CN105115599A - 一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器及其制备方法，属于光电探测技术领域。所述四象限光电探测器的每个象限的Si-PIN光电探测器包括硅本征衬底1、位于硅本征衬底正面中央上方的P型区4、位于硅本征衬底正面中央上方四周的环形P⁺区3、位于硅本征衬底下方的N型MEMS微结构硅层区2、位于P型区和P⁺区上表面两侧的上电极5，以及位于N型MEMS微结构硅层区下表面的下电极6。每个单元探测器件通过隔离槽隔开，可以有效减小象限间的信号串扰。本发明比传统Si-PIN四象限光电探测器具有响应度高、响应波段范围宽、象限间信噪比大等特点，可拓展Si-PIN四象限光电探测器的功能和使用范围，满足大规模市场化应用的需求。

Description

一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及四象限光电探测器件结构，具体涉及一种基于MEMS微结构硅的正照式Si-PIN四象限光电探测器及其制备方法。

背景技术

在激光测距和光通讯技术中，所使用的光信号接收器件通常是单元器件，如PN结二极管、PIN光电二极管和APD二极管等，但是如果要探测的目标是一个运动的物体，如飞行的导弹，它的位置会随时间发生改变，此时，我们不仅要知道目标的距离，还要知道目标的方位。这时，仅仅依靠单元探测器，无法同时实现精确定位和目标探测工作。

四象限光电探测器具有灵敏度和位置分辨率高、响应快、动态范围宽等特点，广泛应用于目标方位测量、跟踪等军事和民用装备和系统，如在激光制导、激光准直中通常使用。目前，现有的普通Si-PIN四象限光电探测器主要用于对可见光进行探测，而在军事和民用设备中，对探测波长为1060nm的Si-PIN四象限光电探测器提出了更高的要求。

发明内容

本发明提供一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器器件结构及其制备方法。具有在近红外波段响应度更高、探测波长范围更广，不同象限单元之间的探测信噪比更大，且制备工艺较为简单，具有成本低、响应速度快、易于集成等特点。

本发明为了解决上述技术问题，采用以下技术方案：

本发明提个了一种基于MEMS微结构硅的四象限光电探测器，如图1，所述四象限探测器由4个性能完全相同的Si-PIN单元光电探测器（图1中A、B、C、D）按照直角坐标排列而成。每个单元探测器的结构示意图如图2所示，包括硅本征衬底1、位于硅本征衬底1正面中央的P型区4、位于硅本征衬底1正面四周的环形P⁺区3、位于硅本征衬底1背面的N型MEMS微结构硅层区2、位于P型区4和P⁺区3上表面两侧的上电极5，以及位于N型MEMS微结构硅层区2下表面的下电极6。

上述技术方案中，所述N型MEMS微结构硅层2是在硅本征衬底1背面通过MEMS工艺形成的微米柱状阵列，然后再进行硫S或碲Te离子注入，最后，经磷P元素扩散掺杂形成N型MEMS微结构硅层；其中S离子或Te离子注入掺杂浓度范围为1×10¹⁴ion/cm²～1×10¹⁶ion/cm²。

上述技术方案中，所述P⁺区3为硼B元素重扩散掺杂P⁺型区，结深为1.0μm～3.5μm，掺杂浓度范围为1×10¹⁸ion/cm³～5×10¹⁹ion/cm³。

上述技术方案中，所述P区4为硅本征衬底1正面经硼B扩散掺杂形成P型导电类型，结深为0.2μm～3.0μm。

上述技术方案中，所述上电极5和下电极6为金属薄膜电极，金属材料可以是铝（Al）、金（Au）或金铬合金（Au/Cr），厚度为50nm～150nm。

本发明还提供了一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选用硅单晶片材料作为衬底，在硅衬底表面氧化生长SiO₂膜层；

步骤2：在SiO₂膜层上沿着两条正交直径方向光刻出两条象限隔离槽，槽宽100μm～200μm，槽深3μm～5μm；

步骤3：在每个象限SiO₂膜层表面四周光刻出环形P⁺区的图形，然后进行硼B重扩散掺杂形成环形P⁺区（3），掺杂浓度范围为1×10¹⁸ion/cm³～5×10¹⁹ion/cm³；

