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(cè)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及光電探測(cè)器件結(jié)構(gòu)，尤其是一種背照式 Si-PIN光電探測(cè)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
光電探測(cè)器作為光纖通訊系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)、激光告警系統(tǒng)和激光測(cè)距系統(tǒng)等的重要組成部分，在民用和軍用方面均得到了廣泛的應(yīng)用。目前廣泛使用的光電探測(cè)器主要有用于探測(cè)波長(zhǎng)范圍為400nm IlOOnm的光電探測(cè)器和用于探測(cè)波長(zhǎng)彡IlOOnm的 InGaAs光電探測(cè)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(guī)模集成和相關(guān)技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，是半導(dǎo)體行業(yè)中應(yīng)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(cè)器光敏面區(qū)沉積了增透膜以提高探測(cè)器的響應(yīng)度， 仍然無(wú)法達(dá)到探測(cè)大于IlOOnm的光波信號(hào)并以電信號(hào)輸出的目的。因此，當(dāng)需要探測(cè)大于 IlOOnm的光信號(hào)時(shí)，常用InGaAs光電探測(cè)器代替。但是，InGaAs單晶半導(dǎo)體材料又存在價(jià)格昂貴、熱機(jī)械性能較差、晶體質(zhì)量較差且不易與現(xiàn)有硅微電子工藝兼容等缺點(diǎn)。黑硅材料是一種硅表面微結(jié)構(gòu)化的材料層，該材料對(duì)可見光及近紅外光的吸收率可達(dá)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(yīng)離子刻蝕法和電化學(xué)腐蝕法等。隨著這種黑硅材料的發(fā)現(xiàn)，使得研制具有高響應(yīng)度和寬光譜響應(yīng)的新型Si-PIN 光電探測(cè)器成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測(cè)器及其制備方法。所述背照式Si-PIN光電探測(cè)器以黑硅材料為光敏層，能夠吸收近紅外波段光波，比傳統(tǒng)Si光電探測(cè)器具有更高的光吸收率和更寬的響應(yīng)波段，且制備工藝較為簡(jiǎn)單，具有成本低、易于集成、響應(yīng)速度快、響應(yīng)度高和響應(yīng)波段寬的特點(diǎn)，在大規(guī)模市場(chǎng)化方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明技術(shù)方案為一種以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測(cè)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(qū)2、位于硅本征襯底1正面四周的環(huán)形P+區(qū) 3、位于硅本征襯底1背面的N型黑硅層4、位于P型區(qū)2和P+區(qū)3上表面的上電極5，以及位于N型黑硅層4下表面兩側(cè)的下電極6 ；其中P+區(qū)3的結(jié)深大于P型區(qū)2的結(jié)深。上述技術(shù)方案中所述P型區(qū)2為硼擴(kuò)散摻雜P型區(qū)，結(jié)深為0. 2 μ m 3. 0 μ m。所述P+區(qū)3為硼重?cái)U(kuò)散摻雜P型區(qū)，結(jié)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(jīng)磷重?cái)U(kuò)散摻雜形成N型導(dǎo)電類型，再經(jīng)化學(xué)腐蝕擴(kuò)面后進(jìn)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(shí)，被探測(cè)物質(zhì)所激發(fā)出的光輻射或各種反射激光被Si PIN光電探測(cè)器的光敏面(在本發(fā)明中為N型黑硅層4)所吸收，產(chǎn)生光生載流子，這些自由電荷在外電場(chǎng)作用下分別向兩極漂移，從而產(chǎn)生光電壓或者光電流。本發(fā)明所提供的以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測(cè)器，在現(xiàn)有的背照式Si-PIN光電探測(cè)器中采用了黑硅材料作為光敏層，由于黑硅材料經(jīng)化學(xué)腐蝕擴(kuò)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(dá)到90%以上)；同時(shí)，黑硅材料經(jīng)磷重?cái)U(kuò)散摻雜形成N型導(dǎo)電類型，作為PIN結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器的N型功能區(qū)；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(cè)器的響應(yīng)波段。本發(fā)明與現(xiàn)有的背照式Si-PIN光電探測(cè)器相比，在器件的P型區(qū)2四周增加了環(huán)形P+區(qū)3，由于環(huán)形P+區(qū)3的存在，能夠迅速吸收光照時(shí)產(chǎn)生的光生電子，從而大大提高了器件的響應(yīng)速度。本發(fā)明是將新型黑硅材料與傳統(tǒng)Si PIN光電探測(cè)器相結(jié)合的一種新型Si PIN光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)。