具有寬光譜響應的矽探測器結構及其製作方法

2023-06-09 03:48:36

專利名稱：具有寬光譜響應的矽探測器結構及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電探測器的結構及其製作方法，特別涉及一種具有寬光譜響應的矽探測器結構及其製作方法。
背景技術：
對於普通晶體矽而言，一方面由於其禁帶寬度為1. 12ev，無法吸收波長大於 1. Iym波長的光，限制了矽光電器件的可用波段和靈敏度；另一方面，雖然利用普通晶體矽製作的p-n和p-i-n型光電探測器早已實現，但這種探測器的峰值響應大約在900nm左右，只適合用於850nm波段的探測，無法應用於1310nm和1550nm兩個重要光纖通信窗口。 而III-V族材料雖然在這方面的工藝已經成熟並實現了產業化，但其價格昂貴、熱學機械性能較差，並且不能與現有成熟的矽基工藝兼容。1998年美國哈佛大學教授艾瑞克·馬茲爾和他的研究團隊利用超強飛秒雷射掃描置於六氟化硫氣體中的矽片表面，獲得了一種森林狀微結構錐體表面材料，其在0. 25 至2. 5 μ m的光譜範圍內具有> 90%的光吸收率，極大地拓展了矽基材料的光譜吸收範圍 [App 1. Phys. Lett. 73，1673(1998)]。這種新材料對太陽光具有幾乎黑體吸收的效果，所以亦稱之為「黑矽」。經深入研究發現，這種微結構黑矽表面的硫系物質濃度遠遠超過了其在矽晶體中的飽和濃度，使得矽禁帶中產生大量的局域態能級從而可擴展黑矽的光譜吸收範圍。2005年，他們以黑矽材料作為探測器迎光面的光敏區，在1330nm和1550nm兩個重要光纖窗口取得了一定的紅外響應度[Opt. Lett. 30，1773-1775 (2005)]，但由於黑矽材料
的遷移率低、載流子壽命短、重摻雜表層俄歇複合嚴重、部分紅外光透射率較大等缺點，制約了黑矽探測器紅外光譜響應度的進一步提高。

發明內容
有鑑於此，本發明提出了一種具有寬光譜響應的矽探測器結構及其製作方法，以減少黑矽在迎光面受表面俄歇複合而導致的光生載流子湮滅現象，避免其作為光敏區的不利影響；由於紅外光在矽中具有較深的穿透能力，黑矽製作在背面，亦能充分吸收並產生光生載流子，提高光譜響應，以解決傳統矽光電探測器對1.1微米以上波長的光譜無響應的難題，拓寬矽光電探測器的光譜響應範圍；此外，黑矽重摻雜層和η型矽基襯底層形成的梯度摻雜，也能構建起一個弱內建電場，有利於光生載流子的分離和收集，可部分抵消黑矽材料遷移率低和載流子壽命短的影響，從而提高矽光電探測器的紅外光譜響應度。為達到上述目的，本發明提出了一種具有寬光譜響應的矽探測器結構，該結構由上至下依次包括一 η型矽基襯底層，其表面有一圓形凹槽；一二氧化矽介質掩蔽層，形成於η型矽基襯底層表面圓形凹槽的周邊，中間為環形結構；
一 ρ型參雜層，位於η型矽基襯底層的圓形凹槽內；一正面接觸電極，製作在二氧化矽介質掩蔽層環形結構的內壁及覆蓋部分環形結構表面的邊緣，形成環狀結構；一增透膜層，製作在正面接觸電極的環狀結構內，並覆蓋P型參雜層的表面；一廣譜吸收黑矽層，製作在η型矽基襯底層的背面；一介質鈍化層，該介質鈍化層為點狀，形成在廣譜吸收黑矽層的表面；一背面接觸電極，製作在廣譜吸收黑矽層的表面並覆蓋點狀的介質鈍化層。本發明還提出一種具有寬光譜響應的矽探測器結構的製作方法，該方法包括步驟1 在η型矽基襯底層的上表面和下表面分別製作二氧化矽介質掩蔽層；步驟2 光刻η型矽基襯底層上表面的二氧化矽介質掩蔽層，形成ρ型摻雜層窗口，採用硼離子注入或硼擴散的方式形成P型摻雜層，該P型摻雜層與η型矽基襯底層形成 ρη結光敏區；步驟3 在ρ型摻雜層上面澱積一層增透膜層；步驟4 去除η型矽基襯底層下表面的二氧化矽介質掩蔽層，在η型矽基襯底層下表面製作廣譜吸收黑矽層；步驟5 對廣譜吸收黑矽層進行載流子激活處理，在廣譜吸收黑矽層表面製作矽氧化物介質鈍化層；步驟6 光刻增透膜層和介質鈍化層，分別在增透膜層和介質鈍化層表面形成正面環形電極窗口和背面點接觸電極窗口；步驟7 在正面環形電極窗口和背面點接觸電極窗口分別製作正面接觸電極和背面接觸電極，完成器件製作。