CN107154447A - 一种硅基探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基探测器及其制备方法,涉及光探测器技术领域;包括衬底、欧姆接触层和吸收层；吸收层在欧姆接触层上并形成一级凸形台面，欧姆接触层在衬底上并形成二级凸形台面；吸收层上设有欧姆接触部；欧姆接触部和一级凸形台面上都设有欧姆接触电极；衬底、欧姆接触层和吸收层所形成的台面结构上有增透膜；衬底上设有与欧姆接触电极相连的压焊点；衬底背面设有光反射部，衬底背面设有反射膜;探测器响应范围覆盖紫外至近红外波段，并在紫外和近红外这两个波段响应增强，且探测器性能得到优化。
Description
技术领域
本发明涉及光探测器技术领域，特别是涉及一种红外紫外增强型硅基探测器及其制备方法。
背景技术
所有物体均发射与其温度和特性相关的辐射光，这些不同波段的光线包含了物体本身丰富的信息。为了充分利用这些信息，人们研制了各种波段的光探测器，尤其在红外和紫外波段，其应用极其广泛。硅是一种极其成熟的半导体材料，其响应光谱可从紫外波段延伸到近红外波段，而且加工工艺成本较低，适合于制备紫外及近红外探测器。传统的硅探测器，由于制备工艺、结构及材料本身的性能所限，在可见光范围响应较好，而在紫外和近红外波段响应较弱。针对这种现象，可通过改进探测器结构和制备工艺，来改善硅基探测器在紫外和近红外波段的响应，但这种改进一般只针对紫外波段或是只针对红外波段，在很大程度上制约了探测器的性能，影响了硅基探测器在紫外和红外波段的同时应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种硅基探测器及其制备方法，探测器响应范围覆盖紫外至近红外波段，并在紫外和近红外这两个波段响应增强，探测灵敏度高。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：包括衬底、欧姆接触层和吸收层；吸收层在欧姆接触层上并形成一级凸形台面，欧姆接触层在衬底上并形成二级凸形台面；吸收层上设有欧姆接触部；欧姆接触部和一级凸形台面上都设有欧姆接触电极；衬底、欧姆接触层和吸收层所形成的台面结构上有增透膜；衬底上设有与欧姆接触电极相连的压焊点；衬底背面设有光反射部，衬底背面设有反射膜。
作为优选，衬底背面设有反射膜。
作为优选，衬底为绝缘或半绝缘衬底，欧姆接触层为高掺杂N型硅欧姆接触层,吸收层为非掺杂硅本征吸收层。
作为优选，欧姆接触层为N型硅欧姆接触层，N型硅欧姆接触层掺杂浓度要大于5×1018cm-3，厚度大于2um。
作为优选，吸收层为非掺杂本征硅吸收层，非掺杂本征硅吸收层掺杂浓度小于2×1014cm-3，厚度大于300um。
作为优选，欧姆接触部为环形欧姆接触环，且为重掺杂P型欧姆接触环。
作为优选，增透膜和反射膜为氮化硅和二氧化硅形成的双层介质。
作为优选，欧姆接触电极包括P型欧姆接触电极和N型硅欧姆接触电极，在欧姆接触部上的为P型欧姆接触电极，在一级凸形台面上的是N型硅欧姆接触电极。
进一步的，一种硅基探测器的制备方法，包括：
a、在衬底上依次生长欧姆接触层、吸收层；
b、在吸收层上扩散或注入欧姆接触部；
c、刻蚀吸收层到欧姆接触层，形成一级凸形台面；
d、刻蚀欧姆接触层到衬底，形成二级凸形台面；
e、衬底、欧姆接触层和吸收层的正面表面淀积或生长氮化硅、二氧化硅介质，形成增透膜；
