CN110429156B - 一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分形纳米线表面结构的Si‑APD光电探测器及制备方法，包括：分形纳米线表面结构进光层P+区，位于分形纳米线表面结构进光层P+区下方的本征吸收层π区、位于本征吸收层π区下方的雪崩倍增层P区、位于雪崩倍增层P区下方的电极接触层N+区、位于本征吸收层π区两侧下方的保护环即N区、设置在分形纳米线表面结构进光层P+区上表面的上端电极以及电极接触层N+区和N区下表面的下端电极；所述分形纳米线表面结构进光层P+区具有以随机分形分布的垂直硅纳米线的表面结构。本发明解决了传统Si‑APD光电探测器响应度较低、近红外波段几乎无响应等问题，可增强可见光探测量子效率，使响应波段扩展到近红外波段。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，尤其涉及一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器及制备方法。
背景技术
光电探测器作为光纤通讯系统、红外成像系统、激光告警系统和激光测距系统等的重要组成部分，在民用和军用方面均得到了广泛的应用。
APD是一种具有内增益能力的光探测器，具有很高的灵敏度，被广泛地应用在超高速光通信、信号处理、测量和传感系统中。APD是现代高比特速率光通信系统广泛使用的光电探测器，以其体积小、测量波段范围宽以及在近红外波段有较高灵敏度等一系列的优点，已大量用于弱光场测量、光子计数等相关领域中。主要用于弱光条件下的通信、航空、航天、航海以及医疗、安防等工业和民用领域。
传统硅基雪崩光电二极管(Si-APD)波长响应范围为400nm～1100nm，由于硅材料的禁带宽度较大(1.12eV)，因而传统Si-APD对大于1000nm波长光的响应度很低，于红外波段的光探测效率低。其它半导体材料如Ge、InGaAs等虽然可以探测红外波段的光，但这些材料的价格昂贵、热力学性能较差、信噪比低，而且器件制备工艺与现有成熟的硅工艺不兼容。Si材料具有高的碰撞电离系数比，用于光探测器时可使器件的信噪比得到提高，且工艺成熟。因而，通过某些特定的方法实现硅材料对近红外波段增强吸收，扩展硅基光探测器的在红外波段探测效率意义十分重大。
目前，常用的硅基红外波段扩展方案有黑硅和纳米线表面结构等方法。黑硅形成的圆锥形表面结构对光有增强吸收的作用但增强效果不明显，通常反射率为5％-15％。纳米线表面结构分布均匀，主要加工方法有：极紫外光刻技术、电子束光刻技术、X射线光刻、纳米压印刻蚀技术等。纳米线(纳米孔)表面结构对特定波长有极强的吸收，可实现低反射率、低透射率，但只针对单一波长。而分形陈列分布的纳米线没有特定周期可对各个波长进行吸收，另外，光在分形纳米线中产生的拉曼散射也进一步提高了近红外波段的吸收率。而且表面结构制作工艺相对简单，不需要转印和光刻，可作为提高硅Si-APD量子效率的一种新型手段。
论文“Strongly enhanced light trapping in a two-dimensional siliconnanowire random fractal array”(doi:10.1038/lsa.2016.62)介绍了分形纳米线表面结构对可见光和近红外光的强吸收和散射特性，以及该结构在太阳能光伏器件上的应用，而本发明是将该结构用于Si-APD，不仅需要考虑材料对光谱吸收性能，还需要设计结构使APD的各项指标最优。专利“基于微纳米结构的Si-APD光电探测器及其制备方法”(申请号：201410313465.2)发明公开了一种基于微纳米结构的Si-APD光电探测器及其制备方法，该专利所采用微纳米结构为均匀阵列分布只能实现对APD单波段响应增强，而本发明采用随机分形的微纳米结构实现在可见光到近红外的全波段响应增强和量子效率得高。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器及制备方法，利用进光面微结构形成光陷阱，增加对光子吸收从而提高探测效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器，包括：分形纳米线表面结构进光层P+区，位于分形纳米线表面结构进光层P+区下方的本征吸收层π区、位于本征吸收层π区下方的雪崩倍增层P区、位于雪崩倍增层P区下方的电极接触层N+区、位于本征吸收层π区两侧下方的保护环即N区、设置在分形纳米线表面结构进光层P+区上表面的上端电极以及电极接触层N+区和N区下表面的下端电极；所述分形纳米线表面结构进光层P+区具有以随机分形分布的垂直硅纳米线的表面结构。将分形纳米线表面结构应用于Si-APD光电探测器，以提高探测器在200-1200nm波段的量子效率。
进一步的，分形纳米线表面结构进光层P+区纳米线长度约为2.6μm，表面覆盖率约为60％，纳米线间最大孔直径范围为150-200nm。其掺杂浓度范围为1×1015/cm3～2×1016/cm3。
