本發(fā)明涉及一種雪崩光電探測(cè)器，尤其涉及一種近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器及其制作方法。

背景技術(shù)：

近紅外（900nm~1100nm）響應(yīng)硅基雪崩光電探測(cè)器，具有靈敏度高、增益大、暗電流小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在激光測(cè)距、微光探測(cè)、精確制導(dǎo)、光學(xué)準(zhǔn)直等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

響應(yīng)率、雪崩擊穿的電壓溫度系數(shù)和響應(yīng)時(shí)間三者是衡量近紅外響應(yīng)硅基雪崩光電探測(cè)器性能的重要參數(shù)，高性能的近紅外響應(yīng)硅基雪崩光電探測(cè)器需要同時(shí)具備高的響應(yīng)率、低的雪崩擊穿電壓溫度系數(shù)和小的響應(yīng)時(shí)間；

基于現(xiàn)有理論可知，影響前述參數(shù)的最主要因素是器件的本征吸收層（也叫π層，即本發(fā)明中所指的襯底層）厚度；為了提高器件在近紅外波段的響應(yīng)率和靈敏度，現(xiàn)有技術(shù)一般采用增加本征吸收層厚度的方式來(lái)改善器件的響應(yīng)率和靈敏度，但增加本征吸收層厚度是一把雙刃劍，隨著本征吸收層厚度的增加，器件雪崩擊穿的電壓溫度系數(shù)和響應(yīng)時(shí)間也隨之增大，因此，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法使器件的性能得到全面提升，至于如何取舍，只能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，這就極大的限制了近紅外響應(yīng)硅基雪崩光電探測(cè)器的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)背景技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)為：所述近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器由襯底層、光敏區(qū)、雪崩區(qū)、保護(hù)環(huán)、截止環(huán)、增透膜、陽(yáng)極接觸層、反射鏡層和陰極電極組成；

所述光敏區(qū)形成在襯底層上端面的表層中；所述雪崩區(qū)形成在襯底層內(nèi)光敏區(qū)的下側(cè)；所述保護(hù)環(huán)形成在襯底層內(nèi)光敏區(qū)的外圍，所述截止環(huán)形成在襯底層內(nèi)保護(hù)環(huán)的外圍；所述增透膜設(shè)置在襯底層的上表面上；

所述襯底層的下端面為微納結(jié)構(gòu)，所述微納結(jié)構(gòu)由如下方式形成：先在SF₆和O₂氛圍下對(duì)襯底層的下端面進(jìn)行等離子刻蝕，然后用氫氟酸、硝酸和醋酸的混合溶液對(duì)襯底層的下端面進(jìn)行腐蝕，從而獲得微納結(jié)構(gòu)；

