一種制造寬波段高吸收黑硅材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例公開了一種制造寬波段高吸收黑硅材料的方法，包括：獲取P型重?fù)诫s硅襯底；使用電感耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕法（ICP-RIE）對硅襯底進(jìn)行刻蝕，在硅襯底表面上形成黑硅層；在黑硅層表面沉積鈍化層。本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，采用的是P型重?fù)诫s硅襯底，并且選用ICP-RIE對硅表面進(jìn)行刻蝕，由于ICP刻蝕選擇比高，均勻性好，刻蝕的垂直度和光潔度較高，因此可以獲得更好的截面形貌且污染較少?？涛g之后獲得的黑硅材料再通過原子層沉積(ALD)在黑硅層表面沉積一層Al2O3鈍化層，可以降低反射，減少表面電荷復(fù)合率。
【專利說明】一種制造寬波段高吸收黑硅材料的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光電敏感材料【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種制造寬波段高吸收黑硅材料 的方法。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003] 在半導(dǎo)體行業(yè)中，晶體硅材料由于其資源豐富、易獲取、易提純、易摻雜、耐高溫等 諸多優(yōu)點(diǎn)，在微電子、光伏產(chǎn)業(yè)、通信等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。但同時晶體硅本身也有 其固有的缺陷：首先，晶體硅表面對可見光至紅外光的反射很高，如果晶體硅的表面不做任 何處理，它對可見光至紅外光的反射率在30%以上，對紫外光的反射高達(dá)50%以上；其次，晶 體硅材料禁帶寬度在室溫（300K)下為1. 124電子伏（eV)，這導(dǎo)致它對波長大于1100納米 (nm)的近紅外光的吸收率大大降低。因此在探測這些波段時，需要采用鍺、銦鎵砷等紅外敏 感的材料來替代。但這些材料價格昂貴、熱力學(xué)性能和晶體質(zhì)量較差而且不能與現(xiàn)有的成 熟硅工藝兼容的缺點(diǎn)限制了其在硅基器件方面的應(yīng)用。
[0004] 黑硅材料作為一種對普通晶體硅材料微結(jié)構(gòu)化后得到的新型功能材料，其對近紫 外至近紅外波段（250-2500nm)的光的吸收率比普通晶體硅材料高出很多。由于其超高的 光電導(dǎo)增益，黑硅材料產(chǎn)生的光電流是傳統(tǒng)硅材料的幾百倍，而且由于其與現(xiàn)有成熟的硅 工藝兼容性很好等優(yōu)點(diǎn)，吸引了國內(nèi)外眾多的研究人員進(jìn)行研究。
[0005] 前面提到，普通硅材料的禁帶寬度為1. 124eV。采用濕法(酸法或者堿法）對硅表 面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)處理之后，得到的黑硅材料在可見光區(qū)域到l〇〇〇nm左右都有很高的吸收率， 但是到llOOnm之后的吸收率仍然不是很高。采用單純的反應(yīng)離子刻蝕（RIE)硅材料得到 的黑硅材料吸收率在llOOnm之后的吸收率一樣不是很理想。
[0006] 采用飛秒激光器照射的方法也可以得到黑硅材料，但是這樣獲得的黑硅材料由于 引入了雜質(zhì)離子的摻雜，且對硅表面進(jìn)行了為結(jié)構(gòu)化處理，導(dǎo)致其對近紫外一近紅外光的 吸收率可以達(dá)到90%以上的高吸收率?？梢姡w秒激光照射法制備的黑硅材料不僅吸收波 段范圍寬，而且在整個寬波段都保持這很高的吸收率。但是，飛秒激光器設(shè)備較昂貴，而且 不適合大面積制備黑硅材料。因此，探索更簡易且有效的方法是必要的。
[0007] 黑硅材料是在硅材料基礎(chǔ)上進(jìn)行處理，處理之后得到的黑硅材料，其表面是森林 狀的尖錐、金字塔或者針狀，這使得黑硅具有很大的表面缺陷，而且引入了摻雜之后更是降 低了材料的光電轉(zhuǎn)換性能。
[0008]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的之一是提供一種制造黑硅材料的方法，其中根據(jù)該方法制造的黑硅 材料在寬波段上均具有高的吸收率。
[0010] 本發(fā)明公開的技術(shù)方案包括： 提供了一種制造寬波段高吸收黑硅材料的方法，其特征在于，包括：獲取P型重?fù)诫s硅 襯底；使用電感耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕法對所述硅襯底進(jìn)行刻蝕，在所述硅襯底表 面上形成黑硅層；在所述黑硅層表面沉積鈍化層。
