CN105185845A - 一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器及其制备方法，包括硅本征衬底1、位于硅本征衬底1中央上方的P型区2、位于硅本征衬底1上方两侧的P+区4、位于硅本征衬底1背面的N型微结构硅层3、位于P型区2和P+区4上表面的上电极5，以及位于N型微结构硅层3下方的下电极6；其中P+区4的结深大于P型区2的结深。上端电极5用于与外接电路阴极相连接；下端电极6用于与外接电路阳极相连接。该新型Si光电探测器提高了对入射光和近红外透过光的吸收，具有响应度更高、光谱响应范围更宽、响应更快等特点。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，具体涉及一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器作为光纤通讯系统、红外成像系统、激光报警系统和激光测距系统等的重要组成部分，在民用和军用等多方面多领域都得到了广泛的应用。目前，广泛使用的光电探测器主要有Si光电探测器和InGaAs近红外光电探测器。其中，Si-PIN光电探测器响应速度快、灵敏度高，且Si材料资源丰富、易于提纯、易掺杂、成本低、易于大规模集成和相关技术成熟等，因而被广泛使用。但是，由于Si材料的禁带宽度较大（1.12eV），因而Si基光探测器的主要探测范围为400nm~1000nm，一般不用于在较低偏置下探测波长大于1100nm的光波段信号。因此，当需要探测大于1000nm的近红外光时，通常使用InGaAs光电探测器。然而，InGaAs单晶半导体材料价格昂贵、热机械性能较差、晶体质量较差，并且不易与现有硅微电子工艺兼容。
MEMS微结构硅是指一种采用微机械加工工艺在硅晶体表面得到的呈三维空间阵列分布的硅晶体表面微结构，是一种具有微米尺度和大面积均匀分布的精细微结构。在光电探测器的器件结构中采用MEMS微结构硅及氧族元素掺杂改性，可使新型探测器对可见光及近红外光有更优的减反和吸性，光谱吸收率可达到90%以上。
发明内容
本发明提出了一种新的Si-PIN光电探测器器件结构及其制备方法，其目的是充分吸收入射光、增强对红外光的吸收和利用，具有响应度高、响应速度快、近红外光谱延伸等特征。
为了解决上述技术问题本发明采用以下技术方案：
一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器及其制备方法，包括硅本征衬底1、位于硅本征衬底1中央上方的P型区2、位于硅本征衬底1上方两侧的P+区4、位于硅本征衬底1背面的N型微结构硅层3、位于P型区2和P+区4上表面的上电极5，以及位于N型微结构硅层3下方的下电极6。所述N型层为N型微结构硅层，P型区为P型微结构硅层。
上述技术方案中，所述MEMS微结构硅层的典型尺寸为：柱子（或孔）直径2μm~3μm、高度（或深度）1μm~3μm、周期2μm~3μm。
上述技术方案中，所述在P型光敏面上引入的微结构硅是采用MEMS工艺在硅晶体表面得到的呈三维空间阵列分布的微结构，然后对其进行硼B扩散或离子注入掺杂P区，掺杂浓度范围为4×1015ion/cm3~2×1017ion/cm3，结深为0.5μm~3.0μm。
上述技术方案中，所述P+区4是通过硼（B）重扩散或离子注入掺杂方法制备得到的，其掺杂浓度范围为1×1018ion/cm3~5×1019ion/cm3，结深为1μm~3.5μm。
上述技术方案中，所述N型微结构硅层3是在本征层1下表面先进行MEMS微结构加工，再进行S或Te离子注入掺杂，最后经磷（P）重扩散掺杂形成N型微结构硅层。其中S或Te离子注入掺杂浓度范围为1×1014ion/cm3~1×1016ion/cm3。
上述技术方案中，所述上端电极5和下端电极6为铝Al薄膜层或金Au薄膜层或金铬/金Cr/Au薄膜层，电极厚度为50nm~150nm。
本发明还提供了一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器及其制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在本征硅衬底（1）上表面氧化生长SiO2膜层；
步骤2：在SiO2膜层表面光刻出P型区（2）的图形，并通过MEMS工艺得到呈三维空间阵列分布的表面微结构，其典型尺寸为：柱子或孔直径2μm~3μm、高度或深度1μm~3μm、周期2μm~3μm；再进行硼扩散或离子注入掺杂形成P型区（2）；
步骤3：在SiO2膜层表面光刻出P+区（4）的图形，然后进行硼B重扩散或离子注入掺杂形成P+区（4），其掺杂浓度范围为1×1018ion/cm3~5×1019ion/cm3，结深为1μm~3.5μm；
步骤4：在本征硅衬底（1）下表面进行研磨、抛光，对硅晶圆进行减薄处理，使其厚度减薄为200μm~350μm，并通过MEMS工艺得到呈三维空间阵列分布的表面微结构，其典型尺寸为：柱子或孔直径2μm~3μm、高度或深度1μm~3μm、周期2μm~3μm；
