CN205944122U - 低暗电流pin探测器 - Google Patents

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丰亚洁
刘巧莉
吕本顺
郭霞
王华强
黎奔
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Abstract

本实用新型揭示了一种低暗电流PIN探测器，包括衬底，所述衬底的上端面生长有P型欧姆接触层，所述P型欧姆接触层上设置有至少一个与之触接的P型欧姆接触电极，所述衬底上端面生长有针对不同波长的特定厚度的增透膜，所述衬底的上端面开设有两个用于实现器件内部电场与器件边缘阻断的隔离沟槽，所述隔离沟槽位于所述P型欧姆接触层的两侧，所述隔离沟槽内填充有阻隔材料，所述衬底的上端面除所述形槽外的区域均覆盖有阻隔层，所述衬底的下端面由上至下依次覆盖生长有N型欧姆接触层及N型欧姆接触电极。本实用新型能够有效减少器件内部的暗电流，使用效果优异，具有很高的使用及推广价值。

Description

低暗电流PIN探测器
技术领域
本实用新型涉及一种光电探测器，具体涉及一种低暗电流PIN探测器，属于半导体光电器件领域。
背景技术
PIN探测器作为实现光信号探测的重要“载体”，具有工艺简单、探测效率高、性能稳定等优点，在遥控传感、工业、军事国防、医疗、航空航天、深空探测等应用领域里起到重要支撑作用，是各个国家抢占的制高点。例如在安检、医疗等高能射线成像中，PIN光电探测器与闪烁体配合，实现将弱光信号转换为电信号并输出成像的过程。
PIN探测器的暗电流，根据与器件尺寸的关系可以分为：与周长相关的线暗电流和与面积相关的面暗电流，以及与尺寸无关的暗电流补偿。线暗电流主要由侧壁漏电流决定，面暗电流则由器件内部的扩散电流、热激发电流、产生—复合电流等因素决定。随着集成度的提高，光电探测器的尺寸在不断缩小，集成度不断提高，同时降低了系统的功率损耗和成本。但是实验数据表明，当器件总面积小于1mm2时，其线暗电流是面暗电流的25倍以上。
具体而言，线暗电流主要来源于侧壁漏电，划片工艺或侧壁钝化不良等因素均会提高器件的线暗电流。由于PIN探测器一般工作在低偏压甚至零偏压下，因此由其内部电场引起的侧壁漏电在线暗电流中占主要部分。又因为PIN探测器的结深较深，因此传统的离子注入工艺难以直接适用于PIN探测器的生产加工。
综上所述，如何设计出一种新型的PIN探测器，从结构上减小器件的暗电流，同时尽可能地隔离与电场相关的线暗电流，就成为了本领域内的工作人员亟待解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在上述缺陷，本实用新型的目的是提出一种低暗电流PIN探测器。
本实用新型的目的，将通过以下技术方案得以实现：
一种低暗电流PIN探测器，可用于红外、可见光、紫外或太赫兹波段范围内的光线探测，包括衬底，所述衬底上生长有P型欧姆接触层，所述P型欧姆接触层上覆盖有增透膜，所述增透膜上设置有至少一个与所述P型欧姆接触层触接的P型欧姆接触电极，所述衬底的上端面开设有一圈用于实现器件内部电场与器件边缘阻断的隔离沟槽，所述隔离沟槽位于所述P型欧姆接触层的外周侧，所述隔离沟槽内填充有阻隔材料，所述衬底的上端面除所述P型欧姆接触层外的区域均覆盖有阻隔层，所述阻隔层的上端面覆盖有增透膜，所述衬底的下端面由上至下依次覆盖生长有N型欧姆接触层及N型欧姆接触电极。
优选地，所述衬底的材质为Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI或GOI。
优选地，所述增透膜上开设有至少一个用于将所述P型欧姆接触层裸露出来的电极通孔，所述P型欧姆接触电极借助所述电极通孔与所述P型欧姆接触层触接。
优选地，所述P型欧姆接触电极设置于所述P型欧姆接触层上端面的两侧端部位置。
优选地，所述低暗电流PIN探测器包括一用于感光的有源区，所述有源区位于所述P型欧姆接触电极以内。
优选地，所述隔离沟槽下端面所在的平面低于所述P型欧姆接触层下端面所在的平面。
