專利名稱：一種以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器及其制備方法
技術領域：
本發明屬于光電探測技術領域，涉及光電探測器件結構，尤其是一種背照式 Si-PIN光電探測器及其制備方法。
背景技術：
光電探測器作為光纖通訊系統、紅外成像系統、激光告警系統和激光測距系統等的重要組成部分，在民用和軍用方面均得到了廣泛的應用。目前廣泛使用的光電探測器主要有用于探測波長范圍為400nm IlOOnm的光電探測器和用于探測波長彡IlOOnm的 InGaAs光電探測器。其中，Si材料由于易于提純、易摻雜、資源豐富、成本低、易于大規模集成和相關技術成熟等優點，是半導體行業中應用最為廣泛的一類材料。但是，由于其禁帶寬度較大(1. 12eV)，即使在Si光電探測器光敏面區沉積了增透膜以提高探測器的響應度， 仍然無法達到探測大于IlOOnm的光波信號并以電信號輸出的目的。因此，當需要探測大于 IlOOnm的光信號時，常用InGaAs光電探測器代替。但是，InGaAs單晶半導體材料又存在價格昂貴、熱機械性能較差、晶體質量較差且不易與現有硅微電子工藝兼容等缺點。黑硅材料是一種硅表面微結構化的材料層，該材料對可見光及近紅外光的吸收率可達到90%以上，且光譜吸收范圍覆蓋了近紫外 近紅外波段(0. 25 μ m 2. 5 μ m)。目前制備這種黑硅材料的方法又很多，包括了飛秒激光法、反應離子刻蝕法和電化學腐蝕法等。隨著這種黑硅材料的發現，使得研制具有高響應度和寬光譜響應的新型Si-PIN 光電探測器成為可能。
發明內容
本發明提供一種以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器及其制備方法。所述背照式Si-PIN光電探測器以黑硅材料為光敏層，能夠吸收近紅外波段光波，比傳統Si光電探測器具有更高的光吸收率和更寬的響應波段，且制備工藝較為簡單，具有成本低、易于集成、響應速度快、響應度高和響應波段寬的特點，在大規模市場化方面具有明顯的優勢。本發明技術方案為一種以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器，如圖1、2所示，包括硅本征襯底1、位于硅本征襯底1正面中央的P型區2、位于硅本征襯底1正面四周的環形P+區 3、位于硅本征襯底1背面的N型黑硅層4、位于P型區2和P+區3上表面的上電極5，以及位于N型黑硅層4下表面兩側的下電極6 ；其中P+區3的結深大于P型區2的結深。上述技術方案中所述P型區2為硼擴散摻雜P型區，結深為0. 2 μ m 3. 0 μ m。所述P+區3為硼重擴散摻雜P型區，結深為1. 0 μ m 3. 5 μ m，摻雜濃度范圍為 1 X 1018ion/cm3 5 X 1019ion/cm3。
所述N型黑硅層4為硅本征襯底1背面經磷重擴散摻雜形成N型導電類型，再經化學腐蝕擴面后進行％或Te離子注入摻雜得到；其中％或Te離子注入摻雜濃度范圍為 1 X 1014ion/cm2 1 X 1016ion/cm2。所述上電極3和下電極6為金屬薄膜電極，金屬材料可以是鋁(Al)、金(Au)或金鉻合金(Au/Cr)。器件工作時，被探測物質所激發出的光輻射或各種反射激光被Si PIN光電探測器的光敏面(在本發明中為N型黑硅層4)所吸收，產生光生載流子，這些自由電荷在外電場作用下分別向兩極漂移，從而產生光電壓或者光電流。本發明所提供的以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器，在現有的背照式Si-PIN光電探測器中采用了黑硅材料作為光敏層，由于黑硅材料經化學腐蝕擴面處理，具有很大的比表面積，因此光吸收率有很大的提高(吸收率可達到90%以上)；同時，黑硅材料經磷重擴散摻雜形成N型導電類型，作為PIN結構光電探測器的N型功能區；最后 %或Te離子注入摻雜有助于光敏層吸收近紅外波段光波，從而有效拓寬光電探測器的響應波段。本發明與現有的背照式Si-PIN光電探測器相比，在器件的P型區2四周增加了環形P+區3，由于環形P+區3的存在，能夠迅速吸收光照時產生的光生電子，從而大大提高了器件的響應速度。本發明是將新型黑硅材料與傳統Si PIN光電探測器相結合的一種新型Si PIN光電探測器結構。由于黑硅材料具有寬光譜吸收和低反射率等特征以及探測器獨特的保護環區(環形P+區幻的存在，使得這種新型Si PIN光電探測器具有光譜延伸的特征以及具有較高的響應度，特別能在700nm 1200nm波長范圍內提高器件的響應度和量子效率。本發明提供的以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器所用材料均以硅為基本材料，因此易于與現半導體標準工藝兼容，且制備過程簡單，成本低。并且由于黑硅材料的微結構以及具有氧族元素摻雜，使該器件具有較高的響應度和寬的光譜響應范圍。