從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果1、本發明提出的這種具有寬光譜響應的矽探測器結構及其製作方法，是在傳統矽基探測器的背光面增加一層黑矽紅外吸收層，這對原探測器正面光敏區不產生影響，卻可以利用背面黑矽材料對紅外光具有較高吸收率的特點，使進入探測器的紅外光在背面被吸收，解決了傳統矽光電探測器對1.1微米以上波長的光譜無響應的難題，拓寬了矽光電探測器的光譜響應範圍；2、將廣譜吸收黑矽材料應用於矽探測器的背光面，可以避免現行方案中黑矽材料作為光敏區所受表面俄歇複合影響而導致的光生載流子湮滅現象，增加對透射紅外光的吸收，有效提高矽光電探測器的光譜響應度；3、由背光面黑矽層和η型矽基襯底層形成的η型梯度摻雜，構建起將光生電子和空穴分開的內建電場，有利於背面光生載流子的分離和收集，可部分抵消黑矽材料遷移率低和載流子壽命短的影響；4、本發明提出的這種具有寬光譜響應的矽探測器結構及其製作方法，其工藝過程簡單易控，成本低廉，並能與標準矽工藝兼容。


為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明，其中
圖Ia至圖Ig為本發明提供的製作具有寬光譜響應的矽探測器結構的流程示意圖。圖2為本發明提供的具有寬光譜響應的矽探測器結構俯視圖；
具體實施例方式請參閱圖lg，本發明提供一種具有寬光譜響應的矽探測器結構，該結構由上至下依次包括一 η型矽基襯底層1，表面有一圓形凹槽；所述η型矽基襯底層1採用η型(111) 單晶矽，厚度為100至500 μ m,電阻率為1至1000 Ω · cm ；一二氧化矽介質掩蔽層2，形成於η型矽基襯底層1表面圓形凹槽的周邊，中間為環形結構；一 ρ型參雜層3位於η型矽基襯底層1的圓形凹槽內；所述P型摻雜層3是在η 型矽基襯底層1的表面進行硼離子注入或硼擴散所形成，該P型摻雜層3與η型矽基襯底層1形成ρη結光敏區；一正面接觸電極7，製作在二氧化矽介質掩蔽層2環形結構的內壁及覆蓋部分環形結構表面的邊緣，形成環狀結構；一增透膜層4，製作在正面接觸電極7的環狀結構內，並覆蓋ρ型參雜層3的表面；所述增透膜層4的材料是二氧化矽或氮化矽，或及其組合，所述增透膜層4的厚度為 100-300nm ；—廣譜吸收黑矽層5，製作在η型矽基襯底層1的背面；所述廣譜吸收黑矽層5為摻有硫系元素的矽材料，其表層結構為矽微錐、矽微粒或矽微孔的結構，其間隔為0.01至 10 μ m,尺度為0. 01至10 μ m，深度為0. 01至10 μ m，硫系元素的矽材料對0. 25微米至2. 5 微米波長範圍內的光具有> 30%的吸收率；一介質鈍化層6，該介質鈍化層6為點狀，形成在廣譜吸收黑矽層5的表面；該介質鈍化層6為矽氧化物介質鈍化層，該介質鈍化層6的厚度為100-500nm ；一背面接觸電極8，製作在廣譜吸收黑矽層5的表面並覆蓋點狀的介質鈍化層6。請再參閱圖1及圖2所示，本發明提供一種具有寬光譜響應的矽探測器結構的製作方法，該方法包括步驟1 在η型矽基襯底層1的上表面和下表面分別製作二氧化矽介質掩蔽層 2(圖Ia中)。所述η型矽基襯底層1採用η型(111)單晶矽，厚度為100至500 μ m，電阻率為1至1000 Ω · cm ；所述二氧化矽介質掩蔽層2的製作方法為熱氧化或澱積方法，其厚度為 300nm-l μ m ；步驟2 光刻η型矽基襯底層1上表面的二氧化矽介質掩蔽層2，形成ρ型摻雜層窗口(圖Ib中)，採用硼離子注入或硼擴散的方式形成ρ型摻雜層3，該ρ型摻雜層3與η 型矽基襯底層1形成Pn結光敏區。