CN108878544A - 硅基光电探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硅基光电探测器及其制作方法，所述制作方法包括：1）提供一衬底，于所述衬底表面制作出叉指型金属电极；2）于所述叉指型金属电极之上覆盖多晶硅层，并使得所述多晶硅层与所述叉指型金属电极形成肖特基接触；3）刻蚀所述多晶硅层，以形成露出叉指型金属电极的接触点的接触窗；4）基于所述接触窗制作接触点引出的金属焊盘。本发明采用多晶硅作为光敏层，而多晶硅置于叉指型金属电极之上，不会受限于金属电极对入射光的遮挡，从而显著提高了光电探测的量子效率。本发明制作工艺无需掺杂，大大简化了生产工艺及制造成本。本发明采用单面制作工艺，所制作的硅基光电探测器为平面型器件，具有电容小，响应速度快的优点。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域和光电集成领域，特别是涉及一种硅基光电探测器及其制作方法。
背景技术
随着人们对信息传输、处理速度要求的不断提高和多核计算时代的来临，基于金属的电互连将会由于过热、延迟、电子干扰等缺陷成为发展瓶颈。而采用光互连来取代电互连，可以有效解决这一难题。在光互连的具体实施方案中，硅基光互连以其无可比拟的成本和技术优势成为首选。硅基光互连既能发挥光互连速度快、带宽大、抗干扰、功耗低等优点，又能充分利用微电子工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等优势，其发展必将推动新一代高性能计算机、数据通信系统的发展，有着广阔的市场应用前景。
硅基光互连的核心技术是在硅基上实现各种光功能器件，如硅基激光器、电光调制器、光电探测器、滤波器、波分复用器、耦合器、分光器等。其中，硅基金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal,MSM)光电探测器，其结构包括半导体衬底101以及位于所述半导体衬底101上的叉指型的金属电极102，如图1所示，其由于工艺简单、响应速度快等优点被广泛用于硅基光互连的光接收端。但是，这种光电探测器的光敏面通常覆盖有叉指型的金属电极，遮挡了相当一部分入射光信号，只有照射在金属电极间隙处的光信号才能被有效吸收而转化为电信号。因此，这种光电探测器的量子效率受限于光敏面未覆盖金属电极的面积与光敏面面积之比。这是由叉指型MSM光电探测器自身结构所决定的本征缺陷。如何减轻或消除这一缺陷，从而突破其量子效率的本征限制，成为本领域技术研发的一个重要目标。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基光电探测器及其制作方法，用于解决现有技术中光电探测器的量子效率受限于光敏面未覆盖金属电极的面积与光敏面面积之比的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅基光电探测器的制作方法，所述制作方法包括步骤：步骤1)，提供一衬底，于所述衬底表面制作出叉指型金属电极；步骤2)，于所述叉指型金属电极之上覆盖多晶硅层，并使得所述多晶硅层与所述叉指型金属电极形成肖特基接触；步骤3)，刻蚀所述多晶硅层，以形成露出叉指型金属电极的接触点的接触窗；步骤4)，基于所述接触窗制作接触点引出的金属焊盘。
优选地，所述多晶硅层为光敏层。
优选地，步骤1)包括：步骤1-1)通过溅射或蒸镀于所述衬底表面形成金属层；步骤1-2)通过光刻-刻蚀工艺刻蚀所述金属层，以制作出叉指型金属电极。
优选地，步骤1)包括：步骤1-1)，于所述顶层硅表面旋涂光刻胶，并通过曝光工艺形成叉指型金属电极掩膜窗口；步骤1-2)，通过溅射或蒸镀工艺于所述光刻胶及叉指型金属电极掩膜窗口内的衬底表面形成金属层；步骤1-3)，剥离去除所述光刻胶以及光刻胶上的金属层，以制备出所述叉指型金属电极。