步骤4：在每个象限SiO₂膜层表面光刻出P型区4的图形，然后进行硼B扩散掺杂形成P区4；

步骤5：对本征硅衬底背面进行减薄、研磨、抛光，使本征硅衬底厚度为200μm～300μm，并进行MEMS微结构硅层加工，形成呈阵列化排布的柱子、或孔；

步骤6：对步骤5处理后的MEMS微结构硅层进行S或Te元素掺杂，离子注入掺杂浓度范围为1×10¹⁴ion/cm²～1×10¹⁶ion/cm²；

步骤7：对步骤6处理后MEMS微结构硅层进行磷P重扩散掺杂，形成N型区2；

步骤8：制备金属电极。

本发明的工作原理是：四象限光电探测器实质上是由四个单元Si-PIN光电探测器组成的阵列。单元器件的工作原理相同：当光照射到器件的光敏面上时，硅半导体吸收光，就会在耗尽层和距离耗尽层一个扩散长度范围内产生电子-空穴对，在电场的作用下分别向两极移动，当载流子漂移通过耗尽层时，在外电路就可以检测出光电压或光电流。当运动物体位置发生改变时，在每个象限上的探测器接受目标物体的光辐射通量就会产生差异，而这种差异会导致各象限探测器输出电信号不同，通过这种输出电信号的差异，我们就可以确定出目标物体的方位，从而实现定位、探测、追踪和制导等功能。

本发明将MEMS微结构硅层制备在象限探测器的背面，当未被吸收的光（通常是近红外光）透过本征层（1）时，MEMS微结构硅层(2)对透射光进行反射和吸收，可以明显提高光的吸收率，尤其是增强对红外光的吸收。值得注意的是,由于硅材料的禁带宽度较大（1.12ev），对红外光几乎是透明的，因此，红外光能几乎完全透过P型区和硅衬底，到达MEMS微结构硅层上，然而，我们制备的微结构硅层上的微结构可以对透过的光进行反射和吸收，同时，微结构硅层由于进行了S和Te元素掺杂，改变了硅的能带结构，使得红外光能够被吸收，因此，我们发明的基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器和普通硅四象限探测器相比，具有响应度高，光谱响应范围宽，不同象限单元间信噪比大等优点。

本发明提供的一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器，所指MEMS微结构硅是单晶硅片经过MEMS工艺和离子注入工艺后得到的，具有很大的比表面积和光学限光结构，因此光的吸收率有很大的提高（吸收率可达到90%以上）；同时，MEMS微结构硅又经S离子或Te离子注入掺杂，有助于将透过本征层后的近红外波段光波反复增强吸收，从而拓宽Si-PIN四象限光电探测器的光谱响应范围。

本发明提供的一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器，所用材料均以硅为基本材料，因此易于与现有半导体标准工艺兼容，且制备过程简单，成本低。采用MEMS微结构硅的特殊结构以及氧族元素掺杂，使该器件具有较高的响应度、宽的光谱响应范围以及不同象限单元之间探测信噪比大等特点。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器的俯视结构示意图。

图2是本发明提供的一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器的剖面结构示意图。

图3是本发明提供的基于MEMS微结构硅的Si-PIN光电探测器单元器件的的剖面结构示意图。

图4是本发明提供的基于MEMS微结构硅的Si-PIN光电探测器单元器件的的俯视结构示意图。

其中各附图标记的含义为：

A、B、C、D是4个性能完全相同的Si-PIN单元探测器件，1是硅本征衬底、2是N型MEMS微结构硅层区、3是P⁺区、4是P型区、5是上电极、6是下电极、7是隔离槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方法作进一步的说明。

我们发明的一种基于MEMS微结构硅的四象限光电探测器，就是由4个性能完全相同的以单元Si-PIN光电探测器按照直角坐标排列而成，可用于激光瞄准、激光制导、激光定位、激光打靶等。相比于传统的Si-PIN四象限光电探测器，由于采用独特的材料及器件结构，我们发明的四象限光电探测器的响应度更高（尤其在近红外波段）、探测波长范围更广；而相比于基于InGaAs材料的四象限探测器，新器件又具有材料价格低廉、热机械性能好、与现有微电子工艺兼容等优点。

