硅基宽光谱探测器及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种硅基宽光谱探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]宽光谱的多色成像和探测在高质量人像照相、农业、军事、环境监测、地质勘查、海洋遥感、大气遥感、生物医学等方面有广泛的应用前景，成为近年来光电子领域的研究热点。一般情况下，一种半导体材料只能对特定的波长范围内的光进行响应探测，为了实现宽光谱的探测，必须要将不同半导体材料进行集成，以拓展光响应范围。现在的光电探测器普遍使用直接带隙的II1-V族半导体材料，例如InGaAs、InSb、InAs等材料。通过不同带隙宽度的II1-V材料的异质外延集成，可以实现高效率的宽光谱探测。而采用宽光谱探测器的阵列与硅微电子探测器读出电路集成，则可以实现宽光谱成像，将极大地提高宽光谱探测器的应用范围。可惜的是，虽然直接带隙的II1-V族材料具有很好的探测效率，但是其价格相对昂贵，热学机械性能差，最重要的是无法与硅微电子芯片实现工艺兼容，这极大地限制了应用。
[0003]由于硅的禁带宽度为1.12eV，无法有效吸收波长大于llOOnm的光信号。另外，虽然硅可以吸收短波长的光信号(< 400nm)，但是其在硅中的穿透深度非常有限，因此，通常硅探测器只能有效探测300nm-1100nm的光信号。而同为IV族元素的锗材料，在近红外波段具有较高的响应，锗探测器可以有效探测800nm-1700nm的光信号。采用锗锡合金探测器，则可以有效探测800nm-2000nm的光信号。而且锗和锗锡合金都可以在硅上实现外延生长，并能完全兼容现有的硅CMOS工艺，可以有效地降低成本。因此，通过硅和锗及锗锡合金的合理集成，充分地利用材料不同波段的光探测能力，可以将硅基探测器的响应波长扩宽为300nm-2000nm,实现宽光谱探测。另外，本发明以硅为基底，可利用硅在微电子领域的强大的电信号处理能力，为今后硅基宽光谱探测器的阵列化提供良好的集成基础和优化空间。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，提供一种硅基宽光谱探测器及制备方法，其是采用横向p-1-n结构，硅本征区和长波吸收层参与不同光信号的吸收，充分地利用硅和长波吸收层在不同波段的光探测能力，从而实现300nm-2000nm的宽光谱探测。
[0005]本发明提供一种硅基宽光谱探测器，包括:
[0006]— SOI衬底，包括一底部Si材料层和制作在其上的二氧化硅填埋层以及制作在二氧化硅填埋层上的顶层硅，该顶层硅位于二氧化硅填埋层的中间，该二氧化硅填埋层的两侧形成台面，该顶层硅上面的两侧分别制作有ρ型掺杂区和η型掺杂区，中间为硅本征区；
[0007]—二氧化硅窗口层，其制作在二氧化硅填埋层两侧的台面上及覆盖顶层硅的部分表面，对应所述ρ型掺杂区、η型掺杂区和硅本征区上的二氧化硅窗口层上开有窗口 ；
[0008]—长波吸收层，其外延生长于二氧化硅窗口层中的硅本征区上；
[0009]—绝缘介质层，其制作在二氧化硅窗口层及长波吸收层上；
[0010]一 ρ电极，其制作在顶层硅上面的ρ型掺杂区上；以及
[0011]一 η电极，其制作在顶层硅上面的η型掺杂区上。
[0012]本发明还提供一种硅基宽光谱探测器的制备方法，包括如下步骤:
[0013]步骤1:采用刻蚀或腐蚀的方法，将SOI衬底顶层硅的四周刻蚀或腐蚀形成台面，刻蚀或腐蚀的深度到达二氧化硅填埋层；
[0014]步骤2:分别在顶层硅上的两侧制作ρ型掺杂区和η型掺杂区，中间为硅本征区；
[0015]步骤3:在二氧化硅填埋层两侧的台面上及覆盖顶层硅的部分表面制作二氧化硅窗口层，对应所述Ρ型掺杂区、η型掺杂区和娃本征区上的二氧化娃窗口层上开有窗口 ；
[0016]步骤4:在二氧化硅窗口层的窗口中露出的硅本征区之上，外延生长长波吸收层；
[0017]步骤5:在长波吸收层和二氧化硅窗口层上沉积绝缘介质层；
[0018]步骤6:在ρ型掺杂区对应的顶层硅上制作ρ电极；
[0019]步骤7:在η型掺杂区对应的顶层硅上制作η电极；
[0020]步骤8:退火，完成制备。
