背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的结构及制备方法

1.本发明涉及光电探测研究及雪崩光电探测器结构，尤其涉及一种背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的结构及制备方法。


背景技术：

2.随着自动驾驶等前沿技术的不断发展，对探测接收端的器件即光电探测器性能要求越来越高，同时，光电探测器又用在光纤通信系统、雷达成像系统、激光测距系统中等。雪崩光电探测器尤其是硅基雪崩光电探测器由于体积小、内部增益高、易于集成等优点在一众探测器中脱颖而出。
3.目前雪崩光电探测器的主要入射方式为正面入射、背面入射和侧入射，其中正面入射需要n
+
区层厚较低以尽可能降低倍增区引入的光生空穴过剩噪声。在采用保护环抑制边缘击穿时，离子注入虽可精确控制保护环的深度，但会产生侧向扩散且对内部晶格造成损伤；由于硅材料的光吸收系数，对近红外波段的光响应度很低，利用纳米压印等技术可增强红外吸收，但引入纳米微结构成本过高，同时又难以精确设计近红外下的不同波长增强响应。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的结构及制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
5.为实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的结构，包括：
6.衬底；
7.π型层，设置在衬底上表面上，用于吸收入射光；
8.p型层，设置在π型层上；
9.n
+
层，设置在p型层上，其中，p型层与n
+
层共同形成雪崩区；
10.沟道型保护槽，贯穿p型层，用于提升击穿电压；
11.所述沟道型保护槽将p型层上表面分隔为中间圆形部分与外围圆环部分；其中，n
+
层位于p型层中间圆形部分上；
12.二氧化硅绝缘层，覆盖在n
+
层、沟道型保护槽和p型层外围圆环部分上，用于作为表层钝化层；
13.第一电极，覆盖在n
+
层上方的二氧化硅绝缘层上，用于形成欧姆接触阳极；
14.衬底掏空区域，设置在衬底下表面，用于减小入射光在吸收区外的光损耗，同时减小载流子的渡越时间；
15.硅柱区，设置在衬底掏空区域的凹槽底部，用于增强近红外波段光的吸收；
16.第二电极，覆盖在衬底底部，且位于衬底掏空区域外围，用于形成欧姆接触阴极。
17.作为本发明的又一方面，还公开了背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的制备方
法，包括：
18.在衬底上表面制备π型层；
19.在π型层上制备p型层；
20.在p型层上制备二氧化硅层；
21.刻蚀所述二氧化硅层，形成离子注入窗口；
22.在离子注入窗口制备n
+
层；
23.刻蚀p型层和部分n
+
层，形成沟道型保护槽；所述p型层被沟道型保护槽分隔为中间圆形部分与外围圆环部分；
24.在p型层、沟道型保护槽和n
+
层上制备二氧化硅绝缘层；
25.在n
+
层上方的二氧化硅绝缘层上制备第一电极；
26.在衬底下表面刻蚀凹槽，制备衬底掏空区域；
27.在衬底的下表面，且位于衬底掏空区域的外围制备第二电极；
28.在衬底掏空区域凹槽底部制备硅柱区，完成所述新型背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的制备。
29.基于上述技术方案可以看出，本发明背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的结构及制备方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：
30.1、本发明采用电感耦合等离子刻蚀方法刻蚀微米级硅柱，且制备过程中未采用纳米级工艺，从而使该制备方法较纳米级工艺精度要求低，工艺容错度高，制备成本低且可重复性好，同时仍然保持对近红外波段的响应增强，使得低精度下实现近红外波段高响应度的雪崩光电探测器成为可能；
31.2、本发明通过设计不同的硅柱直径和硅柱间隔，以及刻蚀不同的深度的硅柱区，可以增强近红外波段下不同波长的响应，并调节量子效率；
32.3、本发明通过刻蚀沟道型保护环(guard-ring)，即沟道型保护槽，可调控边缘电场分布，有效抑制有源区边缘电场的击穿，同时通过设计不同的刻蚀深度，可以有效调节器件的击穿特性，从而使低精度工艺下具有沟道调控电场的特点；
33.4、本发明采用背入射方式，提高近红外波段响应的同时，降低了过剩噪声，同时通过沟道保护环区域的精确设计，能够准确调控边缘电场，达到了同时改良雪崩光电探测器三个特性(即抑制边缘击穿、低噪声、近红外波段响应)的效果。
