專利名稱：硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米結(jié)構(gòu)光電探測器領(lǐng)域，尤其涉及一種硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器及其制作方法。
背景技術(shù)：
硅不僅是一種電子材料，還是一種光子材料。非常成熟的微電子加工工藝已經(jīng)為硅光子學(xué)提供了堅實的技術(shù)支持，大大加速了硅光子學(xué)的形成和發(fā)展。在過去的數(shù)十年中， 硅加工能力早已經(jīng)進(jìn)入小于光波波長的亞微米范圍，并正向納米尺度范圍發(fā)展。硅納米光子學(xué)正在并已經(jīng)成為當(dāng)今最為激動人心的嶄新的前沿領(lǐng)域。硅納米光子學(xué)在比波長還要短的納米范圍內(nèi)處理光與物質(zhì)的相互作用，創(chuàng)造了足以令人振奮的機(jī)會并使新技術(shù)的發(fā)展成為可能。硅納米線由于具有納米橫向尺寸和較大的比表面積，俘獲載流子的大量表面態(tài)相當(dāng)于柵壓功能，因此硅納米線電導(dǎo)對外界光電環(huán)境變化具有較高的敏感度，可用做探測器。 日本NTT實驗室平本俊朗教授研究組早在2002年就利用硅納米線晶體管對光生載流子通過頂柵和被柵進(jìn)行柵壓分離，實現(xiàn)了單電荷探測，并對光生載流子復(fù)合壽命進(jìn)行了一系列的研究(參見 A. Fujiwara et al.，Jpn. J. Appl. Phys. 41，1209-1213，2002)。美國哈佛大學(xué)化學(xué)系的Lieber研究組2006年報道了采用單晶摻雜生長方法制作的軸向pin結(jié)構(gòu)硅納米線雪崩探測器，在擊穿電壓附近獲得了很高的雪崩倍增因子，其中電子達(dá)到了 100，空穴達(dá)到了 20，遠(yuǎn)高于體材料硅雪崩探測器(參見C. Yang et al.，Nano Lett. 6,2929-2934, 2006)。2009年，他們又對軸向和橫向pin結(jié)構(gòu)硅納米線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光伏特性的研究，其中橫向結(jié)構(gòu)獲得了 0. 26V的開路電壓，短路電流密度達(dá)到了 24mA/cm2，與最好的硅納米晶薄膜太陽電池相當(dāng)，并且其輸出功率達(dá)到72pW/Sun，比軸向結(jié)構(gòu)高出15倍(參見Bozhi Tian et al.，Chem. Soc. Rev. 38，16-24,2009)。美國加州大學(xué) Islam 等人 2008 年報道了一種采用橫向誘導(dǎo)生長方法進(jìn)行大量硅、InP或ZnO納米線平行跨接制備光電探測器的方法，并獲得了 30GHz帶寬，具有新穎性，但器件納米結(jié)構(gòu)定位及可靠性控制方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)(參見 M. S. Islam et al. ,2nd IEEE Ihternational Nanoelectronics Conference,1009-1014, 2008)。美國加州大學(xué)Jacobs工程學(xué)院的A. Zhang等人2008年報道了利用Top-down工藝刻蝕方法制備的平面及垂直硅納米線光電探測器在低光強(qiáng)下光電導(dǎo)增益超過3. 5X 104(參見 Arthur Zhang et al.，Appl. Phys. Lett. 93，121110，2008)。他們于 2010 年又報道了利用納米壓印技術(shù)制作的垂直結(jié)構(gòu)硅納米線光電探測器，在低溫條件下在可見光波段獲得了 105A/W的響應(yīng)度，在紅外波段獲得了 102A/W的響應(yīng)度，遠(yuǎn)大于普通硅光電探測器低于1A/W 的響應(yīng)度(參見 Arthur Zhang et al.，Nano. lett. 10，2117-2120，2010)。2010 年加拿大 Waterloo大學(xué)的Adachi報道了一種橫向結(jié)構(gòu)MSM型硅納米線光電探測器，硅納米線陣列采用PECVD淀積在2 μ m間距電極中間，在-10V偏壓下的光響應(yīng)度為0. 136，硅納米線材料與電極接觸的質(zhì)量還有待提高(參見M. Adachi et al.