[发明专利]硅基近红外光电探测器结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅光电探测器结构及其制作方法，尤其涉及一种硅基近红外光电探测器结构及其制作方法。

背景技术

基于成熟的硅工艺，晶体硅被广泛用于加工微电子和光电子器件。但硅的带隙1.12eV限制了硅在近红外波段的应用。传统的硅光电探测器峰值响应波长在900nm左右，对波长1100nm以外的红外光灵敏度很低，无法用于通信波长1330nm和1550nm的光电探测。锗及III-V族材料通常被用来制备近红外通信波段的光电探测器，但其昂贵成本及差硅工艺兼容性限制了它的应用范围。

1998年美国哈佛大学Eric Mazur教授和他的研究团队利用飞秒脉冲激光扫描置于六氟化硫气氛中的硅片表面，获得了一种具有表面微织构的“黑硅”材料[Appl.Phys.Lett.73，1673(1998)]，该材料在0.25μm至2.5μm光谱范围具有高于90％的光学吸收率。基于黑硅材料制备的硅光电管[Appl.Phys.Lett.30，1773(2005)]，在0.5V反偏压下，具有50mA/W1330nm和35mA/W1550nm的光谱响应度，实现了硅基近红外光电探测。然而，黑硅材料由于表面粗糙和非辐射损伤严重，限制了其在硅光电子集成领域的应用前景。黑硅材料表面大量的缺陷造成载流子迁移率低、寿命短，极大影响了器件的稳定性和光电子学特性。

离子注入，作为一种快捷的杂质掺杂方法，可以方便的实现硫系元素在硅中的可控掺杂，并在硅带隙中引入红外吸收能级，增强了硅材料对近红外光的吸收。脉冲激光熔融+热退火既可以消除离子注入在硅中的引入的大量拓展缺陷，又可以激活掺入的杂质元素，同时又不会带来严重的表面损伤和粗糙度。基于该思想，离子注入+脉冲激光辐照+热退火将成为实现硅基近红外光电探测的一种新途径。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种硅基近红外光电探测器结构及其制作方法，以解决传统硅光电探测器对波长大于1100nm的近红外光响应弱的难题，实现硅基光电探测器的高灵敏度近红外光电探测。

为达到上述目的，本发明提供了一种一种硅基近红外光电探测器结构，包括：

一n型硅衬底，该n型硅衬底的上面向下开有两层台阶状的圆槽；

一磷背场，该磷背场制作在n型硅衬底的下面；

一硫系元素掺杂层，该硫系元素掺杂层制作在该n型硅衬底上面的最下层的圆槽内；

一p型硼掺杂层，该p型硼掺杂层制作在该n型硅衬底上面的上层圆槽内；

一迎光面掩蔽层，该迎光面掩蔽层制作在n型硅衬底上面圆槽的周围，并覆盖p型硼掺杂层的周边部分，中间形成圆孔，该圆孔的周边开有一环形凹槽，该环形凹槽的外径小于n型硅衬底上面上层圆槽的直径；

一增透膜层，该增透膜层制作在迎光面掩蔽层中间的圆孔内；

一正面接触电极，该正面接触电极制作在迎光面掩蔽层上的环形凹槽内；

一背面接触电极，该背面接触电极制作在磷背场的下面。

本发明还提供一种硅基近红外光电探测器结构制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在n型硅衬底背面进行磷掺杂，形成磷背场；

步骤2：在n型硅衬底正面制备迎光面掩蔽层，该迎光面掩蔽层为二氧化硅或氮化硅；

步骤3：光刻迎光面掩蔽层，在迎光面掩蔽层中间形成一圆形p型掺杂窗口；

步骤4：在圆形p型掺杂窗口中采用扩散或离子注入的方法进行硼掺杂，在n型硅衬底的上表面形成p型硼掺杂层；

步骤5：将迎光面掩蔽层刻蚀掉，再在n型硅衬底的上表面制备迎光面掩蔽层，采用光刻的方法，在迎光面掩蔽层中间形成一圆形窗口，该圆形窗口的直径小于圆形p型掺杂窗口的直径；

步骤6：采用离子注入法，在圆形窗口32中注入硫系杂质元素，在p型硼掺杂层的下面形成硫系元素掺杂层，该硫系元素掺杂层经过脉冲激光辐照，其在1.1μm至2.5μm波长范围具有高于30％的光学吸收率，该硫系元素掺杂层为硫、硒或碲中的一种或多种组合；

步骤7：采用脉冲激光辐照的方法，对圆形窗口进行激光辐照，并热退火，该脉冲激光的脉宽为纳秒量级，以穿透硫系元素掺杂层；

步骤8：在圆形窗口表面沉积增透膜层，该增透膜层为二氧化硅或氮化硅或两者的组合；

步骤9：采用光刻的方法，刻蚀迎光面掩蔽层，在迎光面掩蔽层圆形窗口的周围形成环形凹槽；

步骤10：在环形凹槽内制备正面接触电极，该正面接触电极为欧姆接触电极，其材料为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或及其组合；