CN103268903A - 一种msm光电探测器的制备方法及msm光电探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MSM光电探测器的制备方法，该方法包括以下步骤：对晶体硅片表面进行清洁处理；对晶硅硅表面进行硫、硒或碲离子注入，将注入后的晶片退火，注入后硫、硒或碲元素的浓度应达到1016atom/cm3；对硅片进行激光掺杂，将激光掺杂后的硅放入退火炉中进行退火；完成后的光电材料其中硫、硒或碲元素的含量达到1019atom/cm3~1021atom/cm3，杂质浓度超过莫特相变浓度，形成中间带；在材料表面沉积两个Al叉指电极；该光电探测器可以在可见光和近红外区域有很高的响应。还公开了由上述方法制成的MSM光电探测器。

Description

一种MSM光电探测器的制备方法及MSM光电探测器
技术领域
本发明属于晶体硅技术领域，具体涉及一种MSM（metal Semiconductor metal）光电探测器的制备方法及MSM光电探测器。
背景技术
硅基光电探测器由于其易于集成的优点被广泛的应用于光电探测器，但硅基光电探测器在可见光和近红外光部分响应并不高。
重掺杂硫元素硅材料（sulfur hypedoped silicon）被认为是能够形成中间带杂质能级的材料，对于它的研究起始于对黑硅的研究。研究发现，黑硅在近红外部分能量小于禁带宽度的光吸收物理根源是硫元素的重掺杂。硅中重掺杂硫，材料发生了莫特相变，使得硅材料在红外部分的吸收显著提高。因此，重掺杂硫元素硅材料在光伏电池、通讯传感器等领域有十分重要的应用潜力。
目前，现有技术中，制备重掺杂硫元素硅材料的方法有激光辅助掺杂法和离子注入法，其中激光辅助掺杂法的掺杂浓度（最高约为1019atom/cm3）高于离子注入法的掺杂浓度（最高约为1016atom/cm3），激光辅助刻蚀法是将硅片至于六氟化硫气氛中，用飞秒激光扫描硅表面，硅表层向下0~500nm部分形成硫元素重掺杂，通过控制背景气体压强，飞秒（或纳秒）激光脉冲数，光强等参数达到控制内部硫元素掺杂水平的目的；离子注入法是常见的掺杂半导体的方法，由于其具有可控掺杂浓度和不受热力学平衡条件限制而大范围应用于半导体器件的重掺杂。激光辅助掺杂法优于离子注入法，但硫元素分布不够均匀，影响其光电性能。
目前，还没有发现将激光辅助掺杂法和离子注入法相结合制备重掺杂硫元素硅材料的方法，也没有同时辅助光刻胶获得金属铝叉指电极，从而制成MSM光电探测器的方法，也没有报道由该方法制成的MSM光电探测器。
发明内容
本发明的目的是提供一种MSM光电探测器的制备方法，该方法将激光辅助掺杂法和离子注入法相结合制备重掺杂硫元素硅材料，同时辅助光刻胶获得金属铝叉指电极，从而制成MSM光电探测器。
本发明的目的还在于提供一种由上述MSM光电探测器的制备方法制成的MSM光电探测器，该光电探测器可以在可见光和近红外区域有很高的响应。
本发明的上述目的是通过如下技术方案来实现的：一种MSM光电探测器的制备方法，含以下步骤：
（1）采用离子注入法在预处理后的晶体硅片中注入硫、硒或碲，使晶体硅片中硫、硒或碲元素的浓度为5×1015~1016个原子数/cm3，然后对晶体硅片进行退火和清洗处理；
（2）将退火处理后的晶体硅片采用激光再次掺杂硫、硒或碲，使晶体硅片中硫、硒或碲元素的浓度为1019~1021个原子数/cm3，经退火处理在晶体硅表面形成重掺杂硫、硒或碲硅薄膜层；
（3）在重掺杂硫、硒或碲硅薄膜层表面接着沉积一层铝金属薄膜，该铝金属薄膜的厚度为50~100nm；
