专利名称：以黑硅为光敏层的Si-APD光电探测器及其制备方法
技术领域：
本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，尤其是一种以黑硅材料为光敏层的S1-APD光电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、激光告警系统和激光测距系统等的重要组成部分，在民用和军用方面均得到了广泛的应用。Aro是一种具有内增益能力的光探测器，具有很高的灵敏度，被广泛地应用在超高速光通信、信号处理、测量和传感系统中。APD是现代高比特速率光通信系统广泛使用的光电探测器，以其体积小、测量波段范围宽以及在近红外波段有较高灵敏度等一系列的优点，已大量用于弱光场测量、光子计数等相关领域中。由于Aro光电探测器具有较高的内增益和探测灵敏度比PIN型光二极管高的特点，因此是目前1.06 μπι激光测距机中最常用的优良器件。目前，以InGaAs制作的APD已作为高灵敏度、高响应度的光电探测器在光纤传感等领域广泛使用，并占据了主导地位。但是，InGaAs单晶半导体材料存在价格昂贵、热机械性能较差、晶体质量较差且不易与现有硅微电子工艺兼容等缺点。Si材料具有易于提纯、易掺杂、资源丰富、成本低、易于大规模集成和相关技术成熟等优点，是半导体行业中应用最为广泛的一类材料。然而，由于其禁带宽度较大(1.12eV)，即使在Si光电探测器光敏面区沉积了增透膜以提高探测器的响应度，仍然无法达到探测大于IlOOnm的光波信号并以电信号输出的目的。 黑娃材料是一种娃表面微结构化的材料层，该材料对可见光及近红外光的吸收率可达到90%以上，且光谱吸收范围覆盖了近紫外 近红外波段(0.25μπι 2.5μπι)。目前制备这种黑硅材料的方法有很多，包括飞秒激光法、反应离子刻蚀法、普通化学刻蚀和电化学腐蚀法等。随着这种黑硅材料的发现，使得研制具有高响应度和宽光谱响应的新型S1-APD光电探测器成为可能。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是=InGaAs晶体材料存在价格昂贵、热机械性能较差、晶体质量较差且不易与现有硅微电子工艺兼容的缺点；Si半导体材料由于禁带宽度较大，传统S1-APD光电探测器存在响应度较低、光谱探测范围有限的不足。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
一种以黑娃为光敏层的S1-APD光电探测器,其特征在于,包括娃本征衬底1、位于娃本征衬底I上表面中央的N+区2、位于N+区2下方的P型区3、位于硅本征衬底I上表面四周的环形N型区4、位于N+区2上表面的N+区黑硅层5、位于硅本征衬底I下表面的P+区6、位于N+区黑硅层5和环形N型区4上表面的上电极7以及位于P+区6下表面的下电极8。
在本发明中，所述N+区2为磷重扩散掺杂N型区，结深为0.1 μπι 0.5 μ m，掺杂浓度 ≥1 X 102Clion/cm3。在本发明中，所述P型区3为硼扩散掺杂P型区，结深为0.5μπι 3.0μπι，掺杂浓度范围为 4Χ IO15 ion/cm3 2X1017 ion /cm3。在本发明中，所述环形N型区4为磷扩散掺杂N型区，结深为1.5μπι 3.5 μ m，掺杂浓度范围为 4X IO15 ion/cm3 2X IO17 ion /cm3。 在本发明中，所述N+区黑硅层5为N+区2表面经化学腐蚀扩面后进行Se或Te离子注入掺杂得到；其中Se或Te离子注入剂量范围为IXlO14 ion/cm2 IXlO16 ion/cm2。在本发明中，所述P+区6为硼重扩散掺杂P型区，结深为0.5μπι 2.0μπι，掺杂浓度 ≥1 X 102Clion/cm3。在本发明中，所述上电极7和下电极8为金属薄膜电极，金属材料为铝(Al)、金(Au)或金铬合金(Au/Cr)。制备前文所述的以黑硅材料为光敏层的S1-Aro光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
①在本征硅衬底I上表面氧化 生长SiO2膜层，所用本征硅衬底为(111)晶向的高阻单晶硅衬底，电阻率为1000 Ω.cm 2000 Ω.cm ;Si02膜层厚度为300nm 400nm，生长温度为 IOOO0C ；
②在SiO2膜层表面四周光刻出环形N型区4的图形，然后进行磷扩散掺杂形成环形N型区4 ;磷扩散掺杂形成环形N型区4时温度为100(TC 1100°C，磷扩散掺杂浓度范围为4 X IO15 ion/cm3 2X IO17 ion / cm3,结深为 1.5ym 3.5 μ m ；
③在SiO2膜层表面光刻出P型区3的图形，然后进行硼扩散掺杂形成P型区3;硼扩散掺杂形成P型区3时温度为1000°C，P型区3的结深为0.5μπι 3.0 μ m，掺杂浓度范围为4 X IO15 ion/cm3 2 X IO17 ion /cm3;