附图说明
34.图1是本发明实施例中的背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的剖面结构示意图；
35.图2是本发明实施例中背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的俯视平面结构示意图；
36.图3是本发明实施例中背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的仰视平面结构图；
37.图4是本发明实施例中沟道保护槽深度和击穿电压的关系曲线图。
38.附图标记说明：
39.1-衬底；
40.2-衬底掏空区域；
41.3-硅柱区；
42.4-沟道型保护槽；
43.5-π型层；
44.6-p型层；
45.7-n
+
层；
46.8-二氧化硅绝缘层；
47.9-第一电极；
48.10-第二电极。
具体实施方式
49.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
50.本发明的主要目的在于提供一种背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的结构及制备方法，其旨在利用沟道刻蚀型保护环调控边缘电场分布的同时，在背部衬底掏空一定厚度后进一步刻蚀出微米级硅柱，从而使低精度工艺下具有沟道调控电场和背部硅柱调控近红外波段响应的特点。
51.本发明公开了背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的结构，包括：
52.衬底1；
53.π型层5，设置在衬底1上表面上，用于吸收入射光；
54.p型层6，设置在π型层5上；
55.n
+
层7，设置在p型层6上，其中，p型层6与n
+
层7共同形成雪崩区；
56.沟道型保护槽4，贯穿p型层6，用于提升击穿电压；
57.所述沟道型保护槽4将p型层6上表面分隔为中间圆形部分与外围圆环部分；其中，n
+
层7位于p型层6中间圆形部分上；
58.二氧化硅绝缘层8，覆盖在n
+
层7、沟道型保护槽4和p型层6外围圆环部分上，用于用于作为表层钝化层；
59.第一电极9，覆盖在n
+
层7上方的二氧化硅绝缘层8上，用于形成欧姆接触阳极；
60.衬底掏空区域2，设置在衬底1下表面，用于减小入射光在吸收区外的光损耗，同时减小载流子的渡越时间；
61.硅柱区3，设置在衬底掏空区域2的凹槽底部，用于增强近红外波段光的吸收；
62.第二电极10，覆盖在衬底1底部，且位于衬底掏空区域2外围，用于形成欧姆接触阴极。
63.在本发明的一些实施例中，所述衬底1的厚度为70至150μm。
64.在本发明的一些实施例中，所述衬底掏空区域2的深度为30至60μm，例如可以为30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm；
65.在本发明的一些实施例中，所述衬底掏空区域2的形状为圆柱形凹槽。
66.在本发明的一些实施例中，所述硅柱区3包含至少2个硅柱；
67.在本发明的一些实施例中，所述硅柱的形状包括圆柱体；
68.在本发明的一些实施例中，所述硅柱的高度为8至15μm，例如可以为8μm、9μm、10μ
m、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm；
69.在本发明的一些实施例中，所述硅柱的间隔周期为5至10μm，例如可以为5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm；
70.在本发明的一些实施例中，当所述硅柱的形状为圆柱体时，所述硅柱底部直径为3至8μm，例如可以为3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm。
71.在本发明的一些实施例中，所述π型层5的厚度为30至70μm；
72.在本发明的一些实施例中，所述π型层5的掺杂浓度为1
×
10
14
至5
×
10
14
cm-3
。
73.在本发明的一些实施例中，所述p型层6的厚度为4至10μm，例如可以为4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm；
74.在本发明的一些实施例中，所述p型层6的掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3
至3
×
10
15
cm-3
；
75.在本发明的一些实施例中，所述n
+
层7的厚度为0.1至0.5μm，例如可以为0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm。