优选地，步骤2)包括：步骤2-1)，采用低温沉积工艺于所述叉指型金属电极之上覆盖非晶硅层；步骤2-2)，采用激光诱导结晶化工艺或高温结晶工艺对所述非晶硅层进行处理，以形成多晶硅层。
进一步地，所述低温沉积工艺包括等离子体增强化学气相沉积工艺，所述低温沉积工艺的温度范围为300～500℃。
优选地，所述叉指型金属电极包括叉指排列的第一叉指金属及第二叉指金属，步骤3)中，所述接触窗包括位于所述第一叉指金属最外侧的第一接触窗以及位于所述第二叉指金属最外侧的第二接触窗。
优选地，所述衬底选用为单晶硅衬底或多晶硅衬底。
本发明还提供一种硅基光电探测器，包括：衬底；叉指型金属电极，位于所述衬底上；多晶硅层，覆盖于所述叉指型金属电极上，并且，所述多晶硅层与所述叉指型金属电极形成肖特基接触；接触窗，所述接触窗去除了部分的多晶硅层以露出叉指型金属电极的接触点；以及金属焊盘，基于所述接触窗实现所述接触点的引出。
优选地，所述多晶硅层为光敏层。
优选地，所述叉指型金属电极包括叉指排列的第一叉指金属及第二叉指金属，所述接触窗包括位于所述第一叉指金属最外侧的第一接触窗以及位于所述第二叉指金属最外侧的第二接触窗。
优选地，所述多晶硅层的形状包括圆形、椭圆形、圆角多边形及多边形中的一种。
优选地，所述衬底选用为单晶硅衬底或多晶硅衬底。
如上所述，本发明的硅基光电探测器及其制作方法，具有以下有益效果：
1)本发明采用多晶硅作为光敏层，而多晶硅置于叉指型金属电极之上，不会受限于金属电极对入射光的遮挡，从而显著提高了光电探测的量子效率。
2)本发明制作工艺无需掺杂，大大简化了生产工艺及制造成本。
3)本发明采用单面制作工艺，所制作的硅基光电探测器为平面型器件，具有电容小，响应速度快的优点。
附图说明
图1显示为现有技术中的硅基光电探测器的结构示意图。
图2显示为本发明的硅基光电探测器的制作方法步骤流程示意图。
图3～图7显示为本发明的硅基光电探测器的制作方法各步骤所呈现的结构示意图。
图8显示为本发明的硅基光电探测器的工作原理示意图。
元件标号说明
201 衬底
202 叉指型金属电极
203 多晶硅层
204 接触窗
205 接触点
206 金属焊盘
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2～图7所示，本实施例提供一种硅基光电探测器的制作方法，所述制作方法包括步骤：
如图2～图4所示，首先进行步骤1)S11，提供一衬底201，于所述衬底201表面制作出叉指型金属电极202。
作为示例，所述衬底201选用为单晶硅衬底或多晶硅衬底。在本实施例中，所述衬底201选用为多晶硅衬底，以降低材料成本。
作为示例，所述叉指型金属电极202包括叉指排列的第一叉指金属及第二叉指金属。
作为示例，步骤1)包括：
步骤1-1)，通过溅射或蒸镀于所述衬底201表面形成金属层。所述金属层为能与后续沉积的多晶硅层203形成肖特基接触的金属材料，例如为金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、铂(Pt)、镍(Ni)、钛(Ti)等，在本实施例中，所述金属层为金(Au)。
步骤1-2)，通过光刻-刻蚀工艺刻蚀所述金属层，以制作出叉指型金属电极202。
当然，步骤1)也可以通入如下步骤实现：
步骤1-1)，于所述顶层硅表面旋涂光刻胶，并通过曝光工艺形成叉指型金属电极202掩膜窗口。
步骤1-2)，通过溅射或蒸镀工艺于所述光刻胶及叉指型金属电极202掩膜窗口内的衬底201表面形成金属层；所述金属层为能与后续沉积的多晶硅层203形成肖特基接触的金属材料，例如为金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、铂(Pt)、镍(Ni)、钛(Ti)等，在本实施例中，所述金属层为金(Au)。
