一种硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器及制备方法

摘要

本发明公开了一种硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器及制备方法。器件的结构器件自下而上依次为衬底，负电极接触层，吸收层，阻挡层，介质层，正电极接触区位于阻挡层左侧并嵌于其中，正电极位于正电极接触区上方，负电极沿着“V”型孔侧壁深及衬底。制备步骤是利用分子束外延法生长负电极接触层、吸收层和阻挡层，离子注入工艺制备正电极接触区，通过光刻、刻蚀和电子束蒸镀工艺制备正负电极，最后刻蚀光敏区氮化硅完成器件制备。利用硅掺镓作为中长波红外吸收层，本征硅作为阻挡层抑制暗电流，实现对中长波红外的高性能探测。本发明的特点是构造能级位置相对较深的镓杂质能级，制作工艺简单、工作温度高的中长波红外探测器。

说明书

技术领域

本发明设计一种硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器及制备方法。具体是指利用分子束外延硅掺镓材料作为中长波红外吸收层，利用本征硅作为阻挡层抑制暗电流，从而实现对中长波红外辐射的高性能探测的器件。

背景技术

中长波红外(5～14μm)是红外光子学研究中重要的大气窗口之一。它是常温目标自发辐射波段，其能量大小与有机物分子振动偶极矩变化所需要能量匹配，蕴含着生物分子的重要“指纹”信息。因此，对长波红外的探测与信息解码在军事、生命科学和工业监测等领域发挥着重要作用。但是，长波红外所对应电磁辐射能量极低，基于光电效应所需能带宽度在0.1eV附近的半导体探测材料，这对于材料的生长工艺控制是一项非常困难的工作。再加上由于材料较小的禁带宽度，任何缺陷、位错和表面处理等都会使器件的漏电流增大，降低器件的信噪比，这大大限制了长波红外光电探测器性能。

非本征硅基甚长波红外探测器基于杂质带跃迁机理具有探测波长更长、暗电流更低和信噪比更高的优势。已经被证明可以实现40μm甚长波红外的探测，通过控制掺杂元素的浓度，量子效率可以达到80％以上。一般工作在液氦温度下，可以实现极低的暗电流水平(<0.1e/s/pixel)。基于成熟的硅工艺平台，硅基甚长波红外焦平面探测器具有广阔的前景。

发明内容

本发明提供了一种硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器及制备方法，该方法的硅掺镓吸收层利用价带电子到镓原子的杂质能级之间的跃迁实现对低能中长波红外辐射的吸收，另外，利用本征硅作为阻挡层，抑制杂质带的跳跃电导，降低器件暗电流，实现对中长波红外辐射的高性能探测。

所述的探测器的结构为：在衬底1上外延生长负电极接触层2，在负电极接触层2上外延生长吸收层3和阻挡层4，在阻挡层4左侧部分区域注入形成正电极接触区5，化学腐蚀“V”型孔直至露出负电极接触层2，制备正电极6和负电极7，正电极6和负电极7与阻挡层4上表面之间是介质层8。

所述的衬底1是高导硅；

所述的负电极接触层2和正电极接触区5掺杂磷离子，掺杂浓度为8×10

所述的吸收层3掺杂镓离子，掺杂浓度为1×10

所述的阻挡层4是本征硅，厚度为5～10μm；

所述的正电极6和负电极7是钛铝复合金属膜，钛在下层，厚度是20nm，铝在上层，厚度为600nm。

所述的介质层8是氮化硅，厚度为200nm。

本发明的一种硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器的制备方法步骤如下：

1)分子束外延法在衬底1上外延生长负电极接触层2、吸收层3和阻挡层4；

2)等离子体增强化学气相沉积法生长氮化硅掩膜并进行图案化，反应离子刻蚀氮化硅以打开正电极接触孔，离子注入形成正电极接触区5后快速退火激活；

3)反应离子刻蚀氮化硅以打开负电极接触孔，湿法腐蚀直至露出负电极接触层2；

4)光刻露出负电极接触层2和正电极接触区5后，电子束蒸镀正电极6和负电极7，退火以形成良好的欧姆接触。

5)采用反应离子刻蚀工艺去除光敏区氮化硅，保留正电极6和负电极7与阻挡层4上表面之间的介质层8。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、采用分子束外延法外延生长硅掺镓吸收层，便于控制生长的吸收层厚度和调节掺杂浓度，提高了吸收层对中长波红外辐射的吸收效率及器件响应率，同时避免了使用离子注入等其他方法制备材料所引起的损伤，降低了暗电流；

