一种近红外增强型硅基四象限光电探测器及其制备方法与流程

本发明涉及光电探测技术领域，特别涉及一种近红外增强型硅基四象限光电探测器及其制备方法。

背景技术：

光电探测器件在生活中应用十分广泛，相较于单元的光电探测器件，四象限光电探测器是由4个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标排列而成，可以同时实现对探测目标的探测，从而实现对于探测目标的定位和探测工作，硅基四象限光电探测器已经被广泛应用于激光定位、激光准直、光电跟踪等领域。硅基四象限光电探测器，具有硅基探测器的众多优势，但是其响应波段范围主要集中在可见光区域，而四象限探测器的主要应用在近红外波段范围，尤其在1060nm等波段，而硅探测器由于材料属性的限制(禁带宽度较宽为1.12ev)，其光电响应较弱，这对硅四象限探测器的红外探测波长响应提出了更高的要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于锥形微结构硅基四象限探测器近红外探测性能增强方法及该探测器的制备方法，使得硅基四象限光电探测器具有可探测波长更宽，近红外波段探测响应更高，制备工艺复杂度低，与现有探测器工艺完全兼容等特点。

第一方面，本发明实施例中提供一种近红外增强型硅基四象限光电探测器，其包括：pin结构单元，所述pin结构单元包括i型层的本征硅衬底、p型层、p+层、n型层、前电极以及后电极；所述p型层位于所述本征硅衬底的前表面，所述p型层的前表面设有第一锥形微结构；所述p+层包围于所述p型层的外侧，所述p+层的厚度大于所述p型层的厚度，所述前电极设于所述p+层的前表面；所述n型层位于所述本征硅衬底的后表面，所述n型层的后表面设有第二锥形微结构，所述后电极设于所述n型层的后表面；四个所述pin结构单元组成四象限光电探测器，四个所述pin结构单元以直角坐标系排列分布。

可选地，所述第一锥形微结构以及所述第二锥形微结构的尺寸高度范围均为0.4μm-2μm。

可选地，所述第一锥形微结构以及所述第二锥形微结构在所述pin结构单元的表面成周期性或准周期性排列，所述第一锥形微结构以及所述第二锥形微结构的周期范围均为0.3μm-3μm。

可选地，所述第一锥形微结构以及所述第二锥形微结构均是通过在sf6或n2环境下将飞秒激光聚焦到所述pin结构单元的表面扫描制定区域形成的。

可选地，飞秒激光的波长范围为780nm-820nm，重复频率1khz，脉宽35fs。

可选地，所述前电极为cr/au双层薄膜、ti/au双层薄膜或者ti/ni/ag多层薄膜，所述前电极的厚度范围为100nm-250nm，所述后电极为al薄膜或者cr/au双层薄膜，所述后电极的厚度范围为100nm-300nm。

第二方面，本发明提供一种近红外增强型硅基四象限光电探测器的制备方法，其包括如下步骤：s1、在所述本征硅衬底的前表面和后表面氧化生长sio2薄膜；s2、在所述四象限光电探测器的前表面通过光刻手段制作出正交的十字图案，并刻蚀出深槽；s3、通过光刻手段同时加上掺杂手段在所述四象限光电探测器的探测区域外侧制作出所述p+层；s4、在所述四象限光电探测器的探测区通过掺杂手段制作出所述p型层；s5、在所述四象限光电探测器的后表面通过掺杂手段制作出所述n型层；s6、采用飞秒激光在sf6或n2的气氛中聚焦扫描的方式辐照所述四象限光电探测器前表面的探测区，制作出具有离子掺杂的所述第一锥形微结构，以及采用飞秒激光在sf6或n2的气氛中聚焦扫描的方式辐照所述四象限光电探测器后表面的探测区，制作出具有离子掺杂的所述第二锥形微结构；s7、对所述四象限光电探测器的探测区进行准分子激光退火或高温热退火；s8、对所述四象限光电探测器的探测区的表面制备sinx或者al2o3薄膜实现钝化和保护的作用；s9、在所述四象限光电探测器的前后表面分别制作所述前电极以及所述后电极。

可选地，所述第一锥形微结构以及所述第二锥形微结构在形成过程的同时会在所述本征硅衬底当中掺杂六族元素，六族元素掺杂原子浓度范围为10¹⁵-10²⁰/cm³。

可选地，所述n型层是通过磷掺杂离子注入或者热扩散获得，所述p型层和所述p+层是通过硼离子注入或者热扩散获得，其中所述p+层掺杂离子的浓度高于1×10¹⁸ion/cm³。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

1)相较于传统的硅基四象限探测器，通过探测器前表面的工作区域进行微结构化形成所述第一锥形微结构，以此降低光入射表面的光损失，所述四象限光电探测器将拥有更低的表面反射，从而更多的光得以入射进入所述四象限光电探测器中。

