專(zhuān)利名稱(chēng)：一種黑硅結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光敏材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種黑硅結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
晶體硅由于易提純、易摻雜、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)在半導(dǎo)體行業(yè)中具有非常廣泛的應(yīng)用，但同樣也存在很多缺陷，如晶體硅表面對(duì)可見(jiàn)-紅外光的反射很高，而且因?yàn)榻麕挾却?，晶體娃不能吸收波長(zhǎng)大于IlOOnm的光波，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)大于IlOOnm時(shí),娃探測(cè)器對(duì)光的 吸收率和響應(yīng)率將大大降低。在探測(cè)這些波段時(shí)必須使用鍺、砷化鎵銦等其他材料。由于這些材料的價(jià)格昂貴、熱力學(xué)性能和晶體質(zhì)量較差以及不能與現(xiàn)有的成熟的硅工藝兼容等缺點(diǎn)而限制了其在硅基器件方面的應(yīng)用。因此，減少晶體硅表面的反射、擴(kuò)展硅基和硅兼容光電探測(cè)器的探測(cè)波段仍然是目前最熱門(mén)的研究。為了減少晶體硅表面的反射，人們采用了許多實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)，如光刻技術(shù)、反應(yīng)離子束刻蝕、電化學(xué)腐蝕等。這些技術(shù)都能在一定程度上改變晶體硅表面及近表面形貌，達(dá)到減少硅表面反射的目的。在可見(jiàn)光波段，減少反射可以增加吸收，提高器件的效率。但在波長(zhǎng)超過(guò)IlOOnm時(shí)，如果不在硅禁帶中引入吸收能級(jí)，反射減少僅僅導(dǎo)致透射增加，因?yàn)楣璧慕麕挾茸罱K限制了其對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光的吸收。因此，要擴(kuò)展硅基和硅兼容器件的敏感波段，就必須在減少硅表面反射的同時(shí)增加禁帶內(nèi)的光子吸收。黑硅材料作為一種對(duì)普通硅微結(jié)構(gòu)化后得到的新型功能材料對(duì)從近紫外-近紅外波段(250nm-2500nm)的光都能吸收，且吸收率高達(dá)90%。由于超高的光電導(dǎo)增益，黑硅材料產(chǎn)生的光電流是傳統(tǒng)硅材料的幾百倍。黑硅材料還能減少光傳感器的硅的使用量，其硅消耗量是傳統(tǒng)元件的幾百分之一，這樣就能節(jié)省成本，使產(chǎn)品更加便宜、小巧和輕便。厚度薄的元件也能集成在集成電路上。此外，基于黑硅生產(chǎn)的X感光設(shè)備的靈敏度非常高，拍片子是就可降低X光的放射量。由于用黑硅制造的光傳感元件能捕捉到極其微弱的光線(xiàn)，所以可用來(lái)制造夜視鏡和傳感器。這些應(yīng)用于低照明條件下得產(chǎn)品目前使用的敏感材料大部分是更加昂貴的砷化鎵，因此黑硅的應(yīng)用將有效降低這些產(chǎn)品的成本。因此，黑硅材料是制作高靈敏度紅外探測(cè)器、高量子效率雪崩二極管(APD)、高響應(yīng)度紅外二極管及太陽(yáng)能電池的理想材料，在遙感、光通訊及微電子等領(lǐng)域都具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。因此，提供對(duì)可見(jiàn)光以及近紅外光波段有良好的吸收性能、噪聲電流低、信噪比高、和/或操作簡(jiǎn)單、成本較低的黑硅結(jié)構(gòu)及其制造方法是很有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種對(duì)可見(jiàn)光以及近紅外光波段有良好的吸收性能的黑硅結(jié)構(gòu)及其制造方法。
本發(fā)明的目的之一是提供一種噪聲電流低、信噪比高的黑硅結(jié)構(gòu)及其制造方法。本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的技術(shù)方案包括
一種制造黑硅結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括獲取P型硅襯底；在所述P型硅襯底上形成黑硅層；在所述黑硅層中摻入受主雜質(zhì)，形成摻雜的黑硅層。進(jìn)一步地，所述在所述P型硅襯底上形成黑硅層包括使用反應(yīng)離子刻蝕法、飛秒激光法、電化學(xué)腐蝕法或者濕法刻蝕 法在所述P型硅襯底上形成所述黑硅層。進(jìn)一步地，所述在所述黑硅層中摻入受主雜質(zhì)包括使用離子注入法向所述黑硅層中注入受主雜質(zhì)離子。進(jìn)一步地，所述受主雜質(zhì)為硼、鋁、鎵或者銦。進(jìn)一步地，該方法還包括在所述摻雜的黑硅層上和所述P型硅襯底上形成電極。進(jìn)一步地，該方法還包括在所述摻雜的黑硅層上形成勢(shì)壘層。