硅基宽光谱探测器及制备方法技术

一种硅基宽光谱探测器及制备方法，该硅基宽光谱探测器，包括：一SOI衬底，包括一底部Si材料层和制作在其上的二氧化硅填埋层以及制作在二氧化硅填埋层上的顶层硅，该顶层硅位于二氧化硅填埋层的中间，该二氧化硅填埋层的两侧形成台面，该顶层硅上面的两侧分别制作有p型掺杂区和n型掺杂区，中间为硅本征区；一二氧化硅窗口层，其制作在二氧化硅填埋层两侧的台面上及覆盖顶层硅的部分表面，对应所述p型掺杂区、n型掺杂区和硅本征区上的二氧化硅窗口层上开有窗口；一长波吸收层，其外延生长于二氧化硅窗口层中的硅本征区上；一绝缘介质层，其制作在二氧化硅窗口层及长波吸收层上；一p电极，其制作在顶层硅上面的p型掺杂区上；以及一n电极，其制作在顶层硅上面的n型掺杂区上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电子
，尤其涉及一种硅基宽光谱探测器及其制备方法。
技术介绍
宽光谱的多色成像和探测在高质量人像照相、农业、军事、环境监测、地质勘查、海洋遥感、大气遥感、生物医学等方面有广泛的应用前景，成为近年来光电子领域的研究热点。一般情况下，一种半导体材料只能对特定的波长范围内的光进行响应探测，为了实现宽光谱的探测，必须要将不同半导体材料进行集成，以拓展光响应范围。现在的光电探测器普遍使用直接带隙的III-V族半导体材料，例如InGaAs、InSb、InAs等材料。通过不同带隙宽度的III-V材料的异质外延集成，可以实现高效率的宽光谱探测。而采用宽光谱探测器的阵列与硅微电子探测器读出电路集成，则可以实现宽光谱成像，将极大地提高宽光谱探测器的应用范围。可惜的是，虽然直接带隙的III-V族材料具有很好的探测效率，但是其价格相对昂贵，热学机械性能差，最重要的是无法与硅微电子芯片实现工艺兼容，这极大地限制了应用。由于硅的禁带宽度为1.12eV，无法有效吸收波长大于1100nm的光信号。另外，虽然硅可以吸收短波长的光信号(＜400nm)，但是其在硅中的穿透深度非常有限，因此，通常硅探测器只能有效探测300nm-1100nm的光信号。而同为IV族元素的锗材料，在近红外波段具有较高的响应，锗探测器可以有效探测800nm-1700nm的光信号。采用锗锡合金探测器，则可以有效探测800nm-2000nm的光信号。而且锗和锗锡合金都可以在硅上实现外延生长，并能完全兼容现有的硅CMOS工艺，可以有效地降低成本。因此，通过硅和锗及锗锡合金的合理集成，充分地利用材料不同波段的光探测能力，可以将硅基探测器的响应波长扩宽为300nm-2000nm，实现宽光谱探测。另外，本专利技术以硅为基底，可利用硅在微电子领域的强大的电信号处理能力，为今后硅基宽光谱探测器的阵列化提供良好的集成基础和优化空间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种硅基宽光谱探测器及制备方法，其是采用横向p-i-n结构，硅本征区和长波吸收层参与不同光信号的吸收，充分地利用硅和长波吸收层在不同波段的光探测能力，从而实现300nm-2000nm的宽光谱探测。本专利技术提供一种硅基宽光谱探测器，包括：一SOI衬底，包括一底部Si材料层和制作在其上的二氧化硅填埋层以及制作在二氧化硅填埋层上的顶层硅，该顶层硅位于二氧化硅填埋层的中间，该二氧化硅填埋层的两侧形成台面，该顶层硅上面的两侧分别制作有p型掺杂区和n型掺杂区，中间为硅本征区；一二氧化硅窗口层，其制作在二氧化硅填埋层两侧的台面上及覆盖顶层硅的部分表面，对应所述p型掺杂区、n型掺杂区和硅本征区上的二氧化硅窗口层上开有窗口；一长波吸收层，其外延生长于二氧化硅窗口层中的硅本征区上；一绝缘介质层，其制作在二氧化硅窗口层及长波吸收层上；一p电极，其制作在顶层硅上面的p型掺杂区上；以及一n电极，其制作在顶层硅上面的n型掺杂区上。本专利技术还提供一种硅基宽光谱探测器的制备方法，包括如下步骤：步骤1：采用刻蚀或腐蚀的方法，将SOI衬底顶层硅的四周刻蚀或腐蚀形成台面，刻蚀或腐蚀的深度到达二氧化硅填埋层；步骤2：分别在顶层硅上的两侧制作p型掺杂区和n型掺杂区，中间为硅本征区；步骤3：在二氧化硅填埋层两侧的台面上及覆盖顶层硅的部分表面制作二氧化硅窗口层，对应所述p型掺杂区、n型掺杂区和硅本征区上的二氧化硅窗口层上开有窗口；步骤4：在二氧化硅窗口层的窗口中露出的硅本征区之上，外延生长长波吸收层；步骤5：在长波吸收层和二氧化硅窗口层上沉积绝缘介质层；步骤6：在p型掺杂区对应的顶层硅上制作p电极；步骤7：在n型掺杂区对应的顶层硅上制作n电极；步骤8：退火，完成制备。从上述技术方案可以看出，本专利技术在硅上采用横向p-i-n结构，硅本征区23和长波吸收层40参与不同光信号的吸收，充分地利用硅和长波吸收层在不同波段的光探测能力，从而实现300nm-2000nm的宽光谱探测。