CN117613150A - 一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，包括：在单晶硅衬底上生长SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜；其中，SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜用于保护层；单晶硅衬底用于底电极；对SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜进行选择性刻蚀处理，得到硅图形衬底；在硅图形衬底上生长面内纳米线网络；在纳米线网络上沉积顶电极，完成纳米线网络红外探测器的制备。本公开还提供了一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器。
Description
技术领域
本公开涉及红外探测器技术领域，具体涉及一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法。
背景技术
自第一台红外光电导型的TlS2探测器问世以来，红外光电探测器经历了一个多世纪的发展，已广泛应用于科学、工农业和医疗卫生等领域。近几年来，随着人工智能、大数据和物联网等技术的蓬勃发展，人们对光电探测的需求也随之不断增长，促使下一代红外探测器正朝着高工作温度、小型化、低成本和低功耗等方向发展。目前，市面上成熟的高性能红外探测器仍以基于HgCdTe、InGaAs、InSb和InAs/GaSb等材料的焦平面探测器为主。这些红外探测器一般工作在液氮温区，需要配备高真空的杜瓦和制冷机，极大地增加了探测器的制造成本并制约了探测器的小型化。
纳米线光电器件具有尺寸小、暗电流低、响应波段宽且工作温度高等优点，是非常具有竞争力的下一代红外探测备选器件。另外，不同于传统的薄膜生长技术，纳米线生长技术可与成熟的硅(Si)技术相兼容，这可以显著降低红外探测器的制造成本。目前，Si基异质外延的高质量纳米线主要是利用“自下而上”技术来制备的。基于立式的高质量纳米线，人们成功研制了室温高性能InGaAs、GaAsSb和InGaSb等纳米线红外探测器。
然而，同样受限于纳米线的立式构型，相关技术仍主要局限在单根纳米线光电器件方面，始终难以制备出高密度集成纳米线红外探测器，极大地制约了该领域发展。目前，亟需探索新的方法来制备Si基高密度集成纳米线光电器件。
发明内容
鉴于上述问题，本公开提供了一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，旨在解决纳米线红外探测器的高密度集成的技术问题。
本公开的第一个方面提供了一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，包括：在单晶硅衬底上生长SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜；其中，SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜用于保护层；单晶硅衬底用于底电极；对SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜进行选择性刻蚀处理，得到硅图形衬底；在硅图形衬底上生长面内纳米线网络；在纳米线网络上沉积顶电极，完成纳米线网络红外探测器的制备。
进一步地，单晶硅衬底的取向为(001)、(110)或(111)。
进一步地，对SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜进行选择性刻蚀处理，得到硅图形衬底，包括：在SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜的表面上沿着单晶硅衬底表面上的高对称晶向进行选择性刻蚀处理，得到硅图形衬底。
进一步地，单晶硅衬底为p型掺杂硅衬底或n型掺杂硅衬底。
进一步地，在单晶硅衬底上生长SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜，包括：利用热氧化法、化学气相沉积法或原子层沉积法在单晶硅衬底上生长SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜；其中，SiOx非晶薄膜和SixNy非晶薄膜的层厚为10～100nm。
进一步地，硅图形衬底的图形窗口宽度为百纳米量级，硅图形衬底的图形窗口长度为微米及以上量级。
进一步地，在硅图形衬底上生长面内纳米线网络，包括：利用分子束外延法、金属有机物气相外延法或化学束外延法在硅图形衬底的图形窗口内生长面内纳米线网络。
进一步地，面内纳米线网络的材料为IV族半导体材料、III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料。
进一步地，在面内纳米线网络上沉积顶电极，包括：利用微纳加工技术在面内纳米线网络的表面上沉积金属，得到顶电极。
本公开的第二个方面提供了一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器，包括：该纳米线网络红外探测器通过如本公开第一个方面提供的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法制备而成。
本公开提供了一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，该器件中纳米线网络的形状、位置、尺寸和密度等都可以通过图形设计来调控，该方法具有高度人为可控多自由度的特性，利于高性能红外光电器件的原位构建与高密度集成。以及，该方法与成熟的Si基CMOS工艺兼容，可显著降低探测器的制造成本，有利于相关器件的未来产业化应用。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法的流程图；
图2A～2D示意性示出了根据本公开实施例的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
在详述本公开实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本公开保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
