[發明專利]以黑硅為光敏層的Si-APD光電探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 201310077749.1
• 申請日: 2013-03-12
• 公開（公告）號: CN103137773A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 李偉;王垠;郭安然;余峰;王濤;蔣亞東
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/0352;H01L31/028;H01L31/18
• 代理公司: 成都華典專利事務所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐;楊保剛

技術領域

本發明屬于光電探測技術領域，涉及光電探測器件結構，尤其是一種以黑硅材料為光敏層的Si-APD光電探測器及其制備方法。

背景技術

光電探測器作為光纖通訊系統、紅外成像系統、激光告警系統和激光測距系統等的重要組成部分，在民用和軍用方面均得到了廣泛的應用。APD是一種具有內增益能力的光探測器，具有很高的靈敏度，被廣泛地應用在超高速光通信、信號處理、測量和傳感系統中。APD是現代高比特速率光通信系統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點，已大量用于弱光場測量、光子計數等相關領域中。由于APD光電探測器具有較高的內增益和探測靈敏度比PIN型光二極管高的特點，因此是目前1.06μm激光測距機中最常用的優良器件。

目前，以InGaAs制作的APD已作為高靈敏度、高響應度的光電探測器在光纖傳感等領域廣泛使用，并占據了主導地位。但是，InGaAs單晶半導體材料存在價格昂貴、熱機械性能較差、晶體質量較差且不易與現有硅微電子工藝兼容等缺點。Si材料具有易于提純、易摻雜、資源豐富、成本低、易于大規模集成和相關技術成熟等優點，是半導體行業中應用最為廣泛的一類材料。然而，由于其禁帶寬度較大（1.12eV），即使在Si光電探測器光敏面區沉積了增透膜以提高探測器的響應度，仍然無法達到探測大于1100nm的光波信號并以電信號輸出的目的。

黑硅材料是一種硅表面微結構化的材料層，該材料對可見光及近紅外光的吸收率可達到90%以上，且光譜吸收范圍覆蓋了近紫外~近紅外波段（0.25μm?~?2.5μm）。目前制備這種黑硅材料的方法有很多，包括飛秒激光法、反應離子刻蝕法、普通化學刻蝕和電化學腐蝕法等。

隨著這種黑硅材料的發現，使得研制具有高響應度和寬光譜響應的新型Si-APD光電探測器成為可能。

發明內容

針對上述現有技術，本發明要解決的技術問題是：InGaAs晶體材料存在價格昂貴、熱機械性能較差、晶體質量較差且不易與現有硅微電子工藝兼容的缺點；Si半導體材料由于禁帶寬度較大，傳統Si-APD光電探測器存在響應度較低、光譜探測范圍有限的不足。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種以黑硅為光敏層的Si-APD光電探測器，其特征在于，包括硅本征襯底1、位于硅本征襯底1上表面中央的N⁺區2、位于N⁺區2下方的P型區3、位于硅本征襯底1上表面四周的環形N型區4、位于N⁺區2上表面的N⁺區黑硅層5、位于硅本征襯底1下表面的P⁺區6、位于N⁺區黑硅層5和環形N型區4上表面的上電極7以及位于P⁺區6下表面的下電極8。

在本發明中，所述N⁺區2為磷重擴散摻雜N型區，結深為0.1μm?~?0.5μm，摻雜濃度≥1×10²⁰ion/cm³。

在本發明中，所述P型區3為硼擴散摻雜P型區，結深為0.5μm?~?3.0μm，摻雜濃度范圍為4×10¹⁵?ion/cm³?~?2×10¹⁷?ion?/cm³。

在本發明中，所述環形N型區4為磷擴散摻雜N型區，結深為1.5μm?~?3.5μm，摻雜濃度范圍為4×10^15?ion/cm³?~?2×10¹⁷?ion?/cm³。

在本發明中，所述N⁺區黑硅層5為N⁺區2表面經化學腐蝕擴面后進行Se或Te離子注入摻雜得到；其中Se或Te離子注入劑量范圍為1×10¹⁴?ion/cm²?~?1×10¹⁶?ion/cm²。

在本發明中，所述P⁺區6為硼重擴散摻雜P型區，結深為0.5μm?~?2.0μm，摻雜濃度≥1×10²⁰ion/cm³。

在本發明中，所述上電極7和下電極8為金屬薄膜電極，金屬材料為鋁（Al）、金（Au）或金鉻合金（Au/Cr）。

制備前文所述的以黑硅材料為光敏層的Si-APD光電探測器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：