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(cè)器獨(dú)特的保護(hù)環(huán)區(qū)(環(huán)形P+區(qū)幻的存在，使得這種新型Si PIN光電探測(cè)器具有光譜延伸的特征以及具有較高的響應(yīng)度，特別能在700nm 1200nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)提高器件的響應(yīng)度和量子效率。本發(fā)明提供的以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測(cè)器所用材料均以硅為基本材料，因此易于與現(xiàn)半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容，且制備過程簡(jiǎn)單，成本低。并且由于黑硅材料的微結(jié)構(gòu)以及具有氧族元素?fù)诫s，使該器件具有較高的響應(yīng)度和寬的光譜響應(yīng)范圍。


圖1是本發(fā)明提供的以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測(cè)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明提供的以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測(cè)器的仰視平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明提供的以黑硅材料為光敏層的背照式Si-PIN光電探測(cè)器的制備方法流程示意圖。其中各附圖標(biāo)記的含義為1是硅本征襯底、2是P型區(qū)、3是P+區(qū)、4是N型黑硅層、5是上電極、6是下電極。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方法作進(jìn)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(cè)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(qū)2、位于硅本征襯底1正面四周的環(huán)形P+區(qū) 3、位于硅本征襯底1背面的N型黑硅層4、位于P型區(qū)2和P+區(qū)3上表面的上電極5，以及位于N型黑硅層4下表面兩側(cè)的下電極6 ；其中P+區(qū)3的結(jié)深大于P型區(qū)2的結(jié)深。上述技術(shù)方案中所述P型區(qū)2為硼擴(kuò)散摻雜P型區(qū)，結(jié)深為0. 2 μ m 3. 0 μ m。所述P+區(qū)3為硼重?cái)U(kuò)散摻雜P型區(qū)，結(jié)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(jīng)磷重?cái)U(kuò)散摻雜形成N型導(dǎo)電類型，再經(jīng)化學(xué)腐蝕擴(kuò)面后進(jìn)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)溫度為1000°C。步驟2 在S^2膜層表面四周光刻出P+區(qū)3的圖形，然后進(jìn)行硼重?cái)U(kuò)散摻雜形成 P+區(qū)3。硼重?cái)U(kuò)散摻雜形成P+區(qū)3時(shí)溫度為1000°C 1100°c，硼重?cái)U(kuò)散摻雜濃度范圍為 1 X 1018ion/cm3 5 X 1019ion/cm3，結(jié)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(qū)2的圖形，然后進(jìn)行硼擴(kuò)散摻雜形成P區(qū)2。 硼擴(kuò)散摻雜形成P區(qū)2時(shí)溫度為1000°C，P區(qū)2的結(jié)深為0. 2 μ m 3. 0 μ m。步驟4 對(duì)本征硅襯底1背面進(jìn)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(jìn)行磷重?cái)U(kuò)散摻雜形成N型區(qū)，結(jié)深約為3 μ m 4 μ m。步驟5 對(duì)本征硅襯底1背面形成的N型區(qū)進(jìn)行化學(xué)腐蝕擴(kuò)面處理。步驟6 對(duì)經(jīng)步驟5處理的本征硅襯底1背面的N型區(qū)進(jìn)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(duì)N型區(qū)進(jìn)行化學(xué)腐蝕擴(kuò)面處理時(shí)，所用腐蝕液是通過去離子水、無(wú)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(wú)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(duì)經(jīng)步驟5處理的本征硅襯底1背面的N型區(qū)進(jìn)行離子注入摻雜時(shí)，摻雜元素為硒(Se)或碲(Te)，摻雜濃度范圍為lX1014ion/Cm2 lX1016ion/Cm2。經(jīng)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(cè)器，經(jīng)測(cè)試， 其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為400nm 1200nm，響應(yīng)度范圍為0. 5A/W 30A/W。以上僅是本發(fā)明眾多具體應(yīng)用范圍中的代表性實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用變換或是等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)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(cè)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(qū)O)、位于硅本征襯底(1)正面四周的環(huán)形P+區(qū)(3)、位于硅本征襯底⑴背面的N型黑硅層0)、位于P型區(qū)(2)和P+區(qū)(3)上表面的上電極(5)， 以及位于N型黑硅層(4)下表面兩側(cè)的下電極(6)；其中P+區(qū)(3)的結(jié)深大于P型區(qū)(2) 的結(jié)深。