一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器，如图1，所述象限探测器由四个性能完全相同的Si-PIN单元光电探测器（图1中A、B、C、D）按照直角坐标排列而成。每个单元探测器的结构示意如图2所示，包括硅本征衬底1、位于硅本征衬底1正面中央的P型区4、位于硅本征衬底1正面四周的环形P⁺区3、位于硅本征衬底1背面的N型MEMS微结构硅层区2、位于P型区4和P⁺区3上表面两侧的上电极5，以及位于N型MEMS微结构硅层区2下表面的下电极6。

上述技术方案中：

所述N型区2为硅本征衬底1背面通过MEMS工艺形成的微米柱（孔）状阵列，然后再进行S离子或Te离子注入掺杂得到MEMS微结构硅层，再经磷P元素扩散掺杂形成N型导电类型；其中S或Te离子注入掺杂浓度范围为1×10¹⁴ion/cm²~1×10¹⁶ion/cm²。

所述P⁺区3为硼B元素重扩散掺杂P⁺型区，结深为1.0μm～3.5μm，掺杂浓度范围为1×10¹⁸ion/cm³～5×10¹⁹ion/cm³。

所述P区4为硅本征衬底1正面经硼B元素扩散掺杂形成P型导电类型，结深为0.2μm～3.0μm。

所述上电极5和下电极6为金属薄膜电极，金属材料可以是铝（Al）、金（Au）或金铬合金（Au/Cr），厚度50nm～150nm。

实施例1

一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器，包括位于直角坐标中不同象限区的4个性能完全相同的单元光电探测器，其特征在于：单元光电探测器包从下至上依次设置的下电极6、N型MEMS微结构硅层2、硅本征衬底1，硅本征衬底1上设置有P型区4，和环形P⁺区3，还包括设置在P型区4，和P⁺区3上表面的上电极5，MEMS微结构硅层的表面为呈阵列化排布的柱子、或孔，直径2μm、高度或深度1μm、周期2μm。MEMS微结构硅上掺杂S或Te元素，离子注入掺杂浓度范围为1×10¹⁴ion/cm²。所述环形P⁺区3掺杂硼B，其掺杂浓度范围为1×10¹⁸ion/cm³。上端电极5和下端电极6为铝Al层或金Au层或金铬/金Cr/Au层，电极厚度为50nm。

实施例2

一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器，包括位于直角坐标中不同象限区的4个性能完全相同的单元光电探测器，其单元光电探测器包从下至上依次设置的下电极6、N型MEMS微结构硅层2、硅本征衬底1，硅本征衬底1上设置有P型区4，和环形P⁺区3，还包括设置在P型区4，和P⁺区3上表面的上电极5。MEMS微结构硅层的表面为呈阵列化排布的柱子、或孔，直径3μm、高度或深度2μm、周期3μm。MEMS微结构硅上掺杂S或Te元素，离子注入掺杂浓度范围为1×10¹⁶ion/cm²。所述环形P⁺区3掺杂硼B，其掺杂浓度范围为5×10¹⁹ion/cm³。上端电极5和下端电极6为铝Al层或金Au层或金铬/金Cr/Au层，电极厚度为150nm。

实施例3

一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限探测器的制备方法，步骤如下：

步骤1：预备表面清洁、干燥的高阻电阻率为1000Ω·cm～2000Ω·cm、晶向为<111>的硅单晶片衬底材料，在硅衬底1表面氧化生长SiO₂膜层。

步骤2：在SiO₂膜层上沿着两条正交直径方向光刻出两条象限隔离槽，槽宽100μm，槽深3μm。

步骤3：在每个象限SiO₂膜层表面四周同步光刻出P⁺区3的图形，然后进行硼B重扩散掺杂形成P⁺区3，掺杂浓度范围为1×10¹⁸ion/cm³。

步骤4：在每个象限SiO₂膜层表面同步光刻出P型区4的图形，然后进行硼B扩散掺杂形成P区4。

步骤5：对本征硅衬底1背面进行减薄、研磨、抛光，使本征硅衬底1厚度减薄为300μm，之后进行MEMS微结构硅层加工，其典型尺寸为：柱子（或孔）直径2μm、高度（或深度）1μm、周期2μm。

