CN110473928A - 多通道全硅基红外光热电探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电探测技术领域，具体一种多通道全硅基红外光热电探测器及其制作方法。探测器结构包括：一顶层为n型掺杂的SOI衬底；一平行分布的硅纳米线阵列制备于SOI衬底的氧化硅层之上、顶层硅之中；一个二维超表面构筑并集成在硅纳米线阵列之中，该超表面由纳米尺度的金属天线组成；一对覆盖在硅纳米线列阵两端顶部对延伸电极。该探测器的探测波段不受传统探测器的半导体材料带间直接或间接跃迁的限制，能够覆盖整个1‑3μm波段。本发明解决了全硅材料不能工作在波长大于1.1μm红外波段的难题，实现与硅基CCD器件或CMOS读出电路完全兼容和集成，可以发展成多通道、高分辨、大面积焦平面像素列阵的红外光电芯片，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种全硅基红外光电探测器及其制作方法。
背景技术
目前应用于近红外光电探测（1-3μm）的材料，几乎全部被III-V/II-VI族材料支配，比如：InGaAs,HgCdTe,InSb等。但这些材料却存在以下缺陷：材料成本昂贵、富含毒性造成环境污染、材料生长和器件制备工艺极其复杂不稳定、所制备的器件良率低下、必须低温工作、受单晶材料锭条直径限制下无法实现大面积（目前GaAs最大面积为6英寸），并且与传统硅基CMOS工艺和读出电路芯片不兼容。另一方面，当前红外焦平面成像技术的发展趋势要求能满足大面积、探测单元面积不断缩小而实现高分辨成像、耐高温、性能稳定、低成本、与硅基CMOS读出电路可集成在同一衬底上形成红外光电芯片。在III-V/II-VI族化合物半导体为基底材料上用当前传统工艺技术发展起来的红外光电器件，很难顺应这个发展趋势。作为集成电路产业最基础，最成熟的工艺材料，硅材料具有不可替代的重要意义。然而，受到本身能带限制，近红外波段（>1.1μm）的光子能量小于其禁带宽度（1.1 eV），以至于硅材料不能被简单的应用于红外/近红外波段探测。而采用硅掺杂衬底制作成的红外光电探测器的探测波段受离子能级的限制，具有很大的局限性，无法被广泛地应用于光电遥感技术。
非辐射等离子体衰退形成的金属表面热电子光电探测器件，基于载流子内部激发效应的新型光电探测原理。光照激发在金属结构中产生的热载流子能够越过金属/半导体接触界面肖特基势垒，进入半导体内部，形成光电流，使得材料能够摆脱带隙限制，探测到光子能量小于材料本身禁带宽度的波段。该类型器件典型结构是在二维或者三维的材料上放置薄层金属，或者特殊排列的金属球或者金属天线,以形成肖特基结。普遍问题是现有的全硅基热载流子器件在近红外波段的响应率都很低，基本上小于10 mA/W；并且量子效率也都小于1%，甚至仅仅0.01-0.2%，远低于基于传统III-V/II-VI族半导体材料的探测器的性能。
在全硅基热电子红外探测器的实际应用中，除了要求其具有很高的响应率和量子效率，还得要求器件工作时的暗电流很小，即要求器件在红外波段有很高的探测率和低功率入射光监测能力。然而，以往大多数热电子器件都是采用消减金属/半导体接触面的肖特基势垒高度的方式来增强量子效率，这同时导致了器件暗电流的增加，致使噪声等效功率增加，性能下降。而为了矫正器件性能，获取一个可以接受的暗电流值，这些器件也都得冷冻，低温工作。
发明内容
本发明目的在于提出一种多通道全硅基红外光电探测器结构及其制作方法，以解决硅材料受带隙限制不能工作与大于1.1µm波段的难题，克服目前硅基热电子红外器件响应率、量子效率和探测率低下及暗电流较高的缺陷，实现全硅基光电探测器的高灵敏度红外监测能力。
本发明提供的多通道全硅基热电子红外光电探测器，包括：
一绝缘体上硅（SOI）衬底，该衬底顶层为n型掺杂硅，中间层为二氧化硅，底层为普通低掺杂n型硅；
一平行分布的硅纳米线阵列，该硅纳米线阵列制备在中间层二氧化硅之上、顶层硅之中；