纳米线表面结构进光层P+区掺杂浓度范围为1×1015/cm3～1×1017/cm3，层厚1.2-10um；本征吸收层π区掺杂浓度范围为1×1014/cm3～5×1014/cm3，层厚10-20um；雪崩倍增层P区掺杂浓度范围为1×1015/cm3～5×1015/cm3，层厚0.1-6.5um；电极接触层N+区掺杂浓度范围为1×1017/cm3～1×1019/cm3，层厚0.1-1um；
另外所述保护环N区防击穿功能可通过改变所述雪崩倍增层P区和所述电极接触层N+区边缘设计为斜台实现。
在本发明中，所述上端电极和下端电极为金属薄膜电极，金属材料为铝(Al)、金(Au)或金铬合金(Au/Cr)。
针对上述基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)预备表面清洁、干燥的硅单晶片衬底材料；
b)将硅单晶片研磨抛光，并在衬底正面氧化生长1um-2um的SiO2膜层；
c)在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩模图形对光刻胶图形化，在SiO2膜层上光刻出保护环N区图形区域，去除未被保护的SiO2膜层形成保护环N区窗口；
d)对扩散窗口进行磷扩散或离子注入形成保护环N区，掺杂浓度范围为1×1014/cm3～2×1017/cm3，保护环N区的结深为1.5um～3.5um，接着去除表面光刻胶；
e)在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩模图形对光刻胶图形化，在SiO2膜层上光刻出雪崩倍增层P区图形区域，去除未被保护的SiO2膜层形成雪崩倍增层P区窗口；
f)对扩散窗口进行硼扩散或离子注入形成雪崩倍增层P区，掺杂浓度范围为1×1015/cm3～5×1015/cm3，雪崩倍增层P区的结深为0.1～6.5um，接着去除表面光刻胶；
g)在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩模图形对光刻胶图形化，在SiO2膜层上光刻出电极接触层N+区图形区域，去除未被保护的SiO2膜层形成电极接触层N+区窗口；
h)对扩散窗口进行磷扩散或离子注入形成电极接触层N+区，掺杂浓度范围为1×1017/cm3～1×1019/cm3，电极接触层N+区结深为0.1-1um，接着去除表面光刻胶；
i)进光层P+区离注入，形成进光层高浓度掺杂，注入粒子浓度为1×1015/cm3～1×1017/cm3，进光层P+区的结深为1.2-10um；
j)激光退火，还原材料特性；
k)使用高纯度金颗粒，通过电子束蒸发在室温下将2-3nm金层沉积到P+层上，通过在氢氟酸和H2O2的水溶液中蚀刻样品来形成Si分形纳米线表面结构，通过KI浸除器件表面Au；
l)制备上端电极和下端电极，最终形成基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明所用材料均以硅为基本材料，易于与现有硅微电子标准工艺兼容，且制备过程简单，效率高；
(2)本发明解决了传统Si-APD光电探测器响应度较低、近红外波段几乎无响应等问题，可增强可见光探测量子效率，使响应波段扩展到近红外波段；
(3)本发明的探测器光敏面具有分形纳米线表面结构，在200nm-1000nm波段反射率低于1％，在较宽光谱范围内有极强的光学吸收特性，可提高器件在400nm-1100nm波段的响应，相对于传统Si-APD在1064nm波长量子效率提高一倍以上，分形米线表面结构特有的拉曼散射效应进一步扩展了器件的响应光谱，短波扩展到200nm，长波扩展到1200nm；制作工艺相对简单，不需要转印和光刻，只需要化学溶液腐蚀即可制成。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的第一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器示意图；
图2为本发明的第二种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器示意图；
主要元件符号说明：
图1中：1第一分形纳米线表面结构进光层P+区；2第一本征吸收层π区；3第一雪崩倍增层P区；4第一电极接触层N+区；5、保护环；6第一上端电极；7第一下端电极；
图2中：11第二分形纳米线表面结构进光层P+区；22第二本征吸收层π区；33第二雪崩倍增层P区；44第二电极接触层N+区；55第二上端电极；66第二下端电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器，包括：第一分形纳米线表面结构进光层P+区1，位于第一分形纳米线表面结构进光层P+区1下方的第一本征吸收层π区2、位于第一本征吸收层π区2下方的第一雪崩倍增层P区3、位于第一雪崩倍增层P区3下方的第一电极接触层N+区4、位于第一本征吸收层π区2两侧下方的保护环5即N区、设置在第一分形纳米线表面结构进光层P+区1上表面的第一上端电极6以及第一电极接触层N+区4和保护环5即N区下表面的第一下端电极7；第一分形纳米线表面结构进光层P+区1具有以随机分形分布的垂直硅纳米线的表面结构。
