一種制造寬波段高吸收黑硅材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例公開了一種制造寬波段高吸收黑硅材料的方法，包括：獲取P型重摻雜硅襯底；使用電感耦合等離子體-反應離子刻蝕法（ICP-RIE）對硅襯底進行刻蝕，在硅襯底表面上形成黑硅層；在黑硅層表面沉積鈍化層。本發(fā)明的實施例的方法中，采用的是P型重摻雜硅襯底，并且選用ICP-RIE對硅表面進行刻蝕，由于ICP刻蝕選擇比高，均勻性好，刻蝕的垂直度和光潔度較高，因此可以獲得更好的截面形貌且污染較少。刻蝕之后獲得的黑硅材料再通過原子層沉積(ALD)在黑硅層表面沉積一層Al2O3鈍化層，可以降低反射，減少表面電荷復合率。
【專利說明】一種制造寬波段高吸收黑硅材料的方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光電敏感材料【技術領域】，尤其是涉及一種制造寬波段高吸收黑硅材料 的方法。
[0002]

【背景技術】
[0003] 在半導體行業(yè)中，晶體硅材料由于其資源豐富、易獲取、易提純、易摻雜、耐高溫等 諸多優(yōu)點，在微電子、光伏產(chǎn)業(yè)、通信等領域有著非常廣泛的應用。但同時晶體硅本身也有 其固有的缺陷：首先，晶體硅表面對可見光至紅外光的反射很高，如果晶體硅的表面不做任 何處理，它對可見光至紅外光的反射率在30%以上，對紫外光的反射高達50%以上；其次，晶 體硅材料禁帶寬度在室溫（300K)下為1. 124電子伏（eV)，這導致它對波長大于1100納米 (nm)的近紅外光的吸收率大大降低。因此在探測這些波段時，需要采用鍺、銦鎵砷等紅外敏 感的材料來替代。但這些材料價格昂貴、熱力學性能和晶體質(zhì)量較差而且不能與現(xiàn)有的成 熟硅工藝兼容的缺點限制了其在硅基器件方面的應用。
[0004] 黑硅材料作為一種對普通晶體硅材料微結構化后得到的新型功能材料，其對近紫 外至近紅外波段（250-2500nm)的光的吸收率比普通晶體硅材料高出很多。由于其超高的 光電導增益，黑硅材料產(chǎn)生的光電流是傳統(tǒng)硅材料的幾百倍，而且由于其與現(xiàn)有成熟的硅 工藝兼容性很好等優(yōu)點，吸引了國內(nèi)外眾多的研究人員進行研究。
[0005] 前面提到，普通硅材料的禁帶寬度為1. 124eV。采用濕法(酸法或者堿法）對硅表 面進行微結構處理之后，得到的黑硅材料在可見光區(qū)域到l〇〇〇nm左右都有很高的吸收率， 但是到llOOnm之后的吸收率仍然不是很高。采用單純的反應離子刻蝕（RIE)硅材料得到 的黑硅材料吸收率在llOOnm之后的吸收率一樣不是很理想。
[0006] 采用飛秒激光器照射的方法也可以得到黑硅材料，但是這樣獲得的黑硅材料由于 引入了雜質(zhì)離子的摻雜，且對硅表面進行了為結構化處理，導致其對近紫外一近紅外光的 吸收率可以達到90%以上的高吸收率。可見，飛秒激光照射法制備的黑硅材料不僅吸收波 段范圍寬，而且在整個寬波段都保持這很高的吸收率。但是，飛秒激光器設備較昂貴，而且 不適合大面積制備黑硅材料。因此，探索更簡易且有效的方法是必要的。
[0007] 黑硅材料是在硅材料基礎上進行處理，處理之后得到的黑硅材料，其表面是森林 狀的尖錐、金字塔或者針狀，這使得黑硅具有很大的表面缺陷，而且引入了摻雜之后更是降 低了材料的光電轉(zhuǎn)換性能。
[0008]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的之一是提供一種制造黑硅材料的方法，其中根據(jù)該方法制造的黑硅 材料在寬波段上均具有高的吸收率。
