CN113066889B - 基于硅基PIN探测器的n-p-i-n光电三极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于硅基PIN探测器的n‑p‑i‑n光电三极管及其制备方法，该n‑p‑i‑n光电三极管包括衬底；本征I层，形成于衬底上；P+层，形成于本征I层上；N+层，形成于P+层上，作为n‑p‑i‑n光电三极管的发射极；钝化减反膜，形成于N+层上，用于保护n‑p‑i‑n光电三极管的正面和对接收的红外脉冲激光信号起到增透的效果；正面电极，形成于N+层上，通过环形刻蚀钝化减反膜得到；以及背面电极，形成于衬底的背面。本发明的n‑p‑i‑n光电三极管，在硅基PIN探测器的基础上，通过在PIN探测器的P+层上进行一次高浓度的离子注入形成N+层，作为n‑p‑i‑n光电三极管的发射极，实现了将PIN探测器转化为n‑p‑i‑n型光电三极管的新型器件结构。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件设计及制造技术领域，涉及硅基NPN光电三极管器件技术领域，具体涉及一种基于硅基PIN探测器的n-p-i-n光电三极管及其制备方法。
背景技术
光电三极管属于光电传感器，也叫做光敏三极管或者光电晶体管，作为光电转换的器件，被广泛应用在光信号的检测、光信号的接收与放大、光信号的传输和隔离等方面，成为很多光电系统中不可缺少的器件。因为硅材料成本便宜，而且半导体硅工艺比较成熟，所以光电三极管大多数是硅材料制成的NPN型光电三极管，硅基光电三极管适合于红外激光信号的探测，其内部结构与普通三极管类似，有三个区域，分别为发射极、集电极和基极以及两个PN结构成的发射结和集电结。在结构上和NPN三极管的区别是，光电三极管的基极大多数不需要电极，在实际应用中只有发射极和集电极需要电极引出，因此和光电二极管一样可以作为两端器件使用。
相比于光电二极管，光电三极管的优势在于可以将探测到的光电流信号在器件内部进行放大，输出信号为放大之后的光电流信号，放大倍数为三极管的放大倍数，即在同等的光照条件下，光电三极管的光电流信号远大于光电二极管的光电流信号，灵敏度远高于光电二极管。一方面光电三极管可以用来探测远距离信号，因为光电三极管输出端为放大之后的光电流信号，因此相对于光电二极管，可以提高输出端信号的信噪比，增强探测系统的抗干扰能力和稳定性，另一方面可以做光电开关使用，工作状态在饱和区和截止区之间转换。虽然光电三极管有很多的优势，但是国内关于光电三极管的研制并不多，国内使用的大多数光电三极管也都需要进口。
本发明提出的光电三极管应用在红外激光引信系统中，探测的信号为红外脉冲激光信号，相比于现有的硅基PIN探测器，本发明提出的基于PIN探测器的n-p-i-n光电三极管更具有实用价值，主要的创新点或者改进体现在三个方面。一是提出了一种新的器件结构，即在PIN探测器器件的基础上通过增加一层N+层，将光电二极管转化为了光电三极管；二是在系统应用时，n-p-i-n光电三极管相比于PIN探测器探测的光电流信号更大，这样可以探测更远距离的信号，提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的稳定性；三是通过将PIN探测器的信号进行放大，为后期的放大电路的设计可以带来更多的灵活性。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于硅基PIN探测器的光电三极管及其制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于硅基PIN探测器的n-p-i-n光电三极管，包括：
衬底，作为n-p-i-n光电三极管的集电极；
本征I层，形成于衬底上，作为n-p-i-n光电三极管集电结的耗尽区；
P+层，形成于本征I层上，作为n-p-i-n光电三极管的基极；
N+层，形成于P+层上，作为n-p-i-n光电三极管的发射极；
钝化减反膜，形成于N+层上，用于保护n-p-i-n光电三极管的正面和对接收的红外脉冲激光信号起到增透的效果；
