CN105405916A - 硅基宽光谱探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅基宽光谱探测器及制备方法，该硅基宽光谱探测器，包括：一SOI衬底，包括一底部Si材料层和制作在其上的二氧化硅填埋层以及制作在二氧化硅填埋层上的顶层硅，该顶层硅位于二氧化硅填埋层的中间，该二氧化硅填埋层的两侧形成台面，该顶层硅上面的两侧分别制作有p型掺杂区和n型掺杂区，中间为硅本征区；一二氧化硅窗口层，其制作在二氧化硅填埋层两侧的台面上及覆盖顶层硅的部分表面，对应所述p型掺杂区、n型掺杂区和硅本征区上的二氧化硅窗口层上开有窗口；一长波吸收层，其外延生长于二氧化硅窗口层中的硅本征区上；一绝缘介质层，其制作在二氧化硅窗口层及长波吸收层上；一p电极，其制作在顶层硅上面的p型掺杂区上；以及一n电极，其制作在顶层硅上面的n型掺杂区上。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种硅基宽光谱探测器及其制备方法。
背景技术
宽光谱的多色成像和探测在高质量人像照相、农业、军事、环境监测、地质勘查、海洋遥感、大气遥感、生物医学等方面有广泛的应用前景，成为近年来光电子领域的研究热点。一般情况下，一种半导体材料只能对特定的波长范围内的光进行响应探测，为了实现宽光谱的探测，必须要将不同半导体材料进行集成，以拓展光响应范围。现在的光电探测器普遍使用直接带隙的III-V族半导体材料，例如InGaAs、InSb、InAs等材料。通过不同带隙宽度的III-V材料的异质外延集成，可以实现高效率的宽光谱探测。而采用宽光谱探测器的阵列与硅微电子探测器读出电路集成，则可以实现宽光谱成像，将极大地提高宽光谱探测器的应用范围。可惜的是，虽然直接带隙的III-V族材料具有很好的探测效率，但是其价格相对昂贵，热学机械性能差，最重要的是无法与硅微电子芯片实现工艺兼容，这极大地限制了应用。
由于硅的禁带宽度为1.12eV，无法有效吸收波长大于1100nm的光信号。另外，虽然硅可以吸收短波长的光信号(＜400nm)，但是其在硅中的穿透深度非常有限，因此，通常硅探测器只能有效探测300nm-1100nm的光信号。而同为IV族元素的锗材料，在近红外波段具有较高的响应，锗探测器可以有效探测800nm-1700nm的光信号。采用锗锡合金探测器，则可以有效探测800nm-2000nm的光信号。而且锗和锗锡合金都可以在硅上实现外延生长，并能完全兼容现有的硅CMOS工艺，可以有效地降低成本。因此，通过硅和锗及锗锡合金的合理集成，充分地利用材料不同波段的光探测能力，可以将硅基探测器的响应波长扩宽为300nm-2000nm，实现宽光谱探测。另外，本发明以硅为基底，可利用硅在微电子领域的强大的电信号处理能力，为今后硅基宽光谱探测器的阵列化提供良好的集成基础和优化空间。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种硅基宽光谱探测器及制备方法，其是采用横向p-i-n结构，硅本征区和长波吸收层参与不同光信号的吸收，充分地利用硅和长波吸收层在不同波段的光探测能力，从而实现300nm-2000nm的宽光谱探测。
本发明提供一种硅基宽光谱探测器，包括：
一SOI衬底，包括一底部Si材料层和制作在其上的二氧化硅填埋层以及制作在二氧化硅填埋层上的顶层硅，该顶层硅位于二氧化硅填埋层的中间，该二氧化硅填埋层的两侧形成台面，该顶层硅上面的两侧分别制作有p型掺杂区和n型掺杂区，中间为硅本征区；
一二氧化硅窗口层，其制作在二氧化硅填埋层两侧的台面上及覆盖顶层硅的部分表面，对应所述p型掺杂区、n型掺杂区和硅本征区上的二氧化硅窗口层上开有窗口；
一长波吸收层，其外延生长于二氧化硅窗口层中的硅本征区上；
一绝缘介质层，其制作在二氧化硅窗口层及长波吸收层上；
一p电极，其制作在顶层硅上面的p型掺杂区上；以及
一n电极，其制作在顶层硅上面的n型掺杂区上。