本公开提供了一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，包括：在单晶硅衬底上生长SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜；其中，SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜用于保护层；单晶硅衬底用于底电极；对SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜进行选择性刻蚀处理，得到硅图形衬底；在硅图形衬底上生长面内纳米线网络；在纳米线网络上沉积顶电极，完成纳米线网络红外探测器的制备。
本公开的实施例提供了一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，该器件中纳米线网络的形状、位置、尺寸和密度等都可以通过图形设计来调控，该方法具有高度人为可控多自由度的特性，利于高性能红外光电器件的原位构建与高密度集成。以及，该方法与成熟的Si基CMOS工艺兼容，可显著降低探测器的制造成本，有利于相关器件的未来产业化应用。
图1示意性示出了根据本公开实施例的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法的流程图。
如图1所示，本公开实施例的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，包括：步骤S1-S4。
步骤S1，在单晶硅衬底上生长SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜。其中，SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜用于保护层。单晶硅衬底用于底电极。
在本公开实施例中，单晶硅衬底的取向可以为(001)、(110)、(111)或其它高对称晶向。
例如，单晶硅衬底可以为p型掺杂硅衬底或n型掺杂硅衬底。单晶硅衬底在原位构建器件时作为底电极。
在本公开实施例中，利用热氧化法、化学气相沉积法或原子层沉积法在单晶硅衬底上生长SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜。其中，SiOx非晶薄膜和SixNy非晶薄膜的层厚为10～100nm。
例如，SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜在后续器件加工中用于绝缘层。
例如，SiOx非晶薄膜可以为SiO2非晶薄膜。
例如，SixNy非晶薄膜可以为SiaN4非晶薄膜。
步骤S2，对SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜进行选择性刻蚀处理，得到硅图形衬底。
在本公开实施例中，在SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜的表面上沿着单晶硅衬底表面上的高对称晶向进行选择性刻蚀处理，得到硅图形衬底。
在本公开实施例中，利用微纳加工技术刻蚀形成硅图形衬底，该过程包括光学曝光、电子束曝光、氢氟酸腐蚀、反应离子刻蚀及等离子体清洗等。
在本公开实施例中，单晶硅衬底表面上的高对称晶向由Si衬底取向决定。
例如，取向为(001)的单晶硅衬底表面上的高对称晶向为(110)和(100)。高对称晶向可以保证外延生长的纳米线网络具有更高的晶体质量以及更均匀的表面形貌。
例如，硅图形衬底上的网状图形窗口的尺寸、方向、形状及密度等参数由版图设计和微纳加工工艺共同决定。
需说明的是，硅图形衬底上的网状图形窗口的宽度、长度、刻蚀深度、形状及密度等参数可以通过调整版图设计和微纳加工工艺参数加以调控，本公开的实施例对此不做限定。
例如，硅图形衬底上网状图形窗口的宽度为百纳米量级，长度为微米量级及以上量级。
步骤S3，在硅图形衬底上生长面内纳米线网络。
在本公开实施例中，利用分子束外延法、金属有机物气相外延法或化学束外延法在硅图形衬底的图形窗口内生长面内纳米线网络。
在本公开实施例中，面内纳米线网络的材料可以为IV族半导体材料、III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料。
例如，面内纳米线网络的材料为元素半导体材料(如Ge)或化合物半导体材料(如InAs和GaSb等)。
在本公开实施例中，在硅图形衬底的图形窗口内(即选区外延)生长面内纳米线网络无需金属催化剂的辅助，该过程利于制备无外来金属掺杂的高质量半导体纳米线网络。
需说明的是，外延材料(即面内纳米线网络的材料)的层厚由生长时间控制，层厚可从纳米级调控到微米级，即调控生长时间可以实现纳米材料的维度调控，如从面内纳米线调控为立式纳米片。
步骤S4，在纳米线网络上沉积顶电极，完成纳米线网络红外探测器的制备。
在本公开实施例中，原位构建高密度集成Si-纳米线网络异质结光电探测器所涉及的加工工艺包括但不限于光学曝光、电子束曝光、化学腐蚀、热蒸发、磁控溅射及等离子体清洗等。为了形成良好的金半接触，在沉积金属电极之前，需要利用缓冲氢氟酸或硫铵溶液等化学腐蚀方法进一步处理纳米线表面的自然氧化层。器件的原位构建保证了纳米线网络光电器件的稳定性与可靠性。
下面将结合本公开一具体的实施例中的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法的流程，对本公开的技术方案进行详细说明。应当理解，硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法中各部分的材料层、形状和结构仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。
如图2A所示，利用热氧化方法在n型掺杂的Si(001)衬底10表面制备出厚度为30nm的SiOx非晶薄膜20。
如图2B所示，利用微纳加工技术，在Si/SiO2衬底10上沿(110)和(100)方向设计加工出网状图形窗口。
例如，图形窗口宽度约为150nm，深度为30nm，长度为10～25μm，图形窗口中心间距为1～5μm。
如图2C所示，利用分子束外延设备，在Si/SiO2图形衬底10上选区外延生长面内InAsSb纳米线网络30。InAsSb纳米线网络30的选区外延生长温度为490-540℃，V/III比为25。
