CN114093899A - 一种集成太阳能电池的探测器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种集成太阳能电池的探测器及其制作方法，包括SOI衬底、锗探测器、太阳能电池，SOI衬底从下至上为硅衬底、氧化硅层及顶硅层；顶硅层由隔离区分成左右两部分，一部分外延生长锗层，以锗为吸收层制作锗探测器，另一部分外延硅层，掺杂制作硅太阳能电池；所述硅太阳能电池与锗探测器连接，为锗探测器供电并驱动工作。本发明制作的锗探测器可应用于用途广泛的SWIR短波红外光探测，硅太阳能电池寿命长、效率稳定；在同一SOI衬底上，硅太阳能电池同探测器直接连接供电，形成单一的集成芯片，结构紧凑，面积节省，其集成结构、材料、工艺及所使用的设备同CMOS芯片制造兼容；材料成本显著低于III‑V族化合物半导体探测器，具有和硅CMOS电芯片集成的潜力。

Description

一种集成太阳能电池的探测器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种集成太阳能电池的探测器及其制作方法。
背景技术
半导体光电探测器，常用于检测可见光或红外光，具有非常广泛的用途。探测器通常需要额外的直流电源供电提供偏置，吸收光信号转换为电流，提供给放大和读出电路进一步处理。在太空、野外或移动状态使用的光电探测器，常缺乏长期稳定的电源，或者需要为电源付出高昂的成本，一直是困扰探测器使用的问题之一。近年，少数研究机构或公司提出了在同一衬底上集成太阳能电池和光电探测器，通过太阳能电池将光转换为电并为探测器实时供电，并演示了初步可行性，相对过去额外供电电源的方式，提供了一类经济、便捷和小型化的技术方案。
然而，发明CN202010184384、CN110047970A基于III-V族化合物半导体衬底材料，存在材料昂贵、机械强度差(性脆易碎)的问题；发明CN201510969469基于玻璃、柔性导电衬底分别制备太阳能电池和光电探测器，并未实现同一衬底的集成，并且采用了钙钛矿薄膜作为吸收层，还存在对氧气、水汽等敏感而不稳定、衰减严重和寿命有限的问题；以上发明都无法同经济成熟的硅工艺兼容，也就不具备同硅CMOS电路集成的能力。发明CN104319316A提出了绝缘体硅(SOI)衬底上制作高效薄膜晶硅太阳能电池，并主张其结构和工艺同硅CMOS集成电路兼容，但是其采用的丝网印刷设备、TCO薄膜、银电极等同CMOS硅工艺难以兼容，氢化非晶硅薄膜也难以承受CMOS金属化过程典型400度左右的温度；并且，若采用硅制作探测器，只能吸收波长1微米以下的近红外(NIR，0.75-1.1微米)及可见光，对于微米短波红外(SWIR，1.1-2.5微米)则不能响应。SWIR比NIR用途广泛，如光通信、量子密钥分配、TOF测距、气体监测、无损检测、医疗诊断、生物识别等重要领域，不能应用于SWIR是硅探测器的一个明显限制。
综上所述，先前技术在探测应用领域、性能稳定性、使用寿命及与硅CMOS电路兼容性等一个或多个方面存在问题，需要新的改进技术来克服这些缺点。
发明内容
针对先前技术中存在的问题，提供了一种集成太阳能电池的探测器及其制作方法，获得集成太阳能电池供电的红外探测器，电池效率稳定并具有较长寿命，并实现整个系统结构紧凑和成本有效降低，和硅CMOS工艺完全兼容。
本发明采用的技术方案如下：一种集成太阳能电池的探测器，其特征在于，包括SOI衬底、锗探测器、太阳能电池，SOI衬底从下至上为硅衬底、氧化硅层及顶硅层；顶硅层由隔离区分成左右两部分，一部分外延生长锗层，以锗为吸收层制作锗探测器，另一部分外延硅层，掺杂制作硅太阳能电池；所述硅太阳能电池与锗探测器连接，为锗探测器供电并驱动工作。
进一步的，所述隔离区为浅沟槽隔离、硅局部氧化隔离或岛状隔离，所述浅沟槽隔离、硅的局部氧化隔离分别以刻蚀原顶硅层隔离区的硅后沉积、生长氧化硅作为隔离材料，岛状隔离则在刻蚀原顶硅层隔离区的硅后不进行填充，以空气作为隔离材料。
