CN101887930A - 一种室温下高光电响应硅探测器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，该方法是在n型Si衬底迎光面制备具有杂质深能级的重掺杂n型Si层，在该重掺杂n型Si层上制备透明导电膜，再在该透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极；在n型Si衬底背面或迎光面制备肖特基电极作为第二电极，或者在n型Si衬底背面或迎光面形成p型Si区域，再在该p型Si区域上制备欧姆接触p电极作为第二电极。利用本发明，可以大大提高硅探测器的光电响应，即提高灵敏度，并使探测范围向红外光区域拓展。

Description

一种室温下高光电响应硅探测器的制备方法
技术领域
本发明涉及Si光电子材料技术领域，尤其涉及一种室温下高光电响应硅探测器的制备方法。
背景技术
从器件结构来看，硅光电探测器主要有p型-本征-n型(pin)和雪崩两种器件结构[1]。pin结构的器件简单，光电响应在1A/W，由于偏置电压低而可与集成电路连接；雪崩器件的结构较为复杂，尽管其光电响应在100A/W左右，但由于必须采用100～200V高压，因此只能用于分立器件。
从探测机理来分光电探测器的类型可分为光电导和光伏两种类型[2]。光电导型探测器是材料中价带电子被探测光子激发到导带、成为自由电子，而自由电子的聚集增加了材料电导率，并进一步增加了一定偏压下的电流，从而探测到光信号；光伏型探测器则是通过pn结将光生电子-空穴对分开，并在外加偏压下形成光电流，从而探测到光信号。这两种类型都涉及到Si禁带1.12eV，能量低于1.12eV(波长大于1.1μm)的光子则无法探测。想要用Si探测能量低于1.12eV的红外光，必须采用Si在低温下的光电导特性，这给实际使用带来了极大的困难。
1959年Fan和Ramdas[1]报道经离子辐照的硅能在禁带中的形成深能级，这种深能级能对波长达4000nm的红外光产生光吸收和光电流，经快中子幅照的硅在1800nm和3900nm有两个明显的吸收峰，其中1800nm吸收峰可以延伸至1550nm产生光吸收。从此以后，开展了大量的离子注入实验研究，经典半导体物理的教科书中都附有Si中杂质深能级表[2]。
2001年Marzur在超快激光与Si表面作用的研究中首次制备出了表面微米级晶锥结构，这种结构可以广谱减反太阳光，并且它的硫掺杂层可以宽谱吸收太阳光[3]。用其制备的Si探测器，其室温下红外光电响应拓展到1300nm。
本发明将激光辐照改为离子注入，从而具有了三大特点：1)小偏置电压下获得类似雪崩的超大光电响应，2)在室温下将探测信号向红外拓展，3)表面整洁，适合微电子工艺加工。
参考文献：
［1]Fan H Y，Ramdas A K，Infrared Absorption and Photoconductivity inIrradiated Silicon.Journal of Applied Physics，30：1127-1134(1959).
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发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种室温下高光电响应硅探测器的制备方法，以提高硅探测器的光电响应，即提高灵敏度，并使探测范围向红外光区域拓展。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种室温下高光电响应硅探测器的制备方法，该方法是在n型Si衬底迎光面制备具有杂质深能级的重掺杂n型Si层，在该重掺杂n型Si层上制备透明导电膜，再在该透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极；在n型Si衬底背面或迎光面制备肖特基电极作为第二电极，或者在n型Si衬底背面或迎光面形成p型Si区域，再在该p型Si区域上制备欧姆接触p电极作为第二电极。
上述方案中，所述第一电极和第二电极分别在Si衬底的迎光面和背面，该方法具体包括：
采用离子注入、或激光掺杂或热扩散的方法，在n型Si衬底迎光面掺入VI族元素，形成具有杂质深能级的重掺杂n型Si层；
采用高温退火处理，激活Si基片中杂质；
在重掺杂n型Si层表面制备透明导电膜；
在透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极；
在n型Si衬底背面制备肖特基电极作为第二电极，或通过p型掺杂在n型Si衬底背面形成p型Si区域，再在该p型Si区域上制备欧姆接触p电极作为第二电极。
上述方案中，所述第一电极和第二电极同在Si衬底的迎光面，该方法具体包括：
采用离子注入、或激光掺杂或热扩散的方法，在n型Si衬底迎光面掺入VI族元素，形成具有杂质深能级的重掺杂n型Si层；
采用高温退火处理，激活Si基片中杂质；
采用离子刻蚀或湿法腐蚀的方法，将器件探测面以外的重掺杂n型区域去除；
在重掺杂n型Si层表面制备透明导电膜；
在透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极；
在n型Si衬底迎光面n型Si区域制备肖特基电极作为第二电极，或通过p型掺杂在n型Si衬底迎光面形成p型Si区域，再在该p型Si区域上制备欧姆接触p电极作为第二电极。
上述方案中，所述离子刻蚀，采用诱导耦合等离子刻蚀ICP设备对掩模下Si表层进行刻蚀。
上述方案中，所述湿法腐蚀，是采用KOH+异丙醇+去离子水的混合溶液对Si表面进行腐蚀。
上述方案中，所述离子注入，是通过离子注入设备质谱仪将离化元素分离出来，再经过纵向高压加速、横向偏压扫描，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均匀分布、在纵向上的非平衡态掺杂。
