一种硅基apd红外敏感增强的方法
【专利摘要】一种硅基APD红外敏感增强的方法，属于光电探测器件制造领域。所述方法在SF6气体氛围下对硅基APD的衬底进行飞秒辐照掺杂工艺。本发明利用飞秒激光在SF6气体氛围下辐照硅片使得其在近红外区域的红外敏感度显著增强，在1064nm波段的量子探测效率从原来13%提高到30%，拓展了硅基APD吸收光子的截止波长，可使硅基APD器件在近红外微弱信号探测、光通信领域以及激光行业的应用得到进一步的扩展。
【专利说明】一种硅基APD红外敏感增强的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电探测器件制造领域，涉及一种硅基APD红外敏感增强的方法。
【背景技术】
[0002]硅在半导体领域广泛应用于制造半导体器件，但是由于硅的禁带宽度为1.12eV,使得硅对红外光的吸收受到很大的局限性。由于通信行业的发展及伴随着1064nm激光器的广泛应用，对于拓展APD响应宽度提出了迫切要求。较为先进的雪崩光电二极管(APD)已经被设计和构造出来。但是，国内在1064nm处有较高量子响应的硅基APD和优质价廉拥有较大的感应面积的硅基APD阵列仍没有满足市场需求。制约硅基Aro在这个方向应用的原因有两个，首先是300K时硅的禁带宽度是1.12eV，从而导致硅对IlOOnm处光的吸收截止；其次，硅是间接带隙材料，从而导致实际中硅基APD器件在截止波长附近吸收效率非常低。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种硅基APD红外敏感增强的方法，在硅基APD的基础上，增加飞秒辐照掺杂工艺，拓展了硅基APD吸收光子的截止波长，使其在通信行业以及激光行业的应用得到了进一步的扩展。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种硅基APD红外敏感增强的方法，在硅基APD的基础上，在SF6气体氛围下对硅基APD的衬底进行飞秒辐照掺杂工艺，其具体步骤如下:
首先，以外延片作为硅基APD原材料衬底片，对外延片进行氧化，生长12000A±500 A的氧化层，目的是为之后的注入工艺做掩蔽。本发明使用外延片作为光电探测器件原材料衬底片，所述外延片包括娃衬底和娃外延层，其中娃衬底为P型重掺杂，娃外延层为P型轻掺杂(也叫π型)，衬底掺杂浓度为2E19-5E19cm_3，外延层掺杂浓度为lE15-5E15cm_3，根据电学参数进行工艺调整。
[0005]然后，采用半导体工艺制造光电探测器件的内部结构。该结构包括硅衬底(P+)，硅外延层(H型)作为吸收区，通过注入工艺在吸收区上制造P+层作为场控区，通过注入工艺在P+层上制造出N+层作为阴极区，P+层与N+层之间由于补偿作用形成π型层作为器件的倍增区，阴极接触位于接触孔中并与阴极区连接，阳极接触位于接触孔中并与吸收区连接。
[0006]接下来，在SF6气体氛围下对硅基APD的衬底用飞秒激光器进行辐照:把硅基APD放在真空室的二维转台上，调节平衡和准直，使激光光束对准硅基APD，调整飞秒激光脉宽和脉冲频率，飞秒激光经过准直后照射放于二维转动控制台上的硅基APD，压强通过抽气阀和充气阀调节。本发明控制飞秒激光脉宽为100±20fs，脉冲频率为1±0.2kHz，压强为500torr土lOOtorr。
[0007]导致硅基APD光吸收特性改变的根本原因是，在六氟化硫(SF6)气体氛围下用飞秒激光辐照，飞秒激光辐照提供了瞬间的高能量和高热，从而达到了瞬间的高温扩散，而硫原子(S)的半径(r)=l.17A，硅原子(Si)半径(r)=1.04 L S和Si的原子半径很接近，S直接进入Si半导体晶格的间隙很困难，当飞秒激光辐照时对Si晶体进行了瞬间的高温加热，使得Si晶体中的原子运动加剧，大量的原子获得足够高的能量离开各自的晶格位置，从而Si晶体中出现大量的晶格空位，使得被飞秒激光辐照的S元素得以进入到那些空位，从而形成替位式S掺杂。