[0010] 本發(fā)明公開的技術方案包括： 提供了一種制造寬波段高吸收黑硅材料的方法，其特征在于，包括：獲取P型重摻雜硅 襯底；使用電感耦合等離子體-反應離子刻蝕法對所述硅襯底進行刻蝕，在所述硅襯底表 面上形成黑硅層；在所述黑硅層表面沉積鈍化層。
[0011] 本發(fā)明的一個實施例中，所述使用電感耦合等離子體-反應離子刻蝕方法對所述 硅襯底進行刻蝕的步驟包括：清洗所述硅襯底；將清洗后的所述硅襯底置于刻蝕腔中，抽 真空至第一壓強，并將溫度保持在第一溫度；向所述刻蝕腔中以第一流量通入六氟化硫氣 體，以第二流量通入氧氣；加射頻對所述硅襯底進行刻蝕第一時間。
[0012] 本發(fā)明的一個實施例中，所述第一壓強為ΚΓ8至1帕斯卡。
[0013] 本發(fā)明的一個實施例中，所述第一溫度為-30至-50攝氏度。
[0014] 本發(fā)明的一個實施例中，所述第一流量為500至1200毫升/分鐘。
[0015] 本發(fā)明的一個實施例中，所述第二流量為800至2000毫升/分鐘。
[0016] 本發(fā)明的一個實施例中，所述第一時間為7至12分鐘。
[0017] 本發(fā)明的一個實施例中，使用原子層沉積法在所述黑硅層表面沉積鈍化層。
[0018] 本發(fā)明的一個實施例中，所述鈍化層為氧化鋁鈍化層、二氧化硅鈍化層或者氮化 娃鈍化層。
[0019] 本發(fā)明的實施例的方法中，采用的是P型重摻雜硅襯底，并且選用ICP-RIE對硅表 面進行刻蝕，由于ICP刻蝕選擇比高，均勻性好，刻蝕的垂直度和光潔度較高，因此可以獲 得更好的截面形貌且污染較少?？涛g之后獲得的黑硅材料再通過ALD在黑硅層表面沉積一 層鈍化層A1 203，可以降低反射，減少表面電荷復合率。
[0020]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明一個實施例的制造寬波段高吸收黑硅材料的方法的流程示意圖。
[0022] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的方法制造的黑硅材料的截面示意圖。
[0023] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的方法制造的黑硅材料的橫截面掃描電子顯微 鏡圖。
[0024] 圖4是本發(fā)明一個實施例的在黑硅表面沉積鈍化層之后的黑硅材料的截面示意 圖。

【具體實施方式】
[0025] 下面將結合附圖詳細說明本發(fā)明的實施例的制造寬波段高吸收黑硅材料的方法 的具體步驟。
[0026] 圖1是本發(fā)明一個實施例的制造寬波段高吸收黑硅材料的方法的流程示意圖，下 面詳細說明圖1中的各個步驟。
[0027] 如圖1所示，在步驟10中，首先獲取P型重摻雜硅襯底。
[0028] 本發(fā)明的實施例中，黑硅材料是基于重摻雜硅襯底制備的，因此，首先在步驟10 中獲取重摻雜娃襯底材料。一個實施例中，該重摻雜娃襯底材料可以為P型重摻雜娃襯底 材料。這里，P型重摻雜硅襯底材料是空穴導電的硅材料，例如，其可以是其中摻雜了硼的 硅材料，也可以是摻雜其他元素的P型硅。
[0029] 然后，在步驟12中，用電感耦合等離子體-反應離子刻蝕法（ICP-RIE)對該P型 重摻雜硅襯底進行刻蝕，從而在該P型重摻雜硅襯底表面上形成黑硅層。
[0030] 一個實施例中，用電感耦合等離子體-反應離子刻蝕法（ICP-RIE)對該P型重摻 雜硅襯底進行刻蝕的步驟可以進一步包括下述步驟： 清洗該P型重摻雜硅襯底； 將清洗后的所述硅襯底置于刻蝕腔中，抽真空至第一壓強，并將溫度保持在第一溫 度； 向所述刻蝕腔中以第一流量通入六氟化硫氣體，以第二流量通入氧氣； 加射頻對所述硅襯底進行刻蝕第一時間。
[0031] 本發(fā)明的一個實施例中，前述的第一壓強可以為ΚΓ8至1帕斯卡（Pa)。
