CN109192807A - 微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电探测器技术领域，涉及微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器及其制备方法。本发明的吸收层上表面的中心区域设置有光敏区钝化层，光敏钝化层的上表面从下至上依次设置有正面反射镜、微透镜垫层和微透镜阵列；微透镜垫层的厚度为微透镜焦距，所述正面反射镜开有多个小的通光孔。本发明的有益效果在于：由微透镜陷光结构的近红外响应增强原理可见，该结构是通过反射镜的反射作用增加光在吸收层的吸收长度来实现响应增强，不依赖于吸收层厚度的增加，因而不会造成探测器击穿电压温度系数与响应时间的增大；而且还可以通过进一步减小吸收层厚度来减小器件的击穿电压温度系数和提高器件响应速度，从而可以大幅提高近红外硅APD光电探测器的综合性能。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，尤其涉及微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器及其制备方法。
背景技术
近红外(780nm～1100nm)硅APD光电探测器，具有灵敏度高、增益大、暗电流小、成本低等优点，在激光测距、微光探测、精确制导、光学准直等领域都有广泛应用。
近红外硅APD光电探测器一般采用拉通型(reach through)N+-p-π-P+器件结构，相较于普通的PN或PIN型APD，具有击穿电压相对较小的优点，是目前硅APD采用最多的器件构型。其主要由高掺杂电荷层(N+)、雪崩倍增区(p)、本征吸收层(π)、阳极接触层(P+)、保护环、截止环、增透膜和电极组成。高掺杂电荷层为N+层，通过离子注入或扩散的方式形成，主要起为APD提供高内建电场的作用。雪崩区为p层，主要通过高能离子注入或推结的方式形成，其主要为APD提供雪崩倍增电场。本征吸收层，为低掺杂的高阻层，APD工作时完全耗尽，主要起吸收光子作用。阳极接触层，为高浓度P+层，采用背面离子注入或扩散形成，主要起减小阳极接触电阻的作用。保护环为具有特殊杂质分布的n型层，采用多次注入结合退火调整杂质分布的方式形成，其主要起防止器件边缘击穿的作用。截止环为P型层，主要起抑制器件暗电流的作用。增透膜采用多层复合介质，主要起减小入射光反射，提高器件量子效率的作用。电极主要起电学连接的作用。
高性能的近红外硅APD探测需要同时具有高的响应率、低的击穿电压温度系数与小的响应时间。影响这些性能参数的最主要因素是器件本征吸收层(π层)的厚度，吸收层厚度越大，响应率越高、击穿电压温度系数越大、响应时间越长。由于硅材料本身对近红外光的吸收系数较小，为了提高器件在近红外波段的量子效率(响应率、灵敏度)，传统的方法是增加器件吸收层(π层)的厚度。然而，随着吸收层厚度的增加，器件击穿电压温度系数和响应时间也随之增大，从而极大地限制了器件的性能提高及其使用范围。集成一种在不增大击穿电压温度系数与响应时间的情况下，同时具有近红外响应增强效果的技术，可以大幅提高器件性能，对近红外硅APD光电探测器而言具有极大的实用价值。
传统的近红外硅APD光电探测器的不足主要表现在：响应度和击穿电压温度系数、响应度和响应时间的优化方法相互矛盾。提高器件响应度，需要增加吸收层厚度，器件击穿电压温度系数和响应时间则会随之变大；减小温度系数或减小响应时间，需要减薄吸收层厚度，这又会同时减小器件响应度。
发明内容
有鉴于此，为了解决传统构型APD器件响应度和击穿电压温度系数、响应度和响应时间相互矛盾的问题，本发明提出一种微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器。
本发明提出微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器，吸收层上表面的中心区域设置有光敏区钝化层，光敏钝化层的上表面从下至上依次设置有正面反射镜、微透镜垫层和微透镜阵列；微透镜垫层的厚度为微透镜焦距，所述正面反射镜开有多个小的通光孔。
进一步的，所述吸收层下表面有阳极接触层，阳极接触层的下表面设置有背面钝化层，背面钝化层开设有阳极电极孔，阳极电极设置在阳极电极孔内，背面钝化层的下表面设置有背面反射镜。
