本发明专利技术公开了一种以黑硅为光敏层的Si-APD光电探测器及其制备方法，属于光电探测技术领域。所述光电探测器包括硅本征衬底1、位于硅本征衬底1上表面中央的N+区2、位于N+区下方的P型区3、位于硅本征衬底上表面四周的环形N型区4、位于N+区上表面的N+区黑硅层5、位于硅本征衬底下表面的P+区6、位于N+区黑硅层和环形N型区上表面的上电极7以及位于P+区下表面的下电极8。本发明专利技术以黑硅材料为光敏层，同时在N+区和P型区四周增加了环形N型区，使得本发明专利技术能够吸收近红外波段光波，具有更高的光吸收率和更宽的响应波段，制备工艺较为简单，成本低，具有易于集成、响应速度快、响应度高和响应波段宽的特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电探测
，涉及光电探测器件结构，尤其是一种以黑硅材料为光敏层的S1-APD光电探测器及其制备方法。
技术介绍
光电探测器作为光纤通讯系统、红外成像系统、激光告警系统和激光测距系统等的重要组成部分，在民用和军用方面均得到了广泛的应用。Aro是一种具有内增益能力的光探测器，具有很高的灵敏度，被广泛地应用在超高速光通信、信号处理、测量和传感系统中。APD是现代高比特速率光通信系统广泛使用的光电探测器，以其体积小、测量波段范围宽以及在近红外波段有较高灵敏度等一系列的优点，已大量用于弱光场测量、光子计数等相关领域中。由于Aro光电探测器具有较高的内增益和探测灵敏度比PIN型光二极管高的特点，因此是目前1.06 μπι激光测距机中最常用的优良器件。目前，以InGaAs制作的APD已作为高灵敏度、高响应度的光电探测器在光纤传感等领域广泛使用，并占据了主导地位。但是，InGaAs单晶半导体材料存在价格昂贵、热机械性能较差、晶体质量较差且不易与现有硅微电子工艺兼容等缺点。Si材料具有易于提纯、易掺杂、资源丰富、成本低、易于大规模集成和相关技术成熟等优点，是半导体行业中应用最为广泛的一类材料。然而，由于其禁带宽度较大(1.12eV)，即使在Si光电探测器光敏面区沉积了增透膜以提高探测器的响应度，仍然无法达到探测大于IlOOnm的光波信号并以电信号输出的目的。 黑娃材料是一种娃表面微结构化的材料层，该材料对可见光及近红外光的吸收率可达到90%以上，且光谱吸收范围覆盖了近紫外 近红外波段(0.25μπι 2.5μπι)。目前制备这种黑硅材料的方法有很多，包括飞秒激光法、反应离子刻蚀法、普通化学刻蚀和电化学腐蚀法等。随着这种黑硅材料的发现，使得研制具有高响应度和宽光谱响应的新型S1-APD光电探测器成为可能。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是=InGaAs晶体材料存在价格昂贵、热机械性能较差、晶体质量较差且不易与现有硅微电子工艺兼容的缺点；Si半导体材料由于禁带宽度较大，传统S1-APD光电探测器存在响应度较低、光谱探测范围有限的不足。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案: 一种以黑娃为光敏层的S1-APD光电探测器,其特征在于,包括娃本征衬底1、位于娃本征衬底I上表面中央的N+区2、位于N+区2下方的P型区3、位于硅本征衬底I上表面四周的环形N型区4、位于N+区2上表面的N+区黑硅层5、位于硅本征衬底I下表面的P+区6、位于N+区黑硅层5和环形N型区4上表面的上电极7以及位于P+区6下表面的下电极8。在本专利技术中，所述N+区2为磷重扩散掺杂N型区，结深为0.1 μπι 0.5 μ m，掺杂浓度 ≥1 X 102Clion/cm3。在本专利技术中，所述P型区3为硼扩散掺杂P型区，结深为0.5μπι 3.0μπι，掺杂浓度范围为 4Χ IO15 ion/cm3 2X1017 ion /cm3。在本专利技术中，所述环形N型区4为磷扩散掺杂N型区，结深为1.5μπι 3.5 μ m，掺杂浓度范围为 4X IO15 ion/cm3 2X IO17 ion /cm3。 