基于MEMS微结构的红外增强Si‑PIN探测器及其制备方法与流程

本发明属于光电探测器技术领域，涉及到光电探测器结构，具体涉及一种基于MEMS微结构的红外增强Si-PIN探测器及其制备方法。

背景技术：

光电探测器作为光纤通讯系统、红外成像系统、激光警告系统和激光测距系统等的重要组成部分，在民用和军用方面都得到了广泛的应用。目前广泛使用的光电探测器主要有探测400nm～1100nm波长的硅光电探测器和探测大于1100nm波长的InGaAs近红外光电探测器。其中Si-PIN光电探测器具有响应速度快、灵敏度高的特点，而且其原材料Si资源丰富、成本低、易于大规模集成、相关技术成熟，因此硅基探测器被广泛使用。但是由于Si的折射率比较大，入射光在其表面反射损失大，达到30％以上，并且其禁带宽度较大(1.12eV)，对大于1100nm的光无法吸收，也就是探测不到大于1100nm波长的光信号，此时一般用InGaAs光电探测器替代。但是InGaAs材料非常昂贵、热机械性能较差、晶体质量较差并且不易与现有的硅微电子工艺兼容，存在诸多缺点。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决问题，提供一种基于MEMS微结构的红外增强Si-PIN探测器及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于MEMS微结构的红外增强Si-PIN探测器，包括硅本征衬底、位于硅本征衬底下方的MEMS微结构层、位于MEMS微结构层下方的红外增强非晶硅钌合金薄膜、位于红外增强非晶硅钌合金薄膜下方的下电极、位于硅本征衬底上方中间区域的P型区、位于硅本征衬底上方P型区四周的环形P⁺型区、位于P型区上表面的上电极，所述MEMS微结构层为按正方体阵列排布的柱子或孔洞，探测器光敏面为P型区的上表面。

作为优选方式，MEMS微结构层的柱子或孔洞的直径为0.5μm～2μm，高度或深度为0.5μm～2μm，两个相邻柱子或孔洞圆心间的距离为1μm～3μm。

作为优选方式，红外增强非晶硅钌合金薄膜采用射频磁控共溅射方法制备。

作为优选方式，红外增强非晶硅钌合金薄膜的光学带隙范围为0.5eV～1.5eV。

作为优选方式，红外增强非晶硅钌合金薄膜厚度范围为50nm～150nm。

作为优选方式，所述P型区为硼扩散掺杂形成P型区，掺杂浓度范围为1×10¹⁴ion/cm³～2×10¹⁶ion/cm³，结深为0.2μm～2μm。超过此范围则会大大降低器件的响应度，影响器件性能。

作为优选方式，所述环形P⁺型区为硼重扩散掺杂形成的P⁺型区，掺杂浓度范围为4×10¹⁸ion/cm³～2×10¹⁹ion/cm³，结深为1μm～3.5μm，其结深比所述P型区的结深更深。超过此范围则会大大降低器件的响应度，影响器件性能。

作为优选方式，所述下电极和上电极为金属薄膜电极，所述金属为铝、金或金铬合金，下电极和上电极的厚度为50nm～150nm。超过此范围则会大大降低器件的响应度，影响器件性能。

作为优选方式，所述的MEMS微结构硅层是在背面减薄后的单晶硅表面，采用MEMS工艺在硅衬底背面得到的三维立体空间阵列分布的正方体MEMS微结构，然后再进行磷重扩散或离子注入掺杂形成N⁺区，掺杂浓度范围为3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，结深为1μm～3μm。

本发明还提供一种上述基于MEMS微结构红外增强Si-PIN探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在晶向为<111>的电阻率为2500Ω·cm～3500Ω·cm的N型高阻单晶硅本征衬底表面氧化生长SiO₂膜层；

步骤2：在SiO₂膜层表面四周光刻出P⁺型区的图形，然后进行硼重扩散掺杂形成P⁺型区，掺杂浓度范围为4×10¹⁸ion/cm³～2×10¹⁹ion/cm³，结深为1μm～3.5μm；

步骤3：在SiO₂膜层表面光刻出P型区图形，然后进行硼扩散掺杂形成P型区，掺杂浓度范围为1×10¹⁴ion/cm³～2×10¹⁶ion/cm³，结深为0.2μm～2μm；

