CN109659392B - 降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法及微结构硅材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电探测技术领域，具体公开一种降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法及微结构硅材料。本发明的方法包括化学清洗、反应离子刻蚀处理、热退火处理、化学清洗、电极制备以及金属化热处理等步骤。本发明的方法工艺复杂度低，中间过程较少，处理后的微结构硅材料表面较为光滑，同时覆盖其表面的超饱和掺杂层未被去除，在不影响微结构硅材料对近红外光吸收能力的同时，降低了其与金属电极之间的接触电阻，且令金属电极能够稳定的附着在其表面上，能够进一步提高微结构硅光电探测器的近红外光电响应。

Description

降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法及微结构硅材料
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，特别涉及一种降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法及微结构硅材料。
背景技术
由于硅具有较宽的本征带隙(1.12ev)，利用其制备的光电探测器在大于1000nm的近红外波段光电响应较弱。近年来，提高硅基光电探测器的近红外响应已经成为了相关领域的研究热点，其中一种较为有效的方法是利用飞秒激光加工技术，在硅材料表面制备出能够有效捕获近红外光的超饱和掺杂锥状微结构，增强近红外光吸收，进而提高硅基光电探测器的近红外光电响应。迄今为止，利用飞秒激光加工技术制备微结构硅材料的工艺已日渐成熟，但由于其特异的微结构形貌，这种经过微结构化后的硅基材料存在一个缺点，在制备光电探测器件时，无法与金属电极形成良好的金属-半导体欧姆接触。
在半导体光电探测器件制备的过程中，总需要在半导体材料表面沉积金属电极用于偏置电压的输入和光电信号的输出。然而利用飞秒激光加工技术诱导硅材料表面锥状微结构形成的同时，也导致微结构表面形成了大量随机分布的微纳米量级颗粒和絮状物，增强了微结构表面在粗糙度。如果金属电极沉积在其表面上，在沉积过程中，由于微结构表面的颗粒和絮状物等次级微结构的存在将会带来阴影遮蔽效应，即由于金属镀膜材料蒸发成气体分子后，在遇到遮蔽物后无法有效进行沉积，从而造成沉积的金属膜层疏松、金属膜层与微结构表面存在空隙、附着力弱等问题，导致金属与微结构硅材料之间接触电阻较大，无法形成良好的欧姆接触。
在飞秒激光加工的微结构硅材料上沉积金属电极时，为了获得更加良好的欧姆接触，有两个问题需要解决：要改善微结构硅基光电材料与金属的金半接触特性，需要对于微结构表面的颗粒和絮状物实现去除，消除其导致的阴影遮蔽效应，以达到在金属电极与硅微结构间形成良好的金半接触的目的；探测器表面的微结构锥状形貌以及表面超饱和掺杂层是微结构硅基光电探测器实现红外增强的根本原因，所以在改善金半接触的同时不可以损伤微结构的形貌和超饱和掺杂层的功能性。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法，该方法能够有效降低接触电阻，使金属电极与微结构硅材料之间形成良好的欧姆接触，以进一步提高微结构硅基探测器的光电特性，同时本发明的方法具有制备工艺较为简单，与现有探测器工艺完全兼容等特点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法，所述微结构硅材料通过飞秒极光加工获得，所述方法包括步骤：S1、用化学试剂去除所述微结构硅材料表面的氧化层，洗净、吹干；S2、将洗净、吹干后的微结构硅材料置于真空环境下进行反应离子刻蚀处理；S3、对进行反应离子刻蚀处理后的微结构硅材料在保护气氛下进行退火处理；S4、用化学试剂去除退火处理后微结构硅材料表面的氧化层；S5、在经过步骤S4处理后的微结构硅材料表面沉积金属电极，然后在保护气氛下加热，进行金属化热处理，实现微结构硅材料上金半接触电阻的降低。
优选的，所述化学试剂为氢氟酸溶液、氢氟酸与盐酸的混合液或者缓冲氢氟酸蚀刻液；所述氢氟酸溶液的浓度为1％～3％。
优选的，所述步骤S1中，用化学试剂去除所述微结构硅材料表面的氧化层包括将微结构硅材料放入氢氟酸溶液中浸泡10s～120s；所述洗净包括用去离子水冲洗；所述吹干包括用氮气枪吹干。
优选的，所述真空环境包括抽真空至1×10-2Pa以下。
