CN103268852B - 一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法 - Google Patents

一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103268852B
CN103268852B CN201310157821.1A CN201310157821A CN103268852B CN 103268852 B CN103268852 B CN 103268852B CN 201310157821 A CN201310157821 A CN 201310157821A CN 103268852 B CN103268852 B CN 103268852B
Authority
CN
China
Prior art keywords
over
saturation
doped semiconductor
preparation
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201310157821.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103268852A (zh
Inventor
王科范
张华荣
彭成晓
曲胜春
王占国
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Semiconductors of CAS
Original Assignee
Institute of Semiconductors of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Semiconductors of CAS filed Critical Institute of Semiconductors of CAS
Priority to CN201310157821.1A priority Critical patent/CN103268852B/zh
Publication of CN103268852A publication Critical patent/CN103268852A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103268852B publication Critical patent/CN103268852B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

本发明公开了一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1：选择一衬底；步骤2：将衬底表面清洗干净；步骤3：在较低的生长温度下，在衬底表面沉积半导体非晶薄膜；其中，通过控制原子的沉积速率比，得到超饱和掺杂的半导体非晶薄膜；步骤4：利用超快激光对所得的超饱和掺杂半导体非晶薄膜进行激光退火，完成超饱和掺杂半导体薄膜的制备。本发明提出的上述制备方法中，应用分子束外延技术制备掺杂浓度均匀的超掺杂薄膜，所制备出的超饱和掺杂硅薄膜内杂质的深度分布很均匀。

Description

一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于半导体薄膜材料领域，具体涉及一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法。
背景技术
近年来，人们对超饱和掺杂半导体材料产生了浓厚的研究兴趣。所谓的超饱和掺杂半导体材料是指掺杂剂在半导体材料内部的掺杂浓度已经开始大于它的热力学平衡溶解度。半导体材料如果被深能级杂质掺杂，掺杂原子可以在半导体材料的禁带内形成杂质态。在这种情况下，随着掺杂原子浓度的增加，孤立的杂质态之间可以相互耦合，最后形成了杂质带，这就是所谓的中间带半导体材料。在通常的半导体材料(比如硅和砷化镓)内部插入中间带，可以大幅扩展它们在长波长方向的吸收波长，从而提升相关太阳电池效率或开发出新型红外探测器。
为了对半导体材料进行超饱和掺杂，目前总结起来大致有2种方法：(1)在含掺杂原子的气氛内，用超快激光扫描半导体材料的表面。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，获得了一种硫超饱和掺杂的硅材料，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[Appl.Phys.Lett.73，1673(1998)]。这种硫超饱和掺杂的硅材料虽然吸收很强，但由于表面存在大量晶格缺陷，并且表面布满尖锥结构，实际上并不适宜制作光电器件。(2)对半导体材料进行高剂量掺杂离子注入，再进行超快激光退火。2006年哈佛大学的T.G.Kim等人对单晶硅片注入剂量为1×1016cm-2的硫离子，然后再对它进行纳秒激光退火。这样形成的硫超饱和掺杂硅的表面层内硫原子的平均浓度为3×1022cm-3，约为硅原子浓度的0.6％，并且它的表面平整，内部无晶格缺陷，在1200-2400nm波长范围内的光吸收在40％左右，因此这种硫超饱和掺杂硅材料很适宜器件制作[Appl.Phys.Lett.88，241902(2006)]。但它的缺点是掺杂的硫原子在注入层内的浓度分布很不均匀，这是因为离子注入后掺杂原子在半导体内的浓度分布为高斯分布，超快激光退火后同样也很不均匀，这对器件的制作和性能造成很不利的影响。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出利用分子束外延技术可以精确控制外延薄膜的原子百分比这一独特优势，先在衬底表面外延一层浓度均匀的超饱和掺杂半导体非晶薄膜，再对它进行超快激光退火(晶化)，这样将形成掺杂浓度非常均匀的超饱和掺杂半导体薄膜材料。
本发明提供了一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：将衬底表面清洗干净；
步骤3：在较低的生长温度下，在衬底表面沉积半导体非晶薄膜；其中，通过控制原子的沉积速率比，得到超饱和掺杂的半导体非晶薄膜；
步骤4：利用超快激光对所得的超饱和掺杂半导体非晶薄膜进行激光退火，完成超饱和掺杂半导体薄膜的制备。
本发明提出的上述制备方法形成的超饱和掺杂半导体薄膜内掺杂浓度非常均匀，对于器件性能非常有利。
附图说明
图1为本发明中超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法流程图。
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法。
图1示出了本发明所提出的超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底，该衬底的材料可以为各类半导体衬底片，此例选用硅单晶片，其晶面取向为(001)，且双面抛光，p型硼掺杂，电阻率为在1～10Ωcm之间，晶片厚度为390±20μm；
步骤2：分别在三氯乙烯和异丙醇中旋转清洗所述衬底3次，除去衬底表面的有机污染物，其中，所述清洗方法可以为化学清洗、氩离子清洗或超高真空热退火等；再分别在浓H2SO4∶H2O2(体积比1∶1)溶液和HF∶C2H5OH(体积比1∶10)溶液中清洗，除去衬底表面的金属污染物和氧化层；最后用去离子水将衬底表面冲洗干净，高纯氮气吹干，迅速传进超高真空分子束外延系统中；
步骤3：在超高真空分子束外延系统的生长室内，利用超高真空分子束外延方式沉积半导体非晶薄膜，通过控制原子的沉积速率比，实现超饱和掺杂。保持硅衬底在较低的生长温度，以保证沉积原子无明显热扩散或偏析的温度为宜，优选为室温(25℃)，将硅源的蒸发速率调整为10埃每秒将硫源的蒸发速率调整为0.1埃每秒沉积厚度为200nm的硫超掺杂硅非晶薄膜，硫的掺杂浓度为5×1020cm-3左右(原子百分比为1％左右)；其中保持较低的生长温度是为保证沉积原子无明显热扩散或偏析的温度；
步骤4：利用超快激光对所得的超饱和掺杂半导体非晶薄膜进行激光退火，其中所选用的超快激光可以为飞秒、皮秒或纳秒激光。本发明中优选的激光器为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0.5J/cm2。选择的激光退火条件要保证充分晶化硫超掺杂硅非晶薄膜。至此，完成硫超饱和掺杂硅薄膜的制备。
本发明提出的上述制备方法中，应用分子束外延技术制备掺杂浓度均匀的超掺杂薄膜，所制备出的超饱和掺杂硅薄膜内杂质的深度分布很均匀，而目前的两种超掺杂方法即离子注入加激光退火，或者激光直接掺杂制备的硅样品内掺杂方法都很不均匀。离子注入掺入的杂质呈高斯分布；激光直接掺杂的杂质表面浓度高，内部低。掺杂浓度的均匀对器件的性能很有利。
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，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)

