專利名稱：多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器，尤其涉及一種多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器。

背景技術：
早在上個世紀四十年代初，光電型紅外探測器就問世了，五、六十年代肖特基勢壘紅外探測器的相關研究就已經(jīng)開始了；1973年，羅馬空氣研究中心的F.D.Shepherd和A.C.Yang就提出了硅化物肖特基勢壘紅外探測器焦平面陣列概念；在1975～1979年，由E.S.Kohn和S.A.Rooslid等文獻就報道了，制作的肖特基勢壘紅外鈀硅(Pd2Si)或鉑硅(PtSi)探測器敏感膜厚度為60nm左右，探測器的光響應率相對較低，對4μm波長鉑硅肖特基勢壘紅外探測器紅外光電轉(zhuǎn)換效率為0.1％；到了1980年，R.W.Taylor和W.F.Kosonocky等就報道了，制作的肖特基勢壘紅外鈀硅或鉑硅探測器敏感膜厚度為2～10nm，探測器具有光腔結(jié)構，光響應效率前期制作的厚敏感膜探測器改進約10倍，對4μm波長鉑硅肖特基勢壘紅外探測器紅外光電轉(zhuǎn)換效率為1％；1982年P.W.Pellegrini等又報道了，銥硅(IrSi)肖特基勢壘紅外探測器可用于探測8～10μm波長范圍紅外光。直到上個世紀九十年代，肖特基勢壘紅外探測器的相關研究才有了長足的發(fā)展，1990年W.F.Kosonocky等報道的具有優(yōu)化光腔結(jié)構的鉑硅肖特基勢壘紅外探測器，鉑硅敏感膜厚度為2nm，對4μm波長紅外光電轉(zhuǎn)換效率為1～2％；1995年T.L.Lin等報道的在鉑硅/硅界面生長一薄層(0.1～0.5nm)高濃度(1018～1021cm-3)硼摻雜層，可使鉑硅肖特基勢壘紅外探測器截止波長在5.7～22μm范圍變化，提高鉑硅肖特基勢壘紅外探測器在5μm附近的光電轉(zhuǎn)換效率約5倍；本世紀2000年，F(xiàn)arshi Raissi等報道的多孔鉑硅肖特基勢壘紅外探測器，在多孔硅上形成鉑硅敏感膜，紅外探測器光電轉(zhuǎn)換效率可大于10％。
但是，多孔鉑硅肖特基勢壘紅外探測器與常規(guī)光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器相比，單位面積的敏感膜面積大大增加，提高了探測器光電轉(zhuǎn)換效率，但因多孔硅孔徑為2μm，孔深為8μm，制作光響應均勻的20～40μm小單元尺寸探測器陣列存在困難。
綜上所述，肖特基勢壘紅外探測器從無到有，從較低性能到較高性能，一直發(fā)展到現(xiàn)階段的多孔鉑硅肖特基勢壘紅外探測器，其中，常規(guī)的肖特基勢壘紅外探測器光電轉(zhuǎn)換效率低，多孔鉑硅肖特基勢壘紅外探測器雖然光電轉(zhuǎn)換效率較常規(guī)的肖特基勢壘紅外探測器高，但又難于制作小單元尺寸探測器陣列。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種光電轉(zhuǎn)換效率高，制作工藝與常規(guī)肖特基勢壘紅外探測器兼容的多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器。
本發(fā)明的多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器，它包括金屬反射鏡、光腔介質(zhì)、硅化物敏感膜、N型保護環(huán)、N+電極、P+電極、P型襯底和抗反射膜，其特征在于所述的硅化物敏感膜可有多層；兩兩硅化物敏感膜間及其與光腔介質(zhì)間都夾有P型無定形硅；各層硅化物敏感膜都與N型保護環(huán)連接。
各層硅化物敏感膜作為整體把其間的P型無定形硅完全包裹并與N型保護環(huán)連接；光腔介質(zhì)將最頂層的P型無定形硅和硅化物敏感膜外表面完全覆蓋。