④在SiO2膜层表面光刻出N+区2的图形，然后进行磷重扩散掺杂形成N+区2;磷重扩散掺杂形成N+区2时温度为1000°C，N+区2的结深为0.1ym 0.5 μ m，掺杂浓度^lX 102Clion/cm3 ；
⑤对经步骤④处理的磷重掺杂N+区2经化学腐蚀扩面后进行Se或Te离子注入掺杂，从而形成N+区黑硅层5;
⑥对本征硅衬底I下表面进行硼重扩散掺杂形成P+区6;硼重扩散掺杂形成P+区6时温度为1000°C 1100°C，硼重扩散掺杂浓度彡IXlO20 ion/cm3，结深为0.5μπι 2.0 μ m ；
⑦电极制备。作为本发明更进一步的说明，所述步骤⑤对N+区2进行化学腐蚀扩面处理时，所用腐蚀液是通过去离子水、无水乙醇、氢氟酸、氯金酸和浓度为30%的双氧水按体积比混合而成；其中，无水乙醇用量体积占腐蚀液总体积百分比范围为9% 15%;氢氟酸体积占腐蚀液总体积百分比范围为9% 15%;氯金酸体积占腐蚀液总体积百分比范围为4% 7%；浓度为30%的过氧化氢体积占腐蚀液总体积百分比范围为50% 60% ;其余为去离子水。作为本发明更进一步的说明，所述步骤⑤对经步骤④处理的磷重掺杂N+区2表面的N+区进行离子注入掺杂时,掺杂元素为硒(Se)或締(Te),离子注入剂量范围为IXlO14ion/cm2 I X IO16 ion/cm2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
一、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S1-Aro光电探测器的光敏面即N+区黑硅层所吸收，产生的光生载流子(空穴电子对)在Aro光二极管内部高电场作用下高速运动，在运动过程中通过碰撞电离效应，产生数量为首次空穴电子对几十倍的二次、三次新空穴电子对，从而形成很大的光信号电流。二、在现有的S1-Aro光电探测器中采用了黑硅材料作为光敏层，由于黑硅材料经化学腐蚀扩面处理，具有极高的比表面积，因此光吸收率有明显的提高，吸收率可达到90%以上；同时，黑硅材料经磷重扩散掺杂形成N+区导电类型，作为Aro光电探测器的吸收光抗反射功能区；最后，Se或Te离子注入掺杂有助于光敏层吸收近红外波段光波，从而有效拓宽光电探测器的响应波段。三、本发明与传统的S1-Aro光电探测器相比，在器件的N+区和P型区四周增加了环形N型区，由于环形N型区的存在，能够减少横向暗电流的产生，有助于迅速吸收光照时产生的光生电子，从而大大提高器件的响应速度。四、本发明是将新型黑硅材料与传统S1-Aro光电探测器相结合的一种新型S1-Aro光电探测器结构；由于黑硅材料具有宽光谱吸收和低反射率等特点，使得这种新型S1-APD光电探测器具有光谱延伸的特征和较高的响应度，特别能在700nm 1200nm波长范围内提高器件的响应度和量子效率。五、本发明提供的以黑硅材料为光敏层的S1-Aro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，制备过程简单，成本低；并且，由于黑硅材料的微结构以及具有氧族元素掺杂，使该新型器件具有较高的响应度和宽的光谱响应范围。
图1是本发明提供的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器的剖面结构示意图； 图2是本发明提供的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器的俯视平面结构示意图； 图3是本发明提供的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器的制备方法流程示意图； 其中附图标记:1是硅本征衬底、2是N+区、3是P型区、4是环形N型区、5是N+区黑硅
层、6是P+区、7是上电极、8是下电极。
具体实施例方式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。一种以黑硅为光敏层的S1-APD光电探测器，如图1、2所示，包括硅本征衬底1、位于娃本征衬底I上表面中央的N+区2、位于N+区2下方的P型区3、位于娃本征衬底I上表面四周的环形N型区4、位于N+区2上表面的N+区黑硅层5、位于硅本征衬底I下表面的P+区6、位于N+区黑硅层5和环形N型区4上表面的上电极7以及位于P+区6下表面的下电极8。上述技术方案中:
所述N+区2为磷重扩散掺杂N型区，结深为0.1 μπι 0.5μm，掺杂浓度彡lX102°iOn/
3
cm ο
