一种基于MEMS微结构硅的Si-PIN四象限光电探测器及其制备方法
【专利说明】—种基于MEMS微结构硅的S1-PIN四象限光电探测器及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于光电探测技术领域，涉及四象限光电探测器件结构，具体涉及一种基于MEMS微结构硅的正照式S1-PIN四象限光电探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在激光测距和光通讯技术中，所使用的光信号接收器件通常是单元器件，如PN结二极管、PIN光电二极管和APD 二极管等，但是如果要探测的目标是一个运动的物体，如飞行的导弹，它的位置会随时间发生改变，此时，我们不仅要知道目标的距离，还要知道目标的方位。这时，仅仅依靠单元探测器，无法同时实现精确定位和目标探测工作。
[0003]四象限光电探测器具有灵敏度和位置分辨率高、响应快、动态范围宽等特点，广泛应用于目标方位测量、跟踪等军事和民用装备和系统，如在激光制导、激光准直中通常使用。目前，现有的普通S1-PIN四象限光电探测器主要用于对可见光进行探测，而在军事和民用设备中，对探测波长为1060nm的S1-PIN四象限光电探测器提出了更高的要求。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种基于MEMS微结构硅的S1-PIN四象限光电探测器器件结构及其制备方法。具有在近红外波段响应度更高、探测波长范围更广，不同象限单元之间的探测信噪比更大，且制备工艺较为简单，具有成本低、响应速度快、易于集成等特点。
[0005]本发明为了解决上述技术问题，采用以下技术方案:
本发明提个了一种基于MEMS微结构硅的四象限光电探测器，如图1，所述四象限探测器由4个性能完全相同的S1-PIN单元光电探测器(图1中A、B、C、D)按照直角坐标排列而成。每个单元探测器的结构示意图如图2所示，包括硅本征衬底1、位于硅本征衬底I正面中央的P型区4、位于硅本征衬底I正面四周的环形P+区3、位于硅本征衬底I背面的N型MEMS微结构硅层区2、位于P型区4和P+区3上表面两侧的上电极5，以及位于N型MEMS微结构娃层区2下表面的下电极6。
[0006]上述技术方案中，所述N型MEMS微结构硅层2是在硅本征衬底I背面通过MEMS工艺形成的微米柱状阵列，然后再进行硫S或碲Te离子注入，最后，经磷P元素扩散掺杂形成N型MEMS微结构硅层；其中S离子或Te离子注入掺杂浓度范围为I X 114 1n/cm2?IXlO16 1n/cm2。
[0007]上述技术方案中，所述P+区3为硼B元素重扩散掺杂P+型区，结深为1.0 Pm?3.5 Mm，惨杂浓度范围为 I X 118 1n/cm3?5 X 10 19 1n /cm3。
[0008]上述技术方案中，所述P区4为硅本征衬底I正面经硼B扩散掺杂形成P型导电类型，结深为0.2Mm?3.0 Pm。
[0009]上述技术方案中，所述上电极5和下电极6为金属薄膜电极，金属材料可以是招(Al)、金(Au)或金络合金(Au/Cr)，厚度为50nm?150 nm。
[0010]本发明还提供了一种基于MEMS微结构硅的S1-PIN四象限光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1:选用硅单晶片材料作为衬底，在硅衬底表面氧化生长S1J莫层；
步骤2:在S1J莫层上沿着两条正交直径方向光刻出两条象限隔离槽，槽宽10Mffl?200Mm，槽深 3Mm ?5Mm ；
步骤3:在每个象限S1J莫层表面四周光刻出环形P +区的图形，然后进行硼B重扩散掺杂形成环形P+区(3)，掺杂浓度范围为I X 10 18 1n/cm3?5 X 10 19 1n/cm3；
步骤4:在每个象限S1J莫层表面光刻出P型区4的图形，然后进行硼B扩散掺杂形成P区4 ;
步骤5:对本征硅衬底背面进行减薄、研磨、抛光，使本征硅衬底厚度为2 O O μ m?300 μ m，并进行MEMS微结构硅层加工，形成呈阵列化排布的柱子、或孔；
步骤6:对步骤5处理后的MEMS微结构硅层进行S或Te元素掺杂，离子注入掺杂浓度范围为 IXlO14 1n/cm2?I X 10 16 1n/cm2；
步骤7:对步骤6处理后MEMS微结构硅层进行磷P重扩散掺杂，形成N型区2 ;
步骤8:制备金属电极。
