[发明专利]一种基于超快激光掺杂的中间带材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅中间带材料制备技术领域，尤其涉及一种基于超快激光掺杂的中间带材料的制备方法，具体是一种采用纳秒、皮秒及飞秒激光对蒸镀有钛薄膜表层的硅材料进行辐照，在硅材料表层实现超过Mott相变钛元素掺杂浓度的硅中间带材料制备方法。

背景技术

利用深能级在禁带中的位置离价带和导带都比较远，高浓度掺杂深能级杂质的材料禁带变窄效应不显著，高浓度深能级中心波函数相互交叠，载流子可以在深能级允态之间做共有化运动，在禁带中形成杂质能带。普遍认为只有掺杂激活浓度超过Mott极限间隙带才能形成，这只是针对平衡掺杂方法制备的材料而言。对于非平衡掺杂材料，缺陷态的分布与材料的热处理过程有很大关系，所以并不能通过Mott极限来精准定义间隙带的形成浓度。

能够在硅带隙中引入中间带的材料据报道只有钛、硫、硒和碲。硫、硒和碲在硅禁带中以施主的形式存在，第一性原理的计算表明对于硫系元素只有高浓度替位(大于0.5％)的掺杂才能形成稳定的间隙带。然而硫、硒和碲元素在硅材料中的掺杂，一般不容易获得高的替位率。对于钛元素，其在硅材料中高浓度的间隙掺杂也能够形成杂质能带，而钛元素在硅材料中的稳定态也是处于间隙位置的，所以在硅材料中掺入高浓度钛元素形成中间带理论上来说可行性更大。

在硅材料中掺杂超过杂质固溶度的深能级材料，需要采用非平衡掺杂方式，目前的非平衡掺杂方式主要包括离子注入和激光掺杂。离子注入能够很好的控制掺杂的浓度和深度，但会引入晶格损伤，并且高浓度的深能级杂质掺入(尤其是钛元素的掺杂)一般需要较长时间，不利于大规模生产。而通过大面积激光辐照的方式掺杂对其浓度和深度都很难很好的控制。所以非平衡掺杂的方式还需要很长时间的摸索和优化。

被认为最佳的中间带制备材料钛元素的熔点在1600℃，基本不能用高温扩散的方法将其掺入硅材料中，并且这种平衡掺杂方法也不能实现超过杂质固溶度的掺杂。而利用高能离子注入方法虽然能实现超过杂质固溶度的掺杂，但要实现超过Mott相变的掺杂浓度，一个2英寸的硅片就需要超过十几个小时的连续注入，很难实现大规模应用。

参考文献

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发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于超快激光掺杂的中间带材料的制备方法，以实现在硅材料中超过Mott相变的钛元素掺杂，解决钛元素在硅材料中高浓度非平衡掺杂困难的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于超快激光掺杂的中间带材料的制备方法，该方法包括：在硅衬底表层蒸镀钛薄膜；以及采用超快激光辐照蒸镀有钛薄膜的硅材料表层。

上述方案中，所述在硅衬底表层蒸镀钛薄膜是采用电阻热蒸发或电子束热蒸发实现的。

上述方案中，所述钛薄膜的厚度介于几个纳米到几十个纳米之间。