局域电场诱导的硅光电探测器及其制备方法

1.本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种局域电场诱导的硅光电探测器及其制备方法。


背景技术：

2.硅光电探测器由于灵敏度高、成本低、功耗低、易形成二维面阵、可与cmos读出电路集成等优势，已广泛应用于航空航天、深空探测、卫星遥感、侦查导航等多个高科技领域。
3.光电探测器灵敏度的一个重要评价指标是量子效率，是入射光子数与测量到的电荷数目之比，与光电探测器的光电转换效率成正比。通常光电探测器的电极设置在感光面两侧，载流子被收集到两侧电极形成可测量的光电流。在解决了表面增透结构决定的入射效率、材料质量决定的内量子效率后，提高界面质量是目前提高光电探测器光生电荷收集效率的主要技术途径。
4.然而，器件制备工艺过程中在界面引入的沾污、损伤等和以及由于晶格常数差引起的界面态是不可避免，使得器件性能很难进一步提升。


技术实现要素：

5.基于此，本发明提供了一种局域电场诱导的硅光电探测器及其制备方法，进一步提高现有探测器的量子效率，以解决现有技术的不足。
6.第一方面，本发明提供一种局域电场诱导的硅光电探测器，局域电场诱导的硅光电探测器包括：吸收层、第一欧姆电极层和第二欧姆电极层，第一欧姆电极层、吸收层和第二欧姆电极层依次层叠设置，吸收层的朝向第一欧姆电极层的一侧设有多个间隔设置的调制掺杂区，调制掺杂区被配置为诱导吸收层的光生载流子的动量并收集载流子，以提高光电探测效率。
7.在一种可能的实现方式中，本发明提供的局域电场诱导的硅光电探测器，调制掺杂区呈条形，且多个调制掺杂区沿第一方向间隔设置，其中，第一方向和吸收层的延伸方向平行，且第一方向和调制掺杂区的长度方向垂直。
8.在一种可能的实现方式中，本发明提供的局域电场诱导的硅光电探测器，调制掺杂区呈条形，多个调制掺杂区包括至少一个长度方向沿第二方向的第一调制掺杂区和至少一个长度方向沿第三方向的第二调制掺杂区，其中，第二方向与第三方向垂直。
9.在一种可能的实现方式中，本发明提供的局域电场诱导的硅光电探测器，调制掺杂区包括轻掺杂区、未掺杂区和重掺杂区，轻掺杂区、未掺杂区和重掺杂区依次重叠设置，且重掺杂区设置于未掺杂区朝向第一欧姆电极层的一侧。
10.在一种可能的实现方式中，本发明提供的局域电场诱导的硅光电探测器，调制掺杂区的掺杂元素为硼离子或二氟化硼离子，轻掺杂区中硼离子或二氟化硼离子的掺杂浓度为，重掺杂区中硼离子或二氟化硼离子的掺杂浓度为。
11.在一种可能的实现方式中，本发明提供的局域电场诱导的硅光电探测器，还包括第一欧姆接触层，至少部分调制掺杂区形成第一欧姆接触层。
12.在一种可能的实现方式中，本发明提供的局域电场诱导的硅光电探测器，还包括增透层，第一欧姆电极层与增透层同层设置，第一欧姆电极层经增透层与第一欧姆接触层接触。
13.在一种可能的实现方式中，本发明提供的局域电场诱导的硅光电探测器，还包括第二欧姆接触层，第二欧姆接触层设置于第二欧姆电极层和吸收层之间。
14.第二方面，本发明提供一种局域电场诱导的硅光电探测器的制备方法，用于制备上述第一方面提供的局域电场诱导的硅光电探测器，制备方法包括：在吸收层上形成多个间隔设置的第一凹槽；在第一凹槽内进行掺杂，以形成调制掺杂区，调制掺杂区被配置为诱导吸收层的光生载流子动量并收集载流子；在具有调制掺杂区的吸收层上形成第一欧姆电极层；在吸收层背离第一欧姆电极的一侧形成第二欧姆电极层。
15.在一种可能的实现方式中，本发明提供的局域电场诱导的硅光电探测器的制备方法，在具有调制掺杂区的吸收层上形成第一欧姆电极层，包括：在具有调制掺杂区的吸收层上形成增透层；在增透层上形成第二凹槽；在第二凹槽内形成第一欧姆电极层。