，Medical Imaging 2010，Proc. of SPIE 7622，76224，2010)?？梢钥闯?，新型的硅納米線結(jié)構(gòu)探測器由于較大的比表面積，表現(xiàn)出較高的光電導(dǎo)增益，已經(jīng)成為目前國際上的研究熱點。研發(fā)硅納米線結(jié)構(gòu)探測器，將對于硅光電集成電路(OEIC)的發(fā)展具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于揭示一種具有平面PIN結(jié)構(gòu)的硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器及其制作方法，探測器的本征吸收區(qū)采用硅納米線光柵共振腔結(jié)構(gòu)以及部分覆蓋的周期性的納米金屬柵光柵結(jié)構(gòu)，具有高耦合效率、高量子效率和高響應(yīng)速度特點。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器，包括一硅襯底一氧化硅層，該氧化硅層制作在硅襯底上；一工形臺面結(jié)構(gòu)，該工形臺面結(jié)構(gòu)制作在氧化硅層上，該工形臺面結(jié)構(gòu)的兩端為P 型電極和N型電極，該P(yáng)型電極和N型電極之間連接有硅納米線光柵共振腔結(jié)構(gòu)；一保護(hù)層，該保護(hù)層制作在工形臺面結(jié)構(gòu)的表面和側(cè)面，在工形臺面結(jié)構(gòu)的兩端的P型電極和N型電極上開有電極窗口 ；一金屬柵電極，該金屬柵電極制作在硅納米線共振腔結(jié)構(gòu)的保護(hù)層上，并靠近N 型電極的一側(cè)；兩光電流輸出金屬電極，該光電流輸出金屬電極制作在工形臺面結(jié)構(gòu)的P型電極和N型電極上保護(hù)層的電極窗口內(nèi)。其中工形臺面結(jié)構(gòu)的材料為硅，該工形臺面結(jié)構(gòu)上的P型電極和N型電極的材料為Ni和Al。其中保護(hù)層的材料為氧化硅或氮化硅，厚度為10-20nm。其中的金屬柵電極的材料為金或銀，該金屬柵電極為周期性的納米金屬柵光柵結(jié)構(gòu)，激發(fā)的局域表面等離子體激元，能夠有效地把光集中到亞波長光柵探測區(qū)域，增強(qiáng)光的表面透射和吸收。本發(fā)明還提供一種硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器的制作方法，包括如下步驟a)取一包括硅襯底-氧化硅層-頂硅薄層的SOI基片；b)在SOI基片的頂硅薄層上刻蝕出工形臺面結(jié)構(gòu)；c)在工形臺面結(jié)構(gòu)上，采用電子束曝光套刻并刻蝕出工形臺面結(jié)構(gòu)兩端之間連接部分的硅納米線共振腔結(jié)構(gòu)；d)在工形臺面結(jié)構(gòu)的表面和側(cè)面，氣相沉積介質(zhì)層，形成保護(hù)層；e)在工形臺面結(jié)構(gòu)兩端的P型電極和N型電極的保護(hù)層上，光刻電極窗口，分別注入P型和N型離子，在電極窗口內(nèi)制作P型電極和N型電極；f)進(jìn)行退火，形成歐姆接觸；g)在工形臺面結(jié)構(gòu)兩端之間的硅納米線共振腔結(jié)構(gòu)上的保護(hù)層上蒸發(fā)金屬柵電極，該金屬柵電極靠近N型電極的一側(cè)；h)在P型電極和N型電極上蒸發(fā)光電流輸出金屬電極，完成制作。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器，其中保護(hù)層的材料為氧化硅或氮化硅，該保護(hù)層的厚度為10-20nm。
其中的金屬柵電極的材料為金或銀，該金屬柵電極為周期性的納米金屬柵光柵結(jié)構(gòu)，激發(fā)的局域表面等離子體激元，能夠有效地把光集中到亞波長光柵探測區(qū)域，增強(qiáng)光的表面透射和吸收。其中工形臺面結(jié)構(gòu)上制作的P型電極和N型電極的材料為Ni和Al。其中退火溫度為400-500°C。