[发明专利]一种硅基APD红外敏感增强的方法

说明书

技术领域

本发明属于光电探测器件制造领域，涉及一种硅基APD红外敏感增强的方法。

背景技术

硅在半导体领域广泛应用于制造半导体器件，但是由于硅的禁带宽度为1.12eV，使得硅对红外光的吸收受到很大的局限性。由于通信行业的发展及伴随着1064nm激光器的广泛应用，对于拓展APD响应宽度提出了迫切要求。较为先进的雪崩光电二极管（APD）已经被设计和构造出来。但是，国内在1064nm处有较高量子响应的硅基APD和优质价廉拥有较大的感应面积的硅基APD阵列仍没有满足市场需求。制约硅基APD在这个方向应用的原因有两个，首先是300K时硅的禁带宽度是1.12eV，从而导致硅对1100nm处光的吸收截止；其次，硅是间接带隙材料，从而导致实际中硅基APD器件在截止波长附近吸收效率非常低。

发明内容

本发明的目的是提供一种硅基APD红外敏感增强的方法，在硅基APD的基础上，增加飞秒辐照掺杂工艺，拓展了硅基APD吸收光子的截止波长，使其在通信行业以及激光行业的应用得到了进一步的扩展。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种硅基APD红外敏感增强的方法，在硅基APD的基础上，在SF6气体氛围下对硅基APD的衬底进行飞秒辐照掺杂工艺，其具体步骤如下：

首先，以外延片作为硅基APD原材料衬底片，对外延片进行氧化，生长12000?±500 ?的氧化层，目的是为之后的注入工艺做掩蔽。本发明使用外延片作为光电探测器件原材料衬底片，所述外延片包括硅衬底和硅外延层，其中硅衬底为P型重掺杂，硅外延层为P型轻掺杂（也叫π型），衬底掺杂浓度为2E19-5E19cm^-3，外延层掺杂浓度为1E15-5E15cm^-3，根据电学参数进行工艺调整。

然后，采用半导体工艺制造光电探测器件的内部结构。该结构包括硅衬底（P+），硅外延层（π型）作为吸收区，通过注入工艺在吸收区上制造P+层作为场控区，通过注入工艺在P+层上制造出N+层作为阴极区，P+层与N+层之间由于补偿作用形成π型层作为器件的倍增区，阴极接触位于接触孔中并与阴极区连接，阳极接触位于接触孔中并与吸收区连接。

接下来，在SF6气体氛围下对硅基APD的衬底用飞秒激光器进行辐照：把硅基APD放在真空室的二维转台上，调节平衡和准直，使激光光束对准硅基APD，调整飞秒激光脉宽和脉冲频率，飞秒激光经过准直后照射放于二维转动控制台上的硅基APD，压强通过抽气阀和充气阀调节。本发明控制飞秒激光脉宽为100±20fs，脉冲频率为1±0.2kHz，压强为500torr±100torr。

导致硅基APD光吸收特性改变的根本原因是，在六氟化硫（SF6）气体氛围下用飞秒激光辐照，飞秒激光辐照提供了瞬间的高能量和高热，从而达到了瞬间的高温扩散，而硫原子（S）的半径（r）=1.17?，硅原子（Si）半径（r）=1.04 ?。S和Si的原子半径很接近，S直接进入Si半导体晶格的间隙很困难，当飞秒激光辐照时对Si晶体进行了瞬间的高温加热，使得Si晶体中的原子运动加剧，大量的原子获得足够高的能量离开各自的晶格位置，从而Si晶体中出现大量的晶格空位，使得被飞秒激光辐照的S元素得以进入到那些空位，从而形成替位式S掺杂。

由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子产生的周期势场受到破坏，在禁带中引入允许电子具有的能量状态（即能带），正是由于杂质和缺陷能够在禁带中引入能带，才使飞秒辐照掺杂工艺对硅的光谱响应性质产生决定性影响，从而影响硅吸收光的截止波长。

按照本发明提供的方法辐照后，硅的原有能带中产生一个中间能带（I_B），中间能带I_B的能带宽度为0.22eV，价带顶和中间能带之间的带隙宽度为0.69eV，导带底和中间能带的带隙宽度是0.51eV，当电子吸收光子，由中间能带跃迁到价带或者由导带跃迁到中间能带，都将引起光子的吸收，结果显示掺杂后硅基APD在退火前吸收光的截止波长可拓宽至2480nm，退火后在红外750nm-1100nm波段的量子探测效率比未掺杂S的APD器件量子效率提高2-3倍。

本发明利用飞秒激光在SF6气体氛围下辐照硅片使得其在近红外区域的红外敏感度显著增强，在1064nm波段的量子探测效率从原来13%提高到30%。

附图说明

图1为掺S与未掺S的APD器件量子效率与敏感波长关系图；图中：─*─:未掺S；─Δ─：飞秒激光照射掺S。