上述方案中，所述激光掺杂，是杂质气氛中通过激光扫描Si表面，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均匀分布、在纵向上的非平衡态掺杂。
上述方案中，所述热扩散，是通过高温均匀加热炉体中的Si片，同时杂质气氛匀速进入，从而使杂质元素掺入Si片表层，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均匀分布、在纵向上的平衡态掺杂。
上述方案中，所述VI族元素是指硫S、或硒Se、或碲Te。
上述方案中，所述高温退火处理，是在300至1000摄氏度对掺杂后的Si表面加热1至60分钟，激活Si中VI族元素，增强掺杂后Si的导电特性，并通过时间和温度控制杂质扩散的距离。
上述方案中，所述在重掺杂n型Si层表面制备透明导电膜，是通过高真空设备沉积铟锡氧化物ITO薄膜，通过厚度50至200nm来控制可见光和近红外波段的透过率。
上述方案中，所述在透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极，是在铟锡氧化物ITO薄膜上，采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法，制备金属电极铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd或银Ag。
上述方案中，所述制备肖特基电极作为第二电极，是在n型Si区域采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法，制备金属电极铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd或银Ag。
上述方案中，所述p型掺杂，是采用离子注入或热扩散的方法，在n型Si衬底背面或迎光面掺杂硼B元素，并经高温退火激活，形成p型Si区域。
上述方案中，所述欧姆接触p电极作为第二电极，是在p型Si区域，采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法制备金属电极铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd或银Ag。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，可以在小偏置电压下获得类似雪崩的超大光电响应，从而大大提高Si光电探测器的灵敏度和应用范围；
2、利用本发明，可以在室温下将Si光电探测器的探测波长向红外拓展；
3、利用本发明，可以避免飞秒激光加工中的晶锥形成，保持Si表面整洁，适合光电子器件工艺的加工，从而为阵列制备和芯片加工打下基础。
附图说明
图1是本发明提供的制备室温下高光响应硅探测器的方法流程图。
图2是本发明制备的第一电极在Si衬底迎光面、第二电极在背光面且为肖特基的高光电响应硅探测器的结构图(a)和能带图(b)。
图3是本发明制备的第一电极在Si衬底迎光面、第二电极在背光面且具备pn结的高光电响应硅探测器的结构图(a)和能带图(b)。
图4是本发明制备的第一和第二电极都在Si衬底迎光面、且第二电极为肖特基的高光电响应硅探测器结构的侧剖图(a)和俯视图(b)，以及器件结构能带图(c)。
图5是本发明制备的第一和第二电极都在Si衬底迎光面、且具备pn结的高光电响应硅探测器结构的侧剖图(a)和俯视图(b)，以及器件结构能带图(c)。
具体实施方式
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，对本发明进一步详细说明。
本发明是基于杂质光吸收和光生载流子输出实现的。其中，杂质光吸收是由于晶体硅掺杂后在Si禁带中引入深能级，因此形成了三级或多级光吸收。光生载流子输出是由于该深能级密度的增加，可以形成深能级子带，将深能级子带直接与电极相连，则可以输出深能级子带上的光生载流子。
基于上述实现原理，本发明提供了一种制备室温下高光电响应硅探测器的方法流程图，该方法是在n型Si衬底迎光面制备具有杂质深能级的重掺杂n型(n+)Si层，在该重掺杂n型Si层上制备透明导电膜，再在该透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极；在n型Si衬底背面或迎光面制备肖特基电极作为第二电极，或者在n型Si衬底背面或迎光面形成p型Si区域，再在该p型Si区域上制备欧姆接触p电极作为第二电极。
当第一电极和第二电极分别在Si衬底的迎光面和背面，该方法具体包括：
采用离子注入、或激光掺杂或热扩散的方法，在n型Si衬底迎光面掺入VI族元素，形成具有杂质深能级的重掺杂n型Si层；
采用高温退火处理，激活Si基片中杂质；
在重掺杂n型Si层表面制备透明导电膜；
在透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极；
在n型Si衬底背而制备肖特基电极作为第二电极，或通过p型掺杂在n型Si衬底背面形成p型Si区域，再在该p型Si区域上制备欧姆接触p电极作为第二电极。
当第一电极和第二电极同在Si衬底的迎光面，该方法具体包括：
采用离子注入、或激光掺杂或热扩散的方法，在n型Si衬底迎光面掺入VI族元素，形成具有杂质深能级的重掺杂n型Si层；
采用高温退火处理，激活Si基片中杂质；
采用离子刻蚀或湿法腐蚀的方法，将器件探测面以外的重掺杂n型区域去除；
在重掺杂n型Si层表面制备透明导电膜；
在透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极；
在n型Si衬底迎光面n型Si区域制备肖特基电极作为第二电极，或通过p型掺杂在n型Si衬底迎光面形成p型Si区域，再在该p型Si区域上制备欧姆接触p电极作为第二电极。
其中，所述离子刻蚀，采用诱导耦合等离子刻蚀ICP设备对掩模下Si表层进行刻蚀；所述湿法腐蚀，是采用KOH+异丙醇+去离子水的混合溶液对Si表面进行腐蚀。