所述ρ型摻雜層3是在η型矽基襯底層1的表面進行硼離子注入或硼擴散所形成；其中P型摻雜層3的摻雜深度為0. 1至1 μ m，表面摻雜濃度為IO17CnT3至102°cm_3 ；所述ρη結光敏區做成圓形，防止ρη結的邊緣擊穿。步驟3 在ρ型摻雜層3上面澱積一層增透膜層4 (圖Ic中)。所述增透膜層4的材料是二氧化矽或氮化矽，或及其組合，所述增透膜層4的厚度為100-300nm ；
步驟4 去除η型矽基襯底層1下表面的二氧化矽介質掩蔽層2 (圖Id中)，在η 型矽基襯底層1下表面製作廣譜吸收黑矽層5。所述廣譜吸收黑矽層5是在硫系環境下， 通過雷射輻照η型矽基襯底層1表面形成，雷射輻照時的硫系環境為硫系氣體、硫系粉末或硫系液體，雷射輻照時的雷射為納秒雷射、皮秒雷射或飛秒雷射；所述廣譜吸收黑矽層5為摻有硫系元素的矽材料，其表層結構為矽微錐、矽微粒或矽微孔的結構，其間隔為0.01至 10 μ m,尺度為0. 01至10 μ m，深度為0. 01至10 μ m，硫系元素的矽材料對0. 25微米至2. 5 微米波長範圍內的光具有> 30%的吸收率。步驟5 對廣譜吸收黑矽層5進行載流子激活處理，在廣譜吸收黑矽層5表面製作矽氧化物介質鈍化層6 (圖Ie中)。所述廣譜吸收黑矽層5的載流子激活處理方法為傳統的熱爐退火、快速退火或雷射退火；所述介質鈍化層6為矽氧化物介質鈍化層，該介質鈍化層6的厚度為100-500nm。步驟6 光刻增透膜層4和介質鈍化層6，分別在增透膜層4和介質鈍化層6表面形成正面環形電極窗口和背面點接觸電極窗口(圖If中)。其中正面環形電極窗口減少了正面接觸電極7的遮光效果；背面點接觸電極窗口既保證了背面接觸電極8與廣譜吸收黑矽層5形成良好的歐姆接觸，又減少了背面載流子的複合。步驟7 在正面環形電極窗口和背面點接觸電極窗口分別製作正面接觸電極7和背面接觸電極8(圖Ig中)，完成器件製作。其中正面接觸電極7的材料為透明導電氧化物或金屬，背面接觸電極8的材料為金屬；電極的製作方法為電鍍、熱蒸發、電子束蒸發或磁控濺射。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種具有寬光譜響應的矽探測器結構，包括 一 η型矽基襯底層，其表面有一圓形凹槽；一二氧化矽介質掩蔽層，形成於η型矽基襯底層表面圓形凹槽的周邊，中間為環形結構；一 P型參雜層，位於η型矽基襯底層的圓形凹槽內；一正面接觸電極，製作在二氧化矽介質掩蔽層環形結構的內壁及覆蓋部分環形結構表面的邊緣，形成環狀結構；一增透膜層，製作在正面接觸電極的環狀結構內，並覆蓋P型參雜層的表面； 一廣譜吸收黑矽層，製作在η型矽基襯底層的背面； 一介質鈍化層，該介質鈍化層為點狀，形成在廣譜吸收黑矽層的表面； 一背面接觸電極，製作在廣譜吸收黑矽層的表面並覆蓋點狀的介質鈍化層。
2.根據權利要求1所述的具有寬光譜響應的矽探測器結構，其中所述增透膜層的材料是二氧化矽或氮化矽，或及其組合，所述增透膜層的厚度為100-300nm。
3.根據權利要求1所述的具有寬光譜響應的矽探測器結構，其中所述P型摻雜層是在 η型矽基襯底層的表面進行硼離子注入或硼擴散所形成，該P型摻雜層與η型矽基襯底層形成ρη結光敏區。
4.根據權利要求1所述的具有寬光譜響應的矽探測器結構，其中所述廣譜吸收黑矽層為摻有硫系元素的矽材料，其表層結構為矽微錐、矽微粒或矽微孔的結構，其間隔為0. 01 至10 μ m，尺度為0. 01至10 μ m，深度為0. 01至10 μ m，硫系元素的矽材料對0. 25微米至 2. 5微米波長範圍內的光具有> 30%的吸收率。
