一种硅基高饱和探测器及其制备方法与流程

本发明涉及一种探测器及其制备方法，特别是一种硅基高饱和探测器及其制备方法，属于半导体芯片。

背景技术：

1、高频光子链路具有宽带宽，低传输损耗，小尺寸、低重量和抗电磁干扰能力强等优势， 可以有效提高通信系统的 传输容量和传输速率 ，在许多微波和毫米波应用中受到广泛青睐 ，如微波光子雷达 、相控阵天线 和 rof 光载波通信等 。低暗电流，高速，高响应度和高饱和功率光电探测器在rf光子链路中至关重要。硅材料由于其带隙宽度的限制，其硅探测器的工作波长在1100nm以下，无法胜任近红外波段的光探测。同为四族元素的锗材料在近红外波段具有较高的光吸收效率，硅基锗材料具有较高的导热性能，且完全兼容硅的cmos工艺，因此适用于制作高饱和功率光电探测器。

2、光电探测器的饱和特性受热效应、空间电荷效应和串联电阻分压的影响。其中热效应是由器件的结构和材料的散热特性决定，因此可以通过结构进行改善，从而有效提高探测器的饱和特性。常规的散热结构是通过倒装焊的形式，将芯片反扣在特定的行波电极上，利用行波电极及其基底进行散热，光信号从器件的背面引入，然而，这种结构需要复杂的倒装焊结构，对芯片的对准有很高的要求，成本较高。另一种常见的结构则是尽可能减薄衬底，在衬底背面制备金属，从而提高导热，然而衬底的厚度减薄至100μm及以下时，会变得异常脆弱，难以使用。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种硅基高饱和探测器及其制备方法，从而提高器件的响应度以及提高器件的高饱和特性。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种硅基高饱和探测器，包含soi衬底、n型轻掺杂区、光吸收层、二氧化硅窗口层、绝缘介质层、电极和反射导热金属，n型轻掺杂区设置在soi衬底上侧，n型轻掺杂区两侧形成n型重掺杂区，光吸收层设置在n型轻掺杂区的上侧，光吸收层上表面设置有光吸收层p型重掺杂区，二氧化硅窗口层设置在soi衬底上侧且二氧化硅窗口层上开有与光吸收层匹配的渐变窗口，绝缘介质层设置在光吸收层和二氧化硅窗口层上侧，多个电极分别与n型重掺杂区或光吸收层p型重掺杂区连接， soi衬底底部开孔，反射导热金属设置在soi衬底底部开孔内以及soi衬底底面上。

4、进一步地，所述soi衬底包含底部si材料层、二氧化硅填埋层和顶层硅，底部si材料层、二氧化硅填埋层和顶层硅由下至上依次设置，顶层硅采用轻掺杂或本征材料，且顶层硅的电阻率大于1欧姆/厘米。

5、进一步地，所述n型轻掺杂区的掺杂浓度大于1*1017/cm3,n型重掺杂区的掺杂浓度大于5*1018/cm3，光吸收层p型重掺杂区的掺杂浓度大于1*1018/cm3。

6、进一步地，所述二氧化硅窗口层采用化学气相沉积制作，二氧化硅窗口层的外延窗口采用先干法刻蚀、后湿法腐蚀的混合刻蚀阀制作。

7、进一步地，所述绝缘介质层对应光吸收层p型重掺杂区开有电极窗口，绝缘介质层和二氧化硅窗口层上对应n型重掺杂区开有电极窗口。

8、进一步地，所述电极包含n电极和p电极，n电极穿过绝缘介质层和二氧化硅窗口层上的电极窗口与n型重掺杂区连接，p电极穿过绝缘介质层上的电极窗口与光吸收层p型重掺杂区连接。

9、进一步地，所述soi衬底底部中间开孔，孔由下至上贯穿至底部si材料层顶部或者二氧化硅填埋层顶部，孔的横截面积范围大于光吸收层的面积范围。

10、进一步地，所述反射导热金属包含散热底部和反射导热部，散热底部面积与soi衬底的底面匹配，反射导热部与soi衬底底部开孔匹配，反射导热部插设在soi衬底底部开孔内。

