CN102903781A - 硅基近红外光电探测器结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种硅基近红外光电探测器结构，包括：一n型硅衬底，其上面向下开有两层台阶状的圆槽；一磷背场制作在n型硅衬底的下面；一硫系元素掺杂层制作在该n型硅衬底上面的最下层的圆槽内；一p型硼掺杂层制作在该n型硅衬底上面的上层圆槽内；一迎光面掩蔽层制作在n型硅衬底上面圆槽的周围，并覆盖p型硼掺杂层的周边部分，中间形成圆孔，该圆孔的周边开有一环形凹槽，该环形凹槽的外径小于n型硅衬底上面上层圆槽的直径；一增透膜层制作在迎光面掩蔽层中间的圆孔内；一正面接触电极制作在迎光面掩蔽层上的环形凹槽内；一背面接触电极制作在磷背场的下面。本发明可以解决传统硅光电探测器对波长大于1100nm的近红外光响应弱的难题，其是实现硅基光电探测器的高灵敏度近红外光电探测。

Description

硅基近红外光电探测器结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种硅光电探测器结构及其制作方法，尤其涉及一种硅基近红外光电探测器结构及其制作方法。
背景技术
基于成熟的硅工艺，晶体硅被广泛用于加工微电子和光电子器件。但硅的带隙1.12eV限制了硅在近红外波段的应用。传统的硅光电探测器峰值响应波长在900nm左右，对波长1100nm以外的红外光灵敏度很低，无法用于通信波长1330nm和1550nm的光电探测。锗及III-V族材料通常被用来制备近红外通信波段的光电探测器，但其昂贵成本及差硅工艺兼容性限制了它的应用范围。
1998年美国哈佛大学Eric Mazur教授和他的研究团队利用飞秒脉冲激光扫描置于六氟化硫气氛中的硅片表面，获得了一种具有表面微织构的“黑硅”材料[Appl.Phys.Lett.73，1673(1998)]，该材料在0.25μm至2.5μm光谱范围具有高于90％的光学吸收率。基于黑硅材料制备的硅光电管[Appl.Phys.Lett.30，1773(2005)]，在0.5V反偏压下，具有50mA/W1330nm和35mA/W1550nm的光谱响应度，实现了硅基近红外光电探测。然而，黑硅材料由于表面粗糙和非辐射损伤严重，限制了其在硅光电子集成领域的应用前景。黑硅材料表面大量的缺陷造成载流子迁移率低、寿命短，极大影响了器件的稳定性和光电子学特性。
离子注入，作为一种快捷的杂质掺杂方法，可以方便的实现硫系元素在硅中的可控掺杂，并在硅带隙中引入红外吸收能级，增强了硅材料对近红外光的吸收。脉冲激光熔融+热退火既可以消除离子注入在硅中的引入的大量拓展缺陷，又可以激活掺入的杂质元素，同时又不会带来严重的表面损伤和粗糙度。基于该思想，离子注入+脉冲激光辐照+热退火将成为实现硅基近红外光电探测的一种新途径。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种硅基近红外光电探测器结构及其制作方法，以解决传统硅光电探测器对波长大于1100nm的近红外光响应弱的难题，实现硅基光电探测器的高灵敏度近红外光电探测。
为达到上述目的，本发明提供了一种一种硅基近红外光电探测器结构，包括：
一n型硅衬底，该n型硅衬底的上面向下开有两层台阶状的圆槽；
一磷背场，该磷背场制作在n型硅衬底的下面；
一硫系元素掺杂层，该硫系元素掺杂层制作在该n型硅衬底上面的最下层的圆槽内；
一p型硼掺杂层，该p型硼掺杂层制作在该n型硅衬底上面的上层圆槽内；
一迎光面掩蔽层，该迎光面掩蔽层制作在n型硅衬底上面圆槽的周围，并覆盖p型硼掺杂层的周边部分，中间形成圆孔，该圆孔的周边开有一环形凹槽，该环形凹槽的外径小于n型硅衬底上面上层圆槽的直径；
一增透膜层，该增透膜层制作在迎光面掩蔽层中间的圆孔内；
一正面接触电极，该正面接触电极制作在迎光面掩蔽层上的环形凹槽内；
一背面接触电极，该背面接触电极制作在磷背场的下面。
本发明还提供一种硅基近红外光电探测器结构制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在n型硅衬底背面进行磷掺杂，形成磷背场；