圖1是本發明提供的以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器的剖面結構示意圖。圖2是本發明提供的以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器的仰視平面結構示意圖。圖3是本發明提供的以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器的制備方法流程示意圖。其中各附圖標記的含義為1是硅本征襯底、2是P型區、3是P+區、4是N型黑硅層、5是上電極、6是下電極。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方法作進一步的說明。一種以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器，如圖1、2所示，包括硅本征襯底1、位于硅本征襯底1正面中央的P型區2、位于硅本征襯底1正面四周的環形P+區 3、位于硅本征襯底1背面的N型黑硅層4、位于P型區2和P+區3上表面的上電極5，以及位于N型黑硅層4下表面兩側的下電極6 ；其中P+區3的結深大于P型區2的結深。上述技術方案中所述P型區2為硼擴散摻雜P型區，結深為0. 2 μ m 3. 0 μ m。所述P+區3為硼重擴散摻雜P型區，結深為1. 0 μ m 3. 5 μ m，摻雜濃度范圍為 1 X 1018ion/cm3 5 X 1019ion/cm3。所述N型黑硅層4為硅本征襯底1背面經磷重擴散摻雜形成N型導電類型，再經化學腐蝕擴面后進行％或Te離子注入摻雜得到；其中％或Te離子注入摻雜濃度范圍為 1 X 1014ion/cm2 1 X 1016ion/cm2。所述上電極3和下電極6為金屬薄膜電極，金屬材料可以是鋁(Al)、金(Au)或金鉻合金(Au/Cr)。一種以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器的制備方法，如圖3所示， 包括以下步驟步驟1 在本征硅襯底1表面氧化生長SiA膜層。所用本征硅襯底為(111)晶向的高阻單晶硅襯底，電阻率為1000 Ω · cm 2000 Ω · cm ；SiO2膜層厚度為300nm 400nm， 生長溫度為1000°C。步驟2 在S^2膜層表面四周光刻出P+區3的圖形，然后進行硼重擴散摻雜形成 P+區3。硼重擴散摻雜形成P+區3時溫度為1000°C 1100°c，硼重擴散摻雜濃度范圍為 1 X 1018ion/cm3 5 X 1019ion/cm3，結深為 1. 0 μ m 3. 5 μ m。步驟3 在S^2膜層表面光刻出P型區2的圖形，然后進行硼擴散摻雜形成P區2。 硼擴散摻雜形成P區2時溫度為1000°C，P區2的結深為0. 2 μ m 3. 0 μ m。步驟4 對本征硅襯底1背面進行減薄、研磨、拋光，使本征硅襯底1厚度減薄為 100 μ m 200 μ m,并進行磷重擴散摻雜形成N型區，結深約為3 μ m 4 μ m。步驟5 對本征硅襯底1背面形成的N型區進行化學腐蝕擴面處理。步驟6 對經步驟5處理的本征硅襯底1背面的N型區進行離子注入摻雜，從而形成N型黑硅層4。步驟7:電極制備。步驟5對N型區進行化學腐蝕擴面處理時，所用腐蝕液是通過去離子水、無水乙醇、氫氟酸、氯金酸和濃度為30%的雙氧水按體積比混合而成。其中，無水乙醇用量體積占腐蝕液總體積百分比范圍為9% 15% ；氫氟酸體積占腐蝕液總體積百分比范圍為9% 15% ；氯金酸體積占腐蝕液總體積百分比范圍為4% 7% ；濃度為30%的過氧化氫體積占腐蝕液總體積百分比范圍為50% 60%，其余為去離子水。步驟6對經步驟5處理的本征硅襯底1背面的N型區進行離子注入摻雜時，摻雜元素為硒(Se)或碲(Te)，摻雜濃度范圍為lX1014ion/Cm2 lX1016ion/Cm2。經上述步驟制備出的以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器，經測試， 其響應波長范圍為400nm 1200nm，響應度范圍為0. 5A/W 30A/W。以上僅是本發明眾多具體應用范圍中的代表性實施例，對本發明的保護范圍不構成任何限制。凡采用變換或是等效替換而形成的技術方案，均落在本發明權利保護范圍之內。
權利要求
1.一種以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器，包括硅本征襯底(1)、位于硅本征襯底(1)正面中央的P型區O)、位于硅本征襯底(1)正面四周的環形P+區(3)、位于硅本征襯底⑴背面的N型黑硅層0)、位于P型區(2)和P+區(3)上表面的上電極(5)， 以及位于N型黑硅層(4)下表面兩側的下電極(6)；其中P+區(3)的結深大于P型區(2) 的結深。
