CN116314215B - 多波段探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多波段探测器及其制备方法，多波段探测器包括：衬底；可见光探测器，设置于衬底的第一区域，包括由Si形成的第一有源区和第一掺杂区，第一掺杂区为在Si中形成的重掺杂区；近红外探测器，设置于衬底的第二区域，包括由Ge形成的第二有源区和第二掺杂区，第二掺杂区为在Si、Ge中形成的重掺杂区；短波红外探测器，设置于衬底的第三区域，包括由第一Sn组分的GeSn形成的第三有源区和第三掺杂区，第三掺杂区为在Ge、第一Sn组分的GeSn中形成的重掺杂区；中红外探测器，设置于衬底的第四区域，包括第二Sn组分的GeSn形成的第四有源区和第四掺杂区，第四掺杂区为在第一Sn组分的GeSn、第二Sn组分的GeSn中形成的重掺杂区；GeSn材料第一Sn组分小于第二Sn组分。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种多波段探测器及其制备方法。
背景技术
在大数据、物联网和人工智能等的快速推动下，工作在可见光、短波红外、近红外和中红外波段的探测器正经历快速发展，且由单一波段向多波段融合探测发展，并逐步由国防军事安全领域的目标跟踪、伪装识别和夜视安防等扩展到民用领域的医疗健康、农业生产、环境监测等应用场景。采用多波段融合探测，有利于提高信息读取效率，并能够更全面、准确、完整地描述信息。新的应用场景对多波段探测器提出了更高的要求。
目前双波段和多波段探测器已经在商用技术中实现，例如：近红外与短波红外的InP双色探测器，短/中波双色碲镉汞（MCT）探测器，短/中/长波Sb化物超晶格探测器等。以上探测器均由Ⅲ-Ⅴ族材料或Ⅱ-Ⅵ族材料制作，成本高昂，很难大规模应用到民用领域，且读出电路需要通过倒装焊技术，无法满足大规模集成的要求，制约着感算一体集成芯片的发展。
发明内容
针对现有技术问题，本发明提供一种多波段探测器及其制备方法，用于解决现有技术无法满足大规模集成的要求，制约着感算一体集成芯片的问题。
本发明实施例第一方面提供一种多波段探测器，包括：衬底，衬底表面形成有相互之间独立的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；可见光探测器，形成第一区域，其中，可见光探测器包括第一有源区和第一掺杂区，第一有源区的材料为Si，第一掺杂区为在Si中形成的重掺杂区；近红外探测器，设置于第二区域，其中，近红外探测器包括第二有源区和第二掺杂区，第二有源区的材料为Ge，第二掺杂区为在Si、Ge中形成的重掺杂区；短波红外探测器，设置于第三区域，其中，短波红外探测器包括第三有源区和第三掺杂区，第三有源区的材料为第一Sn组分的GeSn，第三掺杂区为在Ge、第一Sn组分的GeSn中形成的重掺杂区；中红外探测器，设置于第四区域，其中，中红外探测器包括第四有源区和第四掺杂区，第四有源区的材料为第二Sn组分的GeSn，第四掺杂区为在第一Sn组分的GeSn、第二Sn组分的GeSn中形成的重掺杂区；其中，GeSn材料第一Sn组分小于第二Sn组分。
根据本发明的实施例，可见光探测器的重掺杂区、近红外探测器的重掺杂区、短波红外探测器的重掺杂区、中红外探测器的重掺杂区均包括N型重掺杂区和P型重掺杂区，构成PN结，N型重掺杂区和P型重掺杂区由原位掺杂或者离子注入两种形式中的至少一种形成。
根据本发明的实施例，原位掺杂或者离子注入的材料包括硼、磷中的至少之一。
根据本发明的实施例，中红外探测器、短波红外探测器、近红外探测器、可见光探测器分别形成NIP/PIN/NIP/PIN型，中红外探测器的P型重掺杂区和短波红外探测器的P型重掺杂区为同一层材料但不共用电极，短波红外探测器的N型重掺杂区和近红外探测器的N型重掺杂区为同一层材料但不共用电极，近红外探测器的P型重掺杂区和可见光探测器的P型重掺杂区为同一层材料但不共用电极；或者，中红外探测器、短波红外探测器、近红外探测器、可见光探测器分别形成PIN/NIP/PIN/NIP型，中红外探测器的N型重掺杂区和短波红外探测器的N型重掺杂区为同一层材料但不共用电极，短波红外探测器的P型重掺杂区和近红外探测器的P型重掺杂区为同一层材料但不共用电极，近红外探测器的N型重掺杂区和可见光探测器的N型重掺杂区为同一层材料但不共用电极。