步骤5：在经步骤4处理的含微结构硅的衬底（1）背面，进行S或Te离子注入掺杂，掺杂浓度范围为1×1014ion/cm3~1×1016ion/cm3；
步骤6：在经步骤5处理的微结构硅表面进行磷P重扩散掺杂，形成N型微结构硅层（3）；
步骤7：电极制备。
本发明的基本工作原理是：当入射光被这种新型Si-PIN光电探测器的光敏面吸收，就会产生光生载流子，这些自由电荷在外电场作用下分别向两极漂移，从而产生光电压或者光电流。在P型光敏面上引入的微结构硅增加了探测器对入射光线的吸收，而N型微结构硅层则增强了对透过本征层后红外光的吸收和利用。
本发明在P型光敏面引入MEMS微结构，当入射光照射到光敏面上时，MEMS微结构可以对入射光进行多次反射和吸收，可以有效地增强对入射光的吸收，提高量子效率。同时，在硅本征层底端引入MEMS微结构，并且对底端的MEMS微结构进行S或Te元素掺杂，可以对透过本征层的光（尤其是近红外波段的光）进行反射和增强吸收，提高了器件的响应度，并且延伸了光谱响应范围。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图。
图2是本发明的俯视平面结构示意图。
其中各附图标记的含义为：
1:本征Si（I型）衬底、2:P型微结构硅层区、3:N型微结构硅层、4:硼重扩散或离子注入掺杂P+区、5：上端电极、6:下端电极。
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。
我们发明的一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器及其制备方法新型Si-PIN光电探测器具有成本低、易于集成、响应速度快、响应度高和响应波段宽等特点，在大规模市场化方面具有显著的优势。
本发明所述的一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器及其制备方法，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。在P层光敏面引入MEMS微结构，可以降低光敏面对入射光的反射，提高光的利用效率进而有效提高探测器的量子效率；同时，在本征层背面进行MEMS微结构加工并引入S或Te元素掺杂改性，可以对透过本征层的近红外光进行反射和吸收，有效提高Si-PIN探测器在近红外波段的响应度。
如图1所示，包括I型衬底1、P区2、N区3、P+区4、上金属电极5及下金属电极6。I型衬底1可采用高阻Si单晶片；P区2可采用MEMS工艺在硅晶体表面得到的呈三维空间阵列分布的微结构，然后对其进行硼扩散或离子注入掺杂P区；P+区4可采用硼重扩散或离子注入掺杂；上端电极5可采用P型欧姆接触；下端电极6可采用N型欧姆接触。这样制作的新型Si-PIN光电探测器具有微米结构硅层和保护环，从而具有高响应度和近红外宽光谱响应的特性。
实施例1
本实施例新型Si-PIN光电探测器具体制备工艺过程为：
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；
2.将硅单晶片研磨抛光至厚度为350μm，并在衬底正面氧化生长SiO2膜层，膜层厚度为300nm；
3.在SiO2膜层表面光刻出P型区2的图形，然后采用MEMS工艺加工出微结构硅层，其典型尺寸为：柱子（或孔）直径2μm、高度（或深度）1μm、周期2μm；再进行硼扩散或离子注入掺杂形成P型区2；
4.在SiO2膜层表面光刻出P+区4的图形，然后进行硼重扩散或离子注入掺杂形成P+区4，其掺杂浓度范围为1×1018ion/cm3，掺杂深度为1μm；
5.在本征硅衬底1下表面进行研磨、抛光，对硅晶圆进行减薄处理，使其厚度减薄为200μm，并通过MEMS工艺得到呈三维空间阵列分布的表面微结构，其典型尺寸为：柱子（或孔）直径2μm、高度（或深度）1μm、周期2μm；
6.在经步骤5处理的含微结构硅的衬底1背面，进行S或Te离子注入掺杂，掺杂浓度范围为1×1014ion/cm3；
7.在经步骤6处理的微结构硅表面进行磷重扩散掺杂，形成N型微结构硅层3，结深为1.5μm；
8.电极制备。
实施例2
本实施例新型Si-PIN光电探测器具体制备工艺过程为：
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；
2.将硅单晶片研磨抛光至厚度为350μm，并在衬底正面氧化生长SiO2膜层，膜层厚度为400nm；
3.在SiO2膜层表面光刻出P型区2的图形，然后采用MEMS工艺加工出微结构硅层，其典型尺寸为：柱子（或孔）直径3μm、高度（或深度）3μm、周期3μm；再进行硼扩散或离子注入掺杂形成P型区2；
