[发明专利]以黑硅为光敏层的Si-APD光电探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，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Si-APD光电探测器及其制备方法。

背景技术

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。APD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APD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1.06μm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1100nm的光波信号并以电信号输出的目的。

黑硅材料是一种硅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（0.25μm ~ 2.5μm）。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Si-APD光电探测器成为可能。

发明内容

针对上述现有技术，本发明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Si-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，本发明采用如下技术方案：

一种以黑硅为光敏层的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。

在本发明中，所述N⁺区2为磷重扩散掺杂N型区，结深为0.1μm ~ 0.5μm，掺杂浓度≥1×10²⁰ion/cm³。

在本发明中，所述P型区3为硼扩散掺杂P型区，结深为0.5μm ~ 3.0μm，掺杂浓度范围为4×10¹⁵ ion/cm³ ~ 2×10¹⁷ ion /cm³。

在本发明中，所述环形N型区4为磷扩散掺杂N型区，结深为1.5μm ~ 3.5μm，掺杂浓度范围为4×10¹⁵ ion/cm³ ~ 2×10¹⁷ ion /cm³。

在本发明中，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1×10¹⁴ ion/cm² ~ 1×10¹⁶ ion/cm²。

在本发明中，所述P⁺区6为硼重扩散掺杂P型区，结深为0.5μm ~ 2.0μm，掺杂浓度≥1×10²⁰ion/cm³。

在本发明中，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Si-APD光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：