所述陽(yáng)極接觸層形成在襯底層下端面的表層中，陽(yáng)極接觸層的形貌與所述微納結(jié)構(gòu)匹配；

所述反射鏡層設(shè)置在襯底層的下表面上，所述反射鏡層的形貌與所述微納結(jié)構(gòu)匹配；所述反射鏡層的材料采用鋁、銀或金；

所述增透膜上設(shè)置有電極孔，電極孔的位置與保護(hù)環(huán)匹配，陰極電極設(shè)置在電極孔內(nèi)。

本發(fā)明的原理是：熟悉本領(lǐng)域知識(shí)的本領(lǐng)域技術(shù)人員不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器（下簡(jiǎn)稱探測(cè)器）的上部結(jié)構(gòu)（即襯底層上部以及形成在襯底層中的光敏區(qū)、雪崩區(qū)、保護(hù)環(huán)、截止環(huán)、增透膜和陰極電極）與現(xiàn)有的探測(cè)器的上部結(jié)構(gòu)完全相同，上部結(jié)構(gòu)所發(fā)揮的功能也與現(xiàn)有技術(shù)完全相同，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的不同之處在于，本發(fā)明探測(cè)器的襯底層下端面為微納結(jié)構(gòu)，并且在微納結(jié)構(gòu)的表面設(shè)置了反射鏡層（至于陽(yáng)極接觸層，其也是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的功能層之一，只是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的陽(yáng)極接觸層為平整的層狀結(jié)構(gòu),本發(fā)明中的陽(yáng)極接觸層為與微納結(jié)構(gòu)形貌相同的凹凸不平的結(jié)構(gòu)），其中，微納結(jié)構(gòu)主要是為了能夠在襯底層下端面上形成大量的微小凸起，從而使反射鏡層的內(nèi)側(cè)面也可以形成大量的微小凸起，當(dāng)光從探測(cè)器上部射入并到達(dá)反射鏡層處時(shí)，反射鏡層就能將大量的光又反射回襯底層中，反射回襯底層中的光又會(huì)被襯底層上部的結(jié)構(gòu)繼續(xù)反射,這就使得進(jìn)入探測(cè)器內(nèi)的光能夠在探測(cè)器內(nèi)部被多次反射，從而形成一種陷光結(jié)構(gòu)，最終使得探測(cè)器內(nèi)光的吸收路徑被大幅延長(zhǎng)，大大提高探測(cè)器對(duì)近紅外光的吸收效果，這就可以在襯底層厚度較小的條件下，大幅提高探測(cè)器對(duì)近紅外光的響應(yīng)率，采用本發(fā)明方案制作出的探測(cè)器，可以在不影響探測(cè)器其他性能的條件下，提高探測(cè)器的響應(yīng)率，這就避免了采用現(xiàn)有手段提高探測(cè)器響應(yīng)率時(shí)，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器其他性能下降的問(wèn)題；另外，由金屬材料制作出的反射鏡層還起到了陽(yáng)極電極層的作用，不用再另外設(shè)置電極層。

前述的微納結(jié)構(gòu)，從微觀上看，就是在襯底層下端面上大量分布的微小凸起，為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施本發(fā)明，前述方案中還公開(kāi)了微納結(jié)構(gòu)的形成手段，在形成微納結(jié)構(gòu)時(shí)，先在SF₆和O₂氛圍下對(duì)襯底層的下端面進(jìn)行等離子刻蝕，其目的是為了在襯底層下端面上產(chǎn)生大量的表面微損傷和微掩膜，然后再用混合溶液對(duì)襯底層的下端面進(jìn)行腐蝕，在前述的表面微損傷和微掩膜的輔助下，混合溶液就能在襯底層下端面上腐蝕出所述的微納結(jié)構(gòu)，同時(shí)也將等離子刻蝕過(guò)程中形成的刻蝕損傷層去除了，實(shí)際操作中，前述的等離子刻蝕操作和混合溶液腐蝕操作對(duì)工藝條件并無(wú)太嚴(yán)苛的要求，等離子刻蝕時(shí)，只要使表面微損傷和微掩膜均勻密集地分布在襯底層下端面上即可，當(dāng)然還需要考慮等離子刻蝕對(duì)襯底層的減薄效果，防止將襯底層刻蝕得過(guò)于單??；混合溶液腐蝕時(shí)，需要考慮兩方面問(wèn)題，一方面，腐蝕時(shí)間不宜過(guò)短，否則不能將刻蝕損傷層腐蝕掉，另一方，腐蝕時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，腐蝕時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使微小凸起趨于平坦，對(duì)反射效果有一定的影響；總的來(lái)說(shuō)，在本發(fā)明揭示了通過(guò)陷光結(jié)構(gòu)提高器件響應(yīng)率這一原理的條件下，至于形成微納結(jié)構(gòu)的具體工藝條件，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)試驗(yàn)效果合理確定。

優(yōu)選地，所述SF₆和O₂的比例為4~10：1，等離子刻蝕時(shí)的直流偏壓為30~100V，等離子刻蝕時(shí)，襯底層被減去的厚度為100~300nm；所述混合溶液中，氫氟酸、硝酸和醋酸按1~3:10:8~12的比例混合，襯底層下端面在混合溶液中的浸泡時(shí)間為10~30分鐘。前述的工藝參數(shù)，是本發(fā)明提出的一種優(yōu)選實(shí)施方案，前文述及了，進(jìn)入探測(cè)器內(nèi)的光在探測(cè)器內(nèi)的兩個(gè)部位會(huì)發(fā)生反射，其一即在襯底層下端面上的反射鏡層位置處，其二即在襯底層上端襯底層與增透膜的交界處，基于本領(lǐng)域的基本常識(shí)可知，硅和增透膜對(duì)近紅外光的折射率相差很大，當(dāng)光從硅射向增透膜時(shí)，只要光的入射角滿足一定角度，就可以發(fā)生全反射，結(jié)合到本發(fā)明，如果能夠使反射鏡層的反射光在襯底層和增透膜的交界處盡量發(fā)生全反射，則可以進(jìn)一步增強(qiáng)襯底層的吸收效果，為此目的，發(fā)明人進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用前述工藝條件所制作出的微納結(jié)構(gòu)，微納結(jié)構(gòu)中的大部分微小凸起的傾斜角度（即微小凸起表面與探測(cè)器的橫向的夾角）可以大于17度，這就使得經(jīng)反射鏡層第一次反射后的反射光中的大部分可以在入射角大于34度的條件下射到襯底層和增透膜的交界處，從而形成全反射，使大部分光又反射回襯底層內(nèi)，進(jìn)一步增強(qiáng)襯底層對(duì)近紅外光的吸收效果。