16.本发明提供的局域电场诱导的硅光电探测器及其制备方法，局域电场诱导的硅光电探测器包括吸收层、第一欧姆电极层、第二欧姆电极层和调制掺杂区，通过设置吸收层用于吸收光子能量，以使吸收层中的载流子扩散形成光电流，通过设置第一欧姆电极层和第二欧姆电极层用于与偏置电路连接，以通过第一欧姆电极层和第二欧姆电极层给局域电场诱导的硅光电探测器施加偏压，以及通过第一欧姆电极层和第二欧姆电极层输出光电流，通过在吸收层内设置调制掺杂区，以在吸收层内建立局域电场，进而诱导载流子动量，从而提高了载流子寿命，且调制掺杂区增加了载流子的收集通道，缩短了载流子的横向扩散距离，从而降低了界面态的散射作用对载流子寿命的影响。由此，本发明的局域电场诱导的硅光电探测器的光电转换效率较高。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器的结构示意图；图2是本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器的能带结构示意图；图3是现有技术中硅光电探测器的能带结构示意图；图4为本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器中吸收层和调制掺杂区的结构示意图一；
图5为本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器中吸收层和调制掺杂区的结构示意图二；图6为本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器中调制掺杂区的结构示意图；图7为本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器的制备方法的流程示意图一；图8为本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器的制备方法的流程示意图二；图9为本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器的制备方法的流程示意图三。
19.附图标记说明：100-吸收层；200-第一欧姆电极层；300-第二欧姆电极层；400-调制掺杂区；400a-第一调制掺杂区；400b-第二调制掺杂区；410-重掺杂区；420-未掺杂区；430-轻掺杂区；500-增透层；600-第二欧姆接触层。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
24.此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或显示器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或显示器固有的其它步骤或单元。
25.硅光电探测器由于灵敏度高、成本低、功耗低、易形成二维面阵、可与cmos读出电路集成等优势，已广泛应用于航空航天、深空探测、卫星遥感、侦查导航等多个高科技领域。
26.量子效率是入射光子数与测量到的电荷数目之比，与光电探测器的光电转换效率成正比。通常光电探测器的电极设置在感光面两侧，载流子被收集到两侧电极形成可测量的光电流，提高材料质量和界面态质量是目前提高光电探测器的主要技术途径。
27.然而，器件制备工艺过程中在界面引入的沾污、损伤等和晶格常数引起界面态是不可避免，使得器件性能很难进一步提升。这是因为在硅光电探测器中，通常需要通过增加感光面的面积以提高入射光通量，然而载流子横向渡越过程中受到高密度的界面态的散射作用，从而导致载流子高损耗，降低了载流子的寿命，载流子的扩散长度小于要求渡越的距离，于是使得硅光电探测器的载流子收集效率降低。同时，由于硅材料的晶格常数不同，增大感光面的面积，会导致硅光电探测器的晶格缺陷增加，从而使得硅光电探测器的暗电流增大，而降低硅光电探测器的灵敏度和光电转换效率。其次，由于现有制备工艺技术的限制，在硅光电探测器制备过程中，沾污、损伤是不可避免的，而沾污和损伤会降低硅光电探测器的光电转换效率。
28.基于此，本发明提供了一种局域电场诱导的硅光电探测器及其制备方法，以解决现有技术的不足。
29.以下结合附图对本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器及其制备方法的技术方案进行详细阐述。
30.参照图1所示，本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器包括：吸收层100、第一欧姆电极层200和第二欧姆电极层300，第一欧姆电极层200、吸收层100和第二欧姆电极层300依次层叠设置，吸收层100的朝向第一欧姆电极层200的一侧设有多个间隔设置的调制掺杂区400，调制掺杂区400被配置为诱导吸收层100的光生载流子动量并收集载流子，以提高光电探测效率。
