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

背景技術：

近紅外（900nm~1100nm）響應硅基雪崩光電探測器，具有靈敏度高、增益大、暗電流小、成本低等優(yōu)點，在激光測距、微光探測、精確制導、光學準直等領域都有廣泛應用。

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

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率和靈敏度，現(xiàn)有技術一般采用增加本征吸收層厚度的方式來改善器件的響應率和靈敏度，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)和響應時間也隨之增大，因此，現(xiàn)有技術無法使器件的性能得到全面提升，至于如何取舍，只能根據(jù)實際情況進行調整，這就極大的限制了近紅外響應硅基雪崩光電探測器的應用范圍。

技術實現(xiàn)要素：

針對背景技術中的問題，本發(fā)明提出了一種近紅外響應的硅基雪崩光電探測器，其結構為：所述近紅外響應的硅基雪崩光電探測器由襯底層、光敏區(qū)、雪崩區(qū)、保護環(huán)、截止環(huán)、增透膜、陽極接觸層、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)形成在襯底層內光敏區(qū)的下側；所述保護環(huán)形成在襯底層內光敏區(qū)的外圍，所述截止環(huán)形成在襯底層內保護環(huán)的外圍；所述增透膜設置在襯底層的上表面上；

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

所述陽極接觸層形成在襯底層下端面的表層中，陽極接觸層的形貌與所述微納結構匹配；

所述反射鏡層設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構匹配；所述反射鏡層的材料采用鋁、銀或金；

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

本發(fā)明的原理是：熟悉本領域知識的本領域技術人員不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的近紅外響應的硅基雪崩光電探測器（下簡稱探測器）的上部結構（即襯底層上部以及形成在襯底層中的光敏區(qū)、雪崩區(qū)、保護環(huán)、截止環(huán)、增透膜和陰極電極）與現(xiàn)有的探測器的上部結構完全相同，上部結構所發(fā)揮的功能也與現(xiàn)有技術完全相同，本發(fā)明與現(xiàn)有技術的不同之處在于，本發(fā)明探測器的襯底層下端面為微納結構，并且在微納結構的表面設置了反射鏡層（至于陽極接觸層，其也是現(xiàn)有結構中的功能層之一，只是現(xiàn)有結構中的陽極接觸層為平整的層狀結構,本發(fā)明中的陽極接觸層為與微納結構形貌相同的凹凸不平的結構），其中，微納結構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側面也可以形成大量的微小凸起，當光從探測器上部射入并到達反射鏡層處時，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被襯底層上部的結構繼續(xù)反射,這就使得進入探測器內的光能夠在探測器內部被多次反射，從而形成一種陷光結構，最終使得探測器內光的吸收路徑被大幅延長，大大提高探測器對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，大幅提高探測器對近紅外光的響應率，采用本發(fā)明方案制作出的探測器，可以在不影響探測器其他性能的條件下，提高探測器的響應率，這就避免了采用現(xiàn)有手段提高探測器響應率時，會導致探測器其他性能下降的問題；另外，由金屬材料制作出的反射鏡層還起到了陽極電極層的作用，不用再另外設置電極層。

前述的微納結構，從微觀上看，就是在襯底層下端面上大量分布的微小凸起，為了便于本領域技術人員實施本發(fā)明，前述方案中還公開了微納結構的形成手段，在形成微納結構時，先在SF₆和O₂氛圍下對襯底層的下端面進行等離子刻蝕，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襯底層的下端面進行腐蝕，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構，同時也將等離子刻蝕過程中形成的刻蝕損傷層去除了，實際操作中，前述的等離子刻蝕操作和混合溶液腐蝕操作對工藝條件并無太嚴苛的要求，等離子刻蝕時，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，當然還需要考慮等離子刻蝕對襯底層的減薄效果，防止將襯底層刻蝕得過于單??；混合溶液腐蝕時，需要考慮兩方面問題，一方面，腐蝕時間不宜過短，否則不能將刻蝕損傷層腐蝕掉，另一方，腐蝕時間不宜過長，腐蝕時間過長，會使微小凸起趨于平坦，對反射效果有一定的影響；總的來說，在本發(fā)明揭示了通過陷光結構提高器件響應率這一原理的條件下，至于形成微納結構的具體工藝條件，本領域技術人員可根據(jù)試驗效果合理確定。

