本發(fā)明屬于光電探測器技術(shù)領(lǐng)域，涉及到光電探測器結(jié)構(gòu)，具體涉及一種基于MEMS微結(jié)構(gòu)的紅外增強(qiáng)Si-PIN探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

光電探測器作為光纖通訊系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)、激光警告系統(tǒng)和激光測距系統(tǒng)等的重要組成部分，在民用和軍用方面都得到了廣泛的應(yīng)用。目前廣泛使用的光電探測器主要有探測400nm～1100nm波長的硅光電探測器和探測大于1100nm波長的InGaAs近紅外光電探測器。其中Si-PIN光電探測器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高的特點(diǎn)，而且其原材料Si資源豐富、成本低、易于大規(guī)模集成、相關(guān)技術(shù)成熟，因此硅基探測器被廣泛使用。但是由于Si的折射率比較大，入射光在其表面反射損失大，達(dá)到30％以上，并且其禁帶寬度較大(1.12eV)，對大于1100nm的光無法吸收，也就是探測不到大于1100nm波長的光信號，此時(shí)一般用InGaAs光電探測器替代。但是InGaAs材料非常昂貴、熱機(jī)械性能較差、晶體質(zhì)量較差并且不易與現(xiàn)有的硅微電子工藝兼容，存在諸多缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于解決問題，提供一種基于MEMS微結(jié)構(gòu)的紅外增強(qiáng)Si-PIN探測器及其制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種基于MEMS微結(jié)構(gòu)的紅外增強(qiáng)Si-PIN探測器，包括硅本征襯底、位于硅本征襯底下方的MEMS微結(jié)構(gòu)層、位于MEMS微結(jié)構(gòu)層下方的紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜、位于紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜下方的下電極、位于硅本征襯底上方中間區(qū)域的P型區(qū)、位于硅本征襯底上方P型區(qū)四周的環(huán)形P⁺型區(qū)、位于P型區(qū)上表面的上電極，所述MEMS微結(jié)構(gòu)層為按正方體陣列排布的柱子或孔洞，探測器光敏面為P型區(qū)的上表面。

作為優(yōu)選方式，MEMS微結(jié)構(gòu)層的柱子或孔洞的直徑為0.5μm～2μm，高度或深度為0.5μm～2μm，兩個(gè)相鄰柱子或孔洞圓心間的距離為1μm～3μm。

作為優(yōu)選方式，紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜采用射頻磁控共濺射方法制備。

作為優(yōu)選方式，紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜的光學(xué)帶隙范圍為0.5eV～1.5eV。

作為優(yōu)選方式，紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜厚度范圍為50nm～150nm。

作為優(yōu)選方式，所述P型區(qū)為硼擴(kuò)散摻雜形成P型區(qū)，摻雜濃度范圍為1×10¹⁴ion/cm³～2×10¹⁶ion/cm³，結(jié)深為0.2μm～2μm。超過此范圍則會(huì)大大降低器件的響應(yīng)度，影響器件性能。

作為優(yōu)選方式，所述環(huán)形P⁺型區(qū)為硼重?cái)U(kuò)散摻雜形成的P⁺型區(qū)，摻雜濃度范圍為4×10¹⁸ion/cm³～2×10¹⁹ion/cm³，結(jié)深為1μm～3.5μm，其結(jié)深比所述P型區(qū)的結(jié)深更深。超過此范圍則會(huì)大大降低器件的響應(yīng)度，影響器件性能。

作為優(yōu)選方式，所述下電極和上電極為金屬薄膜電極，所述金屬為鋁、金或金鉻合金，下電極和上電極的厚度為50nm～150nm。超過此范圍則會(huì)大大降低器件的響應(yīng)度，影響器件性能。

作為優(yōu)選方式，所述的MEMS微結(jié)構(gòu)硅層是在背面減薄后的單晶硅表面，采用MEMS工藝在硅襯底背面得到的三維立體空間陣列分布的正方體MEMS微結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行磷重?cái)U(kuò)散或離子注入摻雜形成N⁺區(qū)，摻雜濃度范圍為3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，結(jié)深為1μm～3μm。