根据本发明的实施例，N型重掺杂区和P型重掺杂区的厚度为40nm-200nm。
根据本发明的实施例，可见光探测器的外侧、近红外探测器的外侧、短波红外探测器的外侧和中红外探测器的外侧分别形成有对应的电极，电极的表面形成有隔离层，隔离层用于抗反膜和抑制各个探测器形成的台面表面的漏电流。
根据本发明的实施例，隔离层为一层的氧化硅层或者氮化硅层，或者氧化硅层和氮化硅层的双膜层；隔离层形成有电极孔，用于电极形成欧姆接触。
根据本发明的实施例，电极的材料为Ni、Al、Ti、Au中的至少之一。
根据本发明的实施例，衬底包括硅、锗或绝缘衬底上的硅或绝缘衬底上的锗。
本发明实施例的第二方面提供一种多波段探测器的制备方法，用于制备上述多波段探测器，包括：采用CMOS工艺在衬底上依次外延叠设的Si、Ge、第一Sn组分的GeSn和第二Sn组分的GeSn；其中第一Sn组分和第二Sn组分的GeSn材料外延均采用组分渐变外延生长方式；去除衬底的第一区域中的Ge、第一Sn组分的GeSn和第二Sn组分的GeSn，暴露出Si的重掺杂区或Si的本征区；去除衬底的第二区域中的第一Sn组分的GeSn和第二Sn组分的GeSn，暴露出Ge的重掺杂区或Ge的本征区；去除衬底的第三区域中的第二Sn组分的GeSn，暴露出第一Sn组分的GeSn的重掺杂区或第一Sn组分的GeSn的本征区；其中，第一区域、第二区域、第三区域和第四区域相互之间独立。
根据本发明实施例提供的多波段探测器及其制备方法，至少包括以下有益效果：
通过在同一衬底的不同区域分别外延Si、Ge、低Sn组分（第一Sn组分）的GeSn和高Sn组分（第二Sn组分）的GeSn形成不同有源区和掺杂区，并进行原位掺杂或者离子注入形式形成PN结，以探测不同波段入射光，能够在多波段实现暗电流小、响应度高、灵敏度高等高性能探测，进而提供了解决Si基单片集成多波段探测问题的方案，满足多波段感算共融芯片集成化智能化重大需求。
通过在电极外形成隔离层，一方面形成抗反膜，另一方面还能减小表面漏电流的作用，进一步提高了探测的灵敏度。
采用CMOS工艺制备多波段探测器，由于Si基探测器与CMOS工艺兼容，使得多波段探测器体积更小、重量更轻、功耗更小、成本更低、稳定性好、用户友好等多方面性能，弥补了Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ半导体光电探测器的不足。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例提供的多波段探测器结构图。
图2示意性示出了本发明实施例提供的多波段探测器的制备流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“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，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子系统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。
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本发明中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本发明的限制。
类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
图1示意性示出了本发明实施例提供的多波段探测器结构图。