进一步的，所述硅太阳能电池的P端和锗探测器的N端相连，硅太阳能电池的N端和锗探测器的P端相连，使探测器处于负偏工作状态。
进一步的，所述锗探测器为PIN PD或APD。
进一步的，在锗探测器为PIN PD时，锗探测器包括，
位于顶硅层中靠近上表面的P+型掺杂硅层；以及
位于P+型掺杂硅层之上的外延锗本征层；以及
位于外延锗本征层中靠近上表面的N++型掺杂锗层；以及
位于顶硅层中P+型掺杂硅层两侧的P++型掺杂硅层；以及
位于P++型掺杂硅层、N++型掺杂锗层之上的金属电极；
硅太阳能电池包括，
位于顶硅层中靠近上表面的P++型掺杂硅层；以及
位于P++型掺杂硅层中部之上的外延硅本征层；以及
位于外延硅本征层中靠近上表面的N++型掺杂硅层；以及
位于P++型掺杂硅层和N++型掺杂硅层之上的金属电极。
进一步的，所述P+型掺杂硅层厚度为0.1～0.5微米，掺杂浓度为5E16～1E19cm-3；P++型掺杂硅层厚度为0.05～0.5微米，掺杂浓度为1E19～1E21 cm-3；外延锗本征层厚度为0.1～2微米；N++型掺杂硅层和N++型掺杂硅层厚度均为0.05～0.2微米，掺杂浓度均为1E19～5E20cm-3；其中，锗可以是纯锗，也可以是包括硅、锡、铅等元素的锗合金，可以是上述纯锗或锗合金组分相同的单一层，也可以是包含不同组合和不同厚度的多层组合。
进一步的，在锗探测器为APD时，锗探测器包括，
位于顶硅层中靠近上表面的N++型掺杂硅层；以及
位于N++型掺杂硅层中部之上的外延硅本征层；以及
位于外延硅本征层中靠近上表面的P型掺杂硅层；以及
位于P型掺杂硅层之上的外延锗本征层；以及
位于外延锗本征层中靠近上表面的P++型掺杂锗层；以及
位于P++型掺杂锗层之上和N++型掺杂硅层之上的金属电极；
硅太阳能电池包括，
位于顶硅层中靠近上表面的N++型掺杂硅层；以及
位于N++型掺杂硅层中部之上的外延硅本征层；以及
位于外延硅本征层中靠近上表面的P++型掺杂硅层；以及
位于N++型掺杂硅层两侧之上和P+型掺杂硅层之上的金属电极。
进一步的，所述N++型掺杂硅层厚度为0.05～0.5微米，掺杂浓度为1E19～1E21 cm-3；P型掺杂硅层厚度0.02～0.2微米，浓度1E17～5E18cm-3；锗外延层厚度为0.2～1微米；P++型掺杂锗层厚度为0.05～0.2微米，浓度5E18～5E20 cm-3；P++型掺杂硅层厚度为0.05～0.2微米，掺杂浓度为1E19～1E21 cm-3；其中，锗可以是纯锗，也可以是包括硅、锡、铅等元素的锗合金，可以是上述纯锗或锗合金组分相同的单一层，也可以是包含不同组合和不同厚度的多层组合。
进一步的，金属电极与P++型掺杂硅层或N++型掺杂锗层之间可以设有硅化物或锗化物，以减小接触电阻。
进一步的，所述探测器中可以制备多个相同硅太阳能电池串联为探测器供电。
本发明还提供了一种集成太阳能电池的探测器制作方法，包括以下步骤：
步骤1、选择适当的SOI衬底；
步骤2、将SOI衬底分为太阳能电池区和探测器区，两个区域中间制作隔离区进行隔离；
步骤3、在SOI衬底的顶硅层进行P+和P++离子注入并退火激活；
步骤4、沉积第一氧化层，并在太阳能电池区去除顶硅层表面的第一氧化层，暴露太阳能电池区的顶硅层，作为硅的外延生长区；
步骤5、进行选择性硅外延，形成外延硅层；
步骤6、对外延硅层进行N++离子注入并退火激活；
步骤7、沉积第二氧化层，并在探测器区顺序去除顶硅层表面的第二氧化层、第一氧化层，暴露探测器区的顶硅层，作为锗的外延生长区；
步骤8、进行选择性锗外延，形成外延锗层；
步骤9、对外延锗层进行N++离子注入并退火激活；
步骤10、去除整个衬底范围内沉积的第二氧化层和第一氧化层；
步骤11、沉积金属化前的介质层，并在外延硅层、外延锗层和SOI顶硅层上刻蚀出电极接触孔；
步骤12、沉积金属并刻蚀出金属图形，完成接触孔的填充和金属互连线；