[0011] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述使用電感耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕方法對所述 硅襯底進(jìn)行刻蝕的步驟包括：清洗所述硅襯底；將清洗后的所述硅襯底置于刻蝕腔中，抽 真空至第一壓強(qiáng)，并將溫度保持在第一溫度；向所述刻蝕腔中以第一流量通入六氟化硫氣 體，以第二流量通入氧氣；加射頻對所述硅襯底進(jìn)行刻蝕第一時間。
[0012] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述第一壓強(qiáng)為ΚΓ8至1帕斯卡。
[0013] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述第一溫度為-30至-50攝氏度。
[0014] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述第一流量為500至1200毫升/分鐘。
[0015] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述第二流量為800至2000毫升/分鐘。
[0016] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述第一時間為7至12分鐘。
[0017] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，使用原子層沉積法在所述黑硅層表面沉積鈍化層。
[0018] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述鈍化層為氧化鋁鈍化層、二氧化硅鈍化層或者氮化 娃鈍化層。
[0019] 本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，采用的是P型重?fù)诫s硅襯底，并且選用ICP-RIE對硅表 面進(jìn)行刻蝕，由于ICP刻蝕選擇比高，均勻性好，刻蝕的垂直度和光潔度較高，因此可以獲 得更好的截面形貌且污染較少。刻蝕之后獲得的黑硅材料再通過ALD在黑硅層表面沉積一 層鈍化層A1 203，可以降低反射，減少表面電荷復(fù)合率。
[0020]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明一個實(shí)施例的制造寬波段高吸收黑硅材料的方法的流程示意圖。
[0022] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的方法制造的黑硅材料的截面示意圖。
[0023] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的方法制造的黑硅材料的橫截面掃描電子顯微 鏡圖。
[0024] 圖4是本發(fā)明一個實(shí)施例的在黑硅表面沉積鈍化層之后的黑硅材料的截面示意 圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例的制造寬波段高吸收黑硅材料的方法 的具體步驟。
[0026] 圖1是本發(fā)明一個實(shí)施例的制造寬波段高吸收黑硅材料的方法的流程示意圖，下 面詳細(xì)說明圖1中的各個步驟。
[0027] 如圖1所示，在步驟10中，首先獲取P型重?fù)诫s硅襯底。
[0028] 本發(fā)明的實(shí)施例中，黑硅材料是基于重?fù)诫s硅襯底制備的，因此，首先在步驟10 中獲取重?fù)诫s娃襯底材料。一個實(shí)施例中，該重?fù)诫s娃襯底材料可以為P型重?fù)诫s娃襯底 材料。這里，P型重?fù)诫s硅襯底材料是空穴導(dǎo)電的硅材料，例如，其可以是其中摻雜了硼的 硅材料，也可以是摻雜其他元素的P型硅。
[0029] 然后，在步驟12中，用電感耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕法（ICP-RIE)對該P(yáng)型 重?fù)诫s硅襯底進(jìn)行刻蝕，從而在該P(yáng)型重?fù)诫s硅襯底表面上形成黑硅層。
[0030] 一個實(shí)施例中，用電感耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕法（ICP-RIE)對該P(yáng)型重?fù)?雜硅襯底進(jìn)行刻蝕的步驟可以進(jìn)一步包括下述步驟： 清洗該P(yáng)型重?fù)诫s硅襯底； 將清洗后的所述硅襯底置于刻蝕腔中，抽真空至第一壓強(qiáng)，并將溫度保持在第一溫 度； 向所述刻蝕腔中以第一流量通入六氟化硫氣體，以第二流量通入氧氣； 加射頻對所述硅襯底進(jìn)行刻蝕第一時間。
