基于金屬誘導刻蝕紅外增強Si?PIN探測器及其制備方法與流程

本發明屬于光電探測器技術領域，涉及到光電探測器結構，具體涉及一種基于金屬誘導刻蝕紅外增強Si-PIN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、激光警告系統和激光測距系統等的重要組成部分，在民用和軍用方面都得到了廣泛的應用。目前廣泛使用的光電探測器主要有探測400nm～1100nm波長的硅光電探測器和探測大于1100nm波長的InGaAs近紅外光電探測器。其中Si-PIN光電探測器具有響應速度快、靈敏度高的特點，而且其原材料Si資源豐富、成本低、易于大規模集成、相關技術成熟，因此硅基探測器被廣泛使用。但是由于Si的折射率比較大，入射光在其表面反射損失大，達到30％以上，并且其禁帶寬度較大(1.12eV)，對大于1100nm的光無法吸收，也就是探測不到大于1100nm波長的光信號，此時一般用InGaAs光電探測器替代。但是InGaAs材料非常昂貴、熱機械性能較差、晶體質量較差并且不易與現有的硅微電子工藝兼容，存在諸多缺點。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于解決問題，提供一種基于金屬誘導刻蝕紅外增強Si-PIN探測器及其制備方法。

為實現上述發明目的，本發明技術方案如下：

一種基于金屬誘導刻蝕紅外增強Si-PIN探測器，包括硅本征襯底、位于硅本征襯底下方的金屬誘導刻蝕納米結構層、位于金屬誘導刻蝕納米結構層下方的紅外增強非晶硅釕合金薄膜、位于紅外增強非晶硅釕合金薄膜下方的下電極、位于硅本征襯底上方中間區域的P型區、位于硅本征襯底上方P型區四周的環形P⁺型區、位于P型區上表面的上電極，所述金屬誘導刻蝕納米結構層為納米尖錐陣列，探測器光敏面為P型區的上表面。

作為優選方式，每個尖錐底面為直徑10nm～200nm的圓，尖錐高度為1μm～2μm。

作為優選方式，金屬誘導刻蝕納米結構層是先對減薄后的單晶硅表面通過金屬誘導刻蝕方法得到納米尖錐結構；再進行磷重擴散或離子注入摻雜形成N⁺區，摻雜濃度范圍為3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，結深為1μm～3μm。超過此范圍則會大大降低器件的響應度，影響器件性能。

作為優選方式，所述的紅外增強非晶硅釕合金薄膜采用射頻磁控共濺射方法制備。

作為優選方式，紅外增強非晶硅釕合金薄膜的光學帶隙范圍為0.5eV～1.5eV。

作為優選方式，所述的紅外增強非晶硅釕合金薄膜的厚度為50nm～150nm。

作為優選方式，所述的上電極和下電極為鋁薄膜、金薄膜或者鉻金合金薄膜，上電極和下電極的厚度為50nm～150nm。超過此范圍則會大大降低器件的響應度，影響器件性能。

本發明還提供一種上述基于金屬誘導刻蝕紅外增強Si-PIN探測器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：在硅本征襯底表面氧化生長SiO₂膜層，所用的硅本征襯底為<111>晶向的N型高阻單晶硅片，電阻率為2500Ω·cm～3500Ω·cm；SiO₂膜層厚度為200nm～300nm，生長溫度為1000℃；

步驟2：在SiO₂膜層表面四周光刻出P⁺型區的圖形，然后進行硼重擴散摻雜形成P⁺型區；摻雜濃度范圍為4×10¹⁸ion/cm³～2×10¹⁹ion/cm³，P⁺型區的結深為1μm～3.5μm；

步驟3：在SiO₂膜層表面光刻出P型區圖形，然后進行硼擴散摻雜形成P型區；摻雜濃度范圍為1×10¹⁴ion/cm³～2×10¹⁶ion/cm³，P型區的結深為0.2μm～2μm；

步驟4：對硅本征襯底背面進行減薄、研磨、拋光，使硅本征襯底的厚度減薄為250μm～350μm，對襯底背面進行金屬誘導刻蝕工藝形成金屬誘導刻蝕納米結構層，其尖錐底面直徑在10nm～200nm范圍，尖錐高度為1μm～2μm；

