[發(fā)明專利]硫族元素超飽和摻雜硅紅外探測(cè)器及其制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410035355.4
• 申請(qǐng)日: 2014-01-24
• 公開（公告）號(hào): CN103762255A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王科范;彭成曉;劉孔;谷城;曲勝春;王占國
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號(hào): H01L31/0236
• 分類號(hào): H01L31/0236;H01L31/0288;H01L31/0224;H01L31/0352;H01L31/09;H01L31/18
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新型硅基紅外探測(cè)器領(lǐng)域，具體涉及一種硫族元素超飽和摻雜硅紅外探測(cè)器及其制作方法。

背景技術(shù)

普通的晶體硅光電探測(cè)器早已商業(yè)化了，它的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍從200nm到1100nm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)大約在800nm左右。它不能探測(cè)到更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，比如1310nm和1550nm這2個(gè)重要的光纖通訊波長(zhǎng)，是因?yàn)槭覝叵戮w硅的帶隙為1.12eV，對(duì)應(yīng)的光子波長(zhǎng)為1100nm，更長(zhǎng)波長(zhǎng)(或更低能量)的光子不能激發(fā)晶體硅價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶，也就不能產(chǎn)生光電流，因此也就沒有光響應(yīng)了。因此，若想拓展晶體硅光電探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)，首先要對(duì)晶體硅材料進(jìn)行改性，使它可以吸收更長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外光。

1998年哈佛大學(xué)的Eric?Mazur教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)在六氟化硫氣氛中，用飛秒激光掃描硅表面，可以獲得一種后來稱之為黑硅的新型硅材料(Appl.Phys.Lett.73，1673(1998))。這種黑硅材料可以全部吸收波長(zhǎng)從250nm到2500nm范圍內(nèi)的光，并且吸收率都在90％以上(Appl.Phys.Lett.78，1850(2001))。后來的研究表明，黑硅表面布滿了微米級(jí)的尖錐結(jié)構(gòu)，減少反射率的效果非常好；另外，黑硅內(nèi)部硫的摻雜濃度達(dá)到了1020cm^-3，對(duì)應(yīng)的原子百分比大約為1％，這比硫在硅中的飽和溶解度高5個(gè)數(shù)量級(jí)，這些硫原子在硅中以各種形態(tài)存在，它們形成的雜質(zhì)帶填滿了硅的禁帶。這兩方面的原因共同造就了黑硅材料寬光譜、強(qiáng)吸收的優(yōu)異光吸收特性。Mazur教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將黑硅做成了探測(cè)器，他們發(fā)現(xiàn)這種新型探測(cè)器在400nm到1700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都有響應(yīng)，最高響應(yīng)在1060nm波長(zhǎng)，達(dá)到了100A/W，是商用硅探測(cè)器的100倍；它在通訊波長(zhǎng)1330nm和1550nm處的響應(yīng)分別為50mA/W和35mA/W，比商用的硅探測(cè)器高5個(gè)數(shù)量級(jí)，但比商用的鍺和銦鎵砷探測(cè)器小1個(gè)數(shù)量級(jí)(Opt.Lett.30，1773(2005))。黑硅在紅外波段的強(qiáng)吸收與低響應(yīng)之間的巨大反差是由于皮秒激光在刻蝕晶硅表面的時(shí)候形成了大量的晶格缺陷，硫原子在晶硅內(nèi)部也形成大量的缺陷，這些表面和內(nèi)部的晶格缺陷是光生載流子的有效復(fù)合中心，導(dǎo)致光生載流子的壽命短，遷移率低，俄歇復(fù)合嚴(yán)重等，這些原因共同造成了黑硅在紅外波段的低響應(yīng)度。

2006年哈佛大學(xué)另一位教授Michel?Aziz領(lǐng)導(dǎo)的研究小組用離子注入加納秒激光退火的方法，也制備出了硫超飽和摻雜的硅材料。這種硅材料表面平整，內(nèi)部結(jié)晶性也很好，它在可見波長(zhǎng)的吸收為70％，在紅外波長(zhǎng)的吸收為30％左右(Appl.Phys.Lett.88，241902(2006))。表面平整可以保證襯底與金屬電極之間能夠形成良好的接觸；晶格缺陷少可以使光生載流子的壽命變長(zhǎng)，對(duì)電極收集光生載流子有利。用它制成的探測(cè)器不加反向電壓時(shí)，在可見光波段的量子效率比商用硅探測(cè)器小1倍，在紅外光波段的最長(zhǎng)探測(cè)波長(zhǎng)沒有拓展；當(dāng)在這種探測(cè)器上加12V反向偏壓時(shí)，在可見光波段量子效率提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)以上，在紅外光波段的響應(yīng)波長(zhǎng)拓展到了1250nm(Appl.Phys.Lett.99，073503(2011))。這些探測(cè)器的性能并不盡如人意，比如不加電壓時(shí)它的性能還不如商用的硅探測(cè)器，加了12V的反向電壓后它的紅外探測(cè)波長(zhǎng)也只是延伸到了1250nm，這個(gè)響應(yīng)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于材料出現(xiàn)強(qiáng)吸收的波長(zhǎng)(2500nm以上)。出現(xiàn)上述問題的原因，一方面是材料內(nèi)部仍舊遺留有透射電鏡(TEM)難以探測(cè)到的點(diǎn)缺陷(J.Vac.Sci.Technol.B25，1847(2007))，這會(huì)減少光生載流子的壽命和遷移率；另一方面是材料的紅外吸收太低(30％)，這會(huì)導(dǎo)致光生載流子的產(chǎn)額小。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明所要解決的問題是提高硫族元素超飽和摻雜硅紅外探測(cè)器的響應(yīng)度，延長(zhǎng)這種硅紅外探測(cè)器的紅外響應(yīng)波長(zhǎng)。

(二)技術(shù)方案