光电子器件、半导体基板及其制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种光电子器件、半导体基板及其制作方法，该半导体基板包括硅衬底以及位于所述硅衬底第一表面的金属层，所述硅衬底的第一表面具有多个凹槽，所述金属层覆盖所述凹槽之间的区域以及所述凹槽的底面和侧壁。本发明中的凹槽及其表面的金属层可以看作U型波导，该U型波导存在多种模式的表面等离子激元激发，这些多种模式的表面等离子激元激发可以拓宽半导体基板的吸收带，使硅基光电子器件及硅基光电探测器得到更广泛的应用。
【专利说明】
光电子器件、半导体基板及其制作方法
技术领域
[0001]本发明涉及光电技术领域，更具体地说，涉及一种光电子器件、半导体基板及其制作方法。
【背景技术】
[0002]光电探测器是一种把光辐射能量转换为电能的光电子器件，其在军事和国民经济的各个领域都有着广泛的用途。例如，响应范围在可见光或近红外光波段的光电探测器可用于射线测量和探测、工业自动控制和光度计量等；响应范围在红外波段的光电探测器可用于导弹制导、红外热成像和红外遥感等。
[0003]虽然现有的光电探测器大多采用硅材料作为基底制作而成，但是，由于硅材料的禁带宽度较宽，因此，会导致光电探测器的探测波段主要集中于可见光波段，严重制约了其在近红外波段的应用。虽然采用锗以及砷化镓铟等材料作为基底制作的光电探测器的探测波段在近红外波段，但是，这种光电探测器的制作工艺复杂、价格昂贵、稳定性差。因此，如何将硅材料的吸收带扩展至近红外波段，以便将硅基光电探测器的探测波段扩展至近红外波段，是目前最热门的研究话题之一。
[0004]基于此，一种利用表面金属微结构来拓展硅材料吸收带的方法逐渐兴起。该方法通过在硅表面形成一层金属来使得光电探测器的响应范围不再受制于硅的禁带宽度，而是受制于硅和金属交界面处的肖特基势皇。当入射光照射到金属微结构上时，该金属微结构会激发出表面等离子体激元(SPP)，这些表面等离子体激元在非辐射衰退过程中形成的热电子会通过金属与硅交界处的肖特基势皇形成光电流，从而可以实现硅基光电探测器的近红外响应。
[0005 ]但是，现有的娃基光电探测器中的表面金属微结构只有单一模式的表面等离子体激元的激发，因此，其吸收带较窄，会影响硅基光电探测器的广泛应用。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供了一种光电子器件、半导体基板及其制作方法，以解决现有的硅基光电探测器吸收带较窄而影响硅基光电探测器广泛应用的问题。
[0007]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0008]—种半导体基板，包括:
[0009]硅衬底，所述硅衬底的第一表面具有多个凹槽；
[0010]位于所述硅衬底第一表面的金属层，所述金属层覆盖所述凹槽之间的区域以及所述凹槽的底面和侧壁。
[0011]优选的，所述凹槽为圆形凹槽或方形凹槽;所述多个凹槽呈周期性排列。
[0012]优选的，所述圆形凹槽的直径范围为0.7微米?I微米。
[0013]优选的，所述凹槽中心之间的间距范围为1.2微米?1.4微米；
[0014]所述凹槽的深度范围为1.2微米?1.8微米。
[0015]优选的，所述凹槽之间区域的金属层和所述凹槽底面的金属层的厚度范围为25纳米?35纳米；
[0016]所述凹槽侧壁的金属层的厚度范围为10纳米?20纳米。
[0017]优选的，所述金属层的材质为金或银。
[0018]一种光电子器件，包括:
[0019]半导体基板，所述硅基板为如上任一项所述的半导体基板；
[0020]位于所述硅衬底第二表面的P型掺杂区或N型掺杂区；
[0021]位于所述硅衬底第二表面的电极，所述电极与所述P型掺杂区或N型掺杂区相接，且所述第二表面为与所述第一表面对称的表面。
[0022]—种半导体基板的制作方法，应用于如上任一项所述的半导体基板，所述制作方法包括:
[0023]提供硅衬底；
[0024]在所述硅衬底的第一表面形成多个凹槽；
