CN102290481B

CN102290481B - 具有宽光谱响应的硅探测器结构及其制作方法

Info

Publication number: CN102290481B
Application number: CN2011102565544A
Authority: CN
Inventors: 刘德伟; 黄永光; 朱小宁; 王熙元; 马丽; 朱洪亮
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2031-09-01
Also published as: CN102290481A

Abstract

一种具有宽光谱响应的硅探测器结构，包括：一n型硅基衬底层，其表面有一圆形凹槽；一二氧化硅介质掩蔽层，形成于n型硅基衬底层表面圆形凹槽的周边，中间为环形结构；一p型参杂层，位于n型硅基衬底层的圆形凹槽内；一正面接触电极，制作在二氧化硅介质掩蔽层环形结构的内壁及覆盖部分环形结构表面的边缘，形成环状结构；一增透膜层，制作在正面接触电极的环状结构内，并覆盖p型参杂层的表面；一广谱吸收黑硅层，制作在n型硅基衬底层的背面；一介质钝化层，该介质钝化层为点状，形成在广谱吸收黑硅层的表面；一背面接触电极，制作在广谱吸收黑硅层的表面并覆盖点状的介质钝化层。

Description

具有宽光谱响应的硅探测器结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光电探测器的结构及其制作方法，特别涉及一种具有宽光谱响应的硅探测器结构及其制作方法。

背景技术

对于普通晶体硅而言，一方面由于其禁带宽度为1.12ev，无法吸收波长大于1.1μm波长的光，限制了硅光电器件的可用波段和灵敏度；另一方面，虽然利用普通晶体硅制作的p-n和p-i-n型光电探测器早已实现，但这种探测器的峰值响应大约在900nm左右，只适合用于850nm波段的探测，无法应用于1310nm和1550nm两个重要光纤通信窗口。而III-V族材料虽然在这方面的工艺已经成熟并实现了产业化，但其价格昂贵、热学机械性能较差，并且不能与现有成熟的硅基工艺兼容。

1998年美国哈佛大学教授艾瑞克·马兹尔和他的研究团队利用超强飞秒激光扫描置于六氟化硫气体中的硅片表面，获得了一种森林状微结构锥体表面材料，其在0.25至2.5μm的光谱范围内具有＞90％的光吸收率，极大地拓展了硅基材料的光谱吸收范围[Appl.Phys.Lett.73，1673(1998)]。这种新材料对太阳光具有几乎黑体吸收的效果，所以亦称之为“黑硅”。经深入研究发现，这种微结构黑硅表面的硫系物质浓度远远超过了其在硅晶体中的饱和浓度，使得硅禁带中产生大量的局域态能级从而可扩展黑硅的光谱吸收范围。

2005年，他们以黑硅材料作为探测器迎光面的光敏区，在1330nm和1550nm两个重要光纤窗口取得了一定的红外响应度[Opt.Lett.30，1773-1775(2005)]，但由于黑硅材料的迁移率低、载流子寿命短、重掺杂表层俄歇复合严重、部分红外光透射率较大等缺点，制约了黑硅探测器红外光谱响应度的进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种具有宽光谱响应的硅探测器结构及其制作方法，以减少黑硅在迎光面受表面俄歇复合而导致的光生载流子湮灭现象，避免其作为光敏区的不利影响；由于红外光在硅中具有较深的穿透能力，黑硅制作在背面，亦能充分吸收并产生光生载流子，提高光谱响应，以解决传统硅光电探测器对1.1微米以上波长的光谱无响应的难题，拓宽硅光电探测器的光谱响应范围；此外，黑硅重掺杂层和n型硅基衬底层形成的梯度掺杂，也能构建起一个弱内建电场，有利于光生载流子的分离和收集，可部分抵消黑硅材料迁移率低和载流子寿命短的影响，从而提高硅光电探测器的红外光谱响应度。

为达到上述目的，本发明提出了一种具有宽光谱响应的硅探测器结构，该结构由上至下依次包括：

一n型硅基衬底层，其表面有一圆形凹槽；

一二氧化硅介质掩蔽层，形成于n型硅基衬底层表面圆形凹槽的周边，中间为环形结构；

一p型参杂层，位于n型硅基衬底层的圆形凹槽内；

一正面接触电极，制作在二氧化硅介质掩蔽层环形结构的内壁及覆盖部分环形结构表面的边缘，形成环状结构；

一增透膜层，制作在正面接触电极的环状结构内，并覆盖p型参杂层的表面；

一广谱吸收黑硅层，制作在n型硅基衬底层的背面；

一介质钝化层，该介质钝化层为点状，形成在广谱吸收黑硅层的表面；

一背面接触电极，制作在广谱吸收黑硅层的表面并覆盖点状的介质钝化层。

本发明还提出一种具有宽光谱响应的硅探测器结构的制作方法，该方法包括：

步骤1：在n型硅基衬底层的上表面和下表面分别制作二氧化硅介质掩蔽层；

步骤2：光刻n型硅基衬底层上表面的二氧化硅介质掩蔽层，形成p型掺杂层窗口，采用硼离子注入或硼扩散的方式形成p型掺杂层，该p型掺杂层与n型硅基衬底层形成pn结光敏区；