优选的，所述反应离子刻蚀处理的条件包括通入反应气体，通入反应气体的流量为30sccm～80sccm；所述反应离子刻蚀处理的离子源功率为30W～70W；所述反应离子刻蚀处理的时间为30s～240s。
优选的，所述反应气体为氟基刻蚀气体；所述反应气体选自NF3或SF6中的至少一种。
优选的，所述保护气氛所采用的气体选自N2，H2或Ar中的至少一种。
优选的，所述退火处理的温度为400℃～800℃；所述退火处理的时间为10min～60min；所述金属化热处理的温度为400℃～600℃；所述金属化热处理的时间为5min～30min。
优选的，所述步骤S4中，用化学试剂去除退火处理后微结构硅材料表面的氧化层包括将退火处理后微结构硅材料放入氢氟酸溶液中浸泡10s～120s；所述步骤S5中，沉积金属电极的金属电极厚度为100～500nm。
再另一方面，本发明提供一种微结构硅材料，微结构硅材料通过上述方法处理得到。
本发明的有益效果在于：本发明所提供的降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法，工艺复杂度低，中间过程较少，处理后的微结构硅材料表面较为光滑，同时覆盖其表面的超饱和掺杂层未被去除，在不影响微结构硅材料对近红外光吸收能力的同时，降低了其与金属电极之间的接触电阻，且令金属电极能够稳定的附着在其表面上，能够进一步提高微结构硅光电探测器的近红外光电响应。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法对应的效果示意图。
图2为本发明具体实施方式的降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法对应的流程示意图。
附图标记：
A为微结构硅材料中的基底硅；
B为通过飞秒激光加工获得微结构硅材料表面所形成的超饱和掺杂层；
C为通过飞秒激光加工获得微结构硅材料表面具有的纳米量级絮状物；
D为通过飞秒激光加工获得微结构硅材料表面具有的纳米量级颗粒物；
E为降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法的实现过程。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
飞秒激光在特殊气氛环境中辐照硅样品表面形成准周期排列的锥状阵列微结构时，锥状微结构表面往往会存在着大量随机分布颗粒物和絮状物等次级微纳结构，其大小量级为纳米量级。参考图1所示，即通常在通过飞秒激光加工获得的微结构硅材料中，基底硅A表面往往存在一些超饱和掺杂层B、纳米量级絮状物C以及纳米量级颗粒物D等，通过本发明提供的降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法即过程E，即可实现基底硅A表面超饱和掺杂层B、纳米量级絮状物C以及纳米量级颗粒物D等的去除，使得金属电极与基底硅A之间直接结合更加紧密，从而降低微结构硅材料上金半接触电阻，即使得微结构硅材料和金属电极之间形成的欧姆接触的电阻降低，进一步提高微结构硅基探测器的光电特性。
参考图2所示，本发明具体实施方式中，降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法，即过程E具体包括化学清洗—反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching)RIE处理—热退火处理—化学清洗—电极制备—金属化热处理等步骤。
具体的，化学清洗包括用氢氟酸溶液去除所述微结构硅材料表面的氧化层，洗净、吹干；RIE处理则包括将洗净、吹干后的微结构硅材料置于真空环境下进行反应离子刻蚀处理；热退火处理包括对进行反应离子刻蚀处理后的微结构硅材料在保护气氛下进行退火处理；之后的化学清洗包括用氢氟酸溶液去除退火处理后微结构硅材料表面的氧化层；电极制备包括在经过步骤化学清洗处理后的微结构硅材料表面沉积金属电极；金属化热处理包括在保护气氛下加热，进行金属化热处理，实现微结构硅材料上金半接触电阻的降低。
具体实施方式中，本发明的降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法包括：
S1、化学清洗：用化学试剂去除所述微结构硅材料表面的氧化层，具体将微结构硅材料放入氢氟酸溶液中浸泡10s～120s，具体的，化学试剂可为氢氟酸溶液、氢氟酸与盐酸的混合液或者缓冲氢氟酸蚀刻液；氢氟酸溶液的浓度为1％～3％；之后用大量的去离子水进行冲洗，洗净；再吹用氮气枪吹干；
