製造矽基增強紅外吸收光電探測器的方法及其光電探測器的製作方法

2023-09-21 00:32:55

專利名稱：製造矽基增強紅外吸收光電探測器的方法及其光電探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及紅外光電探測器領域，尤其是涉及一種製造矽基增強紅外吸收光電探測器的方法及其光電探測器。
背景技術：
晶體矽是一種易提純、易摻雜、耐高溫的優良材料，在半導體行業中具有非常廣泛的應用。但同時娃材料本身也存在很多缺陷，如晶體娃表面對可見-紅外光的反射很高，而且由於本身禁帶寬度的限制，晶體矽不能吸收波長大於IlOOnm的光波。因此當入射光波波長大於IlOOnm時,娃基探測器對光的吸收率和響應率大幅降低。
目前在探測上一般使用鍺、砷化鎵銦等材料。但這些材料的價格較為昂貴、熱力學性能和晶體質量較差並且不能與現有的成熟的矽工藝兼容，這些特性都限制了其在矽基器件基礎上的應用。採用矽材料來製備紅外波段光電器件可以有效減少對此類材料的應用，克服這類材料工藝複雜、造價昂貴、含有鉛、汞等有毒物質的缺點。因此，增強矽材料吸收波段仍然是目前熱門的研究。為了減少晶體矽表面對紅外波段的反射，增加吸收效率，人們採用了許多實驗方法和技術，最常採用的是光刻技術、反應離子束刻蝕、電化學腐蝕等。這些技術都能在一定程度上改變晶體矽表面及近表面形貌，達到減少矽表面反射，加強紅外吸收的目的。

發明內容
本發明的目的之一是提供一種有效提高紅外波段吸收的製造矽基增強紅外吸收光電探測器的方法及其矽基增強紅外吸收光電探測器。本發明的目的之一是提供一種工藝簡單、可重複性以及兼容性強、適於大規模生產採用的提高紅外波段吸收的製造矽基增強紅外吸收光電探測器的方法。本發明實施例公開的技術方案包括
一種製造矽基增強紅外吸收光電探測器的方法，其特徵在於，包括提供矽襯底材料；在所述矽襯底材料上形成周期性槽狀結構，獲得紅外吸收增強層；在所述紅外吸收增強層上形成勢壘增強層；在所述勢壘增強層上形成電極層。進一步地，所述在所述矽襯底材料上形成周期性槽狀結構包括在所述矽襯底材料上沉積形成掩膜層，所述掩膜層形成與所述周期性槽狀結構的圖案互補的圖案；刻蝕所述矽襯底材料的未被所述掩膜層覆蓋的部分，從而在所述矽襯底材料上形成所述周期性槽狀結構；去除所述掩膜層。進一步地，其中刻蝕所述矽襯底材料的未被所述掩膜層覆蓋的部分包括用反應離子刻蝕法、離子選擇注入輔助化學刻蝕法或者化學刻蝕法刻蝕所述矽襯底材料的未被所述掩膜層覆蓋的部分。進一步地，所述周期性槽狀結構的槽寬和/或周期與紅外波段光波波長相近或成比例。進一步地，所述在所述紅外吸收增強層上形成勢壘增強層包括在所述紅外吸收增強層上沉積二氧化矽層或者氮化矽層。進一步地，在所述勢壘增強層上形成電極層包括在所述勢壘增強層上形成預定圖案的電極層；刻蝕去除所述勢壘增強層的未被所述電極層覆蓋的部分。本發明的實施例還提供了一種矽基增強紅外吸收光電探測器，其特徵在於，包括矽襯底材料；紅外吸收增強層，所述紅外吸收增強層形成在所述矽襯底材料上，並且包括周期性槽狀結構；勢壘增強層，所述勢壘增強層形成在所述紅外吸收增強層上；電極層，所述電極層形成在所述勢壘增強層上。
進一步地，所述周期性槽狀結構的槽寬和/或周期與紅外波段光波波長相近或成比例。進一步地，所述勢壘增強層為二氧化矽層或者氮化矽層。進一步地，所述勢壘增強層和所述電極層形成預定圖案。本發明的實施例中，紅外吸收增強層包括周期性槽狀結構，可以有效提高紅外波段吸收，並且在電極與吸收增強層之間增加了勢壘增強層，可以有效增加勢壘層高度，從而降低暗電流以及抑制噪聲。


