一种氦离子注入提升硅基探测器红外响应的方法

1.本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种氦离子注入提升硅基探测器红外响应的方法。


背景技术：

2.光电探测器是光电子领域的基础器件，主要功能是将光信号转换成电信号，已经被广泛应用于通信互联、传感成像等领域。硅基光电探测器是光电探测器的一种，以硅为主要的制作材料。传统的硅基光电探测器基于光电效应，高于特定频率的光入射使电子跃迁到导带变为自由载流子，从而产生电流；探测器通过测量电流得到相应的光功率。硅的禁带宽度为1.1ev，对应于1.1μm光波长，因此传统硅基光电探测器对于红外波段响应较差，难以直接应用于通信波段(主要对应1.3μm及1.55μm光波长)。
3.离子注入是半导体领域一种重要的掺杂技术。离子注入是在较低温与真空环境下，利用电场加速杂质离子，使获得动能的杂质离子直接进入半导体材料，杂质离子在进入材料之后与半导体材料中的原子发生互相作用逐渐损失能量，最终停留在半导体材料内部。
4.每种半导体材料内部都存在源自杂质离子、双空穴或是表面反应引起的缺陷态。当光子入射时，缺陷态的存在会引起缺陷态吸收产生自由载流子，形成电流。缺陷态吸收属于亚带隙吸收的一种，可以使光电探测器对能量小于其禁带宽度的光子产生响应。传统的硅基光电探测器由于响应机理的限制，无法探测红外波段的光信号或是对红外波段响应较弱。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种氦离子注入提升硅基探测器红外响应的方法，本发明利用氦离子注入在硅基光电探测器中引起缺陷态吸收，可以提升传统硅基光电探测器的红外响应，并且无需较大改动外围读出电路与封装方式，详见下文描述：
6.一种氦离子注入提升硅基探测器红外响应的方法，所述方法包括：
7.将氦离子注入硅材料中产生缺陷态，当入射到硅基光电探测器上的光功率发生改变时，缺陷态吸收效应与表面态吸收效应同时作用会导致硅基光电探测器的光敏区域的导纳发生变化，实现硅基光电探测器对红外波段光功率的监测；
8.所述硅基光电探测器为基于表面态吸收原理的垂直耦合透明光电探测器，包括：光敏探测器和信号读出电路。
9.进一步地，所述光敏探测器由光敏面、氧化层、金电极、及衬底组成，待测光信号入射到光敏面上时，通过亚带隙吸收改变器件导纳。
10.在一种实施方式中，所述氦离子注入采用氦离子显微镜，使用30kv的加速电压采用扫描的方式注入，每次注入针对0.25
×
0.25nm2的格点，直至遍历整个目标注入区域。
11.在一种实施方式中，所述信号读出电路以器件导纳作为读出信号，
12.所述信号读出电路由跨阻放大器和锁相放大器组成，所述锁相放大器提供交流驱动电压，电流信号经所述跨阻放大器放大后输入至所述锁相放大器的接收端进行信号处理，测得器件的导纳变化；
13.通过校准过的光功率与导纳变化的关系曲线，计算出器件探测到的光功率。
14.进一步地，所述方法还包括：
15.氦离子注入硅基光电探测器后，经测试得到不同光功率下器件导纳与驱动电压源工作频率的关系，找到导纳变化最明显的频率作为工作点；
16.确定工作频率后，重新标定不同波长下光功率与导纳变化的关系。
17.本发明提供的技术方案的有益效果是：
18.1、在本发明之前，硅基光电探测器对波长大于1.1μm的红外波段无响应或响应较弱，灵敏度较差，光功率探测的准确性受本底噪声影响较大；本发明通过氦离子注入在硅基光电探测器中引入缺陷态吸收这一机制，并通过对输出信号进行锁相读出，提高了硅基光电探测器的红外响应，提高拓宽硅基光电探测器的探测光谱范围，拓展了应用领域；
19.2、本发明在提升探测器灵敏度的同时增大了器件信噪比，改善了硅基光电探测器光功率探测的准确性；该注入氦离子的方法不增加器件结构和读出电路的复杂度。
附图说明
20.图1为氦离子注入硅基光电探测器的示意图及硅基光电探测器光学显微镜照片示意图；
21.其中，(a)为氦离子注入硅基光电探测器的示意图，硅光敏区面积为5m
×
5μm，厚度为220nm，光敏区底部氧化层厚度为3μm，硅衬底厚度为725μm，光敏区两侧为钛/金电极，氦离子从光敏区顶部注入到光敏区内部；(b)为硅基光电探测器光学显微镜照片。
22.图2为注入氦离子的硅基光电探测器加工流程图；
23.图3为注入氦离子的硅基光电探测器测试装置图；
24.图4为无光时不同he离子注入量下硅基光电探测器导纳与驱动频率关系图；
25.图5为he离子注入量为0.01ions/nm2时硅基光电探测器的导纳和光功率二维扫描图；
26.其中，(a)为he离子注入量为0.01ions/nm2时硅基光电探测器的导纳二维扫描图；(b)为he离子注入量为0.01ions/nm2时硅基光电探测器的光功率二维扫描图。
27.图6为he离子注入量为0.01ions/nm2时硅基光电探测器在不同驱动频率和光功率下的导纳示意图；
