【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电探测器，涉及一种硅基雪崩光电二极管探测器，具体为一种近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法。
技术介绍
1、雪崩光电二极管是一种能够对微弱光、甚至单光子都具有较高响应的光电探测器。目前，硅基雪崩光电二极管凭借着噪声低、工艺成熟、制造成本低、与cmos电路兼容以及具有较高集成度等特点，已作为极弱光探测系统的核心器件被广泛应用于激光测距、激光成像、激光制导、量子通信和生物医疗等领域。近年来，随着激光制导与量子通信等领域的迅猛发展，近红外波段光电探测器的使用需求愈发强烈，这也对硅基雪崩光电二极管探测器在近红外波段的高灵敏度、高效率探测提出了迫切要求。硅材料的禁带宽度为1.12ev，故硅对1100nm以上波段的光吸收截止。受限于间接带隙的材料特点，硅在1100nm截止波长附近的光吸收效率非常低，这也使得传统硅基雪崩光电二极管在1000～1100nm波段的量子效率很低，难以满足高灵敏度探测的需求。
2、为了使硅基雪崩光电二极管在1000～1100nm波段下获得高量子效率，从而有效提升探测灵敏度，研究者们提出了多种提高光吸收效率的技术手段。常见的方法有：增大吸收层厚度、使用增透膜、或者增加谐振腔。然而，吸收层厚度的增加会造成较大的时间抖动，进而导致光子到达时间分辨变差以及探测器响应速度下降；增透膜具有波长选择性，常规的单/双层增透膜仅适用于单一波长的探测器，宽光谱减反需要设计、制备复杂的增透膜系，会大幅提高器件加工难度与制造成本；谐振腔虽然可使光子多次穿过吸收层，等效增加吸收层的厚度，但是这种改进办法是谐振型的
3、近年来，随着硅基半导体微纳加工技术的发展，出现了对紫外至近红外波段的宽光谱入射光均具有低反射率、高吸收率的微构造硅材料。微构造硅材料对紫外至近红外吸收增强的原因主要来源于以下三个方面：首先，物体表面的反射主要来自于材料与空气接触界面折射率的差异，得益于微纳结构的多孔性，由微纳结构所组成的界面的等效折射率要低于没有微纳结构的体材料，因此，在这种情况下，空气与材料接触界面的折射率差异得以减小，从而减小界面的光反射率；其次，光入射到微构造硅材料后，在界面发生多次反射与折射，增加了光的有效吸收路径，从而提高了对入射光的吸收率；此外，研究者认为，纳米孔阵列类似于介于空气与硅衬底之间的、包含硅与空气复合介质的高折射率平面波导，可以通过全反射实现导模谐振，当光线入射时，纳米孔阵列就如同光栅耦合器一样将光导入波导并激发导模谐振，使光的传播方向由纵向变为横向，而通常情况下光电器件的横向尺寸远大于纵向尺寸，故导模效应可以极大地增加入射光在器件吸收层中的有效光程，从而实现吸收增强。因此，借助微构造硅材料，可在使用薄吸收层的条件下有效提升硅基雪崩光电二极管对近红外波段入射光的探测灵敏度，实现高探测效率和高时间分辨的兼顾。
4、目前，微构造硅材料的制作方法主要有：反应离子束刻蚀、飞秒脉冲激光烧蚀、化学腐蚀等。在上述方法中，反应离子束刻蚀可以对所制备的微构造硅材料的结构及尺寸进行较为精确的调控，但该方法需要交替多次进行刻蚀钝化、以及升降温，操作复杂、加工效率低、且能耗较大；飞秒脉冲激光烧蚀法可以在制备微构造硅材料的同时，完成硅表面的过饱和硫元素掺杂，使硅的带隙变窄，从而进一步提高器件的近红外响应，但该方法所需的设备成本高且生产效率低，不适于规模化生产；化学腐蚀法具有操作简单、设备要求低、制备成本低等优点，但制备过程中需要cu、ag等金属离子催化，易导致深能级金属杂质污染，与现有硅基雪崩二极管制造工艺不兼容。
技术实现思路
1、(一)专利技术目的
2、本专利技术的目的是：针对技术背景中的问题，提出一种近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，可通过湿法电化学腐蚀的技术手段，在无需金属离子催化的条件下，制备出倒金字塔阵列形状的微构造硅材料，实现硅表面的微纳光电场调控，有效提升1000～1100nm近红外波段入射光的吸收效率，兼顾硅基雪崩光电二极管的高探测效率和高时间分辨。
3、(二)技术方案
4、为了解决上述技术问题，本专利技术近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法包括以下步骤：
5、第一步，选用p型高阻单晶硅衬底，在其正面形成氧化层，随后在氧化层表面涂覆光刻胶，光刻后腐蚀氧化层，正面注入硼离子，去除光刻胶与表面氧化层后，高温推结形成隔离环与活性区。