圖I是本發明一個實施例的製造矽基增強紅外吸收光電探測器的方法的流程示意圖。圖2是本發明一個實施例的紅外吸收增強層的橫截面的示意圖。圖3是本發明一個實施例的矽基增強紅外吸收光電探測器的橫截面的示意圖。圖4是本發明另一個實施例的矽基增強紅外吸收光電探測器的俯視示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明的一個實施例中，一種製造矽基增強紅外吸收光電探測器的方法包括步驟10、步驟12、步驟14和步驟16。步驟10 :提供矽襯底材料。本發明的實施例的方法中，製造的光電探測器是矽基的，因此，本實施例中，首先獲得矽襯底材料。該矽襯底材料可以是任何適合類型的矽襯底材料。例如，一個實施例中，矽襯底材料可以是磷擴散摻雜的N型矽襯底材料。當然，本領域技術人員可以理解，根據實際情況的選擇，也可以是任何其它適合類型的矽襯底材料。步驟12 :在矽襯底材料上形成紅外吸收增強層。獲得了矽襯底材料後，在步驟12中，可以在該矽襯底材料上形成增強紅外光吸收的結構，例如，可以在矽襯底材料上形成周期性槽狀結構，即成周期地分布在矽襯底材料上的微槽結構，從而在矽襯底材料上形成紅外吸收增強層。本發明的實施例中，該周期性槽狀結構可以是在矽襯底材料上形成(排列成)適當的圖案，只要這些圖案呈周期性排布或者分布即可。該周期性槽狀結構的橫截面可以是矩形、三角形等多種形狀。
例如，圖2為本發明一個實施例的紅外吸收增強層的橫截面的示意圖。如圖2所示，在矽襯底材料5上形成了周期性槽狀結構6，此實例中，槽狀結構的橫截面為矩形。本發明的實施例中，該周期性槽狀結構的深度、槽寬(即該周期性槽狀結構在襯底材料的表面上的寬度)和/或周期(即該周期性槽狀結構在襯底材料的表面上分布的周期，例如鄰近的周期性槽狀結構之間的距離等等)可以是與紅外波段光波波長相近或者成比例的，以增強對紅外光的吸收。這裡，與紅外波段光波波長「相近」是指與紅外波段光波的波長相等或者只有較小的偏差。 例如，本發明的一個實施例中，周期性槽狀結構的深度、槽寬和/或周期可以為1-2微米。本發明的實施例中，可以使用任何適合的方法在矽襯底材料上形成該周期性槽狀 結構。例如，一個實施例中，可以首先在矽襯底材料上沉積形成掩膜層，該掩膜層形成與該周期性槽狀結構的圖案互補的圖案；然後刻蝕矽襯底材料的未被該掩膜層覆蓋的部分至預定深度，從而在矽襯底材料上形成許多槽狀結構。由於掩膜層是形成了與周期性槽狀結構的圖案互補的圖案，因此刻蝕之後，這些槽狀結構即排列形成相應的圖案。這裡，「周期性槽狀結構的圖案」是指預期的這些槽狀結構在矽襯底材料上排列形成的圖案。本發明的實施例中，在上述過程中使用掩膜層刻蝕矽襯底材料的未被掩膜層覆蓋的部分時，可以使用多種刻蝕方法，例如，反應離子刻蝕法、離子選擇注入輔助化學刻蝕法或者化學刻蝕法等等。例如，一個實施例中，使用反應離子刻蝕法進行刻蝕。此時，將形成了掩膜層的矽襯底材料置於已抽真空的反應腔內，通入反應氣體。其中反應氣體可以選擇氧基(O2)、氟基(SF6，CF4, CHF3等)、氯基(Cl2等)以及溴基(HBr等)氣體，例如可以選擇HBr/He、Cl2/02、CF4/O2> SF6/Ar, Cl2/Ar, SiCl4/Ar等多種氣體組合。刻蝕氣體的選擇以及詳細參數設置可以視所採用的反應離子刻蝕設備以及對將製造的光電探測器的具體要求而確定。例如，一個實施例中，具體的反應離子刻蝕的步驟和工藝參數包括經過清洗的帶掩膜層的N型矽襯底材料放入已抽至真空的反應腔內，同時通入SF6和C4F8氣體，在等離子體下兩種氣體與矽同時發生化學反應，側壁鈍化和刻蝕同時進行，通過這二者的化學平衡來實現陡直平滑刻蝕。具體工藝條件為SF6 87cm3/ min、C4F8 :200 cm3/ min、He :10cm3/ min,總壓力412Pa (帕斯卡)，時間30 min (分鐘)，激勵電源690 W，偏壓電源10W,自偏壓40 V。另一個實施例中，使用離子選擇注入輔助電化學刻蝕法。通常，摻雜越重，電阻率越低，越容易刻蝕。據此，在形成了掩膜層的矽襯底材料上進行硼離子注入，然後去除掩膜層並經過退火處理，最後通過電化學刻蝕的方法獲得所需圖形。