CN101969080A - 一种黑硅msm结构光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种黑硅MSM光电探测器，包括单晶硅衬底，其特征在于，在所述单晶硅衬底表面设置有作为光敏区的黑硅薄膜层，在所述黑硅薄膜层设有叉指电极，叉指电极下方设有势垒层，在没有设置叉指电极的区域设置有钝化层。该器件具有宽的光谱响应范围和较高的响应度，可以用以对紫外、可见或者近红外光探测。

Description

一种黑硅MSM结构光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，具体涉及一种黑硅MSM光电探测器及其制备方法。
背景技术
硅是重要的半导体材料，也是目前微电子集成电路工艺的主要材料，在超大规模集成电路方面发挥着极为重要的作用。如果利用硅作为基本材料，采用成熟的标准集成电路工艺制作光电器件和光电集成电路，将相比其他化合物光电器件具有很大的优势，但是目前硅基光电探测器件的研究仍然没有很大的突破性进展。光波入射到硅光电器件表面，被反射的光能量有30％左右，所以硅MSM-PD的响应度只有0.2A/W左右，量子效率也很低，在0.34左右。因此灵敏度低仍是硅基MSM-PD需要解决的关键问题。
黑硅是一种硅片表面微结构层。该种微结构层的存在，能够显著地提高硅材料光电性能，所以成为近年来的研究热点。对于硅表面微结构的制备，可采用多种方法，包括电化学方法、反应离子刻蚀和激光化学等方法。其中利用激光化学来制备黑硅材料不仅可以在硅片表面得到规则的微针状阵列，提高了材料的吸收系数，并且还引入了高掺杂量的杂质，拓宽了材料的光吸收范围，显示了黑硅材料在光电子领域广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种黑硅MSM光电探测器及其制备方法，该器件具有宽的光谱响应范围和较高的响应度，可以用以对紫外、可见或者近红外光探测。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种黑硅MSM光电探测器，包括单晶硅衬底，其特征在于，在所述单晶硅衬底表面设置有作为光敏区的黑硅薄膜层，在所述黑硅薄膜层设有叉指电极，叉指电极下方设有势垒层，在没有设置叉指电极的区域设置有钝化层。
按照本发明所提供的黑硅MSM光电探测器，其特征在于，所述叉指电极的下方设置有势垒层，所述势垒层a-Si:H薄膜，厚度为30～100nm。
按照本发明所提供的黑硅MSM光电探测器，其特征在于，单晶硅衬底材料为(100)或(110)或(111)面单晶硅；叉指电极为Al薄膜层或Cr/Au薄膜层或透明导电薄膜ITO层，叉指电极的宽度和间距分别为3～10μm和5～15μm，叉指电极厚度为50～100nm；钝化层为Si3N4或SiO2，厚度为50～100nm。
按照本发明所提供的黑硅MSM光电探测器，其特征在于，设置叉指电极的区域的横截面形状为U型结构。
按照本发明所提供的黑硅MSM光电探测器，其特征在于，设置叉指电极的区域的横截面形状为平板型结构。
按照本发明所提供的黑硅MSM光电探测器，其特征在于，设置叉指电极的区域的横截面形状槽型结构。
一种黑硅MSM光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①制备黑硅薄膜层：在单晶硅衬底上通过离子注入法注入掺杂材料，，制备表面微结构；
②在黑硅薄膜层表面旋涂上一层光刻胶，并采用特定叉指电极掩膜图形对光刻胶图形化；
③将已经图形化的基片浸入碱腐蚀液中进行腐蚀，去除图形上未被保护的黑硅薄膜层；
④采用套刻工艺再次制备叉指电极图形；
⑤沉积势垒层；
⑥然后沉积电极材料层，并图形化成叉指电极形状；
⑦沉积钝化层；
⑧沉积钝化层后整个器件在200～1000℃热处理20～40分钟。
按照本发明所提供的黑硅MSM光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤①中离子注入的掺杂材料为S或Se或Te，掺杂浓度范围为1×1014和5×1015ion/cm2之间。
按照本发明所提供的黑硅MSM光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤①中制备表面微结构是通过碱性溶液腐蚀形成金字塔状微锥结构。