2)相较于传统的硅基四象限探测器，通过将所述四象限光电探测器的后表面的区域微结构化形成所述第二锥形微结构8，所述第二锥形微结构8在所述四象限光电探测器的后表面形成阵列式排布，当光通过界面的时候都以非常大的角度由光密介质入射到光疏介质，极易达到全反射条件，使得光在所述四象限光电探测器内的光程更长，从而增强光的吸收。

3)相较于传统的硅基四象限探测器，所述四象限光电探测器由于在所述第一锥形微结构和所述第二锥形微结构8制备过程中引入了s元素等6族元素以及其他元素的掺杂，等效减小了si半导体的禁带宽度，拓宽了si半导体材料的长波吸收限，同时对于其近红外波段的光响应特性有增强作用，尤其在1064nm等波段有非常明显的效果。

附图说明

图1为本发明实施例的近红外增强型硅基四象限光电探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例的近红外增强型硅基四象限光电探测器的正表面结构示意图；

图3为本发明实施例的近红外增强型硅基四象限光电探测器的背表面结构示意图；

图4为本发明实施例的近红外增强型硅基四象限光电探测器的制备方法的框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，为本发明的一种近红外增强型硅基四象限光电探测器，其包括：pin结构单元，所述pin结构单元包括i型层的本征硅衬底1、p型层2、p+层3、n型层4、前电极5以及后电极6。所述p型层2位于所述本征硅衬底1的前表面，所述p型层2的前表面设有第一锥形微结构7。所述p+层3包围于所述p型层2的外侧，所述p+层3的厚度大于所述p型层2的厚度，所述前电极5设于所述p+层3的前表面。所述n型层4位于所述本征硅衬底1的后表面，所述n型层4的后表面设有第二锥形微结构8，所述后电极6设于所述n型层4的后表面。四个所述pin结构单元组成四象限光电探测器，四个所述pin结构单元以直角坐标系排列分布。

所述pin结构单元组成所述四象限光电探测器的探测单元，探测单元在所述四象限光电探测器入射表面(前表面)上的分布情况如图2所示，a、b、c、d四个区域成直角坐标系排列，且为性能完全相同的具有所述第一锥形微结构7的增强型红外探测单元感光部分；探测单元在所述四象限光电探测器后表面结构如图3所示，e为红外增强型的所述第二锥形微结构8的分布区域，f为圆形电极区域，即是所述后电极6。本发明的所述四象限光电探测器的上下表面的所述第一锥形微结构7及所述第二锥形微结构8皆可以非常有效地提高所述pin结构单元的pin结构对近红外光的吸收。

在其中一个实施例中，所述第一锥形微结构7以及所述第二锥形微结构8的尺寸高度范围均为0.4μm-2μm。所述第一锥形微结构7以及所述第二锥形微结构8在所述pin结构单元的表面成周期性或准周期性排列，所述第一锥形微结构7以及所述第二锥形微结构8的周期范围均为0.3μm-3μm。所述第一锥形微结构7以及所述第二锥形微结构8均是通过在sf6或n2环境下将飞秒激光聚焦到所述pin结构单元的表面扫描制定区域形成的。飞秒激光的波长范围为780nm-820nm，重复频率1khz，脉宽35fs。

在其中一个实施例中，所述第一锥形微结构7是通过飞秒激光在sf6气氛中聚焦扫描的方式辐照所述四象限光电探测器前表面的探测区域形成，所述第一锥形微结构7的周期范围为0.3μm～1.5μm，尺寸高度范围为0.4μm～1μm。

在其中一个实施例中，所述第一锥形微结构7是通过飞秒激光在sf6气氛中聚焦扫描的方式辐照所述四象限光电探测器前表面的探测区域形成的，所述第一锥形微结构7呈周期性或准周期性排布，所述第一锥形微结构7为具有离子掺杂的微结构阵列表面，所述第一锥形微结构7的周期范围为0.3μm～2μm，尺寸高度范围0.4μm～1.5μm。

在其中一个实施例中，所述前电极5为cr/au双层薄膜、ti/au双层薄膜或者ti/ni/ag多层薄膜，所述前电极5的厚度范围为100nm-250nm，所述后电极6为al薄膜或者cr/au双层薄膜，所述后电极6的厚度范围为100nm-300nm。