1.一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：将衬底表面清洗干净；
步骤3：在室温下，在衬底表面沉积半导体非晶薄膜；其中，通过控制原子的沉积速率比，得到超饱和掺杂的半导体非晶薄膜；
步骤4：利用纳秒激光对所得的超饱和掺杂半导体非晶薄膜进行激光退火，完成超饱和掺杂半导体薄膜；
其中，所述衬底的材料为硅单晶片；
步骤2中衬底的清洗方式包括化学清洗、氩离子清洗和超高真空热退火中的一种或多种组合方式，其用于去除衬底表面的各类污染物和氧化层；
步骤3中利用超高真空分子束外延技术沉积所述半导体非晶薄膜。
CN201310157821.1A 2013-05-02 2013-05-02 一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法 Expired - Fee Related CN103268852B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310157821.1A CN103268852B (zh) 2013-05-02 2013-05-02 一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310157821.1A CN103268852B (zh) 2013-05-02 2013-05-02 一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103268852A CN103268852A (zh) 2013-08-28
CN103268852B true CN103268852B (zh) 2015-10-21

Family

ID=49012475

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310157821.1A Expired - Fee Related CN103268852B (zh) 2013-05-02 2013-05-02 一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103268852B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103762255B (zh) * 2014-01-24 2016-03-02 中国科学院半导体研究所 硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器及其制作方法
CN105821472A (zh) * 2016-04-25 2016-08-03 武汉大学 一种基于飞秒激光辅助的半导体材料外延生长方法和装置
CN106835069A (zh) * 2016-12-21 2017-06-13 武汉大学 基于飞秒激光的半导体金刚石薄膜掺杂后处理方法和装置
CN108831827B (zh) * 2018-07-31 2020-07-28 山东大学 一种热辅助飞秒激光退火非晶硅的装置
CN109378269B (zh) * 2018-10-08 2021-11-26 南开大学 一种对半导体表面过饱和掺杂且保持其晶格结构的制备方法
CN113223969A (zh) * 2021-04-23 2021-08-06 武汉理工大学 一种柔性p/n型半导体的超快激光退火技术

