專利名稱：制備超飽和硫系元素?fù)诫s硅的方法
制備超飽和硫系元素?fù)诫s硅的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于新型硅材料領(lǐng)域，具體涉及一種制備超飽和硫系元素?fù)诫s硅的方法。
技術(shù)背景
近十年來(lái)，人們對(duì)于在硅中摻入超飽和的硫系元素(硫、硒或碲)后形成的新型硅材料產(chǎn)生了濃厚的研究興趣，這是因?yàn)檫@種新型硅材料在紅外區(qū)域(波長(zhǎng)大于I. Ιμπι) 有很強(qiáng)的光吸收，而這一優(yōu)異特性將使硅基紅外探測(cè)器成為可能。1998年哈佛大學(xué)的艾瑞克 馬祖(Eric Mazur)教授和他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在六氟化硫氣氛中，使用飛秒激光掃描娃表面，意外地形成了一種新型硅材料，它的表面層內(nèi)硫的摻雜濃度達(dá)到102°cm_3數(shù)量級(jí)(硫在硅中的平衡飽和濃度為IO15CnT3數(shù)量級(jí))，它可以對(duì)波長(zhǎng)從O. 25 μ m到2. 5 μ m的光產(chǎn)生 90%以上的吸收。這種新型的硅材料，肉眼看上去非常黑，所以后來(lái)被稱為黑硅。將黑硅做成探測(cè)器后，在O. 4 μ m到I. 7 μ m的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都有響應(yīng)，最高響應(yīng)在I. 06 μ m處達(dá)到了 100A/W，這是商用硅探測(cè)器的100倍；它在通訊波長(zhǎng)I. 33 μ m和I. 55 μ m處的響應(yīng)分別為50mA/W，和35mA/W，這比商用硅探測(cè)器高5個(gè)數(shù)量級(jí)，但比商用鍺和 銦鎵砷探測(cè)器小I個(gè)數(shù)量級(jí)。黑硅探測(cè)器在紅外有響應(yīng)，這結(jié)果令人振奮，但它的響應(yīng)度目前還太低，離商用還差I(lǐng)個(gè)數(shù)量級(jí)，另外它在紅外的響應(yīng)也與它在紅外的吸收(90%以上)很不匹配。對(duì)于這一點(diǎn)，目前大家都認(rèn)為原因是超快激光在刻蝕硅表面的時(shí)候形成了大量的晶格缺陷，這些晶格缺陷很容易俘獲光生載流子，導(dǎo)致光生載流子很難被金屬電極收集到。除了黑硅這種類型的超飽和硫摻雜硅之外，還有一種超飽和硫摻雜硅還未引起人們的足夠重視。2006年哈佛大學(xué)另外一位教授邁克爾 阿澤(Miche I Az iz)教授和他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過(guò)對(duì)娃超飽和注入硫離子后，再對(duì)樣品進(jìn)行納秒激光退火。這種方法形成的超飽和硫摻雜硅樣品， 表面非常平整，內(nèi)部也無(wú)明顯缺陷，在可見(jiàn)光區(qū)域的光吸收為70%，在紅外區(qū)域的光吸收為 30%。表面平整對(duì)制作黑硅探測(cè)器非常有利，保證了襯底片與金屬電極良好的接觸；無(wú)晶格缺陷可以使光生載流子的壽命較長(zhǎng)，利于電極收集。它唯一的缺點(diǎn)是在紅外波段的吸收只有30%，與前面黑硅的吸收相比下降了 60%。為了增加這種超飽和硫摻雜硅在紅外的吸收，我們提出先對(duì)硅表面進(jìn)行制絨，然后再對(duì)制絨后的硅片進(jìn)行硫離子注入和納秒激光退火。光吸收的測(cè)試表明，這種新方法制備出來(lái)的超飽和硫摻雜硅在紅外的光吸收達(dá)到70%， 同時(shí)表面的微結(jié)構(gòu)也保證了良好的電極接觸，所以它對(duì)相關(guān)器件的開(kāi)發(fā)非常有利。這種新方法同樣也適用于超飽和硒或碲摻雜硅材料的制作。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種制備超飽和硫系元素?fù)诫s硅的方法，該方法包括先對(duì)硅襯底表面進(jìn)行制絨，再對(duì)它進(jìn)行離子注入和激光退火。這種方法形成的超飽和硫系元素?fù)诫s硅表面，既保證了良好的電極接觸，又對(duì)入射光具有一定的減反射作用，對(duì)于制作高響應(yīng)紅外探測(cè)器特別有利。
本發(fā)明提供一種制備超飽和硫系元素?fù)诫s硅的方法，包括如下步驟3
步驟I :選擇一襯底；
步驟2 :對(duì)襯底表面進(jìn)行制絨；
步驟3 :對(duì)制絨后的襯底進(jìn)行超飽和硫系元素離子注入；
步驟4:對(duì)硫系元素離子注入后的襯底進(jìn)行激光退火，消除離子注入產(chǎn)生的晶格缺陷，完成制備。
