[发明专利]一种氦离子注入提升硅基探测器红外响应的方法

说明书

本发明公开了一种氦离子注入提升硅基探测器红外响应的方法，所述方法包括：将氦离子注入硅材料中产生缺陷态，当入射到硅基光电探测器上的光功率发生改变时，缺陷态吸收效应与表面态吸收效应同时作用会导致硅基光电探测器的光敏区域的导纳发生变化，实现硅基光电探测器对红外波段光功率的监测；所述硅基光电探测器为基于表面态吸收原理的垂直耦合透明光电探测器，包括：光敏探测器和信号读出电路。本发明利用氦离子注入在硅基光电探测器中引起缺陷态吸收，可以提升传统硅基光电探测器的红外响应，并且无需较大改动外围读出电路与封装方式。

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种氦离子注入提升硅基探测器红外响应的方法。

背景技术

光电探测器是光电子领域的基础器件，主要功能是将光信号转换成电信号，已经被广泛应用于通信互联、传感成像等领域。硅基光电探测器是光电探测器的一种，以硅为主要的制作材料。传统的硅基光电探测器基于光电效应，高于特定频率的光入射使电子跃迁到导带变为自由载流子，从而产生电流；探测器通过测量电流得到相应的光功率。硅的禁带宽度为1.1eV，对应于1.1μm光波长，因此传统硅基光电探测器对于红外波段响应较差，难以直接应用于通信波段(主要对应1.3μm及1.55μm光波长)。

离子注入是半导体领域一种重要的掺杂技术。离子注入是在较低温与真空环境下，利用电场加速杂质离子，使获得动能的杂质离子直接进入半导体材料，杂质离子在进入材料之后与半导体材料中的原子发生互相作用逐渐损失能量，最终停留在半导体材料内部。

每种半导体材料内部都存在源自杂质离子、双空穴或是表面反应引起的缺陷态。当光子入射时，缺陷态的存在会引起缺陷态吸收产生自由载流子，形成电流。缺陷态吸收属于亚带隙吸收的一种，可以使光电探测器对能量小于其禁带宽度的光子产生响应。传统的硅基光电探测器由于响应机理的限制，无法探测红外波段的光信号或是对红外波段响应较弱。

发明内容

本发明提供了一种氦离子注入提升硅基探测器红外响应的方法，本发明利用氦离子注入在硅基光电探测器中引起缺陷态吸收，可以提升传统硅基光电探测器的红外响应，并且无需较大改动外围读出电路与封装方式，详见下文描述：

一种氦离子注入提升硅基探测器红外响应的方法，所述方法包括：

将氦离子注入硅材料中产生缺陷态，当入射到硅基光电探测器上的光功率发生改变时，缺陷态吸收效应与表面态吸收效应同时作用会导致硅基光电探测器的光敏区域的导纳发生变化，实现硅基光电探测器对红外波段光功率的监测；

所述硅基光电探测器为基于表面态吸收原理的垂直耦合透明光电探测器，包括：光敏探测器和信号读出电路。

进一步地，所述光敏探测器由光敏面、氧化层、金电极、及衬底组成，待测光信号入射到光敏面上时，通过亚带隙吸收改变器件导纳。

在一种实施方式中，所述氦离子注入采用氦离子显微镜，使用30kV的加速电压采用扫描的方式注入，每次注入针对0.25×0.25nm²的格点，直至遍历整个目标注入区域。

在一种实施方式中，所述信号读出电路以器件导纳作为读出信号，

所述信号读出电路由跨阻放大器和锁相放大器组成，所述锁相放大器提供交流驱动电压，电流信号经所述跨阻放大器放大后输入至所述锁相放大器的接收端进行信号处理，测得器件的导纳变化；

通过校准过的光功率与导纳变化的关系曲线，计算出器件探测到的光功率。

进一步地，所述方法还包括：

氦离子注入硅基光电探测器后，经测试得到不同光功率下器件导纳与驱动电压源工作频率的关系，找到导纳变化最明显的频率作为工作点；

确定工作频率后，重新标定不同波长下光功率与导纳变化的关系。