一種鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體領域，特別涉及一種鎳摻雜的具有pn結結構的用于紅外探測器的單晶硅材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]紅外探測器分為光子探測器和熱探測器兩種，光子探測器的主要優點是探測靈敏度高，響應速度快，具有較高的響應率，但光子探測器探測波段較窄，一般需要在低溫下工作，需要復雜的制冷設備，不僅使得設備更加笨重而且還會增加成本。雖然單晶Si在當今半導體材料領域占據絕對的霸主地位，但Si材料由于其禁帶寬度的限制，在非制冷紅外探測器領域卻一直都無法與其它半導體材料媲美。通過在Si的禁帶中引入雜質帶是增加Si材料紅外吸收的一種方式。但一般來說在Si材料中引入過多的缺陷態會帶來較高的自由載流子濃度，增加背景噪聲，過大的背景噪聲會淹沒有用的光電信號，降低探測器的探測率，使得器件無法在室溫下正常工作。如果能夠基于單晶硅材料制作出能在室溫下正常工作的紅外探測器，則很有希望與現有成熟的Si工藝相結合，這將會大大降低紅外探測器的成本，具有重要意義。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于克服現有技術之不足，提供一種鎳摻雜的具有pn結結構的單晶娃材料及其制備方法，其中Ni摻雜η型Si中間帶材料既作為紅外光吸收材料，又能與P型Si襯底之間形成pn結。
[0004]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料，包括有依次層疊設置的襯底和紅外吸收層；所述襯底是P型單晶硅(Si)，所述紅外吸收層是鎳(Ni)摻雜的η型硅中間帶(Si:Ni)材料，其中鎳的摻雜濃度是6 X 119CnT3?6X 102°cm_3，所述紅外吸收層與襯底之間形成p-n結。
[0005]優選的，所述襯底是摻硼⑶的P型單晶硅，其中硼的濃度為IXlO12cnT3?
I X 116Cm 3O
[0006]優選的，所述紅外吸收層的厚度為10nm?800nm。
[0007]優選的，所述襯底的厚度是10um?500um。
[0008]優選的，所述p-n結的內建電勢差為所述娃中間帶材料與所述單晶娃之間的費米能級差。
[0009]優選的，上述材料可用于制備臺面結構或平面結構的紅外探測器。
[0010]一種鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料的方法包括以下步驟:
[0011](I)提供一單晶硅片，清洗備用；
[0012](2)于所述單晶硅片一表面上形成一鎳薄膜，其中所述鎳薄膜與所述單晶硅片的厚度比為0.2?8:1000 ；
[0013](3)采用一維線性連續激光對鎳薄膜進行激光輻照；
[0014](4)采用氫氟酸對激光輻照后的表面進行腐蝕，制得的鎳摻雜的硅中間帶(S1:Ni)材料形成紅外吸收層，所述單晶硅片未摻雜鎳的部分形成襯底；
[0015]優選的，所述鎳薄膜是通過磁控濺射或蒸發鍍膜的方式形成于所述單晶硅片表面上。
[0016]優選的，所述激光輸入功率為900-1250W，激光器的掃描速率為2?10mm/S。
[0017]本發明的有益效果是:
[0018]1.通過在單晶Si中實現高濃度Ni摻雜，在單晶硅的禁帶中形成Ni雜質帶，該雜質帶也稱為Si禁帶中的中間帶。中間帶的形成能實現材料對紅外光波段吸收的目的，在1400nm?1750nm波段范圍內探測率超過0.14V/W ；
[0019]2.中間帶的形成使得中間帶材料的費米能級被釘扎在一個位置，中間帶材料的費米能級與Si襯底的費米能級不在同一水平，因此在兩者之間形成pn結，起到分離載流子的作用；
[0020]3.由于Ni在Si中是兩性深能級雜質，通過兩性深能級雜質的自補償效應，降低自由載流子的濃度，抑制了熱噪聲，以本發明的材料為傳感元件，制得的探測器能夠在室溫或者準室溫狀態工作，此外也能對暗電流有效的抑制，從而提尚器件的探測率；
[0021]4.工藝技術簡單，原料易得，成本低廉，可廣泛應用于光纖、通訊、探傷、診斷、跟蹤、導航等醫療、空間、軍事、民用等領域的紅外探測，有很大的應用前景和市場競爭力。
[0022]以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明；但本發明的一種鎳摻雜的具有pn結結構的用于紅外探測器的單晶硅材料及其制備方法不局限于實施例。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明一種鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料的結構示意圖；
[0024]圖2為本發明材料在常溫下的光吸收譜的測試結果示意圖，其中虛線是指一種鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料，實線是指P型單晶硅襯底材料；
[0025]圖3為本發明實施例1的材料在常溫下的光譜響應光電信號測試結果示意圖。
【具體實施方式】
[0026]實施例1
[0027]參考圖1，一種镲摻雜的具有pn結結構的單晶娃材料，包括有襯底I及設置于襯底I 一表面上的紅外吸收層2。襯底I是摻硼的P型單晶硅，厚度是500um，其中B的濃度為lX1012cm_3。紅外吸收層2是鎳摻雜的硅中間帶(N1:Si)材料，厚度是500nm，鎳的摻雜濃度是6 X 1019cnT3。襯底I和紅外吸收層2之間形成pn結。
[0028]制備上述單晶硅材料的方法，包括以下步驟:
[0029](I)提供一單晶硅片，通過標準清洗流程清洗備用；
[0030](2)采用磁控濺射鍍膜的方法于單晶硅片一表面上濺射形成一 300nm厚的鎳薄膜；
