CN113299785A - 硅基探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硅基探测器及其制作方法，该硅基探测器包括衬底以及设置在所述衬底上的器件结构层，所述器件结构层包括沿垂直所述衬底平面方向向上依次设置的吸收层、增益层、第一电荷层、第二电荷层和接触层；所述器件结构层还包括环状结区，所述环状结区位于所述吸收层上方，且套设在所述增益层、所述第一电荷层、所述第二电荷层和所述接触层的边缘外侧；所述环状结区与所述吸收层、第一电荷层和第二电荷层的掺杂类型均不同。该硅基探测器通过引入第二电荷层可以有效增加增益区的深度，提高器件的耗尽电压与击穿电压，获得合适的增益与较高的时间分辨，同时能够减少探测器对高能离子注入等极端工艺和设备的依赖。
Description
技术领域
本发明涉及半导体探测技术领域，具体涉及一种硅基探测器及其制作方法。
背景技术
目前基于硅基的p-i-n结构的雪崩探测器虽然具有较高的增益，但是其信噪比差，无法满足低增益高时间分辨的要求。
低增益雪崩探测器具有合适的雪崩放大倍数(5～20)，较高的时间分辨能力(30ps)，成为实现超高时间分辨的不错选择。然而，要获得合适的增益和较高的时间分辨能力需要严格控制其吸收区与增益区的位置，这对制备工艺和设备提出了较高的要求，例如需要采用高能离子注入工艺(>1MeV)实现较深的增益区位置以获得合适的耗尽电压和击穿电压，进而获得合适的增益与较高的时间分辨。这对于常规的半导体厂和研究机构是很难实现的。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种硅基探测器及其制作方法，该硅基探测器通过引入第二电荷层(也即第二电荷控制区)，可以有效增加增益区的深度，提高器件的耗尽电压与击穿电压，获得合适的增益与较高的时间分辨，同时能够减少探测器对高能离子注入等极端工艺和设备的依赖，以解决现有技术中的硅基探测器需要采用高能离子注入工艺(>1MeV)实现较深的增益区位置以获得合适的耗尽电压和击穿电压的技术问题。
根据一个或多个实施例，一种硅基探测器包括衬底以及设置在所述衬底上的器件结构层，其中：
所述器件结构层包括沿垂直所述衬底平面方向向上依次设置的吸收层、增益层、第一电荷层、第二电荷层和接触层；
所述器件结构层还包括环状结区，所述环状结区位于所述吸收层上方，且套设在所述增益层、所述第一电荷层、所述第二电荷层和所述接触层的边缘外侧；
所述环状结区与所述吸收层、第一电荷层和第二电荷层的掺杂类型均不同。
根据一个或多个实施例，一种硅基探测器的制作方法包括以下步骤：
提供具有第一外延层的衬底；
将所述第一外延层划分为第一掺杂区和其他区域，所述第一掺杂区为环状区域，并且所述第一掺杂区和所述第一外延层的其他区域都进行离子掺杂，且二者的掺杂类型不同；
在所述第一外延层上限定有源区；其中，所述第一掺杂区的至少部分区域位于所述有源区内；
在位于所述有源区内的所述第一外延层的其他区域内进行离子注入，以形成增益层，并且所述第一掺杂区位于所述增益层的边缘外侧；所述增益层将所述第一外延层的其他区域分隔成三部分：靠近所述衬底一侧的区域形成为吸收层，远离所述衬底一侧的区域形成为第一电荷层，所述增益层形成在所述吸收层和所述第一电荷层之间；
外延形成覆盖所述有源区的第二外延层；
将所述第二外延层划分为第二掺杂区和其他区域，所述第二掺杂区为环状区域且与所述第一掺杂区对应紧挨设置，并且所述第二掺杂区和所述第二外延层的其他区域均进行离子掺杂；其中，所述第二掺杂区与所述第一掺杂区的掺杂类型相同，合并作为环状结区；
在所述第二外延层的其他区域的浅表层进行离子注入以形成接触层；在所述第二外延层中位于所述接触层的下方区域作为第二电荷层。
本发明的创新之处是通过引入第二电荷控制区，有效增加增益区的深度，提高器件的耗尽电压与击穿电压，获得合适的增益与较高的时间分辨。同时，减小探测器对高能离子注入等极端工艺和设备的依赖。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1a～图1i为本发明实施例中硅基探测器的制备方法的流程框图。
图中：