所述的硅化物敏感膜有三層，則共有三層P型無定形硅，其中兩層P型無定形硅夾在三層硅化物敏感膜間，還有一層P型無定形硅覆蓋在最頂層的硅化物敏感膜之上。
所述的三層硅化物敏感膜和三層P型無定形硅的總厚度為5～25nm。
所述的硅化物敏感膜厚度在2nm以內(nèi)。
所述的P型無定形硅，其摻雜濃度為1014～1017cm-3。
所述的P型無定形硅，其摻雜濃度為1018～1021cm-3。
本發(fā)明的有益技術效果是可將光電轉(zhuǎn)換效率提高到常規(guī)肖特基勢壘紅外探測器的3倍以上，制作工藝與常規(guī)肖特基勢壘紅外探測器兼容。



附圖1，常規(guī)肖特基勢壘紅外探測器結(jié)構示意圖； 附圖2，三層肖特基勢壘紅外探測器結(jié)構示意圖； 附圖3，多層肖特基勢壘紅外探測器頂視結(jié)構示意圖； 附圖中金屬反射鏡1、光腔介質(zhì)2、硅化物敏感膜3、N型保護環(huán)4、P型襯底5、P型無定形硅6、抗反射膜7。

具體實施例方式 一種多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器，它包括金屬反射鏡1、光腔介質(zhì)2、硅化物敏感膜3、N型保護環(huán)4、N+電極、P+電極、P型襯底5和抗反射膜7，其特征在于所述的硅化物敏感膜3可有多層；兩兩硅化物敏感膜3間及其與光腔介質(zhì)2間都夾有P型無定形硅6；各層硅化物敏感膜3都與N型保護環(huán)4連接。
各層硅化物敏感膜3作為整體把其間的P型無定形硅6完全包裹并與N型保護環(huán)4連接；光腔介質(zhì)2將最頂層的P型無定形硅6和硅化物敏感膜3外表面完全覆蓋。
所述的硅化物敏感膜3有三層，則共有三層P型無定形硅6，其中兩層P型無定形硅6夾在三層硅化物敏感膜3間，還有一層P型無定形硅6覆蓋在最頂層的硅化物敏感膜3之上。
所述的三層硅化物敏感膜3和三層P型無定形硅6的總厚度為5～25nm。
所述的硅化物敏感膜3厚度在2nm以內(nèi)。
所述的P型無定形硅6，其摻雜濃度為1014～1017cm-3。
所述的P型無定形硅6，其摻雜濃度為1018～1021cm-3。
本發(fā)明的多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器，選用三層硅化物敏感膜3結(jié)構是本發(fā)明采用的一種優(yōu)選結(jié)構。
本發(fā)明主要利用以下兩種原理提高探測器光電轉(zhuǎn)換效率 1)薄硅化物敏感膜3中熱空穴在硅化物表面多次散射，光激發(fā)的能量高于肖特基勢壘高度的熱空穴由硅化物層注入硅中(光電轉(zhuǎn)換由此完成)的幾率增加原理參見附圖1所示常規(guī)肖特基勢壘紅外探測器結(jié)構示意圖，常規(guī)光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器硅化物敏感膜3處于光腔介質(zhì)2和P型襯底5之間，經(jīng)多次散射滿足注入硅條件的熱空穴在硅化物敏感膜3和光腔介質(zhì)2間無法注入；參見附圖2所示三層肖特基勢壘紅外探測器結(jié)構示意圖，本發(fā)明的多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器硅化物敏感膜3上下兩面均為硅(此處硅包括P型襯底5和P型無定形硅6)，經(jīng)多次散射滿足注入硅條件的熱空穴可注入硅中，與常規(guī)結(jié)構相比熱空穴注入硅中的幾率增加約1倍，使探測器光電轉(zhuǎn)換效率增加1倍。
2)光腔結(jié)構三層硅化物敏感膜3對紅外光的多重耦合吸收原理由于三層硅化物敏感膜3和三層P型無定形硅6總厚度為5～25nm，大大小于光腔介質(zhì)2厚度500～900nm，因此對每層硅化物敏感膜3均可視為光腔有效；紅外光透過鉑硅薄硅化物敏感膜3(厚度在2nm以內(nèi))的透過率為45％，由此紅外光透過第一層硅化物敏感膜3光電轉(zhuǎn)換效率為1，第二層即為0.45，第三層為0.2，考慮到光敏感膜層間的光耦合作用，光電轉(zhuǎn)換效率大于單獨三層光敏感膜光電轉(zhuǎn)換效率之和1.65。
