专利名称：多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种光腔结构肖特基势垒红外探测器，尤其涉及一种多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器。
背景技术：
早在上个世纪四十年代初，光电型红外探测器就问世了，五、六十年代肖特基势垒红外探测器的相关研究就已经开始了；1973年，罗马空气研究中心的F.D.Shepherd和A.C.Yang就提出了硅化物肖特基势垒红外探测器焦平面阵列概念；在1975～1979年，由E.S.Kohn和S.A.Rooslid等文献就报道了，制作的肖特基势垒红外钯硅(Pd2Si)或铂硅(PtSi)探测器敏感膜厚度为60nm左右，探测器的光响应率相对较低，对4μm波长铂硅肖特基势垒红外探测器红外光电转换效率为0.1％；到了1980年，R.W.Taylor和W.F.Kosonocky等就报道了，制作的肖特基势垒红外钯硅或铂硅探测器敏感膜厚度为2～10nm，探测器具有光腔结构，光响应效率前期制作的厚敏感膜探测器改进约10倍，对4μm波长铂硅肖特基势垒红外探测器红外光电转换效率为1％；1982年P.W.Pellegrini等又报道了，铱硅(IrSi)肖特基势垒红外探测器可用于探测8～10μm波长范围红外光。直到上个世纪九十年代，肖特基势垒红外探测器的相关研究才有了长足的发展，1990年W.F.Kosonocky等报道的具有优化光腔结构的铂硅肖特基势垒红外探测器，铂硅敏感膜厚度为2nm，对4μm波长红外光电转换效率为1～2％；1995年T.L.Lin等报道的在铂硅/硅界面生长一薄层(0.1～0.5nm)高浓度(1018～1021cm-3)硼掺杂层，可使铂硅肖特基势垒红外探测器截止波长在5.7～22μm范围变化，提高铂硅肖特基势垒红外探测器在5μm附近的光电转换效率约5倍；本世纪2000年，Farshi Raissi等报道的多孔铂硅肖特基势垒红外探测器，在多孔硅上形成铂硅敏感膜，红外探测器光电转换效率可大于10％。
但是，多孔铂硅肖特基势垒红外探测器与常规光腔结构肖特基势垒红外探测器相比，单位面积的敏感膜面积大大增加，提高了探测器光电转换效率，但因多孔硅孔径为2μm，孔深为8μm，制作光响应均匀的20～40μm小单元尺寸探测器阵列存在困难。
综上所述，肖特基势垒红外探测器从无到有，从较低性能到较高性能，一直发展到现阶段的多孔铂硅肖特基势垒红外探测器，其中，常规的肖特基势垒红外探测器光电转换效率低，多孔铂硅肖特基势垒红外探测器虽然光电转换效率较常规的肖特基势垒红外探测器高，但又难于制作小单元尺寸探测器阵列。
发明内容
本发明提供了一种光电转换效率高，制作工艺与常规肖特基势垒红外探测器兼容的多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器。
本发明的多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器，它包括金属反射镜、光腔介质、硅化物敏感膜、N型保护环、N+电极、P+电极、P型衬底和抗反射膜，其特征在于所述的硅化物敏感膜可有多层；两两硅化物敏感膜间及其与光腔介质间都夹有P型无定形硅；各层硅化物敏感膜都与N型保护环连接。
各层硅化物敏感膜作为整体把其间的P型无定形硅完全包裹并与N型保护环连接；光腔介质将最顶层的P型无定形硅和硅化物敏感膜外表面完全覆盖。
所述的硅化物敏感膜有三层，则共有三层P型无定形硅，其中两层P型无定形硅夹在三层硅化物敏感膜间，还有一层P型无定形硅覆盖在最顶层的硅化物敏感膜之上。
所述的三层硅化物敏感膜和三层P型无定形硅的总厚度为5～25nm。
所述的硅化物敏感膜厚度在2nm以内。
所述的P型无定形硅，其掺杂浓度为1014～1017cm-3。
所述的P型无定形硅，其掺杂浓度为1018～1021cm-3。
本发明的有益技术效果是可将光电转换效率提高到常规肖特基势垒红外探测器的3倍以上，制作工艺与常规肖特基势垒红外探测器兼容。
附图1，常规肖特基势垒红外探测器结构示意图； 附图2，三层肖特基势垒红外探测器结构示意图； 附图3，多层肖特基势垒红外探测器顶视结构示意图； 附图中金属反射镜1、光腔介质2、硅化物敏感膜3、N型保护环4、P型衬底5、P型无定形硅6、抗反射膜7。