[0025]在所述硅衬底的第一表面上形成覆盖所述凹槽之间的区域以及所述凹槽的底面和侧壁的金属层。
[0026]优选的，在所述硅衬底的第一表面形成多个凹槽的过程包括:
[0027]在所述硅衬底的第一表面形成光刻胶层，对所述光刻胶层进行曝光显影，以形成覆盖预设凹槽的区域的多个光刻胶图案；
[0028]以所述光刻胶层图案为掩膜，形成覆盖预设凹槽的区域之间区域的金属掩膜；
[0029]去除所述硅衬底第一表面上的光刻胶层；
[0030]以所述金属掩膜为掩膜，在所述硅衬底第一表面预设凹槽的区域刻蚀出多个凹槽。
[0031]优选的，在所述硅衬底第一表面上形成覆盖所述凹槽之间的区域以及所述凹槽的底面和侧壁的金属层的过程包括:
[0032]去除所述娃衬底第一表面的金属掩膜；
[0033]在所述硅衬底的第一表面形成金属层，并使所述金属层覆盖所述凹槽之间的区域以及所述凹槽的底面和侧壁。
[0034]与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点:
[0035]本发明所提供的光电子器件、半导体基板及其制作方法，硅衬底表面的凹槽及其表面的金属层可以看作U型波导，该U型波导存在多种模式的表面等离子激元激发。其中，当入射光的能量只集中在凹槽之间区域时，对应的是基模激发模式；当入射光的能量除集中在凹槽之间区域之外，还集中在凹槽侧壁附近的区域时，对应的是高阶的激发模式。虽然单一的激发模式只能导致一个较窄的吸收带，但是，如果多种模式的吸收带在光谱上的距离够近的话，就能够连成一个较宽的吸收带，从而可以拓宽半导体基板的吸收带，使硅基光电子器件及硅基光电探测器得到更广泛的应用。
【附图说明】
[0036]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0037]图1为本发明实施例提供的半导体基板的剖面结构示意图；
[0038]图2为本发明实施例提供的半导体基板的俯视图；
[0039]图3为本发明实施例提供的半导体基板的吸收曲线图；
[0040]图4为本发明实施例提供的半导体基板的制作方法流程图；
[0041]图5为本发明实施例提供的光电子器件的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0042]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]本发明实施例提供了一种半导体基板，如图1所示，该半导体基板包括硅衬底I和位于硅衬底I第一表面的金属层2，该硅衬底I的第一表面具有多个凹槽10，如图2所示，这些凹槽10优选呈周期性排列，当然，本发明并不仅限于此。
[0044]其中，硅衬底I可以是N型硅，也可以是P型硅。本实施例中的金属层2不仅覆盖凹槽10之间的区域101，而且，覆盖凹槽10的底面102和侧壁103，需要说明的是，金属层2并未填满凹槽10，凹槽10内的金属层2的上表面低于凹槽10的顶面。
[0045]本实施例中，仅以凹槽10为圆形凹槽为例进行说明，在其他实施例中，凹槽10还可以为方形凹槽，当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，只要凹槽10的切面为U形或类似U型的结构即可，这是因为切面为U型的凹槽10及其表面的金属层2可以看作U型波导。
[0046]当入射光照射到金属层2表面时，在凹槽10表面的金属层2内会形成高度局域化的能量分布，这是表面等离子激元的特点。这些能量分布会使金属层2中产生表面等离子体激元，而在表面等离子体激元的传播过程中，会无辐射衰减产生热电子，这些热电子会跨过硅衬底I和金属层2之间的肖特基势皇进入硅衬底I形成光电流。
