一种硅基宽光谱探测器阵列及其制备方法与流程

文档序号:33507250发布日期:2023-03-18 03:19阅读:147来源:国知局
一种硅基宽光谱探测器阵列及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种探测器阵列及其制备方法,特别是一种硅基宽光谱探测器阵列及其制备方法,属于光电子技术领域。


背景技术:

2.宽光谱的多色成像和探测在高质量人像照相、农业、军事、环境监测、地质勘查、海洋遥感、大气遥感、生物医学等方面有广泛的应用前景,成为近年来光电子领域的研究热点。一般情况下,一种半导体材料只能对特定的波长范围内的光进行响应探测,为了实现宽光谱的探测,必须要将不同半导体材料进行集成,以拓展光响应范围。现在的光电探测器普遍使用直接带隙的iii-v族半导体材料,例如ingaas、insb、inas等材料。通过不同带隙宽度的iii-v材料的异质外延集成,可以实现高效率的宽光谱探测。而采用宽光谱探测器的阵列与硅微电子探测器读出电路集成,则可以实现宽光谱成像,将极大地提高宽光谱探测器的应用范围。可惜的是,虽然直接带隙的iii-v族材料具有很好的探测效率,但是其价格相对昂贵,热学机械性能差,最重要的是无法与硅微电子芯片实现工艺兼容,这极大地限制了应用。
3.由于硅的禁带宽度为1.12ev,无法有效吸收波长大于1100nm的光信号。另外,虽然硅可以吸收短波长的光信号(《400nm),但是其在硅中的穿透深度非常有限,因此,通常硅探测器只能有效探测400nm-1100nm的光信号。而同为iv族元素的锗材料,在近红外波段具有较高的响应,锗探测器可以有效探测800nm-1700nm的光信号。采用锗锡合金探测器,则可以有效探测800nm-2000nm的光信号。而且锗和锗锡合金都可以在硅上实现外延生长,并能完全兼容现有的硅cmos工艺,可以有效地降低成本。因此,通过硅和锗及锗锡合金的合理集成,充分地利用材料不同波段的光探测能力,可以将硅基探测器的响应波长扩宽为400nm-2000nm,实现宽光谱探测。
4.因此,如果能够减少表面掺杂引起的死区效应,则能够将硅基探测器的相应波长范围进一步拓宽。但是,传统的纵向pin结构,探测器有源区的最表面均有重掺杂或中等掺杂层,对于波长较短甚至紫外波段的光信号(《400nm),材料吸收了光信号产生的光生载流子聚集在表面掺杂区,难以提取,从而造成探测器在短波上的光谱响应缺失。


技术实现要素:

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种硅基宽光谱探测器阵列及其制备方法,提高光谱探测器对波长较短光信号的响应,实现300nm-2000nm的宽光谱探测。
6.为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种硅基宽光谱探测器阵列,其特征在于:由多个探测器单元阵列构成,每个探测器单元包含soi衬底、二氧化硅窗口层、长波吸收层、n电极和p电极,soi衬底包括底部si材料层、二氧化硅填埋层和顶层硅,二氧化硅填埋层制作在底部si材料层上侧,顶层硅制作在二氧化硅填埋层的上侧,其中底部si材料层部分覆盖二氧化硅填埋层的下侧面,顶层硅包
括n型重掺杂区、n型中掺杂区和本征区,n型重掺杂区在深度范围内完全替代顶层硅,n型中掺杂区和本征区设置在n型重掺杂区之间空心区域内并且本征区位于n型中掺杂区的上侧,二氧化硅窗口层形状与n型重掺杂区匹配并且对应制作在n型重掺杂区上侧,长波吸收层的下侧外沿生长于二氧化硅窗口层内且完全覆盖n型中掺杂区和本征区上侧,n电极制作在n型中掺杂区上,p电极制作在长波吸收层顶部。
7.进一步地,所述n型重掺杂区呈矩形分布在单个探测器单元的外侧边沿,n型中掺杂区呈几何形状分布在n型重掺杂区内侧空心区域内,n型中掺杂区下侧位于二氧化硅填埋层上侧并且n型中掺杂区在深度范围内部分替代顶层硅,n型重掺杂区内侧空心区域内除n型中掺杂区外全部为本征区。
