光電子器件、半導體基板及其制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種光電子器件、半導體基板及其制作方法，該半導體基板包括硅襯底以及位于所述硅襯底第一表面的金屬層，所述硅襯底的第一表面具有多個凹槽，所述金屬層覆蓋所述凹槽之間的區域以及所述凹槽的底面和側壁。本發明中的凹槽及其表面的金屬層可以看作U型波導，該U型波導存在多種模式的表面等離子激元激發，這些多種模式的表面等離子激元激發可以拓寬半導體基板的吸收帶，使硅基光電子器件及硅基光電探測器得到更廣泛的應用。
【專利說明】
光電子器件、半導體基板及其制作方法
技術領域
[0001]本發明涉及光電技術領域，更具體地說，涉及一種光電子器件、半導體基板及其制作方法。
【背景技術】
[0002]光電探測器是一種把光輻射能量轉換為電能的光電子器件，其在軍事和國民經濟的各個領域都有著廣泛的用途。例如，響應范圍在可見光或近紅外光波段的光電探測器可用于射線測量和探測、工業自動控制和光度計量等；響應范圍在紅外波段的光電探測器可用于導彈制導、紅外熱成像和紅外遙感等。
[0003]雖然現有的光電探測器大多采用硅材料作為基底制作而成，但是，由于硅材料的禁帶寬度較寬，因此，會導致光電探測器的探測波段主要集中于可見光波段，嚴重制約了其在近紅外波段的應用。雖然采用鍺以及砷化鎵銦等材料作為基底制作的光電探測器的探測波段在近紅外波段，但是，這種光電探測器的制作工藝復雜、價格昂貴、穩定性差。因此，如何將硅材料的吸收帶擴展至近紅外波段，以便將硅基光電探測器的探測波段擴展至近紅外波段，是目前最熱門的研究話題之一。
[0004]基于此，一種利用表面金屬微結構來拓展硅材料吸收帶的方法逐漸興起。該方法通過在硅表面形成一層金屬來使得光電探測器的響應范圍不再受制于硅的禁帶寬度，而是受制于硅和金屬交界面處的肖特基勢皇。當入射光照射到金屬微結構上時，該金屬微結構會激發出表面等離子體激元(SPP)，這些表面等離子體激元在非輻射衰退過程中形成的熱電子會通過金屬與硅交界處的肖特基勢皇形成光電流，從而可以實現硅基光電探測器的近紅外響應。
[0005 ]但是，現有的娃基光電探測器中的表面金屬微結構只有單一模式的表面等離子體激元的激發，因此，其吸收帶較窄，會影響硅基光電探測器的廣泛應用。
【發明內容】
[0006]有鑒于此，本發明提供了一種光電子器件、半導體基板及其制作方法，以解決現有的硅基光電探測器吸收帶較窄而影響硅基光電探測器廣泛應用的問題。
[0007]為實現上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0008]—種半導體基板，包括:
[0009]硅襯底，所述硅襯底的第一表面具有多個凹槽；
[0010]位于所述硅襯底第一表面的金屬層，所述金屬層覆蓋所述凹槽之間的區域以及所述凹槽的底面和側壁。
[0011]優選的，所述凹槽為圓形凹槽或方形凹槽;所述多個凹槽呈周期性排列。
[0012]優選的，所述圓形凹槽的直徑范圍為0.7微米?I微米。
[0013]優選的，所述凹槽中心之間的間距范圍為1.2微米?1.4微米；
[0014]所述凹槽的深度范圍為1.2微米?1.8微米。
[0015]優選的，所述凹槽之間區域的金屬層和所述凹槽底面的金屬層的厚度范圍為25納米?35納米；
[0016]所述凹槽側壁的金屬層的厚度范圍為10納米?20納米。
[0017]優選的，所述金屬層的材質為金或銀。
[0018]一種光電子器件，包括:
[0019]半導體基板，所述硅基板為如上任一項所述的半導體基板；
[0020]位于所述硅襯底第二表面的P型摻雜區或N型摻雜區；
[0021]位于所述硅襯底第二表面的電極，所述電極與所述P型摻雜區或N型摻雜區相接，且所述第二表面為與所述第一表面對稱的表面。
[0022]—種半導體基板的制作方法，應用于如上任一項所述的半導體基板，所述制作方法包括:
[0023]提供硅襯底；
[0024]在所述硅襯底的第一表面形成多個凹槽；
[0025]在所述硅襯底的第一表面上形成覆蓋所述凹槽之間的區域以及所述凹槽的底面和側壁的金屬層。
[0026]優選的，在所述硅襯底的第一表面形成多個凹槽的過程包括:
[0027]在所述硅襯底的第一表面形成光刻膠層，對所述光刻膠層進行曝光顯影，以形成覆蓋預設凹槽的區域的多個光刻膠圖案；
[0028]以所述光刻膠層圖案為掩膜，形成覆蓋預設凹槽的區域之間區域的金屬掩膜；
[0029]去除所述硅襯底第一表面上的光刻膠層；
[0030]以所述金屬掩膜為掩膜，在所述硅襯底第一表面預設凹槽的區域刻蝕出多個凹槽。
[0031]優選的，在所述硅襯底第一表面上形成覆蓋所述凹槽之間的區域以及所述凹槽的底面和側壁的金屬層的過程包括:
[0032]去除所述娃襯底第一表面的金屬掩膜；
[0033]在所述硅襯底的第一表面形成金屬層，并使所述金屬層覆蓋所述凹槽之間的區域以及所述凹槽的底面和側壁。
[0034]與現有技術相比，本發明所提供的技術方案具有以下優點:
[0035]本發明所提供的光電子器件、半導體基板及其制作方法，硅襯底表面的凹槽及其表面的金屬層可以看作U型波導，該U型波導存在多種模式的表面等離子激元激發。其中，當入射光的能量只集中在凹槽之間區域時，對應的是基模激發模式；當入射光的能量除集中在凹槽之間區域之外，還集中在凹槽側壁附近的區域時，對應的是高階的激發模式。雖然單一的激發模式只能導致一個較窄的吸收帶，但是，如果多種模式的吸收帶在光譜上的距離夠近的話，就能夠連成一個較寬的吸收帶，從而可以拓寬半導體基板的吸收帶，使硅基光電子器件及硅基光電探測器得到更廣泛的應用。
【附圖說明】
[0036]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
[0037]圖1為本發明實施例提供的半導體基板的剖面結構示意圖；
[0038]圖2為本發明實施例提供的半導體基板的俯視圖；
[0039]圖3為本發明實施例提供的半導體基板的吸收曲線圖；
[0040]圖4為本發明實施例提供的半導體基板的制作方法流程圖；
[0041]圖5為本發明實施例提供的光電子器件的剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0042]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0043]本發明實施例提供了一種半導體基板，如圖1所示，該半導體基板包括硅襯底I和位于硅襯底I第一表面的金屬層2，該硅襯底I的第一表面具有多個凹槽10，如圖2所示，這些凹槽10優選呈周期性排列，當然，本發明并不僅限于此。
[0044]其中，硅襯底I可以是N型硅，也可以是P型硅。本實施例中的金屬層2不僅覆蓋凹槽10之間的區域101，而且，覆蓋凹槽10的底面102和側壁103，需要說明的是，金屬層2并未填滿凹槽10，凹槽10內的金屬層2的上表面低于凹槽10的頂面。
[0045]本實施例中，僅以凹槽10為圓形凹槽為例進行說明，在其他實施例中，凹槽10還可以為方形凹槽，當然，本發明并不僅限于此，在其他實施例中，只要凹槽10的切面為U形或類似U型的結構即可，這是因為切面為U型的凹槽10及其表面的金屬層2可以看作U型波導。
[0046]當入射光照射到金屬層2表面時，在凹槽10表面的金屬層2內會形成高度局域化的能量分布，這是表面等離子激元的特點。這些能量分布會使金屬層2中產生表面等離子體激元，而在表面等離子體激元的傳播過程中，會無輻射衰減產生熱電子，這些熱電子會跨過硅襯底I和金屬層2之間的肖特基勢皇進入硅襯底I形成光電流。
