硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器及其制造方法，探测器包括p型掺杂硅单晶衬底，金字塔减反射结构分别形成于p型掺杂硅单晶衬底的上、下表面，硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜形成于p型掺杂硅单晶衬底的上表面的金字塔减反射结构的表面；硅氧化物介质钝化层形成于硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜的表面；正面接触栅电极形成在硅氧化物介质钝化层的表面；背面接触电极形成在p型掺杂硅单晶衬底的下表面的金字塔减反射结构的表面。本发明在硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜的制备过程加入了表面减反射结构，这可以增强它的红外吸收。
【专利说明】硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新型硅基红外探测器领域，具体涉及一种硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]普通的晶体硅光电探测器早已商业化了，它的响应波长范围从200nm到llOOnm，峰值响应波长大约在800nm左右。它不能探测到更长波长的光，比如1310nm和1550nm这2个重要的光纤通讯波长，是因为室温下晶体硅的带隙为1.12eV，对应的光子波长为IIOOnm,更长波长(或更低能量)的光子不能激发晶体娃价带的电子跃迁到导带，也就不能产生光电流，因此也就没有光响应了。因此，若想拓展晶体硅光电探测器的响应波长，首先要对晶体硅材料进行改性，使它可以吸收更长波长的红外光。
[0003]1998年哈佛大学的Eric Mazur教授领导的研究小组发现在六氟化硫气氛中，用飞秒激光扫描娃表面，可以获得一种后来称之为黑娃的新型娃材料(Appl.Phys.Lett.73,1673 (1998))。这种黑硅材料可以全部吸收波长从250nm到2500nm范围内的光，并且吸收率都在90%以上(Appl.Phys.Lett.78,1850(2001))。后来的研究表明，黑硅表面布满了微米级的尖锥结构，减少反射率的效果非常好；另外，黑硅内部硫的掺杂浓度达到了 1020cm_3，对应的原子百分比大约为1%，这比硫在硅中的饱和溶解度高5个数量级，这些硫原子在硅中以各种形态存在，它们形成的杂质带填满了硅的禁带。这两方面的原因共同造就了黑硅材料宽光谱、强吸收的优异光吸收特性。Mazur教授领导的研究小组将黑硅做成了探测器，他们发现这种新型探测器在400nm到1700nm的波长范围内都有响应，最高响应在1060nm波长，达到了 100A/W，是商用硅探测器的100倍；它在通讯波长1330nm和1550nm处的响应分别为50mA/W和35mA/W，比商用的硅探测器高5个数量级，但比商用的锗和铟镓砷探测器小I个数量级(Opt.Lett.30，1773(2005))。黑硅在红外波段的强吸收与低响应之间的巨大反差是由于皮秒激光在刻蚀晶硅表面的时候形成了大量的晶格缺陷，硫原子在晶硅内部也形成大量的缺陷，这些表面和内部的晶格缺陷是光生载流子的有效复合中心，导致光生载流子的寿命短，迁移率低，俄歇复合严重等，这些原因共同造成了黑硅在红外波段的低响应度。
[0004]2006年哈佛大学另一位教授Michel Aziz领导的研究小组用离子注入加纳秒激光退火的方法，也制备出了硫超饱和掺杂的硅材料。这种硅材料表面平整，内部结晶性也很好，它在可见波长的吸收为70%，在红外波长的吸收为30%左右(Appl.Phys.Lett.88，241902(2006))。表面平整可以保证衬底与金属电极之间能够形成良好的接触；晶格缺陷少可以使光生载流子的寿命变长，对电极收集光生载流子有利。用它制成的探测器不加反向电压时，在可见光波段的量子效率比商用硅探测器小I倍，在红外光波段的最长探测波长没有拓展；当在这种探测器上加12V反向偏压时，在可见光波段量子效率提高了 I个数量级以上，在红外光波段的响应波长拓展到了 1250nm(Appl.Phys.Lett.99，073503 (2011))。这些探测器的性能并不尽如人意，比如不加电压时它的性能还不如商用的硅探测器，加了 12V的反向电压后它的红外探测波长也只是延伸到了 1250nm，这个响应波长远小于材料出现强吸收的波长(2500nm以上)。出现上述问题的原因，一方面是材料内部仍旧遗留有透射电镜(TEM)难以探测到的点缺陷(J.Vac.Sc1.Technol.B25，1847(2007))，这会减少光生载流子的寿命和迁移率；另一方面是材料的红外吸收太低(30% )，这会导致光生载流子的产额小。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]本发明所要解决的问题是提高硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器的响应度，延长这种硅红外探测器的红外响应波长。
[0007]( 二 )技术方案