S2、RIE处理：将洗净、吹干后的微结构硅材料置于真空环境下进行反应离子刻蚀RIE处理，去除锥状微结构硅材料表面大量随机分布的纳米量级絮状物C和纳米量级颗粒物D，形成光滑的锥状表面；具体优选实施方式中，真空环境包括抽真空至1×10-2Pa以下，RIE处理的条件包括通入反应气体，具体的反应气体为NF3或SF6等氟基刻蚀气体，通入反应气体的流量为30sccm～80sccm；RIE处理的离子源功率为30W～70W；RIE处理的时间为30s～240s；通过控制RIE处理的条件，能够在去除纳米量级絮状物C和纳米量级颗粒物D的同时，不损伤微结构硅材料的微结构形貌和超饱和掺杂层的功能性；
S3、热退火处理：对进行RIE处理后的微结构硅材料在保护气氛下进行退火处理；退火处理方式有很多种，例如可采用管式退火炉或激光退火等退火处理方式；以管式退火处理为例，具体将微结构硅材料置于退火炉中在N2，H2、Ar等保护气体的保护气氛保护下，在400℃～800℃的温度条件下进行退火处理10min～60min，以消除RIE处理可能带来的表面缺陷；
S4、化学清洗：用化学试剂，如浓度为1％～3％的氢氟酸溶液或者氢氟酸与盐酸的混合液或者缓冲氢氟酸蚀刻液等，去除退火处理后微结构硅材料表面的氧化层，具体包括将退火处理后的微结构硅材料放入氢氟酸溶液或者氢氟酸与盐酸的混合液或者缓冲氢氟酸蚀刻液中浸泡10s～120s，在沉积金属电极之前去除微结构硅材料表面的自然氧化层，降低电阻；
S5、在经过步骤S4中化学清洗处理后的微结构硅材料表面沉积金属电极，沉积金属电极的金属电极厚度为100～500nm，然后在N2，H2、Ar等保护气体的保护气氛保护下加热至400℃～600℃，进行金属化热处理5min～30min，使得微结构硅材料和金属电极之间形成良好的欧姆接触，从而实现微结构硅材料上金半接触电阻的降低。金属化热处理的退火处理过程同样也可以采用传统的管式退火炉处理方式实现。
本发明的降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法，通过化学清洗和RIE处理等过程，实现对于飞秒激光加工技术诱导硅材料表面锥状微结构形成的同时所导致的微结构表面形成的大量随机分布的微纳米量级颗粒和絮状物得到有效的去除，在对微结构形貌和超饱和掺杂层的功能型没有破坏的前提下，使得微结构硅材料表面更加光滑，消除其导致的阴影遮蔽效应，减少因此造成沉积的金属膜层疏松、金属膜层与微结构表面存在空隙、附着力弱等问题，达到在金属电极与硅微结构间形成良好的金半接触的目的。本发明的降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法工艺复杂度低，中间过程较少，通过该方法处理后的微结构硅材料表面较为光滑，同时覆盖其表面的超饱和掺杂层未被去除，在不影响微结构硅材料对近红外光吸收能力的同时，降低了其与金属电极之间的接触电阻，且令金属电极能够稳定的附着微结构硅材料表面上。
本发明的具体实施方式中还提供一种微结构硅材料，该微结构硅材料在通过飞秒激光加工获得后，采用本发明的降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法进行处理，进而获得最终的微结构硅材料，通过本发明的微结构硅材料制作光电探测器，能够进一步提高微结构硅光电探测器的近红外光电响应，提高微结构硅基探测器的光电特性。
以下通过具体实施例予以详细说明。
实施例1
1)使用耐酸容器，用去离子水配置低浓度的氢氟酸溶液，配得氢氟酸溶液的浓度为3％；
2)将飞秒激光加工获得的微结构硅材料放入配置好的氢氟酸溶液中浸泡30s去除微结构硅材料表面的氧化层，采用大量去离子水冲洗干净，然后用氮气枪吹干；
3)将微结构硅材料放入真空腔室内进行RIE过程处理，抽真空至1×10-2Pa以下，以40sccm速率的流量通过SF6反应气体，调整离子源功率为50W，对锥状微结构硅材料表面进行反射离子束刻蚀，刻蚀时间为60s；
4)将微结构硅材料放入退火炉中，在N2气氛保护下进行退火处理，退火温度设置为400℃，时间为30分钟；
5)用浓度为3％的氢氟酸溶液去除微结构硅材料表层的氧化层，浸泡时间为30s；
6)在微结构硅材料表面沉积金属电极，金属电极厚度为500nm，然后在N2气氛保护下，450℃温度条件下进行10分钟金属化热处理。
实施例2
1)使用耐酸容器，用去离子水配置低浓度的氢氟酸溶液，采用试剂浓度为1％；
2)将飞秒激光加工获得的微结构硅材料放入配置好的氢氟酸溶液中浸泡120s去除微结构表面的氧化层，采用大量去离子水冲洗干净，然后用氮气枪吹干；
3)将微结构硅材料放入真空腔室内进行RIE过程处理，抽真空至1×10-2Pa以下，以30sccm速率的流量通过NF3反应气体，调整离子源功率为70W，对锥状微结构硅材料表面进行反射离子束刻蚀，刻蚀时间为30s；