優(yōu)選地，所述SF₆和O₂的比例為4~10：1，等離子刻蝕時的直流偏壓為30~100V，等離子刻蝕時，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)選實施方案，前文述及了，進入探測器內的光在探測器內的兩個部位會發(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，基于本領域的基本常識可知，硅和增透膜對近紅外光的折射率相差很大，當光從硅射向增透膜時，只要光的入射角滿足一定角度，就可以發(fā)生全反射，結合到本發(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，則可以進一步增強襯底層的吸收效果，為此目的，發(fā)明人進行了大量的試驗，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，采用前述工藝條件所制作出的微納結構，微納結構中的大部分微小凸起的傾斜角度（即微小凸起表面與探測器的橫向的夾角）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，進一步增強襯底層對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的硅基雪崩光電探測器的制作方法，所述近紅外響應的硅基雪崩光電探測器的結構如前所述，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工藝在襯底層上形成保護環(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）對襯底層下端面進行減薄處理，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氛圍下對襯底層下端面進行刻蝕；

10）將襯底層下端浸泡在所述混合溶液中，待微納結構成形后，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，近紅外響應的硅基雪崩光電探測器制作完成。

優(yōu)選地，前述方法中所述SF₆和O₂的比例為4~10：1，等離子刻蝕時的直流偏壓為30~100V，等離子刻蝕時，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間為10~30分鐘。

本發(fā)明的有益技術效果是：提供了一種近紅外響應的硅基雪崩光電探測器，該探測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率。

附圖說明

圖1、本發(fā)明的結構示意圖；

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

圖中各個標記所對應的名稱分別為：襯底層1、光敏區(qū)2、雪崩區(qū)3、保護環(huán)4、截止環(huán)5、增透膜6、陽極接觸層7、反射鏡層8、陰極電極9。

具體實施方式

一種近紅外響應的硅基雪崩光電探測器，其創(chuàng)新在于：所述近紅外響應的硅基雪崩光電探測器由襯底層1、光敏區(qū)2、雪崩區(qū)3、保護環(huán)4、截止環(huán)5、增透膜6、陽極接觸層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內光敏區(qū)2的下側；所述保護環(huán)4形成在襯底層1內光敏區(qū)2的外圍，所述截止環(huán)5形成在襯底層1內保護環(huán)4的外圍；所述增透膜6設置在襯底層1的上表面上；

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

所述陽極接觸層7形成在襯底層1下端面的表層中，陽極接觸層7的形貌與所述微納結構匹配；

所述反射鏡層8設置在襯底層1的下表面上，所述反射鏡層8的形貌與所述微納結構匹配；所述反射鏡層8的材料采用鋁、銀或金；

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

進一步地，所述SF₆和O₂的比例為4~10：1，等離子刻蝕時的直流偏壓為30~100V，等離子刻蝕時，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間為10~30分鐘。

一種近紅外響應的硅基雪崩光電探測器的制作方法，所述近紅外響應的硅基雪崩光電探測器由襯底層1、光敏區(qū)2、雪崩區(qū)3、保護環(huán)4、截止環(huán)5、增透膜6、陽極接觸層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內光敏區(qū)2的下側；所述保護環(huán)4形成在襯底層1內光敏區(qū)2的外圍，所述截止環(huán)5形成在襯底層1內保護環(huán)4的外圍；所述增透膜6設置在襯底層1的上表面上；

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

所述陽極接觸層7形成在襯底層1下端面的表層中，陽極接觸層7的形貌與所述微納結構匹配；

所述反射鏡層8設置在襯底層1的下表面上，所述反射鏡層8的形貌與所述微納結構匹配；

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

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工藝在襯底層1上形成保護環(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）對襯底層1下端面進行減薄處理，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氛圍下對襯底層1下端面進行刻蝕；

10）將襯底層1下端浸泡在所述混合溶液中，待微納結構成形后，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，近紅外響應的硅基雪崩光電探測器制作完成。

進一步地，所述SF₆和O₂的比例為4~10：1，等離子刻蝕時的直流偏壓為30~100V，等離子刻蝕時，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間為10~30分鐘。

當近紅外入射光進入探測器后，由于硅對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反射鏡層8時被反射鏡層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，再次進入襯底層1……，如此往復。