专利名称：具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光电探测器的结构及其制作方法，特别涉及一种具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法。
背景技术：
对于普通晶体硅而言，一方面由于其禁带宽度为1. lkv，无法吸收波长大于 1. Iym波长的光，限制了硅光电器件的可用波段和灵敏度；另一方面，虽然利用普通晶体硅制作的p-n和p-i-n型光电探测器早已实现，但这种探测器的峰值响应大约在900nm左右，只能适合用于光通信中的850nm波段的探测，无法应用于光通信中的1310nm和1550nm 两个重要窗口。而III-V族材料虽然在这方面的工艺已经成熟并实现了产业化，但其价格昂贵、热学机械性能较差，并且不能与现有成熟的硅基工艺兼容。1998年美国哈佛大学教授艾瑞克·马兹尔和他的研究团队利用超强飞秒激光扫描置于六氟化硫气体中的硅片表面，获得了一种森林状微结构锥体表面材料，其在 0. 25-2. 5μπι的光谱范围内具有> 90%的光吸收率，极大地拓展了硅基材料的光谱吸收范围[App 1. Phys. Lett. 73，1673 (1998)]。由于这种新材料对太阳光具有几乎黑体吸收的效果，所以亦称之为“黑硅”。然而，由于黑硅材料的迁移率低、载流子寿命短、重掺杂表层俄歇复合严重等不足，极大地制约了黑硅探测器红外光谱响应度的提高。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法，以解决传统硅光电探测器对1.1微米以上波长的光无响应的难题，拓宽硅光电探测器的光谱响应范围。为达到上述目的，本发明提供一种具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法，该方法包括步骤1 在ρ型硅基衬底的一面制作二氧化硅掩蔽层；步骤2 光刻二氧化硅掩蔽层，在二氧化硅掩蔽层的中间形成一环形和圆形η型掺杂窗口 ；步骤3 在环形和圆形η型掺杂窗口采用磷离子注入或磷扩散的方法，形成η型掺杂层，环形η型掺杂层形成PN结保护环，圆形η型掺杂层形成PN结光敏区；步骤4 在硫系环境下，采用超快激光脉冲辐照η型硅靶材表面的方法，在圆形PN 结光敏区的表面形成硅纳米点层；步骤5 在硅纳米点层上面淀积一层增透膜层；步骤6 光刻增透膜层，在增透膜层的表面形成环形电极窗口 ；步骤7 在环形电极窗口上制备光敏区正面接触电极；步骤8 在保护环上制备正面接触电极；步骤9 在ρ型硅基衬底的背面制备背面接触电极，完成器件的制作。
其中所述硅纳米点层为掺有硫系元素的硅材料，其表面纳米颗粒间隔为 0. 1-20 μ m，颗粒尺度为 IO-IOOnm0其中掺有硫系元素的硅材料对1μπι-2. 5μπι波长范围内的光具有> 30%的光吸收率。其中所述ρ型硅基衬底采用ρ型(100)单晶硅，厚度为100至500 μ m，电阻率为1 至 1000 Ω · cm。其中所述增透膜层的材料是二氧化硅或氮化硅或及其组合，其中所述增透膜层的厚度为 100-200nm。其中所述二氧化硅掩蔽层是采用热氧化或淀积的方法生长，其中所述二氧化硅掩蔽层的厚度为300nm-lym。其中PN结保护环和PN结光敏区的η型掺杂深度为0. 15微米至1微米，表面浓度为 IO17 至 IO20Cm3。其中所述超快激光脉冲辐照时的硫系环境为硫系气体、硫系粉末或硫系液体。其中所述超快激光脉冲辐照时的激光脉冲为纳秒激光脉冲、皮秒激光脉冲或飞秒激光脉冲。从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、本发明提出的这种具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构，该结构可充分利用黑硅材料对红外光高吸收率的特点，同时通过表面纳米点的方式避免了该材料的不足之处，解决了传统硅光电探测器对1.1微米以上波长的光谱无响应的难题，拓宽了硅光电探测器的光谱响应范围，有效提高了硅光电探测器的光谱响应度。2、采用磷离子注入或磷扩散的方式形成η型掺杂层，该掺杂层与ρ型硅基衬底层形成PN结光敏区和保护环。保护环有效降低了探测器噪声，圆形光敏区有效防止了 ρη结的边缘击穿。3、本发明提出的一种具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法， 其工艺与标准硅工艺兼容，有利于探测器和微电子器件的集成。
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，其中图Ia-图If为本发明提供的制作具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的流程示意图；图2为本发明提供的具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构(图If)俯视图，。