步骤3：在p型掺杂层上面淀积一层增透膜层；

步骤4：去除n型硅基衬底层下表面的二氧化硅介质掩蔽层，在n型硅基衬底层下表面制作广谱吸收黑硅层；

步骤5：对广谱吸收黑硅层进行载流子激活处理，在广谱吸收黑硅层表面制作硅氧化物介质钝化层；

步骤6：光刻增透膜层和介质钝化层，分别在增透膜层和介质钝化层表面形成正面环形电极窗口和背面点接触电极窗口；

步骤7：在正面环形电极窗口和背面点接触电极窗口分别制作正面接触电极和背面接触电极，完成器件制作。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的这种具有宽光谱响应的硅探测器结构及其制作方法，是在传统硅基探测器的背光面增加一层黑硅红外吸收层，这对原探测器正面光敏区不产生影响，却可以利用背面黑硅材料对红外光具有较高吸收率的特点，使进入探测器的红外光在背面被吸收，解决了传统硅光电探测器对1.1微米以上波长的光谱无响应的难题，拓宽了硅光电探测器的光谱响应范围；

2、将广谱吸收黑硅材料应用于硅探测器的背光面，可以避免现行方案中黑硅材料作为光敏区所受表面俄歇复合影响而导致的光生载流子湮灭现象，增加对透射红外光的吸收，有效提高硅光电探测器的光谱响应度；

3、由背光面黑硅层和n型硅基衬底层形成的n型梯度掺杂，构建起将光生电子和空穴分开的内建电场，有利于背面光生载流子的分离和收集，可部分抵消黑硅材料迁移率低和载流子寿命短的影响；

4、本发明提出的这种具有宽光谱响应的硅探测器结构及其制作方法，其工艺过程简单易控，成本低廉，并能与标准硅工艺兼容。

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说明，其中：

图1a至图1g为本发明提供的制作具有宽光谱响应的硅探测器结构的流程示意图。

图2为本发明提供的具有宽光谱响应的硅探测器结构俯视图；

具体实施方式

请参阅图1g，本发明提供一种具有宽光谱响应的硅探测器结构，该结构由上至下依次包括：

一n型硅基衬底层1，表面有一圆形凹槽；所述n型硅基衬底层1采用n型(111)单晶硅，厚度为100至500μm，电阻率为1至1000Ω·cm；

一二氧化硅介质掩蔽层2，形成于n型硅基衬底层1表面圆形凹槽的周边，中间为环形结构；

一p型参杂层3位于n型硅基衬底层1的圆形凹槽内；所述p型掺杂层3是在n型硅基衬底层1的表面进行硼离子注入或硼扩散所形成，该p型掺杂层3与n型硅基衬底层1形成pn结光敏区；

一正面接触电极7，制作在二氧化硅介质掩蔽层2环形结构的内壁及覆盖部分环形结构表面的边缘，形成环状结构；

一增透膜层4，制作在正面接触电极7的环状结构内，并覆盖p型参杂层3的表面；所述增透膜层4的材料是二氧化硅或氮化硅，或及其组合，所述增透膜层4的厚度为100-300nm；

一广谱吸收黑硅层5，制作在n型硅基衬底层1的背面；所述广谱吸收黑硅层5为掺有硫系元素的硅材料，其表层结构为硅微锥、硅微粒或硅微孔的结构，其间隔为0.01至10μm，尺度为0.01至10μm，深度为0.01至10μm，硫系元素的硅材料对0.25微米至2.5微米波长范围内的光具有＞30％的吸收率；

一介质钝化层6，该介质钝化层6为点状，形成在广谱吸收黑硅层5的表面；该介质钝化层6为硅氧化物介质钝化层，该介质钝化层6的厚度为100-500nm；

一背面接触电极8，制作在广谱吸收黑硅层5的表面并覆盖点状的介质钝化层6。

请再参阅图1及图2所示，本发明提供一种具有宽光谱响应的硅探测器结构的制作方法，该方法包括：

步骤1：在n型硅基衬底层1的上表面和下表面分别制作二氧化硅介质掩蔽层2(图1a中)。所述n型硅基衬底层1采用n型(111)单晶硅，厚度为100至500μm，电阻率为1至1000Ω·cm；所述二氧化硅介质掩蔽层2的制作方法为热氧化或淀积方法，其厚度为300nm-1μm；

