[发明专利]硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于新型硅基红外探测器领域，具体涉及一种硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器及其制作方法。

背景技术

普通的晶体硅光电探测器早已商业化了，它的响应波长范围从200nm到1100nm，峰值响应波长大约在800nm左右。它不能探测到更长波长的光，比如1310nm和1550nm这2个重要的光纤通讯波长，是因为室温下晶体硅的带隙为1.12eV，对应的光子波长为1100nm，更长波长(或更低能量)的光子不能激发晶体硅价带的电子跃迁到导带，也就不能产生光电流，因此也就没有光响应了。因此，若想拓展晶体硅光电探测器的响应波长，首先要对晶体硅材料进行改性，使它可以吸收更长波长的红外光。

1998年哈佛大学的Eric Mazur教授领导的研究小组发现在六氟化硫气氛中，用飞秒激光扫描硅表面，可以获得一种后来称之为黑硅的新型硅材料(Appl.Phys.Lett.73，1673(1998))。这种黑硅材料可以全部吸收波长从250nm到2500nm范围内的光，并且吸收率都在90％以上(Appl.Phys.Lett.78，1850(2001))。后来的研究表明，黑硅表面布满了微米级的尖锥结构，减少反射率的效果非常好；另外，黑硅内部硫的掺杂浓度达到了1020cm^-3，对应的原子百分比大约为1％，这比硫在硅中的饱和溶解度高5个数量级，这些硫原子在硅中以各种形态存在，它们形成的杂质带填满了硅的禁带。这两方面的原因共同造就了黑硅材料宽光谱、强吸收的优异光吸收特性。Mazur教授领导的研究小组将黑硅做成了探测器，他们发现这种新型探测器在400nm到1700nm的波长范围内都有响应，最高响应在1060nm波长，达到了100A/W，是商用硅探测器的100倍；它在通讯波长1330nm和1550nm处的响应分别为50mA/W和35mA/W，比商用的硅探测器高5个数量级，但比商用的锗和铟镓砷探测器小1个数量级(Opt.Lett.30，1773(2005))。黑硅在红外波段的强吸收与低响应之间的巨大反差是由于皮秒激光在刻蚀晶硅表面的时候形成了大量的晶格缺陷，硫原子在晶硅内部也形成大量的缺陷，这些表面和内部的晶格缺陷是光生载流子的有效复合中心，导致光生载流子的寿命短，迁移率低，俄歇复合严重等，这些原因共同造成了黑硅在红外波段的低响应度。

2006年哈佛大学另一位教授Michel Aziz领导的研究小组用离子注入加纳秒激光退火的方法，也制备出了硫超饱和掺杂的硅材料。这种硅材料表面平整，内部结晶性也很好，它在可见波长的吸收为70％，在红外波长的吸收为30％左右(Appl.Phys.Lett.88，241902(2006))。表面平整可以保证衬底与金属电极之间能够形成良好的接触；晶格缺陷少可以使光生载流子的寿命变长，对电极收集光生载流子有利。用它制成的探测器不加反向电压时，在可见光波段的量子效率比商用硅探测器小1倍，在红外光波段的最长探测波长没有拓展；当在这种探测器上加12V反向偏压时，在可见光波段量子效率提高了1个数量级以上，在红外光波段的响应波长拓展到了1250nm(Appl.Phys.Lett.99，073503(2011))。这些探测器的性能并不尽如人意，比如不加电压时它的性能还不如商用的硅探测器，加了12V的反向电压后它的红外探测波长也只是延伸到了1250nm，这个响应波长远小于材料出现强吸收的波长(2500nm以上)。出现上述问题的原因，一方面是材料内部仍旧遗留有透射电镜(TEM)难以探测到的点缺陷(J.Vac.Sci.Technol.B25，1847(2007))，这会减少光生载流子的寿命和迁移率；另一方面是材料的红外吸收太低(30％)，这会导致光生载流子的产额小。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的问题是提高硫族元素超饱和掺杂硅红外探测器的响应度，延长这种硅红外探测器的红外响应波长。

(二)技术方案