本實用新型涉及一種光電探測器，具體涉及低暗電流高速PIN探測器，屬于半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

PIN探測器作為實現(xiàn)光信號探測的重要“載體”，具有工藝簡單、探測效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在遙控傳感、工業(yè)、軍事國防、醫(yī)療、航空航天、深空探測等應(yīng)用領(lǐng)域里起到重要支撐作用，是各個國家搶占的制高點。例如在安檢、醫(yī)療等高能射線成像中，PIN光電探測器與閃爍體配合，實現(xiàn)將弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號并輸出成像的過程。

PIN探測器的暗電流，根據(jù)與器件尺寸的關(guān)系可以分為：與周長相關(guān)的線暗電流和與面積相關(guān)的面暗電流，以及與尺寸無關(guān)的暗電流補償。線暗電流主要由側(cè)壁漏電流決定，面暗電流則由器件內(nèi)部的擴散電流、熱激發(fā)電流、產(chǎn)生—復(fù)合電流等因素決定。隨著集成度的提高，光電探測器的尺寸在不斷縮小，集成度不斷提高，同時降低了系統(tǒng)的功率損耗和成本。但是實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)器件總面積小于1 mm²時，其線暗電流是面暗電流的25倍以上。

具體而言，線暗電流主要來源于側(cè)壁漏電，劃片工藝或側(cè)壁鈍化不良等因素均會提高器件的線暗電流。由于PIN探測器一般工作在低偏壓甚至零偏壓下，因此由其內(nèi)部電場引起的側(cè)壁漏電在線暗電流中占主要部分。又因為PIN探測器的結(jié)構(gòu)較深，因此傳統(tǒng)的離子注入工藝難以直接適用于PIN探測器的生產(chǎn)加工。

綜上所述，如何設(shè)計出一種新型的PIN探測器，從結(jié)構(gòu)上減小器件的暗電流，同時盡可能地隔離與電場相關(guān)的線暗電流，就成為了本領(lǐng)域內(nèi)的工作人員亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在上述缺陷，本實用新型的目的是提出低暗電流高速PIN探測器。

本實用新型的目的，將通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)：

低暗電流高速PIN探測器，可用于紅外、可見光、紫外或太赫茲波段范圍內(nèi)的光線探測，包括襯底，所述襯底上生長有P型歐姆接觸層，所述P型歐姆接觸層上覆蓋有增透膜，所述增透膜上設(shè)置有至少一個與所述P型歐姆接觸層觸接的P型歐姆接觸電極，所述襯底上端面除所述P型歐姆接觸層外的區(qū)域均覆蓋有阻隔層，所述阻隔層上覆蓋有增透膜，所述襯底的下端面由上至下依次覆蓋生長有N型歐姆接觸層及N型歐姆接觸電極，所述襯底的上端面開設(shè)有一圈第一隔離溝槽，所述襯底的下端面開設(shè)有一圈第二隔離溝槽，所述第一隔離溝槽與第二隔離溝槽內(nèi)均填充有阻隔材料，所述第一隔離溝槽位于所述P型歐姆接觸層的外周側(cè)，所述第一隔離溝槽與第二隔離溝槽上下對應(yīng)。

優(yōu)選地，所述襯底的下端面開設(shè)有一凹槽，所述凹槽的內(nèi)徑與所述第一隔離溝槽的外徑相匹配，所述凹槽的深度為100~300μm。

優(yōu)選地，所述第二隔離溝槽開設(shè)于所述凹槽內(nèi)，所述第二隔離溝槽的外徑與所述凹槽的內(nèi)徑相匹配。

優(yōu)選地，所述襯底的材質(zhì)為Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI或GOI。

優(yōu)選地，所述增透膜上開設(shè)有至少一個用于將所述P型歐姆接觸層裸露出來的電極通孔，所述P型歐姆接觸電極借助所述電極通孔與所述P型歐姆接觸層觸接。

優(yōu)選地，所述增透膜上設(shè)置有P型歐姆接觸電極，所述P型歐姆接觸電極設(shè)置于所述P型歐姆接觸層上端面的兩側(cè)端部位置。

優(yōu)選地，所述低暗電流高速PIN探測器包括一用于感光的有源區(qū)，所述有源區(qū)位于所述P型歐姆接觸電極之間；還包括一用于傳遞光源的吸收區(qū)，所述吸收區(qū)位于所述P型歐姆接觸層及N型歐姆接觸層之間。

