CN102496638A

CN102496638A - 深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器及其制备方法

Info

Publication number: CN102496638A
Application number: CN2011103841999A
Authority: CN
Inventors: 毛雪; 韩培德
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2012-06-13

Abstract

一种深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器，包括：一硅或SOI衬底；一第一掺杂层，制作在硅或SOI衬底上；一第二掺杂层，制作在第一掺杂层上；一迎光面介质钝化层，制作在第二掺杂层上；一第一金属电极，为E字形结构，该第一金属电极制作在第二掺杂层上；一第二金属电极，为E字形结构，该第二金属电极制作在第一掺杂层上。

Description

深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及Si光电子材料技术领域，尤其涉及一种深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器及其制备方法

背景技术

硅材料不仅热导性好，机械强度高和缺陷少，而且价格低廉，并能获得大直径单晶，同时硅的集成技术已发展到相当成熟的阶段，因此以硅材料为衬底的光电探测器得到了广泛的应用。由于硅材料的禁带宽度为1.12eV，因此常用的硅光电探测器其探测探测灵敏度峰值一般在700nm处，探测范围为200nm至1100nm。而硅对于波长大于1100nm的光是透明的，硅光电探测器在这些波段仅有很小的响应度。

1959年Fan和Ramdas报道经离子辐照的硅能在禁带中形成深能级，这种深能级能对波长达4000nm的红外光产生光吸收和光电流，经中子辐照的硅在1800nm和3900nm有两个明显的吸收峰。加拿大McMaster大学工程物理系和美国MIT的Lincoln实验室的研究人员利用硅离子自注入在硅中产生缺陷深能级的方法，研制出了与COMS工艺完全兼容的全硅SOI波导型探测器，其在1.55μm处的最大响应度可达到800mA/W。

1998年哈佛大学Marzur研究组利用飞秒激光扫描置于六氟化硫气体中的硅片表面，获得了一种微结构锥体表面材料，其在250nm至2500nm范围内具有大于90％的光吸收率，极大拓展了硅材料的光谱吸收范围。这种微结构黑硅表面的硫系元素掺杂浓度远远超过了其在硅晶体中的饱和浓度。用其制备的探测器在1300nmμm和1550nm处分别具有90mA/W和20mA/W的响应度。

近年来，随着中间带太阳能电池结构的提出，人们对中间带半导体材料的研究也日益增多。其中对于硅的中间带材料，均采用高浓度的深能级杂质掺杂的方法。如在硅材料中利用离子注入或激光辐照的方法实现过渡金属元素或氧族元素在硅中的过饱和高浓度掺杂。这种高浓度掺杂可在硅中形成高浓度的深能级，并在掺杂浓度高于Mott相变的浓度5.9×10¹⁹cm^-3时，可在硅禁带中形成中间带。因此利用以上方法，可以拓展硅材料对红外光的吸收，增加红外光的光电转换效率，制造可用于探测大于1100nm波长的硅红外探测器。

本发明的特点在于，利用高浓度深能级杂质掺杂区和浅能级杂质掺杂区形成PN或PIN结。使得在深能级杂质掺杂区吸收红外光产生的电子-空穴对，在探测器不加偏压或加较小偏压的情况下，被PN结很快的分离并被电极收集，克服了高浓度深能级杂质掺杂区的高复合速率的影响。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器及其制备方法，以解决传统硅光电探测器探测波长为200nm至1100nm的限制，实现硅光电探测器在大于1100nm红外波段的光探测。

为达到上述目的，本发明提供一种深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器，包括：

一硅或SOI衬底；

一第一掺杂层，制作在硅或SOI衬底上；

一第二掺杂层，制作在第一掺杂层上；

一迎光面介质钝化层，制作在第二掺杂层上；

一第一金属电极，为E字形结构，该第一金属电极制作在第二掺杂层上；

一第二金属电极，为E字形结构，该第二金属电极制作在第一掺杂层上。

本发明还提供一种深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在硅或SOI衬底上依次制备第一掺杂层和第二掺杂层，形成基片；

