一种室温下高光电响应硅探测器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，该方法是在ｎ型Ｓｉ衬底迎光面制备具有杂质深能级的重掺杂ｎ型Ｓｉ层，在该重掺杂ｎ型Ｓｉ层上制备透明导电膜，再在该透明导电膜上制备欧姆接触ｎ电极作为第一电极；在ｎ型Ｓｉ衬底背面或迎光面制备肖特基电极作为第二电极，或者在ｎ型Ｓｉ衬底背面或迎光面形成ｐ型Ｓｉ区域，再在该ｐ型Ｓｉ区域上制备欧姆接触ｐ电极作为第二电极。利用本发明专利技术，可以大大提高硅探测器的光电响应，即提高灵敏度，并使探测范围向红外光区域拓展。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及Si光电子材料
，尤其涉及一种室温下高光电响应硅探测器 的制备方法。
技术介绍
从器件结构来看，硅光电探测器主要有ρ型-本征-η型(pin)和雪崩两种器件结 构。pin结构的器件简单，光电响应在1A/W，由于偏置电压低而可与集成电路连接；雪崩 器件的结构较为复杂，尽管其光电响应在100A/W左右，但由于必须采用100 200V高压， 因此只能用于分立器件。从探测机理来分光电探测器的类型可分为光电导和光伏两种类型。光电导型探 测器是材料中价带电子被探测光子激发到导带、成为自由电子，而自由电子的聚集增加了 材料电导率，并进一步增加了一定偏压下的电流，从而探测到光信号；光伏型探测器则是通 过Pn结将光生电子_空穴对分开，并在外加偏压下形成光电流，从而探测到光信号。这两 种类型都涉及到Si禁带1. 12eV,能量低于1. 12eV (波长大于1. 1 μ m)的光子则无法探测。 想要用Si探测能量低于1. 12eV的红外光，必须采用Si在低温下的光电导特性，这给实际 使用带来了极大的困难。1959年Fan和RamdaS报道经离子辐照的硅能在禁带中的形成深能级，这种深 能级能对波长达4000nm的红外光产生光吸收和光电流，经快中子幅照的硅在1800nm和 3900nm有两个明显的吸收峰，其中1800nm吸收峰可以延伸至1550nm产生光吸收。从此以 后，开展了大量的离子注入实验研究，经典半导体物理的教科书中都附有Si中杂质深能级衣 。2001年Marzur在超快激光与Si表面作用的研究中首次制备出了表面微米级晶锥 结构，这种结构可以广谱减反太阳光，并且它的硫掺杂层可以宽谱吸收太阳光。用其制备 的Si探测器，其室温下红外光电响应拓展到1300nm。本专利技术将激光辐照改为离子注入，从而具有了三大特点1)小偏置电压下获得类 似雪崩的超大光电响应，2)在室温下将探测信号向红外拓展，3)表面整洁，适合微电子工 艺加工。参考文献Fan H Y, Ramdas A K, Infrared Absorption and Photoconductivity inlrradiated Silicon.Journal of Applied Physics,30 1127-1134(1959).刘恩科、朱秉升、罗晋升，《半导体物理学》(第6版)，电子工业出版社，2003. 8C. ffu, et.al. ,"Near-unity below-band-gap absorption by micro-structured silicon，，，Applied Physics Letters, 78 (13) 1850-52 (2001).