优选地，所述增透膜的材质为SiNx或SiO2，所述增透膜的厚度为60～160nm。
优选地，所述阻隔材料的材质为SiO2，所述阻隔层的材质为SiO2，所述阻隔层的厚度为400～600nm。
本实用新型的突出效果为：与传统PIN探测器相比，本实用新型的探测波长范围更广，可广泛适用于红外、可见光、紫外或太赫兹波段，而且本实用新型可通过结构改动来满足装置正面入射或背面入射等多种方式探测的需要，适用性和实用性更强。同时，本实用新型能够有效避免传统加工过程中离子注入引入的杂质缺陷及晶格损伤，减小了器件的暗电流。此外，本实用新型中的沟槽结构能够将器件边缘与器件有源区的隔离，实现了器件边缘与有源区电场的阻断，削弱了少子的扩散，进一步减小了器件的暗电流，提升了本实用新型的使用效果。
综上所述，本实用新型能够有效减少器件内部的暗电流，使用效果优异，具有很高的使用及推广价值。
以下便结合实施例附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详述，以使本实用新型技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本实用新型的截面示意图及零偏压下电场分布示意图；
图2是本实用新型加工方法中步骤1的示意图；
图3是本实用新型加工方法中步骤2的示意图；
图4是本实用新型加工方法中步骤3的示意图；
图5是本实用新型加工方法中步骤5的示意图；
图6是本实用新型加工方法中步骤6的示意图；
图7是本实用新型加工方法中步骤7的示意图；
图8是本实用新型加工方法中步骤8的示意图；
其中：101、衬底，102、增透膜，103、p型欧姆接触层，104、隔离沟槽，105、n型欧姆接触层，106、p型欧姆接触电极，107、n型欧姆接触电极，108、阻隔层。
具体实施方式
本实用新型揭示了一种低暗电流PIN探测器。
如图所示，一种低暗电流PIN探测器，可用于红外、可见光、紫外或太赫兹波段范围内的光线探测，包括衬底101，所述衬底101上端面生长有P型欧姆接触层103，所述P型欧姆接触层103上覆盖有增透膜102，所述增透膜102上设置有至少一个与所述P型欧姆接触层103触接的P型欧姆接触电极106，所述衬底101的上端面开设有一圈用于实现器件内部电场与器件边缘阻断的隔离沟槽104，所述隔离沟槽104位于所述P型欧姆接触层103的外周侧，所述隔离沟槽104内填充有阻隔材料，所述衬底101的上端面除所述P型欧姆接触层103外的区域均覆盖有阻隔层108，所述阻隔层108的上端面覆盖有增透膜102，所述衬底101的下端面由上至下依次覆盖生长有N型欧姆接触层105及N型欧姆接触电极106。
所述衬底101的材质为Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI(新型硅基集成电路材料)或GOI(新型锗基集成电路材料)。在本实施例中，所述衬底101选用Si制成。
所述增透膜102上开设有至少一个用于将所述P型欧姆接触层103裸露出来的电极通孔，所述P型欧姆接触电极106借助所述电极通孔与所述P型欧姆接触层103触接。
所述增透膜102由于电极的存在效果不同，位于所述P型欧姆接触层103上的所述增透膜102能够增强光的透射率，位于所述阻隔层108上的所述增透膜102能够起到很好的钝化效果。
所述增透膜102上设置有两个P型欧姆接触电极106，所述P型欧姆接触电极106设置于所述P型欧姆接触层103上端面的两侧端部位置。
所述低暗电流PIN探测器包括一用于感光的有源区，所述有源区位于两个所述P型欧姆接触电极106之间。在本实用新型的使用过程中，探测光线均可从所述有源区射入。
所述隔离沟槽104下端面槽底部所在的平面低于所述P型欧姆接触层103下端面所在的平面。
具体而言，在本实施例中，即所述隔离沟槽104的深度应深于所述P型欧姆接触层103的厚度。这样的结构设置是因为本实用新型在使用过程中，其有源区产生的零偏压电场在所述P型欧姆接触层103的下端面位置(即所述P型欧姆接触层103与所述衬底101的交界位置处)存在一个波峰。使所述隔离沟槽104的深度超过这一交界位置即可以进一步保证器件边缘与器件有源区内部电场的隔离，从而确保本实用新型的使用效果。