步骤2：对基片进行退火；

步骤3：在第二掺杂层的表面，制作第二金属电极的凹槽；

步骤4：在第二掺杂层的上表面制作迎光面介质钝化层；

步骤5：在迎光面介质钝化层的表面，制作第一金属电极的凹槽，同时将第二金属电极的凹槽中的迎光面介质钝化层去除；

步骤6：在第一掺杂层的凹槽内制备第二金属电极，在迎光面介质钝化层的凹槽内制备第一金属电极。

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，通过利用硅中高浓度深能级杂质掺杂区吸收红外光产生的电子-空穴对的作用，克服了传统硅光电探测器不能探测1100nm的以上光的限制，制造可用于探测大于1100nm波长的硅红外探测器。

2.利用本发明，高浓度深能级杂质掺杂区和浅能级杂质掺杂区形成PN或PIN结。使得在深能级杂质掺杂区吸收红外光产生的电子-空穴对，在探测器不加偏压或加较小偏压的情况下，在结区很快的分离并被电极收集，克服了高浓度深能级杂质掺杂区的高复合速率的影响。

3.利用本发明，插指型的电极结构有利于光生载流子的收集，提高硅红外探测器的响应度。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚明白，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，其中：

图1为本发明提供的深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器结构的示意图。

图2为本发明提供的浅能级杂质掺杂硅层及高浓度深能级杂质掺杂层上制备的插指结构金属电极的示意图。

图3为本发明提供的制备深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器的流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器，包括：

一硅或SOI衬底1，其中所述硅衬底1为p型或n型单晶硅或多晶硅衬底，双面不抛光或双面抛光或单面抛光，厚度为100至500μm，电阻率为0.01至1000Ω·cm；其中所述SOI衬底1顶层硅为p型或n型，厚度为0.2μm至20μm，电阻率为0.01至1000Ω·cm；

一第一掺杂层2，制作在硅或SOI衬底1上，其中所述第一掺杂层2为浅能级杂质掺杂层，其掺杂元素包括硼、磷、砷等浅能级杂质；

一第二掺杂层3，制作在第一掺杂层2上，该第二掺杂层3的掺杂元素为硫、硒、碲或钛，掺杂元素在硅的禁带中形成深能级，并且高浓度深能级杂质掺杂可在硅中形成中间带结构，该第二掺杂层3与第一掺杂层2形成PN结或PIN结；红外光电响应是由于深能级杂质掺杂所在硅中形成的深能级或中间带使得第二掺杂层3能够吸收能量小于硅禁带宽度的光子，并转换为电子-空穴对；

一迎光面介质钝化层4，制作在第二掺杂层3上，所述介质钝化层4为硅氧化物或氮化物，具有表面钝化与减反作用；

一第一金属电极5，为E字形结构，该第一金属电极5制作在第二掺杂层3上；

一第二金属电极6，为E字形结构，该第二金属电极6制作在第一掺杂层2上。

其中所述第一金属电极5和第二金属电极6为插指交替结构(参阅图2)。

请参阅图3结合参阅图1，本发明提供一种深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在硅或SOI衬底1上依次制备第一掺杂层2和第二掺杂层3，形成基片，该第一掺杂层2的掺杂方法是采用离子注入或热扩散的方法，掺杂元素包括硼、磷、砷等浅能级杂质，掺杂峰值浓度为10¹⁷cm^-3至10²¹cm^-3，掺杂的峰值位置在基片表面以下5nm至5000nm处；该第二掺杂层3的掺杂方法是采用离子注入或激光辐照的方法，其掺杂元素包括硫、硒、碲或钛；掺杂峰值浓度为10¹⁷cm^-3至10²¹cm^-3，掺杂的峰值位置在基片表面以下2nm至2000nm处，其中所述激光辐照，其激光脉冲宽度为纳秒、飞秒或皮秒级，脉冲频率小于10kHz，脉冲能量密度为0.1至10kJ/m2；激光辐照须在SF₆气氛中，或在基片表面涂覆硫、硒、碲或钛的粉末涂层，其中所述具有硫、硒、碲或钛的粉末涂层是利用电阻热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发的方式覆盖到基片表面，厚度为1nm至500nm；

