[发明专利]一种N+/N型黑硅新结构及制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及光电敏感材料技术领域，具体涉及一种N⁺/N型黑硅新结构及其制备方法。

背景技术

硅是一种重要的半导体材料，具有储存丰富，以提纯、耐高温、容易形成自然氧化物及良好的半导体绝缘层界面的特点，因此晶体硅被大量的用于半导体集成电路领域。传统硅光电探测器在波长小于850nm的波段范围具有较高的响应率。但是硅材料同样也存在很多缺陷，如晶体表面对可见-红外光的反射很高，而且因为禁带宽度大，晶体硅不能吸收波长大于1100nm的光波，当入射光的波长大于1100nm时，硅光电探测器的光吸收率和响应率急剧降低，抑制了硅材料器件在光通讯及红外探测领域的应用。

为了减少晶体硅表面的反射，人们采用了许多实验方法和技术，如光刻技术、反应离子刻蚀、电化学腐蚀等。这些技术都能在一定程度上改变晶体硅表面及近表面形貌，达到减少硅表面反射的目的。在可见光波段范围，降低材料的反射率可以增加光吸收率，提高器件的光电转换效率。但在波长超过1100nm的波谱范围，如果没有在硅禁带中引入其他杂质能级，材料的吸收率和其器件的响应率仍不会增长。因此，要有效地提高硅材料在近红外波段的吸收必须在禁带中引入新的吸收能级。由此，一种可以拓展吸收光谱的新型敏感材料和制备技术就成为光电器件领域急迫的需求。

黑硅材料的产生无疑解决了这一难题。黑硅材料作为一种对普通硅微结构化后得到的新型功能材料对从近紫外-近红外波段（250nm—2500nm）的光都能吸收，且吸收率高达90%。由于超高的光电导增益，黑硅材料产生的光电流是传统硅材料的几百倍。西奥尼克斯公司为其在美国哈佛大学研发的这项技术申请了专利。公司表示，黑硅材料还能减少光传感器的硅的使用量，其硅消耗量是传统元件的几百分之一，这样就能节省成本，使产品更加便宜、小巧和轻便。厚度薄的元件也能集成在集成电路上。此外，基于黑硅生产的具有X感光设备的灵敏度非常高，拍片子是就可降低X光的放射量。由于用黑硅制造的光传感元件能捕捉到极其微弱的光纤，所以可用来制造夜视镜和数码相机里的传感器。这些应用于低照明条件下的产品目前使用的敏感材料是更加昂贵的砷化镓。目前制备黑硅材料的工艺方法主要包括飞秒激光法、反应离子刻蚀、电化学腐蚀、贵金属粒子辅助湿法刻蚀。

黑硅还可以用来制造红外线传感元件，这将是硅的新用途。在光纤通讯、天文领域和安保系统中应用广泛的红外传感元件目前是使用砷化镓等材料制成。黑硅材料的出现可以克服这类材料工艺复杂、造价昂贵、含有铅、汞等有毒物质的缺点。

黑硅材料如此卓越的光电性能使其成为制作高灵敏度红外探测器、高量子效率雪崩二极管(APD)、高响应度红外二极管及太阳能电池的理想材料，在遥感、光通讯及微电子等领域都具有重要的潜在应用价值。

发明内容

传统的硅光电探测器光吸收率低和光谱响应波段窄、在近红外波段响应率低，为解决这些问题本发明提供一种N⁺/N型黑硅新结构的关键制备工艺。

本发明的技术方案为：一种N⁺/N型黑硅新结构，包括N型硅衬底1、N⁺型黑硅光敏吸收层2、位于N⁺型黑硅光敏吸收层2上表面的上电极3，以及位于N型硅衬底1下表面的下电极4。

所述N型硅衬底1为磷扩散掺杂N型区。

所述N⁺型黑硅光敏吸收层是由单晶硅通过飞秒激光或湿法刻蚀结合离子注入的方法制备。 

所述湿法腐蚀结合离子注入方法是利用酸碱溶液刻蚀硅片表面并得到亚微米的锥状结构以及纳米级的多孔结构再通过Se或Te离子注入掺杂得到N⁺型黑硅光敏吸收层2, 其中Se或Te离子注入掺杂浓度范围为1×10¹⁶cm^-3—1×10¹⁷cm^-3。

其具体步骤为：

A.配置碱液溶液，主要含有氢氧化钾、去离子水、异丙醇，在水浴加热环境对以Si₃N₄为掩膜的硅片进行刻蚀，得到柱状阵列结构；

B.配置酸液溶液，主要含有过氧化氢、去离子水、氢氟酸、氯金酸、乙醇，用胶头滴管将腐蚀溶液均匀地滴在硅片上进行腐蚀，形成多孔状微结构。

C.离子注入Se或Te离子。

所述N⁺型黑硅光敏吸收层的飞秒激光制备方法是利用飞秒激光在SF₆气氛下的条件下对N型单晶硅进行脉冲轰击得到准阵列排列的尖锥微结构。