CN102938435B - 制备超饱和硫系元素掺杂硅的方法 - Google Patents

制备超饱和硫系元素掺杂硅的方法 Download PDF

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Abstract

一种制备超饱和硫系元素掺杂硅的方法，包括如下步骤：步骤1：选择一衬底；步骤2：对衬底表面进行制绒；步骤3：对制绒后的衬底进行超饱和硫系元素离子注入；步骤4：对硫系元素离子注入后的衬底进行激光退火，消除离子注入产生的晶格缺陷，完成制备。本发明形成的超饱和硫系元素掺杂硅表面，既保证了良好的电极接触，又对入射光具有一定的减反射作用，对于制作高响应红外探测器特别有利。

Description

制备超饱和硫系元素掺杂硅的方法
技术领域
本发明属于新型硅材料领域，具体涉及一种制备超饱和硫系元素掺杂硅的方法。
背景技术
近十年来，人们对于在硅中掺入超饱和的硫系元素(硫、硒或碲)后形成的新型硅材料产生了浓厚的研究兴趣，这是因为这种新型硅材料在红外区域(波长大于1.1μm)有很强的光吸收，而这一优异特性将使硅基红外探测器成为可能。1998年哈佛大学的艾瑞克·马祖(Eric Mazur)教授和他领导的研究小组在六氟化硫气氛中，使用飞秒激光扫描硅表面，意外地形成了一种新型硅材料，它的表面层内硫的掺杂浓度达到1020cm-3数量级(硫在硅中的平衡饱和浓度为1015cm-3数量级)，它可以对波长从0.25μm到2.5μm的光产生90％以上的吸收。这种新型的硅材料，肉眼看上去非常黑，所以后来被称为黑硅。将黑硅做成探测器后，在0.4μm到1.7μm的波长范围内都有响应，最高响应在1.06μm处达到了100A/W，这是商用硅探测器的100倍；它在通讯波长1.33μm和1.55μm处的响应分别为50mA/W，和35mA/W，这比商用硅探测器高5个数量级，但比商用锗和铟镓砷探测器小1个数量级。黑硅探测器在红外有响应，这结果令人振奋，但它的响应度目前还太低，离商用还差1个数量级，另外它在红外的响应也与它在红外的吸收(90％以上)很不匹配。对于这一点，目前大家都认为原因是超快激光在刻蚀硅表面的时候形成了大量的晶格缺陷，这些晶格缺陷很容易俘获光生载流子，导致光生载流子很难被金属电极收集到。除了黑硅这种类型的超饱和硫掺杂硅之外，还有一种超饱和硫掺杂硅还未引起人们的足够重视。2006年哈佛大学另外一位教授迈克尔·阿泽(Miche l Az iz)教授和他领导的研究小组通过对硅超饱和注入硫离子后，再对样品进行纳秒激光退火。这种方法形成的超饱和硫掺杂硅样品，表面非常平整，内部也无明显缺陷，在可见光区域的光吸收为70％，在红外区域的光吸收为30％。表面平整对制作黑硅探测器非常有利，保证了衬底片与金属电极良好的接触；无晶格缺陷可以使光生载流子的寿命较长，利于电极收集。它唯一的缺点是在红外波段的吸收只有30％，与前面黑硅的吸收相比下降了60％。为了增加这种超饱和硫掺杂硅在红外的吸收，我们提出先对硅表面进行制绒，然后再对制绒后的硅片进行硫离子注入和纳秒激光退火。光吸收的测试表明，这种新方法制备出来的超饱和硫掺杂硅在红外的光吸收达到70％，同时表面的微结构也保证了良好的电极接触，所以它对相关器件的开发非常有利。这种新方法同样也适用于超饱和硒或碲掺杂硅材料的制作。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种制备超饱和硫系元素掺杂硅的方法，该方法包括先对硅衬底表面进行制绒，再对它进行离子注入和激光退火。这种方法形成的超饱和硫系元素掺杂硅表面，既保证了良好的电极接触，又对入射光具有一定的减反射作用，对于制作高响应红外探测器特别有利。
本发明提供一种制备超饱和硫系元素掺杂硅的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：对衬底表面进行制绒；
步骤3：对制绒后的衬底进行超饱和硫系元素离子注入；
步骤4：对硫系元素离子注入后的衬底进行激光退火，消除离子注入产生的晶格缺陷，完成制备。
其中衬底的材料为硅单晶片。
其中离子注入后硫系元素在衬底中的原子浓度为5×1019cm-3-1×1021cm-3。
其中硫系元素包括硫、硒或碲。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为本发明的制备流程图；
图2为光吸收谱图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种制备超饱和硫系元素掺杂硅的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底，该衬底的材料为硅单晶片，它的晶面取向为(001)，双面抛光，p型硼掺杂，电阻率为1-10Ωcm，晶片厚度为390±20μm；
步骤2：衬底表面经清洗去污之后，使用刻蚀液(NaOH∶异丙醇(IPA)∶水＝2g∶4ml∶45ml)在80℃对衬底制绒40分钟，使衬底表面布满金字塔减反射结构；
步骤3：对制绒后的衬底进行超饱和硫离子注入，注入能量为200keV，注入剂量为1×1016cm-2，注入深度约为240nm左右，峰值浓度约为6×1020cm-3左右。硒或碲离子的注入采用类似方式。离子注入后，要保证注入原子在硅衬底中的原子浓度为5×1019cm-3-1×1021cm-3，相对应的原子百分比为0.1％-10％。另外，离子注入深度要保证接下来的激光退火能够消除离子注入产生的晶格缺陷；
步骤4：对硫离子注入后的衬底进行激光退火，选用的激光器为KrF(248nm)纳秒激光器，脉冲宽度为20ns，光束形状为3mm×1mm矩形，平均每点的脉冲数为4个，能量密度选用为1.4J/cm2。选择的激光退火条件要保证既要消除离子注入产生的晶格缺陷，又不要在硅衬底表面产生大量新的晶格缺陷或刻蚀出尖锐的表面微结构。至此，完成制备。
这种新方法形成的超饱和硫掺杂硅、普通硅片(未经任何处理)以及未制绒但经硫离子注入和纳秒激光退火的硅片的光吸收谱如图2所示。很明显，制绒大幅增加了这类超饱和硫掺杂硅在红外波段的光吸收，从30％增加到70％；在可见光波段，光吸收小幅增加约10％。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的的限制，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (1)

