一種黑矽結構及其製造方法
2023-06-01 23:26:01 3
專利名稱：一種黑矽結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及光敏材料技術領域，尤其是涉及一種黑矽結構及其製造方法。
背景技術：
晶體矽由於易提純、易摻雜、耐高溫等優點在半導體行業中具有非常廣泛的應用，但同樣也存在很多缺陷，如晶體矽表面對可見-紅外光的反射很高，而且因為禁帶寬度大，晶體娃不能吸收波長大於IlOOnm的光波，當入射光的波長大於IlOOnm時,娃探測器對光的 吸收率和響應率將大大降低。在探測這些波段時必須使用鍺、砷化鎵銦等其他材料。由於這些材料的價格昂貴、熱力學性能和晶體質量較差以及不能與現有的成熟的矽工藝兼容等缺點而限制了其在矽基器件方面的應用。因此，減少晶體矽表面的反射、擴展矽基和矽兼容光電探測器的探測波段仍然是目前最熱門的研究。為了減少晶體矽表面的反射，人們採用了許多實驗方法和技術，如光刻技術、反應離子束刻蝕、電化學腐蝕等。這些技術都能在一定程度上改變晶體矽表面及近表面形貌，達到減少矽表面反射的目的。在可見光波段，減少反射可以增加吸收，提高器件的效率。但在波長超過IlOOnm時，如果不在矽禁帶中引入吸收能級，反射減少僅僅導致透射增加，因為矽的禁帶寬度最終限制了其對長波長光的吸收。因此，要擴展矽基和矽兼容器件的敏感波段，就必須在減少矽表面反射的同時增加禁帶內的光子吸收。黑矽材料作為一種對普通矽微結構化後得到的新型功能材料對從近紫外-近紅外波段(250nm-2500nm)的光都能吸收，且吸收率高達90%。由於超高的光電導增益，黑矽材料產生的光電流是傳統矽材料的幾百倍。黑矽材料還能減少光傳感器的矽的使用量，其矽消耗量是傳統元件的幾百分之一，這樣就能節省成本，使產品更加便宜、小巧和輕便。厚度薄的元件也能集成在集成電路上。此外，基於黑矽生產的X感光設備的靈敏度非常高，拍片子是就可降低X光的放射量。由於用黑矽製造的光傳感元件能捕捉到極其微弱的光線，所以可用來製造夜視鏡和傳感器。這些應用於低照明條件下得產品目前使用的敏感材料大部分是更加昂貴的砷化鎵，因此黑矽的應用將有效降低這些產品的成本。因此，黑矽材料是製作高靈敏度紅外探測器、高量子效率雪崩二極體(APD)、高響應度紅外二極體及太陽能電池的理想材料，在遙感、光通訊及微電子等領域都具有重要的潛在應用價值。因此，提供對可見光以及近紅外光波段有良好的吸收性能、噪聲電流低、信噪比高、和/或操作簡單、成本較低的黑矽結構及其製造方法是很有必要的。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種對可見光以及近紅外光波段有良好的吸收性能的黑矽結構及其製造方法。
本發明的目的之一是提供一種噪聲電流低、信噪比高的黑矽結構及其製造方法。本發明實施例公開的技術方案包括
一種製造黑矽結構的方法，其特徵在於，包括獲取P型矽襯底；在所述P型矽襯底上形成黑矽層；在所述黑矽層中摻入受主雜質，形成摻雜的黑矽層。進一步地，所述在所述P型矽襯底上形成黑矽層包括使用反應離子刻蝕法、飛秒雷射法、電化學腐蝕法或者溼法刻蝕 法在所述P型矽襯底上形成所述黑矽層。進一步地，所述在所述黑矽層中摻入受主雜質包括使用離子注入法向所述黑矽層中注入受主雜質離子。進一步地，所述受主雜質為硼、鋁、鎵或者銦。進一步地，該方法還包括在所述摻雜的黑矽層上和所述P型矽襯底上形成電極。