CN102431957A - 一种基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法 - Google Patents

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李辛毅
毛雪
胡少旭
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Abstract

本发明公开了一种基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，包括：在硅衬底或SOI衬底上形成温敏二极管；在该温敏二极管表面沉积非晶硅薄膜，在硫系元素氛围下采用超快激光辐照或采用离子注入硫系元素+超快激光辐照的方式对该非晶硅薄膜进行硫系元素掺杂，形成黑硅红外吸收层；在该黑硅红外吸收层上沉积氮化硅薄层，作为表面钝化层；以及为温敏二极管制备金属导线和具有热绝缘作用的悬臂梁结构，形成非制冷热红外探测器。本发明充分利用了黑硅材料的高红外辐射吸收和易于与微电子加工工艺兼容的特性，所制备热红外探测器具有灵敏度高、成本低、易于采用SOI-CMOS和CMOS工艺实现的优势。

Description

一种基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法
技术领域
本发明涉及非制冷热红外探测器技术领域，尤其涉及一种基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法。
背景技术
非制冷红外探测器阵列其本质就是集成了热红外探测器像素阵列的MEMS器件。在硅温敏二极管上集成红外辐射吸收层的非制冷MEMS红外探测器是非制冷红外探测器领域的研究热点之一[1][6][7]。
黑硅材料自问世以来就以其在全太阳光谱范围内接近于黑体的吸收效果[2]而受到广泛关注，2006年美国哈弗大学的T.G.Kim等人报道了在硅衬底上过饱和掺硫形成子带隙的超强红外吸收材料[3]。2010年MalekTabbal等人报道了具有强子带光吸收特性的过饱和掺硒的单晶硅材料，并对该材料的光电探测器件制备前景进行了预测[4]。2010年哈弗大学的BrionP.Bob等人对过饱和掺杂硫系元素(硫、硒、碲)硅材料的子带隙物理特性及光电特性进行了系统报道[5]。国内复旦大学赵利教授研究发现黑硅材料在3μm～5μm和8μm～12μm的中波和长波红外区还存在大于80％的光吸收，为采用低成本硅材料工艺制备高灵敏度红外探测器提供了依据。
但研究发现黑硅材料对中长波红外光的吸收主要是由缺陷能级引起，这些缺陷能级在吸收红外辐射的同时也会成为载流子的复合中心，从而使所吸收的红外辐射无法直接转换成电信号，而是转化成材料的热能，因此黑硅材料的高红外辐射吸收特性对制备光子型红外探测器制备没有太大意义。但黑硅材料的这一特性对制备热红外探测器却具有很大的潜在应用价值。
另外，在恒流偏置下，硅pn结二极管结电压与结温度成线性关系，而在恒压偏置下硅pn结二极管的输出电流与温度成指数关系[5]。将硅pn结的温度特性与黑硅材料优越的红外辐射吸收特性相结合就可以制备出能够与CMOS和SOI-CMOS工艺兼容的低成本、非制冷高灵敏度热红外探测器。
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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基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，以提高非制冷热红外探测器灵敏度，并使非制冷红外探测器的红外辐射吸收材料与微电子加工工艺相兼容。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，包括：在硅衬底或SOI衬底上形成温敏二极管；在该温敏二极管表面沉积非晶硅薄膜，在硫系元素氛围下采用超快激光辐照或采用离子注入硫系元素+超快激光辐照的方式对该非晶硅薄膜进行硫系元素掺杂，形成黑硅红外吸收层；在该黑硅红外吸收层上沉积氮化硅薄层，形成表面钝化层；以及在为温敏二极管制备金属导线和具有热绝缘作用的悬臂梁结构，形成非制冷热红外探测器。
上述方案中，所述在硅衬底或SOI衬底上形成温敏二极管，是在SOI衬底或硅衬底上采用CMOS或SOI-CMOS工艺，通过光刻、掩膜及扩散或离子注入磷、硼工艺形成n+区和p+区，制备出的硅pn结器件。。
上述方案中，所述硫系元素包括S、Se或Te。所述黑硅红外吸收层是过饱和掺杂硫系元素S、Se或Te，并具有表面织构的非晶硅材料。所述表面织构为超快激光和硫系元素的刻蚀所形成的过饱和掺杂的晶锥结构或网格结构。所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光，所述晶锥结构的晶锥高度为3～5μm。
上述方案中，所述为温敏二极管制备金属导线和具有热绝缘作用温敏硅二极管悬臂梁结构，是利用光刻、掩膜、腐蚀和沉积工艺制备金属导线，以及采用电化学腐蚀自停止技术制备与硅衬底具有热传导隔离的温敏硅二极管悬臂梁结构。
(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、本发明提供的基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，充分利用了黑硅材料的高红外辐射吸收特性，所制备热红外探测器具有灵敏度高、成本低、易于采用SOI-CMOS和CMOS工艺实现的优势。
2、基于本发明的非制冷热红外探测器的制备方法，可简化非制冷红外焦平面阵列的设计，进而实现非制冷红外探测SoC系统集成。这一方向具有很大的应用前景和研究价值。
