CN108346713B - 可见-短波红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可见‑短波红外探测器及其制备方法，该制备方法包括：在硅衬底背面形成硅可见光探测器的P型和N型掺杂区域；在所述P型和N型掺杂区域上形成保护层；在硅衬底正面外延生长锗锡红外光探测器的锗锡光吸收层；去除所述P型和N型掺杂区域上的保护层，完成制作所述硅可见光探测器和锗锡红外光探测器。本发明不仅可以利用传统Si CMOS工艺成本低廉、高可靠性等优势，还可以实现真正意义上的光电探测器的单片集成。
Description
技术领域
本发明涉及光子探测领域，特别是涉及一种可见-短波红外探测器及其制备方法。
背景技术
常见的红外波段大气窗口可分为1～3μm、3～5μm和8～14μm三个窗口。其中，1～3μm窗口也称短波红外波段，不仅可用于微光夜视、精确制导等军事和安全系统，也可用于空间遥感、安防、生物医疗等民用方面。利用InxGa1-xAs材料制备的短波红外探测器具有较高灵敏度和探测率，得到了广泛研究。随着短波红外研究的不断深入，对探测器的要求也不断提高，一是向更大焦平面阵列发展，二是向长波和短波两个方向拓展。要实现百万像素级的InxGa1-xAs探测器阵列，对InxGa1-xAs材料质量的均匀性和器件制备工艺一致性是极大挑战，成本很高。当前标准InxGa1-xAs探测器的截止波长约为1.7μm，通过增加InxGa1-xAs材料中In含量，可以延长器件的响应波长。但是，高In组份的InxGa1-xAs材料与衬底存在晶格失配，材料质量较差，器件的峰值探测率明显下降。在可见光探测方面，GOODRICH公司发明了一种其称之为“Visible InGaAs”的技术，可以将光谱响应范围延伸到400nm。美国Indigo Systems公司开展了InGaAs光谱响应向可见光延伸的研究，采取的方法是直接处理InGaAs材料，根据得到的实验数据可知，器件在350nm仍具有较高响应。此外，当前InxGa1-xAs探测器阵列的读出电路(ROIC)与每个像素间采用In柱倒装焊方式实现电学连接。二者之间存在较大的热膨胀系数差异，所产生的热应力导致器件在温度冲击、循环工作下的可靠性变差，并严重限制了大像素阵列的红外探测系统的稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可见-短波红外探测器及其制备方法，从而解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种可见-短波红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
A、在硅衬底背面形成硅可见光探测器的P型和N型掺杂区域；在所述P型和N型掺杂区域上形成保护层；
B、在硅衬底正面外延生长锗锡红外光探测器的锗锡光吸收层；
C、去除所述P型和N型掺杂区域上的保护层，完成制作所述硅可见光探测器和锗锡红外光探测器。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种通过如上所述的可见-短波红外探测器的制备方法制备得到的可见-短波红外探测器。
基于上述技术方案可知，本发明的可见-短波红外探测器及其制备方法具有如下有益效果：(1)在硅衬底上制作了短波红外的锗锡红外光探测器和硅可见光探测器，同时实现对短波红外和可见光的探测，该技术完全基于硅的微电子加工工艺，具有成本低、集成度高等优点，在实现大面积、高分辨率探测器方面有重要应用前景；(2)虽然有文献报道硅探测器和锗锡探测器，但是二者是独立光电探测器件，空间上分开，没有必然联系；而本发明通过解决硅可见光探测器和锗锡红外光探测器制备工艺对热预算差异、材料晶格失配大等难点，研制出硅可见光探测器和锗锡红外光探测器集成的硅芯片，器件采用背面入射方式，可见光和红外光依次被Si和Ge1-xSnx吸收，是实现可见-短波红外双色探测器的很好方案，实现了真正意义上的光电探测器的单片集成。
附图说明
图1是本发明的可见-短波红外探测器的结构示意图；
图2是锗锡红外光探测器在短波红外区域的光响应谱。
具体实施方式
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，对本发明作进一步的详细说明。