優(yōu)選地，所述第一隔離溝槽的深度大于所述P型歐姆接觸層的厚度，所述第一隔離溝槽下端面所在平面低于所述P型歐姆接觸層下端面所在平面。

優(yōu)選地，所述第二隔離溝槽的深度大于所述N型歐姆接觸層的厚度，所述第二隔離溝槽上端面所在的平面高于所述凹槽內(nèi)的N型歐姆接觸層上端面所在的平面。

優(yōu)選地，所述第一隔離溝槽與第二隔離溝槽均為環(huán)形結(jié)構(gòu)且二者上下對應(yīng)，所述第一隔離溝槽的深度為2~6μm，所述第二隔離溝槽的深度為0.1-6μm。

優(yōu)選地，所述增透膜的材質(zhì)為SiN_x或SiO₂，所述增透膜的厚度為60~160nm。

優(yōu)選地，所述阻隔材料的材質(zhì)為SiO₂，所述阻隔層的材質(zhì)為SiO₂，所述阻隔層的厚度為400~600nm。

本實用新型的突出效果為：與傳統(tǒng)PIN探測器相比，本實用新型的探測波長范圍更廣，可廣泛適用于紅外、可見光、紫外或太赫茲波段，適用性和實用性更強。本實用新型能夠有效避免傳統(tǒng)加工過程中離子注入引入的雜質(zhì)缺陷及晶格損傷，減小了器件的暗電流。同時，本實用新型上下兩個端面的溝槽結(jié)構(gòu)能夠充分地將器件邊緣與器件有源區(qū)的隔離，實現(xiàn)了器件邊緣與有源區(qū)電場的阻斷，削弱了少子的擴散，減小了器件的暗電流。此外，本實用新型通過背面蝕刻或腐蝕的方式對器件吸收區(qū)的厚度進行了縮減，減小了器件的串聯(lián)電阻，使得器件對于入射光信號能夠迅速作出響應(yīng)，進一步提升了本實用新型的使用效果。

綜上所述，本實用新型能夠有效減少器件內(nèi)部的暗電流，使用效果優(yōu)異，具有很高的使用及推廣價值。

以下便結(jié)合實施例附圖，對本實用新型的具體實施方式作進一步的詳述，以使本實用新型技術(shù)方案更易于理解、掌握。

附圖說明

圖1是本實用新型的截面示意圖及零偏壓下電場分布示意圖；

圖2是本實用新型加工方法中步驟1的示意圖；

圖3是本實用新型加工方法中步驟2的示意圖；

圖4是本實用新型加工方法中步驟3的示意圖；

圖5是本實用新型加工方法中步驟5的示意圖；

圖6是本實用新型加工方法中步驟6的示意圖；

圖7是本實用新型加工方法中步驟7的示意圖；

圖8是本實用新型加工方法中步驟8的示意圖；

圖9是本實用新型加工方法中步驟9的示意圖；

圖10是本實用新型加工方法中步驟10的示意圖；

其中：101、襯底，102、增透膜，103、p型歐姆接觸層，104、第一隔離溝槽，105、n型歐姆接觸層，106、p型歐姆接觸電極，107、n型歐姆接觸電極，108、阻隔層，109、第二隔離溝槽。

具體實施方式

本實用新型揭示了一種低暗電流高速PIN探測器。

如圖所示，低暗電流高速PIN探測器，可用于紅外、可見光、紫外或太赫茲波段范圍內(nèi)的光線探測，包括襯底101，所述襯底101上生長有P型歐姆接觸層103，所述P型歐姆接觸層103上覆蓋有增透膜102，所述增透膜102上設(shè)置有至少一個與所述P型歐姆接觸層103觸接的P型歐姆接觸電極106，所述襯底101上端面除所述P型歐姆接觸層103外的區(qū)域均覆蓋有阻隔層108，所述阻隔層108上覆蓋有增透膜102，所述襯底101的下端面由上至下依次覆蓋生長有N型歐姆接觸層105及N型歐姆接觸電極106，所述襯底101的上端面開設(shè)有一圈第一隔離溝槽104，所述襯底101的下端面開設(shè)有一圈第二隔離溝槽109，所述第一隔離溝槽104與第二隔離溝槽109內(nèi)均填充有阻隔材料，所述第一隔離溝槽104位于所述P型歐姆接觸層103的外周側(cè)，所述第一隔離溝槽104與第二隔離溝槽109上下對應(yīng)。