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种室温下高光电响应硅探测器的制备方 法，以提高硅探测器的光电响应，即提高灵敏度，并使探测范围向红外光区域拓展。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的，该方法是在η型Si衬底迎光面制备 具有杂质深能级的重掺杂η型Si层，在该重掺杂η型Si层上制备透明导电膜，再在该透明 导电膜上制备欧姆接触η电极作为第一电极；在η型Si衬底背面或迎光面制备肖特基电极 作为第二电极，或者在η型Si衬底背面或迎光面形成ρ型Si区域，再在该ρ型Si区域上 制备欧姆接触P电极作为第二电极。上述方案中，所述第一电极和第二电极分别在Si衬底的迎光面和背面，该方法具 体包括采用离子注入、或激光掺杂或热扩散的方法，在η型Si衬底迎光面掺入VI族元 素，形成具有杂质深能级的重掺杂η型Si层；采用高温退火处理，激活Si基片中杂质；在重掺杂η型Si层表面制备透明导电膜；在透明导电膜上制备欧姆接触η电极作为第一电极；在η型Si衬底背面制备肖特基电极作为第二电极，或通过ρ型掺杂在η型Si衬 底背面形成P型Si区域，再在该P型Si区域上制备欧姆接触P电极作为第二电极。上述方案中，所述第一电极和第二电极同在Si衬底的迎光面，该方法具体包括采用离子注入、或激光掺杂或热扩散的方法，在η型Si衬底迎光面掺入VI族元 素，形成具有杂质深能级的重掺杂η型Si层；采用高温退火处理，激活Si基片中杂质；采用离子刻蚀或湿法腐蚀的方法，将器件探测面以外的重掺杂η型区域去除；在重掺杂η型Si层表面制备透明导电膜；在透明导电膜上制备欧姆接触η电极作为第一电极；在η型Si衬底迎光面η型Si区域制备肖特基电极作为第二电极，或通过P型掺 杂在η型Si衬底迎光面形成ρ型Si区域，再在该ρ型Si区域上制备欧姆接触ρ电极作为第二电极。上述方案中，所述离子刻蚀，采用诱导耦合等离子刻蚀ICP设备对掩模下Si表层 进行刻蚀。上述方案中，所述湿法腐蚀，是采用KOH+异丙醇+去离子水的混合溶液对Si表面 进行腐蚀。上述方案中，所述离子注入，是通过离子注入设备质谱仪将离化元素分离出来，再 经过纵向高压加速、横向偏压扫描，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均勻分布、在纵 向上的非平衡态掺杂。上述方案中，所述激光掺杂，是杂质气氛中通过激光扫描Si表面，实现单一杂质 元素在Si表层横向上的均勻分布、在纵向上的非平衡态掺杂。上述方案中，所述热扩散，是通过高温均勻加热炉体中的Si片，同时杂质气氛勻 速进入，从而使杂质元素掺入Si片表层，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均勻分布、在纵向上的平衡态掺杂。上述方案中，所述VI族元素是指硫S、或硒Se、或碲Te。上述方案中，所述高温退火处理，是在300至1000摄氏度对掺杂后的Si表面加热 1至60分钟，激活Si中VI族元素，增强掺杂后Si的导电特性，并通过时间和温度控制杂质 扩散的距离。上述方案中，所述在重掺杂η型Si层表面制备透明导电膜，是通过高真空设备沉 积铟锡氧化物ITO薄膜，通过厚度50至200nm来控制可见光和近红外波段的透过率。上述方案中，所述在透明导电膜上制备欧姆接触η电极作为第一电极，是在铟锡 氧化物ITO薄膜上，采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法，制备金属电极铝Al、铬Cr、金Au、 钨W、钛Ti、钯Pd或银Ag。上述方案中，所述制备肖特基电极作为第二电极，是在η型Si区域采用电阻热蒸 发或电子束蒸发的方法，制备金属电极铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd或银Ag。上述方案中，所述ρ型掺杂，是采用离子注入或热扩散的方法，在η型Si衬底背面 或迎光面掺杂硼B元素，并经高温退火激活，形成ρ型Si区域。上述方案中，所述欧姆接触ρ电极作为第二电极，是在P型Si区域，采用电阻热蒸 发或电子束蒸发的方法制备金属电极铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd或银Ag。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果1、利用本专利技术，可以在小偏置电压下获得类似雪崩的超大光电响应，从而大大提 高Si光电探测器的灵敏度和应用范围；2、利用本专利技术，可以在室温下将Si光电探测器的探测波长向红外拓展；3、利用本专利技术，可以避免飞秒激光加工中的晶锥形成，保持Si表面整洁，适合光 电子器件工艺的加工，从而为阵列制备和芯片加工打下基础。附图说明图1是本专利技术提供的制备室温下高光响应硅探测器的方法流程图。图2是本专利技术制备的第一电极在Si衬底迎光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，该方法是在ｎ型Ｓｉ衬底迎光面制备具有杂质深能级的重掺杂ｎ型Ｓｉ层，在该重掺杂ｎ型Ｓｉ层上制备透明导电膜，再在该透明导电膜上制备欧姆接触ｎ电极作为第一电极；在ｎ型Ｓｉ衬底背面或迎光面制备肖特基电极作为第二电极，或者在ｎ型Ｓｉ衬底背面或迎光面形成ｐ型Ｓｉ区域，再在该ｐ型Ｓｉ区域上制备欧姆接触ｐ电极作为第二电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩培德，
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：11[中国|北京]