2.根據權利要求1所述以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器，其特征在于，所述P型區(2)為硼擴散摻雜P型區，結深為0.2μπι 3.0μπι。
3.根據權利要求1所述以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器，其特征在于，所述P+區⑶為硼重擴散摻雜P型區，結深為1.0μπι 3.5μπι。
4.根據權利要求1所述背照式Si-PIN光電探測器，其特征在于，所述N型黑硅層(4)為硅本征襯底(1)背面經磷重擴散摻雜形成N型導電類型，再經化學腐蝕擴面后進行％或1^離子注入摻雜得到；其中％或Te離子注入摻雜濃度范圍為1 X 1014ion/cm2 1 X 1016ion/2cm ο
5.根據權利要求1所述以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器，其特征在于，所述上電極C3)和下電極(6)為金屬薄膜電極，金屬材料是鋁、金或金鉻合金。
6.一種以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器的制備方法，包括以下步驟步驟1 在本征硅襯底(1)表面氧化生長SiO2膜層；步驟2 在SW2膜層表面四周光刻出P+區(3)的圖形，然后進行硼重擴散摻雜形成P+ 區⑶；步驟3 在SiO2膜層表面光刻出P型區( 的圖形，然后進行硼擴散摻雜形成Pg O)；步驟4:對本征硅襯底(1)背面進行減薄、研磨、拋光，使本征硅襯底1厚度減薄為 100 μ m 200 μ m,并進行磷重擴散摻雜形成N型區，結深約為3 μ m 4 μ m ；步驟5 對本征硅襯底(1)背面形成的N型區進行化學腐蝕擴面處理；步驟6 對經步驟5處理的本征硅襯底(1)背面的N型區進行離子注入摻雜，從而形成 N型黑硅層(4)；步驟7:電極制備。
7.根據權利要求6所述以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器的制備方法， 其特征在于，所用本征硅襯底(1)為(111)晶向的高阻單晶硅襯底，電阻率為1000Ω 2000 Ω · cm ；步驟1中SW2膜層厚度為300nm 400nm，生長溫度為1000°C ；步驟2中硼重擴散摻雜形成P+區⑶時溫度為1000°C 1100°C，硼重擴散摻雜濃度范圍為lX1018ion/ cm3 5 X 1019ion/cm3,結深為1. 0 μ m 3. 5 μ m ；步驟3中硼擴散摻雜形成P區⑵時溫度為 1000°C，P 區(2)的結深為 0. 2 μ m 3. 0 μ m。
8.根據權利要求6所述以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器的制備方法，其特征在于，步驟5對N型區進行化學腐蝕擴面處理時，所用腐蝕液是通過去離子水、 無水乙醇、氫氟酸、氯金酸和濃度為30%的雙氧水按體積比混合而成；其中，無水乙醇用量體積占腐蝕液總體積百分比范圍為9% 15% ；氫氟酸體積占腐蝕液總體積百分比范圍為 9% 15% ；氯金酸體積占腐蝕液總體積百分比范圍為4% 7% ；濃度為30%的過氧化氫體積占腐蝕液總體積百分比范圍為50% 60%，其余為去離子水。
9.根據權利要求6所述以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器的制備方法，其特征在于，步驟6對經步驟5處理的本征硅襯底(1)背面的N型區進行離子注入摻雜時， 摻雜元素為義或iTe,摻雜濃度范圍為lX1014ion/Cm2 1 X 1016ion/Cm2。
全文摘要
一種以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測器及其制備方法，屬于光電探測技術領域。所述光電探測器包括硅本征襯底、位于硅本征襯底正面中央的P型區、位于硅本征襯底正面四周的環形P+區、位于硅本征襯底背面的N型黑硅層、位于P型區和P+區上表面的上電極，以及位于N型黑硅層下表面兩側的下電極。本發明以黑硅材料為光敏層，同時在P型區2四周增加了環形P+區3，使得本發明能夠吸收近紅外波段光波，比傳統Si光電探測器具有更高的光吸收率和更寬的響應波段，且制備工藝較為簡單，具有成本低、易于集成、響應速度快、響應度高和響應波段寬的特點，在大規模市場化方面具有明顯的優勢。
文檔編號H01L31/075GK102176470SQ20111007447
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月26日 優先權日2011年3月26日
發明者吳志明, 李偉, 蔣亞東, 趙國棟, 黃璐 申請人:電子科技大學