Si的CMOS工艺非常成熟，能够容易地实现百万像素甚至千万像素级的CCD相机，硅也是制备可见光探测器的理想材料。而在Ge材料晶格中引入Sn，Ge1-xSnx带隙就会变窄。其能带结构与Sn组份变化规律如下：Eg(Ge1-xSnx)＝EgGe(1-x)+EgSnx-bx(1-x)，其中，EgGe和EgSn分别是Ge和Sn直接带隙能量，b是弯曲系数，约为2.42。比如，当Sn含量为8.5％时，Ge1- xSnx材料直接带隙能量约为0.51eV，探测波长可以达到2.4μm，是制备短波红外探测器的良好硅基材料。本发明通过在衬底的背面制作硅探测器，在硅衬底上外延锗锡红外光电薄膜，并设计探测器的结构和工艺，从而在同一材料基底上实现了可见-短波红外双色探测器。当实际使用时，光从硅衬底入射，依次被硅可见光探测器和锗锡红外光探测器吸收，实现可见-短波红外双色探测功能。
这有别于传统的可见光探测器和短波红外探测器采用器件分开独立制作、再组装的技术，不仅可以利用传统Si CMOS工艺成本低廉、高可靠性等优势，还可以实现真正意义上的光电探测器的单片集成。
具体地，本发明公开了一种可见-短波红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
A、在硅衬底背面形成硅可见光探测器的P型和N型掺杂区域；在所述P型和N型掺杂区域上形成保护层；
B、在硅衬底正面外延生长锗锡红外光探测器的锗锡光吸收层；
C、去除所述P型和N型掺杂区域上的保护层，完成制作所述硅可见光探测器和锗锡红外光探测器。
其中，所述硅可见光探测器利用硅衬底作为可见光吸收层，器件结构为PIN型；所述锗锡红外光探测器利用锗锡光吸收层作为短波红外光吸收层，器件结构为PIN型。
其中，所述硅衬底双面抛光，衬底的电阻率为0.01～10欧姆/cm，导电类型为P型或N型。
其中，步骤A中的所述保护层为二氧化硅层，厚度为100～500nm。
其中，步骤B中所述锗锡光吸收层的厚度为150～1000nm，所述锗锡光吸收层中锡的质量组份含量在0.01～0.15之间。作为优选，所述锗锡光吸收层中锡的质量含量为8％。
其中，步骤B中还包括形成锗缓冲层、P型锗层和N型锗层的步骤；
其中锗缓冲层通过低温和高温两步法在硅衬底正面上外延生长形成，厚度为100～1000nm，并经过高温循环退火；
其中P型锗层是在所述锗缓冲层上外延生长形成，掺杂浓度为1017～1020cm-3，厚度为20～200nm；
其中N型锗层是在所述锗锡光吸收层上外延生长形成，掺杂浓度为1017～1020Gm-3，厚度为20～200nm；而所述锗锡光吸收层是通过低温外延技术在所述P型锗层上生长形成。
本发明还公开了一种通过如上所述的可见-短波红外探测器的制备方法制备得到的可见-短波红外探测器。该可见-短波红外探测器中对于短波红外的探测波长可以达到2.4μm，甚至达到3μm。
在一个具体优选实施方式中，该可见-短波红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：准备一双面抛光的硅衬底；该衬底的电阻率为0.01～10欧姆/cm，导电类型可为P型或N型。
步骤2：采用光刻、离子注入以及退火等工艺在该硅衬底的一面上形成P型重掺杂区域和N型重掺杂区域。
步骤3：在硅衬底的另一面上外延生长锗缓冲层、P型锗层、锗锡吸收层和N型锗层。
步骤4：采用光刻、刻蚀、等离子增强化学沉积等工艺做出锗锡红外光探测器台面。
步骤5：采用光刻、沉积金属、剥离等工艺完成硅可见光探测器和锗锡红外光探测器的制作。
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案及其有益效果进行重分阐述说明，但是本发明不限于这些实施例。
本发明提供了一种可见-短波红外探测器的制备方法，制备得到器件的结构和预期性能如图1、2所示。具体的实施过程如下：
1、取一双面抛光的硅衬底1；衬底的电阻率为0.01～10欧姆/cm，导电类型可为P型或N型。
2、将硅衬底1清洗干净，采用光刻技术在硅衬底1背面定义P型重掺杂区域，以光刻胶作为掩膜，然后用离子注入、去除光刻胶以及退火工艺形成P型重掺杂区域2。
3、重复步骤2，在硅衬底1背面形成N型重掺杂区域3。
4、硅衬底1背面沉积二氧化硅薄膜100～500nm，用于保护P型重掺杂和N型重掺杂区域。
5、将片子清洗干净，放入真空生长室用于外延锗锡红外光探测器结构。先用低温和高温两步法在硅衬底1正面外延锗缓冲层4，锗缓冲层4厚度100nm～1000nm，并经过高温循环退火进一步提高锗缓冲层4的晶体质量。
6、在锗缓冲层4上继续外延P型锗层5，掺杂浓度1017～1020cm-3，厚度20～200nm。
7、为了避免锗锡中锡的分凝和偏析，采用低温外延技术在P型锗层5上生长锗锡光吸收层6，厚度150～1000nm，锗锡层中锡的组份在0.01～0.15。锗锡红外光探测器的截止波长通过锗锡层中锡含量来调节。