[0031](3)采用一維線性連續激光器對鎳薄膜進行激光輻照，激光輸入功率為1000W，激光器的掃描速率為3mm/s ；
[0032](4)采用30wt%的氫氟酸對激光輻照后的表面進行腐蝕，制得的鎳摻雜的硅中間帶(N1:Si)材料形成紅外吸收層2，單晶硅片未摻雜鎳的部分形成襯底I。
[0033]在單晶硅中通過高濃度的鎳摻雜，可以在其禁帶中形成鎳的雜質帶，該雜質帶也稱為硅禁帶中的中間帶，中間帶的形成實現了材料對紅外光波段吸收的目的。參考圖2，本實施例中，鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料相對于襯底，其在紅外光波段的光吸收提高了 2倍以上，適用于紅外探測。以本實施例制得的材料上下平面加上電極，可形成紅外探測器的傳感元件。上下電極按照常規的硅器件工藝制作即可。參考圖3，本實施例所制備的鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料，在常溫下1400nm?1750nm波段范圍內的探測率超過 0.15V/ffo
[0034]實施例2
[0035]參考圖1，一種镲摻雜的具有pn結結構的單晶娃材料，包括有襯底I及設置于襯底I 一表面上的紅外吸收層2。襯底I是摻硼的P型單晶硅，厚度是500um，其中B的濃度為IX 1016cm_3。紅外吸收層2是鎳摻雜的η型硅中間帶(N1:Si)材料，厚度是300nm，鎳的摻雜濃度是6X 102°cnT3。襯底I和紅外吸收層2之間形成pn結。
[0036]本實施例的制備方法同實施例1，在此不加以贅述。
[0037]在常溫下測試該材料的光電響應信號，發現在1400nm?1750nm波段范圍內該材料的光電響應超過0.14V/W。
[0038]上述實施例僅用來進一步說明本發明的一種鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料及其制備方法，但本發明并不局限于實施例，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均落入本發明技術方案的保護范圍內。
【主權項】
1.一種鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料，其特征在于包括有依次層疊設置的襯底和紅外吸收層；所述襯底是P型單晶娃(Si)，所述紅外吸收層是镲(Ni)摻雜的η型娃中間帶(Si:Ni)材料，其中鎳的摻雜濃度是6 X 119CnT3?6X10 2°cm_3，所述紅外吸收層與襯底之間形成p-n結。
2.根據權利要求1所述的鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料，其特征在于:所述襯底是摻硼⑶的P型單晶硅，其中硼的濃度為I X 112CnT3?I X 10 16cnT3。
3.根據權利要求1所述的鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料，其特征在于:所述紅外吸收層的厚度為10nm?800nm。
4.根據權利要求1或3所述的鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料，其特征在于:所述襯底的厚度是10um?500um。
5.根據權利要求1所述的鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料，其特征在于:所述P-n結的內建電勢差為所述硅中間帶材料與所述單晶硅之間的費米能級差。
6.根據權利要求1所述的鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料，其特征在于:用于制備臺面結構或平面結構的紅外探測器。
7.一種制備權利要求1-6任一項所述的鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)提供一單晶硅片，清洗備用； (2)于所述單晶硅片一表面上形成一鎳薄膜，其中所述鎳薄膜與所述單晶硅片的厚度比為 0.2 ?8:1000 ； (3)采用一維線性連續激光對鎳薄膜進行激光輻照； (4)采用氫氟酸對激光輻照后的表面進行腐蝕，制得的鎳摻雜的硅中間帶(S1:Ni)材料形成紅外吸收層，所述單晶硅片未摻雜鎳的部分形成襯底。
8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于:所述鎳薄膜是通過磁控濺射或蒸發鍍膜的方式形成于所述單晶硅片表面上。
9.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于:所述激光輸入功率為900-1250W，激光器的掃描速率為2?10mm/s。
【專利摘要】本發明公開了一種鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料，包括有依次層疊設置的襯底和紅外吸收層；所述襯底是p型單晶硅，所述紅外吸收層是鎳摻雜的n型硅中間帶(Si：Ni)材料，其中鎳的摻雜濃度是6×1019cm-3～6×1020cm-3，所述紅外吸收層與襯底之間形成p-n結。本發明的鎳摻雜的具有pn結結構的單晶硅材料具有較強的紅外吸收能力，在室溫狀態下具有較高的光電探測率，可廣泛應用于光纖通訊、探傷、診斷、跟蹤、導航等醫療、空間、軍事、民用等領域的紅外探測器的制作。本發明還提供了上述材料的制備方法。
【IPC分類】H01L31-18, H01L31-0288
【公開號】CN104638037
【申請號】CN201510080450
【發明人】陳朝, 陳蓉, 范寶殿, 鄭將輝, 蔡麗晗
【申請人】廈門大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月14日