一超表面构筑，该超表面由纳米尺度的金属天线组成，并与硅纳米线集成在一块；
一顶部接触电极，覆盖在硅纳米线两端。
本发明中，硅纳米线阵列中，线宽、线距、线长等可以任意选取。
本发明中，所述超表面金属天线具体结构是由周期性排列的金属点阵构成。
本发明中，所述衬底顶层的n型掺杂硅为磷离子n型低掺杂，近乎本征掺杂。
本发明中，所述金属天线材质为铬、金、银、铝、铜和铂金中的一种，或其中几种的组合。
本发明中，所述的顶部电极材质为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或其中几种的组合。
本发明中，光入射平面为SOI衬底的顶部（为正入射）或者底部（为背入射）。
本发明提供的全硅基红外光热电探测器，其工作原理如下：
利用超表面构筑的金属纳米天线实现入射光的完美吸收，并调节场模式以实现金属/半导体界面的高度场局域特性；金属天线进一步在入射光条件下形成表面等离激元，进而在金属表面等离激元非辐射驰豫期间激发产生热载流子；热载流子通过内部发射过程进入一维硅纳米线阵列，并进行一维量子输运形成光电流。
本发明还提供上述全硅基热电子红外光电探测器制作方法，具体步骤为：
步骤一：在顶层为低掺杂n型硅的SOI衬底上旋涂光刻胶-1，样品烘干；进行电子束曝光，然后放入显影液-1中显影，再沉积金属十字形标记，最后进行剥离工艺；
步骤二：在做好金属标记的SOI衬底上旋涂光刻胶-2，烘干样品；以金属标记为基准，确定实际曝光位置，进行电子束曝光；
步骤三：将样品放入显影液-2中显影，然后沉积金属铬，剥离，在SOI衬底上形成铬纳米线条；
步骤四：将样品以铬为掩膜，进行干法刻蚀，然后放入去铬液中，剥离掉铬，留下纯净硅纳米线结构在氧化硅绝缘层上；
步骤五：在刻蚀好硅纳米线的SOI衬底上再次旋涂光刻胶-2，烘干样品；以金属标记为基准，套刻确定新的曝光位置后，进行电子束曝光；
步骤六：将曝光完成后的样品，再次放入显影液-2中进行显影；
步骤七：将显影后的样品放入低浓度的氢氟酸溶液中漂洗，去除自然氧化层；
步骤八：迅速将样品转移进入金属沉积设备中，进行金属天线沉积，然后剥离；
步骤九：在沉积金属天线后的样品上最后旋涂光刻胶-1，烘干样品；以金属标记为基准，再次套刻确定新的曝光位置，然后进行曝光；再放入显影液-1中显影；放入低浓度的氢氟酸溶液中漂洗，去除自然氧化层；迅速将样品转移进入金属沉积设备中，进行金属接触电极的沉积，然后剥离，完成器件制备。
本发明中，所述的光刻胶-1为化学放大胶（如SAL601,UV5,UVIII,SU8等）或者普通正性光刻胶（如PMMA,PMMA-MAA,ZEP520A等）中的一种。
本发明中，所述的光刻胶-2为正性电子束光刻胶（如PMMA,PMMA-MAA,ZEP520A等）中的一种。
本发明中，所述的显影液-1为：MF312:DI water, CD26,EC solvent，或者MIBK:IPA, 或O-xylene中的一种。
本发明中，所述的显影液-2为：MIBK:IPA, O-xylene中的一种。
本发明中，所述的金属标记的材料为铬金，铂金，镍、钛、钯中的一种。
本发明中，所述的干法刻蚀为反应离子刻蚀或者电感耦合等离子体刻蚀。
本发明中，所述的金属沉积设备为热蒸发或者电子束蒸发设备。
本发明中，所述的剥离工艺的溶液为丙酮、PG Remover中的一种。
本发明中，所述的氢氟酸溶液的浓度为0.5%-10%之间。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下优势：
（1）利用本发明，器件材料为全硅基和金属材料，制造技术与CMOS工艺兼容，在进一步发展红外焦平面探测列阵成像领域可以将探测元器件与读出线路集成在一个衬底上；
（2）利用本发明，器件材料为全硅基和金属材料，成本低廉、可与现有硅基CCD器件或者CMOS电路集成为红外光电芯片、硅基红外焦平面探测列阵可达到12英寸晶圆的规模、器件可操作在室温或者高温环境；
（3）利用本发明，借助超表面金属纳米天线，能够最大限度捕获入射光，实现红外波段高吸收率（≈90%）；