f、刻蚀介质形成欧姆接触图形，并蒸发欧姆接触金属，剥离或刻蚀形成欧姆接触电极，并在衬底上形成与欧姆接触电极相连的压焊点，并退火；
g、背面表面湿法或干法刻蚀形成光反射部；
h、背面淀积介质，形成反射膜；
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明上表面P型欧姆接触为环形，环形内为光吸收区，避免了光吸收区重掺杂形成的表面光吸收“死区”现象，提高了器件对紫外波段的响应度；正面设计的氮化硅、二氧化硅厚度的介质增透膜对波长为300nm-1100nm的光线均可实现透射率达90%以上，提高了器件对紫外至近红外波段的响应；背面做锯齿状刻蚀处理并淀积氮化硅、二氧化硅的反射膜，可实现对近红外波段的良好反射，并且反射光线不垂直于器件平面结构，增长了器件对近红外波段的光吸收，提高了器件对近红外波段的响应；采用绝缘或半绝缘衬底的台面结构，将P型和N型欧姆接触电极均引到衬底上，可减小器件电容，提高了器件的响应速度。
本发明以一种简单的结构和常规工艺提高了硅基探测器在紫外和近红外波段的响应度，并尽量减小了对器件响应速度的影响，降低了成本。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图；
图2是本发明另外一个实施例的制备方法的a步骤示意图；
图3是本发明另外一个实施例的制备方法的b步骤示意图；
图4是本发明另外一个实施例的制备方法的c步骤示意图；
图5是本发明另外一个实施例的制备方法的d步骤示意图；
图6是本发明另外一个实施例的制备方法的e步骤示意图；
图7是本发明另外一个实施例的制备方法的f步骤示意图；
图8是本发明另外一个实施例的制备方法的g步骤示意图。
图中：1、衬底；2、欧姆接触层；3、吸收层；4、一级凸形台面；5、二级凸形台面；6、欧姆接触电极；7、压焊点；8、光反射部；9、重掺杂P型欧姆接触环；10、增透膜；11、P型欧姆接触电极；12、N型欧姆接触电极；13、非掺杂硅本征吸收层；14、N型硅欧姆接触层；15、绝缘或半绝缘衬底。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
如图1所示，为本发明一种硅基探测器的一个实施例，包括衬底1、欧姆接触层2和吸收层3；吸收层3在欧姆接触层2上并形成一级凸形台面4，欧姆接触层2在衬底1上并形成二级凸形台面5；吸收层3上设有欧姆接触部；欧姆接触部和一级凸形台面5上都设有欧姆接触电极6；衬底1、欧姆接触层2和吸收层3所形成的台面结构上有增透膜10；衬底1上设有与欧姆接触电极6相连的压焊点7；衬底1背面设有光反射部8，光反射部8可以为锯齿状，也可以为凸出的小点或者为凸出的梯形台面，最佳的为锯齿状；衬底背面设有反射膜，光反射部8上也设有反射膜。
衬底1、欧姆接触层2和吸收层3形成台面结构，将欧姆接触电极6均引到衬底1上，可减小器件电容，提高了器件的响应速度；衬底1上设有与欧姆接触电极6相通的压焊点7，正面为平面结构，并设有增透膜10，表面能更好投射光线，在背面设有光反射部8，并在背面设有反射膜，加倍吸收近红外波并对近红外波进行反射，使得本装置在紫外和近红外这两个波段响应增强，本装置能响应近红外到紫外之间的波段，但是在近红外和紫外这两个波段响应会增强，探测灵敏度高。
作为优选，衬底1为绝缘或半绝缘衬底，响应速度快。
作为优选，欧姆接触层2为高掺杂N型硅欧姆接触层14，N型硅欧姆接触层14(i-Si)掺杂浓度要大于5×1018cm-3，浓度大有利于减小电阻，厚度大于2um，厚度大有利于减小串联电阻。