进一步的，所述吸收层的上表面，光敏钝化层的周围形成边缘钝化层；所述吸收层的上表层形成有保护环和截止环，保护环位于光敏钝化层的周围，截止环位于保护环的外围；所述吸收层的上表层中心区域形成有高掺电荷层，且高掺电荷层的边缘与保护环有部分重叠；高掺电荷层与保护环重叠区域对应的光敏钝化层和边缘钝化层位置开有阴极电极孔，阴极电极孔内设置有阴极电极；所述吸收层内、高掺电荷层的下侧形成有雪崩倍增层。
进一步的，所述微透镜阵列由四边形或六边形的微透镜单元紧密排列构成，微透镜阵列完全覆盖光敏区钝化层。
进一步的，所述微透镜阵列的上表面设置有增透膜。
进一步的，所述微透镜阵列为高透过率材料，包括SiO2、Si3N4或PMMA。
进一步的，正面反射镜和背面反射镜采用Al、Au或Ag金属介质；或采用SiO2、Si3N4、MgF、TiO2介质材料的堆栈结构；或采用金属与介质材料的组合。
本发明还提出微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器，制作方法包括如下步骤：
1)提供硅衬底材料作为吸收层；
2)采用热氧化或淀积工艺在吸收层上表面形成光敏区钝化层；
3)采用离子注入工艺在吸收层上形成截止环；
4)采用离子注入工艺或杂质扩散工艺在吸收层上形成保护环；
5)采用热氧化或淀积工艺形成边缘钝化层；
6)采用离子注入工艺或杂质扩散工艺在衬底层上形成雪崩倍增层；
7)采用离子注入工艺在衬底层上形成高掺电荷层；
8)采用薄膜淀积和刻蚀工艺在光敏区钝化层上形成正面反射镜和通光孔；
9)采用刻蚀工艺在边缘钝化层和光敏区钝化层上刻蚀出阴极电极孔，然后采用薄膜淀积和刻蚀工艺制作出阴极电极；
10)对吸收层下端面进行减薄处理，减薄后衬底层厚度为30μm～300μm；
11)采用离子注入工艺在吸收层下表面形成阳极接触层；
12)采用薄膜淀积工艺在阳极接触层下表面形成背面钝化层；
13)采用薄膜淀积工艺在背面钝化层下表明形成背面反射镜；
14)采用双面对准光刻和刻蚀工艺在背面钝化层上形成阳极电极孔；然后采用薄膜淀积、双面对准光刻和刻蚀工艺形成阳极电极；
15)采用低温淀积工艺，在正面反射镜上表面形成微透镜垫层，其厚度为微透镜焦距，以保证入射光都能通过通光孔进入吸收层；
16)采用热熔、压印、灰度掩膜光刻、或干法刻蚀图形转移等方法形成微透镜阵列；
17)采用薄膜淀积工艺，在微透镜阵列表面形成增透膜；
18)采用光刻和刻蚀工艺，将阴极电极表面的增透膜材料完全去除。
本发明的有益效果在于：由微透镜陷光结构的近红外响应增强原理可见，该结构是通过反射镜的反射作用增加光在吸收层的吸收长度来实现响应增强，不依赖于吸收层厚度的增加，因而不会造成探测器击穿电压温度系数与响应时间的增大；而且还可以通过进一步减小吸收层厚度来减小器件的击穿电压温度系数和提高器件响应速度，从而可以大幅提高近红外硅APD的综合性能。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为传统拉通型硅APD器件的结构示意图；
图2为本发明微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器的结构示意图；
图3为本发明微透镜阵列结构示意图；
1、吸收层；2、保护环；3、截止环；4、雪崩倍增层；5、高掺电荷层；6、阳极接触层；7、边缘钝化层；8、光敏区钝化层；9、正面反射镜；10、通光孔；11、微透镜垫层；12、微透镜阵列；13、增透膜；14、背面钝化层；15、背面反射镜；16、阴极电极孔；17、阴极；18、阳极电极孔；19阳极电极。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明一种微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器做进行进一步的说明。
图1为传统拉通型硅APD器件结构示意图；图2为具有微透镜陷光结构的近红外响应增强硅APD器件结构示意图，如图1、图2所示，本发明的基于微透镜陷光结构的近红外响应增强型光电探测器(下简称探测器)的中间结构(即吸收层、雪崩倍增层、高掺电荷层、保护环、截止环、钝化层和阴极电极)与现有的探测器的中部结构完全相同(吸收层厚度不同)，中部结构所发挥的功能也与现有技术完全相同，本发明与现有技术的不同之处在于，本发明探测器具有由正面反射镜、通光孔、微透镜垫层、微透镜阵列、增透膜、背面反射镜组成的陷光结构。
