CN102842651A

CN102842651A - 一种黑硅结构及其制造方法

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Publication number: CN102842651A
Application number: CN2012103443962A
Authority: CN
Inventors: 李世彬; 张鹏; 吴志明; 蒋亚东
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2012-12-26

Abstract

本发明实施例公开了一种制造黑硅结构的方法，包括：获取P型硅衬底；在P型硅衬底上形成黑硅层；在黑硅层中掺入受主杂质，形成掺杂的黑硅层。本发明的实施例中，制成的黑体结构对可见光以及近红外光波段有良好的吸收性能、噪声电流低、信噪比高、并且操作简单、成本较低。

Description

一种黑硅结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及光敏材料技术领域，尤其是涉及一种黑硅结构及其制造方法。

背景技术

晶体硅由于易提纯、易掺杂、耐高温等优点在半导体行业中具有非常广泛的应用，但同样也存在很多缺陷，如晶体硅表面对可见-红外光的反射很高，而且因为禁带宽度大，晶体硅不能吸收波长大于1100nm的光波，当入射光的波长大于1100nm时，硅探测器对光的吸收率和响应率将大大降低。在探测这些波段时必须使用锗、砷化镓铟等其他材料。由于这些材料的价格昂贵、热力学性能和晶体质量较差以及不能与现有的成熟的硅工艺兼容等缺点而限制了其在硅基器件方面的应用。因此，减少晶体硅表面的反射、扩展硅基和硅兼容光电探测器的探测波段仍然是目前最热门的研究。

为了减少晶体硅表面的反射，人们采用了许多实验方法和技术，如光刻技术、反应离子束刻蚀、电化学腐蚀等。这些技术都能在一定程度上改变晶体硅表面及近表面形貌，达到减少硅表面反射的目的。在可见光波段，减少反射可以增加吸收，提高器件的效率。但在波长超过1100nm时，如果不在硅禁带中引入吸收能级，反射减少仅仅导致透射增加，因为硅的禁带宽度最终限制了其对长波长光的吸收。因此，要扩展硅基和硅兼容器件的敏感波段，就必须在减少硅表面反射的同时增加禁带内的光子吸收。

黑硅材料作为一种对普通硅微结构化后得到的新型功能材料对从近紫外-近红外波段（250nm-2500nm）的光都能吸收，且吸收率高达90%。由于超高的光电导增益，黑硅材料产生的光电流是传统硅材料的几百倍。黑硅材料还能减少光传感器的硅的使用量，其硅消耗量是传统元件的几百分之一，这样就能节省成本，使产品更加便宜、小巧和轻便。厚度薄的元件也能集成在集成电路上。此外，基于黑硅生产的X感光设备的灵敏度非常高，拍片子是就可降低X光的放射量。由于用黑硅制造的光传感元件能捕捉到极其微弱的光线，所以可用来制造夜视镜和传感器。这些应用于低照明条件下得产品目前使用的敏感材料大部分是更加昂贵的砷化镓，因此黑硅的应用将有效降低这些产品的成本。

因此，黑硅材料是制作高灵敏度红外探测器、高量子效率雪崩二极管(APD)、高响应度红外二极管及太阳能电池的理想材料，在遥感、光通讯及微电子等领域都具有重要的潜在应用价值。

因此，提供对可见光以及近红外光波段有良好的吸收性能、噪声电流低、信噪比高、和/或操作简单、成本较低的黑硅结构及其制造方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种对可见光以及近红外光波段有良好的吸收性能的黑硅结构及其制造方法。

本发明的目的之一是提供一种噪声电流低、信噪比高的黑硅结构及其制造方法。

本发明实施例公开的技术方案包括：

一种制造黑硅结构的方法，其特征在于，包括：获取P型硅衬底；在所述P型硅衬底上形成黑硅层；在所述黑硅层中掺入受主杂质，形成掺杂的黑硅层。

进一步地，所述在所述P型硅衬底上形成黑硅层包括：使用反应离子刻蚀法、飞秒激光法、电化学腐蚀法或者湿法刻蚀法在所述P型硅衬底上形成所述黑硅层。

进一步地，所述在所述黑硅层中掺入受主杂质包括：使用离子注入法向所述黑硅层中注入受主杂质离子。

进一步地，所述受主杂质为硼、铝、镓或者铟。

进一步地，该方法还包括：在所述掺杂的黑硅层上和所述P型硅衬底上形成电极。

进一步地，该方法还包括：在所述掺杂的黑硅层上形成势垒层。

进一步地，所述势垒层是氮化硅层或者氧化硅层。

本发明的实施例中还提供了一种黑硅结构，其特征在于，包括：P型硅衬底；掺杂的黑硅层，所述掺杂的黑硅层形成在所述P型硅衬底上，其中所述掺杂的黑硅层中掺入了受主杂质。

进一步地，该黑硅结构还包括势垒层，所述势垒层形成在所述掺杂的黑硅层上。

进一步地，所述受主杂质为硼、铝、镓或者铟。

本发明的实施例中，黑体结构对可见光以及近红外光波段有良好的吸收性能、噪声电流低、信噪比高、并且操作简单、成本较低。

附图说明

图1是本发明一个实施例的制造黑硅结构的方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施例的黑硅结构的截面示意图；