本發(fā)明還提供一種上述基于MEMS微結(jié)構(gòu)紅外增強(qiáng)Si-PIN探測器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：在晶向?yàn)?lt;111>的電阻率為2500Ω·cm～3500Ω·cm的N型高阻單晶硅本征襯底表面氧化生長SiO₂膜層；

步驟2：在SiO₂膜層表面四周光刻出P⁺型區(qū)的圖形，然后進(jìn)行硼重?cái)U(kuò)散摻雜形成P⁺型區(qū)，摻雜濃度范圍為4×10¹⁸ion/cm³～2×10¹⁹ion/cm³，結(jié)深為1μm～3.5μm；

步驟3：在SiO₂膜層表面光刻出P型區(qū)圖形，然后進(jìn)行硼擴(kuò)散摻雜形成P型區(qū)，摻雜濃度范圍為1×10¹⁴ion/cm³～2×10¹⁶ion/cm³，結(jié)深為0.2μm～2μm；

步驟4：對硅本征襯底背面進(jìn)行減薄、研磨、拋光，使硅本征襯底的厚度減薄為250μm～350μm，再對背面進(jìn)行MEMS工藝形成MEMS微結(jié)構(gòu)層；

步驟5：對具有MEMS微結(jié)構(gòu)層的襯底背面進(jìn)行磷重?cái)U(kuò)散摻雜形成N⁺型區(qū)，摻雜濃度范圍為3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，結(jié)深為1μm～3μm；

步驟6：采用射頻磁控共濺射方法在MEMS微結(jié)構(gòu)層上沉積一層紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜；

步驟7：上電極和下電極的制備。

本發(fā)明在傳統(tǒng)Si-PIN探測器的基礎(chǔ)上在背面N⁺型區(qū)增加了一層MEMS微結(jié)構(gòu)層和一層紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜。

MEMS微結(jié)構(gòu)硅是一種采用微機(jī)械加工工藝在硅晶體表面得到三維立體空間陣列分布的硅晶體表面微結(jié)構(gòu)，是一種結(jié)構(gòu)尺寸在微米量級，并且是大面積均勻分布的微結(jié)構(gòu)。如此微小的結(jié)構(gòu)能夠使入射光在微結(jié)構(gòu)層多次反射，對未被耗盡層吸收的透射光進(jìn)行反射和重吸收，可以增加光的吸收率，提高光電探測器的響應(yīng)度。并且通過調(diào)控微結(jié)構(gòu)的柱子(孔洞)的直徑、高度(深度)和周期，可以得到不同的反射率和吸收峰位置，從而提高特定波長的響應(yīng)度。

紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜具有光吸收率高、禁帶寬度可調(diào)、電子溫度系數(shù)大、可大面積低溫(<400℃)成膜、制備工藝簡單與硅半導(dǎo)體工藝兼容等特點(diǎn)，通過調(diào)控非晶硅釕合金薄膜中釕的含量和薄膜的厚度，來調(diào)控薄膜的光學(xué)帶隙，使其光學(xué)帶隙范圍控制在0.5eV～1.5eV，使硅材料的禁帶寬度變窄，這樣長波長的光也能被吸收，將其應(yīng)用在硅光電探測器領(lǐng)域，可以提高探測器的響應(yīng)度，擴(kuò)展探測器近紅外光譜響應(yīng)范圍。

所述的探測器不僅能夠增強(qiáng)對可見光和近紅外光的吸收，還可以擴(kuò)展光譜響應(yīng)范圍，具有近紅外吸收增強(qiáng)、響應(yīng)光譜范圍寬、響應(yīng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的基本工作原理是：入射光進(jìn)入Si-PIN光電探測器的空間電荷區(qū)時(shí)，會(huì)激發(fā)空間電荷區(qū)的電子-空穴對，電子和空穴在偏置電壓下分別向兩極移動(dòng)，形成光生電流或電壓。