（4）利用本发明，借助超金属表面结构原理与性质，可以实现器件在1-3 微米波段的选择性吸收，实现器件多通道探测；
（5）利用本发明,借助金属纳米天线和硅接触形成肖特基结，利用表面等离激元热载流子性质，解决了传统全硅基器件受材料能带限制，无法工作在大于1.1 微米波段的难题；
（6）利用本发明，借助超表面金属天线实现光的完美吸收、金属/硅纳米线的界面场局域特性、表面等离激元热电子激发、以及热载流子被硅纳米线吸收并进行一维量子输运特性提升光电流、器件量子效率、响应度，实现了可以和III-V/II-VI族半导体器件媲美的性能；
（7）利用本发明，基于硅纳米线的金属-半导体-金属构造，减小了器件工作的暗电流，有效提升了器件的探测率和低功率入射光监测能力。
本发明探测器的探测波段不受传统探测器的半导体材料带间直接（或间接）跃迁的限制，超表面结构尺寸以及纳米线阵列的周期和高度综合决定其探测中心波段，并能够覆盖整个1-3μm 波段。本发明解决了全硅材料受带隙限制不能工作在波长大于1.1μm红外波段的难题、实现与硅基CCD器件或CMOS读出电路完全兼容和集成，可以发展成新型多通道、高分辨、大面积焦平面像素列阵的红外光电芯片。与传统的III-V/II-VI族化合物半导体探测器相比，本发明探测器达到相互媲美的性能水平；而在材料成本低廉环保、制造工艺技术与CMOS技术兼容、可工作于室温或者高温条件、可实现大面积（12英寸）、多通道、全硅基红外短波焦平面探测等方面有着远超传统探测器的优势，具有更加广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明器件的结构图。
图2为本发明器件的工作原理图。
图3为本发明器件实施例的结构图。
图4为本发明器件实施例的数值模拟吸收光谱图。
图5为本发明器件实施例的模拟吸收峰所对应波长下的能量分布图。
图6为本发明器件实施例的测试吸收光谱图。
图7为本发明器件实施例的测试响应光谱。
图8为本发明器件实施例的测试暗态情况下I-V关系。
图9为本发明器件实施例的量子效率与波长关系。
图10为本发明器件实施例的探测率与波长关系。
图11为本发明器件实施例的探测率与器件偏压关系。
图12-图19为本发明器件实施例所展示的制备流程图。
具体实施方式
参阅图3所示，为本发明的一个具体实施例，整个器件结构包括：
一绝缘体上硅（SOI）衬底，该衬底顶层硅厚度有150纳米和200纳米两种，为近乎本征掺杂的磷离子掺杂，掺杂浓度为2.8×1015 cm-3；中间层为氧化硅，厚度为500纳米；底层为普通低掺杂n型硅，厚度为500微米；
一平行分布的硅纳米线阵列，该硅纳米线制备在氧化层之上、顶层硅之中；纳米线线宽为100和150纳米，周期为200和400纳米，长度为300微米，分布整体宽度为200微米；
一超表面构筑，该超表面由纳米尺度的金属天线组成。材料为Ti/Au，其中Ti的厚度为2纳米，金的厚度为40纳米；金属天线的长度和宽度均为100纳米，分布周期为200纳米，整体分布面积200微米×300微米，并与硅纳米线集成在一块；
一顶部接触电极覆盖在硅纳米线两端，电极材料为铝，厚度为200纳米，覆盖硅纳米线长度为10微米。
图4是上述实施例器件数值模拟的吸收光谱，顶层硅厚度150纳米，传统的纯平面硅和单纯的硅纳米线结构器件在近红外波段的吸收几乎为零，通过构筑超表面结构，采用合适的纳米尺度天线增强结构光捕获能力，使得结构设计实现完美吸收（吸收值100%）；此外，通过调整顶层硅纳米和金属天线的宽度、周期，可以实现吸收峰值的移动，使得器件可以在1-3微米波段，具备多通道监测的能力。
图5是上述实施例器件在数值模拟实现完美吸收对应波长下的吸收功率分布图，通过调节硅纳米线的周期和线宽，将结构捕获的入射光局域在金属天线和硅纳米线接触的界面。