進一步地，該方法還包括在所述摻雜的黑矽層上形成勢壘層。進一步地，所述勢壘層是氮化矽層或者氧化矽層。本發明的實施例中還提供了一種黑矽結構，其特徵在於，包括P型矽襯底；摻雜的黑矽層，所述摻雜的黑矽層形成在所述P型矽襯底上，其中所述摻雜的黑矽層中摻入了受主雜質。進一步地，該黑矽結構還包括勢壘層，所述勢壘層形成在所述摻雜的黑矽層上。進一步地，所述受主雜質為硼、鋁、鎵或者銦。本發明的實施例中，黑體結構對可見光以及近紅外光波段有良好的吸收性能、噪聲電流低、信噪比高、並且操作簡單、成本較低。
圖I是本發明一個實施例的製造黑矽結構的方法的流程示意 圖2是本發明一個實施例的黑矽結構的截面示意 圖3是本發明另一個實施例的黑矽結構的俯視示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明的一個實施例中，一種製造黑矽結構的方法包括步驟10、步驟12和步驟14。步驟10 :獲取P型矽襯底。本發明的實施例中，首先獲取襯底材料，本發明的黑矽結果基於該襯底材料製成。一個實施例中，該襯底材料可以是P型矽。其中，P型矽是空穴導電的矽材料，例如，其中摻雜了硼的矽材料。當然，也可以是摻雜其它元素的P型矽。步驟12 :在P型矽襯底上形成黑矽層。獲得P型矽襯底後，基於該P型矽襯底，通過對該P型矽襯底的一個表面的處理，使得在該表面上的至少一定厚度材料轉變成黑矽層，從而在該P型矽襯底的該表面上形成
黑娃層O本發明的實施例中，可以使用反應離子刻蝕法、飛秒雷射法、電化學腐蝕法或者溼法刻蝕法等等方法在該P型矽襯底上形成所述黑矽層，即，用反應離子刻蝕法、飛秒雷射法、電化學腐蝕法或者溼法刻蝕法等方法對P型矽襯底的至少一個表面進行處理，從而在該至少一個表面上形成黑矽層。例如，一個實施例中，可以使用飛秒雷射法對P型矽襯底進行處理從而形成黑矽層。此時，將P型矽襯底(例如，P型單晶矽片)依次經三氯乙烯、丙酮、甲醇清洗乾淨後，置於真空腔內的可三維移動的靶臺上，真空腔的本底真空例如可以小於I. 3X10_2Pa。然後通入工作氣體氯氣(Cl2),工作壓強可以為例如6. 7X IO4Pa0採用鈦藍寶石飛秒雷射器對P型單晶矽片表面進行脈衝轟擊，經透鏡聚焦後垂直照射到矽表面上，移動靶臺使雷射光斑掃描矽表面就可以獲得大面積的P型黑矽材料。改變透鏡與矽片的距離可調整輻照在矽表面的光斑尺寸，從而改變光通量。光斑尺寸一定時，改變靶臺的移動速度可以調整照射在單位面積的矽表面上的脈衝數。本實施例中，所用的雷射波長根據實際情況可選擇為40(Γ1000納米(nm)，脈衝數的範圍可以為500-2100個脈衝，脈衝寬度可以為100飛秒(fs)至10納秒(ns)。工作氣壓 可以為60-70KPa。例如，另一個實施例中，可以使用溼法刻蝕用酸鹼溶液對P型矽襯底進行處理從而形成黑矽層。此時，在P型單晶矽襯底(P型矽襯底)上沉積氮化矽/氧化矽掩膜，然後用刻蝕液體進行刻蝕。刻蝕液體可以由強鹼或者酸和水按照一定比例來配置，刻蝕溫度一般選擇50°C左右。例如，一個實施例中，可以對以氮化矽(Si3N4)薄膜為掩膜的P型單晶矽片表面進行鹼酸溼法腐蝕，包括
步驟I :配置鹼液溶液，該鹼液溶液中可以包括氫氧化鉀、去離子水和異丙醇，然後在水浴加熱環境中對以氮化矽(Si3N4)薄膜為掩膜的P型單晶矽片進行刻蝕，得到柱狀陣列結構；