步骤1-3)，剥离去除所述光刻胶以及光刻胶上的金属层，以制备出所述叉指型金属电极202。
采用上述剥离光刻胶同时剥离金属的方法制作叉指型金属电极202，不需要对金属层进行刻蚀工艺，可以大大简化工艺过程，降低成本。
如图2及图5所示，然后进行步骤2)S12，于所述叉指型金属电极202之上覆盖多晶硅层203，并使得所述多晶硅层203与所述叉指型金属电极202形成肖特基接触。
作为示例，步骤2)包括：
步骤2-1)，采用低温沉积工艺于所述叉指型金属电极202之上覆盖非晶硅层。
在本实施例中，所述低温沉积工艺包括等离子体增强化学气相沉积工艺，所述低温沉积工艺的温度范围为300～500℃。
步骤2-2)，采用激光诱导结晶化工艺或高温结晶工艺对所述非晶硅层进行处理，以形成多晶硅层203。在本实施例中，采用激光诱导结晶化工艺对所述非晶硅层进行处理，以形成多晶硅层203。
在本实施例中，所述多晶硅层203为光敏层。采用多晶硅层203作为光敏层，而多晶硅层203置于叉指型金属电极202之上，不会受限于金属电极对入射光的遮挡，从而显著提高了光电探测的量子效率。
作为示例，所述多晶硅层203的形状包括圆形、椭圆形、圆角多边形及多边形中的一种。在本实施例中，所述多晶硅层203的形状为与所述叉指型金属电极202形状相适应的方形。
如图2及图6所示，接着进行步骤3)S13，刻蚀所述多晶硅层203，以形成露出叉指型金属电极202的接触点205的接触窗204。
作为示例，所述接触窗204包括位于所述第一叉指金属最外侧的第一接触窗204以及位于所述第二叉指金属最外侧的第二接触窗204。将所述接触窗204设置于叉指金属的最外侧，可以大大降低其对光信号的阻挡，提高器件的灵敏度。
如图2及图7所示，最后进行步骤4)S14，基于所述接触窗204制作接触点205引出的金属焊盘206。
在本实施例中，首先采用溅射或蒸镀的方法于所述接触窗204内制作金属层，然后通过光刻-刻蚀工艺制作出所需的金属焊盘206形状，以便于后续的封装。
如图7～图8所示，本实施例还提供一种硅基光电探测器，包括：衬底201；叉指型金属电极202，位于所述衬底201上；多晶硅层203，覆盖于所述叉指型金属电极202上，并且，所述多晶硅层203与所述叉指型金属电极202形成肖特基接触；接触窗204，所述接触窗204去除了部分的多晶硅层203以露出叉指型金属电极202的接触点205；以及金属焊盘206，基于所述接触窗204实现所述接触点205的引出。
作为示例，所述多晶硅层203为光敏层。采用多晶硅层203作为光敏层，而多晶硅层203置于叉指型金属电极202之上，不会受限于金属电极对入射光的遮挡，从而显著提高了光电探测的量子效率。
作为示例，所述叉指型金属电极202包括叉指排列的第一叉指金属及第二叉指金属，所述接触窗204包括位于所述第一叉指金属最外侧的第一接触窗204以及位于所述第二叉指金属最外侧的第二接触窗204。
作为示例，所述多晶硅层203的形状包括圆形、椭圆形、圆角多边形及多边形中的一种。在本实施例中，所述多晶硅层203的形状为与所述叉指型金属电极202形状相适应的方形。
优选地，所述衬底201选用为单晶硅衬底或多晶硅衬底。在本实施例中，所述衬底201选用为多晶硅衬底，以降低材料成本。
如图8所示，本实施例的硅基光电探测器的工作原理为：在两个金属焊盘206上施加偏压，通过金属焊盘206对两组叉指电极施加偏压，其中电势高的一组叉指电极称为阳极，电势低的一组叉指电极称为阴极。外部光信号从所述多晶硅层203的顶面入射到多晶硅层203(即光敏层)，产生光生载流子，在电场作用下，电子向阳极漂移，空穴向阴极漂移，分别被两组叉指电极收集，从而在外部回路中形成电流，完成光信号到电信号的转换。