[0011 ] 本发明的工作原理是:四象限光电探测器实质上是由四个单元S1-PIN光电探测器组成的阵列。单元器件的工作原理相同:当光照射到器件的光敏面上时，硅半导体吸收光，就会在耗尽层和距离耗尽层一个扩散长度范围内产生电子-空穴对，在电场的作用下分别向两极移动，当载流子漂移通过耗尽层时，在外电路就可以检测出光电压或光电流。当运动物体位置发生改变时，在每个象限上的探测器接受目标物体的光辐射通量就会产生差异，而这种差异会导致各象限探测器输出电信号不同，通过这种输出电信号的差异，我们就可以确定出目标物体的方位，从而实现定位、探测、追踪和制导等功能。
[0012]本发明将MEMS微结构硅层制备在象限探测器的背面，当未被吸收的光(通常是近红外光)透过本征层(I)时，MEMS微结构硅层(2)对透射光进行反射和吸收，可以明显提高光的吸收率，尤其是增强对红外光的吸收。值得注意的是，由于硅材料的禁带宽度较大(1.12 ev)，对红外光几乎是透明的，因此，红外光能几乎完全透过P型区和硅衬底，到达MEMS微结构硅层上，然而，我们制备的微结构硅层上的微结构可以对透过的光进行反射和吸收，同时，微结构硅层由于进行了 S和Te元素掺杂，改变了硅的能带结构，使得红外光能够被吸收，因此，我们发明的基于MEMS微结构硅的S1-PIN四象限光电探测器和普通硅四象限探测器相比，具有响应度高，光谱响应范围宽，不同象限单元间信噪比大等优点。
[0013]本发明提供的一种基于MEMS微结构硅的S1-PIN四象限光电探测器，所指MEMS微结构硅是单晶硅片经过MEMS工艺和离子注入工艺后得到的，具有很大的比表面积和光学限光结构，因此光的吸收率有很大的提高(吸收率可达到90%以上)；同时，MEMS微结构硅又经S离子或Te离子注入掺杂，有助于将透过本征层后的近红外波段光波反复增强吸收，从而拓宽S1-PIN四象限光电探测器的光谱响应范围。
[0014]本发明提供的一种基于MEMS微结构硅的S1-PIN四象限光电探测器，所用材料均以硅为基本材料，因此易于与现有半导体标准工艺兼容，且制备过程简单，成本低。采用MEMS微结构硅的特殊结构以及氧族元素掺杂，使该器件具有较高的响应度、宽的光谱响应范围以及不同象限单元之间探测信噪比大等特点。
【附图说明】
[0015]图1是本发明提供的一种基于MEMS微结构硅的S1-PIN四象限光电探测器的俯视结构示意图。
[0016]图2是本发明提供的一种基于MEMS微结构硅的S1-PIN四象限光电探测器的剖面结构示意图。
[0017]图3是本发明提供的基于MEMS微结构硅的S1-PIN光电探测器单元器件的的剖面结构示意图。
[0018]图4是本发明提供的基于MEMS微结构硅的S1-PIN光电探测器单元器件的的俯视结构示意图。
[0019]其中各附图标记的含义为:
A、B、C、D是4个性能完全相同的S1-PIN单元探测器件，I是硅本征衬底、2是N型MEMS微结构硅层区、3是P+区、4是P型区、5是上电极、6是下电极、7是隔离槽。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方法作进一步的说明。
[0021 ] 我们发明的一种基于MEMS微结构硅的四象限光电探测器，就是由4个性能完全相同的以单元S1-PIN光电探测器按照直角坐标排列而成，可用于激光瞄准、激光制导、激光定位、激光打靶等。相比于传统的S1-PIN四象限光电探测器，由于采用独特的材料及器件结构，我们发明的四象限光电探测器的响应度更高(尤其在近红外波段)、探测波长范围更广；而相比于基于InGaAs材料的四象限探测器，新器件又具有材料价格低廉、热机械性能好、与现有微电子工艺兼容等优点。
[0022]一种基于MEMS微结构硅的S1-PIN四象限光电探测器，如图1，所述象限探测器由四个性能完全相同的S1-PIN单元光电探测器(图1中A、B、C、D)按照直角坐标排列而成。每个单元探测器的结构示意如图2所示，包括硅本征衬底1、位于硅本征衬底I正面中央的P型区4、位于硅本征衬底I正面四周的环形P+区3、位于硅本征衬底I背面的N型MEMS微结构硅层区2、位于P型区4和P+区3上表面两侧的上电极5，以及位于N型MEMS微结构娃层区2下表面的下电极6。
[0023]上述技术方案中:
所述N型区2为硅本征衬底I背面通过MEMS工艺形成的微米柱(孔)状阵列，然后再进行S离子或Te离子注入掺杂得到MEMS微结构硅层，再经磷P元素扩散掺杂形成N型导电类型；其中S或Te离子注入掺杂浓度范围为I X 114 1n/cm2 ~ I X 116 1