所述襯底101的下端面開設(shè)有一凹槽，所述凹槽的內(nèi)徑（即所述凹槽的內(nèi)側(cè)徑向?qū)挾龋┡c所述第一隔離溝槽104的外徑（即所述第一隔離溝槽104的外側(cè)徑向?qū)挾龋┫嗥ヅ?，所述凹槽的深度?00~300μm。在本實施例中，所述凹槽的內(nèi)徑與所述第一隔離溝槽104的外徑相等，所述凹槽的深度為200μm。

所述第二隔離溝槽109開設(shè)于所述凹槽內(nèi)，所述第二隔離溝槽109的外徑（即所述第二隔離溝槽109的外側(cè)徑向?qū)挾龋┡c所述凹槽的內(nèi)徑（即所述凹槽的內(nèi)側(cè)徑向?qū)挾龋┫嗥ヅ洹Ｔ诒緦嵤├?，所述第二隔離溝槽109的外徑與所述凹槽的內(nèi)徑相等。

所述襯底101的材質(zhì)為Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI（新型硅基集成電路材料）或GOI（新型鍺基集成電路材料）。在本實施例中，所述襯底101選用Si制成。

所述增透膜102上開設(shè)有至少一個用于將所述P型歐姆接觸層103裸露出來的電極通孔，所述P型歐姆接觸電極106借助所述電極通孔與所述P型歐姆接觸層103觸接。

所述增透膜102由于電極的存在效果不同，位于所述P型歐姆接觸層103上的所述增透膜102能夠增強光的透射率，位于所述阻隔層108上的所述增透膜102能夠起到很好的鈍化效果。

所述增透膜102上設(shè)置有P型歐姆接觸電極106，所述P型歐姆接觸電極106設(shè)置于所述P型歐姆接觸層103上端面的兩側(cè)端部位置。

所述低暗電流高速PIN探測器包括一用于感光的有源區(qū)，所述有源區(qū)位于所述P型歐姆接觸電極106之間；還包括一用于傳遞光源的吸收區(qū)，所述吸收區(qū)位于所述P型歐姆接觸層103及N型歐姆接觸層105之間。在本實用新型的使用過程中，探測光線均可從所述有源區(qū)射入。

所述第一隔離溝槽104的深度大于所述P型歐姆接觸層103的厚度，所述第一隔離溝槽104下端面所在平面低于所述P型歐姆接觸層103下端面所在平面。

具體而言，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)置是因為在本實用新型的使用過程中，器件上端面產(chǎn)生的零偏壓電場在所述P型歐姆接觸層103的下端面位置（即所述P型歐姆接觸層103與所述襯底101的交界位置處）存在一個波峰，使所述第一隔離溝槽104的深度超過這一交界位置即可以進一步保證器件上端面外側(cè)邊緣與器件有源區(qū)的隔離，從而確保本實用新型的使用效果。

所述第二隔離溝槽109的深度大于所述N型歐姆接觸層105的厚度，所述第二隔離溝槽109上端面所在的平面高于所述凹槽內(nèi)的N型歐姆接觸層105上端面所在的平面。

具體而言，在本實施例中，所述第二隔離溝槽109槽口所在的平面與所述凹槽內(nèi)的N型歐姆接觸層105下端面所在的平面共面。這樣的設(shè)置是因為在本實用新型的使用過程中，器件下端面產(chǎn)生的零偏壓電場在所述N型歐姆接觸層105的上端面位置（即所述N型歐姆接觸層105與所述襯底101的交界位置處）存在一個波峰，使所述第二隔離溝槽109的深度超過這一交界位置，同時使所述第二隔離溝槽109槽口所在的平面與所述凹槽內(nèi)的N型歐姆接觸層105下端面所在的平面共面可以充分保證器件下端外側(cè)邊緣與器件下端中心位置的隔離，從而確保本實用新型的使用效果。

所述第一隔離溝槽104與第二隔離溝槽109均為環(huán)形結(jié)構(gòu)且二者上下對應(yīng)，所述第一隔離溝槽的深度為2~6μm，所述第二隔離溝槽109的深度為0.1-6μm。

