基于黑硅微結(jié)構(gòu)的全硅PIN 光電探測器

鄭澤宇，羅 謙，徐開凱*，劉鐘遠，朱坤峰

1 電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 610054；

2 中國電子科技集團第四十四研究所，重慶 400060；

3 中國電子科技集團第二十四研究所，重慶 400060

1 引 言

在所有半導(dǎo)體光電探測器中，硅基光電探測器是發(fā)展時間最長、工藝最成熟的器件。因其與標準CMOS工藝的兼容性，以及硅材料本身成本低且性能穩(wěn)定的特性而備受關(guān)注。針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，硅基光電探測器已經(jīng)發(fā)展出了多樣化結(jié)構(gòu)，主要包括硅PN 結(jié)光電探測器、硅MSM 光電探測器、硅APD 光電探測器與硅PIN 光電探測器。其中硅基PIN 光電探測器憑借其高靈敏度、高響應(yīng)速度、低噪聲以及性能穩(wěn)定等特點，成為目前光電子領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的探測器之一。

由于硅是間接帶隙材料，不能吸收波長大于1100 nm 的光波，基于純硅材料無法在通信波段(1.31 μm～1.55 μm)研制出高效的光探測器。探測這些波段時必須引入鍺材料以實現(xiàn)硅基鍺PIN 光電探測器。自2007 年Intel 首次提出鍺硅PIN 光電探測器以來[1]，已有許多性能優(yōu)秀的鍺硅探測器被報道[2-5]。2017 年，Virot 等報道了一種基于橫向Si/Ge/Si 異質(zhì)結(jié)的波導(dǎo)集成硅基鍺PIN 光電探測器，在波長1550 nm 處光響應(yīng)度高達1.1 A/W，響應(yīng)帶寬超過了50 GHz[2]。2019 年，Virot 等在之前研究的基礎(chǔ)上提出一款可用于納米光子集成電路的25 Gbps 鍺硅PIN 光電探測器，在-1 V的低壓下帶寬為9 GHz，暗電流小于150 nA[3]。

在波長小于1100 nm 的可見光和近紅外光波段內(nèi)，硅PIN 光電探測器具有成本低且性能出色，被廣泛應(yīng)用于高能射線探測和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[6-8]。根據(jù)器件內(nèi)部PIN 結(jié)方向的不同，硅PIN 探測器主要分為橫向邊入射型與縱向垂直入射型。通常邊入射探測器比垂直入射探測器有更高的量子效率與光響應(yīng)度[9]。2013 年，Abdullash 報道了一款高量子效率的橫向PIN光電探測器，通過在N 阱與P 阱之間增加高阻本征層，在800 nm 處實現(xiàn)了0.62 A/W 的光響應(yīng)度與13.1 GHz的3 dB 帶寬，量子效率接近96%[10]。橫向結(jié)構(gòu)探測器多采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過將光的傳播方向與載流子輸運方向分離的方法解決高量子效率與高響應(yīng)度之間的矛盾，從而提高了探測器的量子效率與響應(yīng)速度。但波導(dǎo)結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，工程量大，因此橫向邊入射探測器制作成本較高。垂直入射探測器與橫向入射探測器相比具有更大的光接收面積，工藝簡單且制作成本更低?？v向結(jié)構(gòu)探測器需要增加本征層的厚度來增加光吸收，以提高光響應(yīng)度與量子效率。但另一方面，為了提高器件響應(yīng)速度，減小載流子渡越時間，器件的本征層被要求盡量做窄，這就使得器件的量子效率有所下降。這種量子效率與響應(yīng)速度之間相互制約的關(guān)系阻礙了縱向結(jié)構(gòu)探測器性能的進一步提高。若能解決量子效率與響應(yīng)速度之間的矛盾，則垂直入射探測器的實用性更強，應(yīng)用范圍更廣。

1998 年，美國哈佛大學(xué)Mazur 團隊首次發(fā)現(xiàn)采用飛秒激光技術(shù)對硅材料進行表面改造后形成的硅微結(jié)構(gòu)具有寬光譜高吸收特性，對可見光及近紅外光波段的光幾乎全部吸收。因肉眼觀察呈黑色，這種硅微結(jié)構(gòu)被稱為“黑硅”[11-12]。黑硅的這一性質(zhì)在高性能光電探測器領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力，并且已經(jīng)被用于光伏領(lǐng)域之中研制出了高效率的太陽能電池[13]。但在硅PIN 光電探測器領(lǐng)域，黑硅結(jié)構(gòu)的應(yīng)用卻鮮有報道。