[0047]本发明实施例中，凹槽10及其表面的金属层2构成的U型波导中存在多种模式的表面等离子激元的激发。其中，当入射光的波长较大时，入射光的能量只集中在凹槽10之间区域，此时，对应的是基模激发模式;随着入射光波长的减小，入射光的能量除集中在凹槽10之间区域之外，还集中在凹槽10侧壁附近的区域，此时，对应的是高阶的激发模式。虽然单一的激发模式只能导致一个较窄的吸收带，但是，如果多种模式的吸收带在光谱上的距离够近的话，就能够连成一个较宽的吸收带，从而可以拓宽半导体基板的吸收带，使硅基光电子器件及硅基光电探测器得到更广泛的应用。基于此，本实施例提供的半导体基板的吸收曲线如图3所示，由图3可知，本实施例中的半导体基板的吸收带包括近红外波段(1150微米-1400微米)。
[0048]本发明实施例中凹槽10内侧壁103覆盖的金属层2是实现近红外波段高吸收的基础。如果没有凹槽10底面102或凹槽10之间区域101的金属层2，整个半导体基板的吸收率可能会略有下降，但是，如果没有凹槽10侧壁103的金属层，那么，整个半导体基板在近红外波段的吸收则几乎为零，这是由表面等离子激元的作用机理决定的。
[0049]在本发明的一个【具体实施方式】中，如图1和图2所示，呈周期排列的凹槽10中心之间的间距LI范围为1.2微米?1.4微米，优选为1.2微米;相邻凹槽10临近边缘之间的间距L2的范围为0.3微米?0.5微米，优选为0.4微米;凹槽10的深度H范围为1.2微米?1.8微米，优选为1.2微米；当凹槽10为圆形凹槽时，该圆形凹槽的直径D范围为0.7微米?I微米，优选为
0.8微米。
[0050]本发明实施例中凹槽10在近红外波段的吸收率随着凹槽深度的增加而增加，但是，当凹槽深度达到1.2微米以后吸收率就趋于饱和，不再明显变化，因此，本实施例中的凹槽10的深度优选为1.2微米，以使半导体基板在近红外波段(1150微米-1400微米)的平均吸收率在75 %左右，峰值在80 %以上。
[0051]进一步地，位于凹槽10之间区域的金属层和位于凹槽10底面上的金属层的厚度范围为25纳米?35纳米，优选为30纳米;位于凹槽10侧壁上的金属层的厚度范围为10纳米?20纳米，优选为15纳米。虽然位于凹槽10之间区域的金属层和位于凹槽底面上的金属层与位于凹槽10侧壁上的金属层是采用同一工艺同时形成的，但是，由于薄膜在水平方向和竖直方向的生长速度不同，因此，会使得凹槽10之间区域的金属层和凹槽10底面上的金属层与凹槽1侧壁上的金属层的厚度不同。
[0052]此外，还需要说明的是，本实施例中的金属层2的材质为金，当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，金属层2的材质还可以是银或铜等。
[0053]本实施例所提供的半导体基板，凹槽及其表面的金属层可以看作U型波导，该U型波导存在多种模式的表面等离子激元激发。其中，当入射光的能量只集中在凹槽之间的区域时，对应的是基模激发模式；当入射光的能量除集中在凹槽10之间区域之外，还集中在凹槽10侧壁附近的区域时，对应的是高阶的激发模式。虽然单一的激发模式只能导致一个较窄的吸收带，但是，如果多种模式的吸收带在光谱上的距离够近的话，就能够连成一个较宽的吸收带，从而可以拓宽半导体基板的吸收带，使硅基光电子器件及硅基光电探测器得到更广泛的应用。
[0054]本发明实施例还提供了一种半导体基板的制作方法，应用于上述实施例提供的半导体基板，如图4所示，该制作方法包括:
[0055]S401:提供硅衬底；
[0056]本实施例中的硅衬底可以是N型硅，也可以是P型硅。
[0057]S402:在所述硅衬底的第一表面形成多个凹槽；
[0058]其中，在硅衬底的第一表面形成多个凹槽的过程包括:
[0059]在硅衬底的第一表面形成光刻胶层，对光刻胶层进行曝光显影，以形成覆盖预设凹槽的区域的多个光刻胶图案；
[0060]以光刻胶层图案为掩膜，形成覆盖预设凹槽的区域之间区域的金属掩膜；
[0061 ]去除硅衬底第一表面上的光刻胶层；
[0062]以金属掩膜为掩膜，在硅衬底第一表面预设凹槽的区域刻蚀出多个凹槽。
[0063]具体地，在硅衬底的第一表面形成多个凹槽的过程为:
[0064]首先，用乙醇等将硅衬底即硅片样品表面清洗干净并用去离子水冲洗干净，烘干后在硅片样品表面均匀旋涂一层光刻胶，光刻胶的厚度为I微米至1.2微米。