其中襯底的材料為硅單晶片。
其中離子注入后硫系元素在襯底中的原子濃度為5 X IO19CnT3-IX 1021cnT3。
其中硫系兀素包括硫、砸或締。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如后，其中
圖I為本發(fā)明的制備流程圖；圖2為光吸收譜圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖I所示，本發(fā)明提供一種制備超飽和硫系元素?fù)诫s硅的方法，包括如下步驟
步驟I :選擇一襯底，該襯底的材料為硅單晶片，它的晶面取向?yàn)?001)，雙面拋光，P型硼摻雜，電阻率為1-10 Ω Cm，晶片厚度為390±20μπι;
步驟2 :襯底表面經(jīng)清洗去污之后，使用刻蝕液(NaOH 異丙醇(IPA)水= 2g 4ml 45ml)在80°C對(duì)襯底制絨40分鐘，使襯底表面布滿金字塔減反射結(jié)構(gòu)；
步驟3 :對(duì)制絨后的襯底進(jìn)行超飽和硫離子注入，注入能量為200keV，注入劑量為I X IO16CnT2,注入深度約為240nm左右，峰值濃度約為6X 102°cnT3左右。硒或碲離子的注入采用類似方式。離子注入后，要保證注入原子在硅襯底中的原子濃度為 5 X IO19CnT3-IX 1021cm-3，相對(duì)應(yīng)的原子百分比為O. 1% -10%。另外，離子注入深度要保證接下來(lái)的激光退火能夠消除離子注入產(chǎn)生的晶格缺陷；
步驟4 :對(duì)硫離子注入后的襯底進(jìn)行激光退火，選用的激光器為KrF(248nm)納秒激光器，脈沖寬度為20ns,光束形狀為3_X Imm矩形,平均每點(diǎn)的脈沖數(shù)為4個(gè),能量密度選用為1.4J/cm2。選擇的激光退火條件要保證既要消除離子注入產(chǎn)生的晶格缺陷，又不要在硅襯底表面產(chǎn)生大量新的晶格缺陷或刻蝕出尖銳的表面微結(jié)構(gòu)。至此，完成制備。
這種新方法形成的超飽和硫摻雜硅、普通硅片(未經(jīng)任何處理)以及未制絨但經(jīng)硫離子注入和納秒激光退火的硅片的光吸收譜如圖2所示。很明顯，制絨大幅增加了這類超飽和硫摻雜硅在紅外波段的光吸收，從30 %增加到70%;在可見(jiàn)光波段，光吸收小幅增加約 10%。
以上所述，僅是本發(fā)明的實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案范圍之內(nèi)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種制備超飽和硫系元素?fù)诫s硅的方法，包括如下步驟步驟I :選擇一襯底；步驟2 :對(duì)襯底表面進(jìn)行制絨；步驟3 :對(duì)制絨后的襯底進(jìn)行超飽和硫系元素離子注入；步驟4 :對(duì)硫系元素離子注入后的襯底進(jìn)行激光退火，消除離子注入產(chǎn)生的晶格缺陷， 完成制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備超飽和硫系元素?fù)诫s硅的方法，其中襯底的材料為硅單
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備超飽和硫系元素?fù)诫s硅的方法，其中離子注入后硫系元素在襯底中的原子濃度為5 X IO19CnT3-IX IO21CnT3。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備超飽和硫系元素?fù)诫s硅的方法，其中硫系元素包括硫、 硒或締。
全文摘要
一種制備超飽和硫系元素?fù)诫s硅的方法，包括如下步驟步驟1選擇一襯底；步驟2對(duì)襯底表面進(jìn)行制絨；步驟3對(duì)制絨后的襯底進(jìn)行超飽和硫系元素離子注入；步驟4對(duì)硫系元素離子注入后的襯底進(jìn)行激光退火，消除離子注入產(chǎn)生的晶格缺陷，完成制備。本發(fā)明形成的超飽和硫系元素?fù)诫s硅表面，既保證了良好的電極接觸，又對(duì)入射光具有一定的減反射作用，對(duì)于制作高響應(yīng)紅外探測(cè)器特別有利。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102938435SQ201210484770
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者王科范, 劉孔, 曲勝春, 王占國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所