本文研制出基于黑硅微結(jié)構(gòu)層的PIN 光電探測器，提出了在不影響探測器響應(yīng)速度的情況下提升器件光響應(yīng)度的方法。通過在常規(guī)PIN 探測器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上于器件背面設(shè)置黑硅微結(jié)構(gòu)層，提高了器件對可見光及近紅外光的吸收率。這種黑硅微結(jié)構(gòu)層還優(yōu)化了探測器的表面鈍化效果，降低了器件暗電流水平。經(jīng)測試驗證，相較于常規(guī)硅PIN 光電探測器，該器件在近紅外波段的光響應(yīng)度與量子效率均有明顯提升。

2 器件結(jié)構(gòu)與制備

圖1 為基于黑硅微結(jié)構(gòu)層的全硅PIN 光電探測器的橫截面示意圖。器件包括：N 型硅襯底層(I 區(qū))、P型重摻雜光敏區(qū)(P+區(qū))、N 型重摻區(qū)(N+區(qū))、黑硅微結(jié)構(gòu)層、SiO2鈍化膜、Si3N4增透膜與金屬鋁電極。其中重摻雜層厚度約為150 nm～200 nm，P+區(qū)注入硼離子，摻雜濃度為2×1015cm-3，N+區(qū)注入磷離子，摻雜濃度為1×1015cm-3，N 型硅襯底層厚度約為250 μm。所述黑硅微結(jié)構(gòu)層利用飛秒激光技術(shù)于N+區(qū)下表面制成。器件鈍化膜設(shè)置在黑硅微結(jié)構(gòu)層表面，增透膜設(shè)置在P+區(qū)表面，P 電極與N 電極分別通過鈍化膜與增透膜上設(shè)置的電極孔與P+區(qū)、N+區(qū)接觸。

圖1 基于黑硅微結(jié)構(gòu)的全硅PIN光電探測器橫截面示意圖Fig.1 Cross-sectional schematic diagram of an all-silicon PIN photodetector based on the black silicon microstructure

這種黑硅微結(jié)構(gòu)在近紅外波段的光吸收率可達到90%以上。之所以黑硅微結(jié)構(gòu)層可以提高探測器在近紅外波段的量子效率與光響應(yīng)度，一方面是因為飛秒激光輻照硅材料的過程中，通過超短光脈沖與硅材料之間劇烈的瞬態(tài)相互作用，S 元素過飽和地摻入到Si晶格中，在硅材料表面形成突破材料固溶度極限的過飽和摻雜[14-15]。過飽和摻雜的S 元素在硅材料表面形成深能級，使得能量小于禁帶的光子也能被這種改性硅材料所吸收，從而提高硅對近紅外光的吸收率[16]。另一方面是因為這種黑硅微結(jié)構(gòu)層與背面鋁電極形成光反射鏡，可以有效地將未吸收的近紅外光反射回襯底，改變了入射光的反射途徑，增加了入射光在耗盡區(qū)內(nèi)的有效光路長度，使得耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了更多的光生載流子，光電流顯著提升。不同于文獻[17-19]中密集型或針狀的結(jié)構(gòu)，該器件形成的黑硅微結(jié)構(gòu)表面更為平緩，形成的凸點較大且分布較為均勻。在制成光電探測器過程中，這種準周期凸點狀結(jié)構(gòu)的表面鈍化效果比針狀結(jié)構(gòu)更好，可以有效降低器件的表面態(tài)密度與表面電荷復(fù)合率，減小了熱場激發(fā)電流和表面產(chǎn)生-復(fù)合電流。該黑硅微結(jié)構(gòu)層通過優(yōu)化表面鈍化效果從而減小器件的表面漏電流，達到降低器件總暗電流的目的，提高了探測器的靈敏度。

為提高器件的響應(yīng)速度，選用厚度為625 μm、電阻率為2000 Ω?cm 的高阻N 型硅材料作為襯底。首先在襯底層上表面生長SiO2氧化層，然后在所述氧化層上光刻出有源區(qū)，采用離子注入與高溫擴散相結(jié)合對有源區(qū)進行摻雜處理形成P+區(qū)。隨后在完成摻雜處理的襯底層上表面生長Si3N4增透膜，之后通過背面減薄工藝將硅片減薄到250 μm 后，同樣采用離子注入與高溫擴散相結(jié)合的工藝對襯底層下表面進行摻雜處理，形成N+區(qū)。