（4）在铝金属薄膜上旋涂一层光刻胶，并通过曝光和显影液处理形成叉指电极图形，将晶体硅片浸入碱液中，腐蚀掉未被光刻胶叉指电极图形保护的金属铝薄膜，并在重掺杂硫、硒或碲硅薄膜层表面非叉指电极图形区域生成一层二氧化硅薄膜，形成MSM光电探测器。
本发明步骤(1)中所述预处理优选包括对晶体硅表面采用丙酮进行清洁和采用氢氟酸去除晶体硅表面的氧化层。
本发明步骤(1)中清洗处理优选采用氢氟酸进行清洗以除去退火处理时表面形成的氧化层。
本发明步骤(2)中激光掺杂时的过程为：将晶体硅片置于真空腔室中，调节真空腔室内压强为1×10-3pa以下，充入含硫气体至腔室内压强为0.5±0.01Pa，调节激光强度为1.8J/cm2，采用激光光斑扫描晶体硅表面，待激光扫过所有的硅表面时，将装载有晶体硅片的腔室抽真空处理至真空度为1×10-3pa以下，充入惰性气体至腔室内压强为0.5±0.01Pa，将晶体硅片转入退火炉中进行退火处理，完成对晶体硅片的重掺杂；或将硒、碲粉末涂于晶体硅片表面，将涂抹后的晶体硅片置于真空腔中，调节真空腔压强为1×10-3pa以下，调节激光强度为1.8J/cm2，采用激光光斑扫描晶体硅表面，待激光扫过所有的硅表面时，将装载有晶体硅片的腔室抽真空处理至真空度为1×10-3pa以下，充入惰性气体至腔室内压强为0.5±0.01Pa，将晶体硅片转入退火炉中进行退火处理，完成对晶体硅片的重掺杂。
本发明所述激光为飞秒或纳秒级激光。
本发明所述的含硫气体优选为SF6；所述的惰性气体为氩气。
本发明步骤(4)中采用的碱液为氢氧化钠溶液，其质量百分含量为20~30%。
本发明步骤(1)~步骤(4)中采用的晶体硅片优选为单晶硅片。
本发明步骤(4)中形成的叉指电极的图形中相邻电极之间的宽度为5~10m。
本发明步骤(4)中采用的光刻胶优选为负性光刻胶， 具体可以是柯达公司生产的kpr光刻胶。
本发明的第二个目的是通过如下技术方案来实现的一种MSM光电探测器，在所述晶体硅衬底上设有光敏层，所述光敏层为先后采用离子注入法和激光掺杂法形成的重掺杂硫、硒或碲硅薄膜层，在所述光敏层上设有由光刻胶法形成的金属铝叉指电极，在光敏层上未被金属铝叉指电极覆盖的区域设有氧化硅层。
其中所述重掺杂硫、硒或碲硅薄膜层中硫、硒或碲元素浓度为1019atom/cm3~1021atom/cm3。
金属铝叉指电极厚度优选为50~100nm，电极之间的宽度为5~10um，在没有叉指电极的地方生长氧化层。
本发明具有如下优点：本发明中的MSM光电探测器的制备方法，该方法将激光辅助掺杂法和离子注入法相结合制备重掺杂硫元素硅材料，同时辅助光刻胶获得金属铝叉指电极，从而制成MSM光电探测器；该光电探测器可以在可见光和近红外区域有很高的吸收率和响应度。
附图说明
图1是本发明MSM光电探测器的制备方法的流程图； 
图2是本发明实施例1-3中制成的MSM光电探测器的俯视图；
图3是本发明实施例1-3中制成的MSM光电探测器的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1中所示，本实施例提供的MSM光电探测器的制备方法，含以下步骤：
（1）对单晶硅表面进行清洁  清洁过程包括将硅放置在丙酮溶液中若干分钟，将浸泡着硅片的丙酮溶液放置到超声波室内，打开超声波室的开关(25kHz)， 将硅片浸泡于氢氟酸里去除硅表面的氧化层，然后用蒸馏水洗净；
