本发明专利技术公开了一种基于表面等离激元的波长选择Si基光电导中远红外阻挡杂质带探测器及其制备方法，从下至上依次为高纯硅基底、高纯硅基底上低电阻率的掩埋底电极、高掺杂吸收层、杂质带阻挡层，在阻挡层上方沉积的钝化层，阻挡层上设有上电极互连区和上电极，上电极是由铝薄膜形成的正方形周期圆孔阵列，铝薄膜形成正方形周期圆孔阵列是探测器的表面等离激元结构，实现波长选择功能。上电极使用金属铝，铝的制备工艺简便成熟，价格便宜易于获得，抗锈蚀能力强，同时与器件的兼容性能好；采用剥离工艺制备金属铝正方形周期圆孔阵列，相比于腐蚀技术，可控性及实际效果更好。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术专利涉及一种基于表面等离激元的波长选择中远红外波段响应的阻挡杂质带半导体探测器及制备方法。
技术介绍
近年来，随着系统应用的牵引，红外探测器作为红外整机系统的核心部件，其研究、开发乃至生产越来越受到关注。红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件，非本征光电导探测器是红外探测器的一种。半导体吸收能量足够大的光子后，体内一些载流子从束缚态转变为自由态，从而使半导体电导率增大，利用这种光电导效应制成的探测器就是光电导探测器。阻挡杂质带(BIB)器件是用于中红外和远红外探测的高灵敏度探测器，其基本理论是对杂质带中跳跃电导效应的阻挡。这种阻挡机制使得它可以使用较大的掺杂浓度制备非本征光电导探测器，通过阻挡层降低暗电流来提高常规非本征光电导的性能。以往被研究的BIB探测器吸收层为n型掺杂的主要有Si:As，Si:Sb型探测器，吸收层为p型掺杂的主要有Si：B型探测器。近年来Si:P型探测器也有许多报道，大部分为正面入射型器件。上海技术物理研究所Liao等人利用全外延结构制作了掩埋底电极厚度在μm量级的Si：P型BIB探测器。表面等离激元(SPP)是一种由入射光子或电子激发产生的电磁表面波，由于其独特的性能，在纳米光刻、滤波器、非线性光学等光电领域得到广泛的应用。周期性圆孔阵列是一种常用的等离激元结构，基于它的异常光学透射现象在透射增强、波长选择方面应用广泛。Iain J.H.McCrindle等人利用三角形周期圆孔阵列和太赫兹超材料的复合结构制备了多光谱滤波器；Chiyang Chang等人在铟镓砷量子点红外探测器背面制备了Ag圆孔阵列实现了探测器在中红外波段的波长选择性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是以高纯硅片为基，提供一种对中远红外宽波段的光进行有效探测的器件，扩大光的探测范围，提高对中远红外光的探测率和响应率。同时利用周期性圆孔阵列实现探测器的波长选择性能，为多光谱红外探测器的研究和制备奠定基础。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：本专利技术公开了一种基于表面等离激元的波长选择Si基半导体光电导中远红外阻挡杂质带探测器，从下至上依次为高纯硅基底、高纯硅基底上低电阻率的掩埋底电极、高掺杂吸收层、杂质带阻挡层，在阻挡层上方沉积的钝化层，所述的阻挡层上设有上电极互连区和上电极，所述的上电极是由铝薄膜形成的正方形周期圆孔阵列，所述的探测器还包括开至高纯硅基底的V型槽，所述的铝薄膜形成正方形周期圆孔阵列是探测器的表面等离激元结构，实现波长选择功能。作为进一步地改进，本专利技术所述的钝化层包括上表层的氮化硅和下表层的氧化硅。作为进一步地改进，本专利技术所述的掩埋底电极为As的离子注入区，探测器还包括通过球形压焊与上电极互连区键合的金丝引线。作为进一步地改进，本专利技术所述的上电极互连区为Al电极，离子注入区的掺杂元素为P，外延生长吸收层的掺杂元素为P。