[0065]然后，将涂好光刻胶的硅片样品放入激光直写设备中，以便将图案转移到胶上，其中，光刻胶的曝光区域为栅网状的圆形间隔即图2中的白色区域。可选的，每个圆形凹槽的直径为0.8微米，间隔L2为0.4微米。曝光之后再进行化学清洗，在曝光过程中曝光部分的光刻胶化学性质会发生变化，清洗的时候会被洗掉，而没有曝光的部分则会留在硅片样品的表面。这样清洗过后光刻胶剩下的部分就是周期性的圆形阵列即图2中的黑色区域。
[0066]之后，将硅片样品置于镀膜机中，加镀一金属掩膜如铬掩膜，该铬掩膜的膜厚在
0.7微米-0.8微米之间。这样铬掩膜就会填满栅网状的圆形间隔即图2中的白色区域。然后用丙酮对硅片样品进行清洗，洗掉圆形阵列即图2中黑色区域的光刻胶，这样最后就剩下了栅网状的铬掩膜。
[0067]本实施例中，之所以在曝光时选择曝光圆形阵列而不是曝光圆形之间的栅网状间隔，是因为我们需要刻蚀的槽的深度较大，刻蚀时间较长，直接用光刻胶作掩膜可能无法满足长时间的刻蚀需要，而铬掩膜相对较硬，能满足长时间的刻蚀需要，因此，本实施例中，以铬掩膜作为掩膜进行凹槽的刻蚀。
[0068]最后，在铬掩膜制备完毕后进行离子束刻蚀形成多个凹槽，每个凹槽的刻蚀深度优选为1.2微米。刻蚀过程尽量保证凹槽的侧壁为垂直状态，这是因为侧壁的倾斜角越大，对样品的近红外波段吸收乃至光电响应的提取的影响就会越大。
[0069]S403:在所述硅衬底的第一表面上形成覆盖所述凹槽之间的区域以及所述凹槽的底面和侧壁的金属层。
[0070]其中，在硅衬底第一表面上形成覆盖凹槽之间的区域以及凹槽的底面和侧壁的金属层的过程包括:
[0071]去除硅衬底第一表面的金属掩膜；
[0072]在硅衬底的第一表面形成金属层，并使金属层覆盖凹槽之间的区域以及凹槽的底面和侧壁。
[0073]具体地，刻蚀凹槽完毕后，去除硅衬底第一表面的金属掩膜，并将硅片样品置于镀膜机内，在表面整体镀一层金属膜即金膜，即可得到凹槽之间的区域以及凹槽的底面和侧壁覆盖有金属层的半导体基板，即得到图1和图2所示的半导体基板。
[0074]本实施例所提供的半导体基板的制作方法，在硅衬底上形成凹槽，并在凹槽表面形成金属层，凹槽及其表面的金属层可以看作U型波导，该U型波导存在多种模式的表面等离子激元激发。其中，当入射光的能量只集中在凹槽之间的区域时，对应的是基模激发模式；当入射光的能量除集中在凹槽之间区域之外，还集中在凹槽侧壁附近的区域时，对应的是高阶的激发模式。虽然单一的激发模式只能导致一个较窄的吸收带，但是，如果多种模式的吸收带在光谱上的距离够近的话，就能够连成一个较宽的吸收带，从而可以拓宽半导体基板的吸收带，使硅基光电子器件及硅基光电探测器得到更广泛的应用。
[0075]本发明的实施例还提供了一种光电子器件，具体地，该光电子器件为光电探测器，当然，本发明并不仅限于此。
[0076]如图5所示，该光电子器件包括:
[0077]半导体基板，该半导体基板为上述实施例提供的半导体基板；
[0078]位于半导体基板中硅衬底I第二表面的P型掺杂区或N型掺杂区11;
[0079]位于硅衬底I第二表面的电极3，该电极3与P型掺杂区或N型掺杂区11相接，且第二表面为与第一表面对称的表面。
[0080]其中，半导体基板包括娃衬底I和位于娃衬底I第一表面的金属层2，该娃衬底I的第一表面具有多个凹槽10;当硅衬底I为N型硅时，其第二表面的掺杂区11为P型掺杂区；当硅衬底I为P型硅时，其第二表面的掺杂区11为N型掺杂区，以便在硅衬底I中形成进行光电效应的PN结。需要说明的是，P型掺杂区是通过在硅衬底I中掺入三价杂质元素如硼或镓形成的，N型掺杂区是通过在硅衬底I中掺入五价杂质元素如磷或砷形成的。
[0081]本发明实施例中的金属层2除了产生表面等离子体激元以实现在近红外波段的高吸收外，还可以用来作为电极。金属层2与电极3可以作为提取光电流的正负电极。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，还可以在金属层2的表面制作其他电极，该电极与金属层2共同作为正电极或负电极。