步驟5：對具有金屬誘導刻蝕納米結構層的襯底背面進行磷重擴散摻雜形成N⁺型區，摻雜濃度范圍為3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，結深約為1μm～3μm；超過此范圍則會大大降低器件的響應度，影響器件性能。

步驟6：采用射頻磁控共濺射方法在金屬誘導刻蝕納米結構層沉積一層紅外增強非晶硅釕合金薄膜；

步驟7：上電極和下電極的制備。

本發明在傳統Si-PIN探測器的基礎上在背面N⁺型區增加了一層金屬誘導刻蝕納米結構層和一層紅外增強非晶硅釕合金薄膜。

納米結構硅是采用銀作催化劑，利用氫氟酸和雙氧水混合液對硅片表面進行腐蝕，得到大面積均勻分布的尖錐狀的納米結構，其結構尺寸在納米量級，如此微小的結構能夠使入射光在納米結構層多次反射，對未被耗盡層吸收的透射光進行反射和重吸收，可以提高光的吸收率，增加光電探測器的響應度。

紅外增強非晶硅釕合金薄膜具有光吸收率高、禁帶寬度可調、電子溫度系數大、可大面積低溫(<400℃)成膜、制備工藝簡單與硅半導體工藝兼容等特點，通過調控非晶硅釕合金薄膜中釕的含量和薄膜的厚度，來調控薄膜的光學帶隙，使其光學帶隙范圍控制在0.5eV～1.5eV，使硅材料的禁帶寬度變窄，這樣長波長的光也能被吸收，將其應用在硅光電探測器領域，可以提高探測器的響應度，擴展探測器近紅外光譜響應范圍。

所述的光電探測器不僅能夠增強對可見光和近紅外光的吸收，還可以擴展光譜響應范圍，具有近紅外吸收增強、響應光譜范圍寬、響應度高等優點。

本發明的基本工作原理是：當入射光進入這種Si-PIN光電探測器的空間電荷區時，會激發空間電荷區的電子-空穴對，電子和空穴在偏置電壓下分別向兩極移動，形成光生電流或電壓。

本發明的有益效果為：相對于傳統Si-PIN光電探測器，本發明在N⁺型區增加了一層金屬誘導刻蝕納米結構層，此結構可以將透射過空間電荷區的未吸收光進行多次反射，增加光的傳播路程和光子捕獲比，增加光的吸收和利用，更多的激發光生載流子，提高探測器的響應度。相對于傳統Si-PIN光電探測器，本發明在金屬誘導刻蝕納米結構層下方增加紅外增強非晶硅釕合金薄膜，通過控制釕含量獲得較窄的光學帶隙，使硅材料的禁帶寬度變窄，從而捕獲能量更低、波長更長的近紅外光，因此可以額外增加對近紅外的吸收，擴展光電探測器的探測范圍。

附圖說明

圖1是本發明的基于金屬誘導刻蝕紅外增強Si-PIN探測器的剖面結構示意圖；

圖2是本發明的基于金屬誘導刻蝕紅外增強Si-PIN探測器的俯視圖；

圖3是本發明的基于金屬誘導刻蝕紅外增強Si-PIN探測器及其制備方法流程示意圖；

其中圖1標記：1為硅本征襯底，2為P型區，3為金屬誘導刻蝕納米結構層，4為P⁺型區，5為紅外增強非晶硅釕合金薄膜，6為下電極6，7為上電極。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

一種基于金屬誘導刻蝕紅外增強Si-PIN探測器，包括硅本征襯底1、位于硅本征襯底1下方的金屬誘導刻蝕納米結構層3、位于金屬誘導刻蝕納米結構層3下方的紅外增強非晶硅釕合金薄膜5、位于紅外增強非晶硅釕合金薄膜5下方的下電極6、位于硅本征襯底1上方中間區域的P型區2、位于硅本征襯底1上方P型區2四周的環形P⁺型區4、位于P型區2上表面的上電極7，所述金屬誘導刻蝕納米結構層3為納米尖錐陣列，探測器光敏面為P型區2的上表面。