例如，一個實施例中，使用離子選擇注入輔助電化學刻蝕法的具體步驟和工藝參數包括在形成了掩膜層的N型矽襯底材料上進行硼離子注入，注入劑量為I. 2X IO16Cm-2,能量為50keV (千電子伏特)。注入後的矽襯底材料去除表面氮化矽，衝洗後烘乾，500°C高溫退火處理I小時。退火完成後將矽片浸沒在HF(40%):乙醇為1:1的氫氟酸溶液中通過電化學腐蝕來得到所需圖形，其中電流密度為lOmA/cm2，反應溫度為24°C，反應時間十五分鐘。另一個實施例中，使用化學刻蝕方法進行刻蝕。此時，將形成了掩膜層的矽襯底材料放入各向異性腐蝕液中在一定條件下進行反應。腐蝕液可以採用KOH、水、異丙醇按一定比例配置，實驗中加熱的溫度為50-95°C，溫控誤差±1°C。例如，一個實施例中，將形成了掩膜層的矽襯底材料放入氫氧化鉀腐蝕液中，腐蝕液配比為Κ0Η、水、異丙醇的比例為50g 100ml 10ml，實驗中加熱的溫度為80 95。。，溫控誤差±1°C。前述的各個實施例中，掩膜層可以是氮化矽層或者二氧化矽層，其可以用任何適合的沉積方法形成，例如通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法沉積形成。 上述刻蝕過程完成形成了周期性槽狀結構之後，去除該掩膜層。步驟14 :在紅外吸收增強層上形成勢壘增強層。 在步驟12中形成紅外吸收增強層之後，步驟14中，可以在紅外吸收增強層上形成勢壘增強層。本發明的實施例中，該勢壘增強層可以是二氧化矽層或者氮化矽燈，即，本步驟中，可以在紅外吸收增強層上沉積二氧化矽層或者氮化矽層。沉積方法可以是任何適合的沉積方法，例如，可以使用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法，等等。本步驟中，還可以包括刻蝕步驟，在形成了勢壘增強層之後，通過刻蝕而去除勢壘增強層的某些部分從而使得勢壘增強層形成所需要的圖案，刻蝕方法可以使用任何適合的刻蝕方法，例如，可以使用反應離子刻蝕方法。步驟16 :在勢壘增強層上形成電極層。步驟14中形成了勢壘增強層之後，步驟16中，可以在勢壘增強層上形成電極層。本步驟中，可以首先通過蒸鍍等方法在勢壘增強層上形成金屬薄膜電極，然後通過剝離法使金屬薄膜電極形成所需要的預定圖案，從而獲得電極層。其中，電極材料可以選擇鋁、金、銀、鋁金合金和金鉻合金等等。例如，一個實施例中，在勢壘增強層上形成電極層可以包括下列步驟
步驟I :利用真空蒸發鍍膜機在勢壘增強層表面蒸鍍一層金屬薄膜，厚度為200-300nm(納米)，真空度為3 4X10_3Pa ；
步驟2 :旋塗光刻膠；
步驟3 :兩次接觸式曝光；
步驟4:顯影；
步驟5 :用去離子水衝洗，再用氮氣吹乾；
步驟6 :使用化學溶液溼法刻蝕出梳狀電極；
步驟7 :用丙酮浸泡，去除多餘光刻膠。本發明的另一個實施例中，步驟14中形成勢壘增強層之後的刻蝕步驟可以在步驟16之後進行，S卩，本實施例中，在紅外吸收增強層上形成勢壘增強層之後，不立即執行刻蝕步驟，而是執行步驟16，在勢壘增強層上形成預定圖案的電極層，然後執行刻蝕步驟，刻蝕去除勢壘增強層的未被電極層覆蓋的部分，從而使得勢壘增強層也形成預定的圖案。可以理解，勢壘增強層形成的圖案與電極層形成的圖案相同。相應地，按照本發明前述實施例的方法製造的矽基增強紅外吸收光電探測器如圖3或圖4所示，其中圖3為本發明一個實施例的矽基增強紅外吸收光電探測器的橫截面示意圖，圖4為本發明另一個實施例的矽基增強紅外吸收光電探測器的俯視示意圖。如圖3所示，本發明一個實施例中，矽基增強紅外吸收光電探測器包括矽襯底材料4、紅外吸收增強層3、勢壘增強層2和電極層I。其中，紅外吸收增強層3形成在矽襯底材料4上，並且包括周期性槽狀結構(例如，如圖2所示的槽狀結構6);勢壘增強層2形成在紅外吸收增強層3上；電極層I形成在勢壘增強層2上。一個實施例中，該矽基增強紅外吸收光電探測器的紅外吸收增強層3的周期性槽狀結構的槽寬和/或周期與紅外波段光波波長相近或成比例。