[0082]本实施例所提供的光电子器件，半导体基板上的凹槽及其表面的金属层可以看作U型波导，该U型波导存在多种模式的表面等离子激元激发。其中，当入射光的能量只集中在凹槽之间的区域时，对应的是基模激发模式；当入射光的能量除集中在凹槽之间区域之外，还集中在凹槽侧壁附近的区域时，对应的是高阶的激发模式。虽然单一的激发模式只能导致一个较窄的吸收带，但是，如果多种模式的吸收带在光谱上的距离够近的话，就能够连成一个较宽的吸收带，从而可以拓宽半导体基板的吸收带，使硅基光电子器件及硅基光电探测器得到更广泛的应用。
[0083]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0084]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种半导体基板，其特征在于，包括: 硅衬底，所述硅衬底的第一表面具有多个凹槽； 位于所述硅衬底第一表面的金属层，所述金属层覆盖所述凹槽之间的区域以及所述凹槽的底面和侧壁。2.根据权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，所述凹槽为圆形凹槽或方形凹槽；所述多个凹槽呈周期性排列。3.根据权利要求2所述的半导体基板，其特征在于，所述圆形凹槽的直径范围为0.7微米?I微米。4.根据权利要求1?3任一项所述的半导体基板，其特征在于，所述凹槽中心之间的间距范围为1.2微米?1.4微米； 所述凹槽的深度范围为1.2微米?1.8微米。5.根据权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，所述凹槽之间区域的金属层和所述凹槽底面的金属层的厚度范围为25纳米?35纳米； 所述凹槽侧壁的金属层的厚度范围为10纳米?20纳米。6.根据权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，所述金属层的材质为金或银。7.一种光电子器件，其特征在于，包括: 半导体基板，所述硅基板为权利要求1?6任一项所述的半导体基板； 位于所述硅衬底第二表面的P型掺杂区或N型掺杂区； 位于所述硅衬底第二表面的电极，所述电极与所述P型掺杂区或N型掺杂区相接，且所述第二表面为与所述第一表面对称的表面。8.—种半导体基板的制作方法，其特征在于，应用于制作权利要求1?6任一项所述的半导体基板，所述制作方法包括: 提供娃衬底； 在所述硅衬底的第一表面形成多个凹槽； 在所述硅衬底的第一表面上形成覆盖所述凹槽之间的区域以及所述凹槽的底面和侧壁的金属层。9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在所述硅衬底的第一表面形成多个凹槽的过程包括: 在所述硅衬底的第一表面形成光刻胶层，对所述光刻胶层进行曝光显影，以形成覆盖预设凹槽的区域的多个光刻胶图案； 以所述光刻胶层图案为掩膜，形成覆盖预设凹槽的区域之间区域的金属掩膜； 去除所述硅衬底第一表面上的光刻胶层； 以所述金属掩膜为掩膜，在所述硅衬底第一表面预设凹槽的区域刻蚀出多个凹槽。10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，在所述硅衬底第一表面上形成覆盖所述凹槽之间的区域以及所述凹槽的底面和侧壁的金属层的过程包括: 去除所述硅衬底第一表面的金属掩膜； 在所述硅衬底的第一表面形成金属层，并使所述金属层覆盖所述凹槽之间的区域以及所述凹槽的底面和侧壁。
【文档编号】H01L31/18GK106098817SQ201610472916
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】高劲松, 刘小翼, 杨海贵, 李强, 王延超, 李资政, 王笑夷
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所