31.在本实施例中，吸收层100用于吸收光子能量，以使吸收层100中的载流子扩散形成光电流，即当有光照射在局域电场诱导的硅光电探测器上，吸收层100可吸收光子，并在吸收层100中产生电子和空穴，电子被收集形成正向的光电流，或者，空穴被收集形成负向的光电流。
32.其中，吸收层100可以为硅吸收层。
33.由于局域电场诱导的硅光电探测器在工作时需要施加偏压，第一欧姆电极层200和第二欧姆电极层300用于与偏置电路连接，从而通过第一欧姆电极层200和第二欧姆电极
层300给局域电场诱导的硅光电探测器施加正偏压或者负偏压。并且在吸收层100的载流子被收集形成光电流后，光电流可通过第一欧姆电极层200和第二欧姆电极层300输出。其中，为了防止第一欧姆电极层200阻挡光线射入，第一欧姆电极层200可以设置在吸收层100相对两端。
34.参照图2与图3所示，调制掺杂区400用于增加吸收层100的载流子动量，通过在吸收层100内设置调制掺杂区400，可以在吸收层100内形成局域电场，吸收层100产生了能带的上下起伏，能带的变化可以调控载流子动量，以使吸收层100内的电子趋向于扩散至导带底部，空穴趋向于扩散至价带顶部。而现有技术中的硅光电探测器在工作时，能带无变化，载流子只能进行扩散，相对于现有技术中的硅光电探测器，本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器，吸收层100内的载流子不仅向第一欧姆电极层200扩散，并且在扩散过程中诱导产生了载流子动量，从而提高了载流子的寿命。
35.载流子在扩散至第一欧姆电极层200的过程中，由于在吸收层100和第一欧姆电极层200之间设置了调制掺杂区400，增加了载流子的收集通道，尽管载流子依然受到界面态的散射作用，但是由于调制掺杂区400缩短了载流子的横向扩散距离，载流子在寿命范围内形成了光电流，进而降低了界面态的散射作用对载流子寿命的影响，从而提高了局域电场诱导的硅光电探测器的收集效率。
36.同时，由于调制掺杂区400建立了载流子收集的多个通道，多个通道并行收集载流子，可以提高吸收层100面积较大的局域电场诱导的硅光电探测器中载流子的收集效率，从而提高了局域电场诱导的硅光电探测器的光电转换效率。
37.可以理解的是，当调制掺杂区400采用p型掺杂时，局域电场诱导的硅光电探测器为pin结构，吸收层100靠近第一欧姆电极层200的表面的电子被收集、输送至第一欧姆电极层200，形成正向的光电流，吸收层100靠近第二欧姆电极的表面的空穴被收集、输送至第二欧姆电极层300，形成负向的光电流。
38.或者，当调制掺杂区400采用n型掺杂时，局域电场诱导的硅光电探测器为nip结构，吸收层100靠近第一欧姆电极层200的表面的空穴被收集、输送至第一欧姆电极层200，形成负向的光电流，吸收层100靠近第二欧姆电极的表面的电子被收集、输送至第二欧姆电极层300，形成正向的光电流。
39.本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器，包括吸收层100、第一欧姆电极层200、第二欧姆电极层300和调制掺杂区400，通过设置吸收层100用于吸收光子能量，以使吸收层100中的载流子扩散形成光电流，通过设置第一欧姆电极层200和第二欧姆电极层300用于与偏置电路连接，以通过第一欧姆电极层200和第二欧姆电极层300给局域电场诱导的硅光电探测器施加偏压，以及通过第一欧姆电极层200和第二欧姆电极层300输出光电流，通过在吸收层100内设置调制掺杂区400，以在吸收层100内建立局域电场，进而诱导载流子动量，从而提高了载流子寿命，且调制掺杂区400增加了载流子的收集通道，缩短了载流子的横向扩散距离，从而降低了界面态的散射作用对载流子寿命的影响。由此，本发明实施例的局域电场诱导的硅光电探测器的光电转换效率较高。
40.参照图4所示，在一些实施方式中，调制掺杂区400呈条形，且多个调制掺杂区400沿第一方向间隔设置，其中，第一方向和吸收层100的延伸方向平行，且第一方向和调制掺
杂区400的长度方向垂直。第一方向为图2中的x方向。
