CN106876523B - 一种表面过饱和掺杂光电探测器的钝化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种对表面过饱和掺杂光电探测器进行表面钝化的方法，该方法在表面过饱和掺杂光电探测器的表面覆盖两层氢含量不同的非晶硅薄膜。非晶硅薄膜通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)形成。本发明的双层含氢非晶硅薄膜结构一方面能够与器件感光面的表面悬挂键结合，减少器件表面的电子与空穴的复合，降低暗电流，另一方面隔绝了空气的污染，具有结构简单，钝化效果显著的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件领域，主要是一种对表面过饱和掺杂光电探测器进行表面钝化的方法。本发明可以应用在表面过饱和掺杂的光电探测器的制造过程中，达到提高光电器件性能的目的。
背景技术
随着科学的发展与进步，硅基工艺已经相当成熟，硅基光电探测器在空间对地观测、搜索与跟踪、医学成像以及导弹精确制导等领域均有着广泛的应用。商用的以pn结为基础的普通硅探测器受到晶体硅禁带宽度(1.12eV)的限制，响应一般截至在1100nm以内并且光谱响应度较低，而具有高增益的雪崩硅光电二极管或光电倍增管又需要在较高的偏压下工作，因而限制了硅光电探测器的应用范围。
为了满足需求，表面过饱和掺杂的高增益可见和近红外硅基光电探测器应运而生，通过硫元素的过饱和掺杂在n型衬底与掺杂层之间形成n-n+结，并且硫元素掺杂层增加了材料对可见和近红外光的吸收。这种光电探测器在400nm-1200nm波长范围内，-5V偏压下的响应率为1A/W-350A/W，从而在低偏压下实现了高增益。然而在制作过程中掺杂层表面会产生大量缺陷，大大影响了器件的电学特性，从而限制探测器的响应度和探测率等光电性能，因此，钝化修复表面缺陷是表面处理工艺中提高器件性能非常重要的步骤。在现有的器件制备过程中，表面钝化的方法有很多，但对于表面过饱和掺杂的光电探测器来说，目前还没有一个合适的钝化方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种对表面过饱和掺杂的光电探测器的表面进行钝化的方法，以减少光电探测器件的表面缺陷，提高器件性能。
为了达到上述发明的目的，本发明提出在表面过饱和掺杂光电探测的感光面(过饱和掺杂面)上覆盖两层含氢量不同的含氢非晶硅(a-Si：H)薄膜的方法，具体包括如下步骤：
(1)利用等离子体化学气相沉积设备在过饱和掺杂光电探测器的感光区域表面沉积50nm-100nm厚的含氢非晶硅薄膜，反应气体硅烷与氢气的体积比为2∶45-2∶55；
(2)调节反应气体硅烷与氢气的体积比至2∶20-2∶30，在第一层含氢非晶硅薄膜上沉积第二层含氢非晶硅薄膜，厚度为50nm-100nm；
优选地，步骤(1)中过饱和掺杂光电探测器的表面掺杂浓度超过掺杂元素在基底材料中的固溶度(例如，对于硅基底，硫元素的过饱和掺杂浓度可以为1017cm-3-1021cm-3)，掺杂层的厚度为100nm-500nm。
优选地，步骤(1)中过饱和掺杂光电探测器的表面掺杂层可以为n+或p+层。
进一步地，步骤(1)中所述的等离子体增强化学气相沉积方法，其采用的设备的射频频率为13.56MHz，射频功率为3W，反应气体硅烷与氢气，其体积比为2∶45-2∶55；反应时间为10-20分钟，其中反应气体压力为253Pa，腔室温度为325℃，得到厚度为50nm-100nm的含氢非晶硅薄膜。
进一步地，步骤(2)中所述的等离子体增强化学气相沉积方法，其采用的设备的射频频率为13.56MHz，射频功率为3W，反应气体硅烷与氢气，其体积比为2∶20-2∶30；反应时间为10-20分钟，其中反应气体压力为253Pa，腔室温度为325℃，得到厚度为50nm-100nm的含氢非晶硅薄膜。
有益效果：
(1)含氢量较高的非晶硅薄膜含有大量的悬挂键，与器件感光面的表面悬挂键相结合，降低了感光面的表面缺陷。
(2)含氢量较低的非晶硅薄膜，一方面减小了两层钝化膜之间的界面态，另一方面隔绝了空气的污染。
(3)该双层含氢非晶硅薄膜结构减小了光照下产生的光生载流子在器件表面的复合并且降低了器件的暗电流，提高了器件的响应度。
(4)与常用的多层钝化技术相比，工艺更为简单。
(5)钝化层结构简单，钝化效果显著。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的器件在钝化后的剖面结构图；
图2是本发明的一个实施例的器件在钝化前后暗电流对比图；
