CN103400887A - 一种背照式Si-PIN光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种背照式Si-PIN光电探测器及其制备方法,其涉及光电探测技术领域中的光电探测器件结构,该光电探测器包括I型衬底1、P区2、P+区3、纳米微结构硅层N区4及上下电极,所述电极包括位于P区2和P+区3上的上端电极5以及位于纳米微结构硅层N区4上的下端电极6。上端电极5用于与外接电路阴极相连接;下端电极6用于与外接电路阳极相连接。该新型Si光电探测器解决了传统Si光电探测器响应度较小、无法响应近红外波段等问题,提高了对可见光及近红外光的吸收率,使响应波段扩展到近红外波段,响应度更高。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域,涉及光电探测器件结构,具体涉及一种以纳米微结构硅为光敏层的背照式Si-PIN光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器作为光纤通讯***、红外成像***、激光告警***和激光测距***等的重要组成部分,在民用和军用方面均得到了广泛的应用。目前广泛使用的光电探测器主要有探测波长范围为400nm~1000nm的Si光电探测器和探测波长范围为1000nm~3000nm的InGaAs近红外光电探测器。其中,Si材料由于易于提纯、易掺杂、资源丰富、成本低、易于大规模集成和相关技术成熟等优点,是半导体行业中应用最为广泛的一类材料。但是,由于其禁带宽度较大为1.12eV,即使在Si光电探测器光敏面区沉积了增透膜以提高探测器的响应度,仍然无法达到在较低偏置下高效率探测大于1000nm近红外光波信号并以电信号输出的目的。因此,当需要探测大于1000nm的近红外光信号时,常用InGaAs光电探测器代替。但是,InGaAs单晶半导体材料又存在价格昂贵、热机械性能较差、晶体质量较差且不易与现有硅微电子工艺兼容等缺点。
纳米微结构硅是一种通过纳米压印刻蚀或其它纳米刻蚀技术使硅材料表面微结构纳米化的材料层,该材料具有纳米尺度的阵列化精细微结构和大面积均匀性。先进的纳米刻蚀技术工艺重复性好,且与微电子技术兼容,具有加工原理简单、分辨率高、生产效率高、成本低等优点。同时,纳米微结构硅对可见光及近红外光的吸收率可达到90%以上,且光谱吸收范围相较于传统硅材料可向近红外方向拓展。
随着这种纳米微结构硅材料的发展,使得研制具有高响应度和宽光谱响应的新型Si-PIN光电探测器成为可能。
发明内容
针对上述现有技术,本发明的目的在于提供一种以纳米微结构硅为光敏层的背照式Si-PIN光电探测器及其制备方法,其旨在改进传统Si光电探测器的性能,使其具有响应度高、响应速度快和响应光谱波段宽的特点。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种背照式Si-PIN光电探测器,如图1、2所示,包括I型衬底1、设置在I型衬底1中央上方的P区2、位于在I型衬底1两侧上方并与P区紧邻的P+区3、位于I型衬底背面的N型纳米微结构硅层4、位于P型区2和P+区3上表面的上端电极5及位于N型纳米微结构硅层4下两侧的下端电极6。
在上述方案中:
所述N型纳米微结构硅层为通过对磷重扩散掺杂N区进行纳米压印刻蚀或其它纳米刻蚀技术得到的呈三维空间阵列分布的层状微结构。
所述N型纳米微结构硅层呈阵列化排布,其硅纳米柱直径为50~100nm,高度为300~500nm,周期为100~200nm。
所述P+区3为硼重扩散掺杂P型区,其掺杂浓度范围为1×1018ion/cm3 ~5×1019ion/cm3。
所述上端电极5和下端电极6为金属薄膜电极,电极厚度为50nm~150nm,金属材料可以是铝Al、金Au或金铬合金(Au/Cr)。
本发明提供的以纳米微结构硅为光敏层的背照式Si-PIN光电探测器及其制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:预备表面清洁、干燥的高阻且晶向为(111)的硅单晶片衬底材料;
步骤2:将硅单晶片研磨抛光至厚度为350μm,并在衬底正面氧化生长SiO2膜层,膜层厚度为300nm~400nm,生长温度为1000℃;
步骤3:在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶,并利用掩模图形对光刻胶图形化,在SiO2膜层上光刻出P+区图形区域待刻蚀;
步骤4:对已经图形化的表面区域进行刻蚀,去除未被保护的SiO2膜层形成P+区3保护区硼重扩散窗口;
