硅红外检光器的结构及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种硅红外检光器的结构及其制作方法，以带有重补偿的超重掺杂硅单晶材料为红外光电转换材料，包括单独采用带有重受主补偿的超重施主掺杂硅单晶材料或带有重施主补偿的超重受主掺杂硅单晶材料吸收红外光产生电子‑空穴对，或者同时采用带有重受主补偿的超重施主掺杂硅单晶材料和带有重施主补偿的超重受主掺杂硅单晶材料构成PN结来吸收红外光产生电子‑空穴。本发明专利技术在硅单晶材料中同时重掺入施主杂质和受主杂质，在禁带中同时出现施主杂质能带和受主杂质能带，同时出现连接导带的能带尾和连接价带的能带尾，杂质能级参与红外光子吸收，以及电子和空穴的跃迁，提高硅材料在近红外通信波段的光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种硅红外检光器的结构及其制作方法，属于硅基光电集成

技术介绍
硅的禁带宽度约为1.12ev，本征光吸收的光谱吸收极限在1110nm。而目前光通信的光窗口在1310nm、1490nm、1550nm等红外波段，所以工作于这些红外波段的光探测器目前以三五族材料为主。硅是使用最广，工艺最成熟，产业最完整的半导体材料。硅在电子领域具有无人能敌的地位，光与电相融合的需求，使得硅光技术成为研究热点。除了半导体材料本征光吸收外，硅还有激子吸收、晶格振动吸收、杂质吸收及自由载流子吸收等非本征光吸收。其中只有杂质吸收可以贡献光生自由电子和空穴，产生光电效应。不同掺杂杂质在硅禁带中不同位置形成杂质能级，常规硅器件通常采用浅能级杂质提供载流子进行N、P型掺杂，硅的浅施主杂质通常有磷P、砷As、锑Sb，硅的浅受主杂质通常有硼B、铝Al、镓Ga，它们的电离能分别为：P[0.044eV]、As[0.049eV]、Sb[0.039eV]、B[0.0104eV]、Al[0.0102eV]、Ga [0.0108eV]。这些浅杂质能级上的电子或空穴吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带或价带，这些浅杂质吸收的波长在20-30微米的远红外区。硅的深能级杂质有钯Pd、锌Zn、金Au、硫S、硒Se等。掺锌Zn的硅材料的杂质吸收光波长在2-3微米，掺硒Se和掺硫S的硅材料的杂质吸收光波长分别在2.5-3.5微米和5-6微米。2014年，Richard R. Grote等人发表了利用Zn掺杂的硅基波导光探测器，吸收波长在2.2-2.4微米（“Extrinsic photodiodes for integrated mid-infrared silicon photonics”， Vol.1, No.4, October 2014, Optica）。中科院半导体所的毛雪和韩培德也在其专利申请“深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器及其制备方法”（申请号：201110384199.9）中公开了利用高浓度深能级杂质掺杂区和浅能级杂质掺杂区形成PN或PIN结，使得在深能级杂质掺杂区吸收红外光产生的电子空穴对。深能级杂质不是CMOS等晶圆工艺的普遍采用的常规杂质，而且深能级杂质电离能大，不容易电离，容易在产生电子和空穴的陷阱和复合中心，减短非平衡载流子寿命，同时深能级杂质一般会产生多重能级，能级不易控制。近年来随着硅衬底上锗单晶外延生长技术的发展，硅基上生长的锗材料探测器成为1310nm到1550nm硅基光电探测器的主流技术。但是由于锗和硅之间较大的晶格失配，以及锗材料的掺杂和钝化等问题，目前硅基锗光探测器的漏电流还是较大。
技术实现思路
本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。鉴于上述和/或现有硅器件中存在的采用深能级杂质掺杂不容易电离，减短非平衡载流子寿命，以及能级不易控制等问题，提出了本专利技术。本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种硅红外检光器的结构，提高硅材料在近红外通信波段的光电转换效率。本专利技术还提供一种硅红外检光器的制作方法，该方法与CMOS工艺兼容。按照本专利技术提供的技术方案，所述硅红外检光器的结构，包括硅层和位于硅层上表面的钝化层，在硅层上表面形成脊形光波导，在钝化层中设置检光器的阴极和阳极；其特征是：在所述硅层中脊形光波导的两翼设置第一掺杂区域和第二掺杂区域，在脊形光波导设置带有重补偿的超重掺杂区域。在一个具体实施方式中，所述重补偿的超重掺杂区域具有一个重补偿的超重掺杂区域。在一个具体实施方式中，所述重补偿的超重掺杂区域具有两个重补偿的超重掺杂区域。在一个具体实施方式中，所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率为97%～103%时，第一掺杂区域、第二掺杂区域与带有重补偿的超重掺杂区域形成PIN结；所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率小于97%时，重补偿的超重掺杂区域和第一掺杂区域或第二掺杂区域形成PN结。