本发明还提供一种硅基宽光谱探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用刻蚀或腐蚀的方法，将SOI衬底顶层硅的四周刻蚀或腐蚀形成台面，刻蚀或腐蚀的深度到达二氧化硅填埋层；
步骤2：分别在顶层硅上的两侧制作p型掺杂区和n型掺杂区，中间为硅本征区；
步骤3：在二氧化硅填埋层两侧的台面上及覆盖顶层硅的部分表面制作二氧化硅窗口层，对应所述p型掺杂区、n型掺杂区和硅本征区上的二氧化硅窗口层上开有窗口；
步骤4：在二氧化硅窗口层的窗口中露出的硅本征区之上，外延生长长波吸收层；
步骤5：在长波吸收层和二氧化硅窗口层上沉积绝缘介质层；
步骤6：在p型掺杂区对应的顶层硅上制作p电极；
步骤7：在n型掺杂区对应的顶层硅上制作n电极；
步骤8：退火，完成制备。
从上述技术方案可以看出，本发明在硅上采用横向p-i-n结构，硅本征区23和长波吸收层40参与不同光信号的吸收，充分地利用硅和长波吸收层在不同波段的光探测能力，从而实现300nm-2000nm的宽光谱探测。在硅基宽光谱光处理和光成像领域具有广泛的应用前景。
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2为本发明制备的结构示意图；
图3为本发明的制备流程图。
具体实施方式
请参阅图1、图2所示，本发明提供一种硅基宽光谱探测器，包括：
一SOI衬底10，包括一底部Si材料层13和制作在其上的二氧化硅填埋层12以及制作在二氧化硅填埋层12上的顶层硅11。该顶层硅11位于二氧化硅填埋层12的中间，该二氧化硅填埋层12的四周形成台面12’，该顶层硅11上面的两侧分别制作有p型掺杂区21和n型掺杂区22，中间为硅本征区23。p型掺杂区21、硅本征区23、长波吸收层40和n型掺杂区22形成横向p-i-n结构。硅本征区23吸收入射光的波长范围为300nm-1100nm。所述的顶层硅11为轻掺杂或本征材料，电阻率大于1欧姆/厘米，以提高光生载流子的寿命，有利于光信号的提取，特别是波长短、穿透深度小的波段。为了提高顶层硅11对300nm-1100nm光的吸收效率，需要足够厚的顶层硅11作为吸收层，其厚度至少大于200nm。所述的顶层硅11的形状为矩形，也可为其它形状，其尺寸直接关系探测器以及受光面的大小。若做为高密度的探测器阵列，则尺寸可小于10×10μm2。在顶层硅11两侧分别制作有p型掺杂区21和n型掺杂区22，中间则为硅本征区23。所述的p型掺杂区21和n型掺杂区22的掺杂浓度均大于1018cm-3。所述的p型掺杂区21和n型掺杂区22的掺杂方式有扩散和离子注入等形式。所述的硅本征区23作为光吸收层，是为了提高硅对短波长(波长＜400nm)光信号的吸收。短波长光信号在锗或锗锡合金中的穿透深度只有几纳米，在硅中的穿透深度也仅为十几或几十纳米。锗或锗锡合金虽然可以吸收短波长光信号，但是由于表面缺陷的存在，难以提取短波长光信号；而p型掺杂区21和n型掺杂区22由于掺杂浓度高，光生载流子的寿命很短，且没有内建电场以加速光生载流子的漂移，因此也难以提取短波长光信号。只有利用硅的横向p-i-n结构的硅本征区作为光吸收区，才能有效提取短波长光信号。
一二氧化硅窗口层30，其制作在二氧化硅填埋层12两侧的台面12’上及覆盖顶层硅11的部分表面，对应所述p型掺杂区21、n型掺杂区22和硅本征区23上的二氧化硅窗口层30上开有窗口。所述的二氧化硅窗口层30的制备方法可以采用热氧化顶层硅11、溅射生长或化学气相沉积的方法实现。若采用热氧化顶层硅11的方法，则二氧化硅填埋层12上不会有二氧化硅窗口层30生成，但在顶层硅11表面可形成高质量的硅/二氧化硅界面。高质量硅/二氧化硅界面将有效地减少顶层硅11的表面态，减少短波长光生载流子的复合，从而提高短波长光信号的提取。制作二氧化硅窗口层30的穿孔可以通过HF腐蚀或干法刻蚀等方式形成。采用HF腐蚀，可以避免干法刻蚀引入的表面粗糙和缺陷，从而提高后续外延长波吸收层40的质量。所述的硅本征区23通过腐蚀或刻蚀二氧化硅窗口层30露出的面积决定了后续外延长波吸收层40的位置和面积。未露出的硅本征区23将用于吸收短波长的光信号。另外，由于不同的区域吸收不同的光信号，因此需要调整露出的硅本征区23和未露出的硅本征区23之间的比例，以协调探测器在不同波长光信号的吸收能力；
