CN103400872B - 表面电场增强的pin光电探测器的结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

表面电场增强的PIN光电探测器的结构及其制备方法属于光电探测器。该PIN光电探测器其特征在于：在原来覆盖整个光敏面的单一p型轻掺杂区105，选择性的加入p型重掺杂区106，同时使p型重掺杂区106与p型欧姆接触层104相连，使得纵向电场得到增强，提高探测器响应速度，同时引入横向电场，增加光生空穴的输运通道，降低输运电阻，减少p型轻掺杂区105中的光生空穴向电极输运时的非辐射复合，提高光生空穴收集效率，从而有效地提高了量子效率。本发明提供一种表面电场增强的PIN光电探测器的结构设计和制备工艺，解决了传统结构的光电探测器对光生载流子收集效率低的问题，提高了器件的光谱响应。

Description

表面电场增强的PIN光电探测器的结构及其制备方法

技术领域

表面电场增强的PIN光电探测器结构及其制备方法，属于半导体光电子技术领域，涉及一种半导体探测器件的结构及其制备方法。

背景技术

PIN结构光电探测器能有效地增加吸收长度和吸收效率，具有在室温下工作、能量分辨率高、脉冲上升时间短、探测效率高、性能稳定等优点，成为二十世纪六十年代以来迅速发展的一种半导体探测器，在生物医学、数据存储媒介、火焰监测、紫外线剂量测量、高能射线探测、医疗、安检、工业探伤等领域得到广泛应用。当光照射在PIN光电探测器的光敏面上，光子能够在材料内部产生电子空穴对，在耗尽区内建电场的作用下光生电子漂移到N区，光生空穴漂移到P区，分别输运到正负电极而被收集，产生光电流。

光电流的大小除了与增透膜的设计、材料的质量有关外，还与光生载流子被电极收集的效率有关。通过增透膜的设计可以使光的透过率达到95%以上，而材料的质量随着制备科学的不断进步已接近完美。因此，光生载流子的收集效率是限制探测器光电流大小的关键因素，而光生载流子的收集效率与器件内部电场密切相关。传统的PIN光电探测器主要采用平面和两种结构。前者的整个表面采用p型重掺杂区，通过增大耗尽区的电场强度而提高探测器的收集效率，但是p型重掺杂区的掺杂浓度通常在10¹⁹cm^-3以上，厚度达到1微米以上，这样会引入损伤，产生大量非辐射复合中心，少子寿命大大下降（约为1微秒），大大降低短波波段的光谱响应。后者的整个表面采用较薄的p型轻掺杂区，掺杂浓度通常在10¹⁶cm^-3左右，厚度在0.5微米以下，虽然提高了少子寿命（约为100微秒），提高了短波波段的响应，但是光生空穴被收集到p型轻掺杂区后，还是要经过较长的横向输运过程才能被电极收集，响应速度慢，同时表面存在的界面态等导致的非辐射复合进一步降低探测器件的光谱响应。

图1（a）显示了传统结构光电探测器重光生载流子收集的物理过程，由于传统结构的光电探测器仅具有p型轻掺杂区105，除了通过过程①，在p型欧姆接触层104附近的光生空穴能直接被p型欧姆接触电极102收集，其余被p型轻掺杂区105收集到的光生空穴需要横向输运较长距离才能到达p型欧姆接触层104，而后被p型欧姆接触电极102收集，如图中过程②所示，由于界面处存在很多界面态，在过程②中光生空穴非常容易发生非辐射复合，导致载流子收集效率降低，器件的光谱响应降低。

发明内容：

本发明的目的是提供一种表面电场增强的PIN光电探测器的结构及其制备方法。

本发明的表面电场增强的PIN光电探测器，其结构如附图2所示，其特征包括：本征层107，位于本征层107上表面有环形的p型欧姆接触层104，在p型欧姆接触层104中间具有p型重掺杂区106，其掺杂浓度要求为1×10¹⁷cm^-3到1×10²²cm^-3之间，深度在0.5μm到10μm之间，p型重掺杂区106其结构形状为多个或单个重掺杂条、多个或单个重掺杂环、多个重掺杂点阵，任意相邻条之间、任意相邻环之间、点阵中任意相邻点之间的间距根据p型重掺杂区106与本征层107之间形成的耗尽区宽度来计算，且该间距为耗尽区宽度的2倍到3倍，p型重掺杂区106与p型欧姆接触层104相连，p型重掺杂区106与p型欧姆接触层104之间覆盖有p型轻掺杂区105，p型轻掺杂区105的掺杂浓度应介于本征层107及p型重掺杂区106之间，在1×10¹⁶cm^-3到1×10¹⁹cm^-3之间，厚度在0.01μm到0.5μm之间，位于环形的p型欧姆接触层104之上为p型欧姆接触电极102，p型欧姆接触电极102内为增透层101，p型欧姆接触电极102外为氧化保护层103，位于本征层107下表面有n型欧姆接触层108，n型欧姆接触层108之下为n型欧姆接触电极109。