步骤4：对硅本征衬底背面进行减薄、研磨、抛光，使硅本征衬底的厚度减薄为250μm～350μm，再对背面进行MEMS工艺形成MEMS微结构层；

步骤5：对具有MEMS微结构层的衬底背面进行磷重扩散掺杂形成N⁺型区，掺杂浓度范围为3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，结深为1μm～3μm；

步骤6：采用射频磁控共溅射方法在MEMS微结构层上沉积一层红外增强非晶硅钌合金薄膜；

步骤7：上电极和下电极的制备。

本发明在传统Si-PIN探测器的基础上在背面N⁺型区增加了一层MEMS微结构层和一层红外增强非晶硅钌合金薄膜。

MEMS微结构硅是一种采用微机械加工工艺在硅晶体表面得到三维立体空间阵列分布的硅晶体表面微结构，是一种结构尺寸在微米量级，并且是大面积均匀分布的微结构。如此微小的结构能够使入射光在微结构层多次反射，对未被耗尽层吸收的透射光进行反射和重吸收，可以增加光的吸收率，提高光电探测器的响应度。并且通过调控微结构的柱子(孔洞)的直径、高度(深度)和周期，可以得到不同的反射率和吸收峰位置，从而提高特定波长的响应度。

红外增强非晶硅钌合金薄膜具有光吸收率高、禁带宽度可调、电子温度系数大、可大面积低温(<400℃)成膜、制备工艺简单与硅半导体工艺兼容等特点，通过调控非晶硅钌合金薄膜中钌的含量和薄膜的厚度，来调控薄膜的光学带隙，使其光学带隙范围控制在0.5eV～1.5eV，使硅材料的禁带宽度变窄，这样长波长的光也能被吸收，将其应用在硅光电探测器领域，可以提高探测器的响应度，扩展探测器近红外光谱响应范围。

所述的探测器不仅能够增强对可见光和近红外光的吸收，还可以扩展光谱响应范围，具有近红外吸收增强、响应光谱范围宽、响应度高等优点。

本发明的基本工作原理是：入射光进入Si-PIN光电探测器的空间电荷区时，会激发空间电荷区的电子-空穴对，电子和空穴在偏置电压下分别向两极移动，形成光生电流或电压。

本发明的有益效果为：相对于传统Si-PIN光电探测器，在N⁺型区增加了一种MEMS微结构层，此结构可以将透过空间电荷区的未吸收光进行多次反射，增加光的传播路程和光子捕获比，增加对透过光的吸收和利用，更多地激发光生载流子，提高探测器的响应电流。通过调控微结构的柱子(孔洞)的直径、高度(深度)和周期，可以得到不同的反射率和吸收峰位置，从而提高特定波长的响应特性。相对于传统Si-PIN光电探测器，在MEMS微结构层下方还增加了一层红外增强非晶硅钌合金薄膜，通过调控合金薄膜中的钌含量，可获得较窄的光学带隙，从而能将透过MEMS微结构层能量更低、波长更长的近红外光捕获，因此可以增加对近红外的再次吸收，拓宽光电探测器的探测范围，提高其近红外光的探测效率。

附图说明

图1是本发明的基于MEMS微结构红外增强Si-PIN探测器的剖面结构示意图；

图2是本发明的基于MEMS微结构红外增强Si-PIN探测器的俯视图；

图3是本发明的基于MEMS微结构红外增强Si-PIN探测器的制备方法流程示意图；

其中图1标记：1为硅本征衬底，2为P型区，3为MEMS微结构层，4为P⁺型区，5为红外增强非晶硅钌合金薄膜，6为下电极6，7为上电极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种基于MEMS微结构的红外增强Si-PIN探测器，包括硅本征衬底1、位于硅本征衬底1下方的MEMS微结构层3、位于MEMS微结构层3下方的红外增强非晶硅钌合金薄膜5、位于红外增强非晶硅钌合金薄膜5下方的下电极6、位于硅本征衬底1上方中间区域的P型区2、位于硅本征衬底1上方P型区2四周的环形P⁺型区4、位于P型区2上表面的上电极7，所述MEMS微结构层3为按正方体阵列排布的柱子或孔洞，探测器光敏面为P型区2的上表面。

