增强硅探测器近红外响应的微光栅光腔结构及其制造方法与流程

本发明属于光电技术领域，具体为增强硅探测器近红外响应的微光栅光腔结构及其制造方法。

背景技术

硅在紫外及可见光的吸收系数很高，但在近红外波段吸收系数较低，对于1064nm的波长的光，硅的吸收长度大于250μm。为了增加硅探测器近红外响应，需增加硅衬底的吸收厚度，随着硅衬底厚度的增加，光生载流子的漂移时间增加，响应速度降低。施加更高的反向偏压，使硅衬底全耗尽，虽然可以提高响应速度，但会产生更大的暗电流和噪声。为了同时提高硅探测器的灵敏度和响应速度，滨松公司通过飞秒激光技术在光电探测器背部形成过饱和硫掺杂黑硅微结构层，在1060nm，光电二极管的量子效率从25％提高到75％。同时，该探测器保持低噪声，低电容，具有快速的上升和下降时间特性。但是，在探测器背面用飞秒激光制作过饱和硫掺杂黑硅，涉及到采用原子层淀积工艺在黑硅表面淀积三氧化二铝钝化层，工艺复杂，对设备要求高，而且制作探测器过程中的高温退火工艺，会出现硫离子析出，探测器近红外响应大幅度下降，器件性能严重退化。

技术实现要素：

基于现有技术存在的问题，本发明采用与硅工艺兼容的微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem,mems)工艺，在探测器背面制作硅栅微结构阵列，在硅栅微结构阵列上淀积硼磷硅玻璃(bpsg)介质层，经过bpsg回流、平坦化后，在bpsg上淀积一层铝薄膜，形成硅栅微光腔阵列结构。正面入射，没有被探测器吸收、出射探测器背面的光线，通过微光腔铝镜反射回探测器，重新再吸收，增加探测器的近红外响应。

具体的，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明采用的一种增强硅探测器近红外响应的微光栅光腔结构的制造方法包括：

s1、对硅探测器圆片进行预处理，在硅探测器圆片背面形成铬光栅；

s2、将铬光栅转移到硅衬底上，从而在硅衬底上形成周期为微米量级硅光栅微结构；

s3、在所述硅光栅微结构的表面大剂量注入与硅衬底同类型的杂质；

s4、在硅光栅微结构表面淀积硼磷硅玻璃，形成光腔介质层薄膜；

s5、采用高温，快速退火的方式，对硼磷硅玻璃进行回流，平坦化；

s6、在所述光腔介质层薄膜表面溅射一层的铝膜，形成铝反射镜，采用温度为400℃～440℃、时间为25分钟～35分钟的氢气退火；从而构成微光栅光腔结构。

进一步的，所述硅探测器圆片进行预处理包括在硅探测器圆片的正面贴紫外膜，对探测器的正面结构进行保护；将硅探测器圆片背面减薄抛光到所需厚度；去除探测器正面的紫外膜，采用丙酮、厚度乙醇对其进行有机清洗。

进一步的，硅探测器圆片背面减薄抛光到100μm～300μm。

进一步的，所述在探测器圆片背面形成铬光栅，包括在探测器圆片背面淀积20nm铬膜；在探测器圆片正面贴紫外膜，背面涂胶、光刻，将周期性排列的光栅图形转移到铬膜上；使用铬腐蚀液腐蚀未被光刻胶保护的铬膜，有机去胶，形成铬光栅。

进一步的，所述步骤s2包括：

s21、利用深硅反应离子刻蚀，将铬光栅图形转移到硅衬底上；

s22、用铬腐蚀液去除硅衬底表面的铬膜，形成周期为微米量级硅光栅微结构；

s23、去除探测器圆片正面的紫外膜，采用丙酮、乙醇进行有机清洗。

所述步骤s5具体包括：采用950℃～1050℃的温度，在8s～12s的时间段内快速退火，对硼磷硅玻璃介质进行回流，平坦化。

本发明的一种增强硅探测器近红外响应的微光栅光腔结构，所述微光栅光腔结构以硅探测器背面的硅衬底为支撑；所述微光栅光腔结构包括硅光栅微结构，所述硅光栅微结构周期性的排列在硅衬底上；所述硅光栅表面覆盖有光腔介质层薄膜；在所述光腔介质层薄膜表面溅射一层的铝膜，形成铝反射镜。

优选的，所述光腔介质层的厚度为：h＝(2k±1)λ/4n；

其中，k＝(0,1,2,3……)，n表示硼磷硅玻璃光腔介质层的折射率，λ为入射波波长。

本发明的有益技术效果是：硅光栅微光腔结构作为硅探测器的背面反射结构，能将正面入射光子束缚在硅探测器内，延长光子在硅探测器内的传播路径，显著提高硅探测器的吸收效率，增加硅探测器的量子效率。