本發(fā)明的有益效果為：相對于傳統(tǒng)Si-PIN光電探測器，在N⁺型區(qū)增加了一種MEMS微結(jié)構(gòu)層，此結(jié)構(gòu)可以將透過空間電荷區(qū)的未吸收光進(jìn)行多次反射，增加光的傳播路程和光子捕獲比，增加對透過光的吸收和利用，更多地激發(fā)光生載流子，提高探測器的響應(yīng)電流。通過調(diào)控微結(jié)構(gòu)的柱子(孔洞)的直徑、高度(深度)和周期，可以得到不同的反射率和吸收峰位置，從而提高特定波長的響應(yīng)特性。相對于傳統(tǒng)Si-PIN光電探測器，在MEMS微結(jié)構(gòu)層下方還增加了一層紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜，通過調(diào)控合金薄膜中的釕含量，可獲得較窄的光學(xué)帶隙，從而能將透過MEMS微結(jié)構(gòu)層能量更低、波長更長的近紅外光捕獲，因此可以增加對近紅外的再次吸收，拓寬光電探測器的探測范圍，提高其近紅外光的探測效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于MEMS微結(jié)構(gòu)紅外增強(qiáng)Si-PIN探測器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的基于MEMS微結(jié)構(gòu)紅外增強(qiáng)Si-PIN探測器的俯視圖；

圖3是本發(fā)明的基于MEMS微結(jié)構(gòu)紅外增強(qiáng)Si-PIN探測器的制備方法流程示意圖；

其中圖1標(biāo)記：1為硅本征襯底，2為P型區(qū)，3為MEMS微結(jié)構(gòu)層，4為P⁺型區(qū)，5為紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜，6為下電極6，7為上電極。

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

一種基于MEMS微結(jié)構(gòu)的紅外增強(qiáng)Si-PIN探測器，包括硅本征襯底1、位于硅本征襯底1下方的MEMS微結(jié)構(gòu)層3、位于MEMS微結(jié)構(gòu)層3下方的紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜5、位于紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜5下方的下電極6、位于硅本征襯底1上方中間區(qū)域的P型區(qū)2、位于硅本征襯底1上方P型區(qū)2四周的環(huán)形P⁺型區(qū)4、位于P型區(qū)2上表面的上電極7，所述MEMS微結(jié)構(gòu)層3為按正方體陣列排布的柱子或孔洞，探測器光敏面為P型區(qū)2的上表面。

MEMS微結(jié)構(gòu)層3的柱子或孔洞的直徑為0.5μm～2μm，高度或深度為0.5μm～2μm，兩個(gè)相鄰柱子或孔洞圓心間的距離為1μm～3μm。

紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜5采用射頻磁控共濺射方法制備。

紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜5的光學(xué)帶隙范圍為0.5eV～1.5eV。

紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜5厚度范圍為50nm～150nm。

所述P型區(qū)2為硼擴(kuò)散摻雜形成P型區(qū)，摻雜濃度范圍為1×10¹⁴ion/cm³～2×10¹⁶ion/cm³，結(jié)深為0.2μm～2μm。

所述環(huán)形P⁺型區(qū)4為硼重?cái)U(kuò)散摻雜形成的P⁺型區(qū)，摻雜濃度范圍為4×10¹⁸ion/cm³～2×10¹⁹ion/cm³，結(jié)深為1μm～3.5μm，其結(jié)深比所述P型區(qū)2的結(jié)深更深。

所述下電極6和上電極7為金屬薄膜電極，所述金屬為鋁、金或金鉻合金，下電極6和上電極7的厚度為50nm～150nm。

所述的MEMS微結(jié)構(gòu)硅層3是在背面減薄后的單晶硅表面，采用MEMS工藝在硅襯底背面得到的三維立體空間陣列分布的正方體MEMS微結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行磷重?cái)U(kuò)散或離子注入摻雜形成N⁺區(qū)，摻雜濃度范圍為3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，結(jié)深為1μm～3μm。