1000、衬底；1002、第一外延层；1003、第一掺杂区；1004、环状结区；1005、第二掺杂区；1006、隔离层；1007、吸收层；1008、增益层；1009、第一电荷层；1010、第二电荷层；1011、第二外延层；1012、接触层；1014、第二电极；1016、第一电极。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图1i示出了本发明的一种构思中硅基探测器的部分纵截面图。
参考图1i所示，在衬底1000上形成器件结构层。
在本发明的实施例中，衬底1000可以为P型高掺杂衬底，掺杂浓度可以在1e18～1e21cm-3范围内。
继续参考图1i所示，沿垂直衬底1000平面方向向上依次设置的吸收层1007、增益层1008、第一电荷层1009、第二电荷层1010和接触层1012形成器件结构层的主要功能层结构。
作为本发明的一种具体实施方式，第二电荷层1010的厚度可以为0.5～1.5μm。
吸收层1007可以为本征材料或低掺杂层，吸收层1007主要用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为光生自由载流子对。
第一电荷层1009和第二电荷层1010可以为本征材料或低掺杂层，第一电荷层1009和第二电荷层1010均用于调控器件内部电场分布。
增益层1008可以为重掺杂层，增益层1008主要用于使进入其中的自由载流子引发雪崩倍增效应，产生雪崩载流子对。
接触层1012可以为重掺杂层，形成金属电极接触层。
在本发明的实施例中，第二电荷层1010的掺杂类型与增益区1008及衬底1000的掺杂类型均相同。
如第二电荷层1010、增益区1008以及衬底1000的掺杂类型均可以为P型。
在本发明的实施例中，接触层1012的掺杂类型与衬底1000的掺杂类型相反。
如接触层1012的掺杂类型可以为N型。
作为本发明的一种实施例，可以在衬底1000上同质外延形成第一外延层1002，参考图1i所示。第一外延层1002可以为P型低掺杂外延层，掺杂浓度可以在1e10～1e14cm-3范围内。
采用离子注入工艺在第一外延层1002内部形成增益层1008。由于增益层1008形成于第一外延层1002内部，因此增益层1008将第一外延层1002内部分隔为相互抵接的三部分，其中靠近衬底1000一侧的区域形成为吸收层1007，远离衬底1000一侧的区域形成为第一电荷层1009，增益层1008位于吸收层1007和第一电荷层1009中间。
作为本发明的一种实施例，可以在第一外延层1002上方外延形成第二外延层1011。采用离子注入工艺在第二外延层1011的上部区域形成接触层1012，并且接触层1012将第二外延层1011分隔成两部分，其中，靠近衬底1000一侧的区域形成为第二电荷层1010，接触层1012与第二电荷层1010相抵接。
继续参考图1i所示，器件结构层还包括环状结区1004。
环状结区1004位于吸收层1007的上方，并且环状结区1004套设在增益层1008、第一电荷层1009、第二电荷层1010和接触层1012的边缘外侧。
在本发明的实施例中，环状结区1004可以为重掺杂区，并且由于环状结区1004的掺杂类型与接触层1012的掺杂类型相同，而接触层1012的掺杂类型与衬底1000的掺杂类型相反，所以说环状结区1004的掺杂类型与衬底1000的掺杂类型相反，从而使得环状结区1004与衬底1000之间形成PN结。
在本发明的实施例中，环状结区1004的上表面与接触层1012的上表面齐平。
继续参考图1i所示，器件结构层还包括环状隔离层1006。环状隔离层1006的材质可以为氧化硅。
在本发明的实施例中，环状隔离层1006位于衬底1000上方，并且隔离层1006套设在环状结区1004外部。
作为本发明中的一种具体实施方式，环状隔离层1006上表面的高度高于接触层1012上表面的高度。
继续参考图1i所示，衬底1000上与吸收层1007相对的一侧设置有第一电极1016。其中，第一电极1016为负极，其材料可以为Al。
继续参考图1i所示，接触层1012上设置有第二电极1014，并且第二电极1014覆盖环状结区1004。其中，第二电极1014为正极，其材料可以为Ti或Al。
图1a～图1i示出了硅基探测器制备方法的一种实施例的各个阶段。
参考图1a，提供衬底1000，然后在衬底1000上同质外延第一外延层1002。
在本发明的实施例中，衬底1000可以为P型高掺杂衬底，掺杂浓度可以在1e18～1e21cm-3范围内。
在本发明的实施例中，采用同质外延的第一外延层1002可以有效降低外延结构的位错密度，从而减少器件在高压情况下的缺陷击穿。