步骤13、合金退火，完成太阳能电池和探测器集成芯片的制作。
本发明还提供了另一种集成太阳能电池的探测器制作方法，包括以下步骤：
步骤1、选择适当的SOI衬底；
步骤2、将SOI衬底分为太阳能电池区和探测器区，两个区域中间制作隔离区进行隔离；
步骤3、在SOI衬底的顶硅层进行N++离子注入并退火激活；
步骤4、沉积第一氧化层，并在太阳能电池区去除顶硅层表面的第一氧化层，暴露太阳能电池区的顶硅层，作为硅的外延生长区；
步骤5、进行选择性硅外延，形成外延硅层；
步骤6、对外延硅层进行P++离子注入并退火激活；
步骤7、沉积第二氧化层，并在探测器区顺序去除顶硅层表面的第二氧化层、第一氧化层，暴露探测器区的顶硅层，作为硅的外延生长区；
步骤8、进行选择性硅外延，形成外延硅层；
步骤9、对外延硅层进行P型离子注入并退火激活；
步骤10、进行选择性锗外延，形成外延锗层；
步骤11、对外延锗层进行P++离子注入并退火激活；
步骤12、去除整个衬底范围内沉积的第二氧化层层和第一氧化层；
步骤13、沉积金属化前的介质层，并在外延硅层、外延锗层和SOI顶硅层上刻蚀出电极接触孔；
步骤14、沉积金属，并刻蚀出金属图形，完成接触孔的填充和金属互连线；
步骤15、合金退火，完成太阳能电池和探测器集成芯片的制作。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
1)锗探测器可应用于用途广泛的SWIR短波红外光探测。
2)硅太阳能电池寿命长、效率稳定。
3)在同一SOI衬底上，硅太阳能电池同锗探测器直接连接供电，形成单一的集成芯片，结构紧凑，面积节省，并且其集成结构、材料、工艺和所使用的设备同CMOS芯片制造兼容。
4)SOI衬底上的锗探测器，能够覆盖和InGaAs III-V族化合物半导体探测器相同的探测波段，但材料成本显著低于III-V族化合物半导体探测器，并且具有和硅CMOS电芯片集成的潜力。
附图说明
图1为本发明提出的集成太阳能电池的探测器结构示意图。
图2为SOI衬底示意图。
图3为本发明一实施例的集成太阳能电池的探测器结构示意图。
图4为本发明另一实施例的集成太阳能电池的探测器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
需要注意的是，在本发明存在掺杂的结构层中，P表示P型离子注入，通常为硼离子或二氟化硼离子，N表示N型离子注入，通常为磷离子或砷离子，P或N右上角的“+”表示掺杂量，P++大于P+大于P型，N++大于N+大于N型。
如图1、图2所示，本发明提出了一种集成太阳能电池的探测器，包括SOI衬底、锗探测器5、太阳能电池6，SOI衬底从下至上为背衬底硅层1、埋氧化硅层2及顶硅层3；顶硅层3由隔离区4分成左右两部分，一部分外延生长锗层，以锗为吸收层制作锗探测器5，另一部分外延硅层，掺杂制作硅太阳能电池6；所述硅太阳能电池与锗探测器连接，为锗探测器供电并驱动工作，探测器把吸收的光信号转变为电流，探测器对外将连接外部电路放大和读出电流信号。外部电路可以是同本发明的电池、探测器集成为一体的CMOS电路，也可以是未集成一体、采用金属导线连接的其他电路芯片。硅太阳能电池的P端和锗探测器的N端相连，硅太阳能电池的N端和锗探测器的P端相连，使探测器处于负偏工作状态。
具体的，隔离区为浅沟槽隔离、硅局部氧化隔离或岛状隔离。优选的，所述浅沟槽隔离、硅的局部氧化隔离以氧化硅作为隔离材料，岛状隔离通过刻蚀原顶硅层隔离区的硅形成，以空气作为隔绝材料。
实施例1
如图3所示，本实施例中锗探测器为PIN PD，相应的集成太阳能电池的探测器具体结构包括SOI衬底，以及衬底上的PIN PD和硅太阳能电池。
具体的，SOI衬底包括背衬底硅层1、埋氧化硅层2、顶硅层3，顶硅层3被隔离区分割为两部分，一部分制作PIN PD锗探测器51，另一部分制作硅太阳能电池61，以及制作完成后表面的介质层7。介质层7为等离子增强化学气相沉积0.4微米氧化层，用作金属化前的介质层。
