[發明專利]一種具有橫向結硅基光電探測器的制備方法

在審

• 申請號: 202010945696.0
• 申請日: 2020-09-10
• 公開（公告）號: CN112054086A
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 吳強;黃松;進曉榮;劉瑤瑤;宋冠廷;周旭;張春玲;姚江宏;許京軍
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/18;H01L31/0352
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本發明涉及一種橫向結硅基光電探測器的制備方法，通過脈沖激光制備出的黑硅表面與未加工硅區域之間的載流子導電類型或濃度差異形成橫向pn結或異質結，并經由后繼退火，鈍化，光刻，電極制備等工藝，可形成具有橫向結的黑硅光電探測器。該橫向結硅基光電探測器在反偏電壓下，可高效吸收光子產生電子?空穴對，并在外電場作用下沿橫向遷移，最終形成橫向光電流，從而實現光信號探測。本發明具有工藝簡單，原材料易獲取，易操控，與現有半導體器件工藝兼容等優點，本發明所制備的橫向結硅基光電探測器與傳統縱向結構探測器相比，一方面有效抑制了暗電流，提高了器件的探測率，另一方面精簡了器件的制備流程，更利于器件的制備與集成。

技術領域

本發明涉及硅基光電器件領域，具體涉及一種光電探測器的制備方法，其為一種具有較低暗電流的橫向結硅基光電探測器。

背景技術

近幾十年來，隨著半導體工藝的快速發展，具有各種功能的半導體器件不斷改善著人們的生活，并對于下一代產業革命(如人工智能，萬物互聯，無人駕駛等)具有巨大潛力。作為最常見且最重要的半導體材料，硅材料具有含量豐富、價格低廉、純度高和缺陷少等優點。迄今為止，硅在微電子領域已經發揮出巨大潛能，不斷突破摩爾定律的極限，推進著半導體技術的革新與發展。然而，在光電子領域，由于受到1.12eV的能帶寬度的限制，以及單晶硅表面較高的反射率，抑制了硅的吸收率，尤其是紅外波段的吸收，這極大地限制了硅光子學的發展。

不同元素的摻雜是提高半導體材料光電特性的重要方法，是光電探測器、太陽能電池等領域常見的改性手段。然而由于固體固溶度的限制，傳統的熱擴散工藝很難實現摻雜元素的過飽和摻雜，隨著半導體工藝的發展，離子注入和超快脈沖激光過飽和摻雜可以實現超越固溶度的過飽和摻雜。特別的，通過超快脈沖激光改性后，在晶體硅表面能同時形成微錐結構和過飽和摻雜層，可以實現光電探測器廣譜高響應的特性，然而這一改性過程又將不可避免地引入大量的雜質和晶格缺陷，對器件的暗電流、信噪比造成不利影響，這極大的降低了半導體器件的性能，限制了器件的應用范圍。

發明內容

為了解決上述問題，本發明人經過長期試驗和研究，提出一種橫向結硅基光電探測器制備方法。一方面改進了傳統硅基光電探測器高暗電流、低信噪比的不足，另一方面也彌補了過飽和摻雜后硅基材料難以與現有CMOS兼容的缺點。

依據本發明的技術方案，提供一種橫向結硅基光電探測器的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：，選取半導體單晶硅片，進行預處理，包括但不限于切片、RCA清洗、在硅表面預涂含有摻雜元素的薄膜；

步驟2：選取處理后單晶硅材料，通過超快脈沖激光在特定氣氛中輻照其表面特定區域，制備過飽和摻雜層，即獲得黑硅表面；

步驟3：對制備好的黑硅材料進行退火處理，激活過飽和摻雜黑硅層中的雜質原子，并修復晶格，去除結構缺陷；

步驟4：在黑硅和硅表面不需要電極接觸的區域鍍上鈍化層，以保護探測器表面，以及隔絕空氣污染和氧化；

步驟5：在硅和黑硅區域分別鍍上接觸電極；至此完成橫向結硅基光電探測器的制備；

其中所述的橫向結硅基光電探測器在-5V偏壓下的的暗電流可降至783nA，遠小于傳統垂直結構的黑硅光電探測器；同時，器件的響應波段為500nm-1400nm，在-5V偏壓下的峰值響應度為3.23A/W，其中峰值波長出現在1080nm附近。其中各數學符號的具體含義為：nm：納米，V：伏特，A/W：安培/瓦特，nA：納安培。

進一步地，步驟1中所述單晶硅襯底既可以是n型也可以是p型，厚度為5μm-500μm(微米)，半導體晶片的晶向、電阻率和大小不限；單晶硅襯底表面平整，表面平整度即材料表面最高點和最低點的差值小于或等于10μm。