作为优选，吸收层3为非掺杂硅本征吸收层(N-Si)13，非掺杂本征硅吸收层13掺杂浓度小于2×1014cm-3，浓度小对波的吸收好，厚度大于300um，厚度大有利于减小串联电阻。
作为优选，欧姆接触部为环形欧姆接触环，且为重掺杂P型欧姆接触部9。环形结构没有尖端，有尖端的结构会在尖端处电场比较集中，为了提高可靠性设计成没有尖端的环形，欧姆接触部为环形，环形内为光吸收区，避免了光吸收区重掺杂形成的表面光吸收“死区”现象，提高了器件整体对紫外波段的响应度。
作为优选，欧姆接触层2为N型硅欧姆接触层14，N型硅欧姆接触层14掺杂浓度要大于5×1018cm-3，浓度大有利于减小电阻，厚度大于2um，厚度大有利于减小串联电阻。
作为优选，吸收层为非掺杂本征硅吸收层13，非掺杂本征硅吸收层13掺杂浓度小于2×1014cm-3，浓度小对波的吸收好，厚度大于300um，厚度大有利于减小串联电阻。
作为优选，增透膜10和反射膜为氮化硅和二氧化硅形成的双层介质，氮化硅和二氧化硅两层介质的层次上下没有一定的限制，可以氮化硅在上边也可以二氧化硅在上边，可以根据需要设定氮化硅和二氧化硅的顺序，并设定厚度；增透膜10氮化硅厚度为50nm，二氧化硅厚度为85nm，在此厚度下，氮化硅位于二氧化硅的下方，氮化硅厚度50nm、二氧化硅厚度85nm的介质增透膜对波长为300nm~1100nm的光线均可实现透射率达90%以上，提高了器件对紫外至近红外波段的响应；反射膜氮化硅厚度为60nm，二氧化硅厚度为90nm，在此厚度下，氮化硅位于二氧化硅的下方，反射膜加上锯齿状的光反射部8，可实现对近红外波段的良好反射，对光的反射率达到90%多，并且反射光线不垂直于器件平面结构，增长了器件对近红外波段的光吸收，提高了器件对近红外波段的响应。
作为优选，欧姆接触电极6包括P型欧姆接触电极11和N型硅欧姆接触电极12，在欧姆接触部上的为P型欧姆接触电极11，在一级凸形台面4上的是N型硅欧姆接触电极12。
进一步的，一种硅基探测器的制备方法，包括：
a、在衬底1上依次生长欧姆接触层2、吸收层3；
b、在吸收层3上扩散或注入欧姆接触部；
c、刻蚀吸收层3到欧姆接触层，形成一级凸形台面4；
d、刻蚀欧姆接触层2到衬底1，形成二级凸形台面5；
e、衬底1、欧姆接触层2和吸收层3的正面表面淀积或生长氮化硅、二氧化硅介质，形成增透膜10；
f、刻蚀介质形成欧姆接触图形，并蒸发欧姆接触金属，剥离或刻蚀形成欧姆接触电极6，并在衬底1上形成与欧姆接触电极6相连的压焊点7，并退火；
g、背面表面湿法或干法刻蚀形成光反射部8；
h、背面淀积介质，形成反射膜。
上述工艺步骤中，扩散或注入杂质、刻蚀等可采用介质或金属或光刻胶做为掩蔽层。
实施例2：
硅基探测器与实施例1中的硅基探测器相同；
如图2-8所示，一种硅基探测器的制备方法，包括：
a、生长材料结构。在绝缘或半绝缘衬底15上依次生长高掺杂N型硅欧姆接触层14、非掺杂硅本征吸收层13。N型硅欧姆接触层14掺杂浓度要大于5×1018cm-3，厚度大于2um；非掺杂本征硅吸收层13掺杂浓度小于2×1014cm-3，厚度大于300um。
b、在非掺杂硅本征吸收层13上扩散或注入重掺杂P型欧姆接触环9。
c、刻蚀非掺杂硅本征吸收层13到N型硅欧姆接触层14，形成一级凸形台面4。
d、刻蚀N型硅欧姆接触层14到绝缘或半绝缘衬底15，形成二级凸形台面5。