[0032] 本發(fā)明的一個實施例中，前述的第一溫度可以為-30至-50攝氏度。
[0033] 本發(fā)明的一個實施例中，前述的第一流量可以為500至1200毫升/分鐘（ml/ min)。
[0034] 本發(fā)明的一個實施例中，前述的第二流量可以為800至2000毫升/分鐘（ml/ min)。
[0035] 本發(fā)明的一個實施例中，前述的第一時間可以為7至12分鐘（min)。
[0036] 本發(fā)明的一個實施例中，清洗該P型重摻雜硅襯底的步驟可以包括：將所述P型重 摻雜硅襯底依次通過三氯乙烯、丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗。
[0037] 例如，本發(fā)明的一個實施例中，用電感耦合等離子體-反應離子刻蝕法（ICP-RIE) 對該P型重摻雜硅襯底進行刻蝕的步驟的一個具體實例如下： 將P型重摻雜硅襯底依次通過三氯乙烯、丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗干凈； 然后，將洗干凈的P型重摻雜硅襯底放入刻蝕腔中，抽真空至壓強范圍1〇_8?IPa，對 硅襯底降溫并一直保持在_40°C，然后以500?1200ml/min的流量通入SF6氣體，以800? 2000ml/min通入0 2，等腔體內(nèi)的壓力穩(wěn)定后，加射頻刻蝕7?12min，之后停止通入氣體，再 次抽真空至1〇_8?IPa，然后通入氮氣至1個標準大氣壓，之后打開腔室，把P型重摻雜硅 襯底取出。
[0038] 這樣，可以得到高度從300納米（nm)?5000nm、間距從200nm?500nm的尖錐或 者針狀結構層，該結構層即為黑硅層。如圖2至圖3所示，其中圖2為獲得的黑硅材料（P 型重摻雜硅襯底及其上的黑硅層)的截面示意圖，圖3為黑硅材料的橫截面掃描電子顯微鏡 (SEM)圖。圖2中，1為硅襯底，2為黑硅層。
[0039] 然后，在步驟14中，在該黑硅層上沉積形成鈍化層。
[0040] 本發(fā)明的一個實施例中，該鈍化層可以是氧化鋁（A1203)鈍化層。本發(fā)明的其他的 實施例中，該鈍化層也可以是二氧化硅鈍化層或者氮化硅鈍化層。
[0041] 本發(fā)明的一個實施例中，可以使用原子層沉積（ALD)法在黑硅層上沉積形成鈍化 層。
[0042] 圖4示出了本發(fā)明一個實施例的沉積了鈍化層的黑硅材料的截面示意圖，其中1 為硅襯底，2為黑硅層，3為鈍化層。
[0043] 例如，本發(fā)明的一個實施例中，使用原子層沉積法在黑硅層上沉積形成氧化鋁鈍 化層的具體過程如下： 首先，給ALD沉積室和承載室抽真空至0. 02托（Torr)以下； 然后，轉(zhuǎn)動拉出樣品桿，將上述刻蝕過后的P型重摻雜硅襯底放入樣品臺，之后給 loadlock抽真空，抽完之后打開ALD沉積室腔門，推送樣品桿送入樣品臺，之后繼續(xù)抽真空 10?20分鐘（min)，同時上對ALD的具體運行參數(shù)進行設置，例如，載體氣體（Carrier gas) 設置為6至10標況毫升每分鐘（seem),晶片加熱器（wafer heater)為150至300°C，腔壁加 熱器（CW heater)為50至80°C，前驅(qū)體進入反應室的管道溫度（Prcomp)設置為50至80°C， 循環(huán)次數(shù)（cycle)為200?400 ;前驅(qū)體TMA (trimethylaluminum)相關時間參數(shù)設置為： 沖劑量時間（Dose time)=0. 5秒（s)?5s，反應時間（Reaction time)= 10?20 s，凈化時間 (Purge time)= 5 ?20s ;氧氣相關時間參數(shù)設置為：Dose time=0. 3s ?3s, Reaction time= 10?20 s，Purge time= 15?25s。參數(shù)設置完成之后，打開前驅(qū)體瓶和氧氣源閥，開始原 子層沉積。