如图1所示，该多波段探测器包括：衬底，衬底表面形成有相互之间独立的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；可见光探测器，形成第一区域，其中，可见光探测器包括第一有源区和第一掺杂区，第一有源区的材料为Si，第一掺杂区为在Si中形成的重掺杂区；近红外探测器，设置于第二区域，其中，近红外探测器包括第二有源区和第二掺杂区，第二有源区的材料为Ge，第二掺杂区为在Si、Ge中形成的重掺杂区；短波红外探测器，设置于第三区域，其中，短波红外探测器包括第三有源区和第三掺杂区，第三有源区的材料为第一Sn组分的GeSn，第三掺杂区为在Ge、第一Sn组分的GeSn中形成的重掺杂区；中红外探测器，设置于第四区域，其中，中红外探测器包括第四有源区和第四掺杂区，第四有源区的材料为第二Sn组分的GeSn，第四掺杂区为在第一Sn组分的GeSn、第二Sn组分的GeSn中形成的重掺杂区；其中，GeSn材料第一Sn组分小于第二Sn组分。
应当立理解，不同有源区材料的探测器响应不同波段入射光。由于每个探测器采用独立的电极形式，可以独立提取探测的各个波段信号。
在本发明的实施例中，可见光探测器的重掺杂区、近红外探测器的重掺杂区、短波红外探测器的重掺杂区、中红外探测器的重掺杂区均包括N型重掺杂区和P型重掺杂区，构成PN结，N型重掺杂区和P型重掺杂区由原位掺杂或者离子注入两种形式中的至少一种形成。原位掺杂或者离子注入的材料包括硼、磷中的至少之一。
在本发明的实施例中，中红外探测器、短波红外探测器、近红外探测器、可见光探测器分别形成NIP/PIN/NIP/PIN型，中红外探测器的P型重掺杂区和短波红外探测器的P型重掺杂区为同一层材料但不共用电极，短波红外探测器的N型重掺杂区和近红外探测器的N型重掺杂区为同一层材料但不共用电极，近红外探测器的P型重掺杂区和可见光探测器的P型重掺杂区为同一层材料但不共用电极；或者，中红外探测器、短波红外探测器、近红外探测器、可见光探测器分别形成PIN/NIP/PIN/NIP型，中红外探测器的N型重掺杂区和短波红外探测器的N型重掺杂区为同一层材料但不共用电极，短波红外探测器的P型重掺杂区和近红外探测器的P型重掺杂区为同一层材料但不共用电极，近红外探测器的N型重掺杂区和可见光探测器的N型重掺杂区为同一层材料但不共用电极。
在本发明的实施例中，衬底包括硅、锗或绝缘衬底上的硅（SOI）或绝缘衬底上的锗（GOI）。例如，如果采用SOI衬底外延Si单晶材料200-1000nm，如果采用Si衬底可以采用衬底Si作为可见光的探测有源区材料。
在本发明的实施例中，N型重掺杂区和P型重掺杂区由原位掺杂形成，N型重掺杂区和P型重掺杂区的厚度为40nm-200nm。
进一步地，可见光探测器的外侧、近红外探测器的外侧、短波红外探测器的外侧和中红外探测器的外侧分别形成有对应的电极，电极的表面形成有隔离层，隔离层用于抗反膜和抑制刻蚀台面表面的漏电流。
隔离层可以为一层的氧化硅层或者氮化硅层，或者氧化硅层和氮化硅层的双膜层。隔离层形成有电极孔，用于电极形成欧姆接触。电极的材料为Ni、Al、Ti、Au中的至少之一。
需要说明的是，多波段探测器包括但不限于在Si基衬底（Si、SOI、Ge、GOI等）上制备的可见光、近红外、短波红外、中红外阵列探测器。还包括采用该衬底上制备的Si和Ge构成的阵列探测器以及Si、Ge、GeSn构成的各类型阵列探测器。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种多波段探测器的制备方法。
图2示意性示出了本发明实施例提供的多波段探测器的制备流程图。
如图2所示，该制备方法例如可以包括操作S201~S205。
在操作S201，采用CMOS工艺在衬底上依次外延叠设的Si、Ge以及组分渐变的第一Sn组分的GeSn和第二Sn组分的GeSn。
在操作S202，去除衬底的第一区域中的Ge、第一Sn组分的GeSn和第二Sn组分的GeSn，第二区域中的第一Sn组分的GeSn和第二Sn组分的GeSn，第三区域中的第二Sn组分的GeSn，分别暴露出可见光探测器、近红外探测器、短波红外探测器、中波红外探测器的材料。