图6是上述实施例器件在室温下的测试吸收光谱图，其中，硅纳米线宽度100纳米，周期200纳米。传统的纯平面硅和单纯的硅纳米线结构器件在近红外波段的测试吸收值约为10%不到，通过构筑超表面结构，采用合适的纳米尺度天线增强结构光捕获能力，使得结构实际吸收峰值达90%；此外，通过改变硅纳米线高度，可以移动实际吸收峰的位置。
图7是上述实施例器件室温下测试响应光谱，这里光照测试所采用的的光强为400um/cm2, 器件所加偏压为1.5V。纯平面硅结构和简单的硅纳米线结构在波长大于1.1微米响应几乎为0，采用本发明超表面热电子辅助的全硅基器件在1.15微米波段的响应值高达94.5 mA/W,带宽480纳米；当波长为1.55微米时，该全硅器件的响应仍然维持18.4 mA/W。
图8是上述实施例器件的室温下测试暗态情况下I-V关系，当驱动偏压为1.5V时，暗电流密度仅仅9.08×10-8A/cm2 。
图9是上述实施例器件室温下的量子效率与波长关系,该结构基于一维纳米线具有更高的态密度，能容纳更多注入的热电子，打破传统结构热电子典型量子效率小于1%的缺陷；该器件实际测得在1.15微米波段量子效率为11.7%；在1.55微米波段量子效率仍高达1.5%。
图10为本发明器件实施例室温下的探测率与波长关系；该全硅器件在近红外波段探测率高达4.38×1011 Jone,足以和III-V/II-VI族材料器件性能媲美。
图11为本发明器件实施例室温下的探测率与器件偏压关系；该器件可以通过控制偏压大小灵活调整探测率。
图12-图19为本发明器件具体实施例（图3）所展示的一种制作方法，包括如下具体步骤：
步骤一：在顶层为低掺杂n型硅的SOI衬底上旋涂厚度为500纳米的化学放大胶UVIII，样品烘干后，进行电子束曝光，然后放入23℃的TMAH:DI water=1:2.5的显影液；
中显影1分钟，转入DI water中定影15秒；再热蒸发沉积100纳米厚度的金十字形标记，后放入丙酮进行剥离工艺；
步骤二：在做好金属标记的SOI衬底上旋涂350纳米的PMMA，烘干样品，然后以金属标记为基准，确定实际曝光位置后，进行电子束曝光；
步骤三：将样品放入23℃的MIBK:IPA=1:3溶液中显影，转入IPA溶液中定影15秒，沉积20纳米铬，然后放入丙酮进行剥离，在SOI衬底上形成铬纳米线条；
步骤四：将样品以铬为掩膜，进行反应离子刻蚀，然后放入去铬液中，剥离掉铬，留下纯净硅纳米线结构在氧化硅绝缘层上；
步骤五：在刻蚀好硅纳米线的SOI衬底上再次旋涂350纳米的PMMA，烘干样品，然后以金属标记为基准，套刻确定新的曝光位置后，进行电子束曝光；
步骤六：将曝光完成后的样品，放入23℃的MIBK:IPA=1:3溶液中显影，转入IPA溶液中定影15秒；
步骤七：将显影后的样品放入5%的氢氟酸溶液中漂洗15秒，去除自然氧化层；
步骤八：迅速将样品转移进入电子束蒸发设备中，进行金属天线2 nm-Ti/40nm-Au沉积，然后放入丙酮溶液剥离；
步骤九：在沉积金属后的样品上最后旋涂光刻胶UVIII，烘干样品，然后以金属标记为基准，再次套刻确定新的曝光位置后，进行曝光；之后，放入23℃的TMAH:DI water=1:2.5的显影液中显影1分钟，转入DI water中定影15秒；再放入5%的氢氟酸溶液中漂洗15秒，去除自然氧化层；迅速将样品转移进入热蒸发沉积设备中，蒸发沉积200纳米厚度的铝，然后放入丙酮溶液剥离，完成器件制备。
以上所述的具体实施例及其工作原理和制备方法，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，所应理解的是，以上所述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 (10)
1.一种多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，包括：
一绝缘体上硅衬底，该衬底顶层为n型掺杂硅，中间层为二氧化硅，底层为普通低掺杂n型硅；
一平行分布的硅纳米线阵列，该硅纳米线阵列制备在中间层二氧化硅之上、顶层硅之中；
