CN102544196B - 双色紫光红外光硅基复合光电探测器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双色紫光和近红外硅基复合光电探测器的制作方法。其特点在于：在高阻n型硅单晶片上，氧化、光刻后用硼扩散等技术制作近红外光电探测器的p⁺n结，再在其表进行高阻p型的硅外延。利用磷离子浅结注入制作紫光探测器。用等离子刻蚀掉p型高阻层，以便形成公共电极。如此，在硅基上制作的n⁺-p-p⁺-n-n⁺结构，实际就是两个同心带p⁺的两个探测器件，它们均在反偏置电压下工作，对来自同一光束的紫光和近红外的双色光分别吸收，并在各自输出回路的负载上输出光信号电压。这对有较大烟雾、水气等的场景，可以通过一个简单光学系统，实现对特定的活动或固定目标，更加准确的探测、制导和跟踪。

Description

双色紫光红外光硅基复合光电探测器的制作方法

技术领域

本发明是在信息领域涉及一种双色(紫光和近红外)硅基光电探测器的制作方法。用于双色硅基复合光电探测器的制造。

技术背景

由于半导体硅的光谱是0.4～1.1μm范围，所以对于紫光和近红外(0.38～0.43μm和0.8～1.064μm)的双色光电探测器，均是硅或硅与氮化镓材料分别为衬底制作而成的两个分离的光电探测器，分别接收两个光束的光，而不能接收来自同一光束的两个波段的光，再分别输出光信号。

发明内容

本发明目的：针对目前紫光和近红外双色光电探测器的以上缺陷，特提出一种新方法，用此方法制作的双色硅基复合光电探测器，能接收来自同一光束或同一光学系统所聚集的两个波段的光束，分别输出信号，从而简化了光学系统，实现对烟雾、水气较大场景目标更加准确探测和跟踪。

具体的技术方案

在N型高阻硅单晶抛光面上，经氧化生长SiO₂、光刻后高硼扩散1.0～1.5μm的结深，构成近红外光电探测器的PN结；再在其表面，经腐蚀SiO₂薄层和气相抛光处理后，再硅外延利用该高硼扩散层中的杂质进行反扩散自掺杂，够成高阻P型，厚度≤3μm，成为紫光探测器的吸收层；再在其表面淀积SiO₂光刻保护环后背面减薄抛光；其后进行磷扩散，形成正面紫光探测器的保护环(它是在近红外光电探测器光敏区周边小于100～200μm的区域内进行)和近红外光电探测器背面电极n⁺n高低结；再光刻紫外光敏区后进行高剂量(10¹⁶cm^-2)、低能(≤50kev)的磷离子注入、退火，以形成紫光探测器的n⁺p结；再淀积SiO₂和Si₃N₄，如此，就构成n⁺-p-p⁺-n-n⁺五层重叠结构的两个同心共轴pin光电探测器。其五层结构的中间一层p⁺层是两个pin光电探测器的公共P⁺层，它被隐埋在高阻P型层之下，可以再经光刻，用等离子刻蚀法挖一环形槽(深度约大于外延层厚)以显露p⁺层；再光刻n⁺层电极窗口后，芯片正面和背面蒸铝，并在正面光刻定域保留铝，形成n⁺和p⁺电极，背面保留铝也形成n⁺电极；硅铝合金后，分离管芯；最后将芯片烧压于具有4个管脚和粘有双色(紫光和近红外光)窄带滤光片的TO型管壳之中，便构成了双色硅基复合光电探测器。

附图说明：

附图1、本发明制作的双色紫光近红外光硅基复合光电探测器管芯示意图，其中A为侧视 图，B为正视图。

附图2、本发明制作的的双色紫光近红外光硅基复合光电探测器的制作工艺流程图。图中[n]是高阻N型硅(n-si)衬底；[p⁺]是硼扩散层；[p]是高阻P型硅外延层；[n⁺]是高磷扩散和高磷离子注入层，其中[1n⁺]是紫光探测器[n⁺p]结光敏结区，[2n⁺]为近红外光电探测器芯片底面n⁺n高低结面。[1]是SiO₂层，[2]是Si₃N₄层，[3]是电极金属铝层。

具体实施方式

下面结合图2介绍本发明的一个实施例，该实施例是用本发明制造双色(紫光和近红外)硅基复合光电探测器的工艺过程。

1、在N型高阻(电阻率≥3000Ω-cm)硅衬底的抛光面上，氧化生长SiO₂层[1]，光刻硼扩散窗口p⁺区后进行结深为1.0～1.5μm的高硼扩散，以形成近红外光电探测器的p⁺n结；再进行气相抛光(抛光厚度≤0.2μm)和P型高阻(电阻率控制在≥100Ω-cm)硅外延，生长层厚度≤3μm，如图2(a)所示。

