CN116207168A - 一种偏振敏感硅光电倍增管及其制作工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振敏感硅光电倍增管及其制作工艺方法。该偏振敏感硅光电倍增管包括：背电极，位于整个偏振敏感硅光电倍增管底层；外延硅片包括：衬底和外延层；一个或多个注入区分布在外延层中深处，由注入硼原子形成中阻P型硅；N++掺杂区通过在外延层表面浅注入磷原子形成；介质层由增透膜沉积在外延层表面形成；两个顶电极由金属材质构成形成贯穿增透膜，底部与N++掺杂区接触，形成一个闭环将所有注入区包围；亚波长金属光栅阵列设置在增透膜表面。能够探测信噪比较低的光信号；能够实现对单光子偏振特性的探测，能够实现对低信噪比弱光信号的高效探测，可广泛用于高稳定性近红外脑功能成像系统等弱光探测领域。

Description

一种偏振敏感硅光电倍增管及其制作工艺方法
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，特别涉及一种偏振敏感硅光电倍增管及其制作工艺方法。
背景技术
硅光电倍增管(SiPM) 是具有光子数分辨能力的单光子探测器。它是由一系列工作于盖革模式的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode, APD)微单元并联而成，微单元间相互独立并与各自的淬灭电阻串联，所有微单元通过公共电极输出信号，信号大小正比于处于激发状态的微单元数目即正比于探测到的光子数。与传统的光电倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)相比，SiPM 工作于非真空环境因此不易损坏， SiPM 体积小、不受磁场影响、功耗低、单光子分辨能力强，这些优势使得 SiPM 逐渐替代 PMT 成为具有广阔发展前景的单光子探测器，目前已广泛应用于天文物理、高能物理、激光雷达、核医学成像等需要弱光探测的领域。
偏振是强度、波长和相位之外描述电磁波基本属性的第四个重要的“信息维度”参量，物体反射光或辐射光的偏振特性与其材质、几何形状、纹理结构和表面粗糙度、理化特性等本身性质密切相关。偏振敏感探测器对光的偏振信息进行探测，其利用目标反射光和背景杂散光的偏振特性差异，以达到改善目标探测质量、提高探测距离、提升探测能力的目的。作为对强度探测方式的有效补充手段，偏振探测对低信噪比复杂背景环境、强散射环境、低照度环境下的目标探测，具有重要的应用价值。
现阶段商用的硅光电倍增管都不具有偏振敏感性，不能分辨偏振光，不能实现偏振光探测。
因此需要研发一种偏振敏感硅光电倍增管以克服现有硅光电倍增管都不具有偏振敏感性的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种偏振敏感硅光电倍增管及其制备方法，解决了现有硅光电倍增管都不具有偏振敏感性的不足问题；该偏振敏感硅光电倍增管，能够实现对单光子偏振特性的探测。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
第一方面，本发明提供一种偏振敏感硅光电倍增管，包括：
背电极，位于整个偏振敏感硅光电倍增管底层；
外延硅片，所述外延硅片包括：衬底，位于所述背电极的表面，由低阻P型硅构成；外延层，位于所述衬底表面，由外延高阻P型硅构成；
一个或多个注入区，分布在所述外延层中深处，由注入硼原子形成中阻P型硅；
N++掺杂区，通过在所述外延层表面浅注入磷原子形成；
介质层，由增透膜沉积在所述外延层表面形成；
顶电极，两个所述顶电极由金属材质构成形成正电极和负电极，均贯穿所述增透膜，底部与所述N++掺杂区接触，形成一个闭环将所有注入区包围；
亚波长金属光栅阵列，设置在所述增透膜表面。
进一步地，所述背电极材质为铝或金，其厚度为0.1~10μm。
进一步地，所述亚波长金属光栅阵列的厚度为20~100nm，周期为100~300nm，占空比为0.1~0.5。
进一步地，所述低阻P型硅掺杂浓度1018~1020/cm3，厚度为50~500μm。
进一步地，所述外延高阻P型硅掺杂浓度1013~1015/cm3，厚度为3~50μm。