2、采用“V”型孔负电极收集的模式，使正负电极间距减小，电场分布均匀，增强了光生载流子的收集能力，提高了探测器的灵敏度。同时采用湿法腐蚀对“V”型孔进行加工，精简了槽区域制备的工艺，降低了成本。

附图说明

图1是硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器的结构截面示意图。其中1为衬底，2是负电极接触层，3是吸收层，4是阻挡层，5是正电极接触区，6是正电极，7是负电极，8是介质层；

图2是硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器的制备工艺流程图；

图3是硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器与本征硅器件的吸收光谱对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

本发明研制了一种硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器的制备方法，该方法利用价带电子到镓原子的杂质能级之间的跃迁实现对低能中长波红外辐射的吸收，另外，利用本征硅作为阻挡层，抑制杂质带的跳跃电导，降低器件暗电流，实现对中长波红外辐射的高性能探测。

具体步骤如下：

1.分子束外延生长负电极接触层2、吸收层3和阻挡层4：在高导硅衬底1上，采用分子束外延工艺生长负电极接触层2，掺杂磷离子，掺杂浓度8×10

2.超声清洗：三氯乙烯溶液中漂洗5分钟，丙酮漂洗5分钟，异丙醇漂洗5分钟，去离子水清洗3分钟，然后置于65℃烘箱烘烤15分钟，烘干后置于显微镜下镜检观察是否清洗干净、有无裂痕等；

3.第一次光刻：在本征硅阻挡层4表面旋涂正胶AZ5214，厚度1.5μm，95℃温度下烘烤90秒，曝光6.5秒，显影45秒，去离子水冲洗，氮气吹干，以形成光刻标记区域窗口；

4.坚膜：对光刻胶AZ5214进行坚膜，坚膜温度110℃，坚膜时间10分钟，以提高光刻胶AZ5214的粘附性和掩膜保护能力。

5.离子束刻蚀形成标记层：利用氩气等离子体刻蚀工艺形成100nm的光刻标记，用于后续步骤的光刻工艺对准；

6.去胶：采用丙酮进行去胶，超声清洗10分钟，异丙醇超声清洗10分钟，去离子水冲洗，氮气吹干；

7.等离子体去胶：采用氩气等离子体去胶工艺，功率200W，时间180秒，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；

8.沉积氮化硅掩膜：采用等离子体增强化学气相沉积工艺，在本征硅阻挡层4上表面沉积氮化硅掩膜，沉积厚度为200nm；

9.第二次光刻：在氮化硅表面旋涂正胶AZ5214，厚度1.5μm，在95℃下烘烤90秒，曝光6.5秒，显影45秒，去离子水冲洗，氮气吹干，形成正电极刻蚀窗口；

10.坚膜：对光刻胶AZ5214进行坚膜，坚膜温度110℃，坚膜时间90秒，以提高光刻胶AZ5214的粘附性和掩膜保护能力。

11.反应离子刻蚀：采用反应离子刻蚀工艺，在氮化硅钝化层上进行刻蚀，刻蚀深度为200nm，露出部分本征硅阻挡层；

12.离子注入：采用离子注入工艺，将磷离子注入高纯硅阻挡层，注入能量为50keV，注入剂量为8×10

13.去胶：采用丙酮进行去胶，超声清洗10分钟，异丙醇超声清洗10分钟，去离子水冲洗，氮气吹干；

14.等离子体去胶：采用氩气等离子体去胶工艺，功率200W，时间180秒，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；

15.快速热退火：在氮气气氛中，采用快速热退火工艺，升、降温速率为90℃/s，退火温度为950℃，退火温度保持时间为30秒，激活注入离子，修复晶格损伤，形成正电极接触区5；