本专利技术还公开了一种基于表面等离激元的波长选择Si基半导体光电导中红外阻挡杂质带探测器的制备方法，在高纯硅片基底上，通过离子注入加高温退火(RTA)方式制备低电阻率的掩埋底电极，利用化学气相沉积(CVD)方法外延生长厚膜Si:P吸收层和杂质带阻挡层，在阻挡层之上利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法生长钝化层，利用湿法腐蚀得到V型槽与掩埋底电极形成接触，采用射频磁控溅射法在阻挡层上蒸镀上电极互连区，利用光刻工艺制备铝薄膜正方形周期圆孔阵列，用金丝与上电极互连区键合获得电极引线。作为进一步地改进，本专利技术具体制备步骤如下：1)在高纯硅衬底表面通过离子注入和高温退火制备掩埋底电极；2)化学气相沉积外延吸收层、阻挡层；3)所述的阻挡层上生长300nm氧化硅作为离子注入的标志；4)光刻，湿法腐蚀阻挡层上氧化硅，开出方形孔；5)通过方形孔离子注入；6)退火；7)光刻，去除上电极离子注入区方形孔之外的氧化硅；8)在阻挡层表面等离子体增强化学气相沉积依次生长300nm的氧化硅，和500nm氮化
硅作为钝化层；9)光刻，干法刻蚀钝化层的氧化硅和氮化硅，暴露出需要刻蚀V型槽的新鲜硅表面；10)湿法刻蚀硅的V型槽；11)干法刻蚀钝化层的氮化硅，光刻，湿法腐蚀钝化层的氧化硅，曝露出方形孔的离子注入区；12)射频磁控溅射镀0.6μm上电极互连区，所述的上电极互连区是铝；13)腐蚀掉上电极区域之外的铝；14)光刻，湿法腐蚀上电极区域的氧化硅；15)在上电极区，阻挡层上光刻得到正方形周期圆孔阵列；16)在正方形周期圆孔阵列上射频磁控溅射镀100nm厚的铝膜；17)剥离得到正方形周期圆孔阵列；18)划片，金丝引线与上电极互连区键合；作为进一步地改进，本专利技术所述的吸收层掺杂浓度为3.5E17cm3，厚度为21μm，吸收层中有一部分补偿掺杂受主，浓度为Na＝8E12cm3，所述的阻挡层的杂质掺杂浓度为1E13cm3，厚度为7μm。作为进一步地改进，本专利技术步骤1)中离子注入时，注入能量为180KeV,注入剂量为5E15cm2，步骤5)中离子注入时，注入剂量为3E14cm2，注入能量为60KeV，离子注入之后快速退火，退火温度为850℃，时间为30s。作为进一步地改进，本专利技术射频磁控溅射镀上电极互连区之后，经过450℃，30min的退火处理，与样品形成欧姆接触，所述的铝的正方形周期圆孔阵列的阵列周期为8μm，圆孔半径为2μm。本专利技术的有益效果是：本专利技术主要采用离子注入制备掩埋底电极与化学气相外延生长厚膜红外吸收有源层相结合的技术手段成功制备了Si基光电导中远红外阻挡杂质带探测器，该探测器有较宽的光谱响应范围、优良的黑体响应率以及探测率，在5k温度下对波长在5—37μm的光具有较高的灵敏度和响应度。探测器在工作温度5K，工作电压2V时的黑体响应率为4.84A/W，峰值响应率为20.37A/W，量子效率(含增益)为1.01，黑体探测率为1.03E+11cm·Hz1/2/W，峰值探测率为4.34E+11cm·Hz1/2/W。同时，表面等离激元理论在探测器上得到了成功地应用，利用光刻与剥离技术在探测器的上电极区域成功制备了金属铝正方形周期圆孔阵列。在入射光的作用下，由于金属铝上电极与硅接触界面发生表面等离激元共振，探测器的光电流响应
峰发生明显的红移，并且在27.68μm处出现光电流响应的增强，实现了探测器的波长选择性能，为多光谱探测器的研制打下了坚实的基础。该探测器完全是硅技术，工艺重复性佳，器件稳定性好，在航天、天文探测等领域具有重要应用前景。在掩埋底电极和上电极的制备过程中，利用离子注入技术可以对掺杂深度、掺杂剂量形成更有效地控制；使用氧化硅和氮化硅做钝化层和掩埋底电极腐蚀保护层可以有效地降低表面载流子复合，同时在底电极腐蚀过程中对器件形成良好的保护作用；上电极使用金属铝，铝的制备工艺简便成熟，价格便宜易于获得，抗锈蚀能力强，同时与器件的兼容性能好；采用剥离工艺制备金属铝正方形周期圆孔阵列，相比于腐蚀技术，可控性及实际效果更好。