所述P型区3为硼扩散掺杂P型区，结深为0.5μπι 3.0 μ m，掺杂浓度范围为4X IO15 ion/cm3 2 X IO17 ion /cm3。所述环形N型区4为磷扩散掺杂N型区，结深为1.5μπι 3.5 μ m，掺杂浓度范围为 4X1015 ion/cm3 2X IO17 ion /cm3。所述N+区黑硅层5为N+区2表面经化学腐蚀扩面后进行Se或Te离子注入掺杂得到；其中Se或Te离子注入剂量范围为IXlO14 ion/cm2 IXlO16 ion/cm2。所述P+区6为硼重扩散掺杂P型区，结深为0.5 μ m 2.0 μ m,掺杂浓度^lX 102Clion/cm3。所述上电极7和下电极8为金属薄膜电极，金属材料可以是铝(Al)、金(Au)或金铬合金(Au/Cr)。一种以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器的制备方法，如图3所示，包括以下步骤:
步骤1:在本征硅衬底I上表面氧化生长SiO2膜层。所用本征硅衬底为(111)晶向的高阻单晶硅衬底，电阻率为1000 Ω.Cm 2000 Ω.cm ;Si02膜层厚度为300nm 400nm，生长温度为1000°C。步骤2:在SiO2膜层表面四周光刻出环形N型区4的图形，然后进行磷扩散掺杂形成环形N型区4 ;磷扩散掺杂形成环形N型区4时温度为1000°C 1100°C，磷扩散掺杂浓度范围为 4X IO15 ion/cm3 2X IO17 ion /cm3,结深为 1.5 μ m 3.5 μ m。步骤3:在SiO2膜层表面光刻出P型区3的图形，然后进行硼扩散掺杂形成P型区3 ;硼扩散掺杂形成P型区3 时温度为1000°C，P型区3的结深为0.5 μ m 3.0 μ m，掺杂浓度范围为 4X IO15 ion/cm3 2X1017 ion /cm3。步骤4:在SiO2膜层表面光刻出N+区2的图形，然后进行磷重扩散掺杂形成N+区2 ;磷重扩散掺杂形成N+区2时温度为1000°C，N+区2的结深为0.1 μ m 0.5 μ m，掺杂浓度> I X IO2ciion/cm3。步骤5:对经步骤4处理的磷重掺杂N+区2经化学腐蚀扩面后进行Se或Te离子注入掺杂，从而形成N+区黑硅层5。步骤6:对本征硅衬底I下表面进行硼重扩散掺杂形成P+区6 ;硼重扩散掺杂形成P+区6时温度为1000°C 1100°c，硼重扩散掺杂浓度彡1X102° ion/cm3，结深为0.5 μ m
2.0 μ m0步骤7:电极制备。并且，上述所述步骤5对N+区2进行化学腐蚀扩面处理时，所用腐蚀液是通过去离子水、无水乙醇、氢氟酸、氯金酸和浓度为30%的双氧水按体积比混合而成。其中，无水乙醇用量体积占腐蚀液总体积百分比范围为9% 15% ;氢氟酸体积占腐蚀液总体积百分比范围为9% 15% ;氯金酸体积占腐蚀液总体积百分比范围为4% 7% ;浓度为30%的过氧化氢体积占腐蚀液总体积百分比范围为50% 60%;其余为去离子水。步骤5对经步骤4处理的磷重掺杂N+区2表面的N+区进行离子注入掺杂时，掺杂元素为硒(Se)或碲(Te)，离子注入剂量范围为 IXlO14 ion/cm2 IXlO16 ion/cm2。经上述步骤制备出的以黑硅材料为光敏层的S1-Aro光电探测器，经测试，其响应波长范围为400nm 1200nm，响应度范围为0.5A/W 30A/W。
以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
权利要求
1.以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器，其特征在于，包括硅本征衬底(I)、位于硅本征衬底(I)上表面中央的N+区(2)、位于N+区(2)下方的P型区(3)、位于硅本征衬底(I)上表面四周的环形N型区(4)、位于N+区(2)上表面的N+区黑硅层(5)、位于硅本征衬底(I)下表面的P+区(6)、位于N+区黑硅层(5)和环形N型区(4)上表面的上电极(7)以及位于P+区(6)下表面的下电极(8 )。
2.根据权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-AH)光电探测器，其特征在于，所述N+区(2)为磷重扩散掺杂N型区，结深为0.1 μπι 0.5 μ m，掺杂浓度彡I X 102°ion/cm3。
3.根据权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器，其特征在于，所述P型区(3)为硼扩散掺杂P型区，结深为0.5μπι 3.0 μ m，掺杂浓度范围为4Χ IO15 ion/cm32X IO17 ion /cm3。
4.根据权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器，其特征在于，所述环形N型区(4)为磷扩散掺杂N型区，结深为1.5μπι 3.5 μ m，掺杂浓度范围为4Χ IO15 ion/cm3 2 X IO17 ion /cm3。
