CN109904068A

CN109904068A - 红外吸收掺杂硅及其制备方法

Info

Publication number: CN109904068A
Application number: CN201910123976.0A
Authority: CN
Inventors: 刘昌�; 李慧; 张恒; 张定波; 吴昊
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: CN109904068B

Abstract

本发明提供一种红外吸收掺杂硅及其制备方法。本发明所涉及的制备方法，其特征在于，包括：步骤1.采用TRIM程序模拟不同种类离子注入硅片的离子分布，模拟的离子种类选自能B⁺、P⁺、As⁺、Si⁺，或/及Ar⁺、He⁺、H⁺、Kr⁺、Xe⁺；模拟过程中能量设定为10～1000keV，模拟的剂量为10¹⁴～10¹⁸ions/cm²；模拟的目标为：注入硅片后离子分布能从硅表面到达硅体内，深度分布在2nm～1000nm之间，并且掺杂离子后硅片的透过率为0；步骤2.将单晶硅片进行超声清洗，再用气枪吹干；步骤3.基于模拟结果，对单晶硅片进行离子注入；步骤4.进行热退火，得到红外吸收掺杂硅。

Description

红外吸收掺杂硅及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体光电子领域，具体涉及一种红外吸收掺杂硅及其制备方法。

技术背景

红外探测器是国家迫切的重大需求，在空间预警与探测、全天候信息感知与国民经济各方面都发挥着重要作用。传统的碲镉汞(MCT)红外探测器件，是比较成熟的，但是MCT材料稳定性与均匀性差。另外均匀性优的AlGaAs/GaAs多量子阱红外探测器(QWIP)，不能在垂直光照射下激发，与硅集成较难。

而现代科技也在更多的领域需要宽光谱、高效率、价格低、稳定性好的探测器件。第一代硅基半导体材料由于价格低廉、热导性好、缺陷少、机械强度高，并且硅的集成技术已相当成熟，同时能轻易制作大直径单晶硅，因此研究硅基红外探测器件的意义重大。

但是由于硅的禁带宽度为1.2eV左右，能吸收光子的最大波长不超过1100nm，中长红外波段的光透过率极高，使制作出来的硅基红外探测器件主要集中在近红外波段，且探测波段较窄，在中长红外波段的应用也受到了限制。如何减小硅在禁带宽度以外的中长红外波段的透过率仍然是一个难题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提出一种红外吸收掺杂硅及其制备方法，能够有效减小硅在禁带宽度以外的中长红外波段的透过率。本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

<制备方法>

本发明提供一种红外吸收掺杂硅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.采用TRIM程序模拟不同种离子注入硅片的离子分布，模拟的离子选自包括能增加硅原子的间隙位、空位、硼离子、砷离子和磷离子的B⁺、P⁺、As⁺、Si⁺，或/及能引进硅原子的间隙位、空位和形成空腔、空洞的Ar⁺、He⁺、H⁺、Kr⁺、Xe⁺；模拟过程中能量设定为10～1000keV，模拟的剂量为10¹⁴～10¹⁸ions/cm²；模拟的目标为：注入硅片后离子分布能从硅表面到达硅体内，深度分布在2nm～1000nm之间，并且掺杂离子后硅片的透过率为0；通过模拟得到满足目标要求的离子种类，分布范围，和空隙位、空位、空腔以及空洞的产生位置；步骤2.将单晶硅片进行超声清洗，再用气枪吹干；步骤3.基于步骤1中的模拟结果，采用离子注入机对清洗过的单晶硅片进行离子注入；注入的离子选自：B⁺、P⁺、As⁺、Si⁺、Ar⁺、He⁺、H⁺、Kr⁺、Xe⁺，注入能量为10～1000keV，注入剂量为10¹⁴～10¹⁸ions/cm²；步骤4.对步骤3中离子注入后的硅片进行热退火，得到所述红外吸收掺杂硅。