本发明的表面电场增强的PIN光电探测器在外加光照条件下，在p型欧姆接触电极102和n型欧姆接触电极109之间加反向偏压或0偏压时，可实现光子探测。

本发明的表面电场增强的PIN光电探测器通过在p型轻掺杂区105内选择性的加入与p型欧姆接触层104相连的p型重掺杂区106，增强纵向电场，提高探测器响应速度，同时引入横向电场，增加光生空穴的输运通道，降低输运电阻。图1（b）显示了本发明的PIN光电探测器中光生载流子收集的物理过程，通过过程③，光生空穴可以输运较短的距离就可以经由p型重掺杂区106被p型欧姆接触电极102收集，减少了光生空穴在传统结构中的p型轻掺杂区105横向输运较长距离时发生的非辐射复合，如图中过程②所示，提高光生空穴的收集效率，从而在不损失短波波段光谱响应的前提下，提高器件在整个光吸收谱范围内的光谱响应。

本发明的表面电场增强的PIN光电探测器的本征层107适用于硅、多晶硅、GaAs、GaN、InP、SiC、SOI等材料，其掺杂浓度在1×10¹¹cm^-3到1×10¹⁴cm^-3之间；

本发明的表面电场增强的PIN光电探测器中p型重掺杂区106可与p型欧姆接触层104一起制备，也可单独制备。其结构形状可为在光敏面内与电极相连的多个或单个重掺杂条、多个或单个重掺杂环、多个重掺杂点阵等，如附图3（a）、（b）、（c）所示，图中多个重掺杂条互相平行、多个重掺杂为多个同心圆或同心方形。任意相邻条之间、任意相邻环之间、任意相邻点之间的间距如附图3（d）所示，主要根据p型重掺杂区106与本征层107之间形成的耗尽区宽度来计算，实际间距为耗尽区宽度的2倍到3倍，耗尽区宽度根据公式 $X_D=\sqrt{\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0(N_A+N_D)(V_D-V)}{q{N}_A{N}_D}}$ ； $V_D=\frac{k_{0}T}{q}\left(\ln \frac{N_A{N}_D}{{n_i}^2}\right)$ 来计算，其中X_D即为耗尽区宽度，ε_r为本征层107的相对介电常数，ε₀为真空介电常数，q为电子电量，k₀为波尔兹曼常数，T为温度，N_A为p型重掺杂区106的受主浓度，N_D为本征衬底的施主浓度，n_i为本征载流子浓度，V_D为p型重掺杂区106与本征层107的内建电势差，V为外加工作电压。由于p型重掺杂区106与p型欧姆接触层104相连，且p型重掺杂区106表面不做电极，可以在不影响有效光敏面积的条件下，在增强纵向电场的同时引入横向电场，减小光生载流子向电极输运时的非辐射复合，增加光生载流子的收集，提高光谱响应，根据附图4所示的实验测试结果，本发明的表面电场增强的硅基PIN光电探测器的量子效率在波长960nm处可达86%以上，比传统结构的光电探测器的量子效率在波长960nm处为50%高接近1倍，且本发明的探测器的量子效率在整个光吸收谱范围内都表现出比传统结构的光电探测器高30%以上；

本发明的表面电场增强的PIN光电探测器中p型轻掺杂区105可以用离子注入方式形成，也可以用外延生长及扩散的方式形成；其厚度在0.01μm到0.5μm之间，有利于提高短波波段的量子效率，p型轻掺杂区105掺杂浓度应介于本征层107及p型重掺杂区106之间，约在1×10¹⁶cm^-3到1×10¹⁹cm^-3之间；

本发明的表面电场增强的PIN光电探测器中p型欧姆接触电极102和n型欧姆接触电极109可以为透明电极，也可以为不透明电极，材料可为Al、Ag、ITO等单层材料，也可以为Ti/Ni/Au等多层材料；

本发明的表面电场增强的PIN光电探测器，通过增加增透层101来增加光透过率，提高外量子效率，增透层101既可以针对某个波长，也可以针对整个波段，可以是单层也可以是多层，材料可以为SiO₂、SiN、MgF₂、ITO等；