步骤2：对基片进行退火，所述退火的温度为200℃至1200℃，时间为1秒至120分钟，以激活杂质，恢复晶格；应选择使尽量多的深能级杂质处于替位状态的退火条件。

步骤3：在第二掺杂层3的表面，制作第二金属电极6的凹槽，该第二金属电极6的凹槽深度到达第一掺杂层2内，制作凹槽的方法包括化学湿法腐蚀和等离子干法刻蚀的方法；

步骤4：在第二掺杂层3的上表面制作迎光面介质钝化层4，包括硅氧化物、氮化物和非晶硅；制备方法包括低压化学汽相淀积、等离子体增强化学气相沉积；硅氧化物制备方法还包括干法、湿法热氧化；迎光面介质钝化层4具有表面减反和表面钝化的作用；

步骤5：在迎光面介质钝化层4的表面，制作第一金属电极5的凹槽，同时将第二金属电极6的凹槽中的迎光面介质钝化层4去除，该第一金属电极5的凹槽深度到达第二掺杂层3表面；

步骤6：在第一掺杂层2的凹槽内制备第二金属电极6，在迎光面介质钝化层4的凹槽内制备第一金属电极5，第一金属电极5和第二金属电极6均是采用金属材料铝、铬\金、钛\钯\银等单层或多层结构。制备方法为电阻热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发；采用金属剥离工艺与光刻配合完成，合金温度为300℃至500℃，时间为10秒至30分钟，以形成欧姆接触；

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

1.一种深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器，包括：

一硅或SOI衬底；

一第一掺杂层，制作在硅或SOI衬底上；

一第二掺杂层，制作在第一掺杂层上；

一迎光面介质钝化层，制作在第二掺杂层上；

2.根据权利要求1所述的深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器，其中第二掺杂层的掺杂元素为硫、硒、碲或钛。

3.根据权利要求1所述的深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器，其中第二掺杂层与第一掺杂层形成PN结或PIN结。

4.根据权利要求1所述的深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器，其中第一金属电极和第二金属电极为插指交替结构。

5.一种深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器的制备方法，包括如下步骤：

步骤2：对基片进行退火；

步骤3：在第二掺杂层的表面，制作第二金属电极的凹槽；

步骤4：在第二掺杂层的上表面制作迎光面介质钝化层；

6.根据权利要求5所述的深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器的制备方法，其中第一掺杂层的掺杂峰值浓度为10¹⁷cm^-3至10²¹cm^-3，掺杂的峰值位置在基片表面以下5nm至5000nm处。

7.根据权利要求5所述的深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器的制备方法，其中第二掺杂层的掺杂方法是采用离子注入或激光辐照的方法，其掺杂元素包括硫、硒、碲或钛；掺杂峰值浓度为10¹⁷cm^-3至10²¹cm^-3，掺杂的峰值位置在基片表面以下2nm至2000nm处。

8.根据权利要求7所述的深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器的制备方法，其中所述激光辐照，其激光脉冲宽度为纳秒、飞秒或皮秒级，脉冲频率小于10kHz，脉冲能量密度为0.1至10kJ/m²；激光辐照须在SF₆气氛中，或在基片表面涂覆硫、硒、碲或钛的粉末涂层。

9.根据权利要求8所述的深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器的制备方法，其中所述具有硫、硒、碲或钛的粉末涂层是利用电阻热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发的方式覆盖到基片表面，厚度为1nm至500nm。

10.根据权利要求5所述的深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器的制备方法，其中所述退火的温度为200℃至1200℃，时间为1秒至120分钟，以激活杂质，恢复晶格。

11.根据权利要求5所述的深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器的制备方法，其中第二金属电极的凹槽深度到达第一掺杂层内；该第一金属电极的凹槽深度到达第二掺杂层表面。