基于前述方案，本發(fā)明還提出了一種近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器的制作方法，所述近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如前所述，具體的制作方法步驟為：

1）提供襯底層；

2）采用離子注入工藝在襯底層上形成截止環(huán)；

3）采用離子注入工藝和高溫推結(jié)工藝在襯底層上形成保護(hù)環(huán)；

4）采用離子注入工藝在襯底層上形成雪崩區(qū)；

5）采用離子注入工藝在襯底層上形成光敏區(qū)；

6）在襯底層上淀積增透膜；

7）在增透膜上刻蝕出電極孔，然后制作出陰極電極；

8）對(duì)襯底層下端面進(jìn)行減薄處理，減薄后，襯底層厚度為130μm～300μm；

9）采用等離子刻蝕工藝，在SF₆和O₂氛圍下對(duì)襯底層下端面進(jìn)行刻蝕；

10）將襯底層下端浸泡在所述混合溶液中，待微納結(jié)構(gòu)成形后，將襯底層取出并清洗干凈；

11）采用離子注入工藝在襯底層上形成陽(yáng)極接觸層；

12）在襯底層上淀積反射鏡層，所述反射鏡層的材料采用鋁、銀或金，近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器制作完成。

優(yōu)選地，前述方法中所述SF₆和O₂的比例為4~10：1，等離子刻蝕時(shí)的直流偏壓為30~100V，等離子刻蝕時(shí)，襯底層被減去的厚度為100~300nm；所述混合溶液中，氫氟酸、硝酸和醋酸按1~3:10:8~12的比例混合，襯底層下端面在混合溶液中的浸泡時(shí)間為10~30分鐘。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：提供了一種近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器，該探測(cè)器能夠在不增加襯底層厚度和降低其他性能的條件下，獲得較高的近紅外響應(yīng)率。

附圖說(shuō)明

圖1、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2、本發(fā)明的陷光結(jié)構(gòu)作用原理示意圖（圖中hv代表射入的近紅外光）；

圖中各個(gè)標(biāo)記所對(duì)應(yīng)的名稱分別為：襯底層1、光敏區(qū)2、雪崩區(qū)3、保護(hù)環(huán)4、截止環(huán)5、增透膜6、陽(yáng)極接觸層7、反射鏡層8、陰極電極9。

具體實(shí)施方式

一種近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器，其創(chuàng)新在于：所述近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器由襯底層1、光敏區(qū)2、雪崩區(qū)3、保護(hù)環(huán)4、截止環(huán)5、增透膜6、陽(yáng)極接觸層7、反射鏡層8和陰極電極9組成；

所述光敏區(qū)2形成在襯底層1上端面的表層中；所述雪崩區(qū)3形成在襯底層1內(nèi)光敏區(qū)2的下側(cè)；所述保護(hù)環(huán)4形成在襯底層1內(nèi)光敏區(qū)2的外圍，所述截止環(huán)5形成在襯底層1內(nèi)保護(hù)環(huán)4的外圍；所述增透膜6設(shè)置在襯底層1的上表面上；

所述襯底層1的下端面為微納結(jié)構(gòu)，所述微納結(jié)構(gòu)由如下方式形成：先在SF₆和O₂氛圍下對(duì)襯底層1的下端面進(jìn)行等離子刻蝕，然后用氫氟酸、硝酸和醋酸的混合溶液對(duì)襯底層1的下端面進(jìn)行腐蝕，從而獲得微納結(jié)構(gòu)；

