CN104282792A - 非制冷光子型硅基红外探测器芯片及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于红外探测器技术领域，具体为一种非制冷的光子型硅基红外探测器芯片及其备作方法和应用。本发明结构自上而下依次为：n+重掺杂微结构层、硅表面的微结构以及n型硅片。本发明结构为一固有连接的整体，所述硅表面的锥体结构是在含氮元素的气体氛围中，用超快激光辐照背面n型硅片获得，由于辐照区域氮原子的高浓度掺入，在锥体结构表层形成所述n+重掺杂微结构层，并在硅禁带中引入杂质能带。本发明的红外探测器芯片吸收近红外和中红外波段光波，尤其吸收“大气窗口”的透过波段，因此可用于军工红外探测方面。同时制作工艺简单，生产良率高。另外，非制冷光子型硅基红外探测器可以在常温下工作，成本低，可以普及到民用方面。
Description
技术领域
本发明属于红外探测器技术领域，具体涉及一种非制冷的光子型硅基红外探测器芯片及其制备方法和应用。
背景技术
穿过大气层的太阳光因受到大气层对太阳辐射的吸收和散射作用，选择性的使红外波段中3-5微米与8-14微米的波段明显穿过大气层，形成“大气窗口”。在军事应用方面，军事目标通常远离军事设备，到达军事设备的光场需经由大气传输。显然，3-5微米和8-14微米的波段更容易穿过大气到达军事设备，所以，红外技术对军事领域显得尤为重要，例如红外技术对红外成像中的精确制导；对武器平台的驾驶与导航；对监视、告警、预警与跟踪远、中和近程军事目标；对光电对抗等方面；对探测隐身武器系统等等。
红外技术作为红外探测器技术的核心，引领并制约红外探测器技术的发展。1800年英国天文学家威廉·赫胥尔首先发现了红外线，标志着红外探测器开始发展，例如热电偶、热电堆、测热辐射计等热电、热探测器的相继出现。第一支硫化铊光电导型红外探测器由美国人于1917年研制获得，硫化铅光电导型红外探测器由德国人于19世纪30年代末研制获得。红外探测器在二次世界大战中得到快速的发展，并在其后因半导体技术的发展使之得到进一步推动。早期研制的红外探测器因探测波长单一、工作温度低等问题使其应用受限。英国Lawson于1959年发明碲镉汞红外探测器，此后，红外探测器的发展便呈现出一发不可收拾的局面。碲镉汞红外探测器在红外探测器发展历程中占有重要的地位[2]。
但是，碲镉汞探测器也有其不可克服的缺点。首先，碲镉汞为三元半导体，主要通过离子键将碲和镉、碲和汞结合，各元素间相互作用力小。因此该材料的固有问题是：元素汞在材料内显得不稳定，容易从中逸出而形成材料的不稳定以及材料的缺陷，导致器件性能下降，该问题在长波应用尤为突出。其次，对于碲镉汞长波探测器，器件性能的下降主要来自于其窄禁带宽度带来的大带间隧穿电流和暗电流。所以为保证器件的性能，必须严格控制材料的生长质量和器件制作工艺，从而导致成品率降低，器件成本提高。另外，碲镉汞薄膜材料生长的外延衬底问题是碲镉汞红外探测器的另一个主要问题，碲锌镉衬底与碲镉汞晶格相匹配，但若想获得较大尺寸的碲锌镉衬底，成本相对昂贵，所以必须考虑替代衬底以及晶格不匹配带来的质量问题，尤其对于碲镉汞长波探测器来说[2]。
另外，一般情况下的红外探测器，在使用过程中必须达到一定的制冷要求，使得使用成本大幅提高，并且灵敏度跟不上军用的需求。各类探测器材料与器件存在的不足不断激发人们对红外新材料和新器件技术的探索。本发明提出了一种基于硅材料的中红外探测器，不仅在中红外波段的灵敏度较好，而且它不需要低温工作环境，另外由于硅基材料的成熟加工工艺，使得该红外探测器易于制作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种灵敏度好、工作温度要求低的具有广泛适用性的非制冷光子型硅基红外探测器芯片及其制作方法，以及该红外探测器芯片在非制冷光子型硅基红外探测器中的应用，使所述探测器在非制冷条件下，能够对“大气窗口”的中红外波段具有较高的响应。
本发明提供的非制冷光子型硅基红外探测器芯片，其结构自上而下依次包括：
n+重掺杂微结构层；
硅表面的锥体结构；
n型硅片。