[0044] 最后，待ALD運轉(zhuǎn)結束之后，關閉前驅(qū)體瓶和氧氣源閥，轉(zhuǎn)動拉出樣品桿，將沉積 了 A1203的P型重摻雜硅襯底拿出。
[0045] 這樣，即獲得了表面被修飾鈍化了的黑硅材料。
[0046] 本發(fā)明的實施例的方法中，采用的是P型重摻雜硅襯底，并且選用ICP-RIE對硅表 面進行刻蝕，由于ICP刻蝕選擇比高，均勻性好，刻蝕的垂直度和光潔度較高，因此可以獲 得更好的截面形貌且污染較少。刻蝕之后獲得的黑硅材料再通過ALD在黑硅層表面沉積一 層A1 203，可以降低反射，減少表面電荷復合率。
[0047] 經(jīng)過測試，通過步驟12刻蝕之后得到的黑硅材料，在250-25000nm整個波段的光 吸收率高于95% ;經(jīng)過ALD沉積AL203之后的黑硅材料在250- 25000nm整個波段的光吸收 率則高于98%，可見根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法制造的黑硅材料在寬波段上具有相當高的 吸收率，而且本發(fā)明實施例的方法操作簡便，成本可控。
[0048] 以上通過具體的實施例對本發(fā)明進行了說明，但本發(fā)明并不限于這些具體的實施 例。本領域技術人員應該明白，還可以對本發(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，都應在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。此外，以上多處所述的"一個實 施例"表示不同的實施例，當然也可以將其全部或部分結合在一個實施例中。
【權利要求】
1. 一種制造寬波段高吸收黑硅材料的方法，其特征在于，包括： 獲取p型重摻雜硅襯底； 使用電感耦合等離子體-反應離子刻蝕法對所述硅襯底進行刻蝕，在所述硅襯底表面 上形成黑硅層； 在所述黑硅層表面沉積鈍化層。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用電感耦合等離子體-反應離子刻蝕 方法對所述硅襯底進行刻蝕的步驟包括： 清洗所述硅襯底； 將清洗后的所述硅襯底置于刻蝕腔中，抽真空至第一壓強，并將溫度保持在第一溫 度； 向所述刻蝕腔中以第一流量通入六氟化硫氣體，以第二流量通入氧氣； 加射頻對所述硅襯底進行刻蝕第一時間。
3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于：所述第一壓強為ΚΓ8至1帕斯卡。
4. 如權利要求2或者3所述的方法，其特征在于：所述第一溫度為-30至-50攝氏度。
5. 如權利要求2或者3所述的方法，其特征在于：所述第一流量為500至1200毫升/ 分鐘。
6. 如權利要求2所述的方法，其特征在于：所述第二流量為800至2000毫升/分鐘。
7. 如權利要求2所述的方法，其特征在于：所述第一時間為7至12分鐘。
8. 如權利要求1至7中任意一項所述的方法，其特征在于：使用原子層沉積法在所述 黑娃層表面沉積鈍化層。
9. 如權利要求1或者8所述的方法，其特征在于：所述鈍化層為氧化鋁鈍化層、二氧化 硅鈍化層或者氮化硅鈍化層。
【文檔編號】H01L31/0236GK104064627SQ201410296521
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權日:2014年6月27日
【發(fā)明者】李世彬, 王健波, 余宏萍, 張鵬, 吳志明 申請人:電子科技大學