[發明專利]以微納米結構硅為光敏層的正照式Si?PIN光電探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 201410313420.5
• 申請日: 2014-07-03
• 公開（公告）號: CN104064610B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 李偉;渠葉君;吳程呈;鐘豪;蔣亞東
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L31/028
• 分類號: H01L31/028;H01L31/0352;H01L31/105;H01L31/18
• 代理公司: 成都華風專利事務所(普通合伙)51223
• 代理人: 徐豐

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，具體涉及一種以微納米結構硅為光敏層的正照式Si-PIN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、激光報警系統和激光測距系統等的重要組成部分，在民用方面有廣泛的應用。目前，廣泛使用的光電探測器主要有Si基光電探測器和InGaAs近紅外光電探測器。其中，Si-PIN光電探測器響應速度快、靈敏度高，且Si材料易于提純、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，因而被廣泛使用。但是，由于Si材料的禁帶寬度較大（1.12 eV），因而Si基光探測器的主要探測范圍為400 nm～1000 nm，無法達到在較低偏置下探測大于1100 nm的光波信號的目的。因此，當需要探測大于1000 nm的近紅外光信號時，常用InGaAs光電探測器代替。但是，InGaAs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。

微納米結構硅是一種通過反應離子刻蝕、化學刻蝕及納米壓印刻蝕等方法制備的表面硅材料，該材料具有微納米尺度的精細微結構和大面積均勻性。目前，納米壓印刻蝕這一新型的微納米加工技術正受到國內外的重視，其基本原理是將事先制作好的微納米結構模版通過專用壓機，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，從而替代傳統的“光刻”工藝。該工藝通過壓印膠的模壓變形與固化來實現圖像的轉移，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，實現納米量級的加工，突破了傳統光刻的工藝極限，降低了對特殊曝光束源、高精度聚焦系統、極短波長透鏡系統以及抗蝕劑分辨率受光波場效應的限制和要求，具有工藝重復性好、生產效率高和圖形轉移精度高等優點，適合產業化批量生產。

微納米結構硅對可見光及近紅外光有很好的減反性和增吸性，光譜吸收率可達到90%以上。微納米結構的存在將產生散射效應，使微納米硅的直接帶隙寬度與間接帶隙寬度之間的差異減少，可使硅材料的能帶結構由間接帶隙向準直接帶隙轉變，因而吸收起始波長可以實現紅移。基于納米壓印刻蝕工藝得到的新型Si-PIN光電探測器，不僅能提高對可見光及近紅外光的吸收率，還能使光響應波段擴展到近紅外波段范圍，使響應度更高。此外，納米壓印刻蝕工藝簡單且可與傳統硅微電子工藝兼容。因此，這種新型Si-PIN光電探測器在大規模市場化方面優勢明顯。

發明內容

本發明基于上述微納米壓印刻蝕工藝，提供一種以微納米結構硅為光敏層的正照式Si-PIN光電探測器及其制備方法。

本發明技術方案為：

以微納米結構硅為光敏層的正照式Si-PIN光電探測器，包括I型襯底、位于I型襯底下方的N區、位于I型襯底中央上方的微納米結構層P區、位于I型襯底兩側上方的P+區、位于I型襯底上表面的上端電極及位于N區下表面的下端電極，其特征為：

（1）所述微納米結構硅層P區為探測器光敏面；

（2）所述微納米結構硅層P區尺寸為：柱/孔直徑50～90 nm、高度300～500 nm、周期100～200 nm；

（3）所述P⁺區形成保護環。

作為優選，所述微納米結構硅層P區是通過硼重擴散或離子注入摻雜和經過納米壓印刻蝕工藝得到的，其呈三維空間陣列分布。

作為優選，所述微納米結構硅層P區呈陣列化排布。

作為優選，所述P⁺區是通過硼重擴散或離子注入摻雜方法制備得到的，其摻雜濃度范圍為1×10¹⁸ ion/cm³～5×10¹⁹ ion/cm³。

作為優選，所述上端電極和下端電極為鋁薄膜層或金薄膜層或鉻/金薄膜層，電極厚度為50 nm～150 nm。

以微納米結構硅為光敏層的正照式Si-PIN光電探測器的制備方法，包括以下步驟：

（1）：在本征I型襯底表面氧化生長SiO₂膜層；

（2）：在SiO₂膜層表面四周光刻出環形N型區的圖形；

（3）：在SiO₂膜層表面光刻出微納米結構硅層P區的圖形，然后進行硼擴散或離子注入摻雜形成微納米結構硅層P區，在微納米結構硅層P區上方通過納米壓印刻蝕技術加工出微納米結構；