基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-APD光電探測器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-APD光電探測器及其制備方法，屬于光電探測【技術(shù)領(lǐng)域】，其包括P型Si襯底（1）、位于P型Si襯底（1）中心上方的微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)（2）、位于P型Si襯底（1）兩側(cè)上方的保護(hù)環(huán)區(qū)即N區(qū)（3）、設(shè)置在微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)（2）和N區(qū)（3）上表面的上端電極（4）以及位于P型Si襯底（1）下表面的下端電極（5）；所述微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)（2）的深度小于保護(hù)環(huán)區(qū)即N區(qū)（3）的深度。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)Si-APD光電探測器響應(yīng)度較低、無法響應(yīng)近紅外波段等問題，可使響應(yīng)波段擴(kuò)展到近紅外波段，響應(yīng)度更高。
【專利說明】基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-APD光電探測器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電探測【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及光電探測器件結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種基于微納 米結(jié)構(gòu)的Si-APD光電探測器及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 光電探測器作為光纖通訊系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)、激光告警系統(tǒng)和激光測距系統(tǒng)等 的重要組成部分，在民用和軍用方面均得到了廣泛的應(yīng)用。Aro是一種具有內(nèi)增益能力的光 探測器，具有很高的靈敏度，被廣泛地應(yīng)用在超高速光通信、信號處理、測量和傳感系統(tǒng)中。 Aro是現(xiàn)代高比特速率光通信系統(tǒng)廣泛使用的光電探測器，以其體積小、測量波段范圍寬以 及在近紅外波段有較高靈敏度等一系列的優(yōu)點(diǎn)，已大量用于弱光場測量、光子計(jì)數(shù)等相關(guān) 領(lǐng)域中。由于Aro光電探測器具有較高的內(nèi)增益和探測靈敏度比pin型光二極管高的特點(diǎn)， 因此是目前1. 06 μ m激光測距機(jī)中最常用的優(yōu)良器件。
[0003] 雪崩光電二極管（APD)是一種應(yīng)用廣泛的光電探測器件，由于具有較高的內(nèi)部增 益，因而器件的靈敏度和響應(yīng)度較高，主要用于弱光條件下的通信、航空、航天、航海以及醫(yī) 療、安防等工業(yè)和民用領(lǐng)域。
[0004] 傳統(tǒng)硅基雪崩光電二極管（Si-APD)在200 nm?900 nm波長范圍內(nèi)的響應(yīng)度較高， 但硅材料的禁帶寬度較大（1. 12 eV)，因而傳統(tǒng)Si-AH)對大于1000 nm波長光的響應(yīng)度很 低，一般不能用于紅外波段的光探測。其它半導(dǎo)體材料如Ge、InGaAs等雖然可以探測紅外 波段的光，但這些材料的價格昂貴、熱力學(xué)性能較差、信噪比低，而且器件制備工藝與現(xiàn)有 成熟的硅工藝不兼容。Si材料具有高的碰撞電離系數(shù)比，用于光探測器時可使器件的信噪 比得到提高，且工藝成熟。因而，通過某些特定的方法實(shí)現(xiàn)硅材料對近紅外波段的吸收，擴(kuò) 展硅基光探測器的探測范圍，意義十分重大。
[0005] 微納米結(jié)構(gòu)硅是一種在晶體硅表面通過微納米加工技術(shù)得到的具有微納米尺度 的表面硅材料，具有排列規(guī)整、分布均勻和可加工面積大等優(yōu)點(diǎn)，其對可見光及近紅外光的 吸收率可達(dá)到90%以上，且由于在加工過程中可能引入的缺陷態(tài)和雜質(zhì)能級等，使其光譜 吸收范圍相較于傳統(tǒng)娃材料可向近紅外方向拓展。
[0006] 目前，能在硅晶體表面實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的加工方法主要有：極紫外光刻技術(shù)、電子 束光刻技術(shù)、X射線光刻、納米壓印刻蝕技術(shù)等。其中，納米壓印刻蝕方法是國內(nèi)外正在研 發(fā)和推廣的新一代微納米結(jié)構(gòu)材料刻蝕新工藝，其基本原理是將事先制作好的微納米結(jié)構(gòu) 模版通過專用壓機(jī)作用于一層薄的聚合物壓印膠上，這層具有良好流變性的壓印膠可通過 熱作用或紫外光固化，經(jīng)良好的脫模后在壓印膠上形成與模版1:1大小的圖案，從而替代 傳統(tǒng)的"光刻"工藝。