6、第二步，在上述硅衬底正面涂覆光刻胶，光刻定义注入窗口，腐蚀氧化层，注入磷离子，去除光刻胶与表面氧化层，高温推结后形成主结区。
7、第三步，在上述硅衬底正面淀积介质膜钝化层，随后涂覆光刻胶，光刻定义刻蚀窗口，刻蚀介质膜层，去除剩余光刻胶，正面淀积金属，重新涂覆光刻胶，光刻定义腐蚀窗口，进行金属腐蚀，去除光刻胶，完成正面钝化层与正面金属电极区制备。
8、第四步，对上述硅衬底进行背面减薄，随后正面涂覆光刻胶作为保护层，将硅衬底作为电化学工作站的工作电极，施加正向偏压，采用醇类催化剂/氢氟酸/去离子水的混合溶液作为电解液，在室温条件下，通过湿法电化学腐蚀在所述衬底背面形成具有倒金字塔阵列形状的微构造硅层，然后去除衬底表面的光刻胶。
9、第五步，在上述硅衬底背面涂覆光刻胶，光刻后注入硼离子，离子活化后形成接触层，去除光刻胶，随后背面淀积介质膜钝化层，涂覆光刻胶，光刻、刻蚀介质膜层，去除光刻胶后，背面淀积金属，随后重新涂覆光刻胶，光刻后进行金属腐蚀，再次去除光刻胶，完成背面钝化层与背面金属电极区制备，然后进行电极合金化。
10、第四步所述的正向偏压优选1～5v的恒定正向偏压。
11、第四步所述的电解液优选配比为5wt％～30wt％醇类催化剂/10wt％～35wt％氢氟酸/其余成分为去离子水的混合水溶液。
12、第四步所述的醇类催化剂优选甲醇、乙醇、或两者的混合溶液。
13、第四步所述的电化学腐蚀优选10～24h的腐蚀时间。
14、(三)有益效果
15、上述技术方案所提供的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，具有以下有益效果：
16、(1)采用了一种新型的湿法电化学腐蚀方法，可在无需借助金属催化的条件下，在硅衬底表面制备出紧密排布的倒金字塔阵列微构造硅层，具有不会引入金属杂质、操作简单、设备要求低、成本与工艺损伤低等优点，与硅基光电探测器传统制造工艺相兼容，具有较为广阔的应用前景。
17、(2)根据maxwell-garnett理论，倒金字塔、圆锥、漏斗等几何形貌的微纳结构具有渐变的占空比，因而其等效折射率也具有梯度渐变的特性，可有效降低由硅材料与空气接触界面处折射率的跳变所造成的入射光反射；其次，对于由本专利技术所述方法制备出的倒金字塔微结构，其宽度在500nm～2μm间随机分布(见图1与图2)，因此，这种折射率从空气到纳米材料的平缓过渡不再是针对特定波长的，而是在与倒金字塔微结构特征尺寸相关的较本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第四步中，所述的正向偏压为1～5V的恒定正向偏压。
3.如权利要求2所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第四步中，所述的电解液质量百分比配比为5wt％～30wt％醇类催化剂、10wt％～35wt％氢氟酸，其余成分为去离子水。
4.如权利要求3所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第四步中，醇类催化剂为甲醇、乙醇、或两者的混合溶液。
5.如权利要求4所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第四步中，电化学腐蚀的时间为10～24h。
6.如权利要求1所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第一步中，通过干氧氛围下的热氧化法，在电阻率大于10000Ω的P型单晶硅衬底上，制备厚度为500nm±50nm的氧化层，在氧化层表面涂覆光刻胶，通过光刻定义注入窗口，采用氢氟酸/氟化铵混合水溶液去除未被光刻胶覆盖的氧
7.如权利要求6所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第二步中，在晶圆正面重新涂覆光刻胶，通过光刻定义注入窗口，随后采用化学湿法腐蚀去除未被光刻胶覆盖的氧化层，再使用离子注入设备对晶圆正面注入剂量1×1015～1×1016cm-2，能量40～200keV的磷离子，经光刻胶与表面氧化层去除后，高温退火：温度1050～1150℃，时间3～9h。形成主结区。
8.如权利要求7所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第三步中，采用介质膜沉积工艺，在晶圆正面淀积100nm±10nm的SiNx层作为探测器的正面钝化层，随后在钝化层上涂覆光刻胶，通过光刻定义刻蚀窗口，使用电感耦合等离子体刻蚀去除未被光刻胶覆盖的SiNx层，随后采用光刻胶清洗液去除晶圆表面剩余的光刻胶，完成正面钝化层的制备，再通过金属膜沉积工艺在晶圆正面淀积1μm±0.5μm的Al膜，在晶圆正面重新涂覆光刻胶后，光刻定义腐蚀窗口，然后采用磷酸水溶液进行Al膜腐蚀，再去除光刻胶，完成正面电极的制备。
