[發明專利]硅納米線光柵諧振增強型光電探測器及其制作方法

無效

• 申請號: 201110124310.0
• 申請日: 2011-05-13
• 公開（公告）號: CN102201483A
• 公開（公告）日: 2011-09-28
• 發明（設計）人: 韓偉華;陳燕坤;李小明;張嚴波;杜彥東;楊富華
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L31/105
• 分類號: H01L31/105;H01L31/0352;H01L31/18;B81C1/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術領域

本發明涉及納米結構光電探測器領域，尤其涉及一種硅納米線光柵諧振增強型光電探測器及其制作方法。

背景技術

硅不僅是一種電子材料，還是一種光子材料。非常成熟的微電子加工工藝已經為硅光子學提供了堅實的技術支持，大大加速了硅光子學的形成和發展。在過去的數十年中，硅加工能力早已經進入小于光波波長的亞微米范圍，并正向納米尺度范圍發展。硅納米光子學正在并已經成為當今最為激動人心的嶄新的前沿領域。硅納米光子學在比波長還要短的納米范圍內處理光與物質的相互作用，創造了足以令人振奮的機會并使新技術的發展成為可能。

硅納米線由于具有納米橫向尺寸和較大的比表面積，俘獲載流子的大量表面態相當于柵壓功能，因此硅納米線電導對外界光電環境變化具有較高的敏感度，可用做探測器。日本NTT實驗室平本俊朗教授研究組早在2002年就利用硅納米線晶體管對光生載流子通過頂柵和被柵進行柵壓分離，實現了單電荷探測，并對光生載流子復合壽命進行了一系列的研究(參見A.Fujiwara?et?al.，Jpn.J.Appl.Phys.41，1209-1213，2002)。美國哈佛大學化學系的Lieber研究組2006年報道了采用單晶摻雜生長方法制作的軸向pin結構硅納米線雪崩探測器，在擊穿電壓附近獲得了很高的雪崩倍增因子，其中電子達到了100，空穴達到了20，遠高于體材料硅雪崩探測器(參見C.Yang?et?al.，Nano?Lett.6，2929-2934，2006)。2009年，他們又對軸向和橫向pin結構硅納米線結構進行了光伏特性的研究，其中橫向結構獲得了0.26V的開路電壓，短路電流密度達到了24mA/cm²，與最好的硅納米晶薄膜太陽電池相當，并且其輸出功率達到72pW/Sun，比軸向結構高出15倍(參見Bozhi?Tian?et?al.，Chem.Soc.Rev.38，16-24，2009)。美國加州大學Islam等人2008年報道了一種采用橫向誘導生長方法進行大量硅、InP或Zn0納米線平行跨接制備光電探測器的方法，并獲得了30GHz帶寬，具有新穎性，但器件納米結構定位及可靠性控制方面仍面臨諸多挑戰(參見M.S.Islam?et?al.，2nd?IEEE?Ihternational?Nanoelectronics?Conference，1009-1014，2008)。美國加州大學Jacobs工程學院的A.Zhang等人2008年報道了利用Top-down工藝刻蝕方法制備的平面及垂直硅納米線光電探測器在低光強下光電導增益超過3.5×10⁴(參見Arthur?Zhang?et?al.，Appl.Phys.Lett.93，121110，2008)。他們于2010年又報道了利用納米壓印技術制作的垂直結構硅納米線光電探測器，在低溫條件下在可見光波段獲得了10⁵A/W的響應度，在紅外波段獲得了102A/W的響應度，遠大于普通硅光電探測器低于1A/W的響應度(參見Arthur?Zhang?et?al.，Nano.lett.10，2117-2120，2010)。2010年加拿大Waterloo大學的Adachi報道了一種橫向結構MSM型硅納米線光電探測器，硅納米線陣列采用PECVD淀積在2μm間距電極中間，在-10V偏壓下的光響應度為0.136，硅納米線材料與電極接觸的質量還有待提高(參見M.Adachi?et?al.，Medical?Imaging?2010，Proc.of?SPIE?7622，76224，2010)。可以看出，新型的硅納米線結構探測器由于較大的比表面積，表現出較高的光電導增益，已經成為目前國際上的研究熱點。研發硅納米線結構探測器，將對于硅光電集成電路(OEIC)的發展具有重要意義。

發明內容

本發明的主要目的在于揭示一種具有平面PIN結構的硅納米線光柵諧振增強型光電探測器及其制作方法，探測器的本征吸收區采用硅納米線光柵共振腔結構以及部分覆蓋的周期性的納米金屬柵光柵結構，具有高耦合效率、高量子效率和高響應速度特點。

為達到上述目的，本發明提供一種硅納米線光柵諧振增強型光電探測器，包括：

一硅襯底：

一氧化硅層，該氧化硅層制作在硅襯底上；

一工形臺面結構，該工形臺面結構制作在氧化硅層上，該工形臺面結構的兩端為P型電極和N型電極，該P型電極和N型電極之間連接有硅納米線光柵共振腔結構；

一保護層，該保護層制作在工形臺面結構的表面和側面，在工形臺面結構的兩端的P型電極和N型電極上開有電極窗口；