根據(jù)上述兩項光電轉(zhuǎn)換效率增加因素，本發(fā)明的三層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器光電轉(zhuǎn)換效率為1×2+0.45×2+0.2×2＝3.3，即是常規(guī)光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器光電轉(zhuǎn)換率的3倍以上。
此外，三層硅化物敏感膜3之間和其頂部可制作三層重摻雜的P型無定形硅6薄層，可使肖特基勢壘紅外探測器截止波長延長，在5.7～22μm范圍變化，提高肖特基勢壘紅外探測器在截止波長附近的光電轉(zhuǎn)換效率；與三層硅化物敏感膜3相匹配的P型無定形硅6薄層若制作為普通摻雜的，肖特基勢壘紅外探測器就無截止波長延長作用。
常規(guī)光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器工作原理 參見附圖1所示常規(guī)肖特基勢壘紅外探測器結(jié)構示意圖，部分紅外光通過抗反射膜7入射到硅化物敏感膜3被吸收，吸收的光子激發(fā)光生電子-空穴對，能量大于肖特基勢壘高度且在動量空間中小于臨界逃逸角度的空穴注入到P型襯底5中；部分大于臨界逃逸角的空穴在薄硅化物敏感膜3和P型襯底5間及硅化物敏感膜3和光腔介質(zhì)2間多次散射，角度轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮谂R界逃逸角且能量仍大于肖特基勢壘高度的空穴也可注入P型襯底5中；注入P型襯底5的空穴被P+電極收集，在硅化物敏感膜3中相應留下的凈電子被N+電極收集成為有效信號，其余激發(fā)的電子-空穴對，由于空穴多次反射后能量降低到低于肖特基勢壘高度，電子與空穴將重新復合。
另一部分紅外光透過薄硅化物敏感膜3經(jīng)光腔介質(zhì)2由金屬反射鏡1界面反射回薄硅化物敏感膜3，設計的光腔結(jié)構使紅外光在薄硅化物敏感膜3界面光強最大，以增加薄硅化物敏感膜3對反射部分紅外光的吸收，吸收的紅外光子激發(fā)將產(chǎn)生電子-空穴對。
實施例 參見附圖2所示三層肖特基勢壘紅外探測器結(jié)構示意圖，圖中所示為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式所采用的結(jié)構，三層硅化物敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器；在鉑族(鉑、銥、鈀等)金屬薄膜上下兩面均為P型硅層，經(jīng)鉑族金屬薄膜與P型硅層發(fā)生固相反應，生成薄硅化物敏感膜3(即鉑族金屬薄膜與P型硅層發(fā)生固相反應后，轉(zhuǎn)化為薄硅化物敏感膜3)，該硅化物敏感膜3厚度在2nm以內(nèi)(上述的P型襯底5和P型無定形硅6都屬于P型硅，下文如無特別注明，參見此處定義)。
紅外光被硅化物敏感膜3吸收激發(fā)電子-空穴對，能量大于肖特基勢壘高度且在動量空間中小于臨界逃逸角度的空穴越過肖特基勢壘注入到P型硅層中；由于薄硅化物敏感膜3厚度在2nm以內(nèi)，膜層中存在不連續(xù)的微孔，在電場作用下P型硅層中的空穴通過薄硅化物敏感膜3中的微孔進入P型襯底5并匯集到P+電極，薄硅化物敏感膜3層中留下的電子通過N型區(qū)匯集到N+電極，完成光電轉(zhuǎn)換過程。
常規(guī)光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器的結(jié)構中只有一面有P型硅層，在硅化物敏感膜3/硅界面的空穴經(jīng)多次散射后滿足注入條件的空穴(能量大于肖特基勢壘高度且在動量空間中小于臨界逃逸角度的空穴)，由于在硅化物敏感膜3/光腔介質(zhì)2界面不能注入到P型襯底5中，空穴需經(jīng)2倍硅化物敏感膜3厚度的路程才能返回到硅化物敏感膜3/硅界面，并入射到硅中。