步驟2 :配置酸液溶液，該酸液溶液可以包括過氧化氫、去離子水、氫氟酸、氯金酸和乙醇，用膠頭滴管將酸液溶液均勻地滴在該P型單晶矽片上進行腐蝕，形成多孔狀微結構。這樣，可以獲得到高度為470納米(nm)、間距為2微米(Mm)的臺階微結構和孔徑範圍為80納米(nm) -120納米(nm)的多孔結構,該結構層即為黑娃層。步驟14 :在黑矽層中摻入受主雜質。獲得黑矽層之後，在步驟14中，在該黑矽層中摻入受主雜質，形成摻雜的黑矽層。本發明的實施例中，摻入的受主雜質可以是任何適合於對P型矽摻雜的元素，例如，可以是硼、鋁、鎵或者銦等等。本發明的實施例中，可以使用任何適合的方法在該黑矽層中摻入受主雜質，例如，使用熱擴散法或者離子注入法等等。例如，本發明的一個實施例中，可以使用離子注入法向黑矽層中注入受主雜質離子。例如，一個實施例中，受主雜質可以是硼，使用離子注入法向黑矽層中注入硼離子，然後，在真空和高純度氮氣或氬氣保護的環境中退火，退火溫度可以為60(T950°C，退火時間可以為15分鐘 I小時。例如，此時，硼源可以使用氟化硼(BF3)或者乙硼烷(B2H6),注入濃度可以為IO16 IO17CnT3,注入電壓可以為40千伏(Kv)，在真空度為4. 8 X KT4Pa條件下進行真空退火，退火溫度可以為500°C，退火時間可以為I小時。這樣，經過前述步驟，形成了摻雜的黑矽層/P型矽襯底的結構，其中，P型矽襯底為P層，P型矽襯底上摻雜的黑矽層為P+層，這樣，即形成了 P+/P型黑矽結構。本發明另外的實施例中，在前述實施例的基礎上，還可以在形成了摻雜的黑矽層之後，還可以在該摻雜的黑矽層上形成勢壘層。一個實施例中，可以使用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、直接氮化法、蒸發法、濺射法、熱解法在摻雜的黑矽層上形成勢壘層，該勢壘層可以是氮化矽(Si3N4)層或者氧化矽(SiO2或)層，勢壘層的厚度可以為30-90納米(nm)。通過設置該勢壘層，可以有效地增加肖特基勢壘的高度，從而抑制噪聲電流。例如，一個實施例中，使用PECVD法在摻雜的黑矽表面沉積勢壘層薄膜。其工藝條件可以採用高低混頻沉積厚度為30納米(nm)的氮化矽薄膜，在13. 56MHZ頻率下工
作10秒，380KHZ下工作5秒，交替進行。具體參數設置可以為反應氣體流量比為SiH4/NH3=30/150，襯底溫度可以為300°C，氣壓可以為500毫託(mT)，功率可以為60W。30納米(nm)厚度的氮化矽沉積時間可以為45秒。本發明的實施例中，在前述的實施例的基礎上，還可以在摻雜的黑矽層上或者勢壘層上面以及在P型矽襯底上形成電極。例如，在摻雜的黑矽層上或者勢壘層上面以及在P型矽襯底上蒸鍍金屬膜作為電極，電極材料可以選擇金，鋁，銀等金屬。鍍膜完成後，通過剝離法獲得具有所需要的形狀的電極。當在勢壘層上形成電極後，可以通過適合的刻蝕方法去除沒有被電極覆蓋的勢壘層。例如，通過反應離子刻蝕(RIE)方法刻蝕去除沒有被電極覆蓋的勢壘層。圖2為本發明的一個實施例的按照本發明前述的一個實施例製造的黑矽結構的截面示意圖。如圖2所示，本發明的一個實施例中，黑矽結構包括P型襯底I和摻雜的黑矽層2，該摻雜的黑矽層2形成在P型矽襯底I上，其中該摻雜的黑矽層2中摻入了受主雜質。一個實施例中，摻雜的黑矽層2中摻入的受主雜質為硼、鋁、鎵或者銦，或者為任何其它適合的元素。一個實施例中，黑矽結構中還包括勢壘層3，勢壘層3形成在摻雜的黑矽層2上。一個實施例中，在勢壘層3上還可以形成第一電極4，並且勢壘層3的沒有被第一電極4覆蓋的部分被去除。