步骤2：光刻n型硅基衬底层1上表面的二氧化硅介质掩蔽层2，形成p型掺杂层窗口(图1b中)，采用硼离子注入或硼扩散的方式形成p型掺杂层3，该p型掺杂层3与n型硅基衬底层1形成pn结光敏区。所述p型掺杂层3是在n型硅基衬底层1的表面进行硼离子注入或硼扩散所形成；其中p型掺杂层3的掺杂深度为0.1至1μm，表面掺杂浓度为10¹⁷cm^-3至10²⁰cm^-3；所述pn结光敏区做成圆形，防止pn结的边缘击穿。

步骤3：在p型掺杂层3上面淀积一层增透膜层4(图1c中)。所述增透膜层4的材料是二氧化硅或氮化硅，或及其组合，所述增透膜层4的厚度为100-300nm；

步骤4：去除n型硅基衬底层1下表面的二氧化硅介质掩蔽层2(图1d中)，在n型硅基衬底层1下表面制作广谱吸收黑硅层5。所述广谱吸收黑硅层5是在硫系环境下，通过激光辐照n型硅基衬底层1表面形成，激光辐照时的硫系环境为硫系气体、硫系粉末或硫系液体，激光辐照时的激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光；所述广谱吸收黑硅层5为掺有硫系元素的硅材料，其表层结构为硅微锥、硅微粒或硅微孔的结构，其间隔为0.01至10μm，尺度为0.01至10μm，深度为0.01至10μm，硫系元素的硅材料对0.25微米至2.5微米波长范围内的光具有＞30％的吸收率。

步骤5：对广谱吸收黑硅层5进行载流子激活处理，在广谱吸收黑硅层5表面制作硅氧化物介质钝化层6(图1e中)。所述广谱吸收黑硅层5的载流子激活处理方法为传统的热炉退火、快速退火或激光退火；所述介质钝化层6为硅氧化物介质钝化层，该介质钝化层6的厚度为100-500nm。

步骤6：光刻增透膜层4和介质钝化层6，分别在增透膜层4和介质钝化层6表面形成正面环形电极窗口和背面点接触电极窗口(图1f中)。其中正面环形电极窗口减少了正面接触电极7的遮光效果；背面点接触电极窗口既保证了背面接触电极8与广谱吸收黑硅层5形成良好的欧姆接触，又减少了背面载流子的复合。

步骤7：在正面环形电极窗口和背面点接触电极窗口分别制作正面接触电极7和背面接触电极8(图1g中)，完成器件制作。其中正面接触电极7的材料为透明导电氧化物或金属，背面接触电极8的材料为金属；电极的制作方法为电镀、热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射。

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

1.一种具有宽光谱响应的硅探测器结构的制作方法，该方法包括：

步骤3：在p型掺杂层上面淀积一层增透膜层；

2.根据权利要求1所述的具有宽光谱响应的硅探测器结构的制作方法，其中所述n型硅基衬底层采用n型(111)单晶硅，厚度为100至500μm，电阻率为1至1000Ω·cm；所述二氧化硅介质掩蔽层的制作方法为热氧化或淀积方法，其厚度为300nm-1μm；所述增透膜层的材料是二氧化硅或氮化硅，或及其组合，所述增透膜层的厚度为100-300nm；所述介质钝化层为硅氧化物介质钝化层，该介质钝化层的厚度为100-500nm。

3.根据权利要求1所述的具有宽光谱响应的硅探测器结构的制作方法，其中所述p型掺杂层是在n型硅基衬底层1的表面进行硼离子注入或硼扩散所形成，该p型掺杂层与n型硅基衬底层形成pn结光敏区；其中p型掺杂层的掺杂深度为0.1至1μm，表面掺杂浓度为10¹⁷cm^-3至10²⁰cm^-3；所述pn结光敏区做成圆形，防止pn结的边缘击穿。

4.根据权利要求1所述的具有宽光谱响应的硅探测器结构的制作方法，其中所述广谱吸收黑硅层是在硫系环境下，通过激光辐照n型硅基衬底层表面形成，激光辐照时的硫系环境为硫系气体、硫系粉末或硫系液体，激光辐照时的激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光；所述广谱吸收黑硅层为掺有硫系元素的硅材料，其表层结构为硅微锥、硅微粒或硅微孔的结构，其间隔为0.01至10μm，尺度为0.01至10μm，深度为0.01至10μm，硫系元素的硅材料对0.25微米至2.5微米波长范围内的光具有＞30％的吸收率；所述广谱吸收黑硅层的载流子激活处理方法为传统的热炉退火、快速退火或激光退火。