所述n型硅片为晶向（100）、（110）或（111）的n型单晶硅片，双面抛光，厚度为300-500 μm，电阻率为1000-5000 Ω·cm。
所述n+重掺杂微结构层、硅表面的锥体结构和n型硅片为一固有连接的整体，所述硅表面的锥体结构是在含氮元素的气体氛围中，用超快激光辐照n型硅片获得，由于辐照区域氮原子的高浓度掺入，在所述硅表面的锥体结构表层形成所述n+重掺杂微结构层，并在硅禁带中引入杂质能带。
本发明还提供了一种非制冷光子型硅基红外探测器结构芯片的制备方法，该方法具体步骤如下：
（1）选择晶向为（100）、（110）或（111）的n型单晶硅片，并彻底清洗；
（2）将清洗后的n型单晶硅片，置于含氮元素的密闭气体氛围中，用超快激光辐照所述n型单晶硅片的一面，在该面的表面形成微米量级呈准周期性排列的结构，即锥体结构；由于氮元素的超饱和重掺杂作用，在所述锥体结构表层形成n+重掺杂微结构层；
（3）将表面形成有锥体结构的n型单晶硅片置于快速热退火炉中退火；
（4）退火后，在n+重掺杂微结构层表面磁控溅射一层AZO薄膜，作为正面电极；
（5）再在n型单晶硅片的另一面用磁控溅射的方法溅射一层ITO薄膜，作为背面电极。
本发明中，步骤（1）中所述的n型单晶硅片，双面抛光，其电阻率为1000-5000 Ω·cm，厚度为300-500 μm。
本发明中，步骤（2）中所述的超快激光为飞秒激光、皮秒激光或纳秒激光。
本发明中，步骤（2）中所述氮元素位于所述n型单晶硅片表面形成的微米量级的准周期性锥体结构中，并集中于所述锥体结构表层的1 μm范围内，形成n+重掺杂微结构层。
本发明中，步骤（2）中所述的密闭气体为三氟化氮或氮气，所述密闭气体氛围的压强为60~80 kPa。
本发明中，步骤（3）中的所述退火温度为600-1400 K，退火时间为1-30 min。
本发明中，步骤（4）和步骤（5）中所述的AZO薄膜和ITO薄膜的厚度为10-100 nm。
根据本发明提供的非制冷光子型硅基红外探测器芯片及其制作方法，本发明还提供了一种非制冷光子型硅基红外探测器，所述非制冷光子型硅基红外探测器包括所述非制冷光子型硅基红外探测器芯片。
本发明所提供的非制冷光子型硅基红外探测器芯片及其制作方法和非制冷光子型硅基红外探测器具有如下有益效果：
1. 本发明提供的非制冷光子型硅基红外探测器芯片及其制作方法和非制冷光子型硅基红外探测器，所述芯片吸收近红外和中红外波段光波，尤其可吸收“大气窗口”的透过波段，提高中红外波段的灵敏度，因此可用于军用红外探测方面。
2.本发明提供的非制冷光子型硅基红外探测器芯片及其制作方法和非制冷光子型硅基红外探测器，容易达成且制作工艺简单，良率高。
3.本发明提供的非制冷光子型硅基红外探测器芯片及其制作方法和非制冷光子型硅基红外探测器，所述非制冷光子型硅基红外探测器可以在常温下工作，成本低，可以普及到民用方面。
附图说明
图1所示为所述非制冷光子型硅基红外探测器芯片前视结构示意图。
图2所示为在含氮气体环境中得到的硅表面的椎体结构示意图。
图3所示为在三氟化氮气体环境中得到的微结构中氮元素的SIMS图。
图4所示为在三氟化氮气体环境中得到微构造硅的吸收率示意图，其中，图4（a）所示为三氟化氮气体环境中得到微构造硅在近红外波段的吸收率，图4（b）所示为三氟化氮气体环境中得到微构造硅在中红外波段的吸收率。
图5所示为在氮气气体环境中得到的硅表面的微结构中氮元素的SIMS图。
图6所示为在氮气气体环境中得到微构造硅的吸收率示意图，其中，图6（a）所示为氮气气体环境中得到微构造硅在近红外波段的吸收率，图6（b）所示为氮气气体环境中得到微构造硅在中红外波段的吸收率。
其中，1-背面电极，2- n型单晶硅片，3-锥体结构，4- n+重掺杂微结构层，5-正面电极。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
下面结合附图1至图 6 详细说明本发明所提供的非制冷光子型硅基红外探测器芯片及其制作方法和非制冷光子型硅基红外探测器。
如图1所示为所述非制冷光子型硅基红外探测器芯片，包括如下主要结构，该主要结构自上而下依次为：