进一步地，本发明提供的红外吸收掺杂硅的制备方法还可以具有以下特征：B⁺注入硅中，可以引进硼，进行p型掺杂；P⁺和As⁺注入硅中，可以引进磷和砷，进行n型掺杂；Si⁺注入硅中，可以进一步增加硅的空位和间隙位；当空位、间隙位和掺杂离子同时存在时，吸光性能增强最为明显。

进一步地，本发明提供的红外吸收掺杂硅的制备方法还可以具有以下特征：在步骤2中，采用丙酮、乙醇、异丙醇和去离子水分别超声清洗，然后用气枪喷射惰性气体进行吹干。

进一步地，本发明提供的红外吸收掺杂硅的制备方法还可以具有以下特征：在步骤4中，退火温度为500～1300℃，退火时间为5～300min。

<红外吸收掺杂硅>

本发明还提供了一种红外吸收掺杂硅的方法，其特征在于：采用上述<制备方法>中所描述的方法制得。

发明的作用与效果

本发明以密度泛函理论(DFT)计算为基础，理论结果表明在单晶硅中增加硅原子的间隙位、空位、硼离子、砷离子和磷离子对硅在红外的吸光性都有增强作用，当空位、间隙位和掺杂离子同时存在时，吸光性能增强最为明显；采用渐变折射率模型，用传输矩阵理论计算硅表面空腔、空洞的形成对硅在红外反射的影响，结果表明形成空腔、空洞的渐变折射率硅的反射率明显降低了。基于此，本发明对单晶硅片进行离子注入，注入离子有B⁺、P⁺、As⁺、Si⁺、Ar⁺、He⁺、H⁺等。首先，B⁺注入硅中，可以引进硼，进行p型掺杂；P⁺和As⁺注入硅中，可以引进磷和砷，进行n型掺杂；Si⁺注入硅中，可以进一步增加硅的间隙位和空位。进行高温退火，可以有效的修复离子注入带来的晶格损伤，同时激活掺杂原子。采用渐变折射率模型，传输矩阵理论计算表明，硅表面形成的空洞空腔有利于减小硅在红外的反射，增强硅的吸光性。惰性气体Ar⁺、He⁺、H⁺、Kr⁺、Xe⁺注入硅中，再进行高温退火，惰性离子解吸附离开硅，可以增加硅体内的空腔、空洞，减小硅表面的光反射。

本发明对单晶硅片进行离子掺杂，研究硅片的红外光学性能，增强硅在中长红外波段的吸光性，摆脱禁带宽度对硅吸光性能的束缚，为进一步制造稳定性能好、集成度高的硅基红外探测器打下了良好的基础。

经测试，用本方法制备的掺杂硅红外吸收性能优越，性能参数可达到：在2.5μm～20μm波长范围内，透过率基本为零。

附图说明

图1为本发明实施例一中制备的红外吸收掺杂硅高温退火后的扫描电镜(SEM)平面图(a)与截面图(b)；

图2为本发明实施例一中制备的红外吸收掺杂硅的傅里叶变换红外光谱(FTIR)透过率图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的红外吸收掺杂硅及其制备方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

步骤1.用TRIM程序模拟不同种离子注入单晶硅片的离子分布，本实施例模拟的离子有Ar⁺、He⁺、H⁺、Kr⁺、Xe⁺惰性离子，模拟的能量为10～1000keV，模拟的剂量为10¹⁴～10¹⁸ions/cm²。

步骤2.选择硅片，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟，再用氮枪吹干备用。

步骤3.将清洗好的硅片用高温导电胶贴在铜板上，送进离子注入腔室，对离子注入机抽真空，基于步骤1中的模拟结果，本实例选择的注入离子是Ar⁺、He⁺、H⁺、Kr⁺、Xe⁺，选用的注入能量是10～1000keV，选用的注入剂量是10¹⁵～10¹⁸ions/cm²。