参考图1b所示，采用离子注入工艺在第一外延层1002中形成第一掺杂区1003。
在本发明的实施例中，将第一外延层1002划分为第一掺杂区1003和其他区域，第一掺杂区1003为环状区域，然后分别利用离子注入工艺对第一掺杂区1003和第一外延层1002的其他区域进行离子掺杂，并且二者的掺杂类型不同。
在本发明的实施例中，第一外延层1002的其他区域可以为P型低掺杂区域，掺杂浓度可以在1e10～1e14cm-3范围内。其中，掺杂离子可以为硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)等。
在本发明的实施例中，第一掺杂区1003可以为N型高掺杂区，掺杂浓度可以在1e16～1e20cm-3范围内。其中，掺杂离子可以为磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)等。
参考图1c所示，在第一外延层1002上淀积隔离材料形成隔离层1006。其中，隔离层1006覆盖第一掺杂区1003。
在本发明的实施例中，隔离材料可以为氧化硅，从而形成氧化硅隔离层1006。
参考图1d所示，采用光刻工艺刻蚀隔离层1006，以在第一外延层1002上限定有源区，并且第一掺杂区1003的至少部分区域位于有源区内，也即第一掺杂区1003的至少部分区域外露。
参考图1e所示，在位于有源区内的第一外延层1002的其他区域内进行离子注入，以形成增益层1008，并且第一掺杂区1003位于增益层1008的边缘外侧。
由于增益层1008形成于有源区内的第一外延层1002的其他区域内部，因此增益层1008将第一外延层1002的其他区域内部分隔为相互抵接的三部分：靠近衬底1000一侧的区域形成为吸收层1007，远离衬底1000一侧的区域形成为第一电荷层1009，增益层1008位于吸收层1007和第一电荷层1009中间。
在本发明的实施例中，增益层1008可以为P型高掺杂层，掺杂浓度可以在1e16～1e20cm-3范围内。其中，P型注入离子可以为硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)等。
参考图1f所示，在第一外延层1002上方外延形成第二外延层1011。其中，第二外延层1011覆盖有源区，也即覆盖第一掺杂区1003以及第一电荷层1009的外露部分。
参考图1g所示，将第二外延层1011划分为第二掺杂区1005和其他区域，第二掺杂区1005为环状区域且与第一掺杂区1003对应紧挨设置。
在本发明的实施例中，利用离子注入工艺对第二掺杂区1005进行离子掺杂，第二掺杂区1005与第一掺杂区1003的掺杂类型以及掺杂浓度均相同，合并作为环状结区1004。
在本发明的实施例中，第一掺杂区1003与第二掺杂区1005退火激活后形成环状结区1004。
参考图1h所示，在第二外延层1011的其他区域的浅表层进行离子注入以形成接触层1012。
在本发明的实施例中，接触层1012可以为N型高掺杂区，掺杂浓度可以在1e18～1e21cm-3范围内。其中，掺杂离子可以为磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)等。
参考图1h所示，在第二外延层1011中位于接触层1012的下方区域进行离子注入形成第二电荷层1010。
在本发明的实施例中，第二电荷层1010可以为P型低掺杂层，其掺杂浓度可以与第一外延层1002的其他区域相同。
参考图1i所示，在衬底1000上远离第一外延层1002的一侧溅射形成第一电极1016，形成下电极。
在本发明的实施例中，第一电极1016为负极，其材料可以为Al。
继续参考图1i所示，在接触层1012的上表面上溅射形成第二电极1014，形成上电极。
在本发明的实施例中，第二电极1014为正极，其材料可以为Ti或Al。
需要说明的是，本发明中的离子注入工艺、淀积工艺、光刻刻蚀工艺以及溅射工艺均为现有技术中的常规工艺。并且本发明中的制备工艺无需采用高能离子注入工艺(＞1MeV)即可实现较深的增益区位置，以获得合适的耗尽电压和击穿电压，进而获得合适的增益与较高的时间分辨。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列部件不必限于清楚地列出的那些部件，而是可包括没有清楚地列出的或对于部件固有的其它部件。