正面电极，形成于N+层上，通过环形刻蚀钝化减反膜得到；以及
背面电极，形成于衬底的背面。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种基于硅基PIN探测器的n-p-i-n光电三极管的制备方法，包括：
在衬底上制备本征I层；
在本征I层上制备P+层；
在P+层上制备N+层；
在N+层上制备钝化减反膜；
在钝化减反膜上制备正面电极；
在衬底背面制备背面电极，完成所述基于硅基PIN探测器的光电三极管的制备。
基于上述技术方案可知，本发明的基于硅基PIN探测器的n-p-i-n光电三极管及其制备方法相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分：
1、本发明提出了一种基于硅基PIN探测器的n-p-i-n光电三极管，在硅基PIN探测器的基础上，通过在PIN探测器的P+层上进行一次高浓度的离子注入形成N+层，作为n-p-i-n光电三极管的发射极，实现了将PIN探测器转化为n-p-i-n型光电三极管的新型器件结构；
2、n-p-i-n光电三极管相比于PIN探测器，其可以将PIN探测器探测到的光电流信号在器件内部进行放大，输出端为放大之后的光电流信号；
3、相比于普通的硅基NPN光电三极管，本发明提出的n-p-i-n光电三极管具有的本征I层可以提高对激光信号的响应；
4、n-p-i-n光电三极管应用在红外激光引信系统中，适合于远距离探测目标，其中探测的红外激光信号波长为860nm、脉冲宽度为100ns、工作频率为10kHz。
附图说明
图1是本发明实施例中的n-p-i-n光电三极管的结构示意图；
图2是本发明实施例中的n-p-i-n光电三极管的俯视方向结构示意图。
附图标记说明：
100-衬底；200-本征I层；300-P+层；400-N+层；500-钝化层；600-正面电极；601-电极引线；701-背面电极Ti层；702-背面电极Pd层；703-背面电极Ag层。
具体实施方式
以下，将参照附图及实施例对本发明进行详细描述，以辅助本领域技术成员充分地理解本发明的目的、特征和效果。附图中展示了本发明的示例性实施方式，但应当理解，本申请中还能以其他各种形式实现，不应被此处阐述的实施方式所限制。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。另外，本发明以下提供的各个实施例以及实施例中的技术特征可以以任意方式相互组合。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本发明公开了一种基于硅基PIN探测器的n-p-i-n光电三极管，包括：
衬底，作为n-p-i-n光电三极管的集电极；
本征I层，形成于衬底上，作为n-p-i-n光电三极管集电结的耗尽区；
P+层，形成于本征I层上，作为n-p-i-n光电三极管的基极；
N+层，形成于P+层上，作为n-p-i-n光电三极管的发射极；
钝化减反膜，形成于N+层上，用于保护n-p-i-n光电三极管的正面和对接收的红外脉冲激光信号起到增透的效果；
正面电极，形成于N+层上，通过环形刻蚀钝化减反膜得到；以及
背面电极，形成于衬底的背面。
在本发明的一些实施例中，所述衬底包括N+型硅衬底；
在本发明的一些实施例中，所述N+型硅衬底为砷离子(As+)掺杂，晶向为(111)；
在本发明的一些实施例中，所述衬底的电阻率为0.004至0.008Ω·cm，例如可以为0.004Ω·cm、0.005Ω·cm、0.006Ω·cm、0.007Ω·cm、0.008Ω·cm；
在本发明的一些实施例中，所述N+型硅衬底的厚度为300至450um，例如可以为300um、320um、350um、380um、400um、420um、450um。
在本发明的一些实施例中，所述本征I层的厚度为35至42um，例如可以为35um、38um、40um、42um；
在本发明的一些实施例中，本征I层为磷离子掺杂的外延层；
在本发明的一些实施例中，本征I层的电阻率为1100至1200Ω·cm，例如可以为1100Ω·cm、1150Ω·cm、1180Ω·cm、1200Ω·cm。
