[發明專利]一種氦離子注入提升硅基探測器紅外響應的方法

在審

• 申請號: 202111008464.3
• 申請日: 2021-08-31
• 公開（公告）號: CN113764542A
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 胡小龍;王昭;張子彧;鄒鍇
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/0288
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

本發明公開了一種氦離子注入提升硅基探測器紅外響應的方法，所述方法包括：將氦離子注入硅材料中產生缺陷態，當入射到硅基光電探測器上的光功率發生改變時，缺陷態吸收效應與表面態吸收效應同時作用會導致硅基光電探測器的光敏區域的導納發生變化，實現硅基光電探測器對紅外波段光功率的監測；所述硅基光電探測器為基于表面態吸收原理的垂直耦合透明光電探測器，包括：光敏探測器和信號讀出電路。本發明利用氦離子注入在硅基光電探測器中引起缺陷態吸收，可以提升傳統硅基光電探測器的紅外響應，并且無需較大改動外圍讀出電路與封裝方式。

技術領域

本發明涉及光電子器件領域，尤其涉及一種氦離子注入提升硅基探測器紅外響應的方法。

背景技術

光電探測器是光電子領域的基礎器件，主要功能是將光信號轉換成電信號，已經被廣泛應用于通信互聯、傳感成像等領域。硅基光電探測器是光電探測器的一種，以硅為主要的制作材料。傳統的硅基光電探測器基于光電效應，高于特定頻率的光入射使電子躍遷到導帶變為自由載流子，從而產生電流；探測器通過測量電流得到相應的光功率。硅的禁帶寬度為1.1eV，對應于1.1μm光波長，因此傳統硅基光電探測器對于紅外波段響應較差，難以直接應用于通信波段(主要對應1.3μm及1.55μm光波長)。

離子注入是半導體領域一種重要的摻雜技術。離子注入是在較低溫與真空環境下，利用電場加速雜質離子，使獲得動能的雜質離子直接進入半導體材料，雜質離子在進入材料之后與半導體材料中的原子發生互相作用逐漸損失能量，最終停留在半導體材料內部。

每種半導體材料內部都存在源自雜質離子、雙空穴或是表面反應引起的缺陷態。當光子入射時，缺陷態的存在會引起缺陷態吸收產生自由載流子，形成電流。缺陷態吸收屬于亞帶隙吸收的一種，可以使光電探測器對能量小于其禁帶寬度的光子產生響應。傳統的硅基光電探測器由于響應機理的限制，無法探測紅外波段的光信號或是對紅外波段響應較弱。

發明內容

本發明提供了一種氦離子注入提升硅基探測器紅外響應的方法，本發明利用氦離子注入在硅基光電探測器中引起缺陷態吸收，可以提升傳統硅基光電探測器的紅外響應，并且無需較大改動外圍讀出電路與封裝方式，詳見下文描述：

一種氦離子注入提升硅基探測器紅外響應的方法，所述方法包括：

將氦離子注入硅材料中產生缺陷態，當入射到硅基光電探測器上的光功率發生改變時，缺陷態吸收效應與表面態吸收效應同時作用會導致硅基光電探測器的光敏區域的導納發生變化，實現硅基光電探測器對紅外波段光功率的監測；

所述硅基光電探測器為基于表面態吸收原理的垂直耦合透明光電探測器，包括：光敏探測器和信號讀出電路。

進一步地，所述光敏探測器由光敏面、氧化層、金電極、及襯底組成，待測光信號入射到光敏面上時，通過亞帶隙吸收改變器件導納。

在一種實施方式中，所述氦離子注入采用氦離子顯微鏡，使用30kV的加速電壓采用掃描的方式注入，每次注入針對0.25×0.25nm²的格點，直至遍歷整個目標注入區域。

在一種實施方式中，所述信號讀出電路以器件導納作為讀出信號，

所述信號讀出電路由跨阻放大器和鎖相放大器組成，所述鎖相放大器提供交流驅動電壓，電流信號經所述跨阻放大器放大后輸入至所述鎖相放大器的接收端進行信號處理，測得器件的導納變化；

通過校準過的光功率與導納變化的關系曲線，計算出器件探測到的光功率。

進一步地，所述方法還包括：

氦離子注入硅基光電探測器后，經測試得到不同光功率下器件導納與驅動電壓源工作頻率的關系，找到導納變化最明顯的頻率作為工作點；

確定工作頻率后，重新標定不同波長下光功率與導納變化的關系。