8.进一步地,所述长波吸收层的顶部设置有p型掺杂区,p电极制作在p型掺杂区上。
9.进一步地,还包含绝缘介质层,绝缘介质层设置在二氧化硅窗口层、长波吸收层的外侧。
10.进一步地,所述底部si材料层与长波吸收层相互错开。
11.进一步地,所述长波吸收层的材料采用纯锗、锗锡合金或锗硅合金。
12.一种硅基宽光谱探测器阵列的制备方法,其特征在于包含以下步骤:s1、分别在顶层硅上制作n型重掺杂区和n型中掺杂区,未进行掺杂的区域为本征区;s2、在顶层硅表面沉积二氧化硅制作二氧化硅窗口层,二氧化硅窗口层上对应n型中掺杂区和本征区上方区域开设窗口;s3、在二氧化硅窗口层的窗口中露出的顶层硅之上选择外延生长长波吸收层;s4、在长波吸收层顶部制作p型掺杂区;s5、在长波吸收层和二氧化硅窗口层上沉积绝缘介质层;s6、在n型重掺杂区对应的顶层硅上制作所有探测器单元共用的n电极,n电极与n型重掺杂区形成电性连接;s7、在每个探测器单元的p型掺杂区上制作独立的p电极,p电极与p型掺杂区形成电性连接;s8、退火形成欧姆接触;s9、减薄底部si材料层,并去除长波吸收层下方对应的si材料层,完成制备。
13.进一步地,所述步骤s1中,顶层硅的厚度大于200nm,二氧化硅填埋层的厚度大于300nm,顶层硅110的晶向为《001》方向,顶层硅的导电类型为p型,电阻率为10欧姆/厘米,n型重掺杂区的注入深度是0~340nm,掺杂浓度均大于1
×
10
19
cm-3
,n型中掺杂区的离子注入深度为200~340nm,掺杂浓度均大于1
×
10
18
cm-3
,高温退火激活的条件为》800 ℃/10min。
14.进一步地,所述步骤s2中,采用离子增强的化学气相沉积系统或热氧化的方法在顶层硅表面沉积二氧化硅,并采用光刻胶作为掩膜和干法湿法相结合的刻蚀方式在n型中掺杂区和本征区上侧的二氧化硅上开设窗口。
15.进一步地,所述步骤s3中,采用超高真空化学气相沉积系统在二氧化硅窗口层的窗口中外延生长长波吸收层。
16.进一步地,所述步骤s8中,退火的温度为150~750℃。
17.进一步地,所述步骤s9中,采用机械研磨工艺减薄底部si材料层,然后采用光刻胶
作为掩膜和干法刻蚀的方式去除长波吸收层下方对应的si材料层,完成制备。
18.本发明与现有技术相比,具有以下优点和效果:本发明的硅基宽光谱探测器阵列采用了受光面有源区表面部分掺杂和浅掺杂,并保留了部分本征区域,从而在本征的非注入区,没有短波探测的死区效应,可以有效提高光谱探测器对波长较短光信号的响应,从而实现300nm-2000nm的宽光谱探测。
附图说明
19.图1是本发明的一种硅基宽光谱探测器阵列的示意图。
20.图2是本发明的顶层硅的几种形式的俯视图。
21.图3是本发明的一种硅基宽光谱探测器阵列的制备方法的流程图。
具体实施方式
22.为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案,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晰、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例,而不是全部的实施例,并且,在不付出创造性劳动的前提下,本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换,下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