[0008]为达到上述目的，本发明一方面提出了一种硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器，其包括P型掺杂硅单晶衬底、金字塔减反射结构、硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜、硅氧化物介质钝化层、正面接触栅电极和背面接触电极，其中，所述金字塔减反射结构分别形成于所述P型掺杂硅单晶衬底的上、下表面，金字塔减反射结构是指硅(100)取向单晶衬底在例如异丙醇和氢氧化钠组成的刻蚀液中，由于对硅各晶向的刻蚀速率不同而在衬底表面形成了金字塔形的结构；所述硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜形成于所述P型掺杂硅单晶衬底的上表面的金字塔减反射结构的表面；所述硅氧化物介质钝化层形成于硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜的表面；所述正面接触栅电极形成在所述硅氧化物介质钝化层的表面；所述背面接触电极形成在所述P型掺杂硅单晶衬底的下表面的金字塔减反射结构的表面。
[0009]本发明另一方面提出一种制造硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器的方法，包括如下步骤:
[0010]步骤S1:在P型掺杂硅单晶衬底的上下表面进行制绒，以在该上下表面形成金字塔减反射结构；
[0011]步骤S2、在制绒后的P型掺杂硅单晶衬底的下表面蒸镀一层背面接触电极材料膜，然后在高温下对背面接触电极材料膜进行热退火，形成背面接触电极；
[0012]步骤S3:在制绒后的p型掺杂硅单晶衬底的上表面生长硫族元素超饱和掺杂的硅非晶薄膜，并对该非晶薄膜进行退火，得到硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜；
[0013]步骤S4、在硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜表面制作硅氧化物介质钝化层，并在该钝化层上制作正面接触栅电极。
[0014](三)有益效果
[0015]1、本发明提出的这种硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器及其制作方法，是利用超高真空分子束外延技术可以精确控制薄膜的组分和厚度这一独特优势，制备出高吸收系数和超薄的硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜作为红外光的吸收层。超饱和掺杂硅晶态薄膜越薄，光生少数载流子在它内部淬灭的几率越小，而高的红外吸收系数又可以保证红外光被大部分吸收。另外，本发明在硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜的制备过程，加入了表面减反射结构，这可以增强它的红外吸收。
[0016]2、本发明选用较薄的硅单晶衬底，有利于光生载流子尽快被背面电极收集，避免它们重新扩散到超饱和掺杂硅晶态薄膜内被淬灭。另外，在P型掺杂硅单晶衬底背面形成的招背场，与衬底之间构建起一个p/p+的内建电场，这也有利于光生载流子的快速迁移和收集。
[0017]3、本发明提出的这种硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器及其制作方法，工艺过程可以与标准硅工艺集成，这可以大大降低生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器的示意图；
[0019]图2为本发明的制造硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020]本发明提出了一种硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器及其制作方法，通过加入表面化学制绒这一步骤，来提高硫族元素超饱和掺杂硅在红外波段的光吸收。
[0021]由于光生载流子在硫族元素超饱和掺杂硅内迁移率低、寿命短，并考虑到硫族元素超饱和掺杂硅薄膜在红外波段的高吸收系数(KMcnT1)，真空沉积较薄的硫族元素超饱和掺杂硅薄膜一方面可以保证对红外光的吸收，另一方面可以减少光生载流子的淬灭；背面接触铝电极与P型掺杂硅单晶衬底之间形成的p/p+梯度电场，以及选用较薄的硅单晶衬底，都有利于光生载流子在探测器背面的收集。
[0022]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0023]图1为本发明的硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器的示意图。请参阅图1，本发明提供一种硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器，该探测器包括P型掺杂硅单晶衬底1、金字塔减反射结构2、硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜4、硅氧化物介质钝化层5、正面接触栅电极6和背面接触电极3。