在本发明的一些实施例中，所述P+层与本征I层形成的基极的结深为190至210nm，例如可以为190nm、200nm 210nm；基极厚度为80至100nm，例如可以为80nm、90nm、100nm；
在本发明的一些实施例中，所述N+层与P+层形成的结深为100至120nm，例如可以为100nm、110nm、120nm。
在本发明的一些实施例中，所述钝化减反膜的厚度为450至530nm，例如可以为450nm、480nm、500nm、530nm；
在本发明的一些实施例中，所述钝化减反膜的折射率为1.45至1.48，例如可以为1.45、1.46、1.47、1.48；
在本发明的一些实施例中，所述正面电极采用的材料包括铝、银、金中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述背面电极包括：
背面电极Ti层，设置在衬底的背面上；
背面电极Pd层，设置在背面电极Ti层上；以及
背面电极Ag层，设置在背面电极Pd层上；
在本发明的一些实施例中，所述背面电极Ti层的厚度为45至60nm，例如可以为45nm、48nm、50nm、55nm、60nm；
在本发明的一些实施例中，所述背面电极Pd层的厚度为45至60nm，例如可以为45nm、48nm、50nm、55nm、60nm；
在本发明的一些实施例中，所述背面电极Ag层的厚度为300至400nm，例如可以为300nm、320nm、350nm、380nm、400nm。
本发明还公开了一种基于硅基PIN探测器的光电三极管的制备方法，包括：
在衬底上制备本征I层；
在本征I层上制备P+层；
在P+层上制备N+层；
在N+层上制备钝化减反膜；
在钝化减反膜上制备正面电极；
在衬底背面制备背面电极，完成所述基于硅基PIN探测器的光电三极管的制备。
在本发明的一些实施例中，所述制备P+层的方法包括在本征I层上，通过离子注入形成P+层，之后退火，完成P+层制备；
其中，注入的离子包括硼离子；
其中，退火温度为800至900℃，例如可以为800℃、820℃、830℃、850℃、880℃、900℃；时间为20至30min，例如可以为20min、22min、25min、30min。
在本发明的一些实施例中，所述制备N+层的方法包括在P+层上，通过离子注入形成N+层，之后退火，完成N+层制备；
其中，注入的离子包括磷离子；
其中，退火温度为800至850℃，例如可以为800℃、820℃、830℃、850℃；时间为15至25min，例如可以为15min、18min、20min、22min、25min。
在本发明的一些实施例中，所述制备正面电极的方法包括在钝化减反膜上刻出电极窗口，腐蚀电极窗口内的SiO2，套刻形成环形正面电极。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
如图1-2所示，本实施例的n-p-i-n光电三极管的结构，包括：
N+型硅衬底100，作为n-p-i-n光电三极管的集电极，厚度为300-450um、优选380um，N+型硅衬底为砷离子(As+)掺杂，晶向为(111)，电阻率为0.004-0.008Ω·cm、优选0.004Ω·cm。
本征I层200，在所述的N+型硅衬底上外延35-42um、优选40um厚的本征I层，本征I层为磷离子(P+)掺杂的外延层，电阻率为1100-1200Ω·cm、优选1100Ω·cm，本征I层的厚度和860nm红外激光信号的穿透深度基本一致，本征I层作为n-p-i-n光电三极管集电结的耗尽区，可以吸收更多的光子，激发出更多的少数载流子——电子-空穴对，提高光电三极管对于红外激光信号的响应。
P+层300，在所述的本征I层上，通过离子注入形成P+层，注入离子为硼(B+)离子，P+层作为n-p-i-n光电三极管的基极，与本征I层形成的基极的结深为190-200nm、优选200nm，基极厚度为80-100nm、优选90nm。
N+层400，在所述的P+层上，通过离子注入形成N+层，注入离子为磷(P+)离子，N+层作为n-p-i-n光电三极管的发射极，与P+层形成的结深为100-120nm、优选110nm，即发射极的厚度为100-120nm、优选110nm。