如图4所示，为本发明的近红外增强型硅基四象限光电探测器的制备方法的第一实施例，包括如下步骤：

s1、准备洁净的本征硅，电阻率为2000ω·cm～5000ω·cm，在所述本征硅衬底1的前表面和后表面氧化生长sio2薄膜，所述本征硅衬底1的层厚为200nm～300nm；

s2、在所述四象限光电探测器的前表面通过光刻手段制作出正交的十字图案，并刻蚀出深槽，深槽的深度范围为5μm-20μm，宽度大于150μm；

s3、通过光刻手段同时加上掺杂手段在所述四象限光电探测器的探测区域外侧制作出所述p+层3，所述p+层3是通过硼离子注入或者热扩散获得，其中所述p+层3掺杂离子的浓度高于1×10¹⁸ion/cm³；

s4、在所述四象限光电探测器的探测区通过掺杂手段制作出所述p型层2，所述p型层2是通过硼离子注入或者热扩散获得；

s5、在所述四象限光电探测器的后表面通过掺杂手段制作出所述n型层4，所述n型层4是通过磷掺杂离子注入或者热扩散获得；

s6、采用飞秒激光在sf6的气氛中聚焦扫描的方式辐照所述四象限光电探测器前表面的探测区，制作出具有离子掺杂的所述第一锥形微结构7，所述第一锥形微结构7的周期范围为0.3μm～1.5μm，尺寸高度范围为0.4μm～1μm；以及采用飞秒激光在n2气氛中的气氛中聚焦扫描的方式辐照所述四象限光电探测器后表面的探测区，制作出具有离子掺杂的所述第二锥形微结构8，第二锥形微结构8的周期范围为0.3μm～2.5μm，尺寸高度范围为0.4μm～1.5μm；

在其中一个实施例中，所述第一锥形微结构7以及所述第二锥形微结构8在形成过程的同时会在所述本征硅衬底1当中掺杂六族元素，六族元素掺杂浓度范围为10¹⁵-10²⁰/cm³。所述四象限光电探测器由于在所述第一锥形微结构7和所述第二锥形微结构8制备过程中引入了s元素等6族元素以及其他元素的掺杂，等效减小了si半导体的禁带宽度，拓宽了si半导体材料的长波吸收限，同时对于其近红外波段的光响应特性有增强作用，尤其在1064nm等波段有非常明显的效果。

s7、对所述四象限光电探测器的探测区进行准分子激光退火或高温热退火，退火温度为800℃，时间为30min，保护气体为n2；

s8、对所述四象限光电探测器的探测区的表面制备sinx或者al2o3薄膜实现钝化和保护的作用；

s9、在所述四象限光电探测器的前后表面分别制作所述前电极5以及所述后电极6，所述后电极6为圆形的al薄膜，厚度为250nm，所述前电极5为cr/au双层薄膜，厚度为150nm。

本发明的近红外增强型硅基四象限光电探测器的制备方法的第二实施例，与第一实施例的不同之处在于：步骤s6采用飞秒激光在sf6气氛中聚焦扫描的方式辐照所述四象限光电探测器前表面的探测区，制作出周期性或准周期性排布的具有离子掺杂的所述第一锥形微结构7，所述第一锥形微结构7的周期范围为0.3μm～2μm，尺寸高度范围为0.4μm～1.5μm；以及采用飞秒激光在sf6气氛中聚焦扫描的方式辐照所述四象限光电探测器后表面区域，制备出周期性或准周期性排布的具有离子掺杂的所述第二锥形微结构8，所述第二锥形微结构8的周期范围为1μm～3μm，尺寸高度范围1μm～2μm。

为本发明的近红外增强型硅基四象限光电探测器的制备方法，相较于传统的硅基四象限探测器，在探测器的前表面以及后表面同时引入了所述第一锥形微结构7以及所述第二锥形微结构8。相较于仅在前表面制备微结构降低表面反射，但近红外光无法在探测器中被充分吸收的情况；相较于仅在后表面制备微结构，红外光入射时大量光被反射的情况，双面近红外增强型探测器可以使硅基探测器最大程度的利用近红外光，从而实现了对于硅基近红外波段的增强作用。

本发明所提供的技术途径所实现的红外增强型四象限光电探测器的前后表面都具有微结构，前感光面所具有的所述第一锥形微结构7，其形貌特性可以实现对于入射光在表面反射的降低，从而增加入射到探测器内的光，考虑到所述第一锥形微结构7的尺寸过大对于四象限光电探测器的性能，如暗电流等有较大的影响，所以尺寸不可以制备的过大；在没有掺杂的本征硅当中，对于近红外光，如1064nm波长的光吸收能力较弱，所以本发明的后表面的所述第二锥形微结构8一方面通过掺杂层增强对于光的吸收，另一方面以其其具有的较为尖锐的尖锥状形貌特征可以通过在后表面的光密到光疏界面处形成大角度出射界面，形成全反射，实现光在探测器内光程的增加，进而增强探测器的光吸收能力；两者共同作用，进一步增强了探测器的光吸收能力，实现光响应特性的增强。

本发明的近红外增强型硅基四象限光电探测器在波长为1064nm处，相较于未经微结构化的样品，吸收率由28％提升达到80％以上，相较于单纯只在前表面或后边面制备微结构的情况吸收都有一定提升，同时光响应特性也有显著提升，相较于未经微结构化的样品其光响应特性可以提升接近为原来的2-3倍。