一种低偏置电压下具有增益的硅光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低偏置电压下具有增益的硅光电探测器，包括：Si衬底；在该Si衬底第一表面依序形成的硫系元素过饱和替位掺杂的n+型Si层和第一电极，该硫系元素过饱和替位掺杂的n+型Si层与Si衬底构成第一半导体结；以及在该Si衬底第二表面依序形成的第二半导体结和第二电极。本发明专利技术同时公开了一种制备低偏置电压下具有增益的硅光电探测器的方法。利用本发明专利技术，由于将激光掺杂改变为离子注入加激光辐照，在重掺杂区域内使杂质尽可能多地形成了过饱和替位掺杂，进而可以保持Si表面整洁，适合器件芯片的微电子工艺加工，所制备出的硅光电探测器可以在低偏置电压下具有光电增益的特性，从而提高硅光电探测器的灵敏度和应用范围。

【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。
技术介绍
从器件结构来看，硅光电探测器主要有ρ-本征-n (pin)和雪崩两种类型器件结构 [1]。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；雪崩器件的结构为ρη π n型，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。从探测机理来看，光电探测器的类型又可分为光电导和光伏两种类型Μ。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。而雪崩效应则是光生电子-空穴在高压强场中分离时与晶格发生碰撞而形成电离倍增。1959年Fan和Ramdas[2]报道经离子辐照的硅能在禁带中形成深能级，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中杂质深能级表 ]。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[4]，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[3]。用其制备的Si探测器，其室温下红外光电响应拓展到1300nm。本专利技术则将激光掺杂改变为离子注入加激光辐照，从而具备了两大特点1)表面整洁，适合微电子工艺加工；幻低偏置电压下获得增益的光电响应。参考文献[1]Didier Decoster, Joseph Harari， Optoelectronic Sensors,2009, ISTELtd and John Wiley & Sons. Inc.[2]Fan H Y, Ramdas A K, Infrared Absorption and Photoconductivity inlrradiated Silicon. J. App 1. Phys 30:1127-1134(1959).[3]刘恩科、朱秉升、罗晋生等，《半导体物理学》(第6版)，第二章半导体中杂质和缺陷能级，电子工业出版社，2003年3月。[4]C. 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，以在重掺杂区域内使杂质尽可能多地形成过饱和替位掺杂，并在低偏置电压下获得增益的光电响应。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种低偏置电压下具有增益的硅光电探测器，包括Si 衬底；在该Si衬底第一表面依序形成的硫系元素过饱和替位掺杂的η.型Si层和第一电极，该硫系元素过饱和替位掺杂的η+型Si层与Si衬底构成了第一半导体结；以及在该Si衬底第二表面依序形成的第二半导体结和第二电极。上述方案中，所述硫系元素为硫SjB %或碲Te元素，所述过饱和替位掺杂为浓度高于杂质固溶度且占据晶格位置的掺杂，所述硫系元素在该η+型Si层中的固溶度为IO16/3cm ο上述方案中，当所述Si衬底为η型Si衬底时，在该η型Si衬底第一表面形成的第一半导体结为ηη+同型结，形成的第一电极为η型欧姆接触电极；当所述在该η型Si衬底第二表面形成的第二半导体结为肖特基结或Pn结，当该半导体结为肖特基结时所述第二电极为肖特基电极，参见图1(a)当该半导体结为ρη结时所述第二电极为ρ型欧姆接触电极，参见图2(a)。上述方案中，当所述Si衬底为ρ型Si衬底时，在该ρ型Si衬底第一表面形成的第一半导体结为Pn+异型结，形成的第一电极为η型欧姆接触电极；所述在该ρ型Si衬底第二表面形成的第二半导体结为PP+同型结，形成的第二电极为P型欧姆接触电极，参见图 3 (a) ο上述方案中，当所述第一表面为信号接收面时，所述第一电极(即该η型欧姆接触电极)仅覆盖于该第一表面的部分区域，在第一电极未覆盖区域或存在Si02、SiN介质钝化膜、或存在铟锡氧化物透明导电薄膜，该介质钝化膜或透明导电薄膜的厚度为20至300纳米；而所述第二电极(即该肖特基电极或该P型欧姆接触电极)覆盖于该第二表面的部分或全部区域，在该第二电极未覆盖区域存在Si02、SiN介质钝化膜，参见图1 (a)、2 (a)、3 (a)。上述方案中，当所述第二表面为信号接收面时，所述第二电极(即该肖特基电极或该P型欧姆接触电极)仅覆盖于该第二表面的部分区域，未覆盖区域或存在铝Al或钨W 透明导电薄膜、或存在Si02、SiN介质钝化膜，该透明导电薄膜或该介质钝化膜的厚度为20 至300纳米；而所述第一电极(即该η型欧姆接触电极)覆盖于该第一表面的部分或全部区域，在所述第一电极未覆盖区域存在SiO2、SiN介质钝化膜，参见图1 (b) ,2(b) ,3(b) 0上述方案中，当该第一表面和该第二表面同在该Si衬底的一侧时，二者仅有高度上的区别，而该第一电极和该第二电极之间以SiO2或SiN介质钝化膜作为隔离层，该介质钝化膜的厚度为20至300纳米，参见图4(a)和图4(b)。上述方案中，所述η型欧姆接触电极、肖特基电极和ρ型欧姆接触电极是由铝Al、 铬Cr、金Au、钨W、镍Ni、钛Ti、钯Pd或银Ag等金属中的一种或多种合金而成。为达到上述目的，本专利技术还提供了一种制备低偏置电压下具有增益的硅光电探测器的方法，该方法采用超快脉冲激光辐照的硫系元素过饱和替位掺杂，具体包括采用离子注入设备在Si表层实现硫、硒或碲元素的均勻注入；5采用超快脉冲激光对注入离子进行辐照，实现杂质的过饱和替位掺杂；采用热退火设备，在300°C至1000°C中对注入硅中杂质进行退火处理，以修复激光损伤区域；采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法，在Si衬底第一表面(即硫系元素重掺区域)制备η型欧姆接触电极；在Si衬底第二表面制备肖特基电极或ρ型欧姆接触电极。上述方案中，所述超快脉冲激光为脉冲宽度在飞秒、皮秒和纳秒数量级的大功率激光，其单脉冲功率密度在lOmJ/cm2至lOOOmJ/cm2之间，其波长在1064纳米至266纳米之间。上述方案中，所述超快激光辐照的硫系元素过饱和替位掺杂，是指采用下列三种方式之一而形成，且表面平整或略有起伏硫系元素离子注入进硅片表层，用超快激光对其进行辐照；或者用超快激光辐照涂有硫系粉末的硅片，使硫系元素掺入其表层；或者用超快激光辐照具有硫系薄层的硅片，使硫系元素掺入其表层。上述方案中，所述在300°C至1000°C高温中对注入硅中杂质进行退火处理，是在 300°C至1000°C对掺杂后的硅表面加热10秒至90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η型欧姆接触电极、肖特基电极和ρ型欧姆接触电极，是采用电阻热蒸本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种低偏置电压下具有增益的硅光电探测器，其特征在于，包括：Ｓｉ衬底；在该Ｓｉ衬底第一表面依序形成的硫系元素过饱和替位掺杂的ｎ＋型Ｓｉ层和第一电极，该硫系元素过饱和替位掺杂的ｎ＋型Ｓｉ层与Ｓｉ衬底构成第一半导体结；以及在该Ｓｉ衬底第二表面依序形成的第二半导体结和第二电极。