進(jìn)一步地，所述勢(shì)壘層是氮化硅層或者氧化硅層。本發(fā)明的實(shí)施例中還提供了一種黑硅結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括P型硅襯底；摻雜的黑硅層，所述摻雜的黑硅層形成在所述P型硅襯底上，其中所述摻雜的黑硅層中摻入了受主雜質(zhì)。進(jìn)一步地，該黑硅結(jié)構(gòu)還包括勢(shì)壘層，所述勢(shì)壘層形成在所述摻雜的黑硅層上。進(jìn)一步地，所述受主雜質(zhì)為硼、鋁、鎵或者銦。本發(fā)明的實(shí)施例中，黑體結(jié)構(gòu)對(duì)可見(jiàn)光以及近紅外光波段有良好的吸收性能、噪聲電流低、信噪比高、并且操作簡(jiǎn)單、成本較低。


圖I是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制造黑硅結(jié)構(gòu)的方法的流程示意 圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的黑硅結(jié)構(gòu)的截面示意 圖3是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的黑硅結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一種制造黑硅結(jié)構(gòu)的方法包括步驟10、步驟12和步驟14。步驟10 :獲取P型硅襯底。本發(fā)明的實(shí)施例中，首先獲取襯底材料，本發(fā)明的黑硅結(jié)果基于該襯底材料制成。一個(gè)實(shí)施例中，該襯底材料可以是P型硅。其中，P型硅是空穴導(dǎo)電的硅材料，例如，其中摻雜了硼的硅材料。當(dāng)然，也可以是摻雜其它元素的P型硅。步驟12 :在P型硅襯底上形成黑硅層。獲得P型硅襯底后，基于該P(yáng)型硅襯底，通過(guò)對(duì)該P(yáng)型硅襯底的一個(gè)表面的處理，使得在該表面上的至少一定厚度材料轉(zhuǎn)變成黑硅層，從而在該P(yáng)型硅襯底的該表面上形成
黑娃層O本發(fā)明的實(shí)施例中，可以使用反應(yīng)離子刻蝕法、飛秒激光法、電化學(xué)腐蝕法或者濕法刻蝕法等等方法在該P(yáng)型硅襯底上形成所述黑硅層，即，用反應(yīng)離子刻蝕法、飛秒激光法、電化學(xué)腐蝕法或者濕法刻蝕法等方法對(duì)P型硅襯底的至少一個(gè)表面進(jìn)行處理，從而在該至少一個(gè)表面上形成黑硅層。例如，一個(gè)實(shí)施例中，可以使用飛秒激光法對(duì)P型硅襯底進(jìn)行處理從而形成黑硅層。此時(shí)，將P型硅襯底(例如，P型單晶硅片)依次經(jīng)三氯乙烯、丙酮、甲醇清洗干凈后，置于真空腔內(nèi)的可三維移動(dòng)的靶臺(tái)上，真空腔的本底真空例如可以小于I. 3X10_2Pa。然后通入工作氣體氯氣(Cl2),工作壓強(qiáng)可以為例如6. 7X IO4Pa0采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器對(duì)P型單晶硅片表面進(jìn)行脈沖轟擊，經(jīng)透鏡聚焦后垂直照射到硅表面上，移動(dòng)靶臺(tái)使激光光斑掃描硅表面就可以獲得大面積的P型黑硅材料。改變透鏡與硅片的距離可調(diào)整輻照在硅表面的光斑尺寸，從而改變光通量。光斑尺寸一定時(shí)，改變靶臺(tái)的移動(dòng)速度可以調(diào)整照射在單位面積的硅表面上的脈沖數(shù)。本實(shí)施例中，所用的激光波長(zhǎng)根據(jù)實(shí)際情況可選擇為40(Γ1000納米(nm)，脈沖數(shù)的范圍可以為500-2100個(gè)脈沖，脈沖寬度可以為100飛秒(fs)至10納秒(ns)。工作氣壓 可以為60-70KPa。例如，另一個(gè)實(shí)施例中，可以使用濕法刻蝕用酸堿溶液對(duì)P型硅襯底進(jìn)行處理從而形成黑硅層。此時(shí)，在P型單晶硅襯底(P型硅襯底)上沉積氮化硅/氧化硅掩膜，然后用刻蝕液體進(jìn)行刻蝕?？涛g液體可以由強(qiáng)堿或者酸和水按照一定比例來(lái)配置，刻蝕溫度一般選擇50°C左右。例如，一個(gè)實(shí)施例中，可以對(duì)以氮化硅(Si3N4)薄膜為掩膜的P型單晶硅片表面進(jìn)行堿酸濕法腐蝕，包括
步驟I :配置堿液溶液，該堿液溶液中可以包括氫氧化鉀、去離子水和異丙醇，然后在水浴加熱環(huán)境中對(duì)以氮化硅(Si3N4)薄膜為掩膜的P型單晶硅片進(jìn)行刻蝕，得到柱狀陣列結(jié)構(gòu)；