步骤4.在600-1300℃温度范围内对离子注入后的硅片进行退火，退火时间为5～300min，退火氛围为真空和N₂。

本实施例一所制备的Ar⁺掺杂硅的表面产生了大量空洞，见图1，从图中可以看到，硅表面形成了直径为569nm左右，深度为90nm左右的大空洞，总的离子损伤深度在500nm左右。空洞有利于减少硅表面的反射，但由于只发生在表面几百纳米，不会对掺杂硅的透射有所影响，FTIR透射率见图2。从图2中可知，本实施例一制备的掺杂硅，在2.5μm～20μm波长范围内，透过率基本为0。

<实施例二>

步骤1.用TRIM程序模拟不同种离子注入单晶硅片的离子分布，本实施例模拟的离子有B⁺、P⁺、As⁺、Si⁺，模拟的能量为10～500keV，模拟的剂量为10¹⁴～10¹⁸ions/cm²。

步骤2.选择购买来的四英寸单晶硅片，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟，再用氮枪吹干备用。

步骤3.将清洗好的硅片用高温导电胶贴在铜板上，送进离子注入腔室，对离子注入机抽真空，分子泵抽到本底真空为10^-4Pa时，进行离子注入实验；基于步骤1中的模拟结果，本实施例选择的注入离子是B⁺、P⁺、As⁺、Si⁺，可以增加硅原子的间隙位、空位、硼离子、砷离子和磷离子，选用的注入能量是程序模拟的50～500keV，选用的注入剂量是10¹⁴～10¹⁷ions/cm²。

步骤4.在500～1300℃温度范围内对离子注入后的硅片进行退火，退火时间为5～300min，退火氛围为真空和N₂。

本实施例二所制备的掺杂硅，在2.5μm～20μm波长范围内，透过率基本为0。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的红外吸收掺杂硅及其制备方法并不仅仅限定于在上述实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims

1.一种红外吸收掺杂硅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.采用TRIM程序模拟不同种类离子注入硅片的离子分布，模拟的离子种类选自能增加硅原子的间隙位、空位、硼离子、砷离子和磷离子的B⁺、P⁺、As⁺、Si⁺，或/及能引进硅原子的间隙位、空位和形成空腔、空洞的Ar⁺、He⁺、H⁺、Kr⁺、Xe⁺；模拟过程中能量设定为10～1000keV，模拟的剂量为10¹⁴～10¹⁸ions/cm²；模拟的目标为：注入硅片后离子分布能从硅表面到达硅体内，深度分布在2nm～1000nm之间，并且掺杂离子后硅片的透过率为0；通过模拟得到满足目标要求的离子种类，分布范围，和空隙位、空位、空腔以及空洞的产生位置；

步骤2.将单晶硅片进行超声清洗，再用气枪吹干；

步骤3.基于步骤1中的模拟结果，采用离子注入机对清洗过的单晶硅片进行离子注入；

步骤4.对步骤3中离子注入后的硅片进行热退火，得到所述红外吸收掺杂硅。

2.根据权利要求1所述的红外吸收掺杂硅的制备方法，其特征在于：

其中，B⁺注入硅中，可以引进硼，进行p型掺杂；P⁺和As⁺注入硅中，可以引进磷和砷，进行n型掺杂；Si⁺注入硅中，可以进一步增加硅的空位和间隙位；当空位、间隙位和掺杂离子同时存在时，吸光性能增强最为明显。

3.根据权利要求1所述的红外吸收掺杂硅的制备方法，其特征在于：

其中，在步骤2中，采用丙酮、乙醇、异丙醇和去离子水分别超声清洗，然后用气枪喷射惰性气体进行吹干。

4.根据权利要求1所述的红外吸收掺杂硅的制备方法，其特征在于：

其中，在步骤4中，退火温度为500～1300℃，退火时间为5～300min。

5.一种红外吸收掺杂硅的制备方法，其特征在于：

采用权利要求1至4中任意一项所述的制备方法制得。