SOI衬底尺寸通常选取4-12英寸，背衬底硅层1厚度一般为500～800微米，电阻率为P型或N型0.001～10k欧姆·厘米；埋氧化硅层2厚度一般为0.1～3微米；顶硅层3厚度一般为0.02～50微米，电阻率为P型或N型0.001～10k欧姆·厘米。
PIN PD锗探测器51包括，
位于顶硅层3中靠近上表面的P+型掺杂硅层511；以及
位于P+型掺杂硅层511之上的外延锗本征层512；以及
位于外延锗本征层512中靠近上表面的N++型掺杂锗层513；以及
位于顶硅层表面中P+型掺杂硅层511两侧的P++型掺杂硅层514；以及
位于P++型掺杂硅层514之上的金属电极516、N++型掺杂锗层513之上的金属电极515；
其中，P+型掺杂硅层511厚度为0.1～0.5微米，掺杂浓度为5E16～1E19cm-3，可以直接通过对顶硅层3离子注入后获得，也可以通过在顶硅层3上外延硅单晶获得，对外延获得的P+型掺杂硅层511，具体可通过外延原位掺杂或非掺杂外延后离子注入获得。
外延锗本征层512为硅上选择性外延生长的锗单晶层，可以是单层锗外延或者以不同工艺条件生长的多层锗外延。其中，锗单晶层可以是纯锗，也可以是包括硅、锡、铅等元素的锗合金，外延锗本征层512厚度为0.1～2微米。
N++型掺杂锗层513可以通过原位掺杂方式获得，也可以是生长未掺杂的外延锗本征层后通过离子注入获得，厚度均为0.05～0.2微米，掺杂浓度为5E18～5E20 cm-3。
P++型掺杂硅层514为P++型重掺杂，厚度为0.05～0.5微米，掺杂浓度为1E19～1E21cm-3，可以通过对顶硅层局部区域离子注入获得，用以形成和金属之间的欧姆接触。在实际制作当中，直接在顶硅层3全部表面离子注入制作P+型掺杂硅层，再在P+型掺杂硅层的两侧进行离子注入获得P++型掺杂硅层。
金属电极515、516通过蒸发、溅射或电镀等方式获得，其制作材料可以是铝、钨、铜等金属及其合金材料，厚度为0.1～3微米。在一个优选实施例中，金属电极与P++型掺杂硅层或N++型掺杂锗层之间可以增加硅化物或锗化物等减小接触电阻，优选的硅化物或锗化物厚度为0.01～0.2微米。
硅太阳能电池61包括，
位于顶硅层3中靠近上表面的P++型掺杂硅层611；以及
位于P++型掺杂硅层611中部之上的外延硅本征层612；以及
位于外延硅本征层612中靠近上表面的N++型掺杂硅层613；以及
位于P++型掺杂硅层611两侧之上的金属电极615和N++型掺杂硅层613之上的金属电极614。
P++型掺杂硅层611通过与P++型掺杂硅层514同一次局部离子注入而获得，用以形成硅太阳能电池的背场和基极电极的欧姆接触。
外延硅本征层612通过在P++型掺杂硅层611表面中部进行选择性硅外延形成，厚度为0.1～2微米，其厚度受限于平面光刻工艺中光刻胶所允许的硅片表面最大台阶高度。
N++型掺杂硅层613，通过在外延硅本征层612顶部进行和N++型掺杂锗层513同一次的局部离子注入而获得，用以形成硅太阳能电池的发射极。
金属电极614、615制作工艺与金属电极515、516相同。
本实施例中，太阳能电池和PIN PD锗探测器的连接，都是在芯片内金属电极515和615直接相连、516和614直接连接完成，即太阳能电池的光生电动势(电压)使探测器处于负偏工作状态。由于电池结构和外部光强的不同，硅太阳电池的电压通常处于0.5～0.7V的范围，根据探测器的偏置点选择，可以将多个太阳能电池在片内串联集成，获得探测器工作所需的适当电压。
在本实施例中，PIN PD锗探测器51中的锗可以是纯锗，也可以是包括硅、锡、铅等元素的锗合金，可以是上述纯锗或锗合金组分相同的单一层，也可以是包含不同组合和不同厚度的多层组合。
实施例2
如图4所示，本实施例中锗探测器为APD，相应的集成太阳能电池的探测器具体结构包括SOI衬底，以及衬底上的APD和硅太阳能电池。