該工藝通過壓印膠的模壓變形與固化來實(shí)現(xiàn)圖像的轉(zhuǎn)移，圖像最小尺 度極限主要依賴于模板的加工精度，而后者可借助最新的微納米刻蝕技術(shù)，實(shí)現(xiàn)納米量級 的加工，突破了傳統(tǒng)光刻的工藝極限，降低了對特殊曝光束源、高精度聚焦系統(tǒng)、極短波長 透鏡系統(tǒng)以及抗蝕劑分辨率受光波場效應(yīng)的限制和要求，具有工藝重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高 和圖形轉(zhuǎn)移精度高等優(yōu)點(diǎn)，適合產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)?，F(xiàn)有的納米壓印刻蝕技術(shù)主要有熱壓印 刻蝕、紫外納米壓印刻蝕和微接觸納米壓印刻蝕等。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)，利用微納米壓印刻蝕工藝，本發(fā)明的目在于提供一種響應(yīng)度 高、響應(yīng)速度快和響應(yīng)光譜波段寬的基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-APD光電探測器及制備方法。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 一種基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-APD光電探測器，其特征在于，包括P型Si襯底1、位于P型 Si襯底1中心上方的微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)2、位于P型Si襯底1兩側(cè)上方的保護(hù)環(huán)區(qū)即 N區(qū)3、設(shè)置在微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)2和N區(qū)3上表面的上端電極4以及位于P型Si襯底 1下表面的下端電極5 ;所述微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)（2)的深度小于保護(hù)環(huán)區(qū)即N區(qū)（3)的 深度。
[0009] 在本發(fā)明中，所述微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)是通過磷（P)重擴(kuò)散或離子注入形成的N+ 區(qū)，也是進(jìn)行納米壓印刻蝕得到的表面呈微納米尺度陣列化分布的微結(jié)構(gòu)硅材料。
[0010] 進(jìn)一步地，磷擴(kuò)散N區(qū)呈環(huán)形狀，為環(huán)形N區(qū)。
[0011] 在本發(fā)明中，微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)呈陣列化排布，其典型尺寸為：硅微納米柱或 微納米孔直徑6(T90 nm、高度或深度30(T500 nm、周期10(T300 nm。
[0012] 所述N區(qū)3是通過磷擴(kuò)散或者離子注入制備得到的，其摻雜濃度范圍為1X1014 ion/cm3?2 X 1017 ion/cm3。
[0013] 在本發(fā)明中，所述上端電極4和下端電極5為金屬薄膜電極，金屬材料為鋁（A1)、 金（Au)或金鉻合金（Au/Cr)。
[0014] 針對上述基于微納米結(jié)構(gòu)的si-Aro光電探測器的制備方法，其特征在于，包括如 下步驟： (υ預(yù)備表面清潔、干燥的硅單晶片襯底材料； 1:21將硅單晶片研磨拋光至厚度為350 μ m，并在襯底正面氧化生長Si02膜層； (3:1在Si02膜層表面旋涂上一層光刻膠，并利用掩模圖形對光刻膠圖形化，在Si02膜層 上光刻出N區(qū)圖形區(qū)域待刻蝕； ι.4?對已經(jīng)圖形化的表面區(qū)域進(jìn)行刻蝕，去除未被保護(hù)的3102膜層形成N區(qū)保護(hù)環(huán)磷擴(kuò) 散窗口； I:f)對刻蝕后的N區(qū)磷擴(kuò)散窗口進(jìn)行磷擴(kuò)散或離子注入形成N區(qū)，摻雜濃度范圍為 1 X 1014 ion/cm3?2 X 1017 ion/cm3,結(jié)深為 1. 5 μ πΓ3· 5 μ m，接著去除表面光刻膠； 16)在Si02膜層表面旋涂上一層光刻膠，并利用掩模圖形對光刻膠圖形化，在Si02膜層 上光刻出N+區(qū)圖形區(qū)域待刻蝕； (7丨對已經(jīng)圖形化的表面區(qū)域進(jìn)行刻蝕，去除未被保護(hù)的3102膜層形成N+區(qū)窗口； | :1對Ν+區(qū)窗口進(jìn)行磷擴(kuò)散或離子注入形成Ν+區(qū)，摻雜濃度范圍為>5 X 1017 ion/cm3， 結(jié)深為0. 2 μ πΓ3. 0 μ m，接著去除表面光刻膠； i:9i對iSj制成的硅器件進(jìn)行清洗并烘干，并在N+區(qū)上均勻涂敷一層壓印膠； 在真空下施加一定壓力，使納米壓印模板與壓印膠充分接觸，填充完全后通過照射 紫外光或加熱使壓印膠固化成形； illl脫模，去除殘膠層； Μ采用深槽反應(yīng)離子刻蝕的方法，以上述固化后的壓印膠為掩膜，對其下面的硅材料 襯底進(jìn)行各向異性刻蝕，得到相應(yīng)的圖形，從而形成微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)； 上端電極和下端電極制備。
[0015] 本發(fā)明的基本工作原理是：被探測目標(biāo)物質(zhì)所激發(fā)出的光輻射或各種反射激光被 新型Si-Aro光電探測器的光敏面所吸收，產(chǎn)生空穴電子對；空穴電子對在高電場作用下 高速運(yùn)動，通過碰撞電離效應(yīng)，產(chǎn)生數(shù)量是首次空穴電子對幾十倍的二次、三次新空穴電子 對，從而產(chǎn)生很大的光信號電流。
