[發明專利]一種低偏置電壓下具有增益的硅光電探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 201110041540.0
• 申請日: 2011-02-21
• 公開（公告）號: CN102169918A
• 公開（公告）日: 2011-08-31
• 發明（設計）人: 韓培德
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L31/10
• 分類號: H01L31/10;H01L31/101;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及Si光電子材料技術領域，尤其涉及一種低偏置電壓下具有增益的硅光電探測器及其制備方法。

背景技術

從器件結構來看，硅光電探測器主要有p-本征-n(pin)和雪崩兩種類型器件結構^[1]。pin結構的器件簡單，光電響應在1A/W，由于偏置電壓低而可與集成電路連接；雪崩器件的結構為pnπn型，盡管其光電響應在100A/W左右，但由于必須采用100-200V高壓，因此只能用于分立器件。

從探測機理來看，光電探測器的類型又可分為光電導和光伏兩種類型^[2]。光電導型探測器是材料中價帶電子被探測光子激發到導帶、成為自由電子，而自由電子的聚集增加了材料電導率，并進一步增加了一定偏壓下的電流，從而探測到光信號。光伏型探測器則是通過pn結將光生電子-空穴對分開，并在外加偏壓下形成光電流，從而探測到光信號。而雪崩效應則是光生電子-空穴在高壓強場中分離時與晶格發生碰撞而形成電離倍增。

1959年Fan和Ramdas^[2]報道經離子輻照的硅能在禁帶中形成深能級，這種深能級能對波長達4000nm的紅外光產生光吸收和光電流，經快中子幅照的硅在1800nm和3900nm有兩個明顯的吸收峰，其中1800nm吸收峰可以延伸至1550nm產生光吸收。從此以后，開展了大量的離子注入實驗研究，經典半導體物理的教科書中都附有Si中雜質深能級表^[3]。

2001年Marzur在超快激光與Si表面作用的研究中首次制備出了表面微米級晶錐結構^[4]，這種結構可以廣譜減反太陽光，并且它的硫摻雜層可以寬譜吸收太陽光^[3]。用其制備的Si探測器，其室溫下紅外光電響應拓展到1300nm。

本發明則將激光摻雜改變為離子注入加激光輻照，從而具備了兩大特點：1)表面整潔，適合微電子工藝加工；2)低偏置電壓下獲得增益的光電響應。

參考文獻：

[1]Didier?Decoster，Joseph?Harari，Optoelectronic?Sensors，2009，ISTELtd?and?John?Wiley?&?Sons.Inc.

[2]Fan?H?Y，Ramdas?A?K，Infrared?Absorption?and?Photoconductivity?inIrradiated?Silicon.J.Appl.Phys?30：1127-1134(1959).

[3]劉恩科、朱秉升、羅晉生等，《半導體物理學》(第6版)，第二章：半導體中雜質和缺陷能級，電子工業出版社，2003年3月。

[4]C.Wu，et.al.，“Near-unity?below-band-gap?absorption?by?micro-structured?silicon”，Applied?Physics?Letters，78(13)：1850-52，2001.

發明內容

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種低偏置電壓下具有增益的硅光電探測器及其制備方法，以在重摻雜區域內使雜質盡可能多地形成過飽和替位摻雜，并在低偏置電壓下獲得增益的光電響應。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種低偏置電壓下具有增益的硅光電探測器，包括：

Si襯底；

在該Si襯底第一表面依序形成的硫系元素過飽和替位摻雜的n⁺型Si層和第一電極，該硫系元素過飽和替位摻雜的n⁺型Si層與Si襯底構成了第一半導體結；以及

在該Si襯底第二表面依序形成的第二半導體結和第二電極。

上述方案中，所述硫系元素為硫S、硒Se或碲Te元素，所述過飽和替位摻雜為濃度高于雜質固溶度且占據晶格位置的摻雜，所述硫系元素在該n⁺型Si層中的固溶度為10¹⁶/cm³。

上述方案中，當所述Si襯底為n型Si襯底時，在該n型Si襯底第一表面形成的第一半導體結為nn⁺同型結，形成的第一電極為n型歐姆接觸電極；當所述在該n型Si襯底第二表面形成的第二半導體結為肖特基結或pn結，當該半導體結為肖特基結時所述第二電極為肖特基電極，參見圖1(a)當該半導體結為pn結時所述第二電極為p型歐姆接觸電極，參見圖2(a)。