所述增透膜102的材质为SiNx或SiO，所述增透膜102的厚度为60～160nm。
具体而言，由于所述增透膜102所选用材质的特性不同以及所需要感光光源的波长不同，其厚度也随之变化，在本实施例中，所述增透膜102选用SiN材质时的厚度小于选用SiO2时的厚度。更具体的来说，在本实施例中，所述增透膜102可以选用70nm厚度的SiN或93nm厚度的SiO2，这两种不同的规格和材质在使用时的效果相同。此外，还需要说明的是，所述增透膜102不仅可以增加器件的表面透光，还可以起到钝化界面、减小表面漏电流的作用。
所述阻隔材料的材质为金属或SiO2，所述阻隔层108的材质为金属或SiO2，所述阻隔层108的厚度为400～600nm。
在本实施例中，所述阻隔材料的材质与所述阻隔层108的材质相同，二者均优选为SiO2，所述阻隔层108的厚度为500nm。
本实用新型还揭示了一种用于制备上述低暗电流PIN探测器的加工方法，包括如下步骤：
步骤1、根据加工需要对电阻率2000Ω/cm以上衬底101的材质进行选择，并对所述衬底101进行化学清洗，保证所述衬底101的洁净度以免影响后期工艺，在所述衬底101的上端面淀积一层400～600nm的SiO2，在本实施例中厚度为500nm，随后在所述衬底101的上端面进行光刻，之后在光刻区域刻蚀出一圈隔离沟槽104，刻蚀深度为2～6μm，在本实施例刻蚀深度为4μm；
步骤2、对所述衬底101的上端面进行热氧化处理，使所述衬底101的上端面形成一层薄约20nm的致密的SiO2层，以改善所述衬底(101)与填充物的界面特性，随后在所述衬底101的上端面淀积一层3.5～4.5μm的SiO2，在本实施例中厚度为4μm，此处需要保证的是所淀积的SiO2的厚度与步骤1中的刻蚀深度相同，以保证所述隔离沟槽104被完全填充，之后对所述衬底101的上端面进行化学机械抛光，去除多余的氧化物；
步骤3、在所述衬底101的上端面淀积一层400～600nm的SiO2，在本实施例中厚度为500nm，随后在所述衬底101的上端面进行光刻，并向所述光刻区域离子注入B，使所述衬底101的上端面形成P型欧姆接触层103，并保证其掺杂浓度为1×1019～1×1020cm-3，在本实施例中掺杂浓度优选为1×1019cm-3；
步骤4、对所述衬底101进行高温退火处理，以将注入的杂质离子激活，退火温度为900～1100℃，退火时间为30～60min，在本实施例中的退火温度为1100℃，退火时间为30min；
步骤5、在所述衬底101的上端面淀积一层60～160nm的SiN或SiO2作为增透膜102，在本实施例中可在所述衬底101的上端面淀积一层70nmSiN或93nmSiO2；
步骤6、在所述衬底101的上端面进行光刻并在所述增透膜102上刻蚀出两个电极通孔，随后在所述电极通孔的上方淀积500nm～2μm的Al以形成P型欧姆接触电极106，并进行光刻，腐蚀电极，露出用于感光的有源区，在本实施例中可采用溅射的方法淀积1.5μm的Al以形成P型欧姆接触电极106；
步骤7、将所述衬底101倒扣，使所述衬底101的下端面向上，并向其下端面离子注入P，形成n型欧姆接触层105，并保证其掺杂浓度为1×1019～1×1020cm-3，在本实施例中掺杂浓度优选为1×1020cm-3，随后对所述衬底101进行低温退火处理；
步骤8、在所述n型欧姆接触层105上再淀积一层300nm～2μm的AL，形成n型欧姆接触电极107，进而完成器件加工，在本实施例中可采用溅射的方法淀积500nm的Al以形成n型欧姆接触电极107。
所述淀积加工方法包括磁控溅射或PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)生长；所述刻蚀加工方法包括干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺。