n+重掺杂微结构层4；
硅表面的椎体结构3
n型单晶硅片2；
需要说明的是，所述的非制冷光子型硅基红外探测器芯片主要结构中，所述n+重掺杂微结构层4、所述硅表面的椎体结构3和所述n型硅片2为一整体，所述硅表面的椎体结构3是在含氮元素的气体氛围中，用超快激光辐照n型硅片2获得，由于辐照区域氮原子的高浓度掺入，在所述硅表面的椎体结构3表面形成所述n+重掺杂微结构层4，并在硅禁带中引入杂质能带，引入的所述杂质能带增强了所述结构在可见-近红外-中红外波段的光吸收。
在本实施例中，较佳的，所述超快激光，特指飞秒激光、皮秒激光或纳秒激光。另外，所述含氮元素的气体氛围其压强为60-80 kPa，优选65-75 kPa。
所述非制冷光子型硅基红外探测器芯片结构中，所述n型硅片为晶向（100）（110）或（111）的n型单晶硅片，双面抛光，厚度为300-500 μm，电阻率为1000-5000 Ω·cm。
根据所述非制冷光子型硅基红外探测器芯片的主要结构，本发明提供了一种非制冷光子型硅基红外探测器结构芯片的制作方法。该方法包括如下步骤：
步骤1：选择晶向为（100）（110）或（111）的所述n型单晶硅片，对所述n型单晶硅片彻底清洗，清除表面的有机表面膜、杂质粒子、金属玷污等；
步骤2：将清洗干净的所述n型单晶硅片，立即置于含氮元素的密闭气体氛围中，用超快激光辐照所述n型单晶硅片，在n型单晶硅片表面形成微米量级的准周期性锥体结构，所述结构即为硅表面的椎体结构3，如图2为示意图，由于氮原子的高浓度掺入，在硅表面的椎体结构3表层形成一层n+重掺杂微结构层4；
步骤3：将表面形成有锥体结构的n型单晶硅片置于快速热退火炉退火；
步骤4：将退火后的硅片，在n+重掺杂微结构层4的表面用磁控溅射的方法溅射一层AZO薄膜作为正面电极；
步骤5：将上述工艺得到的所述硅片，在其另一面用磁控溅射的方法溅射一层ITO薄膜作为背面电极。
本发明中，步骤1所述n型单晶硅片，双面抛光，其电阻率为1000-5000 Ω·cm，厚度300-500 μm。
较佳的，步骤2中所述的超快激光，特指飞秒激光、皮秒激光或纳秒激光。由于超快激光的辐照，硅片表面呈现出椎体结构3，并在椎体结构3表层掺入超饱和的氮元素形成正面n+重掺杂微结构层4.
优选的，步骤2中所述的密闭气体为三氟化氮或氮气，所述密闭气体氛围的压强为60~80 kPa，优选为65~75 kPa。
优选的，步骤2中所述超饱和重掺杂的氮元素位于所述硅片表面的所述微米量级的准周期性锥体结构表层中，并集中于所述椎体结构3表层的1 μm范围内，形成正面n+重掺杂微结构层4。由于氮元素的掺入在硅片的禁带中引入氮元素杂质带，使得光生电子不仅可以从价带跃迁至导带，还可以从价带跃迁至杂质带、从杂质带跃迁至导带，从而增加光吸收范围。1100 nm波段以内的吸收率增加至90%以上，近红外波段吸收率的小幅下降，在中红外波段吸收率上升，尤其是“大气窗口”波段，吸收率为70%左右，对提高中红外波段的灵敏度有裨益。
另外，步骤3中的所述退火温度设为600-1400 K，退火时间为1-30 min，优选为800-1200 K，5-20 min，通过退火改善微结构内部的晶体性，有利于光生载流子的转移，从而所述非制冷光子型硅基红外探测器芯片可在常温下工作，降低成本。
步骤4和步骤5中所述薄膜电极厚度为10-100 nm，有利于光生载流子的引出。
通过本发明提供的非制冷光子型硅基红外探测器结构芯片的制作方法，制作工艺简单，良率高。
根据本发明提供的非制冷光子型硅基红外探测器芯片及其制作方法，本发明还提供了一种非制冷光子型硅基红外探测器，所述非制冷光子型硅基红外探测器包括所述非制冷光子型硅基红外探测器芯片。
根据如上所述的非制冷光子型硅基红外探测器芯片及其制作方法，本发明还提供了如下2个实施例。
实施例1
