[發明專利]鰭式光伏型硅基等離激元熱載流子紅外探測芯片及其制作方法

有效

• 申請號: 202011100898.1
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112366244B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 馮波;陳宜方
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L31/108
• 分類號: H01L31/108;H01L31/0216;H01L31/0232;H01L31/0352;H01L31/18;H01L27/144
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于光電探測技術領域，具體一種鰭式光伏型硅基等離激元熱載流子紅外探測芯片及其制作方法。本發明紅外探測芯片包括SOI襯底、制作于SOI襯底頂層硅之內的像元陣列、制作于SOI襯底的底層硅中的信號讀出電路以及制作于中間介質層內的通孔互連結構。每個單像元器件包括：金屬電極、硅納米線列陣、以及集成于納米線上的鰭式構筑超表面，以此實現對紅外輻射的完美吸收，并將吸收的光子轉變成表面等離激元熱載流子轉移至半導體中，產生光伏信號，實現探測功能。本發明探測芯片采用三維集成工藝制造，將紅外感知單元和信號處理單元垂直堆疊起來，層間利用通孔填充技術實現Z方向垂直互聯，得到高密度、低功耗、超大陣列規模的單片式焦平面陣列探測芯片。

技術領域

本發明屬于光電探測技術領域，具體涉及一種鰭式光伏型硅基等離激元熱載流子紅外探測芯片及其制作方法。

背景技術

目前應用于短波紅外（1-3μm）光電探測的材料，幾乎全部被III-V/II-VI族材料支配，比如：InGaAs、HgCdTe、InSb等。但這些材料卻或多或少存在以下缺陷：材料成本昂貴、富含毒性造成環境污染、材料生長和器件制備工藝極其復雜不穩定、必須低溫工作、受單晶材料錠條直徑限制下無法實現大面積（目前GaAs最大面積為6英寸）等；其制備的芯片結構基本上包含兩部分：MEMS技術制備的紅外敏感陣列和CMOS工藝制備的信號讀出電路，然后再將兩部分集成，如：采用銦柱凸點倒焊技術單片集成InGaAs/InP和Si CMOS讀出電路等，其技術復雜程度較高，導致當陣列規模做的比較大時，成本比較高，而且互連銦柱直徑也難以持續縮減。另一方面，當前紅外焦平面成像技術的發展趨勢要求能滿足大面積、探測單元面積不斷縮小而實現高分辨成像、耐高溫、性能穩定、低成本、與硅基CMOS讀出電路可集成在同一襯底上形成紅外光電芯片?；诖?，近年來硅光子學提供了在同一芯片上實現光學和電子功能低成本集成的潛力，在硅基光電探測領域具有重要價值，其典型的技術方案有：采用晶圓鍵合技術直接集成III-V族材料或者Ge于硅襯底上，或者在硅上直接外延生長Ge等。然而，由于晶格失配，外延生長的Si-Ge界面具有大量缺陷和類位錯復合，直接導致器件產生較大的漏電流和較小的分流電阻；為了消減缺點密度，通常會采用兩步Ge沉積的方式進行外延生長，但是它涉及到了高溫處理過程（650℃），這就抑制了其與未經修飾的CMOS工藝的直接集成。

基于內部光電發射效應（IPE）的肖特基勢壘光電探測器，可結合金屬表面等離激元非輻射弛豫形成高效熱載流子的機理，制備新型的全硅基短波紅外探測器。光照激發在金屬結構中產生的熱載流子能夠越過金屬/半導體接觸界面肖特基勢壘，進入半導體內部，形成光電流，使得材料能夠擺脫帶隙限制，探測到光子能量小于材料本身禁帶寬度的波段。該類型器件典型結構是在三維體硅材料上放置薄層金屬，或者特殊排列的金屬球或者金屬天線，形成肖特基結。普遍問題是現有的光伏型全硅基熱載流子器件在近紅外波段的響應率都很低，基本上小于10 mA/W，并且量子效率也都小于1%、器件可靠性、可復制性差、無法大面積生產。雖然，我們前期工作已經成功將單像元全硅光電導型等離激元熱載流子紅外探測器性功能做到探測率高達4.38×10¹¹Jones，同時峰值響應率為95mA/W，達到了可以和傳統III-V/II-VI族半導體材料探測器相比擬的水平。但是對于功耗更低、應用更加廣泛的高效率光伏型結構仍缺乏研究。甚至，對于能滿足實際應用的大規模高效全硅基焦平面光電探測芯片的架構和制備方案仍然是處于空白狀態。

發明內容

本發明目的在于提供一種鰭式光伏型硅基等離激元熱載流子紅外探測芯片及其制作方法，以解決硅材料受帶隙限制不能工作與大于1.1μm波段的難題，克服目前光伏型硅基熱電子紅外器件響應率、量子效率和探測率低及暗電流較高的缺陷，實現全硅基光電探測器的高靈敏度、多頻段紅外監測能力。

本發明提供的鰭式光伏型硅基等離激元熱載流子紅外探測芯片，其結構如圖1-2所示，包括：

一絕緣體上硅（SOI）襯底，該襯底的底層為普通硅材料，制備有CMOS信號讀出電路；

中間層，為介質層，其內部集成有通孔互連結構；