一超表面，该超表面由纳米尺度的金属天线组成，并与硅纳米线集成在一块；
一顶部接触电极，覆盖在硅纳米线两端；
光入射平面为SOI衬底的顶部或者底部。
2.根据权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，所述衬底顶层的n型掺杂硅为磷离子n型低掺杂，近乎本征掺杂。
3.根据权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，所述金属天线材质为铬、金、银、铝、铜和铂金中的一种，或其中几种的组合。
4.根据权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，所述的顶部电极材质为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或其中几种的组合。
5.根据权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，工作原理如下：
利用超表面构筑的金属纳米天线实现入射光的完美吸收，并调节场模式以实现金属/半导体界面的高度场局域特性；金属天线进一步在入射光条件下形成表面等离激元，进而在金属表面等离激元非辐射驰豫期间激发产生热载流子；热载流子通过内部发射过程进入一维硅纳米线阵列，并进行一维量子输运形成光电流。
6.如权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器的制作方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一：在顶层为低掺杂n型硅的SOI衬底上旋涂光刻胶-1，样品烘干；进行电子束曝光，然后放入显影液-1中显影，再沉积金属十字形标记，最后进行剥离工艺；
步骤二：在做好金属标记的SOI衬底上旋涂光刻胶-2，烘干样品；以金属标记为基准，确定实际曝光位置，进行电子束曝光；
步骤三：将样品放入显影液-2中显影，然后沉积金属铬，剥离，在SOI衬底上形成铬纳米线条；
步骤四：将样品以铬为掩膜，进行干法刻蚀，然后放入去铬液中，剥离掉铬，留下纯净硅纳米线结构在氧化硅绝缘层上；
步骤五：在刻蚀好硅纳米线的SOI衬底上再次旋涂光刻胶-2，烘干样品；以金属标记为基准，套刻确定新的曝光位置后，进行电子束曝光；
步骤六：将曝光完成后的样品，再次放入显影液-2中进行显影；
步骤七：将显影后的样品放入氢氟酸溶液中漂洗，去除自然氧化层；
步骤八：迅速将样品转移进入金属沉积设备中，进行金属天线沉积，然后剥离；
步骤九：在沉积金属天线后的样品上最后旋涂光刻胶-1，烘干样品；以金属标记为基准，再次套刻确定新的曝光位置，然后进行曝光；再放入显影液-1中显影；放入氢氟酸溶液中漂洗，去除自然氧化层；迅速将样品转移进入金属沉积设备中，进行金属接触电极的沉积，然后剥离，完成器件制备；
其中，所述的光刻胶-1为化学放大胶：SAL601、UV5、UVIII或SU8，或者普通正性光刻胶：PMMA、PMMA-MAA或ZEP520A中的一种；
所述的光刻胶-2为正性电子束光刻胶：PMMA,PMMA-MAA,ZEP520A中的一种；
所述的显影液-1为：MF312:DI water, CD26,EC solvent，或者MIBK:IPA, 或O-xylene中的一种；
所述的显影液-2为：MIBK:IPA, O-xylene中的一种。
7.根据权利要求6所述制作方法，其特征在于，所述的金属标记的材料为铬金、铂金、镍、钛、钯中的一种。
8.根据权利要求6所述制作方法，其特征在于，所述的干法刻蚀为反应离子刻蚀或者电感耦合等离子体刻蚀。
9. 根据权利要求6所述制作方法，其特征在于，所述的剥离工艺所用溶液为丙酮、PGRemover中的一种。
10.根据权利要求6所述制作方法，其特征在于，所述的氢氟酸溶液的浓度为0.5%-10%。
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