本发明的表面电场增强的PIN光电探测器的制备方法为在本征层107的上表面制备氧化保护层103；在氧化保护层103上光刻出p型欧姆接触层104及p型重掺杂区106的图形，腐蚀正面的氧化保护层103，制备p型欧姆接触层104及p型重掺杂点阵106；在氧化保护层103上光刻出p型轻掺杂区105的图形，腐蚀正面的氧化保护层103，制备p型轻掺杂区105；在本征层107的下表面制备n型欧姆接触层108；在本征层107的上表面制备增透层101；在本征层107的上表面和下表面制备p型欧姆接触电极102和n型欧姆接触电极109；切割划片并封装，得到本发明的表面电场增强的PIN光电探测器。

本发明的表面电场增强的PIN光电探测器，可以采用正面入射，也可以采用背面入射，采用背面入射时，背面需要增加增透层101；

本发明的表面电场增强的PIN光电探测器可以在p型欧姆接触电极102外围添加一圈或多圈具有隔离器件间串扰、提高反向击穿电压、降低反向暗电流作用的保护环，保护环与器件的距离可根据实际情况设计，可为p型重掺杂、n型重掺杂、STI（浅沟槽隔离）等；

本发明的表面电场增强的PIN光电探测器可以通过将300μm到500μm的本征层107减薄至100μm到200μm或通过背面深扩散将n型欧姆接触层108的深度扩展到10μm到100μm，增加背面电场强度，增加光生载流子的收集。

附图说明：

图1：传统结构的探测器中光生载流子的输运收集过程（a）和本发明的表面电场增强的PIN光电探测器中光生载流子的输运收集过程（b）；

图中：过程①表示被p型轻掺杂区105收集到的光生空穴可以输运到p型欧姆接触层104，而后被p型欧姆接触电极102收集；

过程②表示被p型轻掺杂区105收集到的光生空穴在向p型欧姆接触电极102输运时被非辐射复合；

过程③表示被p型轻掺杂区105收集到的光生空穴可以输运到p型重掺杂区106，而后被p型欧姆接触电极102收集；

空穴向电极输运过程中发生非辐射复合  ●电子

→  电子和空穴的输运方向                  ○空穴

图2：本发明的表面电场增强的PIN光电探测器的剖面结构图；

图中：增透层101，p型欧姆接触电极102，氧化保护层103，p型欧姆接触层104，p型轻掺杂区105，p型重掺杂区106，本征层107，n型欧姆接触层108，n型欧姆接触电极109；

图3：本发明的表面电场增强的PIN光电探测器中p型重掺杂区106的结构形状图；

图中：（a）为多个重掺杂条结构的俯视图，（b）为多个重掺杂环的俯视图，（c）为重掺杂点阵的俯视图，（d）为p型重掺杂区106的剖面图，X_D即为耗尽区宽度；

图4：本发明的表面电场增强的硅基PIN光电探测器的量子效率与传统结构的探测器量子效率的实验测试对比结果；

图5：本发明的表面电场增强的PIN光电探测器的制备流程及各个步骤对应的俯视图和剖面图；

图中：(a)为步骤一的俯视图，（b）为步骤一的剖面图，(c)为步骤二的俯视图，（d）为步骤二的剖面图，(e)为步骤三的俯视图，（f）为步骤三的剖面图，(g)为步骤四的俯视图，（h）为步骤四的剖面图，(i)为步骤五的俯视图，（j）为步骤五的剖面图，(k)为步骤六的俯视图，（l）为步骤六的剖面图，(m)为步骤七的俯视图，（n）为步骤七的剖面图。

具体实施方式：

如附图5所示，本征层107采用n型掺杂的高阻硅材料，掺杂浓度5×10¹¹cm^-3，并采用p型重掺杂点阵为例，其制备过程和方法如下：

1、在n型高阻硅本征层107表面热氧化或生长氧化保护层103；

2、光刻出p型欧姆接触层104及p型重掺杂点阵106的图形，腐蚀正面的氧化保护层103，在n型高阻硅本征层107正面注入硼，形成p型欧姆接触层104及p型重掺杂点阵106，掺杂浓度均为5×10¹⁹cm^-3，深度2μm，p型重掺杂点阵106的俯视图为正方形点阵，长宽均为20μm，连接p型重掺杂点阵106与p型欧姆接触层104的条宽度为10μm，根据计算，耗尽区宽度约为41μm，因此点间距80μm；