步驟2 :配置酸液溶液，該酸液溶液可以包括過(guò)氧化氫、去離子水、氫氟酸、氯金酸和乙醇，用膠頭滴管將酸液溶液均勻地滴在該P(yáng)型單晶硅片上進(jìn)行腐蝕，形成多孔狀微結(jié)構(gòu)。這樣，可以獲得到高度為470納米(nm)、間距為2微米(Mm)的臺(tái)階微結(jié)構(gòu)和孔徑范圍為80納米(nm) -120納米(nm)的多孔結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)層即為黑娃層。步驟14 :在黑硅層中摻入受主雜質(zhì)。獲得黑硅層之后，在步驟14中，在該黑硅層中摻入受主雜質(zhì)，形成摻雜的黑硅層。本發(fā)明的實(shí)施例中，摻入的受主雜質(zhì)可以是任何適合于對(duì)P型硅摻雜的元素，例如，可以是硼、鋁、鎵或者銦等等。本發(fā)明的實(shí)施例中，可以使用任何適合的方法在該黑硅層中摻入受主雜質(zhì)，例如，使用熱擴(kuò)散法或者離子注入法等等。例如，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可以使用離子注入法向黑硅層中注入受主雜質(zhì)離子。例如，一個(gè)實(shí)施例中，受主雜質(zhì)可以是硼，使用離子注入法向黑硅層中注入硼離子，然后，在真空和高純度氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)的環(huán)境中退火，退火溫度可以為60(T950°C，退火時(shí)間可以為15分鐘 I小時(shí)。例如，此時(shí)，硼源可以使用氟化硼(BF3)或者乙硼烷(B2H6),注入濃度可以為IO16 IO17CnT3,注入電壓可以為40千伏(Kv)，在真空度為4. 8 X KT4Pa條件下進(jìn)行真空退火，退火溫度可以為500°C，退火時(shí)間可以為I小時(shí)。這樣，經(jīng)過(guò)前述步驟，形成了摻雜的黑硅層/P型硅襯底的結(jié)構(gòu)，其中，P型硅襯底為P層，P型硅襯底上摻雜的黑硅層為P+層，這樣，即形成了 P+/P型黑硅結(jié)構(gòu)。本發(fā)明另外的實(shí)施例中，在前述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，還可以在形成了摻雜的黑硅層之后，還可以在該摻雜的黑硅層上形成勢(shì)壘層。一個(gè)實(shí)施例中，可以使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、直接氮化法、蒸發(fā)法、濺射法、熱解法在摻雜的黑硅層上形成勢(shì)壘層，該勢(shì)壘層可以是氮化硅(Si3N4)層或者氧化硅(SiO2或)層，勢(shì)壘層的厚度可以為30-90納米(nm)。通過(guò)設(shè)置該勢(shì)壘層，可以有效地增加肖特基勢(shì)壘的高度，從而抑制噪聲電流。例如，一個(gè)實(shí)施例中，使用PECVD法在摻雜的黑硅表面沉積勢(shì)壘層薄膜。其工藝條件可以采用高低混頻沉積厚度為30納米(nm)的氮化硅薄膜，在13. 56MHZ頻率下工
作10秒，380KHZ下工作5秒，交替進(jìn)行。具體參數(shù)設(shè)置可以為反應(yīng)氣體流量比為SiH4/NH3=30/150，襯底溫度可以為300°C，氣壓可以為500毫托(mT)，功率可以為60W。30納米(nm)厚度的氮化硅沉積時(shí)間可以為45秒。本發(fā)明的實(shí)施例中，在前述的實(shí)施例的基礎(chǔ)上，還可以在摻雜的黑硅層上或者勢(shì)壘層上面以及在P型硅襯底上形成電極。例如，在摻雜的黑硅層上或者勢(shì)壘層上面以及在P型硅襯底上蒸鍍金屬膜作為電極，電極材料可以選擇金，鋁，銀等金屬。鍍膜完成后，通過(guò)剝離法獲得具有所需要的形狀的電極。當(dāng)在勢(shì)壘層上形成電極后，可以通過(guò)適合的刻蝕方法去除沒(méi)有被電極覆蓋的勢(shì)壘層。例如，通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法刻蝕去除沒(méi)有被電極覆蓋的勢(shì)壘層。圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的按照本發(fā)明前述的一個(gè)實(shí)施例制造的黑硅結(jié)構(gòu)的截面示意圖。如圖2所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，黑硅結(jié)構(gòu)包括P型襯底I和摻雜的黑硅層2，該摻雜的黑硅層2形成在P型硅襯底I上，其中該摻雜的黑硅層2中摻入了受主雜質(zhì)。一個(gè)實(shí)施例中，摻雜的黑硅層2中摻入的受主雜質(zhì)為硼、鋁、鎵或者銦，或者為任何其它適合的元素。一個(gè)實(shí)施例中，黑硅結(jié)構(gòu)中還包括勢(shì)壘層3，勢(shì)壘層3形成在摻雜的黑硅層2上。一個(gè)實(shí)施例中，在勢(shì)壘層3上還可以形成第一電極4，并且勢(shì)壘層3的沒(méi)有被第一電極4覆蓋的部分被去除。在P型襯底I上還設(shè)有第二電極5。圖3顯示了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的黑體結(jié)構(gòu)的俯視示意圖，從圖3中可以看出第一電極4的形狀為梳狀。本發(fā)明的實(shí)施例中，黑體結(jié)構(gòu)對(duì)可見(jiàn)光以及近紅外光波段有良好的吸收性能、噪聲電流低、信噪比高、并且操作簡(jiǎn)單、成本較低。