16.反应离子刻蚀：采用反应离子刻蚀工艺，在氮化硅钝化层上进行刻蚀，刻蚀深度为200nm，去除前面沉积的氮化硅掩膜；

17.沉积氮化硅钝化层：等离子体增强化学气相沉积生长新的氮化硅钝化层，厚度为200nm，保护离子注入层，防止被腐蚀；

18.第三次光刻：在器件表面旋涂正胶AZ5214，厚度1.5μm，前烘95℃90s曝光6.5秒，显影45秒，去离子水冲洗，氮气吹干，以形成腐蚀区域窗口；

19.坚膜：对光刻胶AZ5214进行坚膜，坚膜温度110℃，坚膜时间90秒，以提高光刻胶AZ5214的粘附性和抗刻蚀能力；

20.反应离子刻蚀：采用反应离子刻蚀工艺，在氮化硅钝化层上进行刻蚀，刻蚀深度为200nm；

21.湿法腐蚀：采用KOH：H

22.去胶：采用丙酮进行去胶，超声清洗10分钟，异丙醇超声清洗10分钟，去离子水冲洗，氮气吹干；

23.等离子体去胶：采用氩气等离子体去胶工艺，功率200W，时间180秒，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；

24.第四次光刻：在器件表面旋涂正胶AZ5214，厚度2μm，95℃烘烤90秒，曝光6.5秒，显影45秒，去离子水冲洗，氮气吹干；

25.坚膜：对光刻胶AZ5214进行坚膜，坚膜温度110℃，坚膜时间90秒，以提高光刻胶AZ5214的粘附性和抗刻蚀能力；

26.反应离子刻蚀：采用反应离子刻蚀工艺，在氮化硅钝化层上进行刻蚀，刻蚀深度大于200nm，露出正电极接触区5；

27.去胶：采用丙酮进行去胶，超声清洗10分钟，异丙醇超声清洗10分钟，去离子水冲洗，氮气吹干；

28.等离子体去胶：采用氩气等离子体去胶工艺，功率200W，时间180秒，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；

29.第五次光刻：采用双层胶光刻工艺，在器件表面依次先后旋涂光刻胶LOR10A和光刻胶AZ5214，厚度6μm，95℃烘烤90秒，曝光6.5秒，显影45秒，去离子水冲洗，氮气吹干；

30.坚膜：对光刻胶LOR10A+AZ5214进行坚膜，坚膜温度110℃，坚膜时间3分钟，以提高光刻胶的粘附性和抗刻蚀能力；

31.电子束蒸镀正负电极：利用电子束光刻工艺蒸镀电极，真空度5×10

32.剥离：采用丙酮进行剥离，80℃水浴30分钟，超声清洗5分钟，异丙醇超声清洗5分钟，浓度2.38％的四甲基氢氧化氨溶液浸泡30秒，去离子水冲洗，氮气吹干；(若剥离不完全可使用HMP溶液，温度150℃以上)

33.正、负电极退火：在氮气气氛中，退火温度为450℃，退火温度保持时间为30分钟，以使电极形成良好欧姆接触；

34.第六次光刻：在器件表面旋涂光刻胶AZ5214，厚度1.5μm，95℃烘烤90秒，曝光6.5秒，显影45秒，去离子水冲洗，氮气吹干；

35.坚膜：对光刻胶AZ5214进行坚膜，坚膜温度110℃，坚膜时间90秒，以提高光刻胶AZ5214的粘附性和抗刻蚀能力；

36.去除光敏区的氮化硅钝化层：采用反应离子刻蚀工艺，在氮化硅钝化层上进行刻蚀，刻蚀深度大于200nm；

37.清洗：丙酮漂洗5分钟，异丙醇漂洗5分钟，无水乙醇漂洗5分钟，去离子水清洗3分钟，氮气枪吹干，至此器件制备完成。

图3是硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器与本征硅器件的吸收光谱对比图，硅掺镓材料对5～15μm波段辐射有较大的吸收；

三个器件参数分别如下：吸收层3的镓离子掺杂浓度为左边界值1×10

结果说明本发明基于硅掺镓阻挡杂质带结构的探测器在实现对中长波红外辐射的高性能探测的方法是合理的有效的。