所述陽(yáng)極接觸層7形成在襯底層1下端面的表層中，陽(yáng)極接觸層7的形貌與所述微納結(jié)構(gòu)匹配；

所述反射鏡層8設(shè)置在襯底層1的下表面上，所述反射鏡層8的形貌與所述微納結(jié)構(gòu)匹配；所述反射鏡層8的材料采用鋁、銀或金；

所述增透膜6上設(shè)置有電極孔，電極孔的位置與保護(hù)環(huán)4匹配，陰極電極9設(shè)置在電極孔內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述SF₆和O₂的比例為4~10：1，等離子刻蝕時(shí)的直流偏壓為30~100V，等離子刻蝕時(shí)，襯底層1被減去的厚度為100~300nm；所述混合溶液中，氫氟酸、硝酸和醋酸按1~3:10:8~12的比例混合，襯底層1下端面在所述混合溶液中的浸泡時(shí)間為10~30分鐘。

一種近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器的制作方法，所述近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器由襯底層1、光敏區(qū)2、雪崩區(qū)3、保護(hù)環(huán)4、截止環(huán)5、增透膜6、陽(yáng)極接觸層7、反射鏡層8和陰極電極9組成；

所述光敏區(qū)2形成在襯底層1上端面的表層中；所述雪崩區(qū)3形成在襯底層1內(nèi)光敏區(qū)2的下側(cè)；所述保護(hù)環(huán)4形成在襯底層1內(nèi)光敏區(qū)2的外圍，所述截止環(huán)5形成在襯底層1內(nèi)保護(hù)環(huán)4的外圍；所述增透膜6設(shè)置在襯底層1的上表面上；

所述襯底層1的下端面為微納結(jié)構(gòu)，所述微納結(jié)構(gòu)由如下方式形成：先在SF₆和O₂氛圍下對(duì)襯底層1的下端面進(jìn)行等離子刻蝕，然后用氫氟酸、硝酸和醋酸的混合溶液對(duì)襯底層1的下端面進(jìn)行腐蝕，從而獲得微納結(jié)構(gòu)；

所述陽(yáng)極接觸層7形成在襯底層1下端面的表層中，陽(yáng)極接觸層7的形貌與所述微納結(jié)構(gòu)匹配；

所述反射鏡層8設(shè)置在襯底層1的下表面上，所述反射鏡層8的形貌與所述微納結(jié)構(gòu)匹配；

所述增透膜6上設(shè)置有電極孔，電極孔的位置與保護(hù)環(huán)4匹配，陰極電極9設(shè)置在電極孔內(nèi)；

其特征在于：所述制作方法包括：

1）提供襯底層1；

2）采用離子注入工藝在襯底層1上形成截止環(huán)5；

3）采用離子注入工藝和高溫推結(jié)工藝在襯底層1上形成保護(hù)環(huán)4；

4）采用離子注入工藝在襯底層1上形成雪崩區(qū)3；

5）采用離子注入工藝在襯底層1上形成光敏區(qū)2；

6）在襯底層1上淀積增透膜6；

7）在增透膜6上刻蝕出電極孔，然后制作出陰極電極9；

8）對(duì)襯底層1下端面進(jìn)行減薄處理，減薄后，襯底層1厚度為130μm～300μm；

9）采用等離子刻蝕工藝，在SF₆和O₂氛圍下對(duì)襯底層1下端面進(jìn)行刻蝕；

10）將襯底層1下端浸泡在所述混合溶液中，待微納結(jié)構(gòu)成形后，將襯底層1取出并清洗干凈；

11）采用離子注入工藝在襯底層1上形成陽(yáng)極接觸層7；

12）在襯底層1上淀積反射鏡層8，所述反射鏡層8的材料采用鋁、銀或金，近紅外響應(yīng)的硅基雪崩光電探測(cè)器制作完成。

進(jìn)一步地，所述SF₆和O₂的比例為4~10：1，等離子刻蝕時(shí)的直流偏壓為30~100V，等離子刻蝕時(shí)，襯底層1被減去的厚度為100~300nm；所述混合溶液中，氫氟酸、硝酸和醋酸按1~3:10:8~12的比例混合，襯底層1下端面在混合溶液中的浸泡時(shí)間為10~30分鐘。

當(dāng)近紅外入射光進(jìn)入探測(cè)器后，由于硅對(duì)近紅外光的吸收系數(shù)較小，近紅外入射光中僅有小部分光被襯底層1吸收，未被吸收的近紅外光到達(dá)反射鏡層8時(shí)被反射鏡層8反射，被反射到襯底層1的近紅外光又被襯底層1再次吸收，未被襯底層1再次吸收的近紅外光又在襯底層1和增透膜6的交界處發(fā)生反射，再次進(jìn)入襯底層1……，如此往復(fù)。