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、在硅納米線光吸收區(qū)采用光柵共振腔結(jié)構(gòu)，可使腔內(nèi)光場增強(qiáng)，增加吸收長度， 提高量子效率；2、硅納米線光柵通過對入射光的衍射可以實現(xiàn)很好的耦合，耦合效率的提高，可進(jìn)一步增強(qiáng)共振腔中的光場；3、金屬柵電極為周期性的納米金屬柵光柵結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生表面等離子體共振的光耦合增強(qiáng)效應(yīng)，有助于增強(qiáng)光場的吸收；4、金屬柵電極部分覆蓋硅納米線光柵共振腔，將光吸收區(qū)與載流子漂移區(qū)分開， 使載流子保持一定的漂移速度，可降低源漏偏執(zhí)電壓，有效提高量子效率與響應(yīng)速度。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述，其中圖1是一種硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器，包括一硅襯底 11;一氧化硅層12，該氧化硅層12制作在硅襯底11上；一工形臺面結(jié)構(gòu)13，該工形臺面結(jié)構(gòu)13制作在氧化硅層12上，該工形臺面結(jié)構(gòu) 13的兩端為P型電極131和N型電極132，該P(yáng)型電極131和N型電極132之間連接有硅納米線光柵共振腔結(jié)構(gòu)133，該工形臺面結(jié)構(gòu)13的材料為硅，該工形臺面結(jié)構(gòu)13上的P型電極131和N型電極132的材料為Ni和Al ；一保護(hù)層14，該保護(hù)層14制作在工形臺面結(jié)構(gòu)13的表面和側(cè)面，在工形臺面結(jié)構(gòu)13的兩端的P型電極131和N型電極132上開有電極窗口，該保護(hù)層14的材料為氧化硅或氮化硅，厚度為10-20nm ；一金屬柵電極15，該金屬柵電極15制作在硅納米線共振腔結(jié)構(gòu)133的保護(hù)層14 上，并靠近N型電極132的一側(cè)，所述的金屬柵電極15的材料為金或銀，該金屬柵電極15 為周期性的納米金屬柵光柵結(jié)構(gòu)，激發(fā)的局域表面等離子體激元，能夠有效地把光集中到亞波長光柵探測區(qū)域，增強(qiáng)光的表面透射和吸收；兩光電流輸出金屬電極16，該光電流輸出金屬電極16制作在工形臺面結(jié)構(gòu)13的 P型電極131和N型電極132上保護(hù)層14的電極窗口內(nèi)。請再參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器的制作方法，包括如下步驟
a)取一包括硅襯底11-氧化硅層12-頂硅薄層的SOI基片；b)在SOI基片的頂硅薄層上刻蝕出工形臺面結(jié)構(gòu)13 ；c)在工形臺面結(jié)構(gòu)13上，采用電子束曝光套刻并刻蝕出工形臺面結(jié)構(gòu)13兩端之間連接部分的硅納米線共振腔結(jié)構(gòu)133 ；d)在工形臺面結(jié)構(gòu)13的表面和側(cè)面，氣相沉積介質(zhì)層，形成保護(hù)層14，該保護(hù)層 14的材料為氧化硅或氮化硅，該保護(hù)層14的厚度為10-20nm ；e)在工形臺面結(jié)構(gòu)13兩端的P型電極131和N型電極132的保護(hù)層14上，光刻電極窗口，分別注入P型和N型離子，在電極窗口內(nèi)制作P型電極131和N型電極132，該工形臺面結(jié)構(gòu)13上制作的P型電極131和N型電極132的材料為Ni和Al ；f)進(jìn)行退火，所述的退火溫度為400-500°C，形成歐姆接觸；g)在工形臺面結(jié)構(gòu)13兩端之間的硅納米線共振腔結(jié)構(gòu)133上的保護(hù)層14上蒸發(fā)金屬柵電極15，該金屬柵電極15靠近N型電極132的一側(cè)，所述的金屬柵電極15的材料為金或銀，該金屬柵電極15為周期性的納米金屬柵光柵結(jié)構(gòu)，激發(fā)的局域表面等離子體激元，能夠有效地把光集中到亞波長光柵探測區(qū)域，增強(qiáng)光的表面透射和吸收；h)在P型電極131和N型電極132上蒸發(fā)光電流輸出金屬電極16，完成制作。實施例請參照圖1，本發(fā)明的一種硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器能夠完全與CMOS 工藝相兼容，適合于光電混合集成電路(OEIC)應(yīng)用。首先，選取硅襯底11 GOO μ m)-氧化硅層12 (300nm)-本征頂硅薄層QOOnm)結(jié)構(gòu)的SOI (或SIM0X)片；對200nm厚頂層硅900°C熱氧化得到30nm厚的熱氧化硅層；在樣品上覆蓋1 μ m厚的光刻膠AZ6130，前烘后光刻出工形臺面13的膠掩膜圖形，ICP刻蝕氧化硅后，再用ICP刻蝕頂硅薄層，硅薄層形成工形臺面13。