本发明基于微透镜陷光结构的近红外响应增强型光电探测器，吸收层1上表面的中心区域设置有光敏区钝化层8，光敏钝化层8的上表面从下至上依次设置有正面反射镜9、微透镜垫层11和微透镜阵列12；所述正面反射镜9开有多个小的通光孔10。
所述吸收层1下表面有阳极接触层6，阳极接触层6的下表面设置有背面钝化层14，背面钝化层14开设有阳极电极孔18，阳极电极19设置在阳极电极孔18内，背面钝化层14的下表面设置有背面反射镜15。
所述吸收层1的上表面，光敏钝化层的周围形成边缘钝化层7；所述吸收层1的上表层形成有保护环2和截止环3，保护环2位于光敏钝化层的周围，截止环3位于保护环2的外围；所述吸收层1的上表层中心区域形成有高掺电荷层5，且高掺电荷层5的边缘与保护环2有部分重叠；高掺电荷层5与保护环2重叠区域对应的光敏钝化层7和边缘钝化层位置开有阴极电极孔16，阴极电极孔16内设置有阴极电极17；所述吸收层内、高掺电荷层5的下侧形成有雪崩倍增层4。
所述微透镜阵列12由四边形或六边形的微透镜单元紧密排列构成，微透镜阵列12完全覆盖光敏区钝化层8。
所述微透镜阵列12的上表面设置有增透膜。
所述微透镜阵列12为高透过率材料，包括SiO2、Si3N4或PMMA等。
正面反射镜9和背面反射镜15采用Al、Au或Ag等金属介质；或采用SiO2、Si3N4、MgF、TiO2等介质材料的堆栈结构；或采用金属与介质材料的组合。
基于微透镜陷光结构的近红外响应增强型光电探测器的制备方法，制作方法包括如下步骤：
1)提供硅衬底材料作为吸收层1；
2)采用热氧化和淀积工艺在吸收层10上表面形成光敏区钝化层8；
3)采用离子注入工艺在吸收层1上形成截止环3；
4)采用离子注入工艺和高温推结工艺在吸收层1上形成保护环2；
5)采用热氧化或淀积工艺形成边缘钝化层7；
6)采用离子注入工艺或高温推结工艺在衬底层1上形成雪崩倍增层4；
7)采用离子注入工艺在衬底层1上形成高掺电荷层5；
8)采用薄膜淀积和刻蚀工艺在光敏区钝化层上形成正面反射镜9和通光孔10；
9)采用刻蚀工艺在边缘钝化层7和光敏区钝化层8上刻蚀出阴极电极孔16，然后采用薄膜淀积和刻蚀工艺制作出阴极电极17；
10)对吸收层1下端面进行减薄处理，减薄后，衬底层1厚度为30μm～300μm；
11)采用离子注入工艺在吸收层1下表面形成阳极接触层6；
12)采用薄膜淀积工艺在阳极接触层6下表面形成背面钝化层14；
13)采用薄膜淀积工艺在背面钝化层14下表明形成背面反射镜15；
14)采用双面对准光刻和刻蚀工艺在背面钝化层14上形成阳极电极孔18；然后采用薄膜淀积、双面对准光刻和刻蚀工艺形成阳极电极19；
15)采用低温淀积工艺，在正面反射镜上表面形成微透镜垫层11，其厚度为微透镜焦距，以保证入射光都能通过通光孔进入吸收层；
16)采用热熔、压印、灰度掩膜光刻、或干法刻蚀图形转移等方法形成微透镜阵列12；
17)采用薄膜淀积工艺，在微透镜阵列12表面形成增透膜13；
18)采用光刻和刻蚀工艺，将阴极电极17表面的增透膜材料完全去除。
本发明陷光结构工作原理如下：
入射光经微透镜的会聚作用，聚焦于正面反射镜上的通光孔，然后通过通光孔进入探测器的吸收区进行吸收，未被吸收完全的入射光到达背面反射镜后会被反射回吸收区进行重复吸收，仍未吸收完全的光会被正面反射镜重新二次反射回吸收区吸收……如此往复，在正面反射镜和背面反射镜之间反复反射吸收，直至入射光被完全吸收，从而达到近红外响应增强的目的(传统结构器件无法将近红外光吸收完全)。该陷光结构犹如黑体一般，入射光一旦进入吸收区，便很难逃逸出(只能通过正面的通光孔逃逸出，但是由于通光孔占空比很低，易于达到5％以下，所以光逃逸出几率小于5％)。由此可见该结构具有极强的近红外响应增强效果。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器，其特征在于：吸收层(1)上表面的中心区域设置有光敏区钝化层(8)，光敏钝化层(8)的上表面从下至上依次设置有正面反射镜(9)、微透镜垫层(11)和微透镜阵列(12)；微透镜垫层(11)的厚度为微透镜焦距，所述正面反射镜(9)开有多个小的通光孔(10)。