实施例中基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器，第一分形纳米线表面结构进光层P+区1掺杂浓度范围为1×1015/cm3～1×1017/cm3，层厚1.2-10um；第一本征吸收层π区2掺杂浓度范围为1×1014/cm3～5×1014/cm3，层厚10-20um；第一雪崩倍增层P区3掺杂浓度范围为1×1015/cm3～5×1015/cm3，层厚0.1-6.5um；第一电极接触层N+区4掺杂浓度范围为1×1017/cm3～1×1019/cm3，层厚0.1-1um；
P+与N+分别为重掺杂的P型材料与N型材料，π为近似本征型的材料。当反向偏压增加到一定数值时，则耗尽层会穿过P区而进入π区形成了高电场区与漂移区。由于进光层P+区的分形纳米线表面结构，P+区会对入射光进行大量吸收产生光电子，在400nm-1100nm波段吸收率达到90％以上，透射穿过进光层P+区的光则会在本征吸收层π区被吸收产生光电子。入射光产生的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子—空穴对。这些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也可以电离其它的原子。经过多次电离后，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。
本发明的一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器制备方法，包括如下步骤：
a)预备表面清洁、干燥的硅单晶片衬底材料；
b)将硅单晶片研磨抛光，并在衬底正面氧化生长1um-2um的SiO2膜层；
c)在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩模图形对光刻胶图形化，在SiO2膜层上光刻出保护环N区图形区域，去除未被保护的SiO2膜层形成保护环N区窗口；
d)对扩散窗口进行磷扩散或离子注入形成保护环N区，掺杂浓度范围为1×1014/cm3～2×1017/cm3，保护环N区的结深为1.5um～3.5um，接着去除表面光刻胶；
e)在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩模图形对光刻胶图形化，在SiO2膜层上光刻出雪崩倍增层P区图形区域，去除未被保护的SiO2膜层形成雪崩倍增层P区窗口；
f)对扩散窗口进行硼扩散或离子注入形成雪崩倍增层P区，掺杂浓度范围为1×1015/cm3～5×1015/cm3，雪崩倍增层P区的结深为0.1～6.5um，接着去除表面光刻胶；
g)在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩模图形对光刻胶图形化，在SiO2膜层上光刻出电极接触层N+区图形区域，去除未被保护的SiO2膜层形成电极接触层N+区窗口；
h)对扩散窗口进行磷扩散或离子注入形成电极接触层N+区，掺杂浓度范围为1×1017/cm3～1×1019/cm3，电极接触层N+区结深为0.1-1um，接着去除表面光刻胶；
i)进光层P+区离注入，形成进光层高浓度掺杂，注入粒子浓度为1×1015/cm3～1×1017/cm3，进光层P+区的结深为1.2-10um；
j)激光退火，还原材料特性；
k)使用高纯度金颗粒，通过电子束蒸发在室温下将2-3nm金层沉积到P+层上，通过在氢氟酸和H2O2的水溶液中蚀刻样品来形成Si分形纳米线表面结构，通过KI浸除器件表面Au；
l)制备上端电极和下端电极，最终形成基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器。
相比于传统Si-APD，本发明通过三个方面来实现量子效率和光谱响应：抑制反射率、增加吸收率和扩展光谱。探测器光敏面的分形纳米线表面结构形成光陷阱，入射光在光敏区在可见光和近红外反射率可低于1％；入射光分形纳米线内多次反射，提高吸收次数，透射入本征吸收层π区可进行二次光电转换，从而增加吸收率；入射光在分形纳米线中的拉曼散射实现了从探测波段外光线向探测探测波段内的转换，实现了探测波段的扩展，短波扩展到200nm，长波扩展到1200nm。
如图2所示，本发明实施例还提供了第二种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器的实现结构，一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器，包括：第二分形纳米线表面结构进光层P+区11，位于第二分形纳米线表面结构进光层P+区11下方的第二本征吸收层π区22、位于第二本征吸收层π区22下方的第二雪崩倍增层P区33、位于第二雪崩倍增层P区33下方的第二电极接触层N+区44、设置在第一分形纳米线表面结构进光层P+区1上表面的第二上端电极55以及第二电极接触层N+区44下表面的第二下端电极66；第二分形纳米线表面结构进光层P+区11具有以随机分形分布的垂直硅纳米线的表面结构；所述第二雪崩倍增层P区33和第二电极接触层N+区44采用斜台结构，防止器件边缘提前击穿，斜台角度为15°-45°。