76.在本发明的一些实施例中，所述沟道型保护槽4的形状包括环形槽；
77.在本发明的一些实施例中，所述沟道型保护槽4的宽度为1至6μm，例如可以为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm；
78.在本发明的一些实施例中，所述沟道型保护槽4的深度大于p型层6厚度且小于所述p型层6厚度与所述π型层5厚度之和。
79.在本发明的一些实施例中，所述第一电极9采用的材料包括铝、金、钛金或钛铂金合金；
80.在本发明的一些实施例中，所述第一电极9的厚度为300至600nm。
81.在本发明的一些实施例中，所述第二电极10采用的材料包括铝、金、钛金或钛铂金合金；
82.在本发明的一些实施例中，所述第二电极10的厚度为300至600nm。
83.本发明还公开了背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的制备方法，包括：
84.在衬底1上表面制备π型层5；
85.在π型层5上制备p型层6；
86.在p型层6上制备二氧化硅层；
87.刻蚀所述二氧化硅层，形成离子注入窗口；
88.在离子注入窗口制备n
+
层7；
89.刻蚀p型层6和部分n
+
层7，形成沟道型保护槽4；所述p型层6被沟道型保护槽4分隔为中间圆形部分与外围圆环部分；
90.在p型层6、沟道型保护槽4和n
+
层7上制备二氧化硅绝缘层8；
91.在n
+
层7上方的二氧化硅绝缘层8上制备第一电极9；
92.在衬底1下表面刻蚀凹槽，制备衬底掏空区域2；
93.在衬底1的下表面，且位于衬底掏空区域2的外围制备第二电极10；
94.在衬底掏空区域2凹槽底部制备硅柱区3，完成所述新型背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的制备。
95.在本发明的一些实施例中，制备所述沟道型保护槽4时，刻蚀所述n
+
层7宽度为2至4μm。
96.为了进一步了解本发明所述技术方案的发明内容、特点及有益效果，下文通过若干优选实施例来进一步阐述说明。其中，下述实施例中所采用的材料均采用市售，或者通过文献已报道方法自行制备。需要说明的是，下述实施例仅是用于说明本发明，而不是对本发明进行限定。
97.本发明的一个实施例中，公开了一种新型背入射近红外增强硅雪崩光电探测器，如图1、图2和图3所示，包括：减薄后的p
+
型衬底(即衬底1)、掏空一定深度后的区域(即衬底掏空区域2)、位于衬底1上方的外延π型层(即π型层5)、位于π型层5上方的外延p型层6、与p型层6紧挨的n
+
层7、位于n
+
层7两侧的沟道型保护槽4、位于光吸收π型层(即π型层5)正下方的中间微米级硅柱区(即硅柱区3)和衬底1下方的下端电极(即第二电极10)及n
+
层7上方的上端电极9(即第一电极9)。
98.所述衬底掏空区域2深度为30～60μm，以便留出下一步硅柱刻蚀的刻蚀空间。
99.所述减薄后的p
+
型衬底(即衬底1)为p
+
型高掺，以便与下端电极(即第二电极10)形成欧姆接触，具体掺杂浓度为1
×
10
19
cm-3
～1
×
10
21
cm-3
。
100.所述背部刻蚀的中间硅柱区(即硅柱区3)，为通过电感耦合等离子体刻蚀得到，硅柱直径为3至8μm，高度为8至15μm，硅柱间隔为5至10μm，呈等间隔分布。
101.所述π型层5为在减薄后的p
+
型衬底(即衬底1)上通过外延生长所得，厚度为30～70μm，掺杂浓度为1
×
10
14
cm-3
～5
×
10
14
cm-3
。
102.所述p型层6通过在所述π型层5上外延生长所得，厚度为4～10μm，掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3
～3
×
10
15
cm-3
。
103.所述n
+
层7为在所述p型层6通过磷离子两次离子注入后所得，第一次磷离子注入剂量为3
×
10
15
cm-3
～5
×
10
14
cm-3
，注入能量为50kev～200kev，退火推进温度为850℃～1050℃，退火推进时间为50～80s；第二次磷离子注入剂量为1
×
10
14
cm-3
～5
×
10
15
cm-3
，注入能量为30kev～60kev，退火温度为850℃～950℃，退火时间为50s～80s。
104.所述沟道型保护槽4为通过电感耦合等离子体刻蚀所得，位于前述n
+
层7两侧但刻蚀区域又与前述n
+
层7有部分重合，两侧沟道保护槽4宽度为2～6μm，刻蚀深度为0～6μm，且从未刻蚀到刻蚀过雪崩区(即刻蚀深度小于p型层6的厚度与π型层5厚度之和)，与n
+
层7重合部分的宽度为2～4μm。
105.所述第一电极9和第二电极10为金属薄膜电极，电极厚度为300～600nm，金属材料可以是铝al、金au、钛金合金ti/au或钛铂金合金ti/pt/au。