如上所述，本发明的硅基光电探测器及其制作方法，具有以下有益效果：
1)本发明采用多晶硅作为光敏层，而多晶硅置于叉指型金属电极202之上，不会受限于金属电极对入射光的遮挡，从而显著提高了光电探测的量子效率。
2)本发明制作工艺无需掺杂，大大简化了生产工艺及制造成本。
3)本发明采用单面制作工艺，所制作的硅基光电探测器为平面型器件，具有电容小，响应速度快的优点。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (13)
1.一种硅基光电探测器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括步骤：
步骤1)，提供一衬底，于所述衬底表面制作出叉指型金属电极；
步骤2)，于所述叉指型金属电极之上覆盖多晶硅层，并使得所述多晶硅层与所述叉指型金属电极形成肖特基接触；
步骤3)，刻蚀所述多晶硅层，以形成露出叉指型金属电极的接触点的接触窗；
步骤4)，基于所述接触窗制作接触点引出的金属焊盘。
2.根据权利要求1所述的硅基光电探测器的制作方法，其特征在于：所述多晶硅层为光敏层。
3.根据权利要求1所述的硅基光电探测器的制作方法，其特征在于：步骤1)包括：
步骤1-1)，通过溅射或蒸镀于所述衬底表面形成金属层；
步骤1-2)，通过光刻-刻蚀工艺刻蚀所述金属层，以制作出叉指型金属电极。
4.根据权利要求1所述的硅基光电探测器的制作方法，其特征在于：步骤1)包括：
步骤1-1)，于所述顶层硅表面旋涂光刻胶，并通过曝光工艺形成叉指型金属电极掩膜窗口；
步骤1-2)，通过溅射或蒸镀工艺于所述光刻胶及叉指型金属电极掩膜窗口内的衬底表面形成金属层；
步骤1-3)，剥离去除所述光刻胶以及光刻胶上的金属层，以制备出所述叉指型金属电极。
5.根据权利要求1所述的硅基光电探测器的制作方法，其特征在于：步骤2)包括：
步骤2-1)，采用低温沉积工艺于所述叉指型金属电极之上覆盖非晶硅层；
步骤2-2)，采用激光诱导结晶化工艺或高温结晶工艺对所述非晶硅层进行处理，以形成多晶硅层。
6.根据权利要求4所述的硅基光电探测器的制作方法，其特征在于：所述低温沉积工艺包括等离子体增强化学气相沉积工艺，所述低温沉积工艺的温度范围为300～500℃。
7.根据权利要求1所述的硅基光电探测器的制作方法，其特征在于：所述叉指型金属电极包括叉指排列的第一叉指金属及第二叉指金属，步骤3)中，所述接触窗包括位于所述第一叉指金属最外侧的第一接触窗以及位于所述第二叉指金属最外侧的第二接触窗。
8.根据权利要求1所述的硅基光电探测器的制作方法，其特征在于：所述衬底选用为单晶硅衬底或多晶硅衬底。
9.一种硅基光电探测器，其特征在于，包括：
衬底；
叉指型金属电极，位于所述衬底上；
多晶硅层，覆盖于所述叉指型金属电极上，并且，所述多晶硅层与所述叉指型金属电极形成肖特基接触；
接触窗，所述接触窗去除了部分的多晶硅层以露出叉指型金属电极的接触点；
金属焊盘，基于所述接触窗实现所述接触点的引出。
10.根据权利要求9所述的硅基光电探测器，其特征在于：所述多晶硅层为光敏层。
11.根据权利要求9所述的硅基光电探测器，其特征在于：所述叉指型金属电极包括叉指排列的第一叉指金属及第二叉指金属，所述接触窗包括位于所述第一叉指金属最外侧的第一接触窗以及位于所述第二叉指金属最外侧的第二接触窗。
12.根据权利要求9所述的硅基光电探测器，其特征在于：所述多晶硅层的形状包括圆形、椭圆形、圆角多边形及多边形中的一种。
13.根据权利要求9所述的硅基光电探测器，其特征在于：所述衬底选用为单晶硅衬底或多晶硅衬底。
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