摻雜處理完成后的硅片依次經(jīng)三氯乙烯(C2HCl3)、丙酮(C3H6O)、甲醇(CH3OH)清洗。在高濃度硫氣氛中，鈦藍寶石激光再生放大器產(chǎn)生的波長800 nm、脈沖寬度100 fs、頻率1 kHz、功率2 W 的飛秒脈沖垂直照射到N+區(qū)的下表面上，移動硅襯底使其保持一定速度相對于激光束進行平移，獲得了大面積黑硅微結(jié)構(gòu)。圖2 為制得的黑硅微結(jié)構(gòu)層的電鏡掃描圖，從圖中可以看出，襯底表面形成了約0.5 μm～1 μm高、準周期分布的暗黑色丘狀凸點，凸點較大且表面平緩。之后采用PECVD 設(shè)備在黑硅微結(jié)構(gòu)層表面生長SiO2鈍化層。最后，在增透膜與鈍化膜上分別光刻出P 電極孔與N 電極孔，在相應(yīng)電極孔內(nèi)分別制作出P 鋁電極與N 鋁電極。制成的硅光電探測器的光敏面積為5.8 mm×5.8 mm，器件封裝在T0-8 型管座內(nèi)。

圖2 黑硅微結(jié)構(gòu)層電鏡掃描圖Fig.2 Scanning electron microscope image of the black silicon microstructure layer

3 測試結(jié)果與討論

3.1 器件光譜響應(yīng)測試

光響應(yīng)度與量子效率是光電探測性能最重要的指標之一，是衡量探測器光電轉(zhuǎn)換能力的參數(shù)。光電探測器轉(zhuǎn)化的光電流與有效入射光功率的比值定義為光響應(yīng)度，器件在不同波長的光照射條件下的光響應(yīng)度即光譜響應(yīng)。外量子效率定義為一個入射光子所能產(chǎn)生的電子數(shù)目，和光響應(yīng)度是對應(yīng)關(guān)系，其轉(zhuǎn)換式：

其中：R 為光響應(yīng)度，Ip為光電流，Popt為入射光功率，ηex是量子效率，h 是普朗克常數(shù)，ν 為入射光頻率。與外量子效率對應(yīng)的物理量是內(nèi)量子效率ηin，定義為一個入射光子所產(chǎn)生的電子-空穴對的數(shù)目。對于PIN光電探測器，300 μm 的硅片可以使波長在100 nm 以下的光的內(nèi)量子效率接近100%。若設(shè)吸收層厚度為d，材料吸收系數(shù)為α，外量子效率與內(nèi)量子效率的關(guān)系：

由式(1)與式(2)可得，若要提高探測器響應(yīng)度和量子效率，可以增加吸收層厚度。在具有黑硅結(jié)構(gòu)的PIN探測器中，黑硅微結(jié)構(gòu)層與背面鋁電極形成光反射鏡，使得入射光來回反射，相當(dāng)于增加了吸收層厚度d，提高器件對光的吸收能力。

圖3(a)為本文提出的黑硅PIN 探測器GD3252Y與濱松公司生產(chǎn)的S1336 器件[20]、S3477 器件[21]和S12698[22]器件的光譜響應(yīng)曲線。由圖中可以看出，GD3252Y 的光譜響應(yīng)范圍為400 nm～1100 nm。在700 nm～1000 nm 之間，基于黑硅結(jié)構(gòu)的探測器的響應(yīng)度明顯高于同光敏面積的其他器件。該器件峰值波長為940 nm，響應(yīng)度達到了0.55 A/W。S1336 器件的峰值波長為900 nm，響應(yīng)度為0.5 A/W。S12698 的峰值波長為800 nm，響應(yīng)度為0.38 A/W。S3477 的峰值波長為960 nm，響應(yīng)度為0.42 A/W?？梢钥闯?，黑硅PIN探測器在近紅外光波段處的光響應(yīng)度相較于常規(guī)PIN探測器有明顯提升，提升幅度在10%以上。圖3(b)給出了黑硅PIN 光電探測器GD3252Y 的量子效率曲線，為便于對比，圖中還給出了常規(guī)PIN 探測器的量子效率曲線?？梢钥闯?，在10 mV 的反向偏壓下，GD3252Y器件量子效率最高可達80%。與常規(guī)PIN 探測器相比，黑硅PIN 探測器在700 nm～1000 nm 近紅外光波段內(nèi)，量子效率均有提升，其中在波長850 nm 附近的量子效率提升最大，約為16%以上。當(dāng)波長超過1000 nm后，探測器的量子效率與光響應(yīng)度迅速下降，主要是因為硅對于長波長光的吸收系數(shù)迅速降低導(dǎo)致。本文研制的黑硅微結(jié)構(gòu)探測器不同于傳統(tǒng)硅PIN 探測器，沒有采用加寬器件本征層的方式提高器件的光響應(yīng)度，因此可以實現(xiàn)在不影響探測器的響應(yīng)速度條件下提升器件的光響應(yīng)度與量子效率。