4)将微结构硅材料放入退火炉中在H2气氛保护下进行退火处理，退火温度设置为550℃，时间为30分钟；
5)用用浓度为1％的氢氟酸试剂去除微结构硅表层的氧化层，浸泡时间为120s；
6)在微结构硅材料表面沉积金属电极，金属电极厚度为300nm，然后在Ar气氛保护下，400℃温度条件下进行20分钟的金属化热处理。
实施例3
1)使用耐酸容器，用去离子水配置低浓度的氢氟酸与HCl混合液；
2)将飞秒激光加工获得的微结构硅材料放入配置好的混合溶液中浸泡60s去除微结构硅材料表面的氧化层，采用大量去离子水冲洗干净，然后用氮气枪吹干；
3)将微结构硅材料放入真空腔室内进行RIE过程处理，抽真空至1×10-2Pa以下，以50sccm速率的流量通过SF6反应气体，调整离子源功率为50w，对锥状微结构硅材料表面进行反射离子束刻蚀，刻蚀时间为60s；
4)将微结构硅材料放入退火炉中，在N2气氛保护下进行退火处理，退火温度设置为400℃，时间为20分钟；
5)用浓度为低浓度的氢氟酸与HCl混合液去除微结构硅材料表层的氧化层，浸泡时间为60s；
6)在微结构硅材料表面沉积金属电极，金属电极厚度为400nm，然后在N2气氛保护下，450℃温度条件下进行10分钟金属化热处理。
使用本发明的降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法处理后的微结构硅材料制作光电探测器时能够具备更好的光学性能。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种降低微结构硅材料上金半接触电阻的方法，所述微结构硅材料通过飞秒激光加工获得，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1、用化学试剂去除所述微结构硅材料表面的氧化层，洗净、吹干；
S2、将洗净、吹干后的微结构硅材料置于真空环境下进行反应离子刻蚀处理；
S3、对进行反应离子刻蚀处理后的微结构硅材料在保护气氛下进行退火处理；
S4、用化学试剂去除退火处理后微结构硅材料表面的氧化层；
S5、在经过步骤S4处理后的微结构硅材料表面沉积金属电极，然后在保护气氛下加热，进行金属化热处理，实现微结构硅材料上金半接触电阻的降低。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述化学试剂为氢氟酸溶液、氢氟酸与盐酸的混合液或者缓冲氢氟酸蚀刻液；所述氢氟酸溶液的浓度为1％～3％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，用化学试剂去除所述微结构硅材料表面的氧化层包括将微结构硅材料放入氢氟酸溶液中浸泡10s～120s；所述洗净包括用去离子水冲洗；所述吹干包括用氮气枪吹干。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述真空环境包括抽真空至1×10-2Pa以下。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应离子刻蚀处理的条件包括通入反应气体，通入反应气体的流量为30sccm～80sccm；所述反应离子刻蚀处理的离子源功率为30W～70W；所述反应离子刻蚀处理的时间为30s～240s。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述反应气体为氟基刻蚀气体。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述反应气体选自NF3或SF6中的至少一种。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护气氛所采用的气体选自N2，H2或Ar中的至少一种。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火处理的温度为400℃～800℃；所述退火处理的时间为10min～60min；所述金属化热处理的温度为400℃～600℃；所述金属化热处理的时间为5min～30min。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，用化学试剂去除退火处理后微结构硅材料表面的氧化层包括将退火处理后微结构硅材料放入氢氟酸溶液中浸泡10s～120s；所述步骤S5中，沉积金属电极的金属电极厚度为100～500nm。
11.一种微结构硅材料，其特征在于，所述微结构硅材料经过权利要求1-10任意一项的方法处理得到。
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