步骤2：在n型硅衬底正面制备迎光面掩蔽层，该迎光面掩蔽层为二氧化硅或氮化硅；
步骤3：光刻迎光面掩蔽层，在迎光面掩蔽层中间形成一圆形p型掺杂窗口；
步骤4：在圆形p型掺杂窗口中采用扩散或离子注入的方法进行硼掺杂，在n型硅衬底的上表面形成p型硼掺杂层；
步骤5：将迎光面掩蔽层刻蚀掉，再在n型硅衬底的上表面制备迎光面掩蔽层，采用光刻的方法，在迎光面掩蔽层中间形成一圆形窗口，该圆形窗口的直径小于圆形p型掺杂窗口的直径；
步骤6：采用离子注入法，在圆形窗口32中注入硫系杂质元素，在p型硼掺杂层的下面形成硫系元素掺杂层，该硫系元素掺杂层经过脉冲激光辐照，其在1.1μm至2.5μm波长范围具有高于30％的光学吸收率，该硫系元素掺杂层为硫、硒或碲中的一种或多种组合；
步骤7：采用脉冲激光辐照的方法，对圆形窗口进行激光辐照，并热退火，该脉冲激光的脉宽为纳秒量级，以穿透硫系元素掺杂层；
步骤8：在圆形窗口表面沉积增透膜层，该增透膜层为二氧化硅或氮化硅或两者的组合；
步骤9：采用光刻的方法，刻蚀迎光面掩蔽层，在迎光面掩蔽层圆形窗口的周围形成环形凹槽；
步骤10：在环形凹槽内制备正面接触电极，该正面接触电极为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或及其组合；
步骤11：在磷背场的背面制备背面接触电极，该背面接触电极为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或及其组合，完成器件制备。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，借助离子注入法，可以方便的实现硫系杂质元素在硅中不同深度和浓度的掺杂，工艺简单，操作方便，与硅基微电子加工工艺相兼容。
2、利用本发明，借助脉冲激光辐照+热退火，可以高替位率激活掺杂的硫系杂质元素，在硅带隙中引入红外吸收能级，增强硅材料对近红外光的吸收，同时不破坏硅材料的表面特性，解决了传统的硅光电探测器对波长大于1100nm的光响应弱的难题，实现了硅基光电探测器在近红外通信波段的光电探测。
3、利用本发明，硫系杂质元素主要分布在硅基光电探测器的pn结结区附近，便于红外光生载流子的分离与收集，有效提高了硅基光电探测器在近红外波段的光谱响应度。
4、利用本发明，制备的硫系元素掺杂的硅材料，表面粗糙度低，损伤小，易于实现硅基光电子器件的集成，同时降低了漏电和背景噪声信号，提高了器件的工作稳定性。
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1-图6为本发明提供的制备硅基近红外光电探测器结构的流程示意图。
图7为本发明的硅基近红外光电探测器结构(图6)的俯视图。
具体实施方式
本发明提供的硅基近红外光电探测器结构，在p型硼掺杂层4和n型硅衬底1的界面处形成pn结，该pn结结区经脉冲激光辐照激活的硫系元素掺杂层5增强了硅材料对近红外光的吸收，产生的光生电子-空穴对在内建电场和反向偏压下易于分离并被各自电极所收集，转化为光电流，解决了传统硅光电探测器在1100nm波长外光响应弱的难题，实现了硅基光电管的近红外光电探测。
请参阅图6所示，本发明提供一种硅基近红外光电探测器结构，包括：
一n型硅衬底1，该n型硅衬底1的上面向下开有两层台阶状的圆槽；
一磷背场2，该磷背场2制作在n型硅衬底1的下面；
一硫系元素掺杂层5，该硫系元素掺杂层5制作在该n型硅衬底1上面的最下层的圆槽内，所述的硫系元素掺杂层5经过脉冲激光辐照，其在1.1μm至2.5μm波长范围具有高于30％的光学吸收率，所述脉冲激光的脉宽为纳秒量级，以穿透硫系元素掺杂层5，所述硫系元素掺杂层5为硫、硒或碲中的一种或多种组合；
一p型硼掺杂层4，该p型硼掺杂层4制作在该n型硅衬底1上面的上层圆槽内；
一迎光面掩蔽层3，该迎光面掩蔽层3制作在n型硅衬底1上面圆槽的周围，并覆盖p型硼掺杂层4的周边部分，中间形成圆孔，该圆孔的周边开有一环形凹槽，该环形凹槽的外径小于n型硅衬底1上面上层圆槽的直径，所述迎光面掩蔽层3为二氧化硅或氮化硅；
一增透膜层6，该增透膜层6制作在迎光面掩蔽层3中间的圆孔内，所述增透膜层6为二氧化硅或氮化硅或两者的组合；
