[发明专利]用短脉冲激光产生的等离子体作用在硅表面制备PN层的方法

说明书

本发明公开了利用短脉冲激光产生的等离子体作用在硅表面制备PN结的方法，用飞秒或纳秒脉冲激光束作用硅表面，产生表面等离子层，电子跟随光频震荡浮于表面形成电子气，而惰性大的硅离子层分布在下方，通过向硅离子层注入P型掺杂形成下面的P型硅层；然后，在短脉冲激光溅射出的硅离子逐渐沉积的表层上冲入N型气体形成上面的N型硅层；最后，经高温退火形成稳定的PN结层结构。本发明采用了纯物理的过程来进行制备，属于绿色环保类型，所得的样品与现有技术相比有很多优越性，其制备流程易于运作与操控，研制出的器件效果较好，且易于进行产业化推广。

技术领域

本发明涉及一种利用短脉冲激光产生的等离子体作用在硅表面制备PN结的方法和装置，可以应用于PN结发光器件和PN结光伏器件的产业化。

背景技术

从电子信息时代发展到光子信息时代半导体材料和器件扮演了重要的角色，尤其是硅材料掺杂构建的PN结器件及其集成放大器起到了很重要的作用。传统的在硅基材料上制备PN结的技术和工艺都很复杂，专业化要求非常高。我们发明的这种利用短脉冲激光产生的等离子体作用在硅表面制备PN结的方法是一种纯物理的方法，其原理清晰且容易操作和控制，其装置容易实现，且效果较好，特别适合推广到芯片集成的PN结层产业化中去。

发明内容

本发明的目的是：提供一种利用短脉冲激光产生的等离子体作用在硅表面制备PN结的方法，获取制备硅材料PN结层结构的全新技术与手段，这种方法与技术采用纯物理的过程属于绿色环保类型，流程易于运作与操控，研制出的器件效果较好，且易于进行产业化推广。

本发明是这样实现的：利用短脉冲激光产生的等离子体作用在硅表面制备PN结的方法，用飞秒或纳秒脉冲激光束作用硅表面，产生表面等离子层，电子跟随光频震荡浮于表面形成电子气，而惰性大的硅离子层分布在下方，通过向硅离子层注入P型掺杂形成下面的P型硅层；然后，在短脉冲激光溅射出的硅离子逐渐沉积的表层上冲入N 型气体形成上面的N型硅层；最后，经高温退火形成稳定的PN结层结构。

所述的注入P型掺杂是用三族固体进行P型掺杂，从而形成P型硅层。

所述的冲入N型气体是用五族气体进行N型掺杂，从而形成N型硅层。

所述的注入P型掺杂是在10^-6Pa的真空腔中，用紫外纳秒激光束作用三族固体靶材溅射离子沉积于硅缓冲层上，进行P型掺杂，从而形成P型硅层。

在10^-6Pa的真空腔中冲入N型气体，将真空降至10Pa左右，用紫外纳秒激光束作用于硅靶上溅射硅离子掺氮沉积于P型硅层上，形成N型硅层，其过程中加负高压1800V形成等离子体束流30-50mA以加固N型硅层。

将利用短脉冲激光产生的等离子体作用在硅表面制备的PN层上用纳秒脉冲激光沉积上硅封顶层，经1000℃高温退火晶化形成稳定的PN结层结构。

在利用短脉冲激光产生的等离子体作用制备的硅PN层中，用退火与掺杂构建PIN夹层里的量子点结构，从而应用与硅基发光和光伏器件中。

由于采用上述方案，本发明采用了纯物理的过程来进行制备，属于绿色环保类型，所得的样品与现有技术相比有很多优越性，其制备流程易于运作与操控，研制出的器件效果较好，且易于进行产业化推广。

附图说明

图1利用短脉冲激光产生的等离子体作用在硅表面制备PN结流程装置结构图；

图2利用短脉冲激光产生的等离子体作用在硅表面制备PN结的原理及其物理图像；

图3在利用短脉冲激光产生的等离子体作用在硅表面制备PN结器件上测量的正反向的I-V特性曲线图。

具体实施方式