CN101894831B - 紫外-红外双波段探测器及其制作方法 - Google Patents

紫外-红外双波段探测器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种紫外-红外双波段探测器及其制作方法，其中紫外-红外双波段探测器，包括：一紫外波段探测器；一红外波段探测器，该红外波段探测器通过金属键合工艺与紫外波段探测器倒装互连在一起，该紫外波段探测器与红外波段探测器的一侧对齐。本发明提供的紫外-红外双波段探测器及其制作方法，可以实现紫外和红外双波段同时探测，目标信息更加丰富，提高了器件的实用性。同时，材料生长及器件制作工艺简单，有利于器件的焦平面化。

Description

紫外-红外双波段探测器及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别是指一种紫外-红外双波段探测器及其制作方法。
背景技术
所有探测技术都是向着获取更多目标信息的方向发展。如果一个热成像系统能同时在两个波段获取信息，就可以对复杂的背景进行抑制，提高对目标的探测效果，并且在预警，搜索和跟踪系统中降低虚警率，显著提高系统的性能和在各种武器平台上的通用性。
InGaAs探测器可以在短波红外室温工作，并且探测率高于HgCdTe，在国外已经用于卫星遥感。InGaAs探测器，特别是非制冷焦平面技术，在卫星遥感、红外成像、产业测温、安全防范等民用领域和精确武器制导、红外报警与识别、侦查检测等军事领域具有广泛的应用前景。InGaAs探测器的研究与开发具有重要的战略意义。
太阳盲的GaN基紫外探测器对可见光没有响应，可以避免太阳光对探测器的干扰，用太阳盲GaN基紫外探测器装备的导弹告警系统，能有效地对导弹的状态进行预警；火箭发射时，会喷出大量的羽烟，这些羽烟中有大量的紫外成分，如果采用GaN基紫外探测器进行探测，能避免周围的环境对探测器的干扰，能够有效地跟踪导弹的火箭发射。目前飞行器制导多采用红外制导技术，但是随着抗红外制导技术的日趋成熟，常规的红外制导技术在应用时经常受到干扰。如果采用紫外-红外双色制导系统，就能够在红外制导系统失灵的同时，启动紫外制导系统，将敌机击落。
双波段探测器因受单波段器件发展水平及集成的限制，因此总体发展水平远低于单波段同类型的探测器。一般传统双波段探测器多只限于红外中长波探测，本发明可以实现紫外和红外双波段同时探测，目标信息更加丰富。同时，材料生长及器件制作工艺简单，有利于器件的焦平面化。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种紫外-红外双波段探测器及其制作方法，实现了紫外和红外双波段探测器的集成，提高了器件的实用性。
本发明提供一种紫外-红外双波段探测器，包括：
一紫外波段探测器；
一红外波段探测器，该红外波段探测器通过金属键合工艺与紫外波段探测器倒装互连在一起，该紫外波段探测器与红外波段探测器的一侧对齐。
其中紫外波段探测器包括：
一蓝宝石衬底；
一AlN缓冲层，制作在蓝宝石衬底上；
一N+-AlGaN欧姆接触层，制作在AlN缓冲层上，该N+-AlGaN欧姆接触层上面的一侧形成有一第二台阶；
一AlGaN本征吸收层，制作在N+-AlGaN欧姆接触层第二台阶处的最上面一层上；
一p-AlGaN欧姆接触层，制作在AlGaN本征吸收层上；
一紫外P电极金