具体的，SOI衬底包括背衬底硅层1、埋氧化硅层2、顶硅层3，顶硅层3被隔离区分割为两部分，一部分制作APD锗探测器52，另一部分制作硅太阳能电池62，以及制作完成后表面的介质层7。介质层7为等离子增强化学气相沉积0.4微米氧化层，用作金属化前的介质层。
SOI衬底尺寸选取4-12英寸，背衬底硅层1厚度一般为500～800微米，电阻率为P型或N型0.001～10k欧姆·厘米；埋氧化硅层2厚度一般为0.1～3微米；顶硅层3厚度一般为0.02～50微米，电阻率为P型或N型0.001～10k欧姆·厘米。
锗探测器52包括，
位于顶硅层3中靠近上表面的N++型掺杂硅层521；以及
位于N++型掺杂硅层521中部之上的外延硅本征层522；以及
位于外延硅本征层522中靠近上表面的P型掺杂硅层523；以及
位于P型掺杂硅层523之上的外延锗本征层524；以及
位于外延锗本征层524中靠近上表面的P++型掺杂锗层525；以及
位于P++型掺杂锗层525之上的金属电极526和N++型掺杂硅层521两侧之上的金属电极527；
其中，N++型掺杂硅层521厚度为0.05～0.5微米，掺杂浓度为1E20～1E21 cm-3，通过局部区域离子注入获得，用以形成硅和金属之间的欧姆接触。
外延硅本征层522为雪崩倍增层，厚度0.1～1微米，浓度1E15～5E16cm-3，厚度和浓度根据器件雪崩击穿电压和性能参数而设计，。
P型掺杂硅层523为电荷供给层，厚度0.02～0.2微米，浓度1E17～5E18cm-3。
外延锗本征层524厚度为0.2～1微米，通过非掺杂外延获得。
P++型掺杂锗层525厚度为0.05～0.2微米，浓度5E18～5E20 cm-3，经过对外延锗本征层524上部离子注入转化而来，目的是形成锗和金属之间的欧姆接触。
金属电极526和金属电极527通过蒸发、溅射或电镀等方式获得，其制作材料可以是铝、钨、铜等金属及其合金材料，厚度为0.1～3微米。在一个优选实施例中，金属电极与P++型掺杂硅层或N++型掺杂锗层之间可以增加硅化物或锗化物等物质减小接触电阻，优选的硅化物或锗化物厚度为0.01～0.2微米。
硅太阳能电池62包括，
位于顶硅层3中靠近上表面的N++型掺杂硅层621；以及
位于N++型掺杂硅层621中部之上的外延硅本征层622；以及
位于外延硅本征层622中靠近上表面的P++型掺杂硅层623；以及
位于N++型掺杂硅层621两侧之上的金属电极625和P++型掺杂硅层623之上的金属电极624。
N++型掺杂硅层621通过与N++型掺杂硅层521进行同次离子注入获得,用以形成硅太阳能电池的背场和发射电极的欧姆接触。
外延硅本征层622通过在N++型掺杂硅层621表面中部进行选择性硅外延形成，厚度为0.1-2微米，其厚度受限于平面光刻工艺中光刻胶所允许的硅片表面最大台阶高度。
P++型掺杂硅层623厚度为0.05～0.2微米，浓度1E19～1E21 cm-3，经过对外延硅本征层622上部离子注入转化而来，用以形成硅太阳能电池的基极电极。
金属电极625、金属电极624制作工艺与金属电极526、金属电极527相同。
本实施例中，太阳能电池和APD锗探测器的连接，都是在芯片内金属电极625和526直接连接、624和527直接连接完成，即太阳能电池的光生电动势(电压)使探测器处于负偏工作状态。由于电池结构和外部光强的不同，硅太阳电池的电压通常处于0.5～0.7V的范围，根据探测器的偏置点选择，可以将多个太阳能电池在片内串联集成，获得探测器工作所需的适当电压。通过将锗探测器替换为APD相较于PIN PD而言，能够简化放大电路的同时获得更高的灵敏度。
在本实施例中，APD锗探测器51中的锗可以是纯锗，也可以是包括硅、锡、铅等元素的锗合金，可以是上述纯锗或锗合金组分相同的单一层，也可以是包含不同组合和不同厚度的多层组合。
实施例3
