一种集成的短波红外光电探测器及其制备方法

本发明涉及电子，尤其涉及一种集成的短波红外光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、短波红外波长对应1～3um，是“大气透过窗口”之一，在大气中具有较强的穿透力，因此工作在该波段的探测器可以获得目标更多的辐射能量。此外，短波红外探测成像类似于可见光的反射式成像，而不是热成像，其不仅具有细节分辨能力，还可以穿透粉尘、烟雾等障碍进行成像，因此在微光夜视、空间遥感、光谱分析、生物医疗等方面获得广泛应用。

2、目前，基于ingaas材料的短波红外探测器因为具有低暗电流和高探测效率等优点获得广泛应用，但器件性能已逐渐趋向饱和，且在可见光波段灵敏度低，不利于实现宽光谱探测。此外，ingaas材料制造成本高，制备工艺与cmos不完全兼容，难以实现单片集成，这些都限制了其进一步发展应用。

3、锗材料因为制备工艺与cmos完全兼容，且在短波红外有较好的吸收，是替代ingaas材料的良好选择。得益于硅上外延锗技术的发展，硅基锗光电探测器的综合性能不断提高。目前常用的硅基锗光电探测器主要有pin型光电二极管(photodiode,pd)和雪崩二极管((avalanche photodiode,apd)。常用的pin型硅基锗pd的结构如图1所示，即在p和n掺杂区中间夹着本征区的结构。在外加反向偏压下，本征区被耗尽且电压降主要落在该区域，从而产生高电场可以有效分离光生电子空穴对，提高光生载流子的收集能力，减少扩散时间对器件带宽的影响。因此pin型光电探测器一般具有大带宽，但其主要工作在低偏压下，无内部增益因此响应度较低，难以满足远距离光探测的需求。最简单的apd具有与pin类似的器件结构，但其工作电压通常加到击穿电压附近，使得内部电场足够高引发雪崩效应，从而实现载流子的倍增。

4、为实现高性能，目前硅基锗apd通常采用吸收-电荷和倍增分离(sacm)的结构，如图2所示。其中本征ge层用来吸收入射光并产生电子空穴对，在反偏电压的作用下电子漂移到ge-si界面并进入si倍增层，该层保持足够高的电场使电子发生碰撞电离，实现雪崩倍增。相比于光电二极管，apd具有更高探测灵敏度，但其结构相对复杂，工作电压高，且由于雪崩效应其暗噪声较大，器件性能受温度影响大，从而限制了其应用范围。

5、综上，目前硅基锗光电探测器中，pin型器件响应度低，无法满足长距离探测以及微光探测的需求；apd则存在高功耗、高暗电流的缺点。且整体来说，受限于锗材料的吸收截止波长，目前硅基锗光电探测器的光谱响应大都在1.7um以下，限制其更广泛的应用。

技术实现思路

1、基于此，为解决上述问题，本发明提供一种具有新型结构的集成的短波红外光电探测器，其可以在器件内部实现高增益，从而提高量子效率和响应度，且可实现暗电流可控。此外，由于高量子效率，器件在1.7um以上仍具有不错的响应度，拓展了光电探测器的光谱响应。

2、根据本发明实施例的第一方面，本发明提供了一种集成的短波红外光电探测器，包括衬底，以及制备在衬底上的掺杂阱区、掺杂源区、掺杂漏区、栅绝缘层、栅电极、锗外延层和掺杂阴极；

3、所述掺杂阱区、所述锗外延层和所述掺杂阴极均设于所述衬底表面上，并构成一光电二极管，用以探测入射光并将光强转化成光电流；

4、所述掺杂源区和所述掺杂漏区内嵌设于所述掺杂阱区中，且所述掺杂源区和所述掺杂漏区的表面均与所述掺杂阱区表面齐平，所述栅电极设于所述掺杂源区和所述掺杂漏区的顶部且与所述掺杂源区、所述掺杂漏区和所述掺杂阱区的上表面之间通过所述栅绝缘层分隔开；所述掺杂阱区、所述掺杂源区、所述掺杂漏区、所述栅绝缘层和所述栅电极构成一场效应晶体管，用以将所述光电二极管产生的光电流进行放大。

5、相比于现有技术，本发明提供的集成的短波红外光电探测器一方面利用ge pd(锗光电二极管)对短波红外光的有效吸收，另一方面利用mosfet(场效应晶体管)对pd光电流放大，整体实现高响应度、宽光谱的性能。本发明的结构设计在器件内部实现高增益，从而提高量子效率和响应度，且可实现暗电流可控。此外，由于高量子效率，器件在1.7um以上仍具有不错的响应度，拓展了光谱响应。

6、可选的，所述掺杂阴极为n+锗掺杂区，所述掺杂阱区、所述锗外延层和所述n+锗掺杂区依次层叠设于所述衬底表面上。作为一种可选的结构设计方案，该设置结构较为简单，掺杂阱区、锗外延层和n+锗掺杂区共同构成了一个pin型pd，用于探测入射光，并将光强转化成光电流。