图3是本发明的一个实施例的器件在钝化前后光谱响应度对比图。
具体实施方式
(1)根据过饱和掺杂的光电探测器感光表面的电极形状与大小设计掩膜版；
(2)将掩膜版盖住探测器表面电极，露出感光区域；
(3)利用等离子体化学气相沉积设备在感光区域表面沉积50nm-100nm厚的含氢非晶硅薄膜，反应气体硅烷与氢气的体积比为2∶45-2∶55；
(4)调节反应气体硅烷与氢气的体积比至2∶20-2∶30，在第一层含氢非晶硅薄膜上沉积第二层含氢非晶硅薄膜，厚度为50nm-100nm；
(5)关闭沉积设备，取出器件，撤去掩膜版。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施实例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。
实施实例
图1所示为依照本发明实施例应用表面过饱和掺杂光电探测器表面钝化的方法制备的器件剖面结构图，图中1-1是n型硅衬底，1-2是过饱和掺杂层，1-3是第一层含氢非晶硅薄膜，1-4是第二层含氢非晶硅薄膜，1-5是正面接触电极，1-6是背面接触电极。所示含氢非晶硅薄膜沉积过程具体步骤如下：
(1)将带有掩膜版的器件放入等离子体增强化学气相沉积设备中，射频频率为13.56MHz，向该设备中通入反应气体硅烷与氢气，其体积比为2∶50；
(2)调节起辉，调节射频功率为3W；
(3)反应约10分钟，其中反应气体压力为253Pa，腔室温度为325℃，衬底温度为210℃，得到约50nm的含氢非晶硅薄膜；
(4)调节流量计，将反应气体硅烷与氢气的体积比调节为2∶25；
(5)射频功率为不变，反应约10分钟，其中反应气体压力为253Pa，腔室温度为325℃，衬底温度为210℃，得到约50nm的含氢非晶硅薄膜；
(6)关闭射频，停止通气，沉积过程结束。
图2是本实施例中表面过饱和掺杂的光电探测器钝化前后暗电流对比图。如图2所示，钝化后的暗电流显著减小，在-5V的偏压下暗电流下降约一个量级。
图3是本实施例中表面过饱和掺杂的光电探测器钝化前后光谱响应度对比图。如图3所示，钝化后的光谱响应度明显上升。
综上所述，本发明的方法是通过调节不同的反应气体体积比，生长两层含氢量不同的非晶硅薄膜，从而对表面过饱和掺杂的光电探测器表面进行有效钝化。本发明的方法能够有效减少器件表面的缺陷，降低光生载流子在器件表面的复合，从而有效降低器件的暗电流并且提高器件的光谱响应度，同时含氢非晶硅薄膜能够阻挡感光面与外界环境的接触，从而大幅提高表面过饱和掺杂光电探测器件的性能和可靠性。
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，应该理解的是，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 (6)
1.一种表面过饱和掺杂光电探测器的表面钝化方法，即在表面过饱和掺杂光电探测器的掺杂面覆盖两层含氢量不同的含氢非晶硅薄膜，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：将带有掩膜版的器件放入沉积设备中，设置具体沉积参数，向该设备中通入反应气体硅烷与氢气，生长第一层含氢非晶硅薄膜；
步骤2：调节具体沉积参数，降低反应气体氢气与硅烷的体积比，生长第二层含氢非晶硅薄膜；
步骤3：关闭沉积设备，取出器件，撤去掩膜版，完成含氢非晶硅薄膜的制作。
2.根据权利要求1所述的表面过饱和掺杂光电探测器的表面钝化方法，其特征在于所述的含氢非晶硅薄膜通过等离子体增强化学气相沉积法形成。
3.根据权利要求1所述的表面过饱和掺杂光电探测器的表面钝化方法，其特征在于步骤1中所述具体沉积参数为：
等离子体增强化学气相沉积设备的射频频率为13.56MHz，通入反应气体硅烷与氢气，其体积比为2∶45-2∶55，然后起辉，调节射频功率为3W；在辉光状态下反应时间10至20分钟，其中反应气体压力为253Pa，腔室温度为325℃，衬底温度为210℃。
4.根据权利要求1所述的表面过饱和掺杂光电探测器的表面钝化方法，其特征在于步骤1中所述第一层含氢非晶硅薄膜的厚度为50nm-100nm。
5.根据权利要求1所述的表面过饱和掺杂光电探测器的表面钝化方法，其特征在于步骤2中所述的反应气体硅烷与氢气的体积比为2∶20-2∶30，反应时间为10分钟至20分钟。
6.根据权利要求1所述的表面过饱和掺杂光电探测器的表面钝化方法，其特征在于步骤2中所述第二层含氢非晶硅薄膜的厚度为50nm-100nm。
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