图3是本发明另一个实施例的黑硅结构的俯视示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一个实施例中，一种制造黑硅结构的方法包括步骤10、步骤12和步骤14。

步骤10：获取P型硅衬底。

本发明的实施例中，首先获取衬底材料，本发明的黑硅结果基于该衬底材料制成。一个实施例中，该衬底材料可以是P型硅。其中，P型硅是空穴导电的硅材料，例如，其中掺杂了硼的硅材料。当然，也可以是掺杂其它元素的P型硅。

步骤12：在P型硅衬底上形成黑硅层。

获得P型硅衬底后，基于该P型硅衬底，通过对该P型硅衬底的一个表面的处理，使得在该表面上的至少一定厚度材料转变成黑硅层，从而在该P型硅衬底的该表面上形成黑硅层。

本发明的实施例中，可以使用反应离子刻蚀法、飞秒激光法、电化学腐蚀法或者湿法刻蚀法等等方法在该P型硅衬底上形成所述黑硅层，即，用反应离子刻蚀法、飞秒激光法、电化学腐蚀法或者湿法刻蚀法等方法对P型硅衬底的至少一个表面进行处理，从而在该至少一个表面上形成黑硅层。

例如，一个实施例中，可以使用飞秒激光法对P型硅衬底进行处理从而形成黑硅层。

此时，将P型硅衬底（例如，P型单晶硅片）依次经三氯乙烯、丙酮、甲醇清洗干净后，置于真空腔内的可三维移动的靶台上，真空腔的本底真空例如可以小于1.3×10^-2Pa。然后通入工作气体氯气（Cl₂），工作压强可以为例如6.7×10⁴Pa。采用钛蓝宝石飞秒激光器对P型单晶硅片表面进行脉冲轰击，经透镜聚焦后垂直照射到硅表面上，移动靶台使激光光斑扫描硅表面就可以获得大面积的P型黑硅材料。改变透镜与硅片的距离可调整辐照在硅表面的光斑尺寸，从而改变光通量。光斑尺寸一定时，改变靶台的移动速度可以调整照射在单位面积的硅表面上的脉冲数。

本实施例中，所用的激光波长根据实际情况可选择为400~1000纳米（nm），脉冲数的范围可以为500-2100个脉冲，脉冲宽度可以为100飞秒（fs）至10纳秒（ns）。工作气压可以为60-70KPa。

例如，另一个实施例中，可以使用湿法刻蚀用酸碱溶液对P型硅衬底进行处理从而形成黑硅层。

此时，在P型单晶硅衬底（P型硅衬底）上沉积氮化硅/氧化硅掩膜，然后用刻蚀液体进行刻蚀。刻蚀液体可以由强碱或者酸和水按照一定比例来配置，刻蚀温度一般选择50℃左右。

例如，一个实施例中，可以对以氮化硅（Si3N4）薄膜为掩膜的P型单晶硅片表面进行碱酸湿法腐蚀，包括：

步骤1：配置碱液溶液，该碱液溶液中可以包括氢氧化钾、去离子水和异丙醇，然后在水浴加热环境中对以氮化硅（Si3N4）薄膜为掩膜的P型单晶硅片进行刻蚀，得到柱状阵列结构；

步骤2：配置酸液溶液，该酸液溶液可以包括过氧化氢、去离子水、氢氟酸、氯金酸和乙醇，用胶头滴管将酸液溶液均匀地滴在该P型单晶硅片上进行腐蚀，形成多孔状微结构。

这样，可以获得到高度为470纳米（nm）、间距为2微米（μm）的台阶微结构和孔径范围为80纳米（nm）-120纳米（nm）的多孔结构，该结构层即为黑硅层。

步骤14：在黑硅层中掺入受主杂质。

获得黑硅层之后，在步骤14中，在该黑硅层中掺入受主杂质，形成掺杂的黑硅层。

本发明的实施例中，掺入的受主杂质可以是任何适合于对P型硅掺杂的元素，例如，可以是硼、铝、镓或者铟等等。

本发明的实施例中，可以使用任何适合的方法在该黑硅层中掺入受主杂质，例如，使用热扩散法或者离子注入法等等。例如，本发明的一个实施例中，可以使用离子注入法向黑硅层中注入受主杂质离子。

例如，一个实施例中，受主杂质可以是硼，使用离子注入法向黑硅层中注入硼离子，然后，在真空和高纯度氮气或氩气保护的环境中退火，退火温度可以为600~950℃，退火时间可以为15分钟~1小时。