（2）在晶体硅片表面离子注入硫元素 将单晶硅置于离子注入机载物台上，开启离子注入机，注入硫离子浓度为5×1015~1016atom/cm3；卸载硅片，将硅片迅速转移至退火炉退火，退火完成后将样品置入氢氟酸中洗掉表面的氧化层，然后用蒸馏水洗净；
（3）在晶体硅片表面采用激光辅助掺杂法重掺杂硫元素，拿出清洗完成的硅片，将其装载到真空腔的载物台上，将真空腔抽真空，压强为1×10-3Pa，打开充气阀门，以40sccm的流量冲入背景气体SF6，至压强为0.5pa，待真空室气压稳定后，打开飞秒（或纳秒）激光器，将激光强度调至1.8J/cm2，打开自动控制台，使得飞秒激光光斑缓慢的扫过单晶硅的表面，待激光扫过所有的硅表面后，使晶体硅片中硫元素的浓度为1019~1021个原子数/cm3，将真空腔抽真空至1×10-3pa，向真空室中充入氩气至0.5pa，将单晶硅迅速转入退火炉，待退火一段时间以后，将样品取出；
（4）在样品表面沉积一层Al金属薄膜，厚度约为50-100nm， 将样品表面旋图一层光刻胶，光刻胶为负性光刻胶，柯达公司生产的kpr光刻胶，通过曝光和显影液（购自柯达公司，与光刻胶相配套使用）处理形成叉指电极的图形，将样品浸入NaOH的溶液中，NaOH溶液的质量百分含量为20%，腐蚀掉未被保护的光刻胶和铝层，如图2和3中所示；在未腐蚀的表面生长一层SiO2薄膜，制成MSM光电探测器，采用如下过程来检测MSM光电探测器的响应波长，在MSM光电探测器正负极之间加6V~20V电压，并与电流表串联，将MSM光电探测器置于单色仪前，设置单色仪扫描波长范围为400nm~1500nm，扫描步进25nm，每个波长的输出能量为1μm，测量输出电流与输入光功率之间的比值。结果显示，本实施例制成的该结构MSM光电探测器响应波长为400nm~1500nm，在可见光范围内的最高响应为112A/W，近红外部分响应波长为0.5A/W左右。
实施例2
如图1中所示，本实施例提供的MSM光电探测器的制备方法，含以下步骤：
（1）对单晶硅表面进行清洁  清洁过程包括将硅放置在丙酮溶液中若干分钟，将浸泡着硅片的丙酮溶液放置到超声波室内，打开超声波室的开关(25kHz)， 将硅片浸泡于氢氟酸里去除硅表面的氧化层，然后用蒸馏水洗净；
（2）在晶体硅片表面离子注入硒元素 将单晶硅置于离子注入机载物台上，开启离子注入机，注入硒离子浓度为5×1015~1016atom/cm3；卸载硅片，将硅片迅速转移至退火炉退火，退火完成后将样品置入氢氟酸中洗掉表面的氧化层，然后用蒸馏水洗净；
（3）在晶体硅片表面采用激光辅助掺杂法重掺杂硒元素，拿出清洗完成的硅片，将硒粉末涂于晶体硅片表面，将涂抹后的晶体硅片置于真空腔中，调节真空腔压强为1×10-3pa以下，调节激光强度为1.8J/cm2，采用激光光斑扫描晶体硅表面，待激光扫过所有的硅表面时，将装载有晶体硅片的腔室抽真空处理至真空度为1×10-3pa以下，充入惰性气体至腔室内压强为0.5±0.01Pa，将晶体硅片转入退火炉中进行退火处理，待退火一段时间以后，将样品取出，完成对晶体硅片的硒重掺杂，并使晶体硅片中硒元素的浓度为1019~1021个原子数/cm3；
（4）在样品表面沉积一层Al金属薄膜，厚度约为50-100nm， 将样品表面旋图一层光刻胶，光刻胶为负性光刻胶，柯达公司生产的kpr光刻胶，通过曝光和显影液处理形成叉指电极的图形，将样品浸入含NaOH的溶液中，NaOH溶液的质量百分含量是25%，腐蚀掉未被保护的光刻胶和铝层，如图2和3中所示；在未腐蚀的表面生长一层SiO2薄膜，制成MSM光电探测器，制成的该结构光电探测器响应波长为400nm-1500nm，在可见光范围内的最高响应为112A/W，近红外部分响应波长为0.5A/W左右，检测过程参考实施例1。