一长波吸收层40，其外延生长于二氧化硅窗口层30中的硅本征区23上，所述的长波吸收层40的材料为纯锗、锗锡合金或锗硅合金。所述的长波吸收层40为本征或非有意掺杂的锗材料或锗锡合金材料或锗硅材料。所述的长波吸收层40和硅本征区23均通过共同的p型掺杂区21和n型掺杂区22提取光生载流子。通常硅探测器只能有效探测300nm-1100nm的光信号，锗探测器可以有效探测800nm-1700nm的光信号，而锗锡探测器可以将有效探测波长增加到2000nm及以上。通过硅和锗或锗锡合金的集成，充分地利用硅和锗在不同波段的光探测能力，可以将硅基探测器的响应波长扩宽，从而实现300nm-2000nm的宽光谱探测。
一绝缘介质层50，其制作在二氧化硅窗口层30及长波吸收层40上。所述的绝缘介质层50用于实现其与外界环境的电性隔绝。所述的绝缘介质层50通过合理设计，可达到减少入射光的反射作用；
一p电极61，其制作在顶层硅11上面的p型掺杂区21上，与p型掺杂区21形成良好的欧姆接触；
一n电极62，其制作在顶层硅11上面的n型掺杂区22上，与n型掺杂区22形成良好的欧姆接触。
请参阅图3，并结合参阅图1及图2，本发明还提供一种硅基宽光谱探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用刻蚀或腐蚀的方法，将SOI衬底10顶层硅11的四周刻蚀或腐蚀形成台面12’，刻蚀或腐蚀的深度到达二氧化硅填埋层12。顶层硅11的厚度大于200nm，二氧化硅填埋层的厚度大于300nm。本实施例中，二氧化硅填埋层12的厚度为2μm，顶层硅11厚度为1μm，顶层硅11的晶向为(001)方向，导电类型为p型，电阻率为10欧姆/厘米。顶层硅11的形状为方形，边长为15-30μm；
步骤2：分别在顶层硅11上的两侧采用光刻胶作为掩膜和离子注入的方式分别在顶层硅11的两侧制作p型掺杂区21和n型掺杂区22，中间为硅本征区23，并高温退火激活注入的掺杂原子，其结构如图1所示。若采用扩散的方式进行掺杂，则不需要进行高温退火激活的步骤。本实施例中，p型掺杂区21和n型掺杂区22的离子注入深度为150-300nm，掺杂浓度均大于1×1019cm-3，高温退火激活的条件为1050℃/10s。所述的硅本征区23吸收入射光的波长范围为300nm-1100nm；
步骤3：在二氧化硅填埋层12两侧的台面12’上及覆盖顶层硅11的部分表面制作二氧化硅窗口层30，对应所述p型掺杂区21、n型掺杂区22和硅本征区23上的二氧化硅窗口层30上开有窗口，硅本征区23上的二氧化硅窗口占所有硅本征区23面积的比例为20-80％。本实施例中，采用热氧化的方法在p型掺杂区21、n型掺杂区22和硅本征区23上制备了50nm的二氧化硅窗口层30，并采用光刻和HF湿法腐蚀的方法，在硅本征层23的上方选择性地腐蚀掉了部分二氧化硅窗口层30，腐蚀窗口处露出了部分硅本征层23，腐蚀窗口占所有硅本征区23面积的比例为50％；
步骤4：经过清洗后，放入超高真空化学气相沉积系统(UHV-CVD)，在二氧化硅窗口层30的窗口中露出的硅本征区23之上，外延生长长波吸收层40，所述的长波吸收层40的材料为纯锗、锗锡合金或锗硅合金，长波吸收层40的厚度至少大于200nm。所述的长波吸收层40吸收入射光的波长范围为800nm-2000nm。本实施例中，长波吸收层40采用了纯锗材料。为了提高探测器在1100-1700nm的响应度，长波吸收层的厚度为600nm，在1550nm波长处，可获得大于0.2A/W的响应度；
