[發(fā)明專利]一種基于分形納米線表面結(jié)構(gòu)的Si-APD光電探測器及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910742456.8
• 申請日: 2019-08-13
• 公開（公告）號: CN110429156B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊奇龍;馬曉燠;饒學軍;汪韜;盛良睿
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶連芯光電技術(shù)研究院有限公司
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/028;H01L31/0236;H01L31/18
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗

本發(fā)明公開了一種基于分形納米線表面結(jié)構(gòu)的Si?APD光電探測器及制備方法，包括：分形納米線表面結(jié)構(gòu)進光層P+區(qū)，位于分形納米線表面結(jié)構(gòu)進光層P+區(qū)下方的本征吸收層π區(qū)、位于本征吸收層π區(qū)下方的雪崩倍增層P區(qū)、位于雪崩倍增層P區(qū)下方的電極接觸層N+區(qū)、位于本征吸收層π區(qū)兩側(cè)下方的保護環(huán)即N區(qū)、設(shè)置在分形納米線表面結(jié)構(gòu)進光層P+區(qū)上表面的上端電極以及電極接觸層N+區(qū)和N區(qū)下表面的下端電極；所述分形納米線表面結(jié)構(gòu)進光層P+區(qū)具有以隨機分形分布的垂直硅納米線的表面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)Si?APD光電探測器響應(yīng)度較低、近紅外波段幾乎無響應(yīng)等問題，可增強可見光探測量子效率，使響應(yīng)波段擴展到近紅外波段。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及光電探測器件結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種基于分形納米線表面結(jié)構(gòu)的Si-APD光電探測器及制備方法。

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)、激光告警系統(tǒng)和激光測距系統(tǒng)等的重要組成部分，在民用和軍用方面均得到了廣泛的應(yīng)用。

APD是一種具有內(nèi)增益能力的光探測器，具有很高的靈敏度，被廣泛地應(yīng)用在超高速光通信、信號處理、測量和傳感系統(tǒng)中。APD是現(xiàn)代高比特速率光通信系統(tǒng)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(yōu)點，已大量用于弱光場測量、光子計數(shù)等相關(guān)領(lǐng)域中。主要用于弱光條件下的通信、航空、航天、航海以及醫(yī)療、安防等工業(yè)和民用領(lǐng)域。

傳統(tǒng)硅基雪崩光電二極管(Si-APD)波長響應(yīng)范圍為400nm～1100nm，由于硅材料的禁帶寬度較大(1.12eV)，因而傳統(tǒng)Si-APD對大于1000nm波長光的響應(yīng)度很低，于紅外波段的光探測效率低。其它半導體材料如Ge、InGaAs等雖然可以探測紅外波段的光，但這些材料的價格昂貴、熱力學性能較差、信噪比低，而且器件制備工藝與現(xiàn)有成熟的硅工藝不兼容。Si材料具有高的碰撞電離系數(shù)比，用于光探測器時可使器件的信噪比得到提高，且工藝成熟。因而，通過某些特定的方法實現(xiàn)硅材料對近紅外波段增強吸收，擴展硅基光探測器的在紅外波段探測效率意義十分重大。

目前，常用的硅基紅外波段擴展方案有黑硅和納米線表面結(jié)構(gòu)等方法。黑硅形成的圓錐形表面結(jié)構(gòu)對光有增強吸收的作用但增強效果不明顯，通常反射率為5％-15％。納米線表面結(jié)構(gòu)分布均勻，主要加工方法有：極紫外光刻技術(shù)、電子束光刻技術(shù)、X射線光刻、納米壓印刻蝕技術(shù)等。納米線(納米孔)表面結(jié)構(gòu)對特定波長有極強的吸收，可實現(xiàn)低反射率、低透射率，但只針對單一波長。而分形陳列分布的納米線沒有特定周期可對各個波長進行吸收，另外，光在分形納米線中產(chǎn)生的拉曼散射也進一步提高了近紅外波段的吸收率。而且表面結(jié)構(gòu)制作工藝相對簡單，不需要轉(zhuǎn)印和光刻，可作為提高硅Si-APD量子效率的一種新型手段。

論文“Strongly enhanced light trapping in a two-dimensional siliconnanowire random fractal array”(doi:10.1038/lsa.2016.62)介紹了分形納米線表面結(jié)構(gòu)對可見光和近紅外光的強吸收和散射特性，以及該結(jié)構(gòu)在太陽能光伏器件上的應(yīng)用，而本發(fā)明是將該結(jié)構(gòu)用于Si-APD，不僅需要考慮材料對光譜吸收性能，還需要設(shè)計結(jié)構(gòu)使APD的各項指標最優(yōu)。專利“基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-APD光電探測器及其制備方法”(申請?zhí)枺?01410313465.2)發(fā)明公開了一種基于微納米結(jié)構(gòu)的Si-APD光電探測器及其制備方法，該專利所采用微納米結(jié)構(gòu)為均勻陣列分布只能實現(xiàn)對APD單波段響應(yīng)增強，而本發(fā)明采用隨機分形的微納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)在可見光到近紅外的全波段響應(yīng)增強和量子效率得高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于分形納米線表面結(jié)構(gòu)的Si-APD光電探測器及制備方法，利用進光面微結(jié)構(gòu)形成光陷阱，增加對光子吸收從而提高探測效率。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：