本实施例提供了一种实施例1提出的集成太阳能电池的探测器的制作方法，具体如下：
步骤1、选取8吋SOI衬底，顶硅层厚度0.22微米，埋氧化层厚度2微米，衬底厚度725微米，电阻率为～10欧姆·厘米；
步骤2、在光刻胶对太阳能电池区和探测器区掩蔽下，采用干法刻蚀隔离区的硅层至埋氧化层，形成电池和探测器的岛状(Mesa)隔离；
步骤3、对顶硅层进行无掩蔽的P+离子注入，然后经过一次光刻掩蔽探测器区，对该区域外的部分进行P++离子注入，并退火激活；
步骤4、等离子增强化学气相沉积0.3微米氧化层，在光刻胶掩蔽下，干法刻蚀0.25微米氧化层，余下0.05微米氧化硅以稀释氢氟酸刻蚀去除，暴露出太阳能电池区的硅外延生长窗口；
步骤5、进行选择性外延生长1微米不掺杂的硅单晶；
步骤6、在无光刻胶掩蔽的情况下，对外延硅单晶进行N++离子注入并退火激活；
步骤7、通过等离子增强化学气相沉积0.3微米氧化层，在光刻胶掩蔽下，用干法刻蚀0.55微米氧化层，余下0.05微米氧化硅以稀释氢氟酸刻蚀去除，暴露出探测器区的锗外延生长窗口；
步骤8、进行选择性外延生长1微米不掺杂的锗单晶；
步骤9、在无光刻胶掩蔽的情况下，进行N++离子注入并退火激活；
步骤10、去除两次沉积累计厚度为0.6微米的氧化层，暴露出外延生长的硅和锗；
步骤11、通过等离子增强化学气相沉积0.4微米氧化层，用作金属化前的介质层；进光刻接触孔图形，以干法刻蚀90％厚度+湿法刻蚀余下10％厚度的方式刻蚀0.4微米氧化层并打开硅外延、锗外延和SOI顶硅层上的电极接触孔；
步骤12、溅射方式沉积0.6微米铝，光刻金属布线图形，以干法刻蚀形成接触孔填充和互连线；
步骤13、在合成气体环境下，350度/30分钟退火合金，完成太阳能电池和探测器集成芯片的制作。
具体的，所述步骤3中，所述P+离子注入条件为硼离子/20keV/5E14cm-2/7度；P++离子注入条件为硼离子/10keV/2E15cm-2/7度，并在氮气气氛下经过1030度/5秒快速热退火激活杂质。
在步骤6中，N++离子注入条件为磷离子/10keV/4E15cm-2/7度，并采用氮气/1030度/5秒快速热退火激活杂质。
在步骤9中，N++离子注入条件为磷离子/10keV/2E15cm-2/7度，并采用氮气/600度/5分钟快速热退火激活杂质。
优选的，步骤10中，采用稀释的氢氟酸刻蚀去除氧化层。
优选的，步骤13中，合成气体为氮气90％+氢气10％的混合。
实施例4
本发明还提供了一种实施例2提出的集成太阳能电池的探测器的制作方法，具体如下：
步骤1、选取8吋SOI衬底，顶硅层厚度0.22微米，埋氧化层厚度2微米，衬底厚度725微米，电阻率为～10欧姆·厘米；
步骤2、在光刻胶对太阳能电池区和探测器区掩蔽下，采用干法刻蚀隔离区的硅层至埋氧化层，形成电池和探测器的岛状(Mesa)隔离；
步骤3、在光刻胶掩蔽下，对顶硅层的太阳能电池区和探测器区进行N++离子注入并退火激活；
步骤4、通过等离子增强化学气相沉积0.3微米氧化层，在光刻胶掩蔽下，用干法刻蚀0.25微米氧化层，余下0.05微米氧化硅以稀释氢氟酸刻蚀去除，暴露出太阳能电池区的硅外延生长窗口；
步骤5、进行择性外延生长1微米不掺杂的硅单晶；
步骤6、在无光刻胶掩蔽的情况下，对外延硅单晶进行P++离子注入并退火激活；
步骤7、等离子增强化学气相沉积0.3微米氧化层，在光刻胶掩蔽下，用干法刻蚀0.55微米氧化层，余下0.05微米氧化硅以稀释氢氟酸刻蚀去除，暴露出探测器区的外延生长窗口；
步骤8、进行选择性外延生长0.6微米不掺杂的硅单晶；
步骤9、在无光刻胶掩蔽的情况下，外延硅单晶进行P离子注入并退火激活；
步骤10、再进行选择性外延生长0.8微米锗单晶；
步骤11、在无光刻胶掩蔽的情况下，进行P++离子注入并退火激活；
步骤12、去除两次沉积的氧化层，暴露出外延生长的硅和锗；