在硅基宽光谱光处理和光成像领域具有广泛的应用前景。附图说明为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明，其中：图1、图2为本专利技术制备的结构示意图；图3为本专利技术的制备流程图。具体实施方式请参阅图1、图2所示，本专利技术提供一种硅基宽光谱探测器，包括：一SOI衬底10，包括一底部Si材料层13和制作在其上的二氧化硅填埋层12以及制作在二氧化硅填埋层12上的顶层硅11。该顶层硅11位于二氧化硅填埋层12的中间，该二氧化硅填埋层12的四周形成台面12’，该顶层硅11上面的两侧分别制作有p型掺杂区21和n型掺杂区22，中间为硅本征区23。p型掺杂区21、硅本征区23、长波吸收层40和n型掺杂区22形成横向p-i-n结构。硅本征区23吸收入射光的波长范围为300nm-1100nm。所述的顶层硅11为轻掺杂或本征材料，电阻率大于1欧姆/厘米，以提高光生载流子的寿命，有利于光信号的提取，特别是波长短、穿透深度小的波段。为了提高顶层硅11对300nm-1100nm光的吸收效率，需要足够厚的顶层硅11作为吸收层，其厚度至少大于200nm。所述的顶层硅11的形状为矩形，也可为其它形状，其尺寸直接关系探测器以及受光面的大小。若做为高密度的探测器阵列，则尺寸可小于10×10μm2。在顶层硅11两侧分别制作有p型掺杂区21和n型掺杂区22，中间则为硅本征区23。所述的p型掺杂区21和n型掺杂区22的掺杂浓度均大于1018cm-3。所述的p型掺杂区21和n型掺杂区22的掺杂方式有扩散和离子注入等形式。所述的硅本征区23作为光吸收层，是为了提高硅对短波长(波长＜400nm)光信号的吸收。短波长光信号在锗或锗锡合金中的穿透深度只有几纳米，在硅中的穿透深度也仅为十几或几十纳米。锗或锗锡合金虽然可以吸收短波长光信号，但是由于表面缺陷的存在，难以提取短波长光信号；而p型掺杂区21和n型掺杂区22由于掺杂浓度高，光生载流子的寿命很短，且没有内建电场以加速光生载流子的漂移，因此也难以提取短波长光信号。只有利用硅的横向p-i-n结构的硅本征区作为光吸收区，才能有效提取短波长光信号。一二氧化硅窗口层30，其制作在二氧化硅填埋层12两侧的台面12’上及覆盖顶层硅11的部分表面，对应所述p型掺杂区21、n型掺杂区2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基宽光谱探测器，包括：一SOI衬底，包括一底部Si材料层和制作在其上的二氧化硅填埋层以及制作在二氧化硅填埋层上的顶层硅，该顶层硅位于二氧化硅填埋层的中间，该二氧化硅填埋层的两侧形成台面，该顶层硅上面的两侧分别制作有p型掺杂区和n型掺杂区，中间为硅本征区；一二氧化硅窗口层，其制作在二氧化硅填埋层两侧的台面上及覆盖顶层硅的部分表面，对应所述p型掺杂区、n型掺杂区和硅本征区上的二氧化硅窗口层上开有窗口；一长波吸收层，其外延生长于二氧化硅窗口层中的硅本征区上；一绝缘介质层，其制作在二氧化硅窗口层及长波吸收层上；一p电极，其制作在顶层硅上面的p型掺杂区上；以及一n电极，其制作在顶层硅上面的n型掺杂区上。

【技术特征摘要】
1.一种硅基宽光谱探测器，包括：
一SOI衬底，包括一底部Si材料层和制作在其上的二氧化硅填埋层以及制作在二氧化硅填埋层上的顶层硅，该顶层硅位于二氧化硅填埋层的中间，该二氧化硅填埋层的两侧形成台面，该顶层硅上面的两侧分别制作有p型掺杂区和n型掺杂区，中间为硅本征区；
一二氧化硅窗口层，其制作在二氧化硅填埋层两侧的台面上及覆盖顶层硅的部分表面，对应所述p型掺杂区、n型掺杂区和硅本征区上的二氧化硅窗口层上开有窗口；
一长波吸收层，其外延生长于二氧化硅窗口层中的硅本征区上；
一绝缘介质层，其制作在二氧化硅窗口层及长波吸收层上；
一p电极，其制作在顶层硅上面的p型掺杂区上；以及
一n电极，其制作在顶层硅上面的n型掺杂区上。
2.根据权利要求1所述的硅基宽光谱探测器，其中所述的长波吸收层的材料为纯锗、锗锡合金或锗硅合金。
3.根据权利要求1所述的硅基宽光谱探测器，其中所述的硅本征区吸收入射光的波长范围为300nm-1100nm。
4.根据权利要求1所述的硅基宽光谱探测器，其中所述的长波吸收层吸收入射光的波长范围为800nm-2000nm。
5.一种硅基宽光谱探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用刻蚀或腐蚀的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘智，成步文，何超，李传波，薛春来，王启明，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11