在一个具体实施方式中，所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率为97%～103%时，第一掺杂区域、第二掺杂区域与两个带有重补偿的超重掺杂区域形成PIN结；所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率小于97%时，两个重补偿的超重掺杂区域之间形成PN结。在一个具体实施方式中，所述第一掺杂区域与检光器的阳极欧姆接触，第二掺杂区域与检光器的阴极欧姆接触。在一个具体实施方式中，还包括设置于脊形光波导一侧翼部的第三掺杂区域，第三掺杂区域与检光器的阳极欧姆接触。在一个具体实施方式中，所述第一掺杂区域的掺杂浓度不小于1E19/cm3，第二掺杂区域的掺杂浓度不小于1E19/cm3。所述硅红外检光器的制作方法，其特征是，包括以下步骤：（1）在硅层上表面制作脊形光波导；（2）在脊形光波导的两翼制作第一掺杂区域和第二掺杂区域，在脊形光波导制作带有重补偿的超重掺杂区域；（3）在步骤（2）得到的硅层上表面制作钝化层。所述硅红外检光器的制作方法，其特征是，包括以下步骤：（1）在硅层中制作第一掺杂区域、第二掺杂区域和带有重补偿的超重掺杂区域；（2）在步骤（1）处理后的硅层上表面制作脊形光波导；（3）在步骤（2）处理后的硅层上表面制作钝化层。本专利技术所述硅红外检光器的结构及其制作方法，在硅单晶材料中同时重掺入n型施主杂质和p型受主杂质，使半导体硅材料进入施主和受主双简并状态，在禁带中同时出现施主杂质能带和受主杂质能带，进而同时出现连接导带的能带尾和连接价带的能带尾，随着n型施主杂质和p型受主杂质掺杂浓度的提高，连接导带的能带尾和连接价带的能带尾同时从上下向能带中心延伸，杂质能级参与红外光子吸收，以及电子和空穴的跃迁。本专利技术工艺同CMOS工艺兼容，采用CMOS工艺中最常规的浅能级杂质。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：图1为本专利技术所述硅红外检光器实施例一的结构示意图。图2～图7为实施例一所述硅红外检光器的第一种制备方法的示意图，其中：图2为在单晶硅层上表面刻蚀形成脊形光波导的示意图。图3为在单晶硅层的超重受主离子注入区域注入受主杂质的示意图。图4为在重施主离子注入区域内离子注入施主杂质的示意图。图5为在超重施主离子注入区域内离子注入施主杂质的示意图。图6为在重受主离子注入区域内离子注入受主杂质的示意图。图7为经离子注入和退火后的示意图。图8～图14为实施例一所述硅红外检光器的第二种制备方法的示意图，其中：图8为平整的单晶硅层的示意图。图9为在单晶硅层的超重受主离子注入区域内离子注入受主杂质的示意图。图10为在重施主离子注入区域内离子注入施主杂质的示意图。图11为在超重施主离子注入区域内离子注入施主杂质的示意图。图12为在重受主离子注入区域内离子注入受主杂质的示意图。图13为经离子注入和退火后的示意图。图14为在单晶硅层上表面刻蚀形成脊形光波导的示意图。图15为本专利技术所述硅红外检光器实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅红外检光器的结构，包括硅层和位于硅层上表面的钝化层，在硅层上表面形成脊形光波导，在钝化层中设置检光器的阴极和阳极；其特征是：在所述硅层中脊形光波导的两翼设置第一掺杂区域和第二掺杂区域，在脊形光波导设置带有重补偿的超重掺杂区域。

【技术特征摘要】
1.一种硅红外检光器的结构，包括硅层和位于硅层上表面的钝化层，在硅层上表面形成脊形光波导，在钝化层中设置检光器的阴极和阳极；其特征是：在所述硅层中脊形光波导的两翼设置第一掺杂区域和第二掺杂区域，在脊形光波导设置带有重补偿的超重掺杂区域。2.如权利要求1所述的硅红外检光器的结构，其特征是：所述重补偿的超重掺杂区域具有一个重补偿的超重掺杂区域。3.如权利要求1所述的硅红外检光器的结构，其特征是：所述重补偿的超重掺杂区域具有两个重补偿的超重掺杂区域。4.如权利要求2所述的硅红外检光器的结构，其特征是：所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率为97%～103%时，第一掺杂区域、第二掺杂区域与带有重补偿的超重掺杂区域形成PIN结；所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率小于97%时，重补偿的超重掺杂区域和第一掺杂区域或第二掺杂区域形成PN结。5.如权利要求3所述的硅红外检光器的结构，其特征是：所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率为97%～103%时，第一掺杂区域、第二掺杂区域与两个带有重补偿的超重掺杂区域形成PIN结；所述重补偿的超重掺杂区域的补偿...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宝霞，薛海韵，
申请(专利权)人：华进半导体封装先导技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32