5.根據權利要求1所述的具有寬光譜響應的矽探測器結構，其中所述η型矽基襯底層採用η型(111)單晶矽，厚度為100至500 μ m，電阻率為1至1000 Ω · cm。
6.根據權利要求1所述的具有寬光譜響應的矽探測器結構，其中介質鈍化層為矽氧化物介質鈍化層，該介質鈍化層的厚度為100-500nm。
7.一種具有寬光譜響應的矽探測器結構的製作方法，該方法包括步驟1 在η型矽基襯底層的上表面和下表面分別製作二氧化矽介質掩蔽層； 步驟2 光刻η型矽基襯底層上表面的二氧化矽介質掩蔽層，形成ρ型摻雜層窗口，採用硼離子注入或硼擴散的方式形成P型摻雜層，該P型摻雜層與η型矽基襯底層形成ρη結光敏區；步驟3 在ρ型摻雜層上面澱積一層增透膜層；步驟4 去除η型矽基襯底層下表面的二氧化矽介質掩蔽層，在η型矽基襯底層下表面製作廣譜吸收黑矽層；步驟5 對廣譜吸收黑矽層進行載流子激活處理，在廣譜吸收黑矽層表面製作矽氧化物介質鈍化層；步驟6 光刻增透膜層和介質鈍化層，分別在增透膜層和介質鈍化層表面形成正面環形電極窗口和背面點接觸電極窗口；步驟7 在正面環形電極窗口和背面點接觸電極窗口分別製作正面接觸電極和背面接觸電極，完成器件製作。
8.根據權利要求7所述的具有寬光譜響應的矽探測器結構的製作方法，其中所述η型矽基襯底層採用η型(111)單晶矽，厚度為100至500 μ m，電阻率為1至1000 Ω ·αιι ；所述二氧化矽介質掩蔽層的製作方法為熱氧化或澱積方法，其厚度為300nm-l μ m;所述增透膜層的材料是二氧化矽或氮化矽，或及其組合，所述增透膜層的厚度為100-300nm ；所述介質鈍化層為矽氧化物介質鈍化層，該介質鈍化層的厚度為100-500nm。
9.根據權利要求7所述的具有寬光譜響應的矽探測器結構的製作方法，其中所述ρ型摻雜層是在η型矽基襯底層1的表面進行硼離子注入或硼擴散所形成，該P型摻雜層與η 型矽基襯底層形成Pn結光敏區；其中ρ型摻雜層的摻雜深度為0. 1至1 μ m，表面摻雜濃度為IO17CnT3至102°cm_3 ；所述pn結光敏區做成圓形，防止pn結的邊緣擊穿。
10.根據權利要求7所述的具有寬光譜響應的矽探測器結構的製作方法，其中所述廣譜吸收黑矽層是在硫系環境下，通過雷射輻照η型矽基襯底層表面形成，雷射輻照時的硫系環境為硫系氣體、硫系粉末或硫系液體，雷射輻照時的雷射為納秒雷射、皮秒雷射或飛秒雷射；所述廣譜吸收黑矽層為摻有硫系元素的矽材料，其表層結構為矽微錐、矽微粒或矽微孔的結構，其間隔為0.01至10 μ m，尺度為0.01至10 μ m，深度為0.01至10 μ m，硫系元素的矽材料對0. 25微米至2. 5微米波長範圍內的光具有> 30%的吸收率；所述廣譜吸收黑矽層的載流子激活處理方法為傳統的熱爐退火、快速退火或雷射退火。
全文摘要
一種具有寬光譜響應的矽探測器結構，包括一n型矽基襯底層，其表面有一圓形凹槽；一二氧化矽介質掩蔽層，形成於n型矽基襯底層表面圓形凹槽的周邊，中間為環形結構；一p型參雜層，位於n型矽基襯底層的圓形凹槽內；一正面接觸電極，製作在二氧化矽介質掩蔽層環形結構的內壁及覆蓋部分環形結構表面的邊緣，形成環狀結構；一增透膜層，製作在正面接觸電極的環狀結構內，並覆蓋p型參雜層的表面；一廣譜吸收黑矽層，製作在n型矽基襯底層的背面；一介質鈍化層，該介質鈍化層為點狀，形成在廣譜吸收黑矽層的表面；一背面接觸電極，製作在廣譜吸收黑矽層的表面並覆蓋點狀的介質鈍化層。
文檔編號H01L31/101GK102290481SQ20111025655
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月1日 優先權日2011年9月1日
發明者劉德偉, 朱小寧, 朱洪亮, 王熙元, 馬麗, 黃永光 申請人:中國科學院半導體研究所