附图说明图1是制备的波长选择Si基Si:P阻挡杂质带的探测器的部分截面结构示意图；图2是探测器上表面的平面示意图；图3是正方形周期圆孔阵列的SEM图；图4是做上电极离子注入区后的截面图；图5是生长钝化层之后的样品截面图；图6是湿法刻蚀V本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于表面等离激元的波长选择Si基半导体光电导中远红外阻挡杂质带探测器，其特征在于，从下至上依次为高纯硅基底(1)、高纯硅基底(1)上低电阻率的掩埋底电极(2)、高掺杂吸收层(3)、杂质带阻挡层(4)，在阻挡层(4)上方沉积的钝化层(5)，所述的阻挡层(4)上设有上电极互连区(6)和上电极(7)，所述的上电极(7)是由铝薄膜形成的正方形周期圆孔阵列，所述的探测器还包括开至高纯硅基底(1)的V型槽，所述的铝薄膜形成正方形周期圆孔阵列是探测器的表面等离激元结构，实现波长选择功能。
【技术特征摘要】
1.一种基于表面等离激元的波长选择Si基半导体光电导中远红外阻挡杂质带探测器，其特征在于，从下至上依次为高纯硅基底(1)、高纯硅基底(1)上低电阻率的掩埋底电极(2)、高掺杂吸收层(3)、杂质带阻挡层(4)，在阻挡层(4)上方沉积的钝化层(5)，所述的阻挡层(4)上设有上电极互连区(6)和上电极(7)，所述的上电极(7)是由铝薄膜形成的正方形周期圆孔阵列，所述的探测器还包括开至高纯硅基底(1)的V型槽，所述的铝薄膜形成正方形周期圆孔阵列是探测器的表面等离激元结构，实现波长选择功能。2.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的波长选择Si基半导体光电导中远红外阻挡杂质带探测器，其特征在于，所述的钝化层(5)包括上表层的氮化硅和下表层的氧化硅。3.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的波长选择Si基半导体光电导中远红外阻挡杂质带探测器，其特征在于，所述的掩埋底电极(2)为As的离子注入区，所述的探测器还包括通过球形压焊与上电极互连区(6)键合的金丝引线。4.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的波长选择Si基半导体光电导中远红外阻挡杂质带探测器，其特征在于，所述的上电极互连区(6)为Al电极，离子注入区的掺杂元素为P，所述的外延生长吸收层(3)的掺杂元素为P。5.一种基于表面等离激元的波长选择Si基半导体光电导中红外阻挡杂质带探测器的制备方法，其特征在于，在高纯硅片基底(1)上，通过离子注入加高温退火(RTA)方式制备低电阻率的掩埋底电极(2)，利用化学气相沉积(CVD)方法外延生长厚膜Si:P吸收层(3)和杂质带阻挡层(4)，在阻挡层(4)之上利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法生长钝化层(5)，利用湿法腐蚀得到V型槽与掩埋底电极(2)形成接触，采用射频磁控溅射法在阻挡层(4)上蒸镀上电极互连区(6)，利用光刻工艺制备铝薄膜正方形周期圆孔阵列，用金丝与上电极互连区(6)键合获得电极引线。6.权利要求5所述的基于表面等离激元的波长选择Si基半导体光电导中远
\t红外阻挡杂质带探测器的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：1)在高纯硅衬底(1)表面通过离子注入和高温退火制备掩埋底电极(2)；2)化学气相沉...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴惠桢，朱贺，许金涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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