[发明专利]基于黑硅和量子点的Si-APD光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于黑硅和量子点的Si‑APD光电探测器及其制备方法,所述Si‑APD光电探测器包括本征Si衬底(1)、位于本征Si衬底(1)中心上方的P区(2)、位于本征Si衬底(1)两侧上方保护环区即N区(3)、位于P区(2)上方的N+区(4)、位于N+区(4)上方的N+黑硅层(5)、位于N+黑硅层(5)上表面的量子点区(9)、位于本征Si衬底(1)下方的P+区(7)、位于量子点区(9)和环形保护区N区(3)上表面的上电极(6)以及位于P+区(7)下表面的下电极(8)。本发明以覆盖了量子点的黑硅层作为光敏层，利用其高的红外吸收特性，解决了传统Si‑APD光电探测器无法响应近红外波段或者近红外响应度低等问题；本发明能够吸收近红外波段光波，具有光谱响应宽，响应度高，过噪声小，成本低，易于加工等优点。

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种基于黑硅和量子点的Si-APD光电探测器及其制备方法，其属于硅基雪崩光电探测器技术领域中光电探测器结构和半导体纳米材料。

背景技术

光电探测器是一种能把光信号转变为电信号的光电器件，其特点是封装体积小，光电响应快，探测灵敏度高，工艺成熟且价格低廉。光电探测器被广泛应用于信号传输处理，红外热成像遥感，射线探测，工业自动控制等军事和民用领域。

雪崩光电二极管(APD)是一种具有内部增益的光电探测器，工作在能使器件发生雪崩倍增效应的高反向偏压下，雪崩倍增效应造成了内部电流增益，使得APD器件比其他器件具有更高的响应度。因其具有灵敏度高、体积小、增益大灯一系列优点，实现对微弱信号的高校探测，被广泛的应用于光纤通讯、激光测距、激光引信、光谱测量、遥感测量、医学影像诊断、环境监测和军事侦察等方面。

目前商用的APD红外探测器主要包括HgCdTe材料APD和InGaAs-InP APD。HgCdTe材料根据Cd在HgCdTe材料中所占的比重调节材料禁带宽度(0eV-1.6eV)，但是HgCdTe材料APD需要工作低温条件下，InGaAs单晶半导体材料存在价格昂贵、热机械性能差、晶体质量较差、且不易与现有硅微电子工艺兼容等缺陷。

Si材料具有易于提纯、易于掺杂、资源丰富、成本低、易于大规模集成和相关技术成熟等优点，是半导体行业应用最为广泛的一类材料。Si材料具有高得碰撞电离系数比，用于光探测时可使器件的信噪比得到提高。然而，由于其禁带宽度较大(1.1eV)，即使在光敏区沉淀了增透膜，也无法探测波长大于1.1μm的光波信号，现有的Si-APD光电探测器存在红外响应低或者无法探测红外信号等问题。并且，传统的Si-APD光电探测器为了提高现有Si-APD的光电效率和量子效率，通常具有较厚的本征吸收层，进一步造成其响应时间长，响应速度慢，探测度低等问题。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明提供一种基于黑硅和量子点的Si-APD光电探测器及其制备方法，本发明以覆盖了量子点的黑硅层作为光敏层，利用其高的红外吸收特性，解决了传统Si-APD光电探测器无法响应近红外波段或者近红外响应度低等问题；本发明能够吸收近红外波段光波，具有光谱响应宽，响应度高，过噪声小，成本低，易于加工等优点。

依据本发明技术方案的第一方面，提供一种基于黑硅和量子点的Si-APD光电探测器，其包括本征Si衬底1、位于本征Si衬底1中心上方的P区2、位于本征Si衬底1两侧上方保护环区即N区3、位于P区2上方的N+区4、位于N+区4上方的N+黑硅层5、位于N+黑硅层5上表面的量子点区9、位于本征Si衬底1下方的P+区7、位于量子点区和环形保护区N区上表面的上电极6以及位于P+区7下表面的下电极8。

其中，在基于黑硅和量子点的Si-APD光电探测器中，量子点区覆盖在N+黑硅层的上表面；表面涂覆有量子点区的N+黑硅层的复合结构作为光电探测器的光敏层；量子点区采用具有优良红外吸收特性的Ⅳ-Ⅵ族化合物，如PbS量子点。