3、本发明提供的基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，不但能够提高非制冷热红外探测器灵敏度，并且还可以使非制冷热红外探测器的红外辐射吸收层和温度传感器在材料上相兼容，简化其制备工艺，便于开发大规模集成的非制冷硅红外焦平面阵列及红外探测的SoC系统集成。
附图说明
图1是依照本发明实施例的基于黑硅材料的非制冷热红外探测器的侧面结构图；
图2是依照本发明实施例的基于黑硅材料的非制冷热红外探测器的俯视图；
图3是依照本发明实施例的基于黑硅材料的非制冷热红外探测器的制备方法流程图；
图4(a)至图4(e)是依照本发明实施例的基于黑硅材料的非制冷热红外探测器的制备工艺流程图。
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。
黑硅吸引人们眼球的是其在全太阳光谱范围内近似于黑体的吸收效果，并且该种材料以硅为基底也便于跟目前普遍应用的CMOS和SOI-CMOS工艺相兼容。但目前的研究发现黑硅材料对红外辐射的吸收绝大部分是由缺陷能级引起，很难将这一部分的吸收直接转换为光电流。本发明根据黑硅材料高红外辐射吸收，低红外光生载流子产出这一特性，将其作为红外辐射吸收层与硅pn结温敏二极管相结合制备非制冷热红外探测器。
黑硅材料对红外辐射具有很高的吸收特性，但由于材料内存在大量的由缺陷能级和杂质深能级所引入的复合中心，其吸收的红外辐射能量基本上都转换成了材料的热能。利用黑硅材料的光-热转换效应这一特性，结合硅pn结的温敏特性制备能够与CMOS和SOI-CMOS工艺兼容的高灵敏度非制冷红外探测器。
本发明提供的基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，首先在硅衬底或SOI衬底上通过光刻、掩膜及深扩磷、硼等工艺形成n+区和p+区，制备出温敏二极管；然后在该温敏二极管表面沉积非晶硅薄膜，在硫系元素(S、Se、Te)氛围下用超快激光辐照非晶硅薄膜或采用高能离子注入硫系元素+激光辐照的方式对该非晶硅薄膜进行硫系元素掺杂，制备黑硅红外吸收层；然后在该黑硅红外吸收层上沉积一氮化硅薄层做钝化和进一步增强吸收用；最后利用光刻、掩膜、腐蚀、沉积及电化学腐蚀自停止等工艺制备金属导线和与硅衬底具有热传导隔离的温敏硅二极管悬臂梁器件，减小硅衬底对温敏二极管的热传导，实现非制冷热红外探测器的制备。非制冷热红外探测器结构如图1、2所示。
图3示出了依照本发明实施例的基于黑硅材料的非制冷热红外探测器的制备方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底或SOI衬底上形成温敏二极管；
步骤2：在该温敏二极管表面沉积非晶硅薄膜，在硫系元素氛围下采用超快激光辐照或采用离子注入硫系元素+超快激光辐照的方式对该非晶硅薄膜进行硫系元素掺杂，形成黑硅红外吸收层；
步骤3：在该黑硅红外吸收层上沉积氮化硅薄层，形成表面钝化层；
步骤4：为温敏二极管制备金属导线和具有热绝缘作用的悬臂梁结构，形成非制冷热红外探测器。
其中，步骤1中所述在硅衬底或SOI衬底上形成温敏二极管，是在硅衬底或SOI衬底上采用CMOS或SOI-CMOS工艺，通过光刻、掩膜及扩散或离子注入磷、硼工艺形成n+区和p+区，制备出的硅pn结器件。。
步骤2中所述在硫系元素氛围下对该非晶硅薄膜进行硫系元素掺杂，是在硫系元素S、Se或Te氛围下用超快激光辐照非晶硅薄膜实现的，或者是采用高能离子注入硫系元素+激光辐照的方式实现的。所述黑硅红外吸收层是过饱和掺杂硫系元素S、Se或Te，并具有表面织构的非晶硅材料。所述表面织构为超快激光和硫系元素的刻蚀所形成的过饱和掺杂的晶锥结构或网格结构。所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光，所述晶锥结构的晶锥高度为3～5μm。
步骤3中所述在该黑硅红外吸收层上沉积氮化硅薄层，进行钝化和红外辐射吸收的进一步增强。
步骤4中所述为温敏二极管制备金属导线和具有热绝缘作用的悬臂梁结构，是利用光刻、掩膜、腐蚀和沉积工艺制备金属导线，采用电化学腐蚀自停止方法制备与硅衬底具有热传导隔离的温敏硅二极管悬臂梁结构。
基于图3所示的基于黑硅材料的非制冷热红外探测器的制备方法，图4(a)至图4(e)是依照本发明实施例的基于黑硅材料的非制冷热红外探测器的制备工艺流程图，具体包括：
步骤1、在硅衬底或SOI衬底上沉积SiO2(氧化硅)作为掩膜，通过光刻和稀释HF腐蚀工艺曝露出需要扩硼制备p+型区的部分，界定出温敏二极管面积。如图4(a)所示。
步骤2、扩硼后用稀释HF去除残留SiO2，再次沉积SiO2、光刻和腐蚀，对衬底进行开孔，扩磷制备n+型区，然后去除残留SiO2，沉积金属，并通过光刻和腐蚀工艺制备金属导线，如图4(b)所示。
步骤3、沉积非晶硅薄膜，并在硫系元素氛围下用超快激光辐照非晶硅表面，制备具有表面织构的过饱和硫系元素掺杂硅材料。在所制备黑硅薄膜上沉积Si3N4(氮化硅)薄层，进行钝化和红外辐射吸收的进一步增强，如图4(c)所示。
步骤4、通过光刻和腐蚀工艺将红外辐射吸收层和温敏二极管以外区域的氮化硅、黑硅和氧化绝缘层去除，如图4(d)。
步骤5、采用离子注入方法在有效器件外围注入浓度为1020/cm3的硼元素作为碱性各向异性腐蚀的自停止阻挡层，采用碱性各向异性腐蚀液去除温敏二极管下面的硅衬底层，制备出悬臂梁结构，实现温敏器件与衬底间的热传导隔离，如图4(e)所示。
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 (7)