[0008]由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子产生的周期势场受到破坏，在禁带中引入允许电子具有的能量状态(即能带)，正是由于杂质和缺陷能够在禁带中引入能带，才使飞秒辐照掺杂工艺对硅的光谱响应性质产生决定性影响，从而影响硅吸收光的截止波长。
[0009]按照本发明提供的方法辐照后，硅的原有能带中产生一个中间能带(IB)，中间能带Ib的能带宽度为0.22eV，价带顶和中间能带之间的带隙宽度为0.69eV，导带底和中间能带的带隙宽度是0.51eV，当电子吸收光子，由中间能带跃迁到价带或者由导带跃迁到中间能带，都将引起光子的吸收，结果显示掺杂后硅基APD在退火前吸收光的截止波长可拓宽至2480nm，退火后在红外750nm_1100nm波段的量子探测效率比未掺杂S的ATO器件量子效率提高2-3倍。
[0010]本发明利用飞秒激光在SF6气体氛围下辐照硅片使得其在近红外区域的红外敏感度显著增强，在1064nm波段的量子探测效率从原来13%提高到30%。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为掺S与未掺S的APD器件量子效率与敏感波长关系图；图中:一* —:未掺S ；一 Δ 一:飞秒激光照射掺S。
[0012]图2为本发明的APD首I]面不意图；图中:1-P+衬底；2_吸收区；3_场控区；4-倍增区；5_阴极区；6_氧化层；7_阴极接触；8_阳极接触。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精确的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明【具体实施方式】的目的。
[0014]本发明的硅基APD红外敏感增强的方法，具体步骤如下:
一、提供一种外延片作为娃基APD原材料衬底片，所述外延片包括娃衬底和娃外延层，其中硅衬底为P型重掺杂(即P+衬底I)，硅外延层为P型轻掺杂(也叫η型)，作为器件的吸收区2。硅衬底和硅外延层的杂质浓度根据电学参数进行工艺调整。
[0015]二、对外延片进行氧化工艺，生长12000A的氧化层，为之后的注入工艺做掩蔽。
[0016]三、采用半导体工艺制造光电探测器件的内部结构:
1、先在硅外延层上进行光刻腐蚀工艺制造出P+层注入窗口，之后进行注入，制造出P+层作为场控区3，然后在P+层注入浓度为E15-E16cm_3的杂质为硼(B)。
[0017]2、再次进行光刻腐蚀工艺，在P+层制造出N+注入窗口，之后进行浓度为E17-E18cnT3的N+ (磷)注入，制造出N+层形成硅基APD的阴极区5。[0018]3、根据设计参数要求进行扩散，将注入的磷和硼扩散到器件内部，P+层与N+层之间由于补偿作用在两者的交界处形成器件的倍增区4。
[0019]4、去除扩散后形成的器件表面的氧化层，采用常规的氢氟酸腐蚀工艺。
[0020]5、进行氧化工艺，形成氧化层6 (即有源区隔离层)。
[0021]6、进行光刻腐蚀工艺，在氧化层6上制造出接触孔。
[0022]7、溅射金属，并通过光刻腐蚀工艺形成阴极接触7和阳极接触8，所述阴极接触7位于接触孔中并与阴极区5连接，所述阳极接触8位于接触孔中并与吸收区2连接，硅基APD的剖面示意图如图2所示。