[0021]从上述技术方案可以看出，本发明在硅上采用横向p-1-n结构，硅本征区23和长波吸收层40参与不同光信号的吸收，充分地利用硅和长波吸收层在不同波段的光探测能力，从而实现300nm-2000nm的宽光谱探测。在硅基宽光谱光处理和光成像领域具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0022]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，对本发明进一步详细说明，其中:
[0023]图1、图2为本发明制备的结构示意图；
[0024]图3为本发明的制备流程图。
【具体实施方式】
[0025]请参阅图1、图2所示，本发明提供一种硅基宽光谱探测器，包括:
[0026]— SOI衬底10，包括一底部Si材料层13和制作在其上的二氧化硅填埋层12以及制作在二氧化硅填埋层12上的顶层硅11。该顶层硅11位于二氧化硅填埋层12的中间，该二氧化硅填埋层12的四周形成台面12’，该顶层硅11上面的两侧分别制作有ρ型掺杂区21和η型惨杂区22，中间为娃本征区23。ρ型惨杂区21、娃本征区23、长波吸收层40和η型惨杂区22形成横向p-1-n结构。娃本征区23吸收入射光的波长范围为300nm-1100nm。所述的顶层硅11为轻掺杂或本征材料，电阻率大于1欧姆/厘米，以提高光生载流子的寿命，有利于光信号的提取，特别是波长短、穿透深度小的波段。为了提高顶层硅11对300nm-1100nm光的吸收效率，需要足够厚的顶层娃11作为吸收层，其厚度至少大于200nm。所述的顶层娃11的形状为矩形，也可为其它形状，其尺寸直接关系探测器以及受光面的大小。若做为高密度的探测器阵列，则尺寸可小于ΙΟΧΙΟμπι2。在顶层硅11两侧分别制作有ρ型掺杂区21和η型掺杂区22，中间则为硅本征区23。所述的ρ型掺杂区21和η型掺杂区22的掺杂浓度均大于10lscm 3。所述的ρ型掺杂区21和η型掺杂区22的掺杂方式有扩散和离子注入等形式。所述的硅本征区23作为光吸收层，是为了提高硅对短波长(波长< 400nm)光信号的吸收。短波长光信号在锗或锗锡合金中的穿透深度只有几纳米，在硅中的穿透深度也仅为十几或几十纳米。锗或锗锡合金虽然可以吸收短波长光信号，但是由于表面缺陷的存在，难以提取短波长光信号；而P型掺杂区21和η型掺杂区22由于掺杂浓度高，光生载流子的寿命很短，且没有内建电场以加速光生载流子的漂移，因此也难以提取短波长光信号。只有利用硅的横向P-1-n结构的硅本征区作为光吸收区，才能有效提取短波长光信号。
[0027]—二氧化硅窗口层30，其制作在二氧化硅填埋层12两侧的台面12’上及覆盖顶层硅11的部分表面，对应所述ρ型掺杂区21、η型掺杂区22和硅本征区23上的二氧化硅窗口层30上开有窗口。所述的二氧化硅窗口层30的制备方法可以采用热氧化顶层硅11、溅射生长或化学气相沉积的方法实现。若采用热氧化顶层硅11的方法，则二氧化硅填埋层12上不会有二氧化娃窗口层30生成，但在顶层娃11表面可形成高质量的娃/ 二氧化娃界面。高质量硅/ 二氧化硅界面将有效地减少顶层硅11的表面态，减少短波长光生载流子的复合，从而提高短波长光信号的提取。制作二氧化硅窗口层30的穿孔可以通过HF腐蚀或干法刻蚀等方式形成。采用HF腐蚀，可以避免干法刻蚀引入的表面粗糙和缺陷，从而提高后续外延长波吸收层40的质量。所述的硅本征区23通过腐蚀或刻蚀二氧化硅窗口层30露出的面积决定了后续外延长波吸收层40的位置和面积。未露出的娃本征区23将用于吸收短波长的光信号。另外，由于不同的区域吸收不同的光信号，因此需要调整露出的硅本征区23和未露出的硅本征区23之间的比例，以协调探测器在不同波长光信号的吸收能力；
[0028]—长波吸收层40，其外延生长于二氧化硅窗口层30中的硅本征区23上，所述的长波吸收层40的材料为纯锗、锗锡合金或锗硅合金。所述的长波吸收层40为本征或非有意掺杂的锗材料或锗锡合金材料或锗硅材料。所述的长波吸收层40和硅本征区23均通过共同的Ρ型掺杂区21和η型掺杂区22提取光生载流子。通常硅探测器只能有效探测300nm-1100nm的光信号，锗探测器可以有效探测800nm_1700nm的光信号，而锗锡探测器可以将有效探测波长增加到2000nm及以上。通过硅和锗或锗锡合金的集成，充分地利用硅和锗在不同波段的光探测能力，可以将硅基探测器的