11、一种硅基高饱和探测器的制备方法，包含以下步骤：

12、步骤1：采用刻蚀或腐蚀的方法，将soi衬底的顶层硅制作成台面；顶层硅的厚度为340nm，晶向为（001）方向，导电类型为p型，电阻率为10欧姆/厘米，二氧化硅填埋层的厚度为2μm，采用光刻和干法刻蚀的方法刻蚀顶层硅，刻蚀深度为340nm，形成顶层硅台面；

13、步骤2：采用离子注入或扩散的方式，在顶层硅上分别制作n型轻掺杂区和n型重掺杂区；采用光刻胶为掩膜，离子注入的方式，在顶层硅上先后制作n型轻掺杂区和n型重掺杂区，n型轻掺杂区的掺杂浓度为1*1017/cm3~1*1018/cm3，掺杂深度小于150nm； n型重掺杂区的掺杂浓度为1*1019/cm3~1*1020/cm3，掺杂深度小于150nm；

14、步骤3：在顶层硅周围和顶层硅之上制作二氧化硅窗口层，顶层硅上侧的二氧化硅窗口层开有宽度渐变的外延窗口；采用等离子体增强化学气相沉积法生长出一层二氧化硅层，并通过光刻和干法刻蚀的方法在二氧化硅窗口层上刻蚀出外延窗口；外延窗口尺寸为圆形，直径为20-40μm，外延窗口中露出n型轻掺杂区的部分面积，n型轻掺杂区尺寸大于外延窗口；

15、步骤4：在二氧化硅窗口层开有的矩形外延窗口中选择外延光吸收层；衬底经过清洗后，放入超高真空化学气相沉积系统，在二氧化硅窗口层的长条形外延窗口中选择外延光吸收层，材料为纯锗材料，外延厚度为800~2000nm；

16、步骤5：采用离子注入或扩散的方式，在光吸收层上制作光吸收层p型重掺杂区；采用光刻胶为掩膜，离子注入的方式，在光吸收层上制作光吸收层p型重掺杂区，光吸收层p型重掺杂区位于光吸收层的中心，光吸收层p型重掺杂区的掺杂浓度为1*1019/cm3~1*1020/cm3，掺杂深度小于150nm；

17、步骤6：在光吸收层和二氧化硅窗口层上制作绝缘介质层，n型重掺杂区上的二氧化硅窗口层和绝缘介质层以及光吸收层p型重掺杂区上的绝缘介质层上均开有电极窗口；采用等离子体增强化学气相沉积法沉积sio2或si3n4，厚度为300-1000nm；采用光刻胶为掩膜，干法刻蚀的方式，在n型重掺杂区上的二氧化硅窗口层和绝缘介质层以及光吸收层p型重掺杂区上的绝缘介质层上开电极窗口；

18、步骤7：在n型重掺杂区和光吸收层p型重掺杂区上，在二氧化硅窗口层和绝缘介质层的电极窗口中，分别制作n电极和p电极，实现良好的欧姆接触；

19、步骤8：在底部si材料层和二氧化硅填埋层之中，顶层硅之下，采用机械研磨的方式将底部si材料层减薄至100-200μm；背面采用光刻胶为掩膜层，硅深刻蚀工艺刻蚀剩余的si衬底材料，后采用二氧化硅刻蚀全部去除或部分去除二氧化硅埋氧层，制作背面通孔；

20、步骤9：在底部si材料层和二氧化硅填埋层之中的背面通孔中，采用磁控溅射和电镀的方式制作背面反射导热金属，先采用磁控溅射蒸镀薄层铜，后采用电镀的方式将背面通孔填满，完成探测器制备。

21、本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明在探测器底部刻蚀soi衬底形成通孔，通孔中制备高反射高导热的金属材料，一方面利用金属的高反射效果，可以将器件未吸收完全的光信号重新反射回吸收区，从而提高器件的响应度；另一方面可以通过金属的高导热效果有效地降低器件的温度，从而提高器件的高饱和特性。本发明的探测器具有高响应度、高饱和光功率和机械结构稳定的优势。