[0024]所述P型掺杂硅单晶衬底I的厚度为20至200 μ m,电阻率为I至1000 Ω.cm。
[0025]所述金字塔减反射结构2分别形成于该P型掺杂硅单晶衬底I的上、下表面。金字塔减反射结构是指硅(100)取向单晶衬底在例如异丙醇和氢氧化钠组成的刻蚀液中，由于对硅各晶向的刻蚀速率不同而在衬底表面形成了金字塔形的结构。
[0026]所述硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜4形成于P型掺杂硅单晶衬底I的上表面的金字塔减反射结构2的表面，作为红外探测器的光吸收层。该硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜是指硫族元素以远高于它在硅中的饱和溶解度的浓度掺入硅中，并且在硅衬底的表面层以晶态薄膜的形式存在，其厚度通常为300nm左右。
[0027]所述硅氧化物介质钝化层5形成于硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜4的表面，用于钝化器件的表面，减少载流子在表面的复合，其厚度为150nm左右；
[0028]所述正面接触栅电极6形成在硅氧化物介质钝化层5的表面，用于收集光生电子，可由贵金属材料构成，比如Ti/Pd/Ag等；
[0029]所述背面接触电极3形成在P型掺杂硅单晶衬底的下表面的金字塔减反射结构的表面，用于收集光生空穴，通常采用铝材料；
[0030]本发明还提出制造上述硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器的方法，图2为本发明的制造硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器的方法的流程图，舅图2所示，本发明的方法包括如下步骤:
[0031]步骤S1:在p型掺杂硅单晶衬底I的上下表面进行化学制绒，以在该上下表面形成金字塔减反射结构2。
[0032]该步骤首先选择一个p型掺杂硅单晶衬底，然后，一般需要将p型掺杂硅单晶衬底表面清洗干净，然后再对它的上下表面进行化学制绒。所谓化学制绒是指采用化学刻蚀溶液腐蚀娃衬底表面，在衬底表面形成一些可以对入射光减反射的微结构，比如金字塔结构等。可以采用异丙醇和氢氧化钠的混合水溶液来对P型掺杂硅单晶衬底进行化学制绒。
[0033]步骤S2、在制绒后的p型掺杂硅单晶衬底I的下表面蒸镀一层背面接触电极材料(如铝)膜，然后在高温下对背面接触电极材料膜进行热退火，形成背面接触电极3。
[0034]步骤S3:在制绒后的p型掺杂硅单晶衬底I的上表面生长硫族元素超饱和掺杂的硅非晶薄膜4，并对该非晶薄膜进行退火，得到硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜4。
[0035]可以在较低的生长温度下，例如室温，通过真空共沉积硫族元素原子和硅原子，并通过控制它们的沉积速率比，获得硫族元素超饱和掺杂硅非晶薄膜4。
[0036]可以利用纳秒激光对该非晶薄膜4进行激光退火，使非晶薄膜晶化。
[0037]步骤S4、在硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜4表面制作硅氧化物介质钝化层5，并在钝化层上制作正面接触栅电极6。
[0038]可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜4表面制作硅氧化物介质钝化层5，然后光刻硅氧化物介质钝化层5，制作正面接触栅电极6，完成器件制作。
[0039]下面通过实施例来进一步说明本发明。
[0040]该实施例选择一个p型掺杂硅单晶衬底1，它的晶面取向为(001)，双面抛光，硼掺杂，电阻率为I~10 Q Cm,晶片厚度为200 i! m ;
[0041]然后，分别在三氯乙烯和异丙醇中旋转清洗硅单晶衬底I三次，除去表面的有机污染物；再分别在浓H2SO4: H2O2 (体积比1:1)溶液和HF: C2H5OH (体积比1: 10)溶液中清洗硅单晶衬底1，除去衬底表面的金属污染物和氧化层；再用去离子水将硅单晶衬底I表面冲洗干净，使用刻蚀液(NaOH:异丙醇:水=2g: 4ml: 45ml)在80°C对硅单晶衬底I制绒40分钟，使硅单晶衬底I上下表面布满金字塔减反射结构2 ；
[0042]接着，用去离子水将硅单晶衬底I冲洗干净，高纯氮气吹干，迅速传入真空热蒸发镀膜机内，在室温下，在娃单晶衬底I的下表面的金字塔减反射结构2的表面蒸镀一层铝膜，厚度为eym;再取出硅单晶衬底1，放置在高温管式炉内，在高纯氮气的保护下，在850°C高温退火铝膜3分钟，形成了背面接触电极3。