钝化减反膜500，在所述的N+层上，PECVD法沉积450-530nm、优选500nm厚的SiO2作为钝化减反膜，即450-530nm、优选500nm厚的SiO2一方面保护n-p-i-n光电三极管的正面，一方面对接收的860nm的红外脉冲激光信号起到增透的效果。其中PECVD法所沉积的SiO2的折射率为1.45-1.48、优选1.46。
正面电极600，在所述的450-530nm、优选500nm厚的SiO2钝化减反膜上光刻出正面环形Al电极窗口，腐蚀掉Al电极窗口内的SiO2，套刻形成正面环形Al电极，其中金属Al电极的厚度为450-500nm、优选500nm。Al电极也可以是Ag电极和Au电极，厚度都为450-500nm、优选500nm。如图2所使，正面电极上还引出电极引线601，方便与其他器件电连接。
背面电极Ti层701，在所述的N+型硅衬底上沉积金属电极Ti，厚度为45-60nm、优选50nm，作为n-p-i-n光电三极管的背面电极。
背面电极Pd层702，在所述的背面金属电极Ti上沉积金属Pd，厚度为45-60nm、优选50nm，作为n-p-i-n光电三极管的背面电极。
背面电极Ag层703，在所述的背面金属电极Pd上沉积金属Ag，厚度为300-400nm、优选350nm，作为n-p-i-n光电三极管的背面电极。
上述n-p-i-n光电三极管制作的工艺流程如下：
1)准备300-450um、优选380um厚的N+型硅衬底，衬底为砷离子(As+)掺杂，晶向为(111)，电阻率为0.004-0.008Ω·cm、优选0.004Ω·cm。
2)在300-450um、优选380um厚的N+型硅衬底上外延生长35-42um、优选40um厚的本征I层，本征I层为磷离子(P+)掺杂的外延层，电阻率为1100-1200Ω·cm、优选1100Ω·cm。
3)PECVD法沉积200-250nm、优选200nm厚的SiO2，作为湿法腐蚀对准标记的掩蔽层，光刻出对准标记窗口，腐蚀掉窗口内的SiO2并在本征I层上湿法腐蚀出对准标记。
4)腐蚀掉本征I层上所有的SiO2，重新PECVD法沉积500-650nm、优选600nm厚的SiO2作为离子注入掩蔽层，光刻出离子注入窗口，腐蚀掉窗口内的SiO2，在本征层注入硼(B+)离子，形成光电三极管的P+层，结深在190-200nm、优选200nm。
5)高温退火，退火温度800-900℃，优选800℃，时间20-30min、优选20min。
6)腐蚀掉本征I层上所有的SiO2，重新PECVD法沉积500-600nm、优选500nm厚的SiO2作为离子注入掩蔽层，光刻出离子注入窗口，腐蚀掉窗口内的SiO2，在本征层注入磷(P+)离子，形成光电三极管的N+层，结深在100-120nm、优选110nm。
7)高温退火，退火温度800-850℃、优选800℃，时间15-25min、优选20min。
8)腐蚀掉本征I层上所有的SiO2，重新PECVD法沉积450-530nm、优选500nm厚的SiO2作为钝化减反膜，在450-530nm、优选500nm厚的SiO2钝化减反膜上光刻出正面环形Al电极窗口，腐蚀掉Al电极窗口内的SiO2，套刻形成正面环形Al电极，金属Al电极的厚度为450-500nm、优洗500nm。
9)N+硅衬底的整个背面沉积Ti/Pd/Ag金属，厚度分别为45-60nm、优选50nm/45-60nm、优选50nm/300-400nm、优选350nm作为光电三极管的背面金属电极。
具体使用是n-p-i-n光电三极管当无光照情况下，器件处于截止状态，当有红外脉冲激光信号时，器件打开，输出为放大之后的脉冲光电流信号。n-p-i-n光电三极管具体的工作原理是：首先红外脉冲激光信号垂直入射到Sio2钝化减反膜上，然后通过Sio2钝化减反膜，接着通过100-120nm、优选110nm厚的N+层和80-100nm、优选90nm厚的P+层，因为N+层和P+层都很薄，所以对信号的吸收可以忽略，当激光信号到达本征I层，即n-p-i-n光电三极管集电结时，可以激发出电子-空穴对，电子和空穴在耗尽层电场力的作用下分别向集电极(N+衬底)和基区(P+层)漂移，此时光电三极管打开，处于工作状态。