3、光刻出p型轻掺杂区105的图形，腐蚀正面的氧化保护层103，在n型高阻硅本征层107正面注入硼，形成p型轻掺杂区105，掺杂浓度为3×10¹⁶cm^-3，深度0.25μm；

4、腐蚀背面的氧化保护层103，在n型高阻硅本征层107背面注入磷，形成n型欧姆接触层108，掺杂浓度为8×10¹⁹cm^-3，深度3μm。由n型欧姆接触层108、p型欧姆接触层104及n型高阻硅本征层107形成PIN结结构；

5、在正面生长SiO₂、SiN、MgF₂、ITO等材料，可以是单层，也可以是多层，光刻并腐蚀掉位于p型欧姆接触层104及p型欧姆接触层104以外的单层或多层SiO₂、SiN、MgF₂、ITO，形成增透层101；

6、采用溅射或者蒸发，在正面及背面淀积电极材料，材料可以是Al、Ag、ITO等单层材料，也可以是Ti/Ni/Au等多层材料，对正面电极光刻并腐蚀掉p型欧姆接触层104外的区域，经过合金，分别形成n型欧姆接触电极109和p型欧姆接触电极102；

7、切割划片并封装，得到本发明的表面电场增强的PIN光电探测器。在光照情况下，在n型欧姆接触电极109和p型欧姆接触电极102上加反偏电压或0偏压实现光信号的探测。

本发明经上述方案的实施完成了本发明的目的。

Claims (5)

1.一种表面电场增强的PIN光电探测器的结构，其特征包括：本征层(107)，位于本征层(107)上表面有环形的p型欧姆接触层(104)，在p型欧姆接触层(104)中间具有p型重掺杂区(106)，其掺杂浓度要求为1×10¹⁷cm^-3到1×10²²cm^-3之间，深度在0.5μm到10μm之间，p型重掺杂区(106)其结构形状为多个或单个重掺杂条、或者为多个或单个重掺杂环、或者为多个重掺杂点阵，任意相邻条之间、任意相邻环之间、或者点阵中任意相邻点之间的间距根据p型重掺杂区(106)与本征层(107)之间形成的耗尽区宽度来计算，且该间距为耗尽区宽度的2倍到3倍，p型重掺杂区(106)与p型欧姆接触层(104)相连，p型重掺杂区(106)与p型欧姆接触层(104)之间覆盖有p型轻掺杂区(105)，p型轻掺杂区(105)的掺杂浓度应介于本征层(107)及p型重掺杂区(106)之间，在1×10¹⁶cm^-3到1×10¹⁹cm^-3之间，厚度在0.01μm到0.5μm之间，位于环形的p型欧姆接触层(104)之上为p型欧姆接触电极(102)，p型欧姆接触电极(102)内为增透层(101)，p型欧姆接触电极(102)外为氧化保护层(103)，位于本征层(107)下表面有n型欧姆接触层(108)，n型欧姆接触层(108)之下为n型欧姆接触电极(109)。

2.根据权利要求1所述的表面电场增强的PIN光电探测器，其中本征层(107)采用硅、GaAs、GaN、InP、SiC或SOI材料，其掺杂浓度在1×10¹¹cm^-3到1×10¹⁴cm^-3之间。

3.根据权利要求1所述的表面电场增强的PIN光电探测器，其中p型欧姆接触层(104)，n型欧姆接触层(108)的浓度为1×10¹⁷cm^-3到1×10²²cm^-3之间，深度在0.5μm到10μm之间。

4.根据权利要求1所述的表面电场增强的PIN光电探测器的制备方法，其特征在于步骤如下：为在本征层(107)的上表面制备氧化保护层(103)；在氧化保护层(103)上光刻出p型欧姆接触层(104)及p型重掺杂区(106)的图形，腐蚀正面的氧化保护层(103)，制备p型欧姆接触层(104)及p型重掺杂点阵(106)；在氧化保护层(103)上光刻出p型轻掺杂区(105)的图形，腐蚀正面的氧化保护层(103)，制备p型轻掺杂区(105)；在本征层(107)的下表面制备n型欧姆接触层(108)；在本征层(107)的上表面制备增透层(101)；在本征层(107)的上表面和下表面制备p型欧姆接触电极(102)和n型欧姆接触电极(109)；切割划片并封装，得到本发明的表面电场增强的PIN光电探测器。

5.根据权利要求4所述的表面电场增强的PIN光电探测器的制备方法，其特征在于：通过将300μm到500μm的本征层(107)减薄至100μm到200μm或通过背面深扩散将n型欧姆接触层(108)的深度扩展到10μm到100μm，增加背面电场强度，增加光生载流子的收集。