHF在电极窗口区腐蚀掉氧化硅；淀积金属接触电极Ni\Al；500℃快速合金退火，形成欧姆接触。之后，在样品上覆盖200nm厚光刻胶PMMA950K，180℃热板烘干90秒；在靠近N型电极132一侧的硅纳米线光栅谐振腔结构13的保护层上，利用电子束曝光套刻形成周期性光栅结构金属栅电极15胶掩膜图形；蒸发金材料并剥离出金属栅电极15。最后，在P型电极131和N型电极132上蒸发光电流输出金属铝电极16，完成制作。
硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器采用平面PIN型探测器结构，通过在高掺杂的P型电极131和N型电极132之间插入一段硅纳米线光栅共振腔结构133本征区来增加耗尽区宽度，外加反偏电压基本降落在本征区，耗尽层电场大大缩短了光生载流子的渡越时间，提高探测器的响应速度。光以一定角度入射硅纳米线光栅共振腔结构133，在波长和腔体的模式相匹配的情况下，光顺利进入腔体，通过衍射可以提高耦合效率，增强共振腔中的光场和吸收长度，提高量子效率。具有光栅结构金属栅电极15可以激发局域表面等离子体激元(SPP)，即光场在金属导体表面与载流子相互耦合形成局部场增强的振荡波。共振等离子体能够有效地把光集中到亚波长光栅探测区域，增强光的表面透射和吸收。硅吸收层上面的光栅结构金属栅电极15能把入射光耦合进金属/半导体界面的SPP模和半导体导模，然后光在半导体层被转换为光载流子，增强了光耦合吸收，提高了量子效率。光栅结构金属栅电极15部分覆盖硅纳米线光栅共振腔结构133，来调节本征区上的电场，降低源漏偏执电压，并将光吸收区与载流子漂移区分开，使载流子保持一定的漂移速度，提高量子效率与响应速度。通过改变栅电压调节本征区上的电场，在光生载流子的作用下使本征区出现雪崩击穿，在较低的反向偏压下获得较高的光电响应度。当栅压低于阈值电压时，栅下无反型层，源漏电压仅有一部分加在本征区上。本征区的电场强度低于击穿条件下的临界电场，不足以触发载流子的雪崩击穿，漏端仅有较低的pin二极管的反向泄漏电流，器件处于关态。随着栅压升高，高于阈值电压时，栅下形成反型层，降低了沟道区的分压，使得本征区电场触发雪崩倍增效应，器件获得反偏击穿的暗电流。在光照条件下，光生载流子被本征区电场加速，由于雪崩倍增反馈过程，碰撞电离的新载流子数量激增，对光生电流起到了增益放大作用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器，包括：
一硅衬底；
一氧化硅层，该氧化硅层制作在硅衬底上；
一工形台面结构，该工形台面结构制作在氧化硅层上，该工形台面结构的两端分别为P型电极和N型电极，该P型电极和N型电极之间连接有硅纳米线光栅共振腔结构；
一保护层，该保护层制作在工形台面结构的表面和侧面，在对应于工形台面结构的两端的P型电极和N型电极处开有电极窗口；
一金属栅电极，该金属栅电极制作在硅纳米线共振腔结构的保护层上，并靠近N型电极的一侧；
两光电流输出金属电极，该光电流输出金属电极制作在工形台面结构的P型电极和N型电极上保护层的电极窗口内。
2.根据权利要求1所述的硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器，其中工形台面结构的材料为硅，该工形台面结构上的P型电极和N型电极的材料为Ni和Al。
3.根据权利要求1所述的硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器，其中保护层的材料为氧化硅或氮化硅，厚度为10-20nm。
4.根据权利要求1所述的硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器，其中的金属栅电极的材料为金或银，该金属栅电极为周期性的纳米金属栅光栅结构，激发的局域表面等离子体激元，能够有效地把光集中到亚波长光栅探测区域，增强光的表面透射和吸收。
5.一种硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器的制作方法，包括如下步骤：
a)取一包括硅衬底-氧化硅层-顶硅薄层的SOI基片；
b)在SOI基片的顶硅薄层上刻蚀出工形台面结构；
c)在工形台面结构上，采用电子束曝光套刻并刻蚀出工形台面结构两端之间连接部分的硅纳米线共振腔结构；
d)在工形台面结构的表面和侧面，气相沉积介质层，形成保护层；
e)在工形台面结构两端的P型电极和N型电极的保护层上，光刻电极窗口，分别注入P型和N型离子，并在电极窗口内制作P型电极和N型电极；
f)进行退火，形成欧姆接触；
g)在工形台面结构两端之间的硅纳米线共振腔结构上的保护层上蒸发金属栅电极，该金属栅电极靠近N型电极的一侧；
h)在P型电极和N型电极上蒸发光电流输出金属电极，完成制作。
6.根据权利要求5所述的硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器的制作方法，其中保护层的材料为氧化硅或氮化硅，该保护层的厚度为10-20nm。
7.根据权利要求5所述的硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器的制作方法，其中的金属栅电极的材料为金或银，该金属栅电极为周期性的纳米金属栅光栅结构，激发的局域表面等离子体激元，能够有效地把光集中到亚波长光栅探测区域，增强光的表面透射和吸收。
8.根据权利要求5所述的硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器的制作方法，其中工形台面结构上制作的P型电极和N型电极的材料为Ni和Al。
9.根据权利要求5所述的硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器的制作方法，其中退火温度为400-500℃。
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