23.如图1所示,本发明的一种硅基宽光谱探测器阵列,由多个探测器单元阵列构成,每个探测器单元包含soi衬底1、二氧化硅窗口层2、长波吸收层3、n电极4和p电极5,soi衬底1包括底部si材料层11、二氧化硅填埋层12和顶层硅13,二氧化硅填埋层12制作在底部si材料层11上侧,顶层硅13制作在二氧化硅填埋层12的上侧。其中,底部si材料层11部分覆盖二氧化硅填埋层12的下侧面,顶层硅13包括n型重掺杂区14、n型中掺杂区15和本征区16,n型重掺杂区14在深度范围内完全替代顶层硅13,用于隔离相邻探测器,防止光生载流子在相邻探测器之间渡越而引发串扰,提高成像的清晰度。n型中掺杂区15和本征区16设置在n型重掺杂区14之间空心区域内并且本征区16位于n型中掺杂区15的上侧,二氧化硅窗口层2形状与n型重掺杂区14匹配并且对应制作在n型重掺杂区14上侧,为了避免二氧化硅窗口层2对n型中掺杂区产生影响,二氧化硅窗口层2的宽度小于n型重掺杂区14从而部分覆盖在n型重掺杂区14上方。二氧化硅窗口层2的制备方法可以采用热氧化顶层硅13、溅射生长或化学气相沉积的方法实现。制作二氧化硅窗口层2的外延窗口可以通过hf腐蚀或干法刻蚀等方式形成。采用hf腐蚀,可以避免干法刻蚀引入的表面粗糙和缺陷,从而提高后续外延长波吸收层3的质量。刻蚀二氧化硅窗口层2中露出的顶层硅13的形状决定了后续外延长波吸收层3的位置和面积。二氧化硅窗口层2的形状以方形或矩形为佳,可以有效地提高探测器阵列的探测面积占空比。
24.长波吸收层3的下侧外沿生长于二氧化硅窗口层2内且完全覆盖n型中掺杂区15和本征区16上侧,n电极4制作在n型中掺杂区15上,与n型重掺杂区15形成良好的欧姆接触,p电极5制作在长波吸收层3顶部,与p型掺杂区6形成良好的欧姆接触。
25.光信号从二氧化硅填埋层12方向入射,先经过顶层硅13,顶层硅13无法吸收或无法完全吸收的光信号会进入长波吸收层3进行吸收,此时吸收不完全的光信号会被锗探测器顶部的p电极5反射,再次进入探测器进行二次吸收,从而提高响应度。通常硅探测器只能
有效探测400nm-1100nm的光信号,锗探测器可以有效探测800nm-1700nm的光信号,而锗锡探测器可以将有效探测波长增加到2000nm及以上。
26.如图2所示,n型重掺杂区14呈矩形分布在单个探测器单元的外侧边沿,在整个探测器阵列上,n型重掺杂区14成矩形网格状,分隔成一个个正方形小格,每个小格内即为一个探测器单元。n型中掺杂区15呈几何形状分布在n型重掺杂区14内侧空心区域内,图2列举了几种n型中掺杂区15的几何形状的样子。n型中掺杂区15下侧位于二氧化硅填埋层12上侧并且n型中掺杂区15在深度范围内部分替代顶层硅13,用于减少n型中掺杂区的深度,降低其对光生载流子提取的影响。n型重掺杂区14内侧空心区域内除n型中掺杂区15外全部为本征区16。
27.长波吸收层3的顶部设置有p型掺杂区6,p电极5制作在p型掺杂区6上。p型掺杂区采用离子注入的方式注入硼、镓离子后退火激活,p型掺杂区的掺杂浓度大于5
×
10
18
/cm3。
28.本发明的硅基宽光谱探测器阵列还包含绝缘介质层7,绝缘介质层7设置在二氧化硅窗口层2、长波吸收层3以及p型掺杂区6的外侧,用于实现其与外界环境的电性隔绝。在p型掺杂区6上侧留出供p电极5穿过的通孔。
29.底部si材料层11与长波吸收层3相互错开。由于底部si材料层11也可以吸收一部分光信号,因此去除探测器阵列长波吸收层3下方的底部si材料层11,可消除硅衬底对探测器光响应的影响。长波吸收层3的材料采用纯锗、锗锡合金或锗硅合金。
30.n型中掺杂区15和n型重掺杂区14,可以通过离子注入或杂质扩散的方式。优选地,本实施例中,n型重掺杂区14、n型中掺杂区15采用离子注入方式注入磷或砷离子后退火激活,其中,n型中掺杂区的掺杂浓度大于1
×
10
17
/cm3,n型重掺杂区由于需要实现优良的欧姆接触,其掺杂浓度大于5
×
10
18
/cm3。