[0016] 本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，其有效果表現(xiàn)在： 一、由于探測器光敏面具有微納米尺度的表面微結(jié)構(gòu)，使得該器件具有較高的響應(yīng)度 和近紅外光譜響應(yīng)的特征；并且，納米壓印刻蝕技術(shù)應(yīng)用于硅晶體材料表面微納結(jié)構(gòu)加工， 具有微納米結(jié)構(gòu)分布均勻性好、加工重復(fù)性好以及可用于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢。
[0017] 二、由于微納米結(jié)構(gòu)硅具有寬光譜吸收和低反射率等特征，以及探測器獨(dú)特的保 護(hù)環(huán)區(qū)即環(huán)形N區(qū)的存在，使得這種新型Si-Aro光電探測器具有近紅外光譜延伸的特征以 及較高的響應(yīng)度，特別能在700 ηπΓ?200 nm波長范圍內(nèi)提高器件的響應(yīng)度和量子效率。
[0018] 三、本發(fā)明所涉及的基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-Aro光電探測器所用材料均以硅為基 本材料，易于與現(xiàn)有硅微電子標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容，且制備過程簡單，效率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明的俯視平面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 附圖標(biāo)記：1是P型Si襯底、2是微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)、3是N區(qū)、4是上端電極、 5是下端電極。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面將結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0023] 如圖1所示，包括P型Si襯底1、微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)2、N區(qū)3、上端電極4及下 端電極5。P型Si襯底1可采用高阻Si單晶片；N區(qū)3可采用磷擴(kuò)散或離子注入；微納米 結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)2可通過在磷擴(kuò)散摻雜或離子注入形成N+區(qū)上進(jìn)行納米壓印刻蝕得到。這 樣制作的新型Si-AH)光電探測器具有微納米結(jié)構(gòu)硅層和保護(hù)環(huán)，從而具有高響應(yīng)度和近 紅外寬光譜響應(yīng)的特性。
[0024] -種基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-AH)光電探測器，具體包括如下步驟： Γ?預(yù)備表面清潔、干燥的硅單晶片襯底材料； 12)將硅單晶片研磨拋光至厚度為350 μ m，并在襯底正面氧化生長Si02膜層； 丨3丨在Si02膜層表面旋涂上一層光刻膠，并利用掩模圖形對光刻膠圖形化，在Si02膜層 上光刻出N區(qū)圖形區(qū)域待刻蝕； |.4:1對已經(jīng)圖形化的表面區(qū)域進(jìn)行刻蝕，去除未被保護(hù)的3102膜層形成N區(qū)保護(hù)環(huán)磷擴(kuò) 散窗口； if丨對刻蝕后的N區(qū)磷擴(kuò)散窗口進(jìn)行磷擴(kuò)散或離子注入形成N區(qū)，摻雜濃度范圍為 1 X 1014 ion/cm3?2 X 1017 ion/cm3,結(jié)深為 1. 5 μ πΓ3· 5 μ m，接著去除表面光刻膠； ?:6丨在Si02膜層表面旋涂上一層光刻膠，并利用掩模圖形對光刻膠圖形化，在Si02膜層 上光刻出N+區(qū)圖形區(qū)域待刻蝕； f 7)對已經(jīng)圖形化的表面區(qū)域進(jìn)行刻蝕，去除未被保護(hù)的5102膜層形成N+區(qū)窗口； i:g)對N+區(qū)窗口進(jìn)行磷擴(kuò)散或離子注入形成N+區(qū)，摻雜濃度范圍為>5X 1017 ion/cm3， 結(jié)深為0. 2 μ πΓ3. 0 μ m，接著去除表面光刻膠； (9:1對1&.丨制成的硅器件進(jìn)行清洗并烘干，并在N+區(qū)上均勻涂敷一層壓印膠； _:1在真空下施加一定壓力，使納米壓印模板與壓印膠充分接觸，填充完全后通過照射 紫外光或加熱使壓印膠固化成形； (11:1脫模，去除殘膠層； IW采用深槽反應(yīng)離子刻蝕的方法，以上述固化后的壓印膠為掩膜，對其下面的硅材料 襯底進(jìn)行各向異性刻蝕，得到相應(yīng)的圖形，從而形成微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)； 113+1上端電極和下端電極制備。
[0025] 其中，在微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)2的制備中，微納米結(jié)構(gòu)硅呈陣列化排布，其典型尺 寸為：硅微納米柱或微納米孔直徑6(T90 nm、高度(或深度)30(T500 nm、周期為10(T300 nm。