4.在SiO2膜层表面光刻出P+区4的图形，然后进行硼重扩散或离子注入掺杂形成P+区4，其掺杂浓度范围为5×1019ion/cm3，掺杂深度为3.5μm；
5.在本征硅衬底1下表面进行研磨、抛光，对硅晶圆进行减薄处理，使其厚度减薄为350μm，并通过MEMS工艺得到呈三维空间阵列分布的表面微结构，其典型尺寸为：柱子（或孔）直径2μm~3μm、高度（或深度）1μm~3μm、周期2μm~3μm；
6.在经步骤5处理的含微结构硅的衬底1背面，进行S或Te离子注入掺杂，掺杂浓度范围为1×1016ion/cm3；
7.在经步骤6处理的微结构硅表面进行磷重扩散掺杂，形成N型微结构硅层3，结深为3.5μm；
8.电极制备。
Claims (9)
1.一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器，其特征在于：包括从下至上依次设置的下电极（6）、N型层、硅本征衬底（1），硅本征衬底（1）上设置有P型区（2）和环形P+区（4），P型区（2）和环形P+区（4）的上表面引出上电极（5），P+区（4）的结深大于P型区（2）的结深，其特征在于：所述N型层为N型微结构硅层（3），P型区（2）为P型微结构硅层。
2.根据权利要求1所述的一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器，其特征在于：P型微结构硅层、N型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所述的一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器，其特征在于：N型微结构硅层掺杂有硫S或碲Te离子。
4.根据权利要求3所述的一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器，其特征在于：S或Te离子注入掺杂浓度范围为1×1014ion/cm3~1×1016ion/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器，其特征在于：所述在P型光敏面上引入的微结构硅是采用MEMS工艺在硅晶体表面得到的微米柱或孔阵列，然后对其进行硼B扩散或离子注入掺杂P区，结深为0.5μm~3.0μm。
6.根据权利要求1所述的一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器，其特征在于：所述P+区（4）是通过硼B重扩散或离子注入掺杂方法制备得到的，其掺杂浓度范围为1×1018ion/cm3~5×1019ion/cm3，结深为1μm~3.5μm。
7.根据权利要求1所述的一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器其特征在于：所述N型微结构硅层（3）是在硅本征衬底（1）下表面先进行MEMS微结构加工，再进行S或Te离子注入掺杂，最后经磷P重扩散掺杂形成N型微结构硅层。
8.根据权利要求1所述的一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器，其特征在于：上电极（5）和下电极（6）为铝Al薄膜层或金Au薄膜层或金铬/金Cr/Au薄膜层，电极厚度为50nm~150nm。
9.一种在P层和N层引入微结构硅的Si-PIN光电探测器及其制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在本征硅衬底（1）上表面氧化生长SiO2膜层；
步骤2：在SiO2膜层表面光刻出P型区（2）的图形，并通过MEMS工艺得到呈三维空间阵列分布的表面微结构，其典型尺寸为：柱子或孔直径2μm~3μm、高度或深度1μm~3μm、周期2μm~3μm；再进行硼扩散或离子注入掺杂形成P型区（2）；
步骤3：在SiO2膜层表面光刻出P+区（4）的图形，然后进行硼B重扩散或离子注入掺杂形成P+区（4），其掺杂浓度范围为1×1018ion/cm3~5×1019ion/cm3，结深为1μm~3.5μm；
步骤4：在本征硅衬底（1）下表面进行研磨、抛光，对本征硅衬底进行减薄处理，使其厚度为200μm~350μm，并通过MEMS工艺得到呈三维空间阵列分布的表面微结构，其典型尺寸为：柱子或孔直径2μm~3μm、高度或深度1μm~3μm、周期2μm~3μm；
步骤5：在经步骤4处理的含微结构硅的本征硅衬底（1）背面，进行S或Te离子注入掺杂，掺杂浓度范围为1×1014ion/cm3~1×1016ion/cm3；
步骤6：在经步骤5处理的微结构硅表面进行磷P重扩散掺杂，形成N型微结构硅层（3）；
步骤7：电极制备。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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