1.一种基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在硅衬底或SOI衬底上形成温敏二极管；
在该温敏二极管表面沉积非晶硅薄膜，在硫系元素氛围下采用超快激光辐照或采用离子注入硫系元素+超快激光辐照的方式对该非晶硅薄膜进行硫系元素掺杂，形成黑硅红外吸收层；
在该黑硅红外吸收层上沉积氮化硅薄层，形成表面钝化层；以及
为温敏二极管制备金属导线和具有热绝缘作用的悬臂梁结构，形成非制冷热红外探测器。
2.根据权利要求1所述的基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在硅衬底或SOI衬底上形成温敏二极管，是在硅衬底或SOI衬底上采用CMOS或SOI-CMOS工艺，通过光刻、掩膜及扩散或离子注入磷、硼工艺形成n+区和p+区，制备出的硅pn结器件。
3.根据权利要求1所述的基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，其特征在于，所述硫系元素包括S、Se或Te。
4.根据权利要求3所述的基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，其特征在于，所述黑硅红外吸收层是过饱和掺杂硫系元素S、Se或Te，并具有表面织构的非晶硅材料。
5.根据权利要求4所述的基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，其特征在于，所述表面织构为超快激光和硫系元素的刻蚀所形成的过饱和掺杂的晶锥结构或网格结构。
6.根据权利要求5所述的基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，其特征在于，所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光，所述晶锥结构的晶锥高度为3～5μm。
7.根据权利要求1所述的基于黑硅材料非制冷热红外探测器的制备方法，其特征在于，所述为温敏二极管制备金属导线和具有热绝缘作用的悬臂梁结构，是利用光刻、掩膜、腐蚀和沉积工艺制备金属导线，采用电化学腐蚀自停止方法制备与硅衬底具有热传导隔离的温敏硅二极管悬臂梁结构。
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