如图2D所示，以n型Si衬底10为底电极，利用微纳加工技术在纳米线网络30顶部沉积金属制作出顶电极40，完成Si-InAsSb纳米线网络异质结红外探测器件的原位构建。
例如，顶电极可以为Au，层厚20nm。
需说明的是，本公开的实施例中通过上述工艺制备过程制备出的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的结构如图2D所示，其各具体的层厚根据实际应用进行设定。另外，上述各个步骤的实施例仅作为示例，示例了如何在现有的常规器件结构上制作本公开的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制作工艺，本公开中，任何能够形成上述硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的各部分结构以及相互位置关系的制作工艺均在本公开的保护范围之内。
本公开的另一方面提供了一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器，该纳米线网络红外探测器通过如图1所示的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法制备而成。
需说明的是，该纳米线网络红外探测器的结构如图2D所示，其具体结构和材料如上述实施例所示。为了简明，此处不作赘述。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在单晶硅衬底上生长SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜；其中，所述SiOx非晶薄膜或所述SixNy非晶薄膜用于保护层；所述单晶硅衬底用于底电极；
对所述SiOx非晶薄膜或所述SixNy非晶薄膜进行选择性刻蚀处理，得到硅图形衬底；
在所述硅图形衬底上生长面内纳米线网络；
在所述纳米线网络上沉积顶电极，完成纳米线网络红外探测器的制备。
2.根据权利要求1所述的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，其特征在于，所述单晶硅衬底的取向为(001)、(110)或(111)。
3.根据权利要求2所述的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，其特征在于，所述对所述SiOx非晶薄膜或所述SixNy非晶薄膜进行选择性刻蚀处理，得到硅图形衬底，包括：
在所述SiOx非晶薄膜或所述SixNy非晶薄膜的表面上沿着所述单晶硅衬底表面上的高对称晶向进行选择性刻蚀处理，得到硅图形衬底。
4.根据权利要求1所述的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，其特征在于，所述单晶硅衬底为p型掺杂硅衬底或n型掺杂硅衬底。
5.根据权利要求1所述的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在单晶硅衬底上生长SiOx非晶薄膜或SixNy非晶薄膜，包括：
利用热氧化法、化学气相沉积法或原子层沉积法在所述单晶硅衬底上生长所述SiOx非晶薄膜或所述SixNy非晶薄膜；其中，所述SiOx非晶薄膜和所述SixNy非晶薄膜的层厚为10～100nm。
6.根据权利要求1所述的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，其特征在于，所述硅图形衬底的图形窗口宽度为百纳米量级，所述硅图形衬底的图形窗口长度为微米及以上量级。
7.根据权利要求1所述的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在所述硅图形衬底上生长面内纳米线网络，包括：
利用分子束外延法、金属有机物气相外延法或化学束外延法在所述硅图形衬底的图形窗口内生长面内纳米线网络。
8.根据权利要求7所述的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，其特征在于，所述面内纳米线网络的材料为IV族半导体材料、III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料。
9.根据权利要求7所述的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在所述面内纳米线网络上沉积顶电极，包括：
利用微纳加工技术在所述面内纳米线网络的表面上沉积金属，得到所述顶电极。
10.一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器，其特征在于，包括：该纳米线网络红外探测器通过如权利要求1～9中任一项所述的硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法制备而成。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311666707.1A CN117613150A (zh) | 2023-12-06 | 2023-12-06 | 一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311666707.1A CN117613150A (zh) | 2023-12-06 | 2023-12-06 | 一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117613150A true CN117613150A (zh) | 2024-02-27 |
Family
ID=89946113
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311666707.1A Pending CN117613150A (zh) | 2023-12-06 | 2023-12-06 | 一种硅基高密度集成纳米线网络红外探测器的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| CN (1) | CN117613150A (zh) |
-
2023
- 2023-12-06 CN CN202311666707.1A patent/CN117613150A/zh active Pending
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