其次，在樣品上覆蓋200nm厚光刻膠 PMMA950K, 180°C熱板烘干90秒；用電子束曝光套刻出工形臺面13中間連接部分的硅納米線光柵諧振腔結(jié)構(gòu)133掩膜層，其中硅納米線光柵占空比根據(jù)探測波長可調(diào)；先用ICP刻蝕氧化硅納米線硬掩膜后，再用ICP刻蝕頂硅薄層，形成硅納米線光柵共振腔結(jié)構(gòu)133。然后， BHF腐蝕掉氧化硅薄層，在工形臺面13表面和側(cè)面，氣相沉積二氧化硅介質(zhì)層，形成保護(hù)層 14;覆蓋光刻膠AZ6130，在工形臺面13兩端光刻出電極窗口圖形，并分別在P型電極131和 N型電極132的電極窗口內(nèi)注入P型和N型離子；BHF在電極窗口區(qū)腐蝕掉氧化硅；淀積金屬接觸電極Ni\Al ；500°C快速合金退火，形成歐姆接觸。之后，在樣品上覆蓋200nm厚光刻膠PMMA950K，180°C熱板烘干90秒；在靠近N型電極132 —側(cè)的硅納米線光柵諧振腔結(jié)構(gòu) 13的保護(hù)層上，利用電子束曝光套刻形成周期性光柵結(jié)構(gòu)金屬柵電極15膠掩膜圖形；蒸發(fā)金材料并剝離出金屬柵電極15。最后，在P型電極131和N型電極132上蒸發(fā)光電流輸出金屬鋁電極16，完成制作。硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器采用平面PIN型探測器結(jié)構(gòu)，通過在高摻雜的P型電極131和N型電極132之間插入一段硅納米線光柵共振腔結(jié)構(gòu)133本征區(qū)來增加耗盡區(qū)寬度，外加反偏電壓基本降落在本征區(qū)，耗盡層電場大大縮短了光生載流子的渡越時間，提高探測器的響應(yīng)速度。光以一定角度入射硅納米線光柵共振腔結(jié)構(gòu)133，在波長和腔體的模式相匹配的情況下，光順利進(jìn)入腔體，通過衍射可以提高耦合效率，增強(qiáng)共振腔中的光場和吸收長度，提高量子效率。具有光柵結(jié)構(gòu)金屬柵電極15可以激發(fā)局域表面等離子體激元(SPP)，即光場在金屬導(dǎo)體表面與載流子相互耦合形成局部場增強(qiáng)的振蕩波。共振等離子體能夠有效地把光集中到亞波長光柵探測區(qū)域，增強(qiáng)光的表面透射和吸收。硅吸收層上面的光柵結(jié)構(gòu)金屬柵電極15能把入射光耦合進(jìn)金屬/半導(dǎo)體界面的SPP模和半導(dǎo)體導(dǎo)模，然后光在半導(dǎo)體層被轉(zhuǎn)換為光載流子，增強(qiáng)了光耦合吸收，提高了量子效率。光柵結(jié)構(gòu)金屬柵電極15部分覆蓋硅納米線光柵共振腔結(jié)構(gòu)133，來調(diào)節(jié)本征區(qū)上的電場，降低源漏偏執(zhí)電壓，并將光吸收區(qū)與載流子漂移區(qū)分開，使載流子保持一定的漂移速度，提高量子效率與響應(yīng)速度。通過改變柵電壓調(diào)節(jié)本征區(qū)上的電場，在光生載流子的作用下使本征區(qū)出現(xiàn)雪崩擊穿，在較低的反向偏壓下獲得較高的光電響應(yīng)度。當(dāng)柵壓低于閾值電壓時，柵下無反型層，源漏電壓僅有一部分加在本征區(qū)上。本征區(qū)的電場強(qiáng)度低于擊穿條件下的臨界電場，不足以觸發(fā)載流子的雪崩擊穿，漏端僅有較低的Pin 二極管的反向泄漏電流，器件處于關(guān)態(tài)。隨著柵壓升高，高于閾值電壓時，柵下形成反型層，降低了溝道區(qū)的分壓，使得本征區(qū)電場觸發(fā)雪崩倍增效應(yīng)，器件獲得反偏擊穿的暗電流。在光照條件下，光生載流子被本征區(qū)電場加速，由于雪崩倍增反饋過程，碰撞電離的新載流子數(shù)量激增，對光生電流起到了增益放大作用。 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器，包括一硅襯底；一氧化硅層，該氧化硅層制作在硅襯底上；一工形臺面結(jié)構(gòu)，該工形臺面結(jié)構(gòu)制作在氧化硅層上，該工形臺面結(jié)構(gòu)的兩端為P型電極和N型電極，該P(yáng)型電極和N型電極之間連接有硅納米線光柵共振腔結(jié)構(gòu)；一保護(hù)層，該保護(hù)層制作在工形臺面結(jié)構(gòu)的表面和側(cè)面，在工形臺面結(jié)構(gòu)的兩端的P 型電極和N型電極上開有電極窗口；一金屬柵電極，該金屬柵電極制作在硅納米線共振腔結(jié)構(gòu)的保護(hù)層上，并靠近N型電極的一側(cè)；兩光電流輸出金屬電極，該光電流輸出金屬電極制作在工形臺面結(jié)構(gòu)的P型電極和N 型電極上保護(hù)層的電極窗口內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器，其中工形臺面結(jié)構(gòu)的材料為硅，該工形臺面結(jié)構(gòu)上的P型電極和N型電極的材料為Ni和Al。