步骤13、通过等离子增强化学气相沉积0.4微米氧化层，用作金属化前的介质层；进行光刻接触孔图形，以干法刻蚀90％厚度+湿法刻蚀10％厚度的方式刻蚀0.4微米氧化层，同时打开硅外延、锗外延和SOI顶硅层上的电极接触孔；
步骤14、溅射方式沉积0.6微米铝，光刻金属布线图形，以干法刻蚀形成接触孔填充和连线；
步骤15、在合成气体环境下，350度/30分钟退火合金，完成太阳能电池和探测器集成芯片的制作。
具体的，步骤3中，N++离子注入条件为磷离子/20keV/5E15cm-2/7度，并在氮气气氛下经过1030度/5秒快速热退火激活杂质。
步骤6中，P++离子注入外延硅的条件为硼离子/10keV/2E15cm-2/7度，并采用氮气/1030度/5秒快速热退火激活杂质。
步骤9中，P离子注入条件为硼离子/5k/2E12cm-2/7度，并采用氮气/1030度/5秒快速热退火激活杂质。
步骤11中，P++离子注入外延锗的条件为硼离子/5k/2E15cm-2/7度，并采用氮气/600度/5分钟快速热退火激活杂质。
优选的，步骤12中，采用稀释的氢氟酸刻蚀去除氧化层。
优选的，步骤15中，合成气体为氮气90％+氢气10％的混合。
本发明提出的方案具体以下有点：1)锗探测器可应用于用途广泛的SWIR短波红外光探测；2)硅太阳能电池寿命长、效率稳定；3)在同一SOI衬底上，硅太阳能电池同锗探测器直接连接供电，形成单一的集成芯片，结构紧凑，面积节省，并且其集成结构、材料、工艺和所使用的设备同CMOS芯片制造兼容；4)SOI衬底上的锗探测器，能够覆盖和InGaAs III-V族化合物半导体探测器相同的探测波段，但材料成本显著低于III-V族化合物半导体探测器，并且具有和硅CMOS电芯片集成的潜力。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (12)

1.一种集成太阳能电池的探测器，其特征在于，包括SOI衬底、锗探测器、太阳能电池，SOI衬底从下至上为硅衬底、氧化硅层及顶硅层；顶硅层由隔离区分成左右两部分，一部分外延生长锗层，以锗为吸收层制作锗探测器，另一部分外延硅层，掺杂制作硅太阳能电池；所述硅太阳能电池与锗探测器连接，为锗探测器供电并驱动工作。
2.根据权利要求1所述的集成太阳能电池的探测器，其特征在于，隔离区为浅沟槽隔离、硅的局部氧化隔离或岛状隔离，所述浅沟槽隔离、硅的局部氧化隔离以氧化硅作为隔离材料，岛状隔离通过刻蚀原顶硅层隔离区的硅形成，以空气作为隔离材料。
3.根据权利要求1或所述的集成太阳能电池的探测器，其特征在于，所述硅太阳能电池的P端和锗探测器的N端相连，硅太阳能电池的N端和锗探测器的P端相连，使探测器处于负偏工作状态。
4.根据权利要求1所述的集成太阳能电池的探测器，其特征在于，所述锗探测器为PINPD或APD。
5.根据权利要求4所述的集成太阳能电池的探测器，其特征在于，在锗探测器为PIN PD时，锗探测器包括，
位于顶硅层中靠近上表面的P+型掺杂硅层；以及
位于P+型掺杂硅层之上的外延锗本征层；以及
位于外延锗本征层中靠近上表面的N++型掺杂锗层；以及
位于顶硅层中P+型掺杂硅层两侧的P++型掺杂硅层；以及
位于P++型掺杂硅层、N++型掺杂锗层之上的金属电极；
硅太阳能电池包括，
位于顶硅层中靠近上表面的P++型掺杂硅层；以及
位于P++型掺杂硅层中部之上的外延硅本征层；以及
位于外延硅本征层中靠近上表面的N++型掺杂硅层；以及
位于P++型掺杂硅层和N++型掺杂硅层之上的金属电极。
6.根据权利要求5所述的集成太阳能电池的探测器，其特征在于，所述P+型掺杂硅层厚度为0.1～0.5微米，掺杂浓度为5E16～1E19cm-3；P++型掺杂硅层厚度为0.05～0.5微米，掺杂浓度为1E19～1E21cm-3；外延锗本征层厚度为0.1～2微米；N++型掺杂硅层和N++型掺杂锗层厚度均为0.05～0.2微米，掺杂浓度均为1E19～5E20cm-3。