在本专利技术中，所述N+区黑硅层5为N+区2表面经化学腐蚀扩面后进行Se或Te离子注入掺杂得到；其中Se或Te离子注入剂量范围为IXlO14 ion/cm2 IXlO16 ion/cm2。在本专利技术中，所述P+区6为硼重扩散掺杂P型区，结深为0.5μπι 2.0μπι，掺杂浓度 ≥1 X 102Clion/cm3。在本专利技术中，所述上电极7和下电极8为金属薄膜电极，金属材料为铝(Al)、金(Au)或金铬合金(Au/Cr)。制备前文所述的以黑硅材料为光敏层的S1-Aro光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: ①在本征硅衬底I上表面氧化 生长SiO2膜层，所用本征硅衬底为(111)晶向的高阻单晶硅衬底，电阻率为1000 Ω.cm 2000 Ω.cm ;Si02膜层厚度为300nm 400nm，生长温度为 IOOO0C ； ②在SiO2膜层表面四周光刻出环形N型区4的图形，然后进行磷扩散掺杂形成环形N型区4 ;磷扩散掺杂形成环形N型区4时温度为100(TC 1100°C，磷扩散掺杂浓度范围为4 X IO15 ion/cm3 2X IO17 ion / cm3,结深为 1.5ym 3.5 μ m ； ③在SiO2膜层表面光刻出P型区3的图形，然后进行硼扩散掺杂形成P型区3;硼扩散掺杂形成P型区3时温度为1000°C，P型区3的结深为0.5μπι 3.0 μ m，掺杂浓度范围为4 X IO15 ion/cm3 2 X IO17 ion /cm3; ④在SiO2膜层表面光刻出N+区2的图形，然后进行磷重扩散掺杂形成N+区2;磷重扩散掺杂形成N+区2时温度为1000°C，N+区2的结深为0.1ym 0.5 μ m，掺杂浓度^lX 102Clion/cm3 ； ⑤对经步骤④处理的磷重掺杂N+区2经化学腐蚀扩面后进行Se或Te离子注入掺杂，从而形成N+区黑硅层5; ⑥对本征硅衬底I下表面进行硼重扩散掺杂形成P+区6;硼重扩散掺杂形成P+区6时温度为1000°C 1100°C，硼重扩散掺杂浓度彡IXlO20 ion/cm3，结深为0.5μπι 2.0 μ m ； ⑦电极制备。作为本专利技术更进一步的说明，所述步骤⑤对N+区2进行化学腐蚀扩面处理时，所用腐蚀液是通过去离子水、无水乙醇、氢氟酸、氯金酸和浓度为30%的双氧水按体积比混合而成；其中，无水乙醇用量体积占腐蚀液总体积百分比范围为9% 15%;氢氟酸体积占腐蚀液总体积百分比范围为9% 15%;氯金酸体积占腐蚀液总体积百分比范围为4% 7%；浓度为30%的过氧化氢体积占腐蚀液总体积百分比范围为50% 60% ;其余为去离子水。作为本专利技术更进一步的说明，所述步骤⑤对经步骤④处理的磷重掺杂N+区2表面的N+区进行离子注入掺杂时,掺杂元素为硒(Se)或締(Te),离子注入剂量范围为IXlO14ion/cm2 I X IO16 ion/cm2。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果: 一、器件工作时，被探测物质所激发出的光辐射或各种反射激光被S1-Aro光电探测器的光敏面即N+区黑硅层所吸收，产生的光生载流子(空穴电子对)在Aro光二极管内部高电场作用下高速运动，在运动过程中通过碰撞电离效应，产生数量为首次空穴电子对几十倍的二次、三次新空穴电子对，从而形成很大的光信号电流。二、在现有的S1-Aro光电探测器中采用了黑硅材料作为光敏层，由于黑硅材料经化学腐蚀扩面处理，具有极高的比表面积，因此光吸收率有明显的提高，吸收率可达到90%以上；同时，黑硅材料经磷重扩散掺杂形成N+区导电类型，作为Aro光电探测器的吸收光抗反射功能区；最后，Se或Te离子注入掺杂有助于光敏层吸收近红外波段光波，从而有效拓宽光电探测器的响应波段。三、本专利技术与传统的S1-Aro光电探测器相比，在器件的N+区和P型区四周增加了环形N型区，由于环形N型区的存在，能够减少横向暗电流的产生，有助于迅速吸收光照时产生的光生电子，从而大大提高器件的响应速度。四、本专利技术是将新型黑硅材料与传统S1-Aro光电探测器相结合本文档来自技高网...