进一步地，所述中阻P型硅掺杂浓度1016~1018/cm3，深度为0.5~1.5μm；每个注入区为边长2~20μm的正方形或直径2~20μm的圆形，注入区周期为4~40μm。
进一步地，所述N++掺杂区掺杂浓度1018~1020/cm3，深度小于等于0.5μm。
进一步地，所述增透膜为氧化铝或二氧化硅，厚度为100~200nm。
第二方面，本发明实施例还提供一种偏振敏感硅光电倍增管的制作工艺方法，制作如上述实施例任一项所述的偏振敏感硅光电倍增管，具体步骤包括：
S1、在外延硅片的衬底底部制作背电极层，形成欧姆接触；所述外延硅片自下而上包括：衬底和外延层；
S2、通过光刻图形化和离子深注入在外延层中硼原子形成中阻P型硅；
S3、通过光刻图形化和离子浅注入在外延层表面磷原子形成N++掺杂区；
S4、在所述外延层表面沉积增透膜形成介质层；
S5、在所述增透膜表面制作亚波长金属光栅，形成偏振结构；
S6、刻蚀所述增透膜制作顶电极。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明实施例提供的一种偏振敏感硅光电倍增管，通过金属光栅偏振结构与硅光电倍增管集成，实现了偏振敏感的SiPM，能够探测信噪比较低的光信号；能够实现对单光子偏振特性的探测，能够实现对低信噪比弱光信号的高效探测，可广泛用于高稳定性近红外脑功能成像系统等弱光探测领域。
附图说明
图1为本发明实施例提供的偏振敏感硅光电倍增管截面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的亚波长金属光栅阵列工作原理图；
图3为本发明实施例提供的偏振敏感硅光电倍增管的制作工艺方法流程图；
附图中，1-背电极；2-衬底；3-外延层；4-注入区；5- N++掺杂区；6-介质层；7-顶电极；8-亚波长金属光栅阵列。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1所示，本发明提供的一种偏振敏感硅光电倍增管，自下而上包括：背电极1、外延硅片、注入区4、N++掺杂区5、介质层6、顶电极7、亚波长金属光栅阵列8。
其中，最底层的背电极1，厚度为0.1~10μm，材料可选金、铝等金属；可确保与衬底硅的粘附性以及导电性和稳定性；
外延硅片包括：衬底2和外延层3；该衬底2位于背电极1的表面，由低阻P型硅构成；外延层3，位于衬底2表面，由外延高阻P型硅构成；位于背电极1上的低阻P型硅，硼掺杂浓度1018~1020/cm3，厚度为50~500μm；位于低阻P型硅上的外延高阻P型硅，硼掺杂浓度1013~1015/cm3，厚度为3~50μm；
在外延层3中深注入硼原子形成中阻P型硅，构成一个或多个注入区4；每个注入区4的掺杂浓度1016~1018/cm3，深度0.5~1.5μm，单个注入区4为边长2~20μm的正方形或直径2~20μm的圆形，注入区周期（两个注入区的中心间距为周期）为4~40μm，注入区个数为100~1000000；
在外延层3表面浅注入磷原子形成N++掺杂区5，磷掺杂浓度1018~1020/cm3，深度0~0.5μm；
在外延层3表面为介质层6，沉积增透膜，材料为氧化铝、二氧化硅等介质，厚度为100~200nm;
在增透膜上打孔，沉积金属制作顶电极7，两个顶电极7构成形成正电极和负电极，顶电极与N++掺杂区5接触，顶电极形成一个闭环，将所有注入区4包围，形成环状顶电极。
在增透膜表面制作亚波长金属光栅阵列8，金属阵列厚度、周期、占空比和朝向可根据需要调节，金属材料可选金、铝等，优选的，厚度为20~100nm，周期100~300nm,占空比0.1~0.5，在具体选择时综合考虑偏振消光比和透射率两个参数；或比如可优选中值。
该亚波长金属光栅阵列8的工作原理如图2所示：
金属光栅阵列能够将与金属条相同方向的偏振光（TE）吸收，与金属条垂直的偏振光（TM）能够通过。因此只有TM偏振光可以透过金属光栅，被硅光电倍增管探测。通过调节增透膜表面金属条的方向，可以调节探测器的偏振敏感性。也可在增透膜表面布置不同朝向的金属条组合，可实现对任意目标偏振光的高效探测。
本发明实施例提供的一种偏振敏感硅光电倍增管，通过金属光栅偏振结构与硅光电倍增管集成，实现了偏振敏感的SiPM，能够探测信噪比较低的光信号；能够实现对单光子偏振特性的探测，能够实现对低信噪比弱光信号的高效探测，可广泛用于高稳定性近红外脑功能成像系统等弱光探测领域。