[0031] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，前述的第一壓強(qiáng)可以為ΚΓ8至1帕斯卡（Pa)。
[0032] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，前述的第一溫度可以為-30至-50攝氏度。
[0033] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，前述的第一流量可以為500至1200毫升/分鐘（ml/ min)。
[0034] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，前述的第二流量可以為800至2000毫升/分鐘（ml/ min)。
[0035] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，前述的第一時間可以為7至12分鐘（min)。
[0036] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，清洗該P(yáng)型重?fù)诫s硅襯底的步驟可以包括：將所述P型重 摻雜硅襯底依次通過三氯乙烯、丙酮、乙醇和去離子水進(jìn)行超聲清洗。
[0037] 例如，本發(fā)明的一個實(shí)施例中，用電感耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕法（ICP-RIE) 對該P(yáng)型重?fù)诫s硅襯底進(jìn)行刻蝕的步驟的一個具體實(shí)例如下： 將P型重?fù)诫s硅襯底依次通過三氯乙烯、丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗干凈； 然后，將洗干凈的P型重?fù)诫s硅襯底放入刻蝕腔中，抽真空至壓強(qiáng)范圍1〇_8?IPa，對 硅襯底降溫并一直保持在_40°C，然后以500?1200ml/min的流量通入SF6氣體，以800? 2000ml/min通入0 2，等腔體內(nèi)的壓力穩(wěn)定后，加射頻刻蝕7?12min，之后停止通入氣體，再 次抽真空至1〇_8?IPa，然后通入氮?dú)庵?個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，之后打開腔室，把P型重?fù)诫s硅 襯底取出。
[0038] 這樣，可以得到高度從300納米（nm)?5000nm、間距從200nm?500nm的尖錐或 者針狀結(jié)構(gòu)層，該結(jié)構(gòu)層即為黑硅層。如圖2至圖3所示，其中圖2為獲得的黑硅材料（P 型重?fù)诫s硅襯底及其上的黑硅層)的截面示意圖，圖3為黑硅材料的橫截面掃描電子顯微鏡 (SEM)圖。圖2中，1為硅襯底，2為黑硅層。
[0039] 然后，在步驟14中，在該黑硅層上沉積形成鈍化層。
[0040] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，該鈍化層可以是氧化鋁（A1203)鈍化層。本發(fā)明的其他的 實(shí)施例中，該鈍化層也可以是二氧化硅鈍化層或者氮化硅鈍化層。
[0041] 本發(fā)明的一個實(shí)施例中，可以使用原子層沉積（ALD)法在黑硅層上沉積形成鈍化 層。
[0042] 圖4示出了本發(fā)明一個實(shí)施例的沉積了鈍化層的黑硅材料的截面示意圖，其中1 為硅襯底，2為黑硅層，3為鈍化層。
[0043] 例如，本發(fā)明的一個實(shí)施例中，使用原子層沉積法在黑硅層上沉積形成氧化鋁鈍 化層的具體過程如下： 首先，給ALD沉積室和承載室抽真空至0. 02托（Torr)以下； 然后，轉(zhuǎn)動拉出樣品桿，將上述刻蝕過后的P型重?fù)诫s硅襯底放入樣品臺，之后給 loadlock抽真空，抽完之后打開ALD沉積室腔門，推送樣品桿送入樣品臺，之后繼續(xù)抽真空 10?20分鐘（min)，同時上對ALD的具體運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，例如，載體氣體（Carrier gas) 設(shè)置為6至10標(biāo)況毫升每分鐘（seem),晶片加熱器（wafer heater)為150至300°C，腔壁加 熱器（CW heater)為50至80°C，前驅(qū)體進(jìn)入反應(yīng)室的管道溫度（Prcomp)設(shè)置為50至80°C， 循環(huán)次數(shù)（cycle)為200?400 ;前驅(qū)體TMA (trimethylaluminum)相關(guān)時間參數(shù)設(shè)置為： 沖劑量時間（Dose time)=0. 5秒（s)?5s，反應(yīng)時間（Reaction time)= 10?20 s，凈化時間 (Purge time)= 5 ?20s ;氧氣相關(guān)時間參數(shù)設(shè)置為：Dose time=0. 3s ?3s, Reaction time= 10?20 s，Purge time= 15?25s。參數(shù)設(shè)置完成之后，打開前驅(qū)體瓶和氧氣源閥，開始原 子層沉積。