按照本发明所提供的黑硅MSM光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤①中制备表面微结构是通过金属纳米颗粒催化的HF溶液腐蚀得到，金属纳米颗粒为Pt或Au或Ag。
本发明的黑硅MSM光电探测器件以硅材料为基本材料，可以与标准工艺兼容，所以设计和制作黑硅MSM光电器件工艺过程并不复杂，并且由于感光层是高掺杂浓度和减反射的黑硅层，因此该器件具有宽的光谱响应范围和较高的响应度，可以用以对紫外，可见和近红外探测。
附图说明
图1是本发明的叉指电极及黑硅层俯视平面结构示意图；
图2是本发明的一种U型结构黑硅MSM光电探测器件截面示意图；
图3是本发明的一种平板型黑硅MSM光电探测器件截面示意图；
图4是本发明的一种平板型黑硅MSM光电探测器件截面示意图。
其中，30、衬底，31、黑硅层，32、势垒层，33、电极材料层，34、钝化层，35、叉指电极图形，36、U型结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，该黑硅MSM光电探测器，包括单晶硅衬底30，在单晶硅衬底30表面设置有作为光敏区的黑硅薄膜层31，黑硅薄膜层31设有叉指电极35，在没有设置叉指电极35的区域设置有钝化层34，叉指电极的下方设置有势垒层32，势垒层32为a-Si:H薄膜，厚度为30～100nm，单晶硅衬底30材料为(100)或(110)或(111)面单晶硅，叉指电极35为Al薄膜层或Cr/Au薄膜层或透明导电薄膜ITO层，叉指电极的宽度和间距分别为3～10μm和5～15μm，叉指电极厚度为50～100nm；钝化层为Si3N4或SiO2，厚度为50～100nm，设置叉指电极的区域的横截面形状为U型结构、平板型结构或槽型结构。
制备方法包括以下步骤：①制备黑硅薄膜层：在单晶硅衬底上通过离子注入法注入掺杂材料，制备表面微结构，；②在黑硅薄膜层表面旋涂上一层光刻胶，并采用特定叉指电极掩膜图形对光刻胶图形化；③将已经图形化的基片浸入碱腐蚀液中进行腐蚀，去除图形上未被保护的除黑硅薄膜层；⑤沉积势垒层；④采用套刻工艺再次制备叉指电极图形；⑥然后沉积电极材料层，并图形化成叉指电极形状；⑦沉积钝化层；⑧沉积钝化层后整个器件在200～1000℃热处理20～40分钟。
步骤①中离子注入的掺杂材料为S或Se或Te，掺杂浓度范围为1×1014和5×1015ion/cm2之间。
步骤①中制备表面微结构是通过碱性溶液腐蚀形成金字塔状微锥结构。
步骤①中制备表面微结构是通过金属纳米颗粒催化的HF溶液腐蚀得到，金属纳米颗粒为Pt或Au或Ag。
黑硅材料是经过特殊处理的硅片表面层，即通过离子注入的方法引入高浓度的杂质元素，扩展材料光谱吸收范围，并且在表面制备微结构减反射层，来降低材料对光线的反射，提高吸收率。这个样不仅拓宽了器件的光谱响应范围(吸收范围为250～1300nm)，而且提高了器件的响应度。该发明不仅可以用于紫外、可见光电探测，还可用于近红外光电探测。
图2-4列举了各种可能的实施方式。为了进一步说明本发明的内容，对本发明的黑硅MSM结构光电探测器的实施例作了描述：
实施例1：
具体的实施步骤如下：
1、制备黑硅材料31，所得到的黑硅层的厚度为1～10μm。
2、在黑硅材料表面旋涂上一层光刻胶，并采用特定叉指电极掩膜图形对光刻胶图形化。
3、将已经图形化的基片浸入碱腐蚀液中进行特定时间的腐蚀，去除图形上未被保护的黑硅层。
4、在特定浓度的KOH溶液中腐蚀形成U型结构36，U型槽的深度为3～10μm。
5采用套刻工艺在U型槽上方制备叉指电极图形；
6、沉积厚度约为30～100nm的薄的a-Si:H势垒层32。
7、沉积厚度为50～100nm左右的金属Al或ITO薄膜作为叉指电极材料33，并用剥离的方法获得黑硅MSM结构光电探测器，其中叉指电极图形35的宽度和间距分别为3～10μm和5～15μm，叉指电极厚度为50～100nm。
8、表面沉积钝化层34为Si3N4或SiO2，厚度为50-100nm不等。
9、整个器件在真空中特定温度200～1000℃热处理30分钟。
所得器件结构如图2所示。
实施例2：