2.根据权利要求1所述的微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器，其特征在于：所述吸收层(1)下表面有阳极接触层(6)，阳极接触层(6)的下表面设置有背面钝化层(14)，背面钝化层(14)开设有阳极电极孔(18)，阳极电极(19)设置在阳极电极孔内，背面钝化层(14)的下表面设置有背面反射镜(15)。
3.根据权利要求2所述的微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器，其特征在于：所述吸收层(1)的上表面，光敏钝化层(8)的周围形成边缘钝化层(7)；所述吸收层(1)的上表层形成有保护环(2)和截止环(3)，保护环(2)位于光敏钝化层的周围，截止环(3)位于保护环(2)的外围；所述吸收层(1)的上表层中心区域形成有高掺电荷层(5)，且高掺电荷层(5)的边缘与保护环(2)有部分重叠；高掺电荷层(5)与保护环(2)重叠区域对应的光敏钝化层(8)和边缘钝化层(7)位置开有阴极电极孔(16)，阴极电极孔(16)内设置有阴极电极(17)；所述吸收层(1)内、高掺电荷层(5)的下侧形成有雪崩倍增层(4)。
4.根据权利要求1所述的微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器，其特征在于：所述微透镜阵列(12)由四边形或六边形的微透镜单元紧密排列构成，微透镜阵列(12)完全覆盖光敏区钝化层(8)。
5.根据权利要求1所述的微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器，其特征在于：所述微透镜阵列(12)的上表面设置有增透膜(13)。
6.根据权利要求1所述的微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器，其特征在于：所述微透镜阵列(12)为高透过率材料，包括SiO2、Si3N4或PMMA。
7.根据权利要求2所述的微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器，其特征在于：正面反射镜(9)和背面反射镜(15)采用Al、Au或Ag金属介质；或采用SiO2、Si3N4、MgF、TiO2介质材料的堆栈结构；或采用金属与介质材料的组合。
8.微透镜陷光结构的近红外响应光电探测器的制备方法，其特征在于，制作方法包括如下步骤：
1)提供硅衬底材料作为吸收层(1)；
2)采用热氧化或淀积工艺在吸收层(1)上表面形成光敏区钝化层(8)；
3)采用离子注入工艺或杂质扩散工艺在吸收层(1)上形成截止环(3)；
4)采用离子注入工艺和高温推结工艺在吸收层(1)上形成保护环(2)；
5)采用热氧化或淀积工艺形成边缘钝化层(7)；
6)采用离子注入工艺或杂质扩散工艺在衬底层(1)上形成雪崩倍增层(4)；
7)采用离子注入工艺在衬底层(1)上形成高掺电荷层(5)；
8)采用薄膜淀积和刻蚀工艺在光敏区钝化层上形成正面反射镜(9)和通光孔(10)；
9)采用刻蚀工艺在边缘钝化层(7)和光敏区钝化层(8)上刻蚀出阴极电极孔(16)，然后采用薄膜淀积和刻蚀工艺制作出阴极电极(17)；
10)对吸收层(1)下端面进行减薄处理，减薄后吸收层(1)厚度为30μm～300μm；
11)采用离子注入工艺在吸收层(1)下表面形成阳极接触层(6)；
12)采用薄膜淀积工艺在阳极接触层(6)下表面形成背面钝化层(14)；
13)采用薄膜淀积工艺在背面钝化层(14)下表明形成背面反射镜(15)；
14)采用双面对准光刻和刻蚀工艺在背面钝化层(14)上形成阳极电极孔(18)；然后采用薄膜淀积、双面对准光刻和刻蚀工艺形成阳极电极(19)；
15)采用低温淀积工艺，在正面反射镜(9)上表面形成微透镜垫层(11)，其厚度为微透镜焦距，以保证入射光都能通过通光孔进入吸收层；
16)采用热熔、压印、灰度掩膜光刻、或干法刻蚀图形转移等方法形成微透镜阵列(12)；
17)采用薄膜淀积工艺，在微透镜阵列(12)表面形成增透膜(13)；
18)采用光刻和刻蚀工艺，将阴极电极(17)表面的增透膜材料完全去除。
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