例如，此时，硼源可以使用氟化硼（BF₃）或者乙硼烷（B₂H₆），注入浓度可以为10¹⁶~10¹⁷cm^-3，注入电压可以为40千伏（Kv），在真空度为4.8×10^-4Pa条件下进行真空退火，退火温度可以为500℃，退火时间可以为1小时。

这样，经过前述步骤，形成了掺杂的黑硅层/P型硅衬底的结构，其中，P型硅衬底为P层，P型硅衬底上掺杂的黑硅层为P+层，这样，即形成了P⁺/P型黑硅结构。

本发明另外的实施例中，在前述实施例的基础上，还可以在形成了掺杂的黑硅层之后，还可以在该掺杂的黑硅层上形成势垒层。

一个实施例中，可以使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、直接氮化法、蒸发法、溅射法、热解法在掺杂的黑硅层上形成势垒层，该势垒层可以是氮化硅（Si₃N₄）层或者氧化硅（SiO₂或）层，势垒层的厚度可以为30-90纳米（nm）。通过设置该势垒层，可以有效地增加肖特基势垒的高度，从而抑制噪声电流。

例如，一个实施例中，使用PECVD法在掺杂的黑硅表面沉积势垒层薄膜。其工艺条件可以采用高低混频沉积厚度为30纳米（nm）的氮化硅薄膜，在13.56MHZ频率下工作10秒，380KHz下工作5秒，交替进行。具体参数设置可以为反应气体流量比为SiH₄/NH₃=30/150，衬底温度可以为300℃，气压可以为500毫托(mT)，功率可以为60W。30纳米（nm）厚度的氮化硅沉积时间可以为45秒。

本发明的实施例中，在前述的实施例的基础上，还可以在掺杂的黑硅层上或者势垒层上面以及在P型硅衬底上形成电极。例如，在掺杂的黑硅层上或者势垒层上面以及在P型硅衬底上蒸镀金属膜作为电极，电极材料可以选择金，铝，银等金属。镀膜完成后，通过剥离法获得具有所需要的形状的电极。

当在势垒层上形成电极后，可以通过适合的刻蚀方法去除没有被电极覆盖的势垒层。例如，通过反应离子刻蚀（RIE）方法刻蚀去除没有被电极覆盖的势垒层。

图2为本发明的一个实施例的按照本发明前述的一个实施例制造的黑硅结构的截面示意图。

如图2所示，本发明的一个实施例中，黑硅结构包括P型衬底1和掺杂的黑硅层2，该掺杂的黑硅层2形成在P型硅衬底1上，其中该掺杂的黑硅层2中掺入了受主杂质。

一个实施例中，掺杂的黑硅层2中掺入的受主杂质为硼、铝、镓或者铟，或者为任何其它适合的元素。

一个实施例中，黑硅结构中还包括势垒层3，势垒层3形成在掺杂的黑硅层2上。

一个实施例中，在势垒层3上还可以形成第一电极4，并且势垒层3的没有被第一电极4覆盖的部分被去除。在P型衬底1上还设有第二电极5。

图3显示了本发明另一个实施例的黑体结构的俯视示意图，从图3中可以看出第一电极4的形状为梳状。

例如，经过测试，本发明的一个实施例中，获得的P⁺/P型黑硅结构在250-1100纳米（nm）波长范围内反射率不高于20%，光吸收率高于85%；在1100-2500纳米（nm）波长范围内的光吸收率高于63%，远远高于普通硅材料在近红外区域（>1100nm）的光吸收率。本发明的一个实施例中，在偏置电压为4V时，获得的P⁺/P型黑硅结构的响应波长范围为250-2500纳米（nm），响应度范围为40-60安培每瓦（A/W），信噪比范围为20-22分贝（dB）。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims

1.一种制造黑硅结构的方法，其特征在于，包括：

获取P型硅衬底；

在所述P型硅衬底上形成黑硅层；

在所述黑硅层中掺入受主杂质，形成掺杂的黑硅层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述P型硅衬底上形成黑硅层包括：使用反应离子刻蚀法、飞秒激光法、电化学腐蚀法或者湿法刻蚀法在所述P型硅衬底上形成所述黑硅层。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述黑硅层中掺入受主杂质包括：使用离子注入法向所述黑硅层中注入受主杂质离子。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述受主杂质为硼、铝、镓或者铟。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：在所述掺杂的黑硅层上和所述P型硅衬底上形成电极。

6.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：在所述掺杂的黑硅层上形成势垒层。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述势垒层是氮化硅层或者氧化硅层。

8.一种黑硅结构，其特征在于，包括：

P型硅衬底；

掺杂的黑硅层，所述掺杂的黑硅层形成在所述P型硅衬底上，其中所述掺杂的黑硅层中掺入了受主杂质。

9.如权利要求8所述的黑硅结构，其特征在于，还包括势垒层，所述势垒层形成在所述掺杂的黑硅层上。

10.如权利要求8或者9所述的黑硅结构，其特征在于：所述受主杂质为硼、铝、镓或者铟。