在本发明中，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或者组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或者位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或者连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明中涉及的“第一”、“第二”等的描述，该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种硅基探测器，其特征在于，包括衬底以及设置在所述衬底上的器件结构层，其中：
所述器件结构层包括沿垂直所述衬底平面方向向上依次设置的吸收层、增益层、第一电荷层、第二电荷层和接触层；
所述器件结构层还包括环状结区，所述环状结区位于所述吸收层上方，且套设在所述增益层、所述第一电荷层、所述第二电荷层和所述接触层的边缘外侧；
所述环状结区与所述吸收层、第一电荷层和第二电荷层的掺杂类型均不同。
2.根据权利要求1所述的硅基探测器，其特征在于，所述环状结区的上表面与所述接触层的上表面齐平；
优选的，所述接触层与所述环状结区的掺杂类型相同。
3.根据权利要求1所述的硅基探测器，其特征在于，所述器件结构层还包括环状隔离层，所述环状隔离层位于所述衬底上方，且套置在所述环状结区外部；
优选的，所述环状隔离层上表面的高度高于所述接触层上表面的高度。
4.根据权利要求1所述的硅基探测器，其特征在于，所述增益层与所述衬底、所述吸收层、所述第一电荷层以及所述第二电荷层的掺杂类型均相同；
所述吸收层、第一电荷层和所述第二电荷层均为本征材料或低掺杂，所述衬底、增益层、接触层和所述环状结区均为重掺杂。
5.根据权利要求1所述的硅基探测器，其特征在于，所述衬底上与所述吸收层相对的一侧设置有第一电极；所述接触层上设置有第二电极，并且所述第二电极覆盖所述环状结区；
优选的，所述第一电极为负极，其材料为Al；所述第二电极为正极，其材料为Ti或Al。
6.一种硅基探测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供具有第一外延层的衬底；
将所述第一外延层划分为第一掺杂区和其他区域，所述第一掺杂区为环状区域，并且所述第一掺杂区和所述第一外延层的其他区域都进行离子掺杂，且二者的掺杂类型不同；
在所述第一外延层上限定有源区；其中，所述第一掺杂区的至少部分区域位于所述有源区内；
在位于所述有源区内的所述第一外延层的其他区域内进行离子注入，以形成增益层，并且所述第一掺杂区位于所述增益层的边缘外侧；所述增益层将所述第一外延层的其他区域分隔成三部分：靠近所述衬底一侧的区域形成为吸收层，远离所述衬底一侧的区域形成为第一电荷层，所述增益层形成在所述吸收层和所述第一电荷层之间；
外延形成覆盖所述有源区的第二外延层；
将所述第二外延层划分为第二掺杂区和其他区域，所述第二掺杂区为环状区域且与所述第一掺杂区对应紧挨设置，并且所述第二掺杂区和所述第二外延层的其他区域均进行离子掺杂；其中，所述第二掺杂区与所述第一掺杂区的掺杂类型相同，合并作为环状结区；
在所述第二外延层的其他区域的浅表层进行离子注入以形成接触层；在所述第二外延层中位于所述接触层的下方区域作为第二电荷层。
7.根据权利要求6所述的硅基探测器的制作方法，其特征在于，在所述第一外延层上限定有源区具体为：
在所述第一外延层上淀积形成隔离层；
采用光刻刻蚀所述隔离层以将所述第一外延层以及所述第一掺杂区的上表面外露，所述隔离层的保留区域作为环状隔离层。
8.根据权利要求6所述的硅基探测器的制作方法，其特征在于，所述第一外延层与所述第二外延层的掺杂类型及掺杂浓度均相同；所述增益层、所述衬底以及所述第一外延层的掺杂类型均相同。
9.根据权利要求6所述的硅基探测器的制作方法，其特征在于，所述接触层的掺杂类型与所述第一掺杂区及所述第二掺杂区的掺杂类型均相同；优选的，所述环状结区经过退火处理。
10.根据权利要求6所述的硅基探测器的制作方法，其特征在于，还包括：在所述衬底背离所述第一外延层的表面和所述接触层表面上分别溅射形成第一电极和第二电极。
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