一正面接触电极7，该正面接触电极7制作在迎光面掩蔽层3上的环形凹槽内；
一背面接触电极8，该背面接触电极8制作在磷背场2的下面。
其中所述正面接触电极7和背面接触电极8为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或及其组合。
请参阅图1-图7，本发明提供一种硅基近红外光电探测器结构制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在n型硅衬底1背面进行磷掺杂，形成磷背场2(参阅图1)，所述n型硅衬底1为CZ或FZ单晶硅，厚度为100μm至500μm，电阻率为1Ω.cm至2000Ω.cm；所述磷掺杂的深度为0.1μm至1μm，浓度为1018/cm3至1020/cm3，激活率高于90％；
步骤2：在n型硅衬底1正面制备迎光面掩蔽层3(参阅图2)，该迎光面掩蔽层3为二氧化硅或氮化硅，采用热氧化或化学气相淀积的方法制备；
步骤3：光刻迎光面掩蔽层3，在迎光面掩蔽层3中间形成一圆形p型掺杂窗口31(参阅图3)；
步骤4：在圆形p型掺杂窗口31中采用扩散或离子注入的方法进行硼掺杂，在n型硅衬底1的上表面形成p型硼掺杂层4(参阅图3)；所述硼掺杂的深度为0.1μm至0.6μm，浓度为1018/cm3至1020/cm3，激活率高于90％；
步骤5：将迎光面掩蔽层3刻蚀掉，再在n型硅衬底1的上表面制备迎光面掩蔽层3，采用光刻的方法，在迎光面掩蔽层3中间形成一圆形窗口32(参阅图4)，该圆形窗口32的直径小于圆形p型掺杂窗口31的直径；
步骤6：采用离子注入法，在圆形窗口32中注入硫系杂质元素，在p型硼掺杂层4的下面形成硫系元素掺杂层5(参阅图4)，该硫系元素掺杂层5为硫、硒或碲中的一种或多种组合；该硫系元素掺杂层5经过脉冲激光辐照，其在1.1μm至2.5μm波长范围具有高于30％的光学吸收率；所述硫系杂质元素峰值掺杂深度位于p型硼掺杂层4和n型硅衬底1的界面处上下0.1μm范围内，掺杂浓度为1014/cm3至1018/cm3，脉冲激光辐照后激活率高于50％；
步骤7：采用脉冲激光辐照的方法，对圆形窗口32进行激光辐照(参阅图4)，并热退火，该脉冲激光的脉宽为纳秒量级，以穿透硫系元素掺杂层5，所述脉冲激光通量为0.4J/cm2至3J/cm2；该脉冲激光辐照后的硅表面粗糙度小于5nm；热退火温度为300℃至1000℃，退火时间为1秒至60分钟；
步骤8：在圆形窗口32表面沉积增透膜层6(参阅图5)，该增透膜层6为二氧化硅或氮化硅或两者的组合，采用热氧化或化学气相淀积的方法制备；所述增透膜层6的厚度为50nm至300nm；
步骤9：采用光刻的方法，刻蚀迎光面掩蔽层3，在迎光面掩蔽层3圆形窗口32的周围形成环形凹槽(参阅图6和图7)；
步骤10：在环形凹槽内制备正面接触电极7(参阅图6)，该正面接触电极7为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或及其组合，采用电阻热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射的方法制备；所述正面接触电极7覆盖p型硼掺杂层4的一部分，未被正面接触电极7覆盖的p型硼掺杂层4由迎光面掩蔽层3或增透膜层6覆盖；
步骤11：在磷背场2的背面制备背面接触电极8(参阅图6)，完成器件制备，所述磷背场2的一部分或全部被背面接触电极8覆盖；该背面接触电极8为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或及其组合，采用电阻热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射的方法制备。
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 (12)

1.一种硅基近红外光电探测器结构，包括：
一n型硅衬底，该n型硅衬底的上面向下开有两层台阶状的圆槽；
一磷背场，该磷背场制作在n型硅衬底的下面；
一硫系元素掺杂层，该硫系元素掺杂层制作在该n型硅衬底上面的最下层的圆槽内；