步骤6：对步骤5处理后的MEMS微结构硅层进行S或Te元素掺杂，离子注入掺杂浓度范围为1×10¹⁴ion/cm²。

步骤7：对步骤6处理后的MEMS微结构硅层进行磷P重扩散掺杂，形成N型区2。

步骤8：制备金属电极。

实施例4

一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限探测器的制备方法，步骤如下：

步骤1：预备表面清洁、干燥的高阻（电阻率为1000Ω·cm～2000Ω·cm）、晶向为<111>的硅单晶片衬底材料，在硅衬底1表面氧化生长SiO₂膜层。

步骤2：在SiO₂膜层上沿着两条正交直径方向光刻出两条象限隔离槽，槽宽100μm～200μm，槽深3μm～5μm。

步骤3：在每个象限SiO₂膜层表面四周光刻出P⁺区3的图形，然后进行硼B重扩散掺杂形成P⁺区3，掺杂浓度范围为1×10¹⁸ion/cm³～5×10¹⁹ion/cm³。

步骤4：在每个象限SiO₂膜层表面光刻出P型区4的图形，然后进行硼B扩散掺杂形成P区4。

步骤5：对本征硅衬底1背面进行减薄、研磨、抛光，使本征硅衬底1厚度减薄为350μm，之后进行MEMS微结构硅层加工，其典型尺寸为：柱子（或孔）直径3μm、高度（或深度）2μm、周期3μm。

步骤6：对步骤5处理后的MEMS微结构硅层进行S或Te元素掺杂，离子注入掺杂浓度范围为1×10¹⁶ion/cm²。

步骤7：对步骤6处理后的MEMS微结构硅层进行磷P重扩散掺杂，形成N型区2。

步骤8：制备金属电极。

Claims (7)

1.一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器，包括位于直角坐标中不同象限区的4个性能相同的单元光电探测器，其特征在于：单元光电探测器包括从下至上依次设置的下电极（6）、N型MEMS微结构硅层（2）、硅本征衬底（1），硅本征衬底（1）上设置有P型区（4），和环形P⁺区（3），还包括设置在P型区（4）和P⁺区（3）上表面的上电极（5）。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器，其特征在于：MEMS微结构硅层的表面为呈阵列化排布的柱子、或孔，直径2μm～3μm、高度或深度1μm～2μm、周期2μm～3μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器，其特征在于：MEMS微结构硅上掺杂S或Te元素，离子注入掺杂浓度范围为1×10¹⁴ion/cm²～1×10¹⁶ion/cm²。

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器，其特征在于：所述环形P⁺区（3）掺杂硼B，其掺杂浓度范围为1×10¹⁸ion/cm³～5×10¹⁹ion/cm³。

5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器，其特征在于：上电极（5）和下电极（6）为铝Al层或金Au层或金铬/金Cr/Au层，电极厚度为50nm～150nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选用硅单晶片材料作为衬底，在衬底表面氧化生长SiO₂膜层；

步骤2：在SiO₂膜层上沿着两条正交直径方向光刻出两条象限隔离槽，槽宽100μm～200μm，槽深3μm～5μm；

步骤3：在每个象限SiO₂膜层表面四周同步光刻出环形P⁺区（3）的图形，然后进行硼B重扩散掺杂形成环形P⁺区（3），掺杂浓度范围为1×10¹⁸ion/cm³～5×10¹⁹ion/cm³；

步骤4：在每个象限SiO₂膜层表面同步光刻出P型区（4）的图形，然后进行硼B扩散掺杂形成P型区（4）；

步骤5：对本征硅衬底（1）背面进行减薄、研磨、抛光，使本征硅衬底（1）厚度为200μm～300μm，并进行MEMS微结构硅层加工，形成呈阵列化排布的柱子、或孔；

步骤6：对步骤5处理后的MEMS微结构硅层进行S或Te元素掺杂，离子注入掺杂浓度范围为1×10¹⁴ion/cm²～1×10¹⁶ion/cm²；

步骤7：对步骤6处理后MEMS微结构硅层进行磷P重扩散掺杂，形成N型区（2）；

步骤8：制备金属电极。

7.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器的制备方法，其特征在于，MEMS微结构硅层的表面为呈阵列化排布的柱子、或孔，直径2μm～3μm、高度或深度1μm～2μm、周期2μm～3μm。