8、在外延锗锡光吸收层6上外延N型锗层7，掺杂浓度1017～1020cm-3，厚度为20～200nm。
9、采用光刻和刻蚀技术制作锗锡红外光探测器台面9，然后沉积二氧化硅绝缘层覆盖整个台面9。
10、采用光刻和刻蚀技术在二氧化硅台面上刻蚀出电极区域，再通过光刻、蒸金属11以及剥离方式完成锗锡红外光探测器制作。图2是文献报道的锡含量为8％时，锗锡红外光探测器的光谱响应，可以明显看到锡含量为8％时，器件的截止波长达到2.3μm。与锗探测器光谱响应在1.55μm相比，本发明的锗锡红外光探测器的探测波长明显较长，如果继续增加锡组分，理论上探测波长可达到3μm，覆盖整个短波红外区域。
11、在硅衬底1背面采用采用光刻和刻蚀技术在二氧化硅上刻蚀出电极区域，再通过光刻、蒸金属12以及剥离方式完成硅可见光探测器制作。由于硅可见光探测器在可见光区域具有很好的光响应，可以满足可见光探测。
综上所述，通过本发明，在硅衬底上制作了集成的短波红外的锗锡红外探测器和硅可见光探测器，可以同时实现对短波红外和可见光的探测。该技术完全基于硅的微电子加工工艺，具有成本低、集成度高等优点，在实现大面积、高分辨率探测器方面有重要应用前景。
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，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 (4)
1.一种可见-短波红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
A、在硅衬底背面形成硅可见光探测器的P型和N型掺杂区域；在所述P型和N型掺杂区域上形成保护层；其中，所述硅衬底双面抛光，衬底的电阻率为0.01～10欧姆/cm，导电类型为P型或N型；
B、在硅衬底正面外延生长锗锡红外光探测器的锗缓冲层、P型锗层、锗锡光吸收层和N型锗层；其中锗缓冲层是通过低温和高温两步法在硅衬底正面上外延生长形成，厚度为100～1000nm，并经过高温循环退火；P型锗层是在所述锗缓冲层上外延生长形成，掺杂浓度为1017～1020cm-3，厚度为20～200nm；锗锡光吸收层是通过低温外延技术在所述P型锗层上生长形成，所述锗锡光吸收层的厚度为150～1000nm，所述锗锡光吸收层中锡的质量组份含量在0.01～0.15之间；N型锗层是在所述锗锡光吸收层上外延生长形成，掺杂浓度为1017～1020cm-3，厚度为20～200nm；
C、去除所述P型和N型掺杂区域上的保护层，完成制作所述硅可见光探测器和锗锡红外光探测器；其中，所述硅可见光探测器利用硅衬底作为可见光吸收层，器件结构为PIN型，所述锗锡红外光探测器利用锗锡光吸收层作为短波红外光吸收层，器件结构为PIN型。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤A中的所述保护层为二氧化硅层，厚度为100～500nm。
3.一种通过如权利要求1或2所述的可见-短波红外探测器的制备方法制备得到的可见-短波红外探测器。
4.根据权利要求3所述的可见-短波红外探测器，其特征在于，所述可见-短波红外探测器中对于短波红外的探测波长达到3μm。
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| Title |
|---|
| 《Systematic Study of Si-Based Ge0.9Sn0.1 Light-Emitting Diodes towards Mid-Infrared Application》;Yiyin Zhou et al.;《Optical Society of America》;20161231;全文 * |
| Mid-infrared electroluminescence from a Ge/Ge0.922Sn0.078/Ge double heterostructure p-i-n diode on a Si substrate;H.H.Tseng et al.;《APPLIED PHYSI LETTERS》;20150509;第102卷;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108346713A (zh) | 2018-07-31 |
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