[發明專利]一種基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法

無效

• 申請號: 201110391156.3
• 申請日: 2011-11-30
• 公開（公告）號: CN102437031A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 李辛毅;韓培德;毛雪;胡少旭;王帥;范玉杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L21/268
• 分類號: H01L21/268;H01L31/18
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及硅中間帶材料制備技術領域，尤其涉及一種基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，具體是一種采用納秒、皮秒及飛秒激光對蒸鍍有鈦薄膜表層的硅材料進行輻照，在硅材料表層實現超過Mott相變鈦元素摻雜濃度的硅中間帶材料制備方法。

背景技術

利用深能級在禁帶中的位置離價帶和導帶都比較遠，高濃度摻雜深能級雜質的材料禁帶變窄效應不顯著，高濃度深能級中心波函數相互交疊，載流子可以在深能級允態之間做共有化運動，在禁帶中形成雜質能帶。普遍認為只有摻雜激活濃度超過Mott極限間隙帶才能形成，這只是針對平衡摻雜方法制備的材料而言。對于非平衡摻雜材料，缺陷態的分布與材料的熱處理過程有很大關系，所以并不能通過Mott極限來精準定義間隙帶的形成濃度。

能夠在硅帶隙中引入中間帶的材料據報道只有鈦、硫、硒和碲。硫、硒和碲在硅禁帶中以施主的形式存在，第一性原理的計算表明對于硫系元素只有高濃度替位(大于0.5％)的摻雜才能形成穩定的間隙帶。然而硫、硒和碲元素在硅材料中的摻雜，一般不容易獲得高的替位率。對于鈦元素，其在硅材料中高濃度的間隙摻雜也能夠形成雜質能帶，而鈦元素在硅材料中的穩定態也是處于間隙位置的，所以在硅材料中摻入高濃度鈦元素形成中間帶理論上來說可行性更大。

在硅材料中摻雜超過雜質固溶度的深能級材料，需要采用非平衡摻雜方式，目前的非平衡摻雜方式主要包括離子注入和激光摻雜。離子注入能夠很好的控制摻雜的濃度和深度，但會引入晶格損傷，并且高濃度的深能級雜質摻入(尤其是鈦元素的摻雜)一般需要較長時間，不利于大規模生產。而通過大面積激光輻照的方式摻雜對其濃度和深度都很難很好的控制。所以非平衡摻雜的方式還需要很長時間的摸索和優化。

被認為最佳的中間帶制備材料鈦元素的熔點在1600℃，基本不能用高溫擴散的方法將其摻入硅材料中，并且這種平衡摻雜方法也不能實現超過雜質固溶度的摻雜。而利用高能離子注入方法雖然能實現超過雜質固溶度的摻雜，但要實現超過Mott相變的摻雜濃度，一個2英寸的硅片就需要超過十幾個小時的連續注入，很難實現大規模應用。

參考文獻

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發明內容

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，以實現在硅材料中超過Mott相變的鈦元素摻雜，解決鈦元素在硅材料中高濃度非平衡摻雜困難的問題。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，該方法包括：在硅襯底表層蒸鍍鈦薄膜；以及采用超快激光輻照蒸鍍有鈦薄膜的硅材料表層。

上述方案中，所述在硅襯底表層蒸鍍鈦薄膜是采用電阻熱蒸發或電子束熱蒸發實現的。

上述方案中，所述鈦薄膜的厚度介于幾個納米到幾十個納米之間。