步骤5:在1000℃~1100℃下对刻蚀后的P+区3硼重扩散窗口进行硼重扩散掺杂形成P+区3,扩散浓度范围为1×1018ion/cm3~5×1019ion/cm3,结深为1.0μm~3.5μm,接着去除表面光刻胶;
步骤6:在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶,并利用掩模图形对光刻胶图形化,在SiO2膜层上光刻出P区2图形区域待刻蚀;
步骤7:对已经图形化的表面区域进行刻蚀,去除未被保护的SiO2膜层形成P区2硼扩散窗口;
步骤8:在1000℃下对P区2硼扩散窗口进行硼扩散掺杂形成P区2,结深为0.2μm~3.0μm,接着去除表面光刻胶;
步骤9:对衬底正面涂正胶,并减薄、研磨、抛光衬底背面,使衬底厚度减薄为100μm~200μm,并进行磷重扩散掺杂形成N区,结深约为3μm~4μm,接着去除正面正胶;
步骤10:依次利用丙酮、乙醇对磷重扩散掺杂后的硅衬底进行清洗并烘干;
步骤11:在衬底上涂上一层薄层热塑形高分子材料(如PMMA);
步骤12:升温并达到此热塑性材料的玻璃化温度Tg之上,利用纳米压印模板对热塑材料进行模压;
步骤13:降低温度使热塑性材料固化,随后移去压印模板;
步骤 14:采用深槽反应离子刻蚀的方法,以上述固化后的热塑性材料为掩膜,对其下面的硅材料衬底进行各向异性刻蚀,得到相应的图形,从而形成N型纳米微结构硅层。
步骤15:在P区和P+区表面沉积金属膜层,形成上端电极;
步骤16:在N型纳米微结构硅层沉积金属膜层;
步骤17:在硅衬底背面金属薄层上旋涂一层光刻胶,并利用掩膜图形对光刻胶图形化;
步骤18:对已经图形化的区域进行刻蚀,去除硅衬底背面多余金属膜层,并去除剩余光刻胶,从而形成下端电极。
器件工作时,被探测物质所激发出的光辐射或各种反射激光被新型Si-PIN光电探测器的光敏面即N型纳米微结构硅层所吸收,产生光生载流子,这些自由电荷在外电场作用下分别向两极漂移,从而产生光电压或者光电流。
在上述光电探测器的制备方法中,所述步骤1中的硅单晶片衬底材料的电阻率为1000Ω??cm~2000Ω??cm。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
一、本发明所用材料均以硅为基本材料,因此易于与现有硅微电子标准工艺兼容,且制备过程简单,成本低。并且,由于具有纳米尺度的微结构,使得该器件具有较高的响应度和近红外光谱响应的特征。而且,纳米压印刻蚀技术具有良好的均匀性与重复性,在大规模生产方面具有优势;
二、由于纳米微结构硅具有宽光谱吸收和低反射率等特征以及探测器独特的保护环区的存在,使得这种新型Si-PIN光电探测器具有近红外光谱延伸的特征以及较高的响应度,特别能在700nm~1200nm波长范围内提高器件的响应度和量子效率。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图;
图2是本发明的仰视平面结构示意图;
附图标记为:1为I型Si衬底、2为硼扩散掺杂P区、3为硼重扩散掺杂P+区、4为纳米微结构硅层N区、5为上端电极、6为下端电极。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
一种背照式Si-PIN光电探测器,如图1、2所示,包括I型衬底1、设置在I型衬底1中央上方的P区2、位于在I型衬底1两侧上方并与P区紧邻的P+区3、位于I型衬底背面的N型纳米微结构硅层4、位于P型区2和P+区3上表面的上端电极5及位于N型纳米微结构硅层4下两侧的下端电极6。
所述N型纳米微结构硅层为通过对磷重扩散掺杂N区进行纳米压印刻蚀或其它纳米刻蚀技术得到的呈三维空间阵列分布的层状微结构。
所述N型纳米微结构硅层呈阵列化排布,其硅纳米柱直径为50~100nm,高度为300~500nm,周期为100~200nm。
所述P+区3为硼重扩散掺杂P型区,其掺杂浓度范围为1×1018ion/cm3 ~5×1019ion/cm3。
所述上端电极5和下端电极6为金属薄膜电极,电极厚度为50nm~150nm,金属材料可以是铝Al、金Au或金铬合金(Au/Cr)。
如图1所示,包括I型衬底1、P区2、P+区3、纳米微结构硅层N区4、上金属电极5及下金属电极6。I型衬底1可采用高阻Si单晶片;P区2可采用硼扩散掺杂;P+区3可采用硼重扩散掺杂;N型纳米微结构硅层4可采用在磷扩散掺杂N区上进行纳米压印刻蚀得到;上端电极5可采用P型欧姆接触;下端电极6可采用N型欧姆接触。这样制作的新型Si-PIN光电探测器具有纳米微结构硅层和保护环,从而具有高响应度和近红外宽光谱响应的特性。