[0043]再接着，将娃单晶衬底I传入超闻真空分子束外延系统的生长室内；将娃源的蒸发速率调整为10埃每秒(A/s)，将硫源的蒸发速率调整为0.1埃每秒(A/s)，在室温下，在硅单晶衬底I的上表面的金字塔减反射结构2的表面，沉积一层厚度为IOOnm的硫超饱和掺杂硅非晶薄膜，这样硫的掺杂浓度为5X 1020cm_3 ;选用KrF(248nm)纳秒激光器对硫超饱和掺杂硅非晶薄膜进行激光退火，脉冲宽度为20ns，光束形状为3mmXlmm矩形，平均每点的脉冲数为4个，能量密度选用为0.5J/cm2，这样就得到了硫超饱和掺杂硅晶态薄膜4。
[0044]最后，在硫超饱和掺杂硅晶态薄膜4的表面，使用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)蒸镀一层硅氧化物钝化层5，厚度为IOOnm ;再对硅氧化物钝化层5进行光刻，蒸镀正面接触栅电极6 (Ti/Pd/Ag)，完成器件制作。
[0045]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器，其特征在于，包括P型掺杂硅单晶衬底、金字塔减反射结构、硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜、硅氧化物介质钝化层、正面接触栅电极和背面接触电极，其中， 所述金字塔减反射结构分别形成于所述P型掺杂硅单晶衬底的上、下表面，金字塔减反射结构是指硅(100)取向单晶衬底在刻蚀液中，由于对硅各晶向的刻蚀速率不同而在衬底表面形成的金字塔形的结构； 所述硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜形成于所述P型掺杂硅单晶衬底的上表面的金字塔减反射结构的表面； 所述硅氧化物介质钝化层形成于硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜的表面； 所述正面接触栅电极形成在所述硅氧化物介质钝化层的表面； 所述背面接触电极形成在所述P型掺杂硅单晶衬底的下表面的金字塔减反射结构的表面。
2.如权利要求1所述的硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器，其特征在于，所述P型掺杂硅单晶衬底的厚度为20至200 u m,电阻率为I至1000 Q ? cm。
3.如权利要求1所述的硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器，其特征在于，所述硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜的厚度为300nm。
4.如权利要求1所述的硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器，其特征在于，所述正面接触栅电极由贵金属材料构成。
5.如权利要求1所述的硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器，其特征在于，所述背面接触栅电极由铝材料构成。
6.一种制造硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器的方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤S1:在p型掺杂硅单晶衬底的上下表面进行制绒，以在该上下表面形成金字塔减反射结构； 步骤S2、在制绒后的p型掺杂硅单晶衬底的下表面蒸镀一层背面接触电极材料膜，然后在高温下对背面接触电极材料膜进行热退火，形成背面接触电极； 步骤S3:在制续后的p型惨杂娃单晶衬底的上表面生长硫族兀素超饱和惨杂的娃非晶薄膜，并对该非晶薄膜进行退火，得到硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜； 步骤S4、在硫族元素超饱和掺杂硅晶态薄膜表面制作硅氧化物介质钝化层，并在该钝化层上制作正面接触栅电极。
7.如权利要求6所述的硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器，其特征在于，所述p型掺杂硅单晶衬底的厚度为20至200 u m,电阻率为I至1000 Q ? cm。
8.如权利要求6所述的制作硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器的方法，其特征在于，所述硫族元素超饱和掺杂娃晶态薄膜的厚度为300nm。
9.如权利要求6所述的制作硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器的方法，其特征在于，所述正面接触栅电极由贵金属材料构成。
10.如权利要求6所述的制作硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器的方法，其特征在于，所述背面接触栅电极由铝材料构成。
【文档编号】H01L31/0352GK103762255SQ201410035355
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】王科范, 彭成晓, 刘孔, 谷城, 曲胜春, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所