所述离子注入，是通过离子注入设备质谱仪将离化元素分离出来，再经过纵向高压加速、横向偏压扫描，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均匀分布、在纵向上的非平衡态掺杂；所述激光掺杂，是杂质气氛中通过激光扫描Si表面，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均匀分布、在纵向上的非平衡态掺杂；所述热扩散，是通过高温均匀加热炉体中的Si片，同时杂质气氛匀速进入，从而使杂质元素掺入Si片表层，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均匀分布、在纵向上的平衡态掺杂；所述VI族元素是指硫S、或硒Se、或碲Te。
所述高温退火处理，是在300至1000摄氏度对掺杂后的Si表面加热1至60分钟，激活Si中VI族元素，增强掺杂后Si的导电特性，并通过时间和温度控制杂质扩散的距离。
所述在重掺杂n型Si层表面制备透明导电膜，是通过高真空设备沉积铟锡氧化物ITO薄膜，通过厚度50至200nm来控制可见光和近红外波段的透过率。
所述在透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极，是在铟锡氧化物ITO薄膜上，采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法，制备铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、银Ag等金属电极。
所述制备肖特基电极作为第二电极，是在n型Si区域，采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法，制备铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、银Ag等金属电极。
所述p型掺杂，是采用离子注入或热扩散的方法，在n型Si区域掺杂硼B元素，并经高温退火激活，形成p型区。
所述欧姆接触p电极作为第二电极，是在p型Si区域，采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法制备铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、银Ag等金属电极。
实施例
通过离子注入设备质谱仪将离化元素分离出来，再经过纵向高压加速、横向偏压扫描，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均匀分布、在纵向上的非平衡态掺杂。
或者通过激光扫描杂质气氛中Si表面，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均匀分布、在纵向上的非平衡态掺杂。
或者通过高温均匀加热炉体中的Si片，同时杂质气氛匀速进入，从而使杂质元素掺入Si片表层，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均匀分布、在纵向上的平衡态掺杂。
上述掺杂杂质为硫S、或硒Se、或碲Te。
在300至1000摄氏度对掺杂后的Si进行高温退火处理1至60分钟，激活Si中VI族元素，增强掺杂后Si的导电特性，并通过时间和温度控制杂质扩散的距离。
通过高真空设备沉积透明导电膜氧化物TCO膜，主要是铟锡氧化物ITO薄膜，通过厚度50至200nm来控制可见光和近红外波段的透过率。
在铟锡氧化物ITO薄膜上，采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法，制备铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、银Ag等金属的欧姆接触n电极。
在n型Si区域，采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法，制备铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、银Ag等金属的肖特基电极。
采用离子注入或热扩散的方法，在n型Si区域掺杂硼B元素，并经高温退火激活，形成p型区。
在p型Si区域，采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法制备铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、银Ag等金属的欧姆接触p电极。
采用诱导耦合等离子刻蚀ICP设备对掩模下Si表层进行干法刻蚀。
采用KOH+异丙醇+去离子水的混合溶液对Si表面进行湿法腐蚀。
采用离子注入或热扩散的方法，在n型Si区域掺杂硼B元素，并经高温退火激活，形成p型掺杂区。
在p型Si区域，采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法制备铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、银Ag等金属的欧姆接触p电极。
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，所应理解的是，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。

Claims (15)

1.一种室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，该方法是在n型Si衬底迎光面制备具有杂质深能级的重掺杂n型Si层，在该重掺杂n型Si层上制备透明导电膜，再在该透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极；在n型Si衬底背面或迎光面制备肖特基电极作为第二电极，或者在n型Si衬底背面或迎光面形成p型Si区域，再在该p型Si区域上制备欧姆接触p电极作为第二电极。