根據(jù)Hammam Elabd等提出的理論，空穴注入幾率Pt可由下列公式算出 ① ② 式中hv為光子能量(h為普朗克常量，v為入射光子的頻率)； P(hv)為空穴逃逸幾率； t為硅化物敏感膜3厚度； L為空穴衰減長度； n為能量為hv的光子最大散射次數(shù)； ψms為肖特基勢壘高度； 本發(fā)明所采用的優(yōu)選實施例采用三層硅化物敏感膜3結(jié)構的探測器，由于硅化物敏感膜3兩面均有P型硅層，多次散射后滿足注入條件的空穴只需經(jīng)1倍硅化物敏感膜3厚度的路程即可入射到硅中，通過對公式①、②的變形，可得到本發(fā)明的空穴注入幾率Pt計算公式如下 ③ ④ 式中hv為光子能量(h為普朗克常量，v為入射光子的頻率)； P(hv)為空穴逃逸幾率； t為硅化物敏感膜3厚度； L為空穴衰減長度； n為能量為hv的光子最大散射次數(shù)； ψms為肖特基勢壘高度； ④式與②式相比，光子最大散射次數(shù)增加1倍，對于不大于2nm的硅化物敏感膜3厚度，由于L＝250nm是t的100倍以上，當L＝250nm、t＝2nm、ψms＝0.21ev、v＝1014Hz、n＝44時，可得Pt③/Pt①＝1.976，注入襯底的幾率Pt增加了約1倍，即光電轉(zhuǎn)換效率提高1倍。
對于厚度在2nm以內(nèi)的薄硅化物敏感膜3，紅外光透射率為45％，第二、三層(最底層的薄硅化物敏感膜3為第一層，后述文字參見此處定義)薄硅化物敏感膜3將有效利用透射的紅外光；以第一層薄硅化物敏感膜3光電轉(zhuǎn)換效率為1，則第二層薄硅化物敏感膜3光電轉(zhuǎn)換效率為0.45，第三層薄硅化物敏感膜3光電轉(zhuǎn)換效率為0.20，合計為1.65；與常規(guī)光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器結(jié)構相比，采用三層硅化物敏感膜3結(jié)構的光電轉(zhuǎn)換效率為2×1.65，即本發(fā)明的多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器的光電轉(zhuǎn)換效率是常規(guī)光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器的3倍以上。
利用鏡像力降低肖特基勢壘高度的原理，薄硅化物敏感膜3之間的P型無定形硅6可制作為常規(guī)濃度(1014～1017cm-3)P型摻雜層，也可制作為高濃度(1018～1021cm-3)P型摻雜層；當P型無定形硅6薄層滿足肖特基勢壘自建勢可完全耗盡該薄層時，可降低肖特基勢壘高度，不會產(chǎn)生隧道漏電流，使肖特基勢壘探測器截止波長延長到長波紅外區(qū)域(大于14μm)，并提高肖特基勢壘探測器在截止波長附近的光電轉(zhuǎn)換效率；采用低于1017cm-3摻雜濃度的P型無定形硅6薄層，肖特基勢壘高度即可與常規(guī)的相同。
參見附圖3所示三層肖特基勢壘紅外探測器頂視結(jié)構示意圖，圖中所示為多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器頂視結(jié)構示意圖，它與常規(guī)光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器區(qū)別在于多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器在硅化物敏感膜區(qū)疊加了三層P型無定形硅6和三層硅化物敏感膜3，這表明本發(fā)明的多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器制作工藝與常規(guī)光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器相似且兼容；參見附圖3，多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器的二、三層硅化物敏感膜3通過過渡區(qū)(其中過渡區(qū)為鉑族金屬與N型保護環(huán)4反應形成的N型硅化物)與第一層硅化物敏感膜3及硅N型區(qū)連為一體。
