本發(fā)明屬于光電探測器技術(shù)領(lǐng)域，涉及到光電探測器結(jié)構(gòu)，具體涉及一種基于飛秒激光燒蝕紅外增強Si-PIN探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

光電探測器作為光纖通訊系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)、激光警告系統(tǒng)和激光測距系統(tǒng)等的重要組成部分，在民用和軍用方面都得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)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(guī)模集成、相關(guān)技術(shù)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(zhì)量較差并且不易與現(xiàn)有的硅微電子工藝兼容，存在諸多缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于飛秒激光燒蝕紅外增強Si-PIN探測器及其制備方法。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種基于飛秒激光燒蝕紅外增強Si-PIN探測器，包括硅本征襯底、位于硅本征襯底下方的飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層、位于飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)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(qū)域的P型區(qū)、位于硅本征襯底上方P型區(qū)四周的環(huán)形P⁺型區(qū)、位于P型區(qū)上表面的上電極，所述飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層為微米尖錐陣列，探測器光敏面為P型區(qū)的上表面。

作為優(yōu)選方式，每個尖錐底面為直徑0.5μm～2μm的圓，尖錐高度為2μm～3μm。

作為優(yōu)選方式，飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層是先對減薄后的單晶硅表面在氮氣保護下，采用飛秒激光燒蝕方法得到的微米量級的尖錐陣列結(jié)構(gòu)；再對具有飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層的襯底背面進行磷重擴散或離子注入摻雜形成N⁺區(qū)，摻雜濃度范圍為3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，結(jié)深為1μm～3μm。超過此范圍則會大大降低器件的響應(yīng)度，影響器件性能。

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

作為優(yōu)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(yōu)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(yīng)度，影響器件性能。

本發(fā)明還提供一種所述基于飛秒激光燒蝕紅外增強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(qū)的圖形，然后進行硼重擴散摻雜形成P⁺型區(qū)；P⁺型區(qū)的結(jié)深為1μm～3.5μm，摻雜濃度范圍為4×10¹⁸ion/cm³～2×10¹⁹ion/cm³；

步驟3：在SiO₂膜層表面光刻出P型區(qū)圖形，然后進行硼擴散摻雜形成P型區(qū)；P型區(qū)的結(jié)深為0.5μm～3μm，摻雜濃度范圍為1×10¹⁵ion/cm³～2×10¹⁶ion/cm³；

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，在氮氣保護下，對襯底背面采用飛秒激光燒蝕工藝形成飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層，其尖錐底面為直徑0.5μm～2μm的圓，尖錐高度為2μm～3μm；

步驟5：對具有飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層的襯底背面進行磷重擴散摻雜形成N⁺型區(qū)，摻雜濃度范圍為3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，結(jié)深約為1μm～3μm；

步驟6：采用射頻磁控共濺射方法在飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)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(fā)明在傳統(tǒng)Si-PIN探測器的基礎(chǔ)上在背面N+型區(qū)增加了一層飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層和一層紅外增強非晶硅釕合金薄膜。

微結(jié)構(gòu)硅是利用飛秒激光對硅片表面進行燒蝕，得到大面積均勻分布的尖錐狀的微結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸在微米量級，如此微小的結(jié)構(gòu)能夠使入射光在微結(jié)構(gòu)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，提高光電探測器的響應(yīng)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(diào)、電子溫度系數(shù)大、可大面積低溫(<400℃)成膜、制備工藝簡單與硅半導(dǎo)體工藝兼容等特點，通過調(diào)控非晶硅釕合金薄膜中釕的含量和薄膜的厚度，來調(diào)控薄膜的光學(xué)帶隙，使其光學(xué)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(yīng)用在硅光電探測器領(lǐng)域，可以提高探測器的響應(yīng)度，擴展探測器近紅外光譜響應(yīng)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(yīng)范圍，具有近紅外吸收增強、響應(yīng)光譜范圍寬、響應(yīng)度高等優(yōu)點。

本發(fā)明的基本工作原理是:當(dāng)入射光進入這種Si-PIN光電探測器的空間電荷區(qū)時，會激發(fā)空間電荷區(qū)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(fā)明的有益效果為：相對于傳統(tǒng)Si-PIN光電探測器，本發(fā)明在N⁺型區(qū)增加了一層飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層，此結(jié)構(gòu)可以將透射過空間電荷區(qū)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(fā)光生載流子，提高探測器的響應(yīng)度。相對于傳統(tǒng)Si-PIN光電探測器，本發(fā)明在飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)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(xué)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光譜范圍。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于飛秒激光燒蝕紅外增強Si-PIN探測器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的基于飛秒激光燒蝕紅外增強Si-PIN探測器的俯視圖；