7、可选的，所述掺杂阴极由n+硅掺杂区和n-硅掺杂区组成，且n+硅掺杂区、所述n-硅掺杂区和所述掺杂阱区均设于所述锗外延层与所述衬底之间；所述n-硅掺杂区与所述掺杂阱区连接处形成pn结。作为一种可选的结构设计方案，该设置由掺杂阱区、锗外延层、n-硅掺杂区和n+硅掺杂区组成一个横向的pd，n-硅掺杂区和掺杂阱区连接处形成pn结，内建电场将横向穿过锗外延层，从而达到分离、收集光生载流子的作用，有效降低暗电流，进一步提升器件的响应速度。

8、优选的，所述衬底为体硅衬底或soi衬底。本发明的光电探测器上述两种不同的结构设计均可选用这两种衬底中的任一种。

9、优选的，所述栅绝缘层为二氧化硅层，所述栅电极为多晶硅栅极。

10、优选的，所述短波红外光电探测器的光谱响应范围为0.3μm～1.95μm。该光谱响应范围相比现有的硅基锗光电探测器有明显提升，在1.7μm以上仍具有不错的响应度，拓展了光谱响应。

11、可选的，所述场效应晶体管为条形结构。场效应晶体管的栅电极、掺杂源区和掺杂漏区以条形形状并排设置。

12、可选的，所述场效应晶体管为环形结构。场效应晶体管的栅电极、掺杂源区和掺杂漏区环形排布于所述掺杂阴极外围。

13、根据本发明实施例的第二方面，本发明提供了一种上述集成的短波红外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

14、s1：制备衬底；

15、s2：制备掺杂阱区：通过光刻工艺定义场效应晶体管和光电二极管的有源区，利用离子注入进行掺杂，并进行退火激活杂质，形成掺杂阱区；

16、s3：制备多晶硅栅结构：通过热氧化工艺在步骤s2得到的样品上表面形成一层薄二氧化硅作为栅绝缘层，再利用化学气相沉积技术制得多晶硅，最后通过光刻和刻蚀工艺形成多晶硅栅极；

17、s4：形成源漏掺杂区：通过光刻工艺定义场效应晶体管的源区和漏区，按照设计好的剂量进行离子注入掺杂，并进行退火激活，形成掺杂源区和掺杂漏区；

18、s5：制备锗外延层：在步骤s4得到的样品上表面通过化学气相沉积制得氧化硅钝化层，再通过刻蚀工艺在氧化硅上刻蚀窗口确定锗生长区域，在该区域选择性外延得到锗外延层，最后通过化学机械平坦化工艺对锗外延层进行处理；

19、s6：在锗外延层上通过离子注入掺杂，并进行退火激活，得到n+锗掺杂区；

20、s7：接触孔和金属填充、互联；

21、s8：制备金属电极，沉积钝化层，并对金属电极区域开孔。

22、根据本发明实施例的第三方面，本发明还提供了另一种上述集成的短波红外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

23、s1：制备衬底；

24、s2：制备掺杂阱区：通过光刻工艺定义场效应晶体管和光电二极管的有源区，利用离子注入进行掺杂，并进行退火激活杂质，形成掺杂阱区；

25、s3：制备多晶硅栅结构：通过热氧化工艺在步骤s2得到的样品上表面形成一层薄二氧化硅作为栅绝缘层，再利用化学气相沉积技术制得多晶硅，最后通过光刻和刻蚀工艺形成多晶硅栅极；

26、s4：形成源漏掺杂区：通过光刻工艺定义场效应晶体管的源区和漏区，按照设计好的剂量进行离子注入掺杂，并进行退火激活，形成掺杂源区和掺杂漏区；

27、s5：光电二极管的pn结制备：通过光刻工艺定义pn结的n区，利用离子注入进行掺杂，并进行退火激活杂质，形成n-硅掺杂区；

28、s6：光电二极管的阴极制备：通过光刻工艺定义光电二极管的阴极，用离子注入进行掺杂，并进行退火激活杂质，形成n+硅掺杂区；

29、s7：制备锗外延层：在步骤s4得到的样品上表面通过化学气相沉积制得氧化硅钝化层，再通过刻蚀工艺在氧化硅上刻蚀窗口确定锗生长区域，在该区域选择性外延得到锗外延层，最后通过化学机械平坦化工艺对锗外延层进行处理；

30、s8：接触孔和金属填充、互联；

31、s9：制备金属电极，沉积钝化层，并对金属电极区域开孔。

32、综上，本发明提供了一种集成的短波红外光电探测器，其器件光谱响应范围为0.3μm～1.95μm，其中在波长为1310nm的响应度为1.4×103a/w，在波长为1550nm的响应度为1.9×102a/w。经测试，当调整器件栅源电压(vgs)时，器件暗电流也随之变化，在vgs为0.2v时，器件暗电流约为10na，而此时响应度仍有10a/w，从而实现暗电流可控。本发明还提供了所述光电探测器的两种制备方法以及具体工艺流程，均可兼容传统cmos工艺，并实现ge外延工艺和cmos工艺的单片集成。

33、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。