41.这样，通过在吸收层100内设置条形的调制掺杂区400，以在吸收层100内构建多个并行的载流子收集通道，从而使吸收层100内的载流子通过多个调制掺杂区400被输送至第一欧姆电极层200，以提高载流子的收集效率，从而提高局域电场诱导的硅光电探测器的光电转换效率。
42.参照图5所示，或者，在另一些实施方式中，调制掺杂区400呈条形，多个调制掺杂区400包括至少一个长度方向沿第二方向的第一调制掺杂区400a和至少一个长度方向沿第三方向的第二调制掺杂区400b，其中，第二方向与第三方向垂直。第二方向为图3中的y方向，第三方向为图3中的z方向。
43.这样，吸收层100内形成纵横交错的调制掺杂区400，以在吸收层100内构建多个并行的载流子收集通道，从而使吸收层100内的载流子通过多个纵横交错的调制掺杂区400被输送至第一欧姆电极层200，以提高载流子的收集效率，从而提高局域电场诱导的硅光电探测器的光电转换效率。
44.参照图1与图6所示，在具体实施时，调制掺杂区400包括轻掺杂区430、未掺杂区420和重掺杂区410，轻掺杂区430、未掺杂区420和重掺杂区410依次重叠设置，且重掺杂区410设置于未掺杂区420朝向第一欧姆电极层200的一侧。
45.这样，当光照射在吸收层100表面时，吸收层100吸收光子能量后，通过调制掺杂区400产生的局域电场的作用，分离产生电子和空穴，电子或空穴依次经过轻掺杂区430、未掺杂区420和重掺杂区410，最后通过重掺杂区410输运至第一欧姆电极层200，形成光电流。
46.应当理解的是，当调制掺杂区400采用p型掺杂时，电子通过重掺杂层被收集、输送至第一欧姆电极层200，形成正向的光电流，空穴被收集、输送至第二欧姆电极层300，形成负向的光电流。
47.或者，当调制掺杂区400采用n型掺杂时，空穴通过重掺杂层被收集、输送至第一欧姆电极层200，形成负向的光电流，电子被收集、输送至第二欧姆电极层300，形成正向的光电流。
48.在一种可能的实现方式中，调制掺杂区400的掺杂元素为硼离子或二氟化硼离子，轻掺杂区430中硼离子或二氟化硼离子的掺杂浓度为，重掺杂区410中硼离子或二氟化硼离子的掺杂浓度为。
49.硼离子或二氟化硼离子的掺杂工艺易于实现，以便于局域电场诱导的硅光电探测器的制备。具体的，轻掺杂区430中硼离子或二氟化硼离子的掺杂浓度为，若轻掺杂区430中硼离子或二氟化硼离子的掺杂浓度高于，则载流子在轻掺杂区430的输运不够平缓，若轻掺杂区430中硼离子或二氟化硼离子的掺杂浓度低于，则轻掺杂区430接近于本征吸收，达不到杂质吸收的条件。
50.重掺杂区410中硼离子或二氟化硼离子的掺杂浓度为，若重掺杂区410中硼离子或二氟化硼离子的掺杂浓度高于，则现有制备工艺难以实现，若重掺杂区410中硼离子或二氟化硼离子的掺杂浓度低于，则无法使吸收层100和第一欧姆电极层200之间实现欧姆接触层。因此，将轻掺杂区430中硼离子或二氟化硼离
子的掺杂浓度设置为，以及重掺杂区410中硼离子或二氟化硼离子的掺杂浓度设置为是一个比较合理的范围。
51.在一种可能的实现方式中，本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器，还包括第一欧姆接触层，至少部分调制掺杂区400形成第一欧姆接触层。
52.由于硅制成的吸收层100具有较高的表面态密度，而第一欧姆电极层200通常采用铝、金、银或者镍等金属材料制成，吸收层100直接与第一欧姆电极层200连接会形成阻挡层，因此，在吸收层100和第一欧姆电极层200之间设置第一欧姆接触层，以使第一欧姆电极层200获得较好的欧姆接触。
53.在具体实施时，可以使第一欧姆接触层与调制掺杂区400的掺杂元素和掺杂浓度相同，即部分或者全部调制掺杂区400充当第一欧姆接触层，以使第一欧姆接触层与第一欧姆电极层200接触。
54.参照图1所示，在一种可能的实现方式中，本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器，还包括增透层500，第一欧姆电极层200与增透层500同层设置，第一欧姆电极层200经增透层500与第一欧姆接触层接触。
55.增透层500可以增加入射光中目标波长的光的透射率，减小目标波长的光的反射率，由此，当光入射时，首先射入增透层500，更多的目标波长的光进入吸收层100，从而提高了目标波长的光的入射效率。