權利要求
1.一種多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器，它包括金屬反射鏡(1)、光腔介質(zhì)(2)、硅化物敏感膜(3)、N型保護環(huán)(4)、N+電極、P+電極、P型襯底(5)和抗反射膜(7)，其特征在于所述的硅化物敏感膜(3)可有多層；兩兩硅化物敏感膜(3)間及其與光腔介質(zhì)(2)間都夾有P型無定形硅(6)；各層硅化物敏感膜(3)都與N型保護環(huán)(4)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器，其特征在于各層硅化物敏感膜(3)作為整體把其間的P型無定形硅(6)完全包裹并與N型保護環(huán)(4)連接；光腔介質(zhì)(2)將最頂層的P型無定形硅(6)和硅化物敏感膜(3)外表面完全覆蓋。
3.根據(jù)權利要求1所述的多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器，其特征在于所述的硅化物敏感膜(3)有三層，則共有三層P型無定形硅(6)，其中兩層P型無定形硅(6)夾在三層硅化物敏感膜(3)間，還有一層P型無定形硅(6)覆蓋在最頂層的硅化物敏感膜(3)之上。
4.根據(jù)權利要求3所述的多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器，其特征在于所述的三層硅化物敏感膜(3)和三層P型無定形硅(6)的總厚度為5～25nm。
5.根據(jù)權利要求4所述的多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器，其特征在于所述的硅化物敏感膜(3)厚度在2nm以內(nèi)。
6.根據(jù)權利要求1所述的多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器，其特征在于所述的P型無定形硅(6)，其摻雜濃度為1014～1017cm-3。
7.根據(jù)權利要求1所述的多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器，其特征在于所述的P型無定形硅(6)，其摻雜濃度為1018～1021cm-3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多層敏感膜光腔結(jié)構肖特基勢壘紅外探測器，它包括金屬反射鏡、光腔介質(zhì)、硅化物敏感膜、N型保護環(huán)、N+電極、P+電極、P型襯底和抗反射膜，其特征在于所述的硅化物敏感膜可有多層；兩兩硅化物敏感膜間及其與光腔介質(zhì)間都夾有P型無定形硅，各層硅化物敏感膜都與N型保護環(huán)連接；本發(fā)明選用三層硅化物敏感膜結(jié)構作為一種優(yōu)選結(jié)構，硅化物敏感膜上下兩面均為硅，經(jīng)多次散射滿足注入硅條件的熱空穴可注入硅中，與常規(guī)結(jié)構相比熱空穴注入硅中的幾率增加約1倍；本發(fā)明的有益技術效果是可將光電轉(zhuǎn)換效率提高到常規(guī)肖特基勢壘紅外探測器的3倍以上，制作工藝與常規(guī)肖特基勢壘紅外探測器兼容。
文檔編號H01L31/102GK101221995SQ20081006929
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月23日 優(yōu)先權日2008年1月23日
發(fā)明者平 熊, 李華高, 白雪平, 飛 龍, 立 李, 陳紅兵, 李仁豪 申請人:中國電子科技集團公司第四十四研究所