具体实施例方式请参阅图1至图2所示，本发明提供一种具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法，该方法包括步骤1:在ρ型硅基衬底1的一面制作二氧化硅掩蔽层2 (参阅图la)；其中，所述ρ型硅基衬底1采用ρ型(100)单晶硅，厚度为100至500 μ m，电阻率为 1 至 1000 Ω · cm ；其中，所述二氧化硅掩蔽层2是采用热氧化或淀积方法生长，所述二氧化硅掩蔽层2的厚度为300nm-l μ m ；步骤2 光刻二氧化硅掩蔽层2，在二氧化硅掩蔽层2的中间形成一环形和圆形η 型掺杂窗口(参阅图2)；步骤3 在环形和圆形η型掺杂窗口采用磷离子注入或磷扩散的方法，形成η型掺杂层，环形η型掺杂层形成PN结保护环3，圆形η型掺杂层形成PN结光敏区4 (参阅图lb)；其中，所述PN结保护环3和PN结光谱响应区4的η型掺杂深度为0. 15微米至1 微米，表面浓度为IO17至IO2ciCnT3 ；其中，保护环有效降低了探测器噪声，圆形光敏区有效防止了 ρη结的边缘击穿；步骤4 在硫系环境下，采用超快激光脉冲辐照η型硅靶材表面的方法，在圆形PN 结光敏区4的表面形成硅纳米点层5 (参阅图Ic)；其中，所述硅纳米点层5为掺有硫系元素的硅材料，其表面纳米颗粒间隔为 0. 1-20 μ m，颗粒尺度为10-100nm。所述掺有硫系元素的硅材料对1 μ m-2. 5 μ m波长范围内的光具有> 30%的光吸收率；其中，所述超快激光脉冲辐照时的硫系环境为硫系气体、硫系粉末或硫系液体。所述超快激光脉冲辐照时的激光脉冲为纳秒激光脉冲、皮秒激光脉冲或飞秒激光脉冲；步骤5 在硅纳米点层5上面淀积一层增透膜层6 (参阅图Id)；其中，所述增透膜层6的材料是二氧化硅或氮化硅或及其组合，所述增透膜层6的厚度为 100-200nm ；步骤6 光刻增透膜层6，在增透膜层6的表面形成环形电极窗口 ；步骤7 在环形电极窗口上制备光敏区正面接触电极7 (参阅图Ie)；步骤8 在保护环3上制备正面接触电极8 (参阅图Ie)；步骤9 在ρ型硅基衬底1的背面制备背面接触电极9 (参阅图If)，完成器件的制作。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，所应理解的是，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。
权利要求
1.一种具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法，该方法包括步骤1 在P型硅基衬底的一面制作二氧化硅掩蔽层；步骤2 光刻二氧化硅掩蔽层，在二氧化硅掩蔽层的中间形成一环形和圆形η型掺杂窗Π ；步骤3 在环形和圆形η型掺杂窗口采用磷离子注入或磷扩散的方法，形成η型掺杂层，环形η型掺杂层形成PN结保护环，圆形η型掺杂层形成PN结光敏区；步骤4 在硫系环境下，采用超快激光脉冲辐照η型硅靶材表面的方法，在圆形PN结光敏区的表面形成硅纳米点层；步骤5 在硅纳米点层上面淀积一层增透膜层；步骤6 光刻增透膜层，在增透膜层的表面形成环形电极窗口 ；步骤7 在环形电极窗口上制备光敏区正面接触电极；步骤8 在保护环上制备正面接触电极；步骤9 在ρ型硅基衬底的背面制备背面接触电极，完成器件的制作。
2.根据权利要求1所述的具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法， 其中所述硅纳米点层为掺有硫系元素的硅材料，其表面纳米颗粒间隔为0. 1-20 μ m，颗粒尺度为 10-100nm。
3.根据权利要求2所述的具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法， 其中掺有硫系元素的硅材料对1μπι-2. 5μπι波长范围内的光具有> 30%的光吸收率。
4.根据权利要求1所述的具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法，其中所述P型硅基衬底采用P型(100)单晶硅，厚度为100至500 μ m，电阻率为1至 1000 Ω · cm。
5.根据权利要求1所述的具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法， 其中所述增透膜层的材料是二氧化硅或氮化硅或及其组合，其中所述增透膜层的厚度为 100-200nm。
6.根据权利要求1所述的具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法， 其中所述二氧化硅掩蔽层是采用热氧化或淀积的方法生长，其中所述二氧化硅掩蔽层的厚度为 300nm-l μ m。
7.根据权利要求1所述的具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法， 其中PN结保护环和PN结光敏区的η型掺杂深度为0. 15微米至1微米，表面浓度为IO17至 ΙΟ^πΓ3。
8.根据权利要求1所述的具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法， 其中所述超快激光脉冲辐照时的硫系环境为硫系气体、硫系粉末或硫系液体。
9.根据权利要求8所述的具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法， 其中所述超快激光脉冲辐照时的激光脉冲为纳秒激光脉冲、皮秒激光脉冲或飞秒激光脉冲。
全文摘要
一种具有红外响应的表面纳米点硅光电探测器结构的制作方法，包括在p型硅基衬底的一面制作二氧化硅掩蔽层；光刻二氧化硅掩蔽层，在二氧化硅掩蔽层的中间形成一环形和圆形n型掺杂窗口；在环形和圆形n型掺杂窗口采用磷离子注入或磷扩散的方法，形成n型掺杂层，环形n型掺杂层形成PN结保护环，圆形n型掺杂层形成PN结光敏区；在硫系环境下，采用超快激光脉冲辐照n型硅靶材表面的方法，在圆形PN结光敏区的表面形成硅纳米点层；在硅纳米点层上面淀积一层增透膜层；光刻增透膜层，在增透膜层的表面形成环形电极窗口；在环形电极窗口上制备光敏区正面接触电极；在保护环上制备正面接触电极；在p型硅基衬底的背面制备背面接触电极，完成器件的制作。
文档编号H01L31/18GK102227005SQ20111015546
公开日2011年10月26日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者刘德伟, 朱小宁, 朱洪亮, 王熙元, 马丽, 黄永光 申请人:中国科学院半导体研究所