上述基于MEMS微結(jié)構(gòu)紅外增強(qiáng)Si-PIN探測器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：在晶向?yàn)?lt;111>的電阻率為2500Ω·cm～3500Ω·cm的N型高阻單晶硅本征襯底1表面氧化生長SiO₂膜層；

步驟2：在SiO₂膜層表面四周光刻出P⁺型區(qū)4的圖形，然后進(jìn)行硼重?cái)U(kuò)散摻雜形成P⁺型區(qū)4，摻雜濃度范圍為4×10¹⁸ion/cm³～2×10¹⁹ion/cm³，結(jié)深為1μm～3.5μm；

步驟3：在SiO₂膜層表面光刻出P型區(qū)2圖形，然后進(jìn)行硼擴(kuò)散摻雜形成P型區(qū)2，摻雜濃度范圍為1×10¹⁴ion/cm³～2×10¹⁶ion/cm³，結(jié)深為0.2μm～2μm；

步驟4：對硅本征襯底1背面進(jìn)行減薄、研磨、拋光，使硅本征襯底1的厚度減薄為250μm～350μm，再對背面進(jìn)行MEMS工藝形成MEMS微結(jié)構(gòu)層3；

步驟5：對具有MEMS微結(jié)構(gòu)層的襯底背面進(jìn)行磷重?cái)U(kuò)散摻雜形成N⁺型區(qū)，摻雜濃度范圍為3×10¹⁵ion/cm³～1×10¹⁷ion/cm³，結(jié)深為1μm～3μm；

步驟6：采用射頻磁控共濺射方法在MEMS微結(jié)構(gòu)層3上沉積一層紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜5；

步驟7：上電極7和下電極6的制備。

本發(fā)明在傳統(tǒng)Si-PIN探測器的基礎(chǔ)上在背面N⁺型區(qū)增加了一層MEMS微結(jié)構(gòu)層和一層紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜。

MEMS微結(jié)構(gòu)硅是一種采用微機(jī)械加工工藝在硅晶體表面得到三維立體空間陣列分布的硅晶體表面微結(jié)構(gòu)，是一種結(jié)構(gòu)尺寸在微米量級，并且是大面積均勻分布的微結(jié)構(gòu)。如此微小的結(jié)構(gòu)能夠使入射光在微結(jié)構(gòu)層多次反射，對未被耗盡層吸收的透射光進(jìn)行反射和重吸收，可以增加光的吸收率，提高光電探測器的響應(yīng)度。并且通過調(diào)控微結(jié)構(gòu)的柱子(孔洞)的直徑、高度(深度)和周期，可以得到不同的反射率和吸收峰位置，從而提高特定波長的響應(yīng)度。

紅外增強(qiáng)非晶硅釕合金薄膜具有光吸收率高、禁帶寬度可調(diào)、電子溫度系數(shù)大、可大面積低溫(<400℃)成膜、制備工藝簡單與硅半導(dǎo)體工藝兼容等特點(diǎn)，通過調(diào)控非晶硅釕合金薄膜中釕的含量和薄膜的厚度，來調(diào)控薄膜的光學(xué)帶隙，使其光學(xué)帶隙范圍控制在0.5eV～1.5eV，使硅材料的禁帶寬度變窄，這樣長波長的光也能被吸收，將其應(yīng)用在硅光電探測器領(lǐng)域，可以提高探測器的響應(yīng)度，擴(kuò)展探測器近紅外光譜響應(yīng)范圍。

所述的探測器不僅能夠增強(qiáng)對可見光和近紅外光的吸收，還可以擴(kuò)展光譜響應(yīng)范圍，具有近紅外吸收增強(qiáng)、響應(yīng)光譜范圍寬、響應(yīng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的基本工作原理是：入射光進(jìn)入Si-PIN光電探測器的空間電荷區(qū)時(shí)，會(huì)激發(fā)空間電荷區(qū)的電子-空穴對，電子和空穴在偏置電壓下分別向兩極移動(dòng)，形成光生電流或電壓。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。