5.根据权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器，其特征在于，所述N+区黑硅层(5)为N+区(2)表面经化学腐蚀扩面后进行Se或Te离子注入掺杂得到；其中Se或Te离子注入剂量范围为IXlO1 4 ion/cm2 IXlO16 ion/cm2。
6.根据权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-AH)光电探测器，其特征在于，所述P+区(6)为硼重扩散掺杂P型区，结深为0.5μηι 2.0 μ m,掺杂浓度彡I X 102°ion/cm3。
7.根据权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器，其特征在于，所述上电极(7)和下电极(8)为金属薄膜电极,金属材料为招Al、金Au或金铬合金Au/Cr。
8.制备如权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-APD光电探测器的方法，其特征在于，包括以下步骤: ①在本征硅衬底(I)上表面氧化生长SiO2膜层，所用本征硅衬底为(111)晶向的高阻单晶硅衬底，电阻率为1000 Ω -cm 2000 Ω.cm ;Si02膜层厚度为300nm 400nm，生长温度为 IOOO0C ； ②在SiO2膜层表面四周光刻出环形N型区(4)的图形，然后进行磷扩散掺杂形成环形N型区(4);磷扩散掺杂形成环形N型区(4)时温度为1000°C 1100°C，磷扩散掺杂浓度范围为 4X IO15 ion/cm3 2X IO17 ion /cm3,结深为 1.5 μ m 3.5 μ m ； ③在SiO2膜层表面光刻出P型区(3)的图形，然后进行硼扩散掺杂形成P型区(3);硼扩散掺杂形成P型区(3)时温度为1000°C，P型区(3)的结深为0.5μπι 3.0μ m，掺杂浓度范围为 4X IO15 ion/cm3 2X1017 ion /cm3 ； ④在SiO2膜层表面光刻出N+区(2)的图形，然后进行磷重扩散掺杂形成N+区(2);磷重扩散掺杂形成N+区(2)时温度为1000°C，N+区(2)的结深为0.1ym 0.5 μ m，掺杂浓度范围为彡 lX 1020ion/cm3 ； ⑤对经④处理的磷重掺杂N+区(2)经化学腐蚀扩面后进行Se或Te离子注入掺杂，从而形成N+区黑硅层(5); ⑥对本征硅衬底(I)下表面进行硼重扩散掺杂形成P+区(6);硼重扩散掺杂形成P+区(6)时温度为IOOO0C 1100°C，硼重扩散掺杂浓度彡IXlO20 ion/cm3，结深为0.5μπι ·2.0 μ m ；⑦电极制备。
9.根据权利要求8所述的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤⑤对N+区(2)进行化学腐蚀扩面处理时，所用腐蚀液是通过去离子水、无水乙醇、氢氟酸、氯金酸和浓度为30%的双氧水按体积比混合而成；其中，无水乙醇用量体积占腐蚀液总体积百分比范围为9% 15% ;氢氟酸体积占腐蚀液总体积百分比范围为9% 15% ;氯金酸体积占腐蚀液总体积百分比范围为4% 7% ;浓度为30%的过氧化氢体积占腐蚀液总体积百分比范围为50% 60%;其余为去离子水。
10.根据权利要求8所述的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤⑤对经步骤④处理的磷重掺杂N+区(2)表面的N+区进行离子注入掺杂时，掺杂元素为硒Se或締 Te,离子注入剂量范围为IX IO14 ion/cm2 IXlO16 ion/cm2。
全文摘要
本发明公开了一种以黑硅为光敏层的Si-APD光电探测器及其制备方法，属于光电探测技术领域。所述光电探测器包括硅本征衬底1、位于硅本征衬底1上表面中央的N+区2、位于N+区下方的P型区3、位于硅本征衬底上表面四周的环形N型区4、位于N+区上表面的N+区黑硅层5、位于硅本征衬底下表面的P+区6、位于N+区黑硅层和环形N型区上表面的上电极7以及位于P+区下表面的下电极8。本发明以黑硅材料为光敏层，同时在N+区和P型区四周增加了环形N型区，使得本发明能够吸收近红外波段光波，具有更高的光吸收率和更宽的响应波段，制备工艺较为简单，成本低，具有易于集成、响应速度快、响应度高和响应波段宽的特点。
文档编号H01L31/028GK103137773SQ201310077749
公开日2013年6月5日 申请日期2013年3月12日 优先权日2013年3月12日
发明者李伟, 王垠, 郭安然, 余峰, 王涛, 蒋亚东 申请人:电子科技大学