本发明提供的以纳米微结构硅为光敏层的背照式Si-PIN光电探测器及其制备方法,包括如下步骤:
步骤1:预备表面清洁、干燥的高阻(电阻率为1000Ω??cm~2000Ω??cm)、晶向为111的硅单晶片衬底材料;
步骤2:将硅单晶片研磨抛光至厚度为350μm,并在衬底正面氧化生长SiO2膜层,膜层厚度为300nm~400nm,生长温度为1000℃;
步骤3:在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶,并利用掩模图形对光刻胶图形化,在SiO2膜层上光刻出P+区图形区域待刻蚀;
步骤4:对已经图形化的表面区域进行刻蚀,去除未被保护的SiO2膜层形成P+区3保护区硼重扩散窗口;
步骤5:在1000℃~1100℃下对刻蚀后的P+区3硼重扩散窗口进行硼重扩散掺杂形成P+区3,扩散浓度范围为1×1018ion/cm3~5×1019ion/cm3,结深为1.0μm~3.5μm,接着去除表面光刻胶;
步骤6:在SiO2膜层表面旋涂上一层光刻胶,并利用掩模图形对光刻胶图形化,在SiO2膜层上光刻出P区2图形区域待刻蚀;
步骤7:对已经图形化的表面区域进行刻蚀,去除未被保护的SiO2膜层形成P区2硼扩散窗口;
步骤8:在1000℃下对P区2硼扩散窗口进行硼扩散掺杂形成P区2,结深为0.2μm~3.0μm,接着去除表面光刻胶;
步骤9:对衬底正面涂正胶,并减薄、研磨、抛光衬底背面,使衬底厚度减薄为100μm~200μm,并进行磷重扩散掺杂形成N区,结深约为3μm~4μm,接着去除正面正胶;
步骤10:依次利用丙酮、乙醇对磷重扩散掺杂后的硅衬底进行清洗并烘干;
步骤11:在衬底上涂上一层薄层热塑形高分子材料(如PMMA);
步骤12:升温并达到此热塑性材料的玻璃化温度Tg之上,利用纳米压印模板对热塑材料进行模压;
步骤13:降低温度使热塑性材料固化,随后移去压印模板;
步骤 14:采用深槽反应离子刻蚀的方法,以上述固化后的热塑性材料为掩膜,对其下面的硅材料衬底进行各向异性刻蚀,得到相应的图形,从而形成N型纳米微结构硅层。
步骤15:在P区和P+区表面沉积金属膜层,形成上端电极;
步骤16:在N型纳米微结构硅层沉积金属膜层;
步骤17:在硅衬底背面金属薄层上旋涂一层光刻胶,并利用掩膜图形对光刻胶图形化;
步骤18:对已经图形化的区域进行刻蚀,去除硅衬底背面多余金属膜层,并去除剩余光刻胶,从而形成下端电极。
其中,在纳米微结构硅层N区4的制备中,纳米微结构硅呈阵列化排布,其典型尺寸(硅纳米柱直径)为50~100nm,高度为300~500nm,周期为100~200nm。金属电极可选材料有铝Al、金Au、铬/金Cr/Au;金属沉积方法可为LPCVD、MOCVD、磁控溅射;金属电极厚度为50nm~150nm。
该种以纳米微结构硅为光敏层的背照式Si-PIN光电探测器的响应波长范围为400nm~1200nm,响应度范围为0.5A/W~10A/W。
以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例,对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案,均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (5)
1. 一种背照式Si-PIN光电探测器,包括I型衬底(1)、设置在I型衬底(1)中央上方的P区(2)、位于在I型衬底(1)两侧上方并与P区紧邻的P+区(3)、位于I型衬底背面的N型纳米微结构硅层(4)、位于P型区(2)和P+区(3)上表面的上端电极(5)及位于N型纳米微结构硅层(4)下两侧的下端电极(6)。
2.根据权利要求1所述的背照式Si-PIN光电探测器,其特征在于,所述N型纳米微结构硅层为通过对磷重扩散掺杂N区进行纳米压印刻蚀得到的呈三维空间阵列分布的层状微结构。
3.根据权利要求1所述的背照式Si-PIN光电探测器,其特征在于,所述N型纳米微结构硅层呈阵列化排布,其硅纳米柱直径为50~100nm,高度为300~500nm,周期为100~200nm。
4.根据权利要求1所述的背照式Si-PIN光电探测器,其特征在于,所述P+区为硼重扩散掺杂P型区,其掺杂浓度范围为1×1018ion/cm3 ~5×1019ion/cm3。
5.根据权利要求1所述的背照式Si-PIN光电探测器,其特征在于,所述上端电极和下端电极为金属薄膜电极,电极厚度为50nm~150nm,金属材料为铝Al、金Au或金铬合金Au/Cr。
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