[发明专利]基于微纳米结构的Si-APD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，尤其涉及一种基于微纳米结构的Si-APD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。APD是一种具有内增益能力的光探测器，具有很高的灵敏度，被广泛地应用在超高速光通信、信号处理、测量和传感系统中。APD是现代高比特速率光通信系统广泛使用的光电探测器，以其体积小、测量波段范围宽以及在近红外波段有较高灵敏度等一系列的优点，已大量用于弱光场测量、光子计数等相关领域中。由于APD光电探测器具有较高的内增益和探测灵敏度比PIN型光二极管高的特点，因此是目前1.06μm激光测距机中最常用的优良器件。

雪崩光电二极管（APD）是一种应用广泛的光电探测器件，由于具有较高的内部增益，因而器件的灵敏度和响应度较高，主要用于弱光条件下的通信、航空、航天、航海以及医疗、安防等工业和民用领域。

传统硅基雪崩光电二极管（Si-APD）在200 nm～900 nm波长范围内的响应度较高，但硅材料的禁带宽度较大（1.12 eV），因而传统Si-APD对大于1000 nm波长光的响应度很低，一般不能用于红外波段的光探测。其它半导体材料如Ge、InGaAs等虽然可以探测红外波段的光，但这些材料的价格昂贵、热力学性能较差、信噪比低，而且器件制备工艺与现有成熟的硅工艺不兼容。Si材料具有高的碰撞电离系数比，用于光探测器时可使器件的信噪比得到提高，且工艺成熟。因而，通过某些特定的方法实现硅材料对近红外波段的吸收，扩展硅基光探测器的探测范围，意义十分重大。

微纳米结构硅是一种在晶体硅表面通过微纳米加工技术得到的具有微纳米尺度的表面硅材料，具有排列规整、分布均匀和可加工面积大等优点，其对可见光及近红外光的吸收率可达到90%以上，且由于在加工过程中可能引入的缺陷态和杂质能级等，使其光谱吸收范围相较于传统硅材料可向近红外方向拓展。

目前，能在硅晶体表面实现微纳米结构的加工方法主要有：极紫外光刻技术、电子束光刻技术、X 射线光刻、纳米压印刻蚀技术等。其中，纳米压印刻蚀方法是国内外正在研发和推广的新一代微纳米结构材料刻蚀新工艺，其基本原理是将事先制作好的微纳米结构模版通过专用压机作用于一层薄的聚合物压印胶上，这层具有良好流变性的压印胶可通过热作用或紫外光固化，经良好的脱模后在压印胶上形成与模版1:1大小的图案，从而替代传统的“光刻”工艺。该工艺通过压印胶的模压变形与固化来实现图像的转移，图像最小尺度极限主要依赖于模板的加工精度，而后者可借助最新的微纳米刻蚀技术，实现纳米量级的加工，突破了传统光刻的工艺极限，降低了对特殊曝光束源、高精度聚焦系统、极短波长透镜系统以及抗蚀剂分辨率受光波场效应的限制和要求，具有工艺重复性好、生产效率高和图形转移精度高等优点，适合产业化批量生产。现有的纳米压印刻蚀技术主要有热压印刻蚀、紫外纳米压印刻蚀和微接触纳米压印刻蚀等。

发明内容

针对上述现有技术，利用微纳米压印刻蚀工艺，本发明的目在于提供一种响应度高、响应速度快和响应光谱波段宽的基于微纳米结构的Si-APD光电探测器及制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于微纳米结构的Si-APD光电探测器，其特征在于，包括P型Si衬底1、位于P型Si衬底1中心上方的微纳米结构硅层N+区2、位于P型Si衬底1两侧上方的保护环区即N区3、设置在微纳米结构硅层N+区2和N区3上表面的上端电极4以及位于P型Si衬底1下表面的下端电极5；所述微纳米结构硅层N+区（2）的深度小于保护环区即N区（3）的深度。

在本发明中，所述微纳米结构硅层N+区是通过磷（P）重扩散或离子注入形成的N+区，也是进行纳米压印刻蚀得到的表面呈微纳米尺度阵列化分布的微结构硅材料。

进一步地，磷扩散N区呈环形状，为环形N区。

在本发明中，微纳米结构硅层N+区呈阵列化排布，其典型尺寸为：硅微纳米柱或微纳米孔直径60~90 nm、高度或深度300~500 nm、周期100~300 nm。

所述N区3是通过磷扩散或者离子注入制备得到的，其掺杂浓度范围为1×10¹⁴ ion/cm³~2×10¹⁷ ion/cm³。

在本发明中，所述上端电极4和下端电极5为金属薄膜电极，金属材料为铝（Al）、金（Au）或金铬合金（Au/Cr）。