实施例3
如图1中所示，本实施例提供的MSM光电探测器的制备方法，含以下步骤：
（1）对单晶硅表面进行清洁  清洁过程包括将硅放置在丙酮溶液中若干分钟，将浸泡着硅片的丙酮溶液放置到超声波室内，打开超声波室的开关(25kHz)， 将硅片浸泡于氢氟酸里去除硅表面的氧化层，然后用蒸馏水洗净；
（2）在晶体硅片表面离子注入碲元素 将单晶硅置于离子注入机载物台上，开启离子注入机，注入碲离子浓度为5×1015~1016atom/cm3；卸载硅片，将硅片迅速转移至退火炉退火，退火完成后将样品置入氢氟酸中洗掉表面的氧化层，然后用蒸馏水洗净；
（3）在晶体硅片表面采用激光辅助掺杂法重掺杂碲元素，拿出清洗完成的硅片，将碲粉末涂于晶体硅片表面，将涂抹后的晶体硅片置于真空腔中，调节真空腔压强为1×10-3pa以下，调节激光强度为1.8J/cm2，采用激光光斑扫描晶体硅表面，待激光扫过所有的硅表面时，将装载有晶体硅片的腔室抽真空处理至真空度为1×10-3pa以下，充入惰性气体至腔室内压强为0.5±0.01Pa，将晶体硅片转入退火炉中进行退火处理，待退火一段时间以后，将样品取出，完成对晶体硅片的碲重掺杂，并使晶体硅片中碲元素的浓度为1019~1021个原子数/cm3；
（4）在样品表面沉积一层Al金属薄膜，厚度约为50-100nm， 将样品表面旋图一层光刻胶，光刻胶为负性光刻胶，柯达公司生产的kpr光刻胶，通过曝光形成叉指电极的图形，将样品浸入含NaOH溶液中，NaOH溶液的质量百分含量是25%，腐蚀掉未被保护的光刻胶和铝层，如图2和3中所示；在未腐蚀的表面生长一层SiO2薄膜，制成MSM光电探测器，制成的该结构光电探测器响应波长为400nm-1500nm，在可见光范围内的最高响应为112A/W，近红外部分响应波长为0.5A/W左右，检测过程参考实施例1。
实施例4
如图2-3中所示，本实施例提供的MSM光电探测器，包括晶体硅衬底1，在晶体硅衬底1上设有光敏层2，光敏层为先后采用离子注入法和激光掺杂法形成的重掺杂硫硅薄膜层，在光敏层2上设有由光刻胶法形成的金属铝叉指电极3，在光敏层上未被金属铝叉指电极覆盖的区域设有氧化硅层4。
实际上，光敏层2还可以为重掺杂硒或碲的硅薄膜层。
以上列举具体实施例对本发明进行说明。需要指出的是，以上实施例只用于对本发明作进一步说明，不代表本发明的保护范围，其他人根据本发明的提示做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种MSM光电探测器的制备方法，其特征是含以下步骤：
（1）采用离子注入法在预处理后的晶体硅片中注入硫、硒或碲，使晶体硅片中硫、硒或碲元素的浓度为5×1015~1016个原子数/cm3，然后对晶体硅片进行退火和清洗处理；
（2）将退火处理后的晶体硅片采用激光再次掺杂硫、硒或碲，使晶体硅片中硫、硒或碲元素的浓度为1019~1021个原子数/cm3，经退火处理在晶体硅表面形成重掺杂硫、硒或碲硅薄膜层；
（3）在重掺杂硫、硒或碲硅薄膜层表面接着沉积一层铝金属薄膜，该铝金属薄膜的厚度为50~100nm；
（4）在铝金属薄膜上旋涂一层光刻胶，并通过曝光和显影液处理形成叉指电极图形，将晶体硅片浸入碱液中，腐蚀掉未被光刻胶叉指电极图形保护的金属铝薄膜，并在重掺杂硫、硒或碲硅薄膜层表面非叉指电极图形区域生成一层二氧化硅薄膜，形成MSM光电探测器。
2.根据权利要求1所述的MSM光电探测器的制备方法，其特征是：步骤(1)中所述预处理包括对晶体硅表面采用丙酮进行清洁和采用氢氟酸去除晶体硅表面的氧化层。