一方面硅光栅微光腔结构能够通过其衍射、散射和反射效应将光以更广的角度和更高的反射率反射回硅探测器内部进行二次或多次吸收；

另一方面由于背反射光栅的金属纳米周期性结构，在界面处会激发表面等离激元效应，能够将纵向入射的光耦合成横向传播的光，有效提高了光子的传播长度，从而增强了硅探测器的光吸收能力。

本发明适用于正面入射的硅探测器，工艺流程简化，与硅工艺兼容，易于集成，通过改变硅栅微光腔结构参数，可提高探测器近红外光的响应，增加探测器的量子效率。

附图说明

图1为本发明方法采用的流程图；

图2为本发明的硅光栅微光腔结构示意图；

图3为本发明微光腔结构的优选实施例制造工艺流程图；

图中，1、光线，2、硅探测器圆片，3、硅衬底，4、微光栅光腔，5、杂质，6、光腔介质层，7、铝反射镜。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的方案进行详细说明：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

实施例1

本发明采用的一种增强硅探测器近红外响应的微光栅光腔结构的制造方法，如图1所示包括：

s1、对硅探测器圆片进行预处理，在硅探测器圆片的正面贴紫外膜，对探测器的正面结构进行保护；将硅探测器圆片背面减薄抛光到所需厚度；去除探测器圆片正面的紫外膜，采用丙酮、乙醇对其进行有机清洗。在探测器背面形成铬光栅；在探测器圆片背面淀积20nm铬膜；在探测器圆片正面贴紫外膜，背面涂胶、光刻，将周期性排列的光栅图形转移到铬膜上；使用铬腐蚀液腐蚀未被光刻胶保护的铬膜，有机去胶，形成铬光栅。

s2、将铬光栅转移到硅衬底上，从而在硅衬底上形成周期为微米量级硅光栅微结构；

具体的，作为一种可选方式；

s21、利用深硅反应离子刻蚀，将铬光栅图形转移到硅衬底上；

s22、用铬腐蚀液去除硅衬底表面的铬膜，形成周期为微米量级的硅光栅微结构；

s23、去除探测器圆片正面的紫外膜，采用丙酮、乙醇进行有机清洗。

s3、在所述硅光栅微结构的表面大剂量注入与硅衬底同类型的杂质；

s4、在硅光栅微结构表面淀积硼磷硅玻璃，形成光腔介质层薄膜；

s5、采用高温，快速退火的方式，对硼磷硅玻璃进行回流，平坦化；

作为一种可选方式，所述步骤s5具体包括：采用950℃～1050℃的温度，在8s～12s的时间段内快速退火，对硼磷硅玻璃介质进行回流，平坦化。

s6、在所述光腔介质层薄膜表面溅射一层的铝膜，形成铝反射镜，采用温度为400℃～440℃，时间为25分钟～35分钟的氢气退火；从而构成微光栅光腔结构。

实施例2

结合图2与图3，对本发明的硅光栅微光腔结构进行进一步说明；

光线1从探测器正面入射，进入硅探测器圆片2(包括探测器电极，保护环、截止坏、pn结、增透膜等结构，本发明不涉及对硅探测器圆片2的制作)；硅衬底3采用硅材料，吸收入射光线1；杂质5大剂量注入在硅光栅微结构上，再对硼磷硅玻璃介质进行回流，平坦化，形成bpsg光腔介质层6，在光腔介质层6薄膜表面溅射一层的铝膜，形成铝反射镜7。从而构成如图2所示的微光栅光腔4；

硅光栅微结构为结构二维周期硅栅结构，其周期为p，p-a为脊宽(从下往上看)；也即等效为微光栅光腔4的周期为p，p-a为脊宽。

具体如下：

1)提供已完成正面结构制作的正照硅探测器圆片2；

2)在硅探测器圆片2正面贴紫外膜，对硅探测器圆片2正面结构进行保护；

3)将硅探测器圆片2背面减薄抛光到所需厚度(100μm～300μm)；

4)去除硅探测器圆片2正面的紫外膜，采用丙酮、乙醇进行有机清洗；

5)微光栅光腔4的制作

501、在探测器圆片背面淀积20nm铬膜；

502、在探测器圆片正面贴紫外膜，背面涂胶、光刻，将光栅图形转移到铬膜上；

503、使用铬腐蚀液腐蚀未被光刻胶保护的铬膜，有机去胶，形成铬光栅；

504、深硅反应离子刻蚀，将铬光栅图形转移到硅衬底3上；

505、用铬腐蚀液去除硅表面的铬膜，形成周期为微米量级硅光栅微结构；

506、去除探测器圆片正面的紫外膜，采用丙酮、乙醇进行有机清洗。

6)在硅光栅微结构表面大剂量注入与硅衬底同类型的杂质5；

7)在硅光栅微结构表面淀积bpsg光腔介质层6薄膜；

8)采用1000℃，10s快速退火，对bpsg介质进行回流，平坦化；

9)在bpsg表面溅射一层1000nm的铝膜，形成铝反射镜7；

10)采用420℃，30分钟氢气退火。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。