專利名稱：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，如晶體硅表面對可見-紅外光的反射很高，而且因為禁帶寬度大，晶體娃不能吸收波長大于IlOOnm的光波，當入射光的波長大于IlOOnm時,娃探測器對光的 吸收率和響應(yīng)率將大大降低。在探測這些波段時必須使用鍺、砷化鎵銦等其他材料。由于這些材料的價格昂貴、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、擴展硅基和硅兼容光電探測器的探測波段仍然是目前最熱門的研究。為了減少晶體硅表面的反射，人們采用了許多實驗方法和技術(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，達到減少硅表面反射的目的。在可見光波段，減少反射可以增加吸收，提高器件的效率。但在波長超過IlOOnm時，如果不在硅禁帶中引入吸收能級，反射減少僅僅導(dǎo)致透射增加，因為硅的禁帶寬度最終限制了其對長波長光的吸收。因此，要擴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增加禁帶內(nèi)的光子吸收。黑硅材料作為一種對普通硅微結(jié)構(gòu)化后得到的新型功能材料對從近紫外-近紅外波段(250nm-2500nm)的光都能吸收，且吸收率高達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，所以可用來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)用價值。因此，提供對可見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可見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)明實施例公開的技術(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。進一步地，所述受主雜質(zhì)為硼、鋁、鎵或者銦。進一步地，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。進一步地，該方法還包括在所述摻雜的黑硅層上形成勢壘層。進一步地，所述勢壘層是氮化硅層或者氧化硅層。本發(fā)明的實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)。進一步地，該黑硅結(jié)構(gòu)還包括勢壘層，所述勢壘層形成在所述摻雜的黑硅層上。進一步地，所述受主雜質(zhì)為硼、鋁、鎵或者銦。本發(fā)明的實施例中，黑體結(jié)構(gòu)對可見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、并且操作簡單、成本較低。


圖I是本發(fā)明一個實施例的制造黑硅結(jié)構(gòu)的方法的流程示意 圖2是本發(fā)明一個實施例的黑硅結(jié)構(gòu)的截面示意 圖3是本發(fā)明另一個實施例的黑硅結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明的一個實施例中，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。一個實施例中，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型硅襯底，通過對該P型硅襯底的一個表面的處理，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型硅襯底的該表面上形成
黑娃層O本發(fā)明的實施例中，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P型硅襯底的至少一個表面進行處理，從而在該至少一個表面上形成黑硅層。例如，一個實施例中，可以使用飛秒激光法對P型硅襯底進行處理從而形成黑硅層。此時，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)的可三維移動的靶臺上，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),工作壓強可以為例如6. 7X IO4Pa0采用鈦藍寶石飛秒激光器對P型單晶硅片表面進行脈沖轟擊，經(jīng)透鏡聚焦后垂直照射到硅表面上，移動靶臺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，改變靶臺的移動速度可以調(diào)整照射在單位面積的硅表面上的脈沖數(shù)。本實施例中，所用的激光波長根據(jù)實際情況可選擇為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，另一個實施例中，可以使用濕法刻蝕用酸堿溶液對P型硅襯底進行處理從而形成黑硅層。此時，在P型單晶硅襯底(P型硅襯底)上沉積氮化硅/氧化硅掩膜，然后用刻蝕液體進行刻蝕。刻蝕液體可以由強堿或者酸和水按照一定比例來配置，刻蝕溫度一般選擇50°C左右。例如，一個實施例中，可以對以氮化硅(Si3N4)薄膜為掩膜的P型單晶硅片表面進行堿酸濕法腐蝕，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)境中對以氮化硅(Si3N4)薄膜為掩膜的P型單晶硅片進行刻蝕，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型單晶硅片上進行腐蝕，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)明的實施例中，摻入的受主雜質(zhì)可以是任何適合于對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，使用熱擴散法或者離子注入法等等。例如，本發(fā)明的一個實施例中，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，一個實施例中，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，在真空和高純度氮氣或氬氣保護的環(huán)境中退火，退火溫度可以為60(T950°C，退火時間可以為15分鐘 I小時。例如，此時，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條件下進行真空退火，退火溫度可以為500°C，退火時間可以為I小時。這樣，經(jīng)過前述步驟，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)明另外的實施例中，在前述實施例的基礎(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壘層。一個實施例中，可以使用等離子體增強化學(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壘層，該勢壘層可以是氮化硅(Si3N4)層或者氧化硅(SiO2或)層，勢壘層的厚度可以為30-90納米(nm)。通過設(shè)置該勢壘層，可以有效地增加肖特基勢壘的高度，從而抑制噪聲電流。例如，一個實施例中，使用PECVD法在摻雜的黑硅表面沉積勢壘層薄膜。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間可以為45秒。本發(fā)明的實施例中，在前述的實施例的基礎(chǔ)上，還可以在摻雜的黑硅層上或者勢壘層上面以及在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，通過剝離法獲得具有所需要的形狀的電極。當在勢壘層上形成電極后，可以通過適合的刻蝕方法去除沒有被電極覆蓋的勢壘層。例如，通過反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法刻蝕去除沒有被電極覆蓋的勢壘層。圖2為本發(fā)明的一個實施例的按照本發(fā)明前述的一個實施例制造的黑硅結(jié)構(gòu)的截面示意圖。如圖2所示，本發(fā)明的一個實施例中，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)。一個實施例中，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。一個實施例中，黑硅結(jié)構(gòu)中還包括勢壘層3，勢壘層3形成在摻雜的黑硅層2上。一個實施例中，在勢壘層3上還可以形成第一電極4，并且勢壘層3的沒有被第一電極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)明另一個實施例的黑體結(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)明的實施例中，黑體結(jié)構(gòu)對可見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、并且操作簡單、成本較低。例如，經(jīng)過測試，本發(fā)明的一個實施例中，獲得的P+/P型黑硅結(jié)構(gòu)在250-1100納米(nm)波長范圍內(nèi)反射率不高于20%，光吸收率高于85%;在1100-2500納米(nm)波長范圍內(nèi)的光吸收率高于63%，遠遠高于普通硅材料在近紅外區(qū)域OllOOnm)的光吸收率。本發(fā)明的一個實施例中，在偏置電壓為4V時，獲得的P+/P型黑硅結(jié)構(gòu)的響應(yīng)波長范圍為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(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)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(yīng)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(jié)合在一個實施例中?！?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壘層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述勢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，還包括勢壘層，所述勢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)明實施例公開了一種制造黑硅結(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)明的實施例中，制成的黑體結(jié)構(gòu)對可見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、并且操作簡單、成本較低。
文檔編號H01L31/18GK102842651SQ20121034439
公開日2012年12月26日 申請日期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, 蔣亞東 申請人:電子科技大學(xué)