106.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背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的光敏面(含硅柱区3)及π型层5吸收，产生光生载流子，其中光生电子漂移至雪崩区即p型层6与n
+
层7界面区域发生倍增，原始光生电荷及雪崩倍增的电荷分别继续向两端电极漂移，从而产生光电流。
107.上述的新型背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
108.步骤1：预备表面清洁、干燥的p型高掺且晶向为(111)的硅单晶片衬底材料(即衬底1)；
109.步骤2：在硅单晶片(即衬底1)上通过气相外延生长一层π型层5，掺杂浓度1
×
10
14
cm-3
～5
×
10
14
cm-3
，厚度为30～70μm，用于吸收入射光；
110.步骤3：在前述气相外延生长所得的π型层5上，进一步气相外延生长一层p型层6，
掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3
～3
×
10
15
cm-3
，厚度为4～10μm；其中，p型层(6)与n+层(7)共同形成雪崩区；
111.至此，后续流片所用外延片已完成外延生长。
112.步骤4：在硅外延片上采用磁控溅射或pecvd生长一层二氧化硅，厚度约为0.2～0.5μm；
113.步骤5：在sio2膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩膜图形对光刻胶图形化，在sio2膜层光刻出离子注入区域待刻蚀二氧化硅；
114.步骤6：对已经图形化的区域进行二氧化硅刻蚀，去除未被保护的sio2膜层形成磷离子注入窗口；
115.步骤7：去除步骤5中剩余的光刻胶，并利用步骤6中的二氧化硅掩膜层进行磷离子注入，注入剂量为3
×
10
15
cm-3
～5
×
10
16
cm-3
，注入能量为50kev～200kev；
116.步骤8：在退火炉中进行快速热退火，退火温度为850℃～1050℃，退火时间为50～80s；
117.步骤9：再次利用步骤6中的二氧化硅掩膜层进行磷离子注入，注入剂量为1
×
10
14
cm-3
～5
×
10
15
cm-3
，注入能量为30kev～60kev；
118.步骤10：再次进行退火，此次采用快速热退火，退火温度为850℃～950℃，退火时间为50s～80s；
119.步骤7～步骤10共同作用形成n
+
层7，同p型层6所形成的结深为0.1～0.5μm；
120.其中，为提高n
+
层7表层掺杂浓度，且与电极形成欧姆接触，采用三次离子注入形成n
+
层7；
121.步骤11：在硅外延片正面旋涂上一层光刻胶(此次光刻胶胶厚须保证大于1μm)，再次利用掩膜图形对光刻胶进行图形化，光刻出沟道型保护槽区待刻蚀；
122.步骤12：利用步骤11所剩余的光刻胶作为掩膜，进行刻蚀出两侧保护环沟道(即沟道型保护槽4)，用于提升击穿电压；所得的两侧沟道型保护槽4宽度为2～6μm，刻蚀深度为0～6μm(从未刻蚀至刻蚀过雪崩区)，与n
+
层7重合部分的宽度为2～4μm。
123.步骤13：在硅外延片正面采用pecvd淀积一层二氧化硅，厚度为100～500nm，形成二氧化硅绝缘层8；
124.步骤14：去除前述步骤所残留的所有光刻胶，并在外延片正面继续淀积金属膜层(ti/au)，并刻蚀出金属电极图形，形成上端电极(即第一电极9)。
125.至此，器件正面部分的工艺处理全部结束。
126.步骤15：将硅外延片衬底(即衬底1)研磨抛光至厚度为100～150μm；
127.步骤16：在硅外延片衬底(即衬底1)旋涂上一层光刻胶，并利用掩膜图形对光刻胶图形化，在光刻胶上光刻出衬底掏空区域待刻蚀；
128.步骤17：以步骤16中剩余的光刻胶作掩膜，进行背部硅刻蚀，刻蚀深度为30～60μm，形成衬底掏空区域2；
129.步骤18：去除前面所产生的光刻胶，并在硅外延片背面淀积金属膜层(ti/au)，刻蚀出金属电极图形，形成下端电极(即第二电极10)；
130.步骤19：再次在硅外延片衬底旋涂上一层光刻胶(胶厚约1μm)，并利用掩膜图形对光刻胶图形化，在光刻胶上光刻出硅柱图形区域待刻蚀；
131.步骤20：以步骤23图形化的光刻胶作掩膜，刻蚀未被保护处的硅，刻蚀深度为8～15μm，形成硅柱区3；
132.步骤21：去除前述步骤所剩余的所有光刻胶，完成背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的设计的制备。