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7033916B1 (en) * 2004-02-02 2006-04-25 Advanced Micro Devices, Inc. Shallow junction semiconductor and method for the fabrication thereof
CN102280526A (zh) * 2011-02-21 2011-12-14 中国科学院半导体研究所 提高太阳能电池效率及制备高效率太阳能电池的方法
CN102976326A (zh) * 2012-12-17 2013-03-20 南开大学 一种硫掺杂硅纳米颗粒的制备方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6214654B1 (en) * 1999-01-27 2001-04-10 Advanced Micro Devices, Inc. Method for forming super-steep retrograded channel (SSRC) for CMOS transistor using rapid laser annealing to reduce thermal budget
GB9927287D0 (en) * 1999-11-19 2000-01-12 Koninkl Philips Electronics Nv Top gate thin film transistor and method of producing the same
CN100359638C (zh) * 2001-10-22 2008-01-02 耶鲁大学 超掺杂半导体材料的方法以及超掺杂的半导体材料和器件
CN102938435B (zh) * 2012-11-23 2015-05-06 中国科学院半导体研究所 制备超饱和硫系元素掺杂硅的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7033916B1 (en) * 2004-02-02 2006-04-25 Advanced Micro Devices, Inc. Shallow junction semiconductor and method for the fabrication thereof
CN102280526A (zh) * 2011-02-21 2011-12-14 中国科学院半导体研究所 提高太阳能电池效率及制备高效率太阳能电池的方法
CN102976326A (zh) * 2012-12-17 2013-03-20 南开大学 一种硫掺杂硅纳米颗粒的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103268852A (zh) 2013-08-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103268852B (zh) 一种超饱和掺杂半导体薄膜的制备方法
Kumar et al. Physics and chemistry of CdTe/CdS thin film heterojunction photovoltaic devices: fundamental and critical aspects
KR101386271B1 (ko) 반도체 적층체, 반도체 디바이스, 및 그들의 제조 방법
Pan et al. Structural, optical and electrical characterization of gadolinium and indium doped cadmium oxide/p-silicon heterojunctions for solar cell applications
CN107785452B (zh) 双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器
Luderer et al. Controlling diffusion in poly-Si tunneling junctions for monolithic perovskite/silicon tandem solar cells
Yamada et al. Improvement of electrical properties of silicon quantum dot superlattice solar cells with diffusion barrier layers
WO2023221714A1 (zh) 一种δ掺杂层制备方法及电子器件
Lee et al. Investigation of crystallized germanium thin films and germanium/silicon heterojunction devices for optoelectronic applications
CN103762255B (zh) 硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器及其制作方法
CN104396021A (zh) 包括改进的磷属元素化物半导体膜的光伏器件的制造方法
Rahimi et al. Characterization of surface defects on Be-implanted GaSb
Huss et al. Front and back interface recombination of MZO/CdTe/Te solar cells
Fang et al. Fabrication and characterization of amorphous In–Zn–O/SiOx/n-Si heterojunction solar cells
Makita et al. β-FeSi 2 as a Kankyo (environmentally friendly) semiconductor for solar cells in the space application
Bellanger et al. Silicon tunnel junctions produced by ion implantation and diffusion processes for tandem solar cells
Schultz High-efficiency multicrystalline silicon solar cells
CN102569498A (zh) 太阳能电池及其制作方法
Sorianello et al. Near-infrared photodetectors in evaporated Ge: characterization and TCAD simulations
Mao et al. The way to high-performance single nanowire photodetectors: problems and prospects
Murcia et al. High performance thin crystalline silicon solar cell grown on silicon-on-insulator
Mandal et al. Thermally evaporated AgGaTe2 thin films for low-cost p-AgGaTe2/n-Si heterojunction solar cells
Harrison et al. The effects of pressure on the fabrication of CdS/CdTe thin film solar cells made via pulsed laser deposition
Nagao et al. Two-step ion implantation used for activating boron atoms in silicon at 300° C
Peters et al. Properties of CdS/ZnCdTe heterojunctions

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20151021

Termination date: 20160502