9.如权利要求8所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第四步中，对硅衬底进行背面减薄后，在晶圆正面涂覆光刻胶作为保护层，采用该晶圆作为电化学工作站的工作电极、铂电极作为对电极，采用10wt％醇类催化剂、20wt％氢氟酸、余量去离子水的混合溶液作为电解液，在室温条件下，对工作电极施加5V的正向偏压，经湿法电化学腐蚀15h后，在衬底背面制备出具有倒金字塔阵列形状的微构造硅层，随后采用光刻胶清洗液去除晶圆正面剩余的光刻胶。
10.如权利要求9所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第五步中，在晶圆背面涂覆光刻胶，通过光刻定义注入窗口，采用化学湿法腐蚀去除未被光刻胶覆盖的氧化层，再使用离子注入设备对晶圆背面注入剂量1×1015～1×1016cm-2，能量40～60keV的硼离子，经光刻胶与表面氧化层去除后，高温退火：温度900～1000℃，时间0.5～1h，形成接触层9；随后采用介质膜沉积工艺，在硅衬底背面淀积100nm±10nm的SiNx钝化层后，在该钝化层上涂覆光刻胶，经光刻定义刻蚀窗口后，采用电感耦合等离子体刻蚀去除未被光刻胶覆盖的SiNx层，去除衬底背面残留的光刻胶，完成背面钝化层的制备；然后采用金属膜沉积工艺在该衬底背面淀积1μm±0.5μm的Al膜，在Al膜上涂覆光刻胶，经光刻定义腐蚀窗口后，使用磷酸水溶液进行Al膜腐蚀，去除光刻胶，完成背面金属电极区的制备，并在420℃的温度下进行晶圆正、背面电极的合金化。
...【技术特征摘要】
1.一种近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第四步中，所述的正向偏压为1～5v的恒定正向偏压。
3.如权利要求2所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第四步中，所述的电解液质量百分比配比为5wt％～30wt％醇类催化剂、10wt％～35wt％氢氟酸，其余成分为去离子水。
4.如权利要求3所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第四步中，醇类催化剂为甲醇、乙醇、或两者的混合溶液。
5.如权利要求4所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第四步中，电化学腐蚀的时间为10～24h。
6.如权利要求1所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第一步中，通过干氧氛围下的热氧化法，在电阻率大于10000ω的p型单晶硅衬底上，制备厚度为500nm±50nm的氧化层，在氧化层表面涂覆光刻胶，通过光刻定义注入窗口，采用氢氟酸/氟化铵混合水溶液去除未被光刻胶覆盖的氧化层，随后使用离子注入设备对上述硅晶圆正面注入剂量1×1013～1×1014cm-2、能量40～200kev硼离子，并采用光刻胶清洗液、以及氢氟酸/氟化铵混合水溶液分别去除晶圆表面的光刻胶与表面氧化层，再通过干氧氛围下的高温推结：温度1050～1150℃，时间15～30h，形成隔离环与活性区。
7.如权利要求6所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其特征在于，第二步中，在晶圆正面重新涂覆光刻胶，通过光刻定义注入窗口，随后采用化学湿法腐蚀去除未被光刻胶覆盖的氧化层，再使用离子注入设备对晶圆正面注入剂量1×1015～1×1016cm-2，能量40～200kev的磷离子，经光刻胶与表面氧化层去除后，高温退火：温度1050～1150℃，时间3～9h。形成主结区。
8.如权利要求7所述的近红外增强型硅基雪崩光电二极管制备方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：王江，王鸥，刘永，罗国凌，郑博仁，杨瑞雨，谭杨，郝昕，代千，柯尊贵，邓世杰，邓杰，姚梦麒，陈生琼，李喆，
申请(专利权)人：西南技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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