在操作S203，分别对四个区域材料刻蚀探测器形成四个区域不同波段探测器的台面。
在操作S204，对没有进行原位掺杂的重掺杂区域进行离子注入，四个区域探测器形成PIN结构。
在操作S205，生长氧化硅，开孔后蒸镀金属电极，形成探测器阵列结构。
具体的，第一Sn组分可以理解为低Sn组分的GeSn，第二Sn组分可以理解为高Sn组分的GeSn，第一Sn组分的GeSn和第二Sn组分的GeSn的外延均采用组分渐变外延生长方式。去除衬底的第一区域中的Ge、第一Sn组分的GeSn和第二Sn组分的GeSn，暴露出Si的重掺区或Si的本征区，并刻蚀台面到设计的厚度，对未原位掺杂的重掺区进行离子注入，沉积氧化硅，开孔蒸镀电极金属，形成可见光探测器。去除衬底的第二区域中的第一Sn组分的GeSn和第二Sn组分的GeSn，暴露出Ge的重掺区或Ge的本征区，并刻蚀台面到Si和Ge材料的界面层，对未原位掺杂的重掺区进行离子注入，沉积氧化硅，开孔蒸镀电极金属，形成近红外探测器结构。去除衬底的第三区域中的第二Sn组分的GeSn，暴露出第一Sn组分的GeSn的重掺区或第一Sn组分的GeSn的本征区，刻蚀台面到第一Sn组分GeSn重掺区或第一Sn组分的GeSn的本征层和第二Sn组分GeSn材料的界面层，对未原位掺杂的重掺区进行离子注入，沉积氧化硅，开孔蒸镀电极金属，形成短波红外探测器。对衬底的第四区域中的第二Sn组分的GeSn进行台面刻蚀，刻蚀深度至第三区域顶部的重掺区或本征层，对未原位掺杂的重掺区进行离子注入，沉积氧化硅，开孔蒸镀电极金属，形成中红外探测器。在可见光探测器的外侧、近红外探测器的外侧、短波红外探测器的外侧和中红外探测器的外侧分别形成对应的电极。其中，第一区域、第二区域、第三区域和第四区域相互之间独立，构成阵列探测器结构。
示例性的，在Si基衬底（Si、SOI、Ge、GOI等）上依次外延Si、Ge、GeSn组分渐变薄膜材料以及掺杂区的外延。如需原位掺杂，一种本征区材料外延后在其上表面进行40-200nm的原位掺杂层的外延，再进行其他单晶材料的外延。由于GeSn材料采用组分渐变的外延生长方式，可以根据工作的波长，确定GeSn材料中最高Sn组分。
对于原位未掺杂的有源区材料，进行上下台面P离子或者B离子的离子注入工艺。原位掺杂的有源区与离子注入的有源区构成PN结重掺杂区。
生长一定厚度氧化硅或者氮化硅或者氧化硅氮化硅双层膜，一方面形成上下电极的隔离层，一方面形成抗反膜，另一方面起到钝化作用，从而能够减小表面漏电流的作用。生长氧化硅或者氮化硅顺序、膜厚以及各膜层折射率可以根据器件需要进行调整。
刻蚀氧化硅或氮化硅形成电极孔，并采用Ni、Al、Ti、Au等金属通过电子束蒸发沉积或磁控溅射或蒸镀等方式，形成欧姆接触电极材料。
在外延欧姆接触电极材料后制备抗反膜，再进行电极PAD孔的刻蚀。
需要说明的是，上述操作S202~操作S205的操作顺序并不限制本发明，可以根据实际应用进行调整。
需要说明的是，制备方法实施例部分未尽细节之处请参见多波段探测器实施例部分，此处不再赘述。
以上所述的具体实施例，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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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 (8)
1.一种多波段探测器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底表面分割为相互之间独立的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；
可见光探测器，设置于所述第一区域，其中，所述可见光探测器包括第一有源区和第一掺杂区，所述第一有源区的材料为Si，所述第一掺杂区为在Si中形成的重掺杂区；