一p型硼掺杂层，该p型硼掺杂层制作在该n型硅衬底上面的上层圆槽内；
一迎光面掩蔽层，该迎光面掩蔽层制作在n型硅衬底上面圆槽的周围，并覆盖p型硼掺杂层的周边部分，中间形成圆孔，该圆孔的周边开有一环形凹槽，该环形凹槽的外径小于n型硅衬底上面上层圆槽的直径；
一增透膜层，该增透膜层制作在迎光面掩蔽层中间的圆孔内；
一正面接触电极，该正面接触电极制作在迎光面掩蔽层上的环形凹槽内；
一背面接触电极，该背面接触电极制作在磷背场的下面。
2.根据权利要求1所述的硅基近红外光电探测器结构，其中所述迎光面掩蔽层为二氧化硅或氮化硅。
3.根据权利要求1所述的硅基近红外光电探测器结构，其中所述增透膜层为二氧化硅或氮化硅或两者的组合。
4.根据权利要求1所述的硅基近红外光电探测器结构，其中所述的硫系元素掺杂层经过脉冲激光辐照，其在1.1μm至2.5μm波长范围具有高于30％的光学吸收率。
5.根据权利要求4所述的硅基近红外光电探测器结构，其中所述脉冲激光的脉宽为纳秒量级，以穿透硫系元素掺杂层。
6.根据权利要求5所述的硅基近红外光电探测器结构，其中所述硫系元素掺杂层为硫、硒或碲中的一种或多种组合。
7.根据权利要求1所述的硅基近红外光电探测器结构，其中所述正面接触电极和背面接触电极为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或及其组合。
8.一种硅基近红外光电探测器结构制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在n型硅衬底背面进行磷掺杂，形成磷背场；
步骤2：在n型硅衬底正面制备迎光面掩蔽层，该迎光面掩蔽层为二氧化硅或氮化硅；
步骤3：光刻迎光面掩蔽层，在迎光面掩蔽层中间形成一圆形p型掺杂窗口；
步骤4：在圆形p型掺杂窗口中采用扩散或离子注入的方法进行硼掺杂，在n型硅衬底的上表面形成p型硼掺杂层；
步骤5：将迎光面掩蔽层刻蚀掉，再在n型硅衬底的上表面制备迎光面掩蔽层，采用光刻的方法，在迎光面掩蔽层中间形成一圆形窗口，该圆形窗口的直径小于圆形p型掺杂窗口的直径；
步骤6：采用离子注入法，在圆形窗口32中注入硫系杂质元素，在p型硼掺杂层的下面形成硫系元素掺杂层，该硫系元素掺杂层经过脉冲激光辐照，其在1.1μm至2.5μm波长范围具有高于30％的光学吸收率，该硫系元素掺杂层为硫、硒或碲中的一种或多种组合；
步骤7：采用脉冲激光辐照的方法，对圆形窗口进行激光辐照，并热退火，该脉冲激光的脉宽为纳秒量级，以穿透硫系元素掺杂层；
步骤8：在圆形窗口表面沉积增透膜层，该增透膜层为二氧化硅或氮化硅或两者的组合；
步骤9：采用光刻的方法，刻蚀迎光面掩蔽层，在迎光面掩蔽层圆形窗口的周围形成环形凹槽；
步骤10：在环形凹槽内制备正面接触电极，该正面接触电极为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或及其组合；
步骤11：在磷背场的背面制备背面接触电极，该背面接触电极为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或及其组合，完成器件制备。
9.根据权利要求8所述的硅基近红外光电探测器结构制作方法，其中所述磷掺杂的深度为0.1μm至1μm，浓度为1018/cm3至1020/cm3，激活率高于90％；所述硼掺杂的深度为0.1μm至0.6μm，浓度为1018/cm3至1020/cm3，激活率高于90％。
10.根据权利要求8所述的硅基近红外光电探测器结构制作方法，其中所述圆形窗口中注入的硫系杂质元素峰值掺杂深度位于p型硼掺杂层和n型硅衬底的界面处上下0.1μm范围内，掺杂浓度为1014/cm3至1018/cm3，激活率高于50％。
11.根据权利要求8所述的硅基近红外光电探测器结构制作方法，其中所述脉冲激光通量为0.4J/cm2至3J/cm2；热退火温度为300℃至1000℃，退火时间为1秒至60分钟。
12.根据权利要求8所述的硅基近红外光电探测器结构制作方法，其中所述增透膜层的厚度为50nm至300nm。
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