例如，經(jīng)過(guò)測(cè)試，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，獲得的P+/P型黑硅結(jié)構(gòu)在250-1100納米(nm)波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射率不高于20%，光吸收率高于85%;在1100-2500納米(nm)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收率高于63%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通硅材料在近紅外區(qū)域OllOOnm)的光吸收率。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在偏置電壓為4V時(shí)，獲得的P+/P型黑硅結(jié)構(gòu)的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為250-2500納米(nm)，響應(yīng)度范圍為40-60安培每瓦(A/W)，信噪比范圍為20-22分貝(dB)。以上通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于這些具體的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，還可以對(duì)本發(fā)明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換只要未背離本發(fā)明的精神，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外，以上多處所述的“一個(gè)實(shí)施例”表示不同的實(shí)施例，當(dāng)然也可以將其全部或部分結(jié)合在一個(gè)實(shí)施例中?！?br> 權(quán)利要求
1.一種制造黑硅結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括 獲取P型娃襯底； 在所述P型硅襯底上形成黑硅層； 在所述黑硅層中摻入受主雜質(zhì)，形成摻雜的黑硅層。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述在所述P型硅襯底上形成黑硅層包括使用反應(yīng)離子刻蝕法、飛秒激光法、電化學(xué)腐蝕法或者濕法刻蝕法在所述P型硅襯底上形成所述黑硅層。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述在所述黑硅層中摻入受主雜質(zhì)包括使用離子注入法向所述黑硅層中注入受主雜質(zhì)離子。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述受主雜質(zhì)為硼、鋁、鎵或者銦。
5.如權(quán)利要求I至4中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括在所述摻雜的黑硅層上和所述P型硅襯底上形成電極。
6.如權(quán)利要求I至4中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括在所述摻雜的黑硅層上形成勢(shì)壘層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述勢(shì)壘層是氮化硅層或者氧化硅層。
8.一種黑硅結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括 P型硅襯底； 摻雜的黑硅層，所述摻雜的黑硅層形成在所述P型硅襯底上，其中所述摻雜的黑硅層中摻入了受主雜質(zhì)。
9.如權(quán)利要求8所述的黑硅結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括勢(shì)壘層，所述勢(shì)壘層形成在所述摻雜的黑娃層上。
10.如權(quán)利要求8或者9所述的黑硅結(jié)構(gòu)，其特征在于所述受主雜質(zhì)為硼、鋁、鎵或者銦。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種制造黑硅結(jié)構(gòu)的方法，包括獲取P型硅襯底；在P型硅襯底上形成黑硅層；在黑硅層中摻入受主雜質(zhì)，形成摻雜的黑硅層。本發(fā)明的實(shí)施例中，制成的黑體結(jié)構(gòu)對(duì)可見(jiàn)光以及近紅外光波段有良好的吸收性能、噪聲電流低、信噪比高、并且操作簡(jiǎn)單、成本較低。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102842651SQ20121034439
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者李世彬, 張鵬, 吳志明, 蔣亞?wèn)| 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)