本实施实例与实施实例1所不同的是，取消了步骤3、步骤4和步骤5，其余同实例1。
所得器件结构如图3所示。
实施例3：
本实施实例与实施实例1所不同的是，取消了步骤4，其余同实例1。
所得器件结构如图4所示。
其中黑硅层通过在硅衬底上进行离子注入和表面微结构的制备获得。硅衬底为(100)或(110)或(111)面的单晶硅。注入元素为S、Se或Te。离子注入所需能量为10～200Kev，注入浓度根据不同元素而不同，掺杂浓度范围为1×1014和5×1015ion/cm2之间。
在一具体实施例中，黑硅层的微结构的制备可以通过碱刻蚀得到。KOH溶液腐蚀可以在硅(100)面上得到尺寸在1μm～5μm的金字塔状微锥结构，深度为1～5μm。KOH溶液的配比为：KOH为2～12g；去离子水的容积为6～100ml，异丙醇的容积为6～25ml，加热温度为60～90℃。
在另一具体实施例中，黑硅层的微结构制备可通过金属纳米颗粒催化(如pt、Au、Ag等)的HF溶液腐蚀得到。在硅(100)、(110)或(111)的硅片表面制备微结构层。金属纳米颗粒的制备可以通过化学还原方法或蒸镀沉积方法获得，也可以通过磁控溅射方法获得。所得微孔尺寸为10～200nm，间距为20～100nm，深度为0.1～5μm。
该种黑硅MSM结构的光电探测器的响应波长范围为250～1300nm。黑硅MSM结构的光电探测器的响应度为：在250～800nm范围内，响应度为120A/W左右，在800～1300nm范围内，响应度在0.5A/W左右。

Claims (10)

1.一种黑硅MSM光电探测器，包括单晶硅衬底，其特征在于，在所述单晶硅衬底表面设置有作为光敏区的黑硅薄膜层，在所述黑硅薄膜层设有叉指电极，叉指电极下方设有势垒层，在没有设置叉指电极的区域设置有钝化层。
2.根据权利要求1所述的黑硅MSM光电探测器，其特征在于，所述势垒层a-Si:H薄膜，厚度为30～100nm。
3.根据权利要求1所述的黑硅MSM光电探测器，其特征在于，单晶硅衬底材料为(100)或(110)或(111)面单晶硅；叉指电极为Al薄膜层或Cr/Au薄膜层或透明导电薄膜ITO层，叉指电极的宽度和间距分别为3～10μm和5～15μm，叉指电极厚度为50～100nm；钝化层为Si3N4或SiO2，厚度为50～100nm。
4.根据权利要求1所述的黑硅MSM光电探测器，其特征在于，设置叉指电极的区域的横截面形状为U型结构。
5.根据权利要求1所述的黑硅MSM光电探测器，其特征在于，设置叉指电极的区域的横截面形状为平板型结构。
6.根据权利要求1所述的黑硅MSM光电探测器，其特征在于，设置叉指电极的区域的横截面形状槽型结构。
7.一种黑硅MSM光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①制备黑硅薄膜层：在单晶硅衬底上通过离子注入法注入掺杂材料，再制备表面微结构；
②在黑硅薄膜层表面旋涂上一层光刻胶，并采用特定叉指电极掩膜图形对光刻胶图形化；
③将已经图形化的基片浸入碱腐蚀液中进行腐蚀，去除图形上未被保护的黑硅薄膜层；
④采用套刻工艺再次制备叉指电极图形；
⑤沉积势垒层；
⑥然后沉积电极材料层，并图形化成叉指电极形状；
⑦沉积钝化层；
⑧沉积钝化层后整个器件在200～1000℃热处理20～40分钟。
8.根据权利要求7所述的黑硅MSM光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤①中离子注入的掺杂材料为S或Se或Te，掺杂浓度范围为1×1014和5×1015ion/cm2之间。
9.根据权利要求7所述的黑硅MSM光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤①中制备表面微结构是通过碱性溶液腐蚀形成金字塔状微锥结构。
10.根据权利要求7所述的黑硅MSM光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤①中制备表面微结构是通过金属纳米颗粒催化的HF溶液腐蚀得到，金属纳米颗粒为Pt或Au或Ag。
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