[0044] 最后，待ALD運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束之后，關(guān)閉前驅(qū)體瓶和氧氣源閥，轉(zhuǎn)動拉出樣品桿，將沉積 了 A1203的P型重?fù)诫s硅襯底拿出。
[0045] 這樣，即獲得了表面被修飾鈍化了的黑硅材料。
[0046] 本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，采用的是P型重?fù)诫s硅襯底，并且選用ICP-RIE對硅表 面進(jìn)行刻蝕，由于ICP刻蝕選擇比高，均勻性好，刻蝕的垂直度和光潔度較高，因此可以獲 得更好的截面形貌且污染較少?？涛g之后獲得的黑硅材料再通過ALD在黑硅層表面沉積一 層A1 203，可以降低反射，減少表面電荷復(fù)合率。
[0047] 經(jīng)過測試，通過步驟12刻蝕之后得到的黑硅材料，在250-25000nm整個波段的光 吸收率高于95% ;經(jīng)過ALD沉積AL203之后的黑硅材料在250- 25000nm整個波段的光吸收 率則高于98%，可見根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法制造的黑硅材料在寬波段上具有相當(dāng)高的 吸收率，而且本發(fā)明實(shí)施例的方法操作簡便，成本可控。
[0048] 以上通過具體的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限于這些具體的實(shí)施 例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，還可以對本發(fā)明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換 只要未背離本發(fā)明的精神，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外，以上多處所述的"一個實(shí) 施例"表示不同的實(shí)施例，當(dāng)然也可以將其全部或部分結(jié)合在一個實(shí)施例中。
【權(quán)利要求】
1. 一種制造寬波段高吸收黑硅材料的方法，其特征在于，包括： 獲取p型重?fù)诫s硅襯底； 使用電感耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕法對所述硅襯底進(jìn)行刻蝕，在所述硅襯底表面 上形成黑硅層； 在所述黑硅層表面沉積鈍化層。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用電感耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕 方法對所述硅襯底進(jìn)行刻蝕的步驟包括： 清洗所述硅襯底； 將清洗后的所述硅襯底置于刻蝕腔中，抽真空至第一壓強(qiáng)，并將溫度保持在第一溫 度； 向所述刻蝕腔中以第一流量通入六氟化硫氣體，以第二流量通入氧氣； 加射頻對所述硅襯底進(jìn)行刻蝕第一時間。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于：所述第一壓強(qiáng)為ΚΓ8至1帕斯卡。
4. 如權(quán)利要求2或者3所述的方法，其特征在于：所述第一溫度為-30至-50攝氏度。
5. 如權(quán)利要求2或者3所述的方法，其特征在于：所述第一流量為500至1200毫升/ 分鐘。
6. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于：所述第二流量為800至2000毫升/分鐘。
7. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于：所述第一時間為7至12分鐘。
8. 如權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于：使用原子層沉積法在所述 黑娃層表面沉積鈍化層。
9. 如權(quán)利要求1或者8所述的方法，其特征在于：所述鈍化層為氧化鋁鈍化層、二氧化 硅鈍化層或者氮化硅鈍化層。
【文檔編號】H01L31/0236GK104064627SQ201410296521
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】李世彬, 王健波, 余宏萍, 張鵬, 吳志明 申請人:電子科技大學(xué)