[发明专利]一种制造黑硅材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电敏感材料技术领域，尤其是涉及一种制造黑硅材料的方法。

背景技术

硅材料是一种重要的半导体材料。由于其具有易于提纯、易掺杂、耐高温等特点，在微电子、光伏产业以及通讯产业等多个领域有着广泛的应用。但是由于其本身禁带宽度的限制，晶体硅材料不能吸收波长大于1100纳米（nm）的光波。当入射光波波长大于1100nm时，硅基探测器对光的吸收率和响应率会大幅降低，因此工作波长大于1100nm的光电探测器件一般使用锗、砷化镓铟等材料来制造。但是这些材料价格相对昂贵、热力学性能和晶体质量较差并且不能与目前已较为成熟的硅工艺兼容。这些特性都限制了其在硅基器件基础上的应用。

因此，采用硅材料来制备红外波段光电器件可以有效减少对此类材料的应用，克服这类材料制造工艺复杂、生产成本高昂造以及生产过程中含有铅、汞等有毒物质的缺点,可以有效地减小成本,降低环境污染。

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，其对从近紫外-近红外波段（250nm-2500nm）的光都能进行有效吸收。并且由于具有超高的光电导增益，黑硅材料产生的光电流是传统硅材料的几百倍。因此，黑硅材料能有效减少光传感器的硅材料的使用量，能有效地节省成本，使产品更加便宜、小巧和轻便。

黑硅材料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、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

本发明的目的之一是提供一种制造吸收率更高、吸收波长范围更大的黑硅材料的方法，并且其步骤简单，易于实现阵列化、集成化。

本发明的目的之一是提供一种能够在形成黑硅材料的同时实现硅掺杂的制造黑硅材料的方法。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种制造黑硅材料的方法，其特征在于，包括：在硅衬底上形成掩膜层；在所述掩膜层上光刻形成预定图形通孔阵列，获得图形掩膜硅衬底；对所述图形掩膜硅衬底进行刻蚀，在所述硅衬底上形成预定图形凹槽阵列；从所述硅衬底上去除所述掩膜层；将所述硅衬底置于含硫气体中，并用激光脉冲辐照所述硅衬底，获得所述黑硅材料。

本发明一个实施例中，所述含硫气体为六氟化硫气体或者硫化氢气体。

本发明一个实施例中，所述激光波长为400纳米至1000纳米。

本发明一个实施例中，所述激光脉冲为500至2100个。

本发明一个实施例中，所述激光脉冲的宽度为100飞秒至10纳米。

本发明一个实施例中，所述含硫气体的气压为60至70千帕。

本发明一个实施例中，所述掩膜层为氮化硅层、氧化硅层、铝层、钛层或者镍镉合金层。

本发明一个实施例中，所述预定图形为圆形、矩形、正方形和/或椭圆形。

本发明一个实施例中，对所述图形掩膜硅衬底进行刻蚀的步骤包括：用反应粒子刻蚀法、离子选择注入辅助电化学刻蚀法或者化学刻蚀法对所述图形掩膜硅衬底进行刻蚀。

本发明一个实施例中，所述预定图形通孔阵列的周期为1至2微米和/或所述预定图形通孔阵列中的通孔的直径为1至2微米。

本发明的实施例的方法中，在硅衬底上形成周期性阵列结构，并且在含硫气体环境中使用高能激光对硅衬底上周期性阵列结构进行辐照，形成微纳双重结构，并且在辐照过程中同时实现了硫元素掺杂，这样获得所需的黑硅材料。由于表面形成了纳米结构，使得周期结构表面反射率降低，并且硫元素引入杂质能级，使得获得的黑硅材料的吸收波长得到扩展，因此该微纳双重结构比单一的微米尺度阵列结构吸收率更高，吸收波长范围更大；比单纯的纳米结构表面更加规整。并且工艺步骤简单，与现有成熟的硅材料加工技术兼容良好，易于实现阵列化，集成化，在光传感器，高灵敏度红外探测器以及太阳能电池的领域有巨大的应用潜力。

附图说明

图1是本发明一个实施例的制造黑硅材料的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的制造黑硅材料的方法的具体步骤。

如图1所示，本发明的实施例中，一种制造黑硅材料的方法包括步骤10、步骤12、步骤14、步骤16和步骤18。下面结合具体的实施例详细说明其中的各个步骤。

步骤10：在硅衬底上形成掩膜层。

本发明的实施例中，首先在硅衬底上形成掩膜层。