e、表面淀积或生长氮化硅、二氧化硅介质，其中氮化硅厚度为50nm，二氧化硅厚度为85nm，形成增透膜10。
f、刻蚀介质形成N型和P型欧姆接触图形，并蒸发欧姆接触金属，如Al等，剥离或刻蚀形成N型欧姆接触电极12和P型欧姆接触电极11，并在绝缘或半绝缘衬底15上形成与欧姆接触电极相连的压焊点7，并退火。
g、背面湿法或干法刻蚀形成锯齿状的光反射部8表面。
H、背面淀积氮化硅、二氧化硅介质，其中氮化硅厚度为60nm，二氧化硅厚度为90nm，形成反射膜。
上述工艺步骤中，扩散或注入杂质、刻蚀等可采用介质或金属或
光刻胶做为掩蔽层。
本发明适合用于紫外红外增强型硅探测器单元或焦平面器件的制作，可满足多波段光电探测系统发展的需求，在目标的成像、报警和监测及光通信领域有重要的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种硅基探测器，其特征在于：包括衬底（1）、欧姆接触层（2）和吸收层（3）；所述吸收层（3）在欧姆接触层（2）上并形成一级凸形台面（4），欧姆接触层（2）在衬底（1）上并形成二级凸形台面（5）；所述吸收层（3）上设有欧姆接触部；所述欧姆接触部和一级凸形台面（4）上都设有欧姆接触电极（6）；所述衬底（1）、欧姆接触层（2）和吸收层（3）所形成的台面结构上有增透膜（10）；所述衬底（1）上设有与欧姆接触电极（6）相连的压焊点（7）；所述衬底（1）背面设有光反射部（8）。
2.根据权利要求１所述的一种硅基探测器，其特征在于所述衬底（1）背面设有反射膜。
3.根据权利要求１所述的一种硅基探测器，其特征在于所述衬底（1）为绝缘或半绝缘衬底，欧姆接触层（2）为高掺杂N型硅欧姆接触层,吸收层（3）为非掺杂硅本征吸收层。
4.根据权利要求3所述的一种硅基探测器，其特征在于所述 N型硅欧姆接触层掺杂浓度要大于5×1018cm-3，厚度大于2um。
5.根据权利要求3所述的一种硅基探测器，其特征在于所述非掺杂本征硅吸收层掺杂浓度小于2×1014cm-3，厚度大于300um。
6.根据权利要求1所述的一种硅基探测器，其特征在于所述欧姆接触部为环形欧姆接触环，且为重掺杂P型欧姆接触环（9）。
7.根据权利要求１所述的一种硅基探测器，其特征在于所述增透膜（10）和反射膜为氮化硅和二氧化硅形成的双层介质。
8.根据权利要求１所述的一种硅基探测器，其特征在于所述欧姆接触电极（6）包括P型欧姆接触电极（11）和N型硅欧姆接触电极（12），在欧姆接触部上的为P型欧姆接触电极（11），在一级凸形台面（4）上的是N型硅欧姆接触电极（12）。
9.根据权利要求书1-8所述的任意一种硅基探测器的制备方法，其特征在于包括：
a、在衬底（1）上依次生长欧姆接触层（2）、吸收层（3）；
b、在吸收层（3）上扩散或注入欧姆接触部；
c、刻蚀吸收层（3）到欧姆接触层（2），形成一级凸形台面（4）；
d、刻蚀欧姆接触层（2）到衬底（1），形成二级凸形台面（5）；
e、衬底（1）、欧姆接触层（2）和吸收层（3）的正面表面淀积或生长氮化硅、二氧化硅介质，形成增透膜（10）；
f、刻蚀介质形成欧姆接触图形，并蒸发欧姆接触金属，剥离或刻蚀形成欧姆接触电极，并在衬底上形成与欧姆接触电极相连的压焊点（7），并退火；
g、背面表面湿法或干法刻蚀形成光反射部（8）；
h、背面淀积介质，形成反射膜。
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