更進一步優(yōu)選地，所述第二隔離溝槽109的深度可優(yōu)選為0.1-1μm，具體而言，所述第一隔離溝槽的深度可以為4μm，所述第二隔離溝槽109的深度可以為1μm。這樣的設(shè)置是因為在本實用新型的加工過程中，所述襯底101的下表面不會經(jīng)過退火處理，其結(jié)深會小于上表面，因此所述第二隔離溝槽109的深度會小于所述第一隔離溝槽104的深度。此處還需要說明的是，所述p型歐姆接觸層103及n型歐姆接觸層105的厚度需要根據(jù)所述第一隔離溝槽104與第二隔離溝槽109的深度進行調(diào)整，但需要滿足所述第一隔離溝槽104的深度大于所述p型歐姆接觸層103的厚度、所述第二隔離溝槽109的深度大于所述n型歐姆接觸層105的厚度。

此外，上下對應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置也是為了保證本實用新型的隔離效果，進一步提升本實用新型的功能。

所述增透膜102的材質(zhì)為SiN_x或SiO₂，所述增透膜102的厚度為60~160nm。

具體而言，由于所述增透膜102所選用材質(zhì)的特性不同以及所針對光源的波長不同，其厚度也隨之變化，在本實施例中，所述增透膜102選用SiN材質(zhì)時的厚度小于選用SiO₂時的厚度。更具體的來說，在本實施例中，所述增透膜102可以選用70nm厚度的 SiN或93nm厚度的SiO₂，這兩種不同的規(guī)格和材質(zhì)在使用時的效果相同。此外，還需要說明的是，所述增透膜102不僅可以增加器件的表面透光，還可以起到鈍化界面、減小表面漏電流的作用。

所述阻隔材料的材質(zhì)為金屬或SiO₂，所述阻隔層108的材質(zhì)為金屬或SiO₂，所述阻隔層108的厚度為400~600nm。

在本實施例中，所述阻隔材料的材質(zhì)與所述阻隔層108的材質(zhì)相同，二者均優(yōu)選為SiO₂，所述阻隔層108的厚度為500nm。

本實用新型還揭示了一種用于制備上述低暗電流高速PIN探測器的加工方法，包括如下步驟：

步驟1、根據(jù)加工需要對電阻率2000 Ω/cm以上襯底101的材質(zhì)進行選擇，并對所述襯底101進行化學(xué)清洗，保證所述襯底101的潔凈度以免影響后期工藝，在所述襯底101的上端面淀積一層400~600nm的SiO₂，在本實施例中厚度為500nm，隨后在所述襯底101的上端面進行光刻，之后在光刻區(qū)域刻蝕出一圈第一隔離溝槽104，刻蝕深度為2~6μm，在本實施例刻蝕深度為4μm；

步驟2、對所述襯底101的上端面進行熱氧化處理，使所述襯底101的上端面形成一層致密的SiO₂層，隨后在所述襯底101的上端面淀積一層2~6μm的SiO₂，在本實施例中厚度為4μm，此處需要保證的是所淀積的SiO₂的厚度與步驟1中的刻蝕深度相同，以保證所述第一隔離溝槽104被完全填充，之后對所述襯底101的上端面進行化學(xué)機械拋光，去除多余的氧化物；

步驟3、在所述襯底101的上端面淀積一層400~600nm的SiO₂，在本實施例中厚度為500nm，隨后在所述襯底101的上端面進行光刻，并向所述光刻區(qū)域離子注入B，使所述襯底101的上端面形成P型歐姆接觸層103，并保證其摻雜濃度為1×10¹⁹ ~1×10²⁰ cm^-3，在本實施例中摻雜濃度優(yōu)選為1×10¹⁹ cm^-3；

步驟4、對所述襯底101進行高溫退火處理，以將注入的雜質(zhì)離子激活，退火溫度為900~1100℃，退火時間為30~60min，在本實施例中的退火溫度為1100℃，退火時間為30min；

步驟5、在所述襯底101的上端面淀積一層60~100nm的SiN或SiO₂作為增透膜102，在本實施例中可在所述襯底101的上端面淀積一層70nm SiN或93nmSiO₂；

步驟6、在所述襯底101的上端面進行光刻并在所述增透膜102上刻蝕出兩個電極通孔，隨后在所述電極通孔的上方淀積500nm~2μm的Al以形成P型歐姆接觸電極106，并進行光刻，腐蝕電極，露出用于感光的有源區(qū)，在本實施例中可采用濺射的方法淀積1.5μm的Al以形成P型歐姆接觸電極106；

步驟7、將所述襯底101倒扣，使所述襯底101的下端面向上，在所述襯底101的下端面進行光刻并刻蝕出一個深度為100~300μm的凹槽，在本實施例中，所述凹槽的深度為200nm；