步骤5：在长波吸收层40和二氧化硅窗口层30上沉积绝缘介质层50。实现其与外界环境的电性隔绝。本实施例中，采用等离子增强的化学气相沉积系统(PECVD)沉积二氧化硅400nm；
步骤6：在p型掺杂区21对应的顶层硅11上制作p电极61；
步骤7：在n型掺杂区22对应的顶层硅11上制作n电极62；
步骤8：退火，所述的退火的温度为150-750℃，实现p电极61与p型掺杂区21以及n电极62与n型掺杂区22的欧姆接触，完成制备。
至此，本实施例一种硅基宽光谱探测器的制备方法介绍完毕。
综上所述，本发明提供了一种硅基宽光谱探测器及其制备方法。本发明在硅上采用横向p-i-n结构，硅本征区23和长波吸收层40均参与不同光信号的吸收，充分地利用硅和锗或锗锡合金在不同波段的光探测能力，从而实现300nm-2000nm的宽光谱探测。另外，本发明以硅为基底，可利用硅在微电子领域的强大的电信号处理能力，为今后硅基宽光谱探测器的阵列化提供良好的集成基础和优化空间，在硅基宽光谱光处理和光成像领域具有广泛的应用前景。
需要说明的是，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
此外，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 (9)
1.一种硅基宽光谱探测器，包括：
一SOI衬底，包括一底部Si材料层和制作在其上的二氧化硅填埋层以及制作在二氧化硅填埋层上的顶层硅，该顶层硅位于二氧化硅填埋层的中间，该二氧化硅填埋层的两侧形成台面，该顶层硅上面的两侧分别制作有p型掺杂区和n型掺杂区，中间为硅本征区；
一二氧化硅窗口层，其制作在二氧化硅填埋层两侧的台面上及覆盖顶层硅的部分表面，对应所述p型掺杂区、n型掺杂区和硅本征区上的二氧化硅窗口层上开有窗口；
一长波吸收层，其外延生长于二氧化硅窗口层中的硅本征区上；
一绝缘介质层，其制作在二氧化硅窗口层及长波吸收层上；
一p电极，其制作在顶层硅上面的p型掺杂区上；以及
一n电极，其制作在顶层硅上面的n型掺杂区上。
2.根据权利要求1所述的硅基宽光谱探测器，其中所述的长波吸收层的材料为纯锗、锗锡合金或锗硅合金。
3.根据权利要求1所述的硅基宽光谱探测器，其中所述的硅本征区吸收入射光的波长范围为300nm-1100nm。
4.根据权利要求1所述的硅基宽光谱探测器，其中所述的长波吸收层吸收入射光的波长范围为800nm-2000nm。
5.一种硅基宽光谱探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用刻蚀或腐蚀的方法，将SOI衬底顶层硅的四周刻蚀或腐蚀形成台面，刻蚀或腐蚀的深度到达二氧化硅填埋层；
步骤2：分别在顶层硅上的两侧制作p型掺杂区和n型掺杂区，中间为硅本征区；
步骤3：在二氧化硅填埋层两侧的台面上及覆盖顶层硅的部分表面制作二氧化硅窗口层，对应所述p型掺杂区、n型掺杂区和硅本征区上的二氧化硅窗口层上开有窗口；
步骤4：在二氧化硅窗口层的窗口中露出的硅本征区之上，外延生长长波吸收层；
步骤5：在长波吸收层和二氧化硅窗口层上沉积绝缘介质层；
步骤6：在p型掺杂区对应的顶层硅上制作p电极；
步骤7：在n型掺杂区对应的顶层硅上制作n电极；
步骤8：退火，完成制备。
6.根据权利要求5所述的硅基宽光谱探测器的制备方法，其中所述的长波吸收层的材料为纯锗、锗锡合金或锗硅合金。
7.根据权利要求5所述的硅基宽光谱探测器的制备方法，其中所述的硅本征区吸收入射光的波长范围为300nm-1100nm。
8.根据权利要求5所述的硅基宽光谱探测器的制备方法，其中所述的长波吸收层吸收入射光的波长范围为800nm-2000nm。
9.根据权利要求5所述的硅基宽光谱探测器的制备方法，其中所述的退火的温度为150-750℃。
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