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器，其中保護(hù)層的材料為氧化硅或氮化娃，厚度為10-20nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器，其中的金屬柵電極的材料為金或銀，該金屬柵電極為周期性的納米金屬柵光柵結(jié)構(gòu)，激發(fā)的局域表面等離子體激元，能夠有效地把光集中到亞波長光柵探測區(qū)域，增強(qiáng)光的表面透射和吸收。
5.一種硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器的制作方法，包括如下步驟a)取一包括硅襯底-氧化硅層-頂硅薄層的SOI基片；b)在SOI基片的頂硅薄層上刻蝕出工形臺面結(jié)構(gòu)；c)在工形臺面結(jié)構(gòu)上，采用電子束曝光套刻并刻蝕出工形臺面結(jié)構(gòu)兩端之間連接部分的硅納米線共振腔結(jié)構(gòu)；d)在工形臺面結(jié)構(gòu)的表面和側(cè)面，氣相沉積介質(zhì)層，形成保護(hù)層；e)在工形臺面結(jié)構(gòu)兩端的P型電極和N型電極的保護(hù)層上，光刻電極窗口，分別注入P 型和N型離子，在電極窗口內(nèi)制作P型電極和N型電極；f)進(jìn)行退火，形成歐姆接觸；g)在工形臺面結(jié)構(gòu)兩端之間的硅納米線共振腔結(jié)構(gòu)上的保護(hù)層上蒸發(fā)金屬柵電極，該金屬柵電極靠近N型電極的一側(cè)；h)在P型電極和N型電極上蒸發(fā)光電流輸出金屬電極，完成制作。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器，其中保護(hù)層的材料為氧化硅或氮化硅，該保護(hù)層的厚度為10-20nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器，其中的金屬柵電極的材料為金或銀，該金屬柵電極為周期性的納米金屬柵光柵結(jié)構(gòu)，激發(fā)的局域表面等離子體激元，能夠有效地把光集中到亞波長光柵探測區(qū)域，增強(qiáng)光的表面透射和吸收。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器的制作方法，其中工形臺面結(jié)構(gòu)上制作的P型電極和N型電極的材料為Ni和Al。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器的制作方法，其中退火溫度為 400-500°C。
全文摘要
一種硅納米線光柵諧振增強(qiáng)型光電探測器，包括一硅襯底；一氧化硅層，該氧化硅層制作在硅襯底上；一工形臺面結(jié)構(gòu)，該工形臺面結(jié)構(gòu)制作在氧化硅層上，該工形臺面結(jié)構(gòu)的兩端為P型電極和N型電極，該P(yáng)型電極和N型電極之間連接有硅納米線光柵共振腔結(jié)構(gòu)；一保護(hù)層，該保護(hù)層制作在工形臺面結(jié)構(gòu)的表面和側(cè)面，在工形臺面結(jié)構(gòu)的兩端的P型電極和N型電極上開有電極窗口；一金屬柵電極，該金屬柵電極制作在硅納米線共振腔結(jié)構(gòu)的保護(hù)層上，并靠近N型電極的一側(cè)；兩光電流輸出金屬電極，該光電流輸出金屬電極制作在工形臺面結(jié)構(gòu)的P型電極和N型電極上保護(hù)層的電極窗口內(nèi)。
文檔編號H01L31/18GK102201483SQ201110124310
公開日2011年9月28日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者張嚴(yán)波, 李小明, 杜彥東, 楊富華, 陳燕坤, 韓偉華 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所