[0047]本發明實施例中，凹槽10及其表面的金屬層2構成的U型波導中存在多種模式的表面等離子激元的激發。其中，當入射光的波長較大時，入射光的能量只集中在凹槽10之間區域，此時，對應的是基模激發模式;隨著入射光波長的減小，入射光的能量除集中在凹槽10之間區域之外，還集中在凹槽10側壁附近的區域，此時，對應的是高階的激發模式。雖然單一的激發模式只能導致一個較窄的吸收帶，但是，如果多種模式的吸收帶在光譜上的距離夠近的話，就能夠連成一個較寬的吸收帶，從而可以拓寬半導體基板的吸收帶，使硅基光電子器件及硅基光電探測器得到更廣泛的應用。基于此，本實施例提供的半導體基板的吸收曲線如圖3所示，由圖3可知，本實施例中的半導體基板的吸收帶包括近紅外波段(1150微米-1400微米)。
[0048]本發明實施例中凹槽10內側壁103覆蓋的金屬層2是實現近紅外波段高吸收的基礎。如果沒有凹槽10底面102或凹槽10之間區域101的金屬層2，整個半導體基板的吸收率可能會略有下降，但是，如果沒有凹槽10側壁103的金屬層，那么，整個半導體基板在近紅外波段的吸收則幾乎為零，這是由表面等離子激元的作用機理決定的。
[0049]在本發明的一個【具體實施方式】中，如圖1和圖2所示，呈周期排列的凹槽10中心之間的間距LI范圍為1.2微米?1.4微米，優選為1.2微米;相鄰凹槽10臨近邊緣之間的間距L2的范圍為0.3微米?0.5微米，優選為0.4微米;凹槽10的深度H范圍為1.2微米?1.8微米，優選為1.2微米；當凹槽10為圓形凹槽時，該圓形凹槽的直徑D范圍為0.7微米?I微米，優選為
0.8微米。
[0050]本發明實施例中凹槽10在近紅外波段的吸收率隨著凹槽深度的增加而增加，但是，當凹槽深度達到1.2微米以后吸收率就趨于飽和，不再明顯變化，因此，本實施例中的凹槽10的深度優選為1.2微米，以使半導體基板在近紅外波段(1150微米-1400微米)的平均吸收率在75 %左右，峰值在80 %以上。
[0051]進一步地，位于凹槽10之間區域的金屬層和位于凹槽10底面上的金屬層的厚度范圍為25納米?35納米，優選為30納米;位于凹槽10側壁上的金屬層的厚度范圍為10納米?20納米，優選為15納米。雖然位于凹槽10之間區域的金屬層和位于凹槽底面上的金屬層與位于凹槽10側壁上的金屬層是采用同一工藝同時形成的，但是，由于薄膜在水平方向和豎直方向的生長速度不同，因此，會使得凹槽10之間區域的金屬層和凹槽10底面上的金屬層與凹槽1側壁上的金屬層的厚度不同。
[0052]此外，還需要說明的是，本實施例中的金屬層2的材質為金，當然，本發明并不僅限于此，在其他實施例中，金屬層2的材質還可以是銀或銅等。
[0053]本實施例所提供的半導體基板，凹槽及其表面的金屬層可以看作U型波導，該U型波導存在多種模式的表面等離子激元激發。其中，當入射光的能量只集中在凹槽之間的區域時，對應的是基模激發模式；當入射光的能量除集中在凹槽10之間區域之外，還集中在凹槽10側壁附近的區域時，對應的是高階的激發模式。雖然單一的激發模式只能導致一個較窄的吸收帶，但是，如果多種模式的吸收帶在光譜上的距離夠近的話，就能夠連成一個較寬的吸收帶，從而可以拓寬半導體基板的吸收帶，使硅基光電子器件及硅基光電探測器得到更廣泛的應用。
[0054]本發明實施例還提供了一種半導體基板的制作方法，應用于上述實施例提供的半導體基板，如圖4所示，該制作方法包括:
[0055]S401:提供硅襯底；
[0056]本實施例中的硅襯底可以是N型硅，也可以是P型硅。
[0057]S402:在所述硅襯底的第一表面形成多個凹槽；
[0058]其中，在硅襯底的第一表面形成多個凹槽的過程包括:
[0059]在硅襯底的第一表面形成光刻膠層，對光刻膠層進行曝光顯影，以形成覆蓋預設凹槽的區域的多個光刻膠圖案；
[0060]以光刻膠層圖案為掩膜，形成覆蓋預設凹槽的區域之間區域的金屬掩膜；
[0061 ]去除硅襯底第一表面上的光刻膠層；
[0062]以金屬掩膜為掩膜，在硅襯底第一表面預設凹槽的區域刻蝕出多個凹槽。
[0063]具體地，在硅襯底的第一表面形成多個凹槽的過程為:
[0064]首先，用乙醇等將硅襯底即硅片樣品表面清洗干凈并用去離子水沖洗干凈，烘干后在硅片樣品表面均勻旋涂一層光刻膠，光刻膠的厚度為I微米至1.2微米。
[0065]然后，將涂好光刻膠的硅片樣品放入激光直寫設備中，以便將圖案轉移到膠上，其中，光刻膠的曝光區域為柵網狀的圓形間隔即圖2中的白色區域。可選的，每個圓形凹槽的直徑為0.8微米，間隔L2為0.4微米。曝光之后再進行化學清洗，在曝光過程中曝光部分的光刻膠化學性質會發生變化，清洗的時候會被洗掉，而沒有曝光的部分則會留在硅片樣品的表面。這樣清洗過后光刻膠剩下的部分就是周期性的圓形陣列即圖2中的黑色區域。
[0066]之后，將硅片樣品置于鍍膜機中，加鍍一金屬掩膜如鉻掩膜，該鉻掩膜的膜厚在
0.7微米-0.8微米之間。這樣鉻掩膜就會填滿柵網狀的圓形間隔即圖2中的白色區域。然后用丙酮對硅片樣品進行清洗，洗掉圓形陣列即圖2中黑色區域的光刻膠，這樣最后就剩下了柵網狀的鉻掩膜。
[0067]本實施例中，之所以在曝光時選擇曝光圓形陣列而不是曝光圓形之間的柵網狀間隔，是因為我們需要刻蝕的槽的深度較大，刻蝕時間較長，直接用光刻膠作掩膜可能無法滿足長時間的刻蝕需要，而鉻掩膜相對較硬，能滿足長時間的刻蝕需要，因此，本實施例中，以鉻掩膜作為掩膜進行凹槽的刻蝕。
[0068]最后，在鉻掩膜制備完畢后進行離子束刻蝕形成多個凹槽，每個凹槽的刻蝕深度優選為1.2微米。刻蝕過程盡量保證凹槽的側壁為垂直狀態，這是因為側壁的傾斜角越大，對樣品的近紅外波段吸收乃至光電響應的提取的影響就會越大。
[0069]S403:在所述硅襯底的第一表面上形成覆蓋所述凹槽之間的區域以及所述凹槽的底面和側壁的金屬層。
[0070]其中，在硅襯底第一表面上形成覆蓋凹槽之間的區域以及凹槽的底面和側壁的金屬層的過程包括:
[0071]去除硅襯底第一表面的金屬掩膜；
[0072]在硅襯底的第一表面形成金屬層，并使金屬層覆蓋凹槽之間的區域以及凹槽的底面和側壁。
[0073]具體地，刻蝕凹槽完畢后，去除硅襯底第一表面的金屬掩膜，并將硅片樣品置于鍍膜機內，在表面整體鍍一層金屬膜即金膜，即可得到凹槽之間的區域以及凹槽的底面和側壁覆蓋有金屬層的半導體基板，即得到圖1和圖2所示的半導體基板。
[0074]本實施例所提供的半導體基板的制作方法，在硅襯底上形成凹槽，并在凹槽表面形成金屬層，凹槽及其表面的金屬層可以看作U型波導，該U型波導存在多種模式的表面等離子激元激發。其中，當入射光的能量只集中在凹槽之間的區域時，對應的是基模激發模式；當入射光的能量除集中在凹槽之間區域之外，還集中在凹槽側壁附近的區域時，對應的是高階的激發模式。雖然單一的激發模式只能導致一個較窄的吸收帶，但是，如果多種模式的吸收帶在光譜上的距離夠近的話，就能夠連成一個較寬的吸收帶，從而可以拓寬半導體基板的吸收帶，使硅基光電子器件及硅基光電探測器得到更廣泛的應用。
[0075]本發明的實施例還提供了一種光電子器件，具體地，該光電子器件為光電探測器，當然，本發明并不僅限于此。
[0076]如圖5所示，該光電子器件包括:
[0077]半導體基板，該半導體基板為上述實施例提供的半導體基板；
[0078]位于半導體基板中硅襯底I第二表面的P型摻雜區或N型摻雜區11;
[0079]位于硅襯底I第二表面的電極3，該電極3與P型摻雜區或N型摻雜區11相接，且第二表面為與第一表面對稱的表面。
[0080]其中，半導體基板包括娃襯底I和位于娃襯底I第一表面的金屬層2，該娃襯底I的第一表面具有多個凹槽10;當硅襯底I為N型硅時，其第二表面的摻雜區11為P型摻雜區；當硅襯底I為P型硅時，其第二表面的摻雜區11為N型摻雜區，以便在硅襯底I中形成進行光電效應的PN結。需要說明的是，P型摻雜區是通過在硅襯底I中摻入三價雜質元素如硼或鎵形成的，N型摻雜區是通過在硅襯底I中摻入五價雜質元素如磷或砷形成的。