一個實施例中，該勢壘增強層2為二氧化矽層或者氮化矽層。一個實施例中，勢壘增強層2和電極層I形成預定圖案。例如，如圖4所示，電極層I和勢壘增強層2 (圖4中在電極層I的下方)形成梳狀的圖案。本發明的實施例中，紅外吸收增強層包括周期性槽狀結構，可以有效提高紅外波 段吸收，並且在電極與吸收增強層之間增加了勢壘增強層，可以有效增加勢壘層高度，從而降低暗電流以及抑制噪聲。本發明的實施例中，採用RIE (反應離子刻蝕)、化學刻蝕或離子束注入輔助電化學刻蝕等方法獲得周期性槽狀結構，工藝簡單，可重複性以及兼容性強，適於大規模生產採用。以上通過具體的實施例對本發明進行了說明，但本發明並不限於這些具體的實施例。本領域技術人員應該明白，還可以對本發明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換隻要未背離本發明的精神，都應在本發明的保護範圍之內。此外，以上多處所述的「一個實施例」表示不同的實施例，當然也可以將其全部或部分結合在一個實施例中。
權利要求
1.一種製造矽基增強紅外吸收光電探測器的方法，其特徵在於，包括 提供娃襯底材料； 在所述矽襯底材料上形成周期性槽狀結構，獲得紅外吸收增強層； 在所述紅外吸收增強層上形成勢壘增強層； 在所述勢壘增強層上形成電極層。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於所述在所述矽襯底材料上形成周期性槽狀結構包括 在所述矽襯底材料上沉積形成掩膜層，所述掩膜層形成與所述周期性槽狀結構的圖案互補的圖案； 刻蝕所述矽襯底材料的未被所述掩膜層覆蓋的部分，從而在所述矽襯底材料上形成所述周期性槽狀結構去除所述掩膜層。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於其中刻蝕所述矽襯底材料的未被所述掩膜層覆蓋的部分包括用反應離子刻蝕法、離子選擇注入輔助化學刻蝕法或者化學刻蝕法刻蝕所述矽襯底材料的未被所述掩膜層覆蓋的部分。
4.如權利要求I至3中任意一項所述的方法，其特徵在於所述周期性槽狀結構的槽寬和/或周期與紅外波段光波波長相近或成比例。
5.如權利要求I所述的方法，其特徵在於所述在所述紅外吸收增強層上形成勢壘增強層包括在所述紅外吸收增強層上沉積二氧化矽層或者氮化矽層。
6.如權利要求I所述的方法，其特徵在於在所述勢壘增強層上形成電極層包括 在所述勢壘增強層上形成預定圖案的電極層； 刻蝕去除所述勢壘增強層的未被所述電極層覆蓋的部分。
7.—種矽基增強紅外吸收光電探測器，其特徵在於，包括 矽襯底材料； 紅外吸收增強層，所述紅外吸收增強層形成在所述矽襯底材料上，並且包括周期性槽狀結構； 勢壘增強層，所述勢壘增強層形成在所述紅外吸收增強層上； 電極層，所述電極層形成在所述勢壘增強層上。
8.如權利要求7所述的光電探測器，其特徵在於所述周期性槽狀結構的槽寬和/或周期與紅外波段光波波長相近或成比例。
9.如權利要求7所述的光電探測器，其特徵在於所述勢壘增強層為二氧化矽層或者氮化娃層。
10.如權利要求7所述的光電探測器，其特徵在於所述勢壘增強層和所述電極層形成預定圖案。
全文摘要
本發明實施例公開了一種製造矽基增強紅外吸收光電探測器的方法，包括提供矽襯底材料；在矽襯底材料上形成周期性槽狀結構，獲得紅外吸收增強層；在紅外吸收增強層上形成勢壘增強層；在勢壘增強層上形成電極層。本發明的實施例中，紅外吸收增強層包括周期性槽狀結構，可以有效提高紅外波段吸收，並且在電極與吸收增強層之間增加了勢壘增強層，可以有效增加勢壘層高度，從而降低暗電流以及抑制噪聲。
文檔編號H01L31/18GK102969407SQ201210541719
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者李世彬, 張鵬, 蔣亞東, 吳志明, 李偉 申請人:電子科技大學