1.一种制备超饱和硫系元素掺杂硅的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底，该衬底的材料为硅单晶片，其晶面取向为(001)，双面抛光，p型硼掺杂，电阻率为1-10Ωcm，晶片厚度为390±20μm；
步骤2：对衬底表面进行制绒，在衬底表面经清洗去污之后，使用组分为NaOH∶异丙醇(IPA)∶水＝2g∶4ml∶45ml的刻蚀液在80℃对衬底制绒40分钟，使衬底表面布满金字塔减反射结构；
步骤3：对制绒后的衬底进行超饱和硫系元素离子注入，所述注入能量为200kev，注入剂量为1×1016cm-2，注入深度为240nm，峰值浓度为6×1020cm-3，以使得硅衬底中的注入原子的浓度为5×1019cm-3-1×1021cm-3，相对应的原子百分比为0.1％-10％，所述硫系元素包括硫、硒或碲；
步骤4：对硫系元素离子注入后的衬底进行激光退火，消除离子注入产生的晶格缺陷，其是采用248nm的KrF激光器，输出脉冲宽度为20ns，光束形状为3mm×1mm矩形，平均每点的脉冲数为4个，能量密度选用为1.4J/cm2，从而在消除离子注入产生的晶格缺陷的同时，避免在硅衬底表面刻蚀出尖锐的表面微结构，完成制备。
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