基于同一发明构思，本发明还提供一种偏振敏感硅光电倍增管的制作工艺方法，可制作上述实施例的偏振敏感硅光电倍增管；该方法如图3所示，具体包括：
S1、在外延硅片的衬底底部制作背电极层，形成欧姆接触；所述外延硅片自下而上包括：衬底和外延层；
S2、通过光刻图形化和离子深注入在外延层中硼原子形成中阻P型硅；
S3、通过光刻图形化和离子浅注入在外延层表面磷原子形成N++掺杂区；
S4、在所述外延层表面沉积增透膜形成介质层；
S5、在所述增透膜表面制作亚波长金属光栅，形成偏振结构；
S6、刻蚀所述增透膜制作顶电极。
本实施例中，在具体实施例时，比如首先购买外延硅片，衬底是重型P掺，外延层是轻型P掺；然后在衬底底部制作金属电极，要形成欧姆接触；然后通过光刻图形化和离子深注入在外延层中形成中型P掺区域，掺杂区域以周期阵列方式布局；然后通过光刻图形化和离子浅注入在外延层表面形成重型N掺区域；然后在表面沉积二氧化硅、氧化铝、氮化硅等介质膜，用作增透膜；然后在介质膜表面制作金属光栅，形成偏振结构；然后刻蚀增透膜制作顶电极。
本发明通过上述工艺制得的偏振敏感硅光电倍增管，能够探测信噪比较低的光信号；能够实现对单光子偏振特性的探测，能够实现对低信噪比弱光信号的高效探测，可广泛用于高稳定性近红外脑功能成像系统等弱光探测领域。通过调节增透膜表面亚波长金属光栅金属条的方向，可以调节探测器的偏振敏感性。也可在增透膜表面布置不同朝向的金属条组合，可实现对任意目标偏振光的高效探测。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种偏振敏感硅光电倍增管，其特征在于，包括：
背电极，位于整个偏振敏感硅光电倍增管底层；
外延硅片，所述外延硅片包括：衬底，位于所述背电极的表面，由低阻P型硅构成；外延层，位于所述衬底表面，由外延高阻P型硅构成；
一个或多个注入区，分布在所述外延层中深处，由注入硼原子形成中阻P型硅；
N++掺杂区，通过在所述外延层表面浅注入磷原子形成；
介质层，由增透膜沉积在所述外延层表面形成；
顶电极，两个所述顶电极由金属材质构成形成正电极和负电极，均贯穿所述增透膜，底部与所述N++掺杂区接触，形成一个闭环将所有注入区包围；
亚波长金属光栅阵列，设置在所述增透膜表面。
2.根据权利要求1所述的一种偏振敏感硅光电倍增管，其特征在于，所述背电极材质为铝或金，其厚度为0.1~10μm。
3.根据权利要求1所述的一种偏振敏感硅光电倍增管，其特征在于，所述亚波长金属光栅阵列的厚度为20~100nm，周期为100~300nm，占空比为0.1~0.5。
4.根据权利要求1所述的一种偏振敏感硅光电倍增管，其特征在于，所述低阻P型硅掺杂浓度1018~1020/cm3，厚度为50~500μm。
5.根据权利要求1所述的一种偏振敏感硅光电倍增管，其特征在于，所述外延高阻P型硅掺杂浓度1013~1015/cm3，厚度为3~50μm。
6.根据权利要求1所述的一种偏振敏感硅光电倍增管，其特征在于，所述中阻P型硅掺杂浓度1016~1018/cm3，深度为0.5~1.5μm；每个注入区为边长2~20μm的正方形或直径2~20μm的圆形，注入区周期为4~40μm。
7.根据权利要求1所述的一种偏振敏感硅光电倍增管，其特征在于，所述N++掺杂区掺杂浓度1018~1020/cm3，深度小于等于0.5μm。
8.根据权利要求1所述的一种偏振敏感硅光电倍增管，其特征在于，所述增透膜为氧化铝或二氧化硅，厚度为100~200nm。
9.一种偏振敏感硅光电倍增管的制作工艺方法，其特征在于，制作如权利要求1-8任一项所述的偏振敏感硅光电倍增管，具体步骤包括：
S1、在外延硅片的衬底底部制作背电极层，形成欧姆接触；所述外延硅片自下而上包括：衬底和外延层；
S2、通过光刻图形化和离子深注入在外延层中硼原子形成中阻P型硅；
S3、通过光刻图形化和离子浅注入在外延层表面磷原子形成N++掺杂区；
S4、在所述外延层表面沉积增透膜形成介质层；
S5、在所述增透膜表面制作亚波长金属光栅，形成偏振结构；
S6、刻蚀所述增透膜制作顶电极。
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