7.根据权利要求4所述的集成太阳能电池的探测器，其特征在于，在锗探测器为APD时，锗探测器包括，
位于顶硅层中靠近上表面的N++型掺杂硅层；以及
位于N++型掺杂硅层中部之上的外延硅本征层；以及
位于外延硅本征层中靠近上表面的P型掺杂硅层；以及
位于P型掺杂硅层之上的外延锗本征层；以及
位于外延锗本征层中靠近上表面的P++型掺杂锗层；以及
位于P++型掺杂锗层之上和N++型掺杂硅层之上的金属电极；
硅太阳能电池包括，
位于顶硅层中靠近上表面的N++型掺杂硅层；以及
位于N++型掺杂硅层中部之上的外延硅本征层；以及
位于外延硅本征层中靠近上表面的P++型掺杂硅层；以及
位于N++型掺杂硅层两侧之上和P+型掺杂硅层之上的金属电极。
8.根据权利要求7所述的集成太阳能电池的探测器，其特征在于，所述N++型掺杂硅层厚度为0.05～0.5微米，掺杂浓度为1E19～1E21cm-3；P型掺杂硅层厚度0.02～0.2微米，浓度1E17～5E18cm-3；外延锗本征层厚度为0.2～1微米；P++型掺杂锗层厚度为0.05～0.2微米，浓度5E18～5E20cm-3；P++型掺杂硅层厚度为0.05～0.2微米，掺杂浓度为1E19～1E21cm-3。
9.根据权利要求5或7所述的集成太阳能电池的探测器，其特征在于，金属电极与P++型掺杂硅层或N++型掺杂锗层之间对应设有硅化物或锗化物。
10.根据权利要求1所述的集成太阳能电池的探测器，其特征在于，能够同时存在多个相同硅太阳能电池串联为探测器供电。
11.一种集成太阳能电池的探测器制作方法，其特征在于，包括：
步骤1、选择适当的SOI衬底；
步骤2、将SOI衬底分为太阳能电池区和探测器区，两个区域中间制作隔离区进行隔离；
步骤3、在SOI衬底的顶硅层进行P+和P++离子注入并退火激活；
步骤4、沉积第一氧化层，并在太阳能电池区去除顶硅层表面的第一氧化层，暴露太阳能电池区的顶硅层，作为硅的外延生长区；
步骤5、进行选择性硅外延，形成外延硅层；
步骤6、对外延硅层进行N++离子注入并退火激活；
步骤7、沉积第二氧化层，并在探测器区顺序去除顶硅层表面的第二氧化层、第一氧化层，暴露探测器区的顶硅层，作为锗外延生长区；
步骤8、进行选择性锗外延，形成外延锗层；
步骤9、对外延锗层进行N++离子注入并退火激活；
步骤10、去除整个衬底范围内沉积的第二氧化层和第一氧化层；
步骤11、沉积金属化前的介质层，并在外延硅层、外延锗层和SOI顶硅层上刻蚀出电极接触孔；
步骤12、沉积金属并刻蚀出金属图形，完成接触孔的填充和金属互连线；
步骤13、合金退火，完成太阳能电池和探测器集成芯片的制作。
12.一种集成太阳能电池的探测器制作方法，其特征在于，包括：
步骤1、选择适当的SOI衬底；
步骤2、将SOI衬底分为太阳能电池区和探测器区，两个区域中间制作隔离区进行隔离；
步骤3、在SOI衬底的顶硅层进行N++离子注入并退火激活；
步骤4、沉积第一氧化层，并在太阳能电池区去除顶硅层表面的第一氧化层，暴露太阳能电池区的顶硅层，作为硅的外延生长区；
步骤5、进行选择性硅外延，形成外延硅层；
步骤6、对外延硅层进行P++离子注入并退火激活；
步骤7、沉积第二氧化层，并在探测器区顺序去除顶硅层表面的第二氧化层、第一氧化层，暴露探测器区的顶硅层，作为硅的外延生长区；
步骤8、进行选择性硅外延，形成外延硅层；
步骤9、对外延硅层进行P型离子注入并退火激活；
步骤10、进行选择性锗外延，形成外延锗层；
步骤11、对外延锗层进行P++离子注入并退火激活；
步骤12、去除整个衬底范围内沉积的第二氧化层和第一氧化层；
步骤13、沉积金属化前的介质层，并在外延硅层、外延锗层和SOI顶硅层上刻蚀出电极接触孔；
步骤14、沉积金属，并刻蚀出金属图形，完成接触孔的填充和金属互连线；
步骤15、合金退火，完成太阳能电池和探测器集成芯片的制作。
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