还需要说明的是，本实用新型中的所述隔离沟槽104填充，既可以采用低压化学气相淀积的方法形成，也可以利用各种氧化物化学气相淀积设备完成。另外，本实用新型中的材质选择及涂层厚度均为实用新型人经过多次试验论证得出的最优方案，如采用其他材质或涂层厚度，可能会直接导致本实用新型的技术方案不能够实现降低器件暗电流的效果。
本实用新型能够降低暗电流的原理在于，避免了沟槽处离子注入引入的杂质缺陷(这是由于传统加工过程中，离子注入后退火不充分，容易导致注入后的杂质不能由间隙式杂质转换为替位式杂质)及晶格损伤，进而减小器件暗电流。此外，器件边缘由于划片工艺引起的缺陷或是损伤都会增加器件的暗电流；另外由于少子扩散进入电场区，在电场的作用下被收集，这一过程也会产生暗电流，而本实用新型的沟槽结构能够将器件边缘与有源区隔离开，实现了器件边缘与有源区电场的阻断，削弱了少子的扩散，从而减小了器件的暗电流。
与传统PIN探测器相比，本实用新型的探测波长范围更广，可广泛适用于红外、可见光、紫外或太赫兹波段，而且本实用新型可通过结构改动来满足装置正面入射或背面入射等多种方式探测的需要，适用性和实用性更强。同时，本实用新型能够有效避免传统加工过程中离子注入引入的杂质缺陷及晶格损伤，减小了器件的暗电流。此外，本实用新型中的沟槽结构能够将器件边缘与器件有源区的隔离，实现了器件边缘与有源区电场的阻断，进一步减小了器件的暗电流，提升了本实用新型的使用效果。
综上所述，本实用新型能够有效减少器件内部的暗电流，使用效果优异，具有很高的使用及推广价值。
本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低暗电流PIN探测器，可用于红外、可见光、紫外或太赫兹波段范围内的光线探测，其特征在于：包括衬底(101)，所述衬底(101)上生长有P型欧姆接触层(103)，所述P型欧姆接触层(103)上覆盖有增透膜(102)，所述增透膜(102)上设置有至少一个与所述P型欧姆接触层(103)触接的P型欧姆接触电极(106)，所述衬底(101)的上端面开设有一圈用于实现器件内部电场与器件边缘阻断的隔离沟槽(104)，所述隔离沟槽(104)位于所述P型欧姆接触层(103)的外周侧，所述隔离沟槽(104)内填充有阻隔材料，所述衬底(101)的上端面除所述P型欧姆接触层(103)外的区域均覆盖有阻隔层(108)，所述阻隔层(108)的上端面覆盖有增透膜(102)，所述衬底(101)的下端面由上至下依次覆盖生长有N型欧姆接触层(105)及N型欧姆接触电极(106)。
2.根据权利要求1所述的低暗电流PIN探测器，其特征在于：所述衬底(101)的材质为Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI或GOI。
3.根据权利要求1所述的低暗电流PIN探测器，其特征在于：所述增透膜(102)上开设有至少一个用于将所述P型欧姆接触层(103)裸露出来的电极通孔，所述P型欧姆接触电极(106)借助所述电极通孔与所述P型欧姆接触层(103)触接。
4.根据权利要求1所述的低暗电流PIN探测器，其特征在于：所述P型欧姆接触电极(106)设置于所述P型欧姆接触层(103)上端面的两侧端部位置。
5.根据权利要求4所述的低暗电流PIN探测器，其特征在于：所述低暗电流PIN探测器包括一用于感光的有源区，所述有源区位于所述P型欧姆接触电极(106)以内。
6.根据权利要求1所述的低暗电流PIN探测器，其特征在于：所述隔离沟槽(104)下端面所在的平面低于所述P型欧姆接触层(103)下端面所在的平面。
7.根据权利要求1所述的低暗电流PIN探测器，其特征在于：所述增透膜(102)的材质为SiNx或SiO2，所述增透膜(102)的厚度为60-160nm。
8.根据权利要求1所述的低暗电流PIN探测器，其特征在于：所述阻隔材料的材质为SiO2，所述阻隔层(108)的材质为SiO2，所述阻隔层(108)的厚度为400-600nm。
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