实施例中基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器，第二分形纳米线表面结构进光层P+区11掺杂浓度范围为1×1015/cm3～1×1017/cm3，层厚1.2-10um；第二本征吸收层π区22掺杂浓度范围为1×1014/cm3～5×1014/cm3，层厚10-20um；第二雪崩倍增层P区33掺杂浓度范围为1×1015/cm3～5×1015/cm3，层厚0.1-6.5um；第二电极接触层N+区44掺杂浓度范围为1×1017/cm3～1×1019/cm3，层厚0.1-1um。
斜台结构Si-APD与保护环Si-APD制备流程基本相同，除减少步骤c和d外，在f和h步骤分别控制第二雪崩倍增层P区33和第二电极接触层N+区44的离子注入时不同区域离子能量分分布，使之形成所述斜台。采用斜台结构代替保护环，可以减少制作工序，但器件防击穿效果不如保护环，斜台结构相比于保护环暗噪声增加15％-20％。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器，其特征在于，包括：分形纳米线表面结构进光层P+区，位于分形纳米线表面结构进光层P+区下方的本征吸收层π区、位于本征吸收层π区下方的雪崩倍增层P区、位于雪崩倍增层P区下方的电极接触层N+区、位于本征吸收层π区两侧下方的保护环即N区、设置在分形纳米线表面结构进光层P+区上表面的上端电极以及电极接触层N+区下表面的下端电极；所述分形纳米线表面结构进光层P+区具有以随机分形分布的垂直硅纳米线的表面结构；
所述分形纳米线表面结构进光层P+区的纳米线长度为2.6±0.3μm，表面覆盖率为50-60％，纳米线间最大孔直径范围为150-200nm；
所述分形纳米线表面结构进光层P+区掺杂浓度范围为1×1015/cm3～1×1017/cm3，层厚1.2-10um；本征吸收层π区掺杂浓度范围为1×1014/cm3～5×1014/cm3，层厚10-20um；雪崩倍增层P区掺杂浓度范围为1×1015/cm3～5×1015/cm3，层厚0.1-6.5um；电极接触层N+区掺杂浓度范围为1×1017/cm3～1×1019/cm3，层厚0.1-1um；
所述基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
a)预备表面清洁、干燥的硅单晶片衬底材料；
b)将硅单晶片研磨抛光，并在衬底正面氧化生长1um-2um的SiO2膜层；
c)在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩模图形对光刻胶图形化，在SiO2膜层上光刻出保护环N区图形区域，去除未被保护的SiO2膜层形成保护环N区窗口；
d)对扩散窗口进行磷扩散或离子注入形成保护环N区，掺杂浓度范围为1×1014/cm3～2×1017/cm3，保护环N区的结深为1.5um～3.5um，接着去除表面光刻胶；
e)在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩模图形对光刻胶图形化，在SiO2膜层上光刻出雪崩倍增层P区图形区域，去除未被保护的SiO2膜层形成雪崩倍增层P区窗口；
f)对扩散窗口进行硼扩散或离子注入形成雪崩倍增层P区，掺杂浓度范围为1×1015/cm3～5×1015/cm3，雪崩倍增层P区的结深为0.1～6.5um，接着去除表面光刻胶；
g)在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩模图形对光刻胶图形化，在SiO2膜层上光刻出电极接触层N+区图形区域，去除未被保护的SiO2膜层形成电极接触层N+区窗口；
h)对扩散窗口进行磷扩散或离子注入形成电极接触层N+区，掺杂浓度范围为1×1017/cm3～1×1019/cm3，电极接触层N+区结深为0.1-1um，接着去除表面光刻胶；
i)进光层P+区离注入，形成进光层高浓度掺杂，注入粒子浓度为1×1015/cm3～1×1017/cm3，进光层P+区的结深为1.2-10um；
j)激光退火，还原材料特性；
k)使用高纯度金颗粒，通过电子束蒸发在室温下将2-3nm金层沉积到P+层上，通过在氢氟酸和H2O2的水溶液中蚀刻样品来形成Si分形纳米线表面结构，通过KI浸除器件表面Au；
l)制备上端电极和下端电极，最终形成基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器。
2.根据权利要求1所述的基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器，其特征在于：所述上端电极和下端电极为金属薄膜电极，金属材料为铝(Al)、金(Au)或金铬合金(Au/Cr)。
3.根据权利要求1所述的基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器，其特征在于：所述保护环即N区防击穿功能通过改变所述雪崩倍增层P区和所述电极接触层N+区边缘设计为斜台实现。
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