步驟8、在所述襯底101的下端面淀積一層400~600nm的SiO₂，在本實施例中厚度為500nm，隨后對所述凹槽區(qū)域進行光刻，并在所述凹槽內(nèi)刻蝕出一圈第二隔離溝槽109，刻蝕深度為0.1-6μm，在本實施例刻蝕深度為0.5μm，并保證所述第二隔離溝槽109與所述第一隔離溝槽104上下對應(yīng)；

步驟9、對所述襯底101的下端面進行熱氧化處理，使所述襯底101的下端面形成一層致密的SiO₂層，隨后在所述襯底101的下端面淀積一層0.1-6μm的SiO₂，在本實施例中厚度為4μm，此處需要保證的是所淀積的SiO₂的厚度與步驟8中的刻蝕深度相同，以保證所述第二隔離溝槽109被完全填充，之后對所述襯底101的下端面進行化學(xué)機械拋光，去除多余的氧化物；

步驟10、對所述襯底101下端面進行光刻，光刻完成后，向光刻區(qū)域內(nèi)離子注入P，形成n型歐姆接觸層105，并保證其摻雜濃度為1×10¹⁹ ~1×10²⁰ cm^-3，在本實施例中摻雜濃度優(yōu)選為1×10²⁰ cm^-3，隨后對所述襯底101進行低溫退火處理；

步驟11、在所述n型歐姆接觸層105上再淀積一層500nm~2μm的Al，形成n型歐姆接觸電極107，進而完成器件加工，在本實施例中可采用濺射的方法淀積500nm的AL以形成n型歐姆接觸電極107。

所述淀積加工方法包括磁控濺射或PECVD生長（等離子體增強化學(xué)氣相沉積法）；所述刻蝕加工方法包括干法刻蝕工藝或濕法腐蝕工藝。

還需要說明的是，本實用新型中的所述隔離溝槽104填充，既可以采用低壓化學(xué)氣相淀積的方法形成，也可以利用各種氧化物化學(xué)氣相淀積設(shè)備完成。另外，本實用新型中的材質(zhì)選擇及涂層厚度均為實用新型人經(jīng)過多次試驗論證得出的最優(yōu)方案，如采用其他材質(zhì)或涂層厚度，可能會直接導(dǎo)致本實用新型的技術(shù)方案不能夠?qū)崿F(xiàn)降低器件暗電流的效果。

本實用新型能夠降低暗電流的原理在于，避免了溝槽處離子注入引入的雜質(zhì)缺陷（這是由于傳統(tǒng)加工過程中，離子注入后退火不充分，容易導(dǎo)致注入后的雜質(zhì)不能由間隙式雜質(zhì)轉(zhuǎn)換為替位式雜質(zhì)）及晶格損傷，進而減小器件暗電流。此外，器件邊緣由于劃片工藝引起的缺陷或是損傷都會增加器件的暗電流；另外由于少子擴散進入電場區(qū)，在電場的作用下被收集，這一過程也會產(chǎn)生暗電流，而本實用新型的溝槽結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑵骷吘壟c有源區(qū)隔離開，實現(xiàn)了器件邊緣與有源區(qū)電場的阻斷，削弱了少子的擴散，從而減小了器件的暗電流。

與傳統(tǒng)PIN探測器相比，本實用新型的探測波長范圍更廣，可廣泛適用于紅外、可見光、紫外或太赫茲波段，適用性和實用性更強。本實用新型能夠有效避免傳統(tǒng)加工過程中離子注入引入的雜質(zhì)缺陷及晶格損傷，減小了器件的暗電流。同時，本實用新型上下兩個端面的溝槽結(jié)構(gòu)能夠充分地將器件邊緣與器件有源區(qū)的隔離，實現(xiàn)了器件邊緣與有源區(qū)電場的阻斷，削弱了少子的擴散，減小了器件的暗電流。此外，本實用新型通過背面蝕刻或腐蝕的方式對器件吸收區(qū)的厚度進行了縮減，減小了器件的串聯(lián)電阻，使得器件對于入射光信號能夠迅速作出響應(yīng)，進一步提升了本實用新型的使用效果。

綜上所述，本實用新型能夠有效減少器件內(nèi)部的暗電流，使用效果優(yōu)異，可以減小串聯(lián)電阻，使得器件對于入射光信號迅速做出響應(yīng)，具有很高的使用及推廣價值。

本實用新型尚有多種實施方式，凡采用等同變換或者等效變換而形成的所有技術(shù)方案，均落在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。