2、在芯片表面低温沉积SiO₂，在近红外光电探测器的光敏区周边小于约200μm的区域刻出紫光探测器的光敏面的保护环窗口后，进行芯片背面减薄抛光，其后再进行正面和背面的磷扩散，再经紫光探测器的光敏区的光刻后，又进行低能、(结深≤0.2μm)高剂量的磷离子注入，并淀积SiO₂和Si₃N₄增透膜；最后将芯片退火处理，以分别形成紫光探测器的n⁺p结和近红外光电探侧器的背面的n⁺n高低结。用等离子刻蚀方法，刻掉紫光探测器光敏区周边50μm以外的高阻P层，以显露p⁺层。如图2(b)所示。

3、光刻紫光探测器的电极窗口后，芯片正反两面蒸发金属铝，并在正面光刻铝，以保留1n⁺区、2n⁺区和p⁺环区的铝层，再进行硅铝合金后分离芯片。至此，芯片制作完毕，如图2(c)所示。

以上是用N型高阻硅为衬底制作双色硅基复合光电探测器的方法和过程，对于用P型高阻硅为衬底而言，主要是把上述的硼扩散改为磷扩散，把P型高阻硅外延改为N型高阻硅外延，把磷扩散改为硼扩散，把磷离子注入改为硼离子注入即可，其它工艺过程均相同。

Claims (4)

1.一种双色紫光和近红外光硅基复合光电探测器的制作方法，其特征在于：采用高阻N型硅衬底时，按如下方法制作双色紫光和近红外光硅基复合光电探测器：在高阻N型硅衬底的抛光面上，定域高硼扩散，形成近红外光电探测器PN结；在其表面上经高阻硅外延后，再在芯片背面进行高磷扩散，再在芯片正面进行离子注入，形成紫光探测器n⁺p结和近红外探测器的衬底接触的高低结和紫光探测器的PN结，构成n⁺-p-p⁺-n-n⁺的结构，分别构成两个pin光电探测器，它们均加上反向偏置后，接收来自同一光束的双色光信号时，将在两个探测器的负载电阻上分别输出该两种光的信号电压；

采用P型硅衬底时，按如下方法制作双色紫光和近红外光硅基复合光电探测器：在高阻P型硅衬底的抛光面上，定域高磷扩散，形成近红外光电探测器PN结；在其表面上经高阻硅外延后，再在芯片背面进行高硼扩散，再在芯片正面进行离子注入，形成紫光探测器p⁺n结和近红外探测器的衬底接触的高低结和紫光探测器的PN结，构成p⁺-n-n⁺-p-p⁺的结构，分别构成两个pin光电探测器，它们均加上反向偏置后，接收来自同一光束的双色光信号时，将在两个探测器的负载电阻上分别输出该两种光的信号电压。

2.根据权利要求1所述的双色紫光和近红外光硅基复合光电探测器的制作方法，其特征在于：采用高阻N型硅衬底时，紫光探测器的高阻P型吸收层，是在芯片五层结构中的中间层高硼的表层杂质通过反扩散自行掺杂进行硅外延来实现的，其厚度精确控制在≤3μm，以满足吸收紫光的需要，而尽量减少近红外光的吸收；

采用高阻P型硅衬底时，紫光探测器的高阻N型吸收层，是在芯片五层结构中的中间层高磷的表层杂质通过反扩散自行掺杂进行硅外延来实现的，其厚度精确控制在≤3μm，以满足吸收紫光的需要，而尽量减少近红外光的吸收。

3.根据权利要求1所述的双色紫光和近红外光硅基复合光电探测器的制作方法，其特征在于：采用高阻N型硅衬底时，紫光探测器的保护环np结以及芯片背面n⁺n高低结是用磷扩散而成，其光敏区则是用低能、高磷离子注入而成，并控制退火温度和时间，保证结深0.15~0.2μm，以减少“死层”，并防止高硼层的反扩散，从而提高紫光的响应度；

采用高阻P型硅衬底时，紫光探测器的保护环pn结以及芯片背面p⁺p高低结是用硼扩散而成，其光敏区则是用低能、高硼离子注入而成，并控制退火温度和时间，保证结深0.15~0.2μm，以减少“死层”，并防止高磷层的反扩散，从而提高紫光的响应度。

4.根据权利要求1所述的双色紫光和近红外光硅基复合光电探测器的制作方法，其特征在于：采用高阻N型硅衬底时，芯片五层结构里的中间层p⁺，是两个光电探测器的公共电极，隐埋于高阻P层之下，用等离子刻蚀，将离紫光探测器光敏区周边≥50μm的高阻P层剥离，直至显露出p⁺层，形成电极窗口，再经电极金属化后，实现该电极的低欧姆接触以达到高的导电能力；

采用高阻P型硅衬底时，芯片五层结构里的中间层n⁺，是两个光电探测器的公共电极，隐埋于高阻N层之下，用等离子刻蚀，将离紫光探测器光敏区周边≥50μm的高阻N层剥离，直至显露出n⁺层，形成电极窗口，再经电极金属化后，实现该电极的低欧姆接触以达到高的导电能力。