56.为了通过第一欧姆电极层200给吸收层100施加偏压，部分第一欧姆接触层经增透层500与第一欧姆电极层200连接，从而使载流子经第一欧姆接触层输运至第一欧姆接触电极。
57.其中，增透层500可以为二氧化硅增透层、四氮化三硅增透层或者二氧化硅与四氮化三硅形成的复合增透层。
58.参照图1所示，在一些实施方式中，本发明实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器，还包括第二欧姆接触层600，第二欧姆接触层600设置于第二欧姆电极层300和吸收层100之间。
59.可以理解的是，硅制成的吸收层100具有较高的表面态密度，而第二欧姆电极通常采用铝、金、银或者镍等金属材料制成，吸收层100直接与第二欧姆电极层300连接会形成阻挡层，因此，在吸收层100和第二欧姆电极层300之间设置第二欧姆接触层600，以使第二欧姆电极层300获得较好的欧姆接触。
60.此外，本发明实施例还提供一种局域电场诱导的硅光电探测器的制备方法，用于制备前述实施例提供的局域电场诱导的硅光电探测器，其中，局域电场诱导的硅光电探测器的结构与工作原理均已在前述实施例中进行了详细说明，此处不再一一赘述。
61.为了便于说明，以调制掺杂区400为p型掺杂为例进行说明，参照图7所示，局域电场诱导的硅光电探测器的制备方法包括：s101、在吸收层100上形成多个间隔设置的第一凹槽。
62.首先对吸收层100进行清洗等预处理，在吸收层100上光刻形成第一凹槽的图形，以便于后续在第一凹槽内形成调制掺杂区400。
63.s102、在第一凹槽内进行掺杂，以形成调制掺杂区400。
64.在第一凹槽内通过硼离子注入、扩散等掺杂工艺形成调制掺杂区400，之后去除光刻胶，由此在吸收层100内形成调制掺杂区400。
65.s103、在具有调制掺杂区400的吸收层100上形成第一欧姆电极层200。
66.这样，就在吸收层100的一侧形成第一欧姆电极层200，以使吸收层100的载流子被调制掺杂区400收集和输运至第一欧姆电极层200。
67.例如，可以通过磁控溅射或者电子束蒸发法生成第一金属电极层，在第一金属电极层上光刻形成第一欧姆电极层200的图形，腐蚀第一金属电极层后，去除光刻胶，从而得到第一欧姆电极层200。其中，第一欧姆电极层200可以包括金、银、钛或铝中的一种或者多种金属，本实施例对此不加以限定。
68.参照图8所示，具体的，在具有调制掺杂区400的吸收层100上形成第一欧姆电极层200包括：s1031、在具有调制掺杂区400的吸收层100上形成增透层500。
69.s1032、在增透层500上形成第二凹槽。
70.s1033、在第二凹槽内形成第一欧姆电极层200。
71.此处以增透层500为二氧化硅增透层为例进行说明，在吸收层100的表面通过热氧化生长二氧化硅，以形成二氧化硅增透层，之后在二氧化硅增透层上光刻形成第二凹槽的图形，腐蚀二氧化硅增透层，以便于在二氧化硅增透层上形成第一欧姆电极层200，并使部分调制掺杂区400与第一欧姆电极层200连接。
72.s104、在吸收层100背离第一欧姆电极层200的一侧形成第二欧姆电极层300。
73.从而在吸收层100的相对两侧形成第一欧姆电极层200和第二欧姆电极层300。
74.参照图9所示，具体的，在吸收层100背离第一欧姆电极层200的一侧形成第二欧姆电极层300包括：s1041、在吸收层100背离第一欧姆电极层200的一侧形成第二欧姆接触层600。
75.s1042、在第二欧姆接触层600上形成第二欧姆电极层300。
76.首先，在吸收层100背离第一欧姆电极层200的一面通过磷离子注入、扩散等掺杂工艺形成第二欧姆接触层600。
77.之后，通过磁控溅射或者电子束蒸发法在第二欧姆接触层600上形成第二欧姆电极层300，其中，第二欧姆电极层300可以包括金、银、钛或铝中的一种或者多种金属，本实施例对此不加以限定。
78.关于数值和数值范围的：这里需要说明的是，本发明实施例涉及的数值和数值范围为近似值，受制造工艺的影响，可能会存在一定范围的误差，这部分误差本领域技术人员可以认为忽略不计。
79.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。