需要说明的是，尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。
特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。所有这些组合和/或结合均在本发明的保护范围。因此，本发明的范围不仅由所附权利要求来进行确定，还应由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种基于硅基PIN探测器的n-p-i-n光电三极管，包括：
衬底，作为n-p-i-n光电三极管的集电极；
本征I层，形成于衬底上，作为n-p-i-n光电三极管集电结的耗尽区；
P+层，形成于本征I层上，作为n-p-i-n光电三极管的基极；
N+层，形成于P+层上，作为n-p-i-n光电三极管的发射极；
钝化减反膜，形成于N+层上，用于保护n-p-i-n光电三极管的正面和对接收的红外脉冲激光信号起到增透的效果；
正面电极，形成于N+层上，通过环形刻蚀钝化减反膜得到；以及
背面电极，形成于衬底的背面。
2.根据权利要求1所述的n-p-i-n光电三极管，其特征在于，
所述衬底包括N+型硅衬底；
其中，所述N+型硅衬底为砷离子As+掺杂，晶向为(111)；
所述衬底的电阻率为0.004至0.008Ω·cm；
所述N+型硅衬底的厚度为300至450um。
3.根据权利要求1所述的n-p-i-n光电三极管，其特征在于，
所述本征I层的厚度为35至42um；
本征I层为磷离子掺杂的外延层；
本征I层的电阻率为1100至1200Ω·cm。
4.根据权利要求1所述的n-p-i-n光电三极管，其特征在于，
所述P+层与本征I层形成的基极的结深为190至210nm，基极厚度为80至100nm；
所述N+层与P+层形成的结深为100至120nm。
5.根据权利要求1所述的n-p-i-n光电三极管，其特征在于，
所述钝化减反膜的厚度为450至530nm；
所述钝化减反膜的折射率为1.45至1.48；
所述正面电极采用的材料包括铝、银、金中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的n-p-i-n光电三极管，其特征在于，
所述背面电极包括：
背面电极Ti层，设置在衬底的背面上；
背面电极Pd层，设置在背面电极Ti层上；以及
背面电极Ag层，设置在背面电极Pd层上；
其中，所述背面电极Ti层的厚度为45至60nm；
其中，所述背面电极Pd层的厚度为45至60nm；
其中，所述背面电极Ag层的厚度为300至400nm。
7.一种基于硅基PIN探测器的光电三极管的制备方法，包括：
在衬底上制备本征I层；
在本征I层上制备P+层；
在P+层上制备N+层；
在N+层上制备钝化减反膜；
在钝化减反膜上制备正面电极；
在衬底背面制备背面电极，完成所述基于硅基PIN探测器的光电三极管的制备。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
所述制备P+层的方法包括在本征I层上，通过离子注入形成P+层，之后退火，完成P+层制备；
其中，注入的离子包括硼离子；
其中，退火温度为800至900℃，时间为20至30min。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
所述制备N+层的方法包括在P+层上，通过离子注入形成N+层，之后退火，完成N+层制备；
其中，注入的离子包括磷离子；
其中，退火温度为800至850℃，时间为15至25min。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
所述制备正面电极的方法包括在钝化减反膜上刻出电极窗口，腐蚀电极窗口内的SiO2，套刻形成环形正面电极。
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