2.根據(jù)權(quán)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(cè)器，其特征在于，所述P型區(qū)(2)為硼擴(kuò)散摻雜P型區(qū)，結(jié)深為0.2μπι 3.0μπι。
3.根據(jù)權(quán)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(cè)器，其特征在于，所述P+區(qū)⑶為硼重?cái)U(kuò)散摻雜P型區(qū)，結(jié)深為1.0μπι 3.5μπι。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述背照式Si-PIN光電探測(cè)器，其特征在于，所述N型黑硅層(4)為硅本征襯底(1)背面經(jīng)磷重?cái)U(kuò)散摻雜形成N型導(dǎo)電類型，再經(jīng)化學(xué)腐蝕擴(kuò)面后進(jìn)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(jù)權(quán)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(cè)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(cè)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(zhǎng)SiO2膜層；步驟2 在SW2膜層表面四周光刻出P+區(qū)(3)的圖形，然后進(jìn)行硼重?cái)U(kuò)散摻雜形成P+ 區(qū)⑶；步驟3 在SiO2膜層表面光刻出P型區(qū)( 的圖形，然后進(jìn)行硼擴(kuò)散摻雜形成Pg O)；步驟4:對(duì)本征硅襯底(1)背面進(jìn)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(jìn)行磷重?cái)U(kuò)散摻雜形成N型區(qū)，結(jié)深約為3 μ m 4 μ m ；步驟5 對(duì)本征硅襯底(1)背面形成的N型區(qū)進(jìn)行化學(xué)腐蝕擴(kuò)面處理；步驟6 對(duì)經(jīng)步驟5處理的本征硅襯底(1)背面的N型區(qū)進(jìn)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(jù)權(quán)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(cè)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(zhǎng)溫度為1000°C ；步驟2中硼重?cái)U(kuò)散摻雜形成P+區(qū)⑶時(shí)溫度為1000°C 1100°C，硼重?cái)U(kuò)散摻雜濃度范圍為lX1018ion/ cm3 5 X 1019ion/cm3,結(jié)深為1. 0 μ m 3. 5 μ m ；步驟3中硼擴(kuò)散摻雜形成P區(qū)⑵時(shí)溫度為 1000°C，P 區(qū)(2)的結(jié)深為 0. 2 μ m 3. 0 μ m。
8.根據(jù)權(quán)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(cè)器的制備方法，其特征在于，步驟5對(duì)N型區(qū)進(jìn)行化學(xué)腐蝕擴(kuò)面處理時(shí)，所用腐蝕液是通過去離子水、 無(wú)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(wú)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(jù)權(quán)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(cè)器的制備方法，其特征在于，步驟6對(duì)經(jīng)步驟5處理的本征硅襯底(1)背面的N型區(qū)進(jìn)行離子注入摻雜時(shí)， 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(cè)器及其制備方法，屬于光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。所述光電探測(cè)器包括硅本征襯底、位于硅本征襯底正面中央的P型區(qū)、位于硅本征襯底正面四周的環(huán)形P+區(qū)、位于硅本征襯底背面的N型黑硅層、位于P型區(qū)和P+區(qū)上表面的上電極，以及位于N型黑硅層下表面兩側(cè)的下電極。本發(fā)明以黑硅材料為光敏層，同時(shí)在P型區(qū)2四周增加了環(huán)形P+區(qū)3，使得本發(fā)明能夠吸收近紅外波段光波，比傳統(tǒng)Si光電探測(cè)器具有更高的光吸收率和更寬的響應(yīng)波段，且制備工藝較為簡(jiǎn)單，具有成本低、易于集成、響應(yīng)速度快、響應(yīng)度高和響應(yīng)波段寬的特點(diǎn)，在大規(guī)模市場(chǎng)化方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)H01L31/075GK102176470SQ20111007447
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月26日
發(fā)明者吳志明, 李偉, 蔣亞東, 趙國(guó)棟, 黃璐 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)