2.根据权利要求1所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述第一电极和第二电极分别在Si衬底的迎光面和背面，该方法具体包括：
采用离子注入、或激光掺杂或热扩散的方法，在n型Si衬底迎光面掺入VI族元素，形成具有杂质深能级的重掺杂n型Si层；
采用高温退火处理，激活Si基片中杂质；
在重掺杂n型Si层表面制备透明导电膜；
在透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极；
在n型Si衬底背面制备肖特基电极作为第二电极，或通过p型掺杂在n型Si衬底背面形成p型Si区域，再在该p型Si区域上制备欧姆接触p电极作为第二电极。
3.根据权利要求1所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述第一电极和第二电极同在Si衬底的迎光面，该方法具体包括：
采用离子注入、或激光掺杂或热扩散的方法，在n型Si衬底迎光面掺入VI族元素，形成具有杂质深能级的重掺杂n型Si层；
采用高温退火处理，激活Si基片中杂质；
采用离子刻蚀或湿法腐蚀的方法，将器件探测面以外的重掺杂n型区域去除；
在重掺杂n型Si层表面制备透明导电膜；
在透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极；
在n型Si衬底迎光面n型Si区域制备肖特基电极作为第二电极，或通过p型掺杂在n型Si衬底迎光面形成p型Si区域，再在该p型Si区域上制备欧姆接触p电极作为第二电极。
4.根据权利要求3所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述离子刻蚀，采用诱导耦合等离子刻蚀ICP设备对掩模下Si表层进行刻蚀。
5.根据权利要求3所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述湿法腐蚀，是采用KOH+异丙醇+去离子水的混合溶液对Si表面进行腐蚀。
6.根据权利要求2或3所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述离子注入，是通过离子注入设备质谱仪将离化元素分离出来，再经过纵向高压加速、横向偏压扫描，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均匀分布、在纵向上的非平衡态掺杂。
7.根据权利要求2或3所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述激光掺杂，是杂质气氛中通过激光扫描Si表面，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均匀分布、在纵向上的非平衡态掺杂。
8.根据权利要求2或3所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述热扩散，是通过高温均匀加热炉体中的Si片，同时杂质气氛匀速进入，从而使杂质元素掺入Si片表层，实现单一杂质元素在Si表层横向上的均匀分布、在纵向上的平衡态掺杂。
9.根据权利要求2或3所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述VI族元素是指硫S、或硒Se、或碲Te。
10.根据权利要求2或3所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述高温退火处理，是在300至1000摄氏度对掺杂后的Si表面加热1至60分钟，激活Si中VI族元素，增强掺杂后Si的导电特性，并通过时间和温度控制杂质扩散的距离。
11.根据权利要求2或3所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述在重掺杂n型Si层表面制备透明导电膜，是通过高真空设备沉积铟锡氧化物ITO薄膜，通过厚度50至200nm来控制可见光和近红外波段的透过率。
12.根据权利要求11所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述在透明导电膜上制备欧姆接触n电极作为第一电极，是在铟锡氧化物ITO薄膜上，采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法，制备金属电极铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd或银Ag。
13.根据权利要求2或3所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述制备肖特基电极作为第二电极，是在n型Si区域采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法，制备金属电极铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd或银Ag。
14.根据权利要求2或3所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述p型掺杂，是采用离子注入或热扩散的方法，在n型Si衬底背面或迎光面掺杂硼B元素，并经高温退火激活，形成p型Si区域。
15.根据权利要求2或3所述的室温下高光电响应硅探测器的制备方法，其特征在于，所述欧姆接触p电极作为第二电极，是在p型Si区域，采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法制备金属电极铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd或银Ag。
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