圖3是本發(fā)明的基于飛秒激光燒蝕紅外增強Si-PIN探測器及其制備方法流程示意圖；

1為硅本征襯底，2為P型區(qū)，3為飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層，4為P⁺型區(qū)，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(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

一種基于飛秒激光燒蝕紅外增強Si-PIN探測器，包括硅本征襯底1、位于硅本征襯底1下方的飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層3、位于飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)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(qū)域的P型區(qū)2、位于硅本征襯底1上方P型區(qū)2四周的環(huán)形P⁺型區(qū)4、位于P型區(qū)2上表面的上電極7，所述飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層3為微米尖錐陣列，探測器光敏面為P型區(qū)2的上表面。

每個尖錐底面為直徑0.5μm～2μm的圓，尖錐高度為2μm～3μm。

飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層3是先對減薄后的單晶硅表面在氮氣保護下，采用飛秒激光燒蝕方法得到的微米量級的尖錐陣列結(jié)構(gòu)；再對具有飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層3的襯底背面進行磷重擴散或離子注入摻雜形成N⁺區(qū)，摻雜濃度范圍為3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，結(jié)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(xué)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。

上述基于飛秒激光燒蝕紅外增強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(qū)4的圖形，然后進行硼重擴散摻雜形成P⁺型區(qū)4；P⁺型區(qū)4的結(jié)深為1μm～3.5μm，摻雜濃度范圍為4×10¹⁸ion/cm³～2×10¹⁹ion/cm³；

步驟3：在SiO₂膜層表面光刻出P型區(qū)2圖形，然后進行硼擴散摻雜形成P型區(qū)2；P型區(qū)2的結(jié)深為0.5μm～3μm，摻雜濃度范圍為1×10¹⁵ion/cm³～2×10¹⁶ion/cm³；

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，在氮氣保護下，對襯底背面采用飛秒激光燒蝕工藝形成飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層3，其尖錐底面為直徑0.5μm～2μm的圓，尖錐高度為2μm～3μm；

步驟5：對具有飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層3的襯底背面進行磷重擴散摻雜形成N⁺型區(qū)，摻雜濃度范圍為3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，結(jié)深約為1μm～3μm；

步驟6：采用射頻磁控共濺射方法在飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)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(tǒng)Si-PIN探測器的基礎(chǔ)上在背面N+型區(qū)增加了一層飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層和一層紅外增強非晶硅釕合金薄膜。

微結(jié)構(gòu)硅是利用飛秒激光對硅片表面進行燒蝕，得到大面積均勻分布的尖錐狀的微結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸在微米量級，如此微小的結(jié)構(gòu)能夠使入射光在微結(jié)構(gòu)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，提高光電探測器的響應(yīng)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(diào)、電子溫度系數(shù)大、可大面積低溫(<400℃)成膜、制備工藝簡單與硅半導(dǎo)體工藝兼容等特點，通過調(diào)控非晶硅釕合金薄膜中釕的含量和薄膜的厚度，來調(diào)控薄膜的光學(xué)帶隙，使其光學(xué)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(yīng)用在硅光電探測器領(lǐng)域，可以提高探測器的響應(yīng)度，擴展探測器近紅外光譜響應(yīng)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(yīng)范圍，具有近紅外吸收增強、響應(yīng)光譜范圍寬、響應(yīng)度高等優(yōu)點。

本實施例的基本工作原理是:當(dāng)入射光進入這種Si-PIN光電探測器的空間電荷區(qū)時，會激發(fā)空間電荷區(qū)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。

相對于傳統(tǒng)Si-PIN光電探測器，本實施例在N⁺型區(qū)增加了一層飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層3，此結(jié)構(gòu)可以將透射過空間電荷區(qū)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(fā)光生載流子，提高探測器的響應(yīng)度。相對于傳統(tǒng)Si-PIN光電探測器，本實施例在飛秒激光燒蝕微結(jié)構(gòu)層3下方增加紅外增強非晶硅釕合金薄膜5，通過控制釕含量，獲得較窄的光學(xué)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光譜范圍。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)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(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。