[0023]四、进行辐照工艺。将硅基APD放在真空室的二维转台上，调解平衡和准直，使激光光束对准硅基APD，调整飞秒激光脉宽和脉冲频率，使飞秒激光的脉宽为100 fs，脉冲频率为1kHz，飞秒激光经过准直后照射在放于二维转动控制台上的硅基APD上，通过调节抽气阀和充气阀调节压强500torr± lOOtorr。在SF6气体氛围下对硅基APD的P+衬底进行辐照，在衬底部位形成排列整齐的尖峰结构。
[0024]通过福照，娃的原有能带中产生一个中间能带IB，中间能带Ib的能带宽度为
0.22 eV，价带顶和中间能带直接的带隙宽度为0.69 eV，导带底和中间能带的带隙宽度是
0.51eV，当电子吸收光子，由中间能带跃迁到价带或者由导带跃迁到中间能带，都将引起光子的吸收，结果显示经过飞秒激光辐照掺杂后硅基APD在近红外区域的敏感度大幅增强，未退火的截止波长可拓展至2.5Mm。
[0025]图1为掺S与未掺S的APD器件量子效率与敏感波长关系图。如图1所示，未经过辐照时(未掺S)，硅基APD的光灵敏峰值约为650nm。经过辐照后(掺S)，硅基APD的光灵敏峰值约为900nm。即，采用本发明所提供的方法，在1064nm波段经飞秒激光辐照后的光灵敏峰值从原来的650nm拓展到900nm。
【权利要求】
1.一种娃基APD红外敏感增强的方法,其特征在于所述方法在SF6气体氛围下对娃基APD的衬底进行飞秒辐照掺杂工艺。
2.根据权利要求1所述的一种硅基APD红外敏感增强的方法，其特征在于所述方法具体步骤如下: 首先，以外延片作为硅基APD的原材料衬底片，对外延片进行氧化，生长12000±500 A的氧化层； 然后，制造娃基APD的内部结构； 接下来，在SF6气体氛围下对硅基AH)的衬底用飞秒激光器进行辐照，控制飞秒激光脉宽为 100±20fs，脉冲频率为 1±0.2kHz，压强为 500torr± lOOtorr。
3.根据权利要求2所述的一种硅基APD红外敏感增强的方法，其特征在于所述外延片包括娃衬底和娃外延层，其中娃衬底为P型重掺杂，娃外延层为P型轻掺杂。
4.根据权利要求2所述的一种硅基APD红外敏感增强的方法，其特征在于所述氧化层的厚度为12000A。
5.根据权利要求2所述的一种硅基AH)红外敏感增强的方法，其特征在于所述硅基APD的内部结构的具体制造步骤如下: (1)先在电阻率为2-10mΩ.cm的硅外延层上进行光刻腐蚀工艺制造出P+层注入窗口，之后进行浓度为E15-E16cm_3的硼杂质注入,制造出P+层； (2)再次进行光刻腐蚀工艺，在P+层制造出N+注入窗口，之后进行浓度为E17-E18cm_3的磷注入，制造出N+层； (3)将注入的磷和硼扩散到器件内部； (4)去除扩散后形成的器件表面的氧化层； (5)进行氧化工艺，形成有源区隔离层； (6)进行光刻腐蚀工艺，在有源区隔离层上制造出接触孔； (7 )溅射金属，并通过光刻腐蚀工艺制造出阴极接触和阳极接触。
6.根据权利要求2所述的一种硅基APD红外敏感增强的方法，其特征在于所述飞秒辐照的具体步骤如下:把硅基APD放在真空室的二维转台上，调节平衡和准直，使激光光束对准硅基APD，调整飞秒激光脉宽和脉冲频率，飞秒激光经过准直后照射放于二维转动控制台上的硅基APD，压强通过抽气阀和充气阀调节。
7.根据权利要求2所述的一种硅基APD红外敏感增强的方法，其特征在于所述飞秒激光的脉宽为100 fs，脉冲频率为1kHz，压强为500torr± lOOtorr。
【文档编号】H01L31/107GK103746041SQ201410034337
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】孙芳魁 申请人:哈尔滨工业大学