[发明专利]一种背照式Si-PIN光电探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，具体涉及一种以纳米微结构硅为光敏层的背照式Si-PIN光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器作为光纤通讯系统、红外成像系统、激光告警系统和激光测距系统等的重要组成部分，在民用和军用方面均得到了广泛的应用。目前广泛使用的光电探测器主要有探测波长范围为400nm~1000nm的Si光电探测器和探测波长范围为1000nm~3000nm的InGaAs近红外光电探测器。其中，Si材料由于易于提纯、易掺杂、资源丰富、成本低、易于大规模集成和相关技术成熟等优点，是半导体行业中应用最为广泛的一类材料。但是，由于其禁带宽度较大为1.12eV，即使在Si光电探测器光敏面区沉积了增透膜以提高探测器的响应度，仍然无法达到在较低偏置下高效率探测大于1000nm近红外光波信号并以电信号输出的目的。因此，当需要探测大于1000nm的近红外光信号时，常用InGaAs光电探测器代替。但是，InGaAs单晶半导体材料又存在价格昂贵、热机械性能较差、晶体质量较差且不易与现有硅微电子工艺兼容等缺点。

纳米微结构硅是一种通过纳米压印刻蚀或其它纳米刻蚀技术使硅材料表面微结构纳米化的材料层，该材料具有纳米尺度的阵列化精细微结构和大面积均匀性。先进的纳米刻蚀技术工艺重复性好，且与微电子技术兼容，具有加工原理简单、分辨率高、生产效率高、成本低等优点。同时，纳米微结构硅对可见光及近红外光的吸收率可达到90%以上，且光谱吸收范围相较于传统硅材料可向近红外方向拓展。

随着这种纳米微结构硅材料的发展，使得研制具有高响应度和宽光谱响应的新型Si-PIN光电探测器成为可能。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种以纳米微结构硅为光敏层的背照式Si-PIN光电探测器及其制备方法，其旨在改进传统Si光电探测器的性能，使其具有响应度高、响应速度快和响应光谱波段宽的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种背照式Si-PIN光电探测器，如图1、2所示，包括I型衬底1、设置在I型衬底1中央上方的P区2、位于在I型衬底1两侧上方并与P区紧邻的P⁺区3、位于I型衬底背面的N型纳米微结构硅层4、位于P型区2和P⁺区3上表面的上端电极5及位于N型纳米微结构硅层4下两侧的下端电极6。 

在上述方案中：

所述N型纳米微结构硅层为通过对磷重扩散掺杂N区进行纳米压印刻蚀或其它纳米刻蚀技术得到的呈三维空间阵列分布的层状微结构。

所述N型纳米微结构硅层呈阵列化排布，其硅纳米柱直径为50~100nm，高度为300~500nm，周期为100~200nm。

所述P+区3为硼重扩散掺杂P型区，其掺杂浓度范围为1×10¹⁸ion/cm³ ~5×10¹⁹ion/cm³。

所述上端电极5和下端电极6为金属薄膜电极，电极厚度为50nm~150nm，金属材料可以是铝Al、金Au或金铬合金（Au/Cr）。

本发明提供的以纳米微结构硅为光敏层的背照式Si-PIN光电探测器及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤:

步骤1:预备表面清洁、干燥的高阻且晶向为（111）的硅单晶片衬底材料；

步骤2:将硅单晶片研磨抛光至厚度为350μm，并在衬底正面氧化生长SiO₂膜层，膜层厚度为300nm~400nm，生长温度为1000℃；

步骤3:在SiO₂膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩模图形对光刻胶图形化，在SiO₂膜层上光刻出P+区图形区域待刻蚀；

步骤4:对已经图形化的表面区域进行刻蚀，去除未被保护的SiO₂膜层形成P+区3保护区硼重扩散窗口；

步骤5:在1000℃~1100℃下对刻蚀后的P+区3硼重扩散窗口进行硼重扩散掺杂形成P+区3，扩散浓度范围为1×10¹⁸ion/cm³~5×10¹⁹ion/cm³，结深为1.0μm~3.5μm，接着去除表面光刻胶；

步骤6:在SiO₂膜层表面旋涂上一层光刻胶，并利用掩模图形对光刻胶图形化，在SiO₂膜层上光刻出P区2图形区域待刻蚀；