【技术特征摘要】
2010.05.26 CN 201010191164.91.一种低偏置电压下具有增益的硅光电探测器，其特征在于，包括Si衬底；在该Si衬底第一表面依序形成的硫系元素过饱和替位掺杂的n+型Si层和第一电极， 该硫系元素过饱和替位掺杂的n+型Si层与Si衬底构成第一半导体结；以及在该Si衬底第二表面依序形成的第二半导体结和第二电极。2.根据权利要求1所述的低偏置电压下具有增益的硅光电探测器，其特征在于，所述硫系元素为硫S、硒％或碲Te元素，所述过饱和替位掺杂为浓度高于杂质固溶度且占据晶格位置的掺杂，所述硫系元素在该n+型Si层中的固溶度为1016/cm3。3.根据权利要求1所述的低偏置电压下具有增益的硅光电探测器，其特征在于，当所述Si衬底为η型Si衬底时，在该η型Si衬底第一表面形成的第一半导体结为rm+同型结， 形成的第一电极为η型欧姆接触电极；所述在该η型Si衬底第二表面形成的第二半导体结为肖特基结或ρη结，当该半导体结为肖特基结时所述第二电极为肖特基电极，当该半导体结为ρη结时所述第二电极为ρ型欧姆接触电极。4.根据权利要求1所述的低偏置电压下具有增益的硅光电探测器，其特征在于，当所述Si衬底为ρ型Si衬底时，在该ρ型Si衬底第一表面形成的第一半导体结为ρη+异型结， 形成的第一电极为η型欧姆接触电极；所述在该ρ型Si衬底第二表面形成的第二半导体结为PP+同型结，形成的第二电极为P型欧姆接触电极。5.根据权利要求3所述的低偏置电压下具有增益的硅光电探测器，其特征在于，当所述第一表面为信号接收面时，所述第一电极仅覆盖于该第一表面的部分区域，在该第一电极未覆盖区域或存在Si02、SiN介质钝化膜、或存在铟锡氧化物透明导电薄膜，该介质钝化膜或透明导电薄膜的厚度为20至300纳米；而所述第二电极覆盖于该第二表面的部分或全部区域，在该第二电极未覆盖区域存在Si02、SiN介质钝化膜。6.根据权利要求3所述的低偏置电压下具有增益的硅光电探测器，其特征在于，当所述第二表面为信号接收面时，所述第二电极仅覆盖于该第二表面的部分区域，未覆盖区域或存在铝Al或钨W透明导电薄膜、或存在Si02、SiN介质钝化膜，该透明导电薄膜或该介质钝化膜的厚度为20至300纳米；而所述第一电极覆盖于该第一表面的部分或全部区域，在所述第一电极未覆盖区域存在Si02、SiN介质钝化膜。7.根据权利要求1所述的低偏置电压下具有增益的硅光电探测器，其特征在于，当该第一表面和该第二表面同在该Si衬底的一侧时，二者仅有高度上的区别，而该第一电极和该第二电极之间以SW2或SiN介质钝化膜作为隔离层，该介质钝化膜的厚度为20至300纳米。8.根据权利要求3所述的低偏置电压下具有增益的硅光电探测器，其特征在于，所述 η型欧姆接触电极、肖特基电极和ρ型欧姆接触电极是由铝Al、铬Cr、金Au、钨W、镍Ni、钛 Ti、钯Pd或银Ag金属中的一种或多种金属合金而成。9.一种制备低偏置电压下具有增益的硅光电探测器的方法，其特征在于，该方法采用超快脉冲激光辐照的硫系元素过饱和替位掺杂，具体包括采用离子注入设备在...

【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