近红外探测器，设置于所述第二区域，其中，所述近红外探测器包括第二有源区和第二掺杂区，所述第二有源区的材料为Ge，所述第二掺杂区为在Si、Ge中形成的重掺杂区；
短波红外探测器，设置于所述第三区域，其中，所述短波红外探测器包括第三有源区和第三掺杂区，所述第三有源区的材料为第一Sn组分的GeSn，所述第三掺杂区为在Ge、第一Sn组分的GeSn中形成的重掺杂区；
中红外探测器，设置于所述第四区域，其中，所述中红外探测器包括第四有源区和第四掺杂区，所述第四有源区的材料为第二Sn组分的GeSn，所述第四掺杂区为在第一Sn组分的GeSn、第二Sn组分的GeSn中形成的重掺杂区；
其中，所述GeSn材料第一Sn组分小于第二Sn组分；
所述可见光探测器的重掺杂区、所述近红外探测器的重掺杂区、所述短波红外探测器的重掺杂区、所述中红外探测器的重掺杂区均包括N型重掺杂区和P型重掺杂区，构成PN结，所述N型重掺杂区和P型重掺杂区由原位掺杂或者离子注入两种形式中的至少一种形成；中红外探测器、短波红外探测器、近红外探测器、可见光探测器分别形成NIP/PIN/NIP/PIN型，中红外探测器的P型重掺杂区和短波红外探测器的P型重掺杂区为同一层材料但不共用电极，短波红外探测器的N型重掺杂区和近红外探测器的N型重掺杂区为同一层材料但不共用电极，近红外探测器的P型重掺杂区和可见光探测器的P型重掺杂区为同一层材料但不共用电极；
或者，中红外探测器、短波红外探测器、近红外探测器、可见光探测器分别形成PIN/NIP/PIN/NIP型，中红外探测器的N型重掺杂区和短波红外探测器的N型重掺杂区为同一层材料但不共用电极，短波红外探测器的P型重掺杂区和近红外探测器的P型重掺杂区为同一层材料但不共用电极，近红外探测器的N型重掺杂区和可见光探测器的N型重掺杂区为同一层材料但不共用电极。
2.根据权利要求1所述的多波段探测器，其特征在于，原位掺杂或者离子注入的材料包括硼、磷中的至少之一。
3.根据权利要求1或2所述的多波段探测器，其特征在于，所述N型重掺杂区和所述P型重掺杂区的厚度为40nm-200nm。
4.根据权利要求1所述的多波段探测器，其特征在于，所述可见光探测器的外侧、所述近红外探测器的外侧、所述短波红外探测器的外侧和所述中红外探测器的外侧分别形成有对应的电极，所述电极的表面形成有隔离层，所述隔离层用于抗反膜和抑制各个探测器形成的台面表面的漏电流。
5.根据权利要求4所述的多波段探测器，其特征在于，所述隔离层为一层的氧化硅层或者氮化硅层，或者氧化硅层和氮化硅层的双膜层；
所述隔离层形成有电极孔。
6.根据权利要求4或5所述的多波段探测器，其特征在于，所述电极的材料为Ni、Al、Ti、Au中的至少之一。
7.根据权利要求1所述的多波段探测器，其特征在于，所述衬底包括硅、锗或绝缘衬底上的硅或绝缘衬底上的锗。
8.一种多波段探测器的制备方法，用于制备如权利要求1-7任一项所述的多波段探测器，其特征在于，包括：
采用CMOS工艺在衬底上依次外延叠设的Si、Ge、第一Sn组分的GeSn和第二Sn组分的GeSn；其中第一Sn组分和第二Sn组分的GeSn材料外延均采用组分渐变外延生长方式；
去除所述衬底的第一区域中的所述Ge、所述第一Sn组分的GeSn和所述第二Sn组分的GeSn，暴露出所述Si的本征区或所述Si的重掺杂区；
去除所述衬底的第二区域中的所述第一Sn组分的GeSn和所述第二Sn组分的GeSn，暴露出所述Ge的本征区或所述Ge的重掺杂区；
去除所述衬底的第三区域中的所述第二Sn组分的GeSn，暴露出所述第一Sn组分的GeSn的本征区或所述第一Sn组分的GeSn的重掺杂区；
其中，所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域和所述第四区域相互之间独立。
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