[0081]本發明實施例中的金屬層2除了產生表面等離子體激元以實現在近紅外波段的高吸收外，還可以用來作為電極。金屬層2與電極3可以作為提取光電流的正負電極。當然，本發明并不僅限于此，在其他實施例中，還可以在金屬層2的表面制作其他電極，該電極與金屬層2共同作為正電極或負電極。
[0082]本實施例所提供的光電子器件，半導體基板上的凹槽及其表面的金屬層可以看作U型波導，該U型波導存在多種模式的表面等離子激元激發。其中，當入射光的能量只集中在凹槽之間的區域時，對應的是基模激發模式；當入射光的能量除集中在凹槽之間區域之外，還集中在凹槽側壁附近的區域時，對應的是高階的激發模式。雖然單一的激發模式只能導致一個較窄的吸收帶，但是，如果多種模式的吸收帶在光譜上的距離夠近的話，就能夠連成一個較寬的吸收帶，從而可以拓寬半導體基板的吸收帶，使硅基光電子器件及硅基光電探測器得到更廣泛的應用。
[0083]本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的裝置而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。
[0084]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【主權項】
1.一種半導體基板，其特征在于，包括: 硅襯底，所述硅襯底的第一表面具有多個凹槽； 位于所述硅襯底第一表面的金屬層，所述金屬層覆蓋所述凹槽之間的區域以及所述凹槽的底面和側壁。2.根據權利要求1所述的半導體基板，其特征在于，所述凹槽為圓形凹槽或方形凹槽；所述多個凹槽呈周期性排列。3.根據權利要求2所述的半導體基板，其特征在于，所述圓形凹槽的直徑范圍為0.7微米?I微米。4.根據權利要求1?3任一項所述的半導體基板，其特征在于，所述凹槽中心之間的間距范圍為1.2微米?1.4微米； 所述凹槽的深度范圍為1.2微米?1.8微米。5.根據權利要求1所述的半導體基板，其特征在于，所述凹槽之間區域的金屬層和所述凹槽底面的金屬層的厚度范圍為25納米?35納米； 所述凹槽側壁的金屬層的厚度范圍為10納米?20納米。6.根據權利要求1所述的半導體基板，其特征在于，所述金屬層的材質為金或銀。7.一種光電子器件，其特征在于，包括: 半導體基板，所述硅基板為權利要求1?6任一項所述的半導體基板； 位于所述硅襯底第二表面的P型摻雜區或N型摻雜區； 位于所述硅襯底第二表面的電極，所述電極與所述P型摻雜區或N型摻雜區相接，且所述第二表面為與所述第一表面對稱的表面。8.—種半導體基板的制作方法，其特征在于，應用于制作權利要求1?6任一項所述的半導體基板，所述制作方法包括: 提供娃襯底； 在所述硅襯底的第一表面形成多個凹槽； 在所述硅襯底的第一表面上形成覆蓋所述凹槽之間的區域以及所述凹槽的底面和側壁的金屬層。9.根據權利要求8所述的制作方法，其特征在于，在所述硅襯底的第一表面形成多個凹槽的過程包括: 在所述硅襯底的第一表面形成光刻膠層，對所述光刻膠層進行曝光顯影，以形成覆蓋預設凹槽的區域的多個光刻膠圖案； 以所述光刻膠層圖案為掩膜，形成覆蓋預設凹槽的區域之間區域的金屬掩膜； 去除所述硅襯底第一表面上的光刻膠層； 以所述金屬掩膜為掩膜，在所述硅襯底第一表面預設凹槽的區域刻蝕出多個凹槽。10.根據權利要求9所述的制作方法，其特征在于，在所述硅襯底第一表面上形成覆蓋所述凹槽之間的區域以及所述凹槽的底面和側壁的金屬層的過程包括: 去除所述硅襯底第一表面的金屬掩膜； 在所述硅襯底的第一表面形成金屬層，并使所述金屬層覆蓋所述凹槽之間的區域以及所述凹槽的底面和側壁。
【文檔編號】H01L31/18GK106098817SQ201610472916
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】高勁松, 劉小翼, 楊海貴, 李強, 王延超, 李資政, 王笑夷
【申請人】中國科學院長春光學精密機械與物理研究所