28.其中，(a)为he离子注入量为0.01ions/nm2时不同光功率下硅基光电探测器导纳与驱动频率的关系；(b)为he离子注入量为0.01ions/nm2时硅基光电探测器导纳变化量与光功率的关系。
29.图7为不同he离子注入量下硅基光电探测器的灵敏度和响应度示意图；
30.其中，(a)为不同he离子注入量下硅基光电探测器的灵敏度，其中虚线为未注入离子的硅基光电探测器的灵敏度；(b)为不同he离子注入量下硅基光电探测器的响应度，其中虚线为未注入离子的硅基光电探测器的响应度。
31.图8为未注入离子和注入离子量为0.01ions/nm2的硅基光电探测器响应谱图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
33.为了解决背景技术中存在的问题，本发明实施例利用氦离子注入硅材料产生的缺陷态及缺陷态吸收，可以增强硅基光电探测器的红外响应，拓宽光电探测器的可探测波长范围，从而扩大光电探测器的应用范围与应用场景。
34.本发明提供了一种基于氦离子注入的改进硅基光电探测器红外响应的方法，与传统光电探测器技术兼容性较好，对于改进光电探测器有应用前景与帮助。
35.本发明的总体技术方案为：利用氦离子注入技术提升硅基光电探测器在红外波段的响应。硅基光电探测器为基于表面态吸收原理的垂直耦合透明光电探测器，包括：光敏探测器和信号读出电路；光敏探测器由光敏面、氧化层、金电极、及衬底组成，待测光信号入射到光敏面上时，通过亚带隙吸收(缺陷态吸收与表面态吸收)改变器件导纳；信号读出电路以器件导纳作为读出信号。
36.其中，信号读出电路由跨阻放大器和锁相放大器组成。锁相放大器提供交流驱动电压，电流信号经跨阻放大器放大后输入至锁相放大器的接收端进行信号处理，测得器件的导纳变化；通过校准过的光功率与导纳变化的关系曲线，计算出器件探测到的光功率。
37.氦离子注入采用氦离子显微镜。进行氦离子注入时，使用30kv的加速电压。对整个器件采用扫描的方式注入，每次注入针对0.25
×
0.25nm2的格点，注入一定量之后即转移到下一个面积相同的待注入区域继续注入，直至遍历整个目标注入区域。可以在一定范围内控制氦离子的注入剂量，即：每平方纳米面积上注入的氦离子数目。
38.实施方式一：
39.参见图2，利用氦离子显微镜将氦离子注入硅芯片，当入射到硅基光电探测器上的光功率发生改变时，缺陷态吸收效应与表面态吸收效应同时作用会导致器件光敏区域的导纳发生变化。基于此种现象可以实现硅基光电探测器对红外波段光功率的监测。
40.图3为注入氦离子的硅基光电探测器进行光功率监测的实验装置示意图。锁相放大器输出一个频率可变的正弦电压，该电压从器件的一端钛金电极输入作为驱动信号，再通过另一端钛金电极输出；输出的信号经过跨阻放大器(tia)放大之后返回到锁相放大器中进行解调，换算解调值得到器件的导纳。
41.实施方式二：
42.氦离子注入后硅基光电探测器需要重新校准：经测试得到不同光功率下器件导纳与驱动电压源工作频率的关系，找到导纳变化最明显的频率作为工作点；确定工作频率后，重新标定不同波长下光功率与导纳变化的关系。
43.图4为无光时不同氦离子注入量下硅基光电探测器导纳与驱动频率的关系。可以根据这些曲线的特征进行初步筛选，确认合适的氦离子注入剂量。
44.图5为氦离子注入0.01ions/nm2时硅基光电探测器反射光功率与导纳的二维扫描图。利用此图可以对比确认器件电极与光敏区的位置和轮廓，便于测试对准。
45.图6(a)为氦离子注入0.01ions/nm2时硅基光电探测器在不同光功率下导纳与驱动频率的关系；图6(b)为500hz下相同氦离子注入量时硅基光电探测器导纳变化量与光功率的关系。利用图6(a)可以确定导纳变化最明显的驱动频率作为工作点；利用图6(b)标定
1550nm波长下光功率与导纳变化的关系。
46.图7为不同氦离子注入量下硅基光电探测器的灵敏度与响应度。利用这两种关系，根据不同测试环境对灵敏度与响应度的需求可以确定所需的氦离子注入量。
47.图8为未注入氦离子和注入氦离子0.01ions/nm2时硅基光电探测器的响应谱。从图8中可以看出注入氦离子后的器件在整个测试波段的响应均优于为注入时的器件，说明注入氦离子的确可以提升硅基探测器的红外响应。
48.综上所述，通过上述的图4
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图8验证了本发明实施例设计的方法提升了此类探测器在红外波段1200纳米到1800纳米的响应度。
49.本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
50.本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
51.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。