每個尖錐底面為直徑10nm～200nm的圓，尖錐高度為1μm～2μm。

金屬誘導刻蝕納米結構層3是先對減薄后的單晶硅表面通過金屬誘導刻蝕方法得到納米尖錐結構；再進行磷重擴散或離子注入摻雜形成N⁺區，摻雜濃度范圍為3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，結深為1μm～3μm。

所述的紅外增強非晶硅釕合金薄膜5采用射頻磁控共濺射方法制備。

紅外增強非晶硅釕合金薄膜5的光學帶隙范圍為0.5eV～1.5eV。

所述的紅外增強非晶硅釕合金薄膜5的厚度為50nm～150nm。

所述的上電極7和下電極6為鋁薄膜、金薄膜或者鉻金合金薄膜，上電極7和下電極6的厚度為50nm～150nm。

上述基于金屬誘導刻蝕紅外增強Si-PIN探測器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：在硅本征襯底1表面氧化生長SiO₂膜層，所用的硅本征襯底為<111>晶向的N型高阻單晶硅片，電阻率為2500Ω·cm～3500Ω·cm；SiO₂膜層厚度為200nm～300nm，生長溫度為1000℃；

步驟2：在SiO₂膜層表面四周光刻出P⁺型區4的圖形，然后進行硼重擴散摻雜形成P⁺型區4；摻雜濃度范圍為4×10¹⁸ion/cm³～2×10¹⁹ion/cm³，P⁺型區4的結深為1μm～3.5μm；

步驟3：在SiO₂膜層表面光刻出P型區2圖形，然后進行硼擴散摻雜形成P型區2；摻雜濃度范圍為1×10¹⁴ion/cm³～2×10¹⁶ion/cm³，P型區2的結深為0.2μm～2μm；

步驟4：對硅本征襯底1背面進行減薄、研磨、拋光，使硅本征襯底1的厚度減薄為250μm～350μm，對襯底背面進行金屬誘導刻蝕工藝形成金屬誘導刻蝕納米結構層3，其尖錐底面直徑在10nm～200nm范圍，尖錐高度為1μm～2μm；

步驟5：對具有金屬誘導刻蝕納米結構層3的襯底背面進行磷重擴散摻雜形成N⁺型區，摻雜濃度范圍為3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，結深約為1μm～3μm；

步驟6：采用射頻磁控共濺射方法在金屬誘導刻蝕納米結構層3沉積一層紅外增強非晶硅釕合金薄膜5；

步驟7：上電極7和下電極6的制備。

本實施例在傳統Si-PIN探測器的基礎上在背面N⁺型區增加了一層金屬誘導刻蝕納米結構層和一層紅外增強非晶硅釕合金薄膜。

納米結構硅是采用銀作催化劑，利用氫氟酸和雙氧水混合液對硅片表面進行腐蝕，得到大面積均勻分布的尖錐狀的納米結構，其結構尺寸在納米量級，如此微小的結構能夠使入射光在納米結構層多次反射，對未被耗盡層吸收的透射光進行反射和重吸收，可以提高光的吸收率，增加光電探測器的響應度。

紅外增強非晶硅釕合金薄膜具有光吸收率高、禁帶寬度可調、電子溫度系數大、可大面積低溫(<400℃)成膜、制備工藝簡單與硅半導體工藝兼容等特點，通過調控非晶硅釕合金薄膜中釕的含量和薄膜的厚度，來調控薄膜的光學帶隙，使其光學帶隙范圍控制在0.5eV～1.5eV，使硅材料的禁帶寬度變窄，這樣長波長的光也能被吸收，將其應用在硅光電探測器領域，可以提高探測器的響應度，擴展探測器近紅外光譜響應范圍。

所述的光電探測器不僅能夠增強對可見光和近紅外光的吸收，還可以擴展光譜響應范圍，具有近紅外吸收增強、響應光譜范圍寬、響應度高等優點。

本實施例的基本工作原理是：當入射光進入這種Si-PIN光電探測器的空間電荷區時，會激發空間電荷區的電子-空穴對，電子和空穴在偏置電壓下分別向兩極移動，形成光生電流或電壓。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。