【技术保护点】
以黑硅为光敏层的Si?APD光电探测器，其特征在于，包括硅本征衬底（1）、位于硅本征衬底（1）上表面中央的N+区（2）、位于N+区（2）下方的P型区（3）、位于硅本征衬底（1）上表面四周的环形N型区（4）、位于N+区（2）上表面的N+区黑硅层（5）、位于硅本征衬底（1）下表面的P+区（6）、位于N+区黑硅层（5）和环形N型区（4）上表面的上电极（7）以及位于P+区（6）下表面的下电极（8）。
【技术特征摘要】
1.以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器，其特征在于，包括硅本征衬底(I)、位于硅本征衬底(I)上表面中央的N+区(2)、位于N+区(2)下方的P型区(3)、位于硅本征衬底(I)上表面四周的环形N型区(4)、位于N+区(2)上表面的N+区黑硅层(5)、位于硅本征衬底(I)下表面的P+区(6)、位于N+区黑硅层(5)和环形N型区(4)上表面的上电极(7)以及位于P+区(6)下表面的下电极(8 )。2.根据权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-AH)光电探测器，其特征在于，所述N+区(2)为磷重扩散掺杂N型区，结深为0.1 μπι 0.5 μ m，掺杂浓度彡I X 102°ion/cm3。3.根据权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器，其特征在于，所述P型区(3)为硼扩散掺杂P型区，结深为0.5μπι 3.0 μ m，掺杂浓度范围为4Χ IO15 ion/cm32X IO17 ion /cm3。4.根据权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器，其特征在于，所述环形N型区(4)为磷扩散掺杂N型区，结深为1.5μπι 3.5 μ m，掺杂浓度范围为4Χ IO15 ion/cm3 2 X IO17 ion /cm3。5.根据权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器，其特征在于，所述N+区黑硅层(5)为N+区(2)表面经化学腐蚀扩面后进行Se或Te离子注入掺杂得到；其中Se或Te离子注入剂量范围为IXlO1 4 ion/cm2 IXlO16 ion/cm2。6.根据权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-AH)光电探测器，其特征在于，所述P+区(6)为硼重扩散掺杂P型区，结深为0.5μηι 2.0 μ m,掺杂浓度彡I X 102°ion/cm3。7.根据权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-Aro光电探测器，其特征在于，所述上电极(7)和下电极(8)为金属薄膜电极,金属材料为招Al、金Au或金铬合金Au/Cr。8.制备如权利要求1所述的以黑硅为光敏层的S1-APD光电探测器的方法，其特征在于，包括以下步骤: ①在本征硅衬底(I)上表面氧化生长SiO2膜层，所用本征硅衬底为(111)晶向的高阻单晶硅衬底，电阻率为1000 Ω -cm 2000 Ω.cm ;Si02膜层厚...
【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，王垠，郭安然，余峰，王涛，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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