[0026] 其中，金屬電極可選材料有鋁A1、金Au、鉻/金Cr/Au ;金屬沉積方法可為LPCVD、 M0CVD、磁控濺射；金屬電極厚度為50 nnTl50 nm。該種以微納米結(jié)構(gòu)硅為光敏層的背照式 Si-APD光電探測器的響應(yīng)波長范圍為400 nnTl200 nm，響應(yīng)度范圍為20 A/W~100 A/W。
[0027] 以上僅是本發(fā)明眾多具體應(yīng)用范圍中的代表性實(shí)施例，對本發(fā)明的保護(hù)范圍不構(gòu) 成任何限制。凡采用變換或是等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之 內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-Aro光電探測器，其特征在于，包括P型Si襯底（1)、位 于P型Si襯底（1)中心上方的微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)（2)、位于P型Si襯底（1)兩側(cè)上方 的保護(hù)環(huán)區(qū)即N區(qū)（3)、設(shè)置在微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)（2)和N區(qū)（3)上表面的上端電極（4) 以及位于P型Si襯底（1)下表面的下端電極（5);所述微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)（2)的深度小 于保護(hù)環(huán)區(qū)即N區(qū)（3)的深度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-AH)光電探測器，其特征在于，所述微 納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)是通過磷重擴(kuò)散或離子注入形成的N+區(qū)，也是通過納米壓印刻蝕得到 的表面呈微納米尺度陣列化分布的微結(jié)構(gòu)硅材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-AH)光電探測器，其特征在于，所述磷 擴(kuò)散或離子注入N區(qū)呈環(huán)形狀，為環(huán)形N區(qū)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-AH)光電探測器，其特征在于，微 納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)呈陣列化排布，其典型尺寸為：硅微納米柱或微納米孔直徑6(T90 nm、高 度或深度300?500 nm、周期100?300 nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-APD光電探測器，其特征在于， 所述N區(qū)（3)是通過磷擴(kuò)散或者離子注入制備得到的，其摻雜濃度范圍為1X10 14 ion/ cm3?2 X 1017 ion/cm3。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-Aro光電探測器，其特征在于，所述上 端電極（4)和下端電極（5)為金屬薄膜電極，金屬材料為錯、金或金鉻合金。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-Aro光電探測器的制備方法，其特征在 于，包括如下步驟： '.預(yù)備表面清潔、干燥的硅單晶片襯底材料； 2將硅單晶片研磨拋光至厚度為350 μ m，并在襯底正面氧化生長Si02膜層； 5在Si02膜層表面旋涂上一層光刻膠，并利用掩模圖形對光刻膠圖形化，在Si02膜層 上光刻出N區(qū)圖形區(qū)域待刻蝕； :對已經(jīng)圖形化的表面區(qū)域進(jìn)行刻蝕，去除未被保護(hù)的Si02膜層形成N區(qū)保護(hù)環(huán)磷擴(kuò) 散窗口； ?.對刻蝕后的N區(qū)磷擴(kuò)散窗口進(jìn)行磷擴(kuò)散或離子注入形成N區(qū)，摻雜濃度范圍為 1 X 1014 ion/cm3?2 X 1017 ion/cm3,結(jié)深為 1. 5 μ πΓ3· 5 μ m，接著去除表面光刻膠； i在Si02膜層表面旋涂上一層光刻膠，并利用掩模圖形對光刻膠圖形化，在Si02膜層 上光刻出N+區(qū)圖形區(qū)域待刻蝕； :對已經(jīng)圖形化的表面區(qū)域進(jìn)行刻蝕，去除未被保護(hù)的Si02膜層形成N+區(qū)窗口； ?.對N+區(qū)窗口進(jìn)行磷擴(kuò)散或離子注入形成N+區(qū)，摻雜濃度范圍為>5X 1017 ion/cm3， 結(jié)深為0. 2 μ πΓ3. 0 μ m，接著去除表面光刻膠； ?對1制成的硅器件進(jìn)行清洗并烘干，并在N+區(qū)上均勻涂敷一層壓印膠； 在真空下施加一定壓力，使納米壓印模板與壓印膠充分接觸，填充完全后通過照射 紫外光或加熱使壓印膠固化成形； 脫模，去除殘膠層； :采用深槽反應(yīng)離子刻蝕的方法，以上述固化后的壓印膠為掩膜，對其下面的硅材料 襯底進(jìn)行各向異性刻蝕，得到相應(yīng)的圖形，從而形成微納米結(jié)構(gòu)硅層N+區(qū)； ^上端電極和下端電極制備。
【文檔編號】H01L31/18GK104064611SQ201410313465
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】李偉, 吳程呈, 渠葉君, 鐘豪, 蔣亞東 申請人:電子科技大學(xué)