133.如图4所示，随着沟道保护槽4刻蚀深度的增加，背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的击穿电压呈现整体上升趋势，当沟道保护槽4的深度为0时，背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的击穿电压为72v；而当沟道保护槽4的深度为3μm时，背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的击穿电压为87v，击穿电压增长20.8％。因此，通过刻蚀沟道保护槽4可以有效提升器件击穿电压，抑制器件的击穿特性，从而使背入射近红外增强硅雪崩光电探测器在低精度工艺下具有沟道调控电场的特点。
134.本实施例所制备的新型微米级硅柱背入射近红外增强硅雪崩光电探测器在提高近红外波段响应的同时，又降低了过剩噪声，同时通过沟道保护环区域的精确设计，能够准确调控边缘电场，达到了同时改良雪崩光电探测器三个特性(抑制边缘击穿、低噪声、近红外波段响应)的效果。
135.本发明的另一个实施例，提供了一种新型背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
136.步骤1：预备表面清洁、干燥的p型高掺且晶向为(111)的硅单晶片衬底材料(即衬底1)；
137.步骤2：在硅单晶片(即衬底1)上通过气相外延生长一层π型层5，掺杂浓度5
×
10
14
cm-3
，厚度为50μm；
138.步骤3：在前述气相外延生长所得的π型层5上，进一步气相外延生长一层p型层6，掺杂浓度为3
×
10
15
cm-3
，厚度为7μm；
139.至此，后续流片所用外延片已完成外延生长。
140.步骤4：在硅外延片上采用磁控溅射生长一层二氧化硅，厚度为0.5μm；
141.步骤5：在sio2膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩膜图形对光刻胶图形化，在sio2膜层光刻出离子注入区域待刻蚀二氧化硅；
142.步骤6：对已经图形化的区域进行二氧化硅刻蚀，去除未被保护的sio2膜层形成磷离子注入窗口；
143.步骤7：去除步骤5中剩余的光刻胶，并利用步骤6中的二氧化硅掩膜层进行磷离子注入，注入剂量为3
×
10
15
cm-3
，注入能量为150kev；
144.步骤8：在退火炉中进行快速热退火，退火温度为1000℃，退火推进时间为80s；
145.步骤9：再次利用步骤6中的二氧化硅掩膜层进行磷离子注入，注入剂量为3
×
10
14
cm-3
，注入能量为30kev；
146.步骤10：再次进行快速热退火，退火温度为850℃，退火时间为50s；
147.步骤7～步骤10共同作用形成n
+
层7，同p型层6所形成的结深为0.5μm。
148.步骤11：在硅外延片正面旋涂上一层光刻胶(此次光刻胶胶厚须保证
149.大于1μm)，再次利用掩膜图形对光刻胶进行图形化，光刻出沟道型保护槽区待刻蚀；
150.步骤12：利用步骤11所剩余的光刻胶作为掩膜，进行刻蚀出两侧保护环沟道(即沟
道型保护槽4)，所得的两侧沟道保护槽4宽度为5μm，刻蚀深度为0～6μm(从未刻蚀至刻蚀过雪崩区)，与n
+
层7重合部分的宽度为2～4μm；
151.步骤13：在硅外延片正面采用pecvd淀积一层二氧化硅，厚度为100～500nm，形成二氧化硅绝缘层8；
152.步骤14：去除前述步骤所残留的所有光刻胶，并在外延片正面继续淀积金属膜层(ti/au)，并刻蚀出金属电极图形，形成第一电极9。
153.至此，器件正面部分的工艺处理全部结束。
154.步骤15：将硅外延片衬底(即衬底1)研磨抛光至厚度为120μm；
155.步骤16：在硅外延片衬底(即衬底1)旋涂上一层光刻胶，并利用掩膜图形对光刻胶图形化，在光刻胶上光刻出衬底掏空区域待刻蚀；
156.步骤17：以步骤16中剩余的光刻胶作掩膜，进行背部硅刻蚀，刻蚀深度为40μm，形成衬底掏空区域2；
157.步骤18：去除前面所产生的光刻胶，并在硅外延片背面淀积金属膜层(ti/au)，刻蚀出金属电极图形，形成第二电极10。
158.步骤23：再次在硅外延片衬底旋涂上一层光刻胶(胶厚约1μm)，并利用掩膜图形对光刻胶图形化，在光刻胶上光刻出硅柱图形区域待刻蚀；
159.步骤24：以步骤23图形化的光刻胶作掩膜，刻蚀未被保护处的硅，刻蚀深度为10μm，形成硅柱区3；
160.步骤25：去除前述步骤所剩余的所有光刻胶，完成背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的设计的制备。
161.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。