圖3 基于黑硅微結(jié)構(gòu)的硅PIN 光電探測器GD3252Y 與常規(guī)PIN 光電探測器光譜響應(yīng)和量子效率的對比曲線Fig.3 Comparison curves of spectral response and quantum efficiency between silicon PIN photodetector GD3252Y based on the black silicon microstructure and the conventional PIN photodetector

3.2 器件暗電流測試

暗電流為探測器在反向偏置且無光照情況下的泄漏電流。器件的暗電流水平?jīng)Q定了探測器所能探測器的最小光信號強度，是光電探測器最重要的參數(shù)之一。暗電流通常由體內(nèi)漏電流和表面漏電流組成，是系統(tǒng)噪聲的主要來源。

對黑硅PIN 光電探測器在常溫下光電特性的測試結(jié)果如表1 所示。當(dāng)測試所加反向偏置電壓為10 mV時，測得基于黑硅微結(jié)構(gòu)層的PIN探測器暗電流為700 pA 左右，低于一般PIN 光電探測器nA 級別的暗電流水平，與濱松S1336 與S12698 器件暗電流水平相當(dāng)，滿足應(yīng)用于微光探測的器件要求。

表1 基于黑硅微結(jié)構(gòu)的PIN 光電探測器的光電特性(Ta=23 ℃)Table 1 Photoelectric characteristics of the PIN photodetector based on the black silicon microstructure(Ta=23 ℃)

3.3 器件響應(yīng)速度測試

影響探測器響應(yīng)速度的主要因素包括光生載流子渡越耗盡區(qū)的漂移時間、光生載流子從耗盡區(qū)外擴散至耗盡區(qū)的擴散時間以及探測器本身電容的充放電時間(RC 時間常數(shù))。為提高器件的響應(yīng)速度，通常將本征區(qū)(I 區(qū))完全耗盡，使得擴散時間接近于零，并且盡可能將I 區(qū)做窄，減小光生載流子的距離，縮短漂移時間。由于探測器本身也是一種阻抗原件，在光電轉(zhuǎn)換的過程中存在一定的時間常數(shù)。最小化器件電容，可降低RC 時間常數(shù)，提高器件響應(yīng)速度。

硅基PIN 光電探測器的電容主要通過影響上升時間而直接影響器件的響應(yīng)速度，器件的電容越小，上升時間越短。當(dāng)測試電壓為10 mV 反向偏置電壓，頻率為10 MHz 時，器件結(jié)電容典型值為280 pF。測試所得的黑硅PIN 探測器電容特性曲線如圖4 所示，從圖中可以看出，器件的結(jié)電容隨反向偏壓的增大呈現(xiàn)出先急劇減小后基本不變的趨勢，約在10 V 后趨于穩(wěn)定。這是由于反向偏壓較小時，耗盡區(qū)沒有完全展寬。隨著反向偏壓增大，耗盡區(qū)展開的寬度也隨之增大，使得結(jié)電容迅速減小。當(dāng)耗盡區(qū)完全展寬后其寬度不再產(chǎn)生變化，并且小光強入射條件下耗盡區(qū)內(nèi)存在的堆積載流子的影響較小，因此探測器的電容基本趨于穩(wěn)定。由表1 可知，測試得器件的響應(yīng)時間為200 ns，符合快速響應(yīng)光電探測器等應(yīng)用要求。

圖4 基于黑硅微結(jié)構(gòu)的全硅PIN光電探測器電容特性曲線Fig.4 Capacitance characteristic curve of the all-silicon PIN photodetector based on black silicon microstructure

4 結(jié) 論

報道了基于黑硅微結(jié)構(gòu)的全硅PIN 光電探測器。該器件采用飛秒激光技術(shù)，在常規(guī)PIN 光電探測器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增設(shè)黑硅結(jié)構(gòu)層，以提高器件對近紅外光的吸收能力。對器件的光電特性進行測試后，測試結(jié)果表明，相較于常規(guī)硅PIN 光電探測器，該器件在近紅外光波段處的光響應(yīng)度提升約10%，量子效率達到80%。本文提出一種解決縱向結(jié)構(gòu)垂直入射型全硅PIN探測器量子效率與響應(yīng)速度之間的矛盾的方法，改善了因長波光子在普通硅材料中穿透深度較大而導(dǎo)致全硅探測器在近紅外光波段響應(yīng)特性差的現(xiàn)狀。相對于傳統(tǒng)密集針狀黑硅結(jié)構(gòu)，這種平緩?fù)裹c狀的黑硅微結(jié)構(gòu)層表面鈍化效果較好，可降低光電探測器的暗電流水平。