3.根据权利要求1所述的MSM光电探测器的制备方法，其特征是：步骤(1)中清洗处理采用氢氟酸进行清洗以除去退火处理时表面形成的氧化层。
4.根据权利要求1所述的MSM光电探测器的制备方法，其特征是：步骤(2)中激光掺杂时的过程为：将晶体硅片置于真空腔室中，调节真空腔室内压强为1×10-3pa以下，充入含硫气体至腔室内压强为0.5±0.01Pa，调节激光强度为1.8J/cm2，采用激光光斑扫描晶体硅表面，待激光扫过所有的硅表面时，将装载有晶体硅片的腔室抽真空处理至真空度为1×10-3pa以下，充入惰性气体至腔室内压强为0.5±0.01Pa，将晶体硅片转入退火炉中进行退火处理，完成对晶体硅片的重掺杂；或将硒、碲粉末涂于晶体硅片表面，将涂抹后的晶体硅片置于真空腔中，调节真空腔压强为1×10-3pa以下，调节激光强度为1.8J/cm2，采用激光光斑扫描晶体硅表面，待激光扫过所有的硅表面时，将装载有晶体硅片的腔室抽真空处理至真空度为1×10-3pa以下，充入惰性气体至腔室内压强为0.5±0.01Pa，将晶体硅片转入退火炉中进行退火处理，完成对晶体硅片的重掺杂。
5.根据权利要求4所述的MSM光电探测器的制备方法，其特征是：所述激光为飞秒或纳秒级激光。
6.根据权利要求4所述的MSM光电探测器的制备方法，其特征是：所述的含硫气体为SF6，所述的惰性气体为氩气。
7.根据权利要求1所述的MSM光电探测器的制备方法，其特征是：步骤(4)中采用的碱液为氢氧化钠溶液，其质量百分含量为20~30%。
8.根据权利要求1所述的MSM光电探测器的制备方法，其特征是：步骤(1)~步骤(4)中采用的晶体硅片为单晶硅片。
9.根据权利要求1所述的MSM光电探测器的制备方法，其特征是：步骤(4)中形成的叉指电极的图形中相邻电极之间的宽度为5~10m。
10.权利要求1-9中任一种MSM光电探测器的制备方法制成的MSM光电探测器，包括晶体硅衬底，其特征是：在所述晶体硅衬底上设有光敏层，所述光敏层为先后采用离子注入法和激光掺杂法形成的重掺杂硫、硒或碲硅薄膜层，在所述光敏层上设有由光刻胶法形成的金属铝叉指电极，在光敏层上未被金属铝叉指电极覆盖的区域设有氧化硅层。
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Application publication date: 20130828

Assignee: Anhui Perseus intelligent Polytron Technologies Inc

Assignor: South China Normal University

Contract record no.: 2018340000014

Denomination of invention: Method for manufacturing MSM photoelectric detector and MSM photoelectric detector

Granted publication date: 20160622

License type: Exclusive License

Record date: 20180813

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Granted publication date: 20160622

Termination date: 20210513