在P型襯底I上還設有第二電極5。圖3顯示了本發明另一個實施例的黑體結構的俯視示意圖，從圖3中可以看出第一電極4的形狀為梳狀。本發明的實施例中，黑體結構對可見光以及近紅外光波段有良好的吸收性能、噪聲電流低、信噪比高、並且操作簡單、成本較低。例如，經過測試，本發明的一個實施例中，獲得的P+/P型黑矽結構在250-1100納米(nm)波長範圍內反射率不高於20%，光吸收率高於85%;在1100-2500納米(nm)波長範圍內的光吸收率高於63%，遠遠高於普通矽材料在近紅外區域OllOOnm)的光吸收率。本發明的一個實施例中，在偏置電壓為4V時，獲得的P+/P型黑矽結構的響應波長範圍為250-2500納米(nm)，響應度範圍為40-60安培每瓦(A/W)，信噪比範圍為20-22分貝(dB)。以上通過具體的實施例對本發明進行了說明，但本發明並不限於這些具體的實施例。本領域技術人員應該明白，還可以對本發明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換隻要未背離本發明的精神，都應在本發明的保護範圍之內。此外，以上多處所述的「一個實施例」表示不同的實施例，當然也可以將其全部或部分結合在一個實施例中。·
權利要求
1.一種製造黑矽結構的方法，其特徵在於，包括 獲取P型娃襯底； 在所述P型矽襯底上形成黑矽層； 在所述黑矽層中摻入受主雜質，形成摻雜的黑矽層。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述在所述P型矽襯底上形成黑矽層包括使用反應離子刻蝕法、飛秒雷射法、電化學腐蝕法或者溼法刻蝕法在所述P型矽襯底上形成所述黑矽層。
3.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述在所述黑矽層中摻入受主雜質包括使用離子注入法向所述黑矽層中注入受主雜質離子。
4.如權利要求I所述的方法，其特徵在於所述受主雜質為硼、鋁、鎵或者銦。
5.如權利要求I至4中任意一項所述的方法，其特徵在於，還包括在所述摻雜的黑矽層上和所述P型矽襯底上形成電極。
6.如權利要求I至4中任意一項所述的方法，其特徵在於，還包括在所述摻雜的黑矽層上形成勢壘層。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於所述勢壘層是氮化矽層或者氧化矽層。
8.一種黑矽結構，其特徵在於，包括 P型矽襯底； 摻雜的黑矽層，所述摻雜的黑矽層形成在所述P型矽襯底上，其中所述摻雜的黑矽層中摻入了受主雜質。
9.如權利要求8所述的黑矽結構，其特徵在於，還包括勢壘層，所述勢壘層形成在所述摻雜的黑娃層上。
10.如權利要求8或者9所述的黑矽結構，其特徵在於所述受主雜質為硼、鋁、鎵或者銦。
全文摘要
本發明實施例公開了一種製造黑矽結構的方法，包括獲取P型矽襯底；在P型矽襯底上形成黑矽層；在黑矽層中摻入受主雜質，形成摻雜的黑矽層。本發明的實施例中，製成的黑體結構對可見光以及近紅外光波段有良好的吸收性能、噪聲電流低、信噪比高、並且操作簡單、成本較低。
文檔編號H01L31/18GK102842651SQ20121034439
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月18日 優先權日2012年9月18日
發明者李世彬, 張鵬, 吳志明, 蔣亞東 申請人:電子科技大學