[发明专利]具有宽光谱响应的硅探测器结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电探测器的结构及其制作方法，特别涉及一种具有宽光谱响应的硅探测器结构及其制作方法。

背景技术

对于普通晶体硅而言，一方面由于其禁带宽度为1.12ev，无法吸收波长大于1.1μm波长的光，限制了硅光电器件的可用波段和灵敏度；另一方面，虽然利用普通晶体硅制作的p-n和p-i-n型光电探测器早已实现，但这种探测器的峰值响应大约在900nm左右，只适合用于850nm波段的探测，无法应用于1310nm和1550nm两个重要光纤通信窗口。而III-V族材料虽然在这方面的工艺已经成熟并实现了产业化，但其价格昂贵、热学机械性能较差，并且不能与现有成熟的硅基工艺兼容。

1998年美国哈佛大学教授艾瑞克·马兹尔和他的研究团队利用超强飞秒激光扫描置于六氟化硫气体中的硅片表面，获得了一种森林状微结构锥体表面材料，其在0.25至2.5μm的光谱范围内具有＞90％的光吸收率，极大地拓展了硅基材料的光谱吸收范围[Appl.Phys.Lett.73，1673(1998)]。这种新材料对太阳光具有几乎黑体吸收的效果，所以亦称之为“黑硅”。经深入研究发现，这种微结构黑硅表面的硫系物质浓度远远超过了其在硅晶体中的饱和浓度，使得硅禁带中产生大量的局域态能级从而可扩展黑硅的光谱吸收范围。

2005年，他们以黑硅材料作为探测器迎光面的光敏区，在1330nm和1550nm两个重要光纤窗口取得了一定的红外响应度[Opt.Lett.30，1773-1775(2005)]，但由于黑硅材料的迁移率低、载流子寿命短、重掺杂表层俄歇复合严重、部分红外光透射率较大等缺点，制约了黑硅探测器红外光谱响应度的进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种具有宽光谱响应的硅探测器结构及其制作方法，以减少黑硅在迎光面受表面俄歇复合而导致的光生载流子湮灭现象，避免其作为光敏区的不利影响；由于红外光在硅中具有较深的穿透能力，黑硅制作在背面，亦能充分吸收并产生光生载流子，提高光谱响应，以解决传统硅光电探测器对1.1微米以上波长的光谱无响应的难题，拓宽硅光电探测器的光谱响应范围；此外，黑硅重掺杂层和n型硅基衬底层形成的梯度掺杂，也能构建起一个弱内建电场，有利于光生载流子的分离和收集，可部分抵消黑硅材料迁移率低和载流子寿命短的影响，从而提高硅光电探测器的红外光谱响应度。

为达到上述目的，本发明提出了一种具有宽光谱响应的硅探测器结构，该结构由上至下依次包括：

一n型硅基衬底层，其表面有一圆形凹槽；

一二氧化硅介质掩蔽层，形成于n型硅基衬底层表面圆形凹槽的周边，中间为环形结构；

一p型参杂层，位于n型硅基衬底层的圆形凹槽内；

一正面接触电极，制作在二氧化硅介质掩蔽层环形结构的内壁及覆盖部分环形结构表面的边缘，形成环状结构；

一增透膜层，制作在正面接触电极的环状结构内，并覆盖p型参杂层的表面；

一广谱吸收黑硅层，制作在n型硅基衬底层的背面；

一介质钝化层，该介质钝化层为点状，形成在广谱吸收黑硅层的表面；

一背面接触电极，制作在广谱吸收黑硅层的表面并覆盖点状的介质钝化层。

本发明还提出一种具有宽光谱响应的硅探测器结构的制作方法，该方法包括：

步骤1：在n型硅基衬底层的上表面和下表面分别制作二氧化硅介质掩蔽层；

步骤2：光刻n型硅基衬底层上表面的二氧化硅介质掩蔽层，形成p型掺杂层窗口，采用硼离子注入或硼扩散的方式形成p型掺杂层，该p型掺杂层与n型硅基衬底层形成pn结光敏区；

步骤3：在p型掺杂层上面淀积一层增透膜层；

步骤4：去除n型硅基衬底层下表面的二氧化硅介质掩蔽层，在n型硅基衬底层下表面制作广谱吸收黑硅层；

步骤5：对广谱吸收黑硅层进行载流子激活处理，在广谱吸收黑硅层表面制作硅氧化物介质钝化层；

步骤6：光刻增透膜层和介质钝化层，分别在增透膜层和介质钝化层表面形成正面环形电极窗口和背面点接触电极窗口；

步骤7：在正面环形电极窗口和背面点接触电极窗口分别制作正面接触电极和背面接触电极，完成器件制作。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：