[发明专利]一种制造宽波段高吸收黑硅材料的方法

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宽波段高吸收黑硅材料的方法。

背景技术

在半导体行业中，晶体硅材料由于其资源丰富、易获取、易提纯、易掺杂、耐高温等诸多优点，在微电子、光伏产业、通信等领域有着非常广泛的应用。但同时晶体硅本身也有其固有的缺陷：首先，晶体硅表面对可见光至红外光的反射很高，如果晶体硅的表面不做任何处理，它对可见光至红外光的反射率在30%以上，对紫外光的反射高达50%以上；其次，晶体硅材料禁带宽度在室温（300K）下为1.124电子伏（eV），这导致它对波长大于1100纳米（nm）的近红外光的吸收率大大降低。因此在探测这些波段时，需要采用锗、铟镓砷等红外敏感的材料来替代。但这些材料价格昂贵、热力学性能和晶体质量较差而且不能与现有的成熟硅工艺兼容的缺点限制了其在硅基器件方面的应用。

黑硅材料作为一种对普通晶体硅材料微结构化后得到的新型功能材料，其对近紫外至近红外波段（250-2500nm）的光的吸收率比普通晶体硅材料高出很多。由于其超高的光电导增益，黑硅材料产生的光电流是传统硅材料的几百倍，而且由于其与现有成熟的硅工艺兼容性很好等优点，吸引了国内外众多的研究人员进行研究。

前面提到，普通硅材料的禁带宽度为1.124eV。采用湿法（酸法或者碱法）对硅表面进行微结构处理之后，得到的黑硅材料在可见光区域到1000nm左右都有很高的吸收率，但是到1100nm之后的吸收率仍然不是很高。采用单纯的反应离子刻蚀（RIE）硅材料得到的黑硅材料吸收率在1100nm之后的吸收率一样不是很理想。

采用飞秒激光器照射的方法也可以得到黑硅材料，但是这样获得的黑硅材料由于引入了杂质离子的掺杂，且对硅表面进行了为结构化处理，导致其对近紫外—近红外光的吸收率可以达到90%以上的高吸收率。可见，飞秒激光照射法制备的黑硅材料不仅吸收波段范围宽，而且在整个宽波段都保持这很高的吸收率。但是，飞秒激光器设备较昂贵，而且不适合大面积制备黑硅材料。因此，探索更简易且有效的方法是必要的。

黑硅材料是在硅材料基础上进行处理，处理之后得到的黑硅材料，其表面是森林状的尖锥、金字塔或者针状，这使得黑硅具有很大的表面缺陷，而且引入了掺杂之后更是降低了材料的光电转换性能。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种制造黑硅材料的方法，其中根据该方法制造的黑硅材料在宽波段上均具有高的吸收率。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种制造宽波段高吸收黑硅材料的方法，其特征在于，包括：获取P型重掺杂硅衬底；使用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀法对所述硅衬底进行刻蚀，在所述硅衬底表面上形成黑硅层；在所述黑硅层表面沉积钝化层。

本发明的一个实施例中，所述使用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀方法对所述硅衬底进行刻蚀的步骤包括：清洗所述硅衬底；将清洗后的所述硅衬底置于刻蚀腔中，抽真空至第一压强，并将温度保持在第一温度；向所述刻蚀腔中以第一流量通入六氟化硫气体，以第二流量通入氧气；加射频对所述硅衬底进行刻蚀第一时间。

本发明的一个实施例中，所述第一压强为10^-8至1帕斯卡。

本发明的一个实施例中，所述第一温度为 -30至-50摄氏度。

本发明的一个实施例中，所述第一流量为500至1200毫升/分钟。

本发明的一个实施例中，所述第二流量为800至2000毫升/分钟。

本发明的一个实施例中，所述第一时间为7至12分钟。

本发明的一个实施例中，使用原子层沉积法在所述黑硅层表面沉积钝化层。

本发明的一个实施例中，所述钝化层为氧化铝钝化层、二氧化硅钝化层或者氮化硅钝化层。

本发明的实施例的方法中，采用的是P型重掺杂硅衬底，并且选用ICP-RIE对硅表面进行刻蚀，由于ICP刻蚀选择比高，均匀性好，刻蚀的垂直度和光洁度较高，因此可以获得更好的截面形貌且污染较少。刻蚀之后获得的黑硅材料再通过ALD在黑硅层表面沉积一层钝化层Al₂O₃，可以降低反射，减少表面电荷复合率。

附图说明

图1是本发明一个实施例的制造宽波段高吸收黑硅材料的方法的流程示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的方法制造的黑硅材料的截面示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的方法制造的黑硅材料的横截面扫描电子显微镜图。