MEMS微结构层3的柱子或孔洞的直径为0.5μm～2μm，高度或深度为0.5μm～2μm，两个相邻柱子或孔洞圆心间的距离为1μm～3μm。

红外增强非晶硅钌合金薄膜5采用射频磁控共溅射方法制备。

红外增强非晶硅钌合金薄膜5的光学带隙范围为0.5eV～1.5eV。

红外增强非晶硅钌合金薄膜5厚度范围为50nm～150nm。

所述P型区2为硼扩散掺杂形成P型区，掺杂浓度范围为1×10¹⁴ion/cm³～2×10¹⁶ion/cm³，结深为0.2μm～2μm。

所述环形P⁺型区4为硼重扩散掺杂形成的P⁺型区，掺杂浓度范围为4×10¹⁸ion/cm³～2×10¹⁹ion/cm³，结深为1μm～3.5μm，其结深比所述P型区2的结深更深。

所述下电极6和上电极7为金属薄膜电极，所述金属为铝、金或金铬合金，下电极6和上电极7的厚度为50nm～150nm。

所述的MEMS微结构硅层3是在背面减薄后的单晶硅表面，采用MEMS工艺在硅衬底背面得到的三维立体空间阵列分布的正方体MEMS微结构，然后再进行磷重扩散或离子注入掺杂形成N⁺区，掺杂浓度范围为3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，结深为1μm～3μm。

上述基于MEMS微结构红外增强Si-PIN探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在晶向为<111>的电阻率为2500Ω·cm～3500Ω·cm的N型高阻单晶硅本征衬底1表面氧化生长SiO₂膜层；

步骤2：在SiO₂膜层表面四周光刻出P⁺型区4的图形，然后进行硼重扩散掺杂形成P⁺型区4，掺杂浓度范围为4×10¹⁸ion/cm³～2×10¹⁹ion/cm³，结深为1μm～3.5μm；

步骤3：在SiO₂膜层表面光刻出P型区2图形，然后进行硼扩散掺杂形成P型区2，掺杂浓度范围为1×10¹⁴ion/cm³～2×10¹⁶ion/cm³，结深为0.2μm～2μm；

步骤4：对硅本征衬底1背面进行减薄、研磨、抛光，使硅本征衬底1的厚度减薄为250μm～350μm，再对背面进行MEMS工艺形成MEMS微结构层3；

步骤5：对具有MEMS微结构层的衬底背面进行磷重扩散掺杂形成N⁺型区，掺杂浓度范围为3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，结深为1μm～3μm；

步骤6：采用射频磁控共溅射方法在MEMS微结构层3上沉积一层红外增强非晶硅钌合金薄膜5；

步骤7：上电极7和下电极6的制备。

本发明在传统Si-PIN探测器的基础上在背面N⁺型区增加了一层MEMS微结构层和一层红外增强非晶硅钌合金薄膜。

MEMS微结构硅是一种采用微机械加工工艺在硅晶体表面得到三维立体空间阵列分布的硅晶体表面微结构，是一种结构尺寸在微米量级，并且是大面积均匀分布的微结构。如此微小的结构能够使入射光在微结构层多次反射，对未被耗尽层吸收的透射光进行反射和重吸收，可以增加光的吸收率，提高光电探测器的响应度。并且通过调控微结构的柱子(孔洞)的直径、高度(深度)和周期，可以得到不同的反射率和吸收峰位置，从而提高特定波长的响应度。

红外增强非晶硅钌合金薄膜具有光吸收率高、禁带宽度可调、电子温度系数大、可大面积低温(<400℃)成膜、制备工艺简单与硅半导体工艺兼容等特点，通过调控非晶硅钌合金薄膜中钌的含量和薄膜的厚度，来调控薄膜的光学带隙，使其光学带隙范围控制在0.5eV～1.5eV，使硅材料的禁带宽度变窄，这样长波长的光也能被吸收，将其应用在硅光电探测器领域，可以提高探测器的响应度，扩展探测器近红外光谱响应范围。

所述的探测器不仅能够增强对可见光和近红外光的吸收，还可以扩展光谱响应范围，具有近红外吸收增强、响应光谱范围宽、响应度高等优点。

本发明的基本工作原理是：入射光进入Si-PIN光电探测器的空间电荷区时，会激发空间电荷区的电子-空穴对，电子和空穴在偏置电压下分别向两极移动，形成光生电流或电压。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。