在三氟化氮气体氛围中，用飞秒脉冲激光辐照n型单晶硅片表面，在所述n型单晶硅片表面得到椎体结构，由于氮元素的高浓度掺入，在椎体结构的表层形成了n+重掺杂微结构层，氮元素的浓度随深度的分布图如图3所示。该分布显示，距离微结构层表面1微米处，氮元素的浓度仍在1017cm-3以上，远高于氮元素在硅材料中的固溶度1015cm-3。由于氮元素的超固溶度掺入，在硅材料的禁带中引入杂质带，使其在红外波段吸收率提升，如图4所示为吸收率示意图。经过近红外波段（如图4（a））吸收率的小幅下降后，在中红外波段（如图4（b））吸收率上升，尤其是“大气窗口”波段上升，吸收率高达70%左右。
实施例2
在氮气气体氛围中，用飞秒脉冲激光辐照n型单晶硅片表面，在所述n型单晶硅片表面得到椎体结构，由于氮元素的高浓度掺入，在椎体结构的表层形成了n+重掺杂微结构层，氮元素的浓度随深度的分布图如图5所示。该分布显示，距离微结构层表面1微米处，氮元素的浓度仍在1017 cm-3以上，远高于氮元素在硅材料中的固溶度1015 cm-3。由于氮元素的超固溶度掺入，在硅材料的禁带中引入杂质带，使其在红外波段吸收率提升，如图6所示为吸收率示意图。经过近红外波段（如图6（a））吸收率的小幅下降后，在中红外波段（如图6（b））吸收率上升，尤其是“大气窗口”波段上升至60%以上。
根据实施例分析，n型单晶硅片表面掺入超固溶度的氮元素后，所述硅片的晶体性仍然较好，并且在“大气窗口”波段有良好的吸收[1]。因此，本发明提供的非制冷光子型硅基红外探测器可用于军用红外探测方面。同时，本发明提供的非制冷光子型硅基红外探测器的制作方法操作简单，易于实现。另外，由于本发明提供的非制冷光子型硅基红外探测器可以在常温下工作，因此降低了使用的成本，进一步可应用于民用方面。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“上”“下”“前”“后”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
参考文献
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[2]史衍丽，第三代红外探测器的发展与选择，红外技术，2013，35，1.。
Claims (7)
1. 一种非制冷光子型硅基红外探测器芯片，其特征在于结构自上而下依次为：
n+重掺杂微结构层；
硅表面的锥体结构；
n型硅片；
所述n型硅片为晶向（100）、（110）或（111）的n型单晶硅片，双面抛光，厚度为300-500 μm，电阻率为1000-5000 Ω·cm。
2. 一种制备如权利要求1所述的非制冷光子型硅基红外探测器芯片的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）选择晶向为（100）、（110）或（111）的n型单晶硅片，并进行清洗；
（2）将清洗后的n型单晶硅片，置于含氮元素的密闭气体氛围中，用超快激光辐照所述n型单晶硅片的一面，在该面的表面形成微米量级呈准周期性排列的结构，即锥体结构；由于氮元素的超饱和重掺杂作用，在所述锥体结构表层形成n+重掺杂微结构层；
（3）将表面形成有锥体结构的n型单晶硅片置于快速热退火炉中退火；
（4）退火后，在n+重掺杂微结构层表面磁控溅射一层AZO薄膜，作为正面电极；
（5）再在n型单晶硅片的另一面用磁控溅射的方法溅射一层ITO薄膜，作为背面电极。
3. 如权利要求2所述的非制冷光子型硅基红外探测器芯片的制备方法，其特征在于步骤（2）中所述的超快激光为飞秒激光、皮秒激光或纳秒激光。
4. 如权利要求2所述的非制冷光子型硅基红外探测器芯片的制备方法，其特征在于步骤（2）中所述的密闭气体为三氟化氮或氮气，密闭气体氛围的压强为60~80 kPa。
5. 如权利要求2所述的非制冷光子型硅基红外探测器芯片的制备方法，其特征在于步骤（3）中的所述退火温度为600-1400 K，退火时间为1-30 min。
6. 如权利要求2所述的非制冷光子型硅基红外探测器芯片的制备方法，其特征在于步骤（4）和步骤（5）中所述的AZO薄膜和ITO薄膜的厚度为10-100 nm。
7. 如权利要求1所述的非制冷光子型硅基红外探测器芯片在红外探测器中的应用。
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