31.如图3所示,一种硅基宽光谱探测器阵列的制备方法,包含以下步骤:s1、采用光刻胶作为掩膜和离子注入的方式分别在顶层硅13上制作n型重掺杂区14和n型中掺杂区15,未进行掺杂的区域为本征区16。顶层硅13的厚度大于200nm,二氧化硅填埋层12的厚度大于300nm。本实施例中,二氧化硅填埋层12的厚度为2 μm,顶层硅13厚度为340nm,顶层硅13的晶向为《001》方向,导电类型为p型,电阻率为10欧姆/厘米。n型重掺杂区14的注入深度是0~340nm,掺杂浓度均大于1
×
10
19
cm-3
,n型中掺杂区15的离子注入深度为200~340nm,掺杂浓度均大于1
×
10
18
cm-3
,高温退火激活的条件为》800 ℃/10min。
32.s2、采用等离子增强的化学气相沉积系统(pecvd)或热氧化的方法在顶层硅13表面沉积二氧化硅,并采用光刻胶作为掩膜和干法湿法相结合的刻蚀方式在部分n型重掺杂区14、n型中掺杂区15和本征区16上的二氧化硅上制作二氧化硅窗口层2,用于长波吸收层3的制备。本实施例中,二氧化硅厚度为200nm,探测器单元的形状为正方形,因此二氧化硅腐蚀窗口的形状为正方形,占单个探测器面积的75%以上。
33.s3、经过清洗后,放入超高真空化学气相沉积系统(uhv-cvd),在二氧化硅窗口层2的外延窗口中的顶层硅13之上,外延生长长波吸收层3,长波吸收层3的材料为纯锗、锗锡合金或锗硅合金,长波吸收层3的厚度至少大于200nm。本实施例中,长波吸收层3采用了纯锗材料。为了提高探测器在1100-1700nm的响应度,长波吸收层的厚度为800nm,在1550nm波长处,可获得大于0.6a/w的响应度。
34.s4、采用光刻胶作为掩膜和离子注入的方式在长波吸收层3顶部制作p型掺杂区6。
本实施例中,p型掺杂区6的注入离子为硼,注入深度是0~100nm,掺杂浓度均大于1
×
10
19
cm-3
。快速退火激活的条件为》400 ℃/1min。
35.s5、在长波吸收层3和二氧化硅窗口层2上沉积绝缘介质层7,实现其与外界环境的电性隔绝。本实施例中,采用pecvd沉积二氧化硅400nm。
36.s6、在n型重掺杂区14对应的顶层硅13上制作所有探测器单元共用的n电极4,与n型重掺杂区14形成电性连接。
37.s7、在p型掺杂区7上制作每个探测器单元独立设置的p电极5,与p型掺杂区7形成电性连接。
38.s8、退火形成欧姆接触。本实施例中所述的退火的温度为150-750℃,实现n电极4与n型重掺杂区14以及p电极5与p型掺杂区7的欧姆接触。
39.s9、采用机械研磨工艺减薄底部si材料层11,然后采用光刻胶作为掩膜和干法刻蚀的方式去除长波吸收层3下方对应的底部si材料层11,完成制备。本实施例中,底部si材料层11被减薄至150 μm,然后通过背面光刻和干法刻蚀完全去除对应的底部si材料层11。
40.本发明提供了一种硅基宽光谱探测器阵列及其制备方法。采用了受光面有源区表面部分掺杂和浅掺杂,保留了部分本征区域。因此,在本征的非注入区,没有短波探测的死区效应,可以有效提高探测器对波长较短光信号的响应,从而实现300nm-2000nm的宽光谱探测。另外,本发明以硅为基底,可利用硅在微电子领域的强大的电信号处理能力,为今后硅基宽光谱探测器的阵列化提供良好的集成基础和优化空间,在硅基宽光谱光处理和光成像领域具有广泛的应用前景。
41.以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质,在本发明的精神和原则之内,对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等,均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
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