具体实施例方式 一种多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器，它包括金属反射镜1、光腔介质2、硅化物敏感膜3、N型保护环4、N+电极、P+电极、P型衬底5和抗反射膜7，其特征在于所述的硅化物敏感膜3可有多层；两两硅化物敏感膜3间及其与光腔介质2间都夹有P型无定形硅6；各层硅化物敏感膜3都与N型保护环4连接。
各层硅化物敏感膜3作为整体把其间的P型无定形硅6完全包裹并与N型保护环4连接；光腔介质2将最顶层的P型无定形硅6和硅化物敏感膜3外表面完全覆盖。
所述的硅化物敏感膜3有三层，则共有三层P型无定形硅6，其中两层P型无定形硅6夹在三层硅化物敏感膜3间，还有一层P型无定形硅6覆盖在最顶层的硅化物敏感膜3之上。
所述的三层硅化物敏感膜3和三层P型无定形硅6的总厚度为5～25nm。
所述的硅化物敏感膜3厚度在2nm以内。
所述的P型无定形硅6，其掺杂浓度为1014～1017cm-3。
所述的P型无定形硅6，其掺杂浓度为1018～1021cm-3。
本发明的多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器，选用三层硅化物敏感膜3结构是本发明采用的一种优选结构。
本发明主要利用以下两种原理提高探测器光电转换效率 1)薄硅化物敏感膜3中热空穴在硅化物表面多次散射，光激发的能量高于肖特基势垒高度的热空穴由硅化物层注入硅中(光电转换由此完成)的几率增加原理参见附图1所示常规肖特基势垒红外探测器结构示意图，常规光腔结构肖特基势垒红外探测器硅化物敏感膜3处于光腔介质2和P型衬底5之间，经多次散射满足注入硅条件的热空穴在硅化物敏感膜3和光腔介质2间无法注入；参见附图2所示三层肖特基势垒红外探测器结构示意图，本发明的多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器硅化物敏感膜3上下两面均为硅(此处硅包括P型衬底5和P型无定形硅6)，经多次散射满足注入硅条件的热空穴可注入硅中，与常规结构相比热空穴注入硅中的几率增加约1倍，使探测器光电转换效率增加1倍。
2)光腔结构三层硅化物敏感膜3对红外光的多重耦合吸收原理由于三层硅化物敏感膜3和三层P型无定形硅6总厚度为5～25nm，大大小于光腔介质2厚度500～900nm，因此对每层硅化物敏感膜3均可视为光腔有效；红外光透过铂硅薄硅化物敏感膜3(厚度在2nm以内)的透过率为45％，由此红外光透过第一层硅化物敏感膜3光电转换效率为1，第二层即为0.45，第三层为0.2，考虑到光敏感膜层间的光耦合作用，光电转换效率大于单独三层光敏感膜光电转换效率之和1.65。
根据上述两项光电转换效率增加因素，本发明的三层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器光电转换效率为1×2+0.45×2+0.2×2＝3.3，即是常规光腔结构肖特基势垒红外探测器光电转换率的3倍以上。
此外，三层硅化物敏感膜3之间和其顶部可制作三层重掺杂的P型无定形硅6薄层，可使肖特基势垒红外探测器截止波长延长，在5.7～22μm范围变化，提高肖特基势垒红外探测器在截止波长附近的光电转换效率；与三层硅化物敏感膜3相匹配的P型无定形硅6薄层若制作为普通掺杂的，肖特基势垒红外探测器就无截止波长延长作用。
常规光腔结构肖特基势垒红外探测器工作原理 参见附图1所示常规肖特基势垒红外探测器结构示意图，部分红外光通过抗反射膜7入射到硅化物敏感膜3被吸收，吸收的光子激发光生电子-空穴对，能量大于肖特基势垒高度且在动量空间中小于临界逃逸角度的空穴注入到P型衬底5中；部分大于临界逃逸角的空穴在薄硅化物敏感膜3和P型衬底5间及硅化物敏感膜3和光腔介质2间多次散射，角度转变为小于临界逃逸角且能量仍大于肖特基势垒高度的空穴也可注入P型衬底5中；注入P型衬底5的空穴被P+电极收集，在硅化物敏感膜3中相应留下的净电子被N+电极收集成为有效信号，其余激发的电子-空穴对，由于空穴多次反射后能量降低到低于肖特基势垒高度，电子与空穴将重新复合。
另一部分红外光透过薄硅化物敏感膜3经光腔介质2由金属反射镜1界面反射回薄硅化物敏感膜3，设计的光腔结构使红外光在薄硅化物敏感膜3界面光强最大，以增加薄硅化物敏感膜3对反射部分红外光的吸收，吸收的红外光子激发将产生电子-空穴对。
实施例 参见附图2所示三层肖特基势垒红外探测器结构示意图，图中所示为本发明的优选实施方式所采用的结构，三层硅化物敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器；在铂族(铂、铱、钯等)金属薄膜上下两面均为P型硅层，经铂族金属薄膜与P型硅层发生固相反应，生成薄硅化物敏感膜3(即铂族金属薄膜与P型硅层发生固相反应后，转化为薄硅化物敏感膜3)，该硅化物敏感膜3厚度在2nm以内(上述的P型衬底5和P型无定形硅6都属于P型硅，下文如无特别注明，参见此处定义)。
红外光被硅化物敏感膜3吸收激发电子-空穴对，能量大于肖特基势垒高度且在动量空间中小于临界逃逸角度的空穴越过肖特基势垒注入到P型硅层中；由于薄硅化物敏感膜3厚度在2nm以内，膜层中存在不连续的微孔，在电场作用下P型硅层中的空穴通过薄硅化物敏感膜3中的微孔进入P型衬底5并汇集到P+电极，薄硅化物敏感膜3层中留下的电子通过N型区汇集到N+电极，完成光电转换过程。
常规光腔结构肖特基势垒红外探测器的结构中只有一面有P型硅层，在硅化物敏感膜3/硅界面的空穴经多次散射后满足注入条件的空穴(能量大于肖特基势垒高度且在动量空间中小于临界逃逸角度的空穴)，由于在硅化物敏感膜3/光腔介质2界面不能注入到P型衬底5中，空穴需经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。
根据Hammam Elabd等提出的理论，空穴注入几率Pt可由下列公式算出 ① ② 式中hv为光子能量(h为普朗克常量，v为入射光子的频率)； P(hv)为空穴逃逸几率； t为硅化物敏感膜3厚度； L为空穴衰减长度； n为能量为hv的光子最大散射次数； ψms为肖特基势垒高度； 本发明所采用的优选实施例采用三层硅化物敏感膜3结构的探测器，由于硅化物敏感膜3两面均有P型硅层，多次散射后满足注入条件的空穴只需经1倍硅化物敏感膜3厚度的路程即可入射到硅中，通过对公式①、②的变形，可得到本发明的空穴注入几率Pt计算公式如下 ③ ④ 式中hv为光子能量(h为普朗克常量，v为入射光子的频率)； P(hv)为空穴逃逸几率； t为硅化物敏感膜3厚度； L为空穴衰减长度； n为能量为hv的光子最大散射次数； ψms为肖特基势垒高度； ④式与②式相比，光子最大散射次数增加1倍，对于不大于2nm的硅化物敏感膜3厚度，由于L＝250nm是t的100倍以上，当L＝250nm、t＝2nm、ψms＝0.21ev、v＝1014Hz、n＝44时，可得Pt③/Pt①＝1.976，注入衬底的几率Pt增加了约1倍，即光电转换效率提高1倍。
对于厚度在2nm以内的薄硅化物敏感膜3，红外光透射率为45％，第二、三层(最底层的薄硅化物敏感膜3为第一层，后述文字参见此处定义)薄硅化物敏感膜3将有效利用透射的红外光；以第一层薄硅化物敏感膜3光电转换效率为1，则第二层薄硅化物敏感膜3光电转换效率为0.45，第三层薄硅化物敏感膜3光电转换效率为0.20，合计为1.65；与常规光腔结构肖特基势垒红外探测器结构相比，采用三层硅化物敏感膜3结构的光电转换效率为2×1.65，即本发明的多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器的光电转换效率是常规光腔结构肖特基势垒红外探测器的3倍以上。
利用镜像力降低肖特基势垒高度的原理，薄硅化物敏感膜3之间的P型无定形硅6可制作为常规浓度(1014～1017cm-3)P型掺杂层，也可制作为高浓度(1018～1021cm-3)P型掺杂层；当P型无定形硅6薄层满足肖特基势垒自建势可完全耗尽该薄层时，可降低肖特基势垒高度，不会产生隧道漏电流，使肖特基势垒探测器截止波长延长到长波红外区域(大于14μm)，并提高肖特基势垒探测器在截止波长附近的光电转换效率；采用低于1017cm-3掺杂浓度的P型无定形硅6薄层，肖特基势垒高度即可与常规的相同。
参见附图3所示三层肖特基势垒红外探测器顶视结构示意图，图中所示为多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器顶视结构示意图，它与常规光腔结构肖特基势垒红外探测器区别在于多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器在硅化物敏感膜区叠加了三层P型无定形硅6和三层硅化物敏感膜3，这表明本发明的多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器制作工艺与常规光腔结构肖特基势垒红外探测器相似且兼容；参见附图3，多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器的二、三层硅化物敏感膜3通过过渡区(其中过渡区为铂族金属与N型保护环4反应形成的N型硅化物)与第一层硅化物敏感膜3及硅N型区连为一体。
权利要求
1.一种多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器，它包括金属反射镜(1)、光腔介质(2)、硅化物敏感膜(3)、N型保护环(4)、N+电极、P+电极、P型衬底(5)和抗反射膜(7)，其特征在于所述的硅化物敏感膜(3)可有多层；两两硅化物敏感膜(3)间及其与光腔介质(2)间都夹有P型无定形硅(6)；各层硅化物敏感膜(3)都与N型保护环(4)连接。
2.根据权利要求1所述的多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器，其特征在于各层硅化物敏感膜(3)作为整体把其间的P型无定形硅(6)完全包裹并与N型保护环(4)连接；光腔介质(2)将最顶层的P型无定形硅(6)和硅化物敏感膜(3)外表面完全覆盖。
3.根据权利要求1所述的多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器，其特征在于所述的硅化物敏感膜(3)有三层，则共有三层P型无定形硅(6)，其中两层P型无定形硅(6)夹在三层硅化物敏感膜(3)间，还有一层P型无定形硅(6)覆盖在最顶层的硅化物敏感膜(3)之上。
4.根据权利要求3所述的多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器，其特征在于所述的三层硅化物敏感膜(3)和三层P型无定形硅(6)的总厚度为5～25nm。
5.根据权利要求4所述的多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器，其特征在于所述的硅化物敏感膜(3)厚度在2nm以内。
6.根据权利要求1所述的多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器，其特征在于所述的P型无定形硅(6)，其掺杂浓度为1014～1017cm-3。
7.根据权利要求1所述的多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器，其特征在于所述的P型无定形硅(6)，其掺杂浓度为1018～1021cm-3。
全文摘要
本发明公开了一种多层敏感膜光腔结构肖特基势垒红外探测器，它包括金属反射镜、光腔介质、硅化物敏感膜、N型保护环、N+电极、P+电极、P型衬底和抗反射膜，其特征在于所述的硅化物敏感膜可有多层；两两硅化物敏感膜间及其与光腔介质间都夹有P型无定形硅，各层硅化物敏感膜都与N型保护环连接；本发明选用三层硅化物敏感膜结构作为一种优选结构，硅化物敏感膜上下两面均为硅，经多次散射满足注入硅条件的热空穴可注入硅中，与常规结构相比热空穴注入硅中的几率增加约1倍；本发明的有益技术效果是可将光电转换效率提高到常规肖特基势垒红外探测器的3倍以上，制作工艺与常规肖特基势垒红外探测器兼容。
文档编号H01L31/102GK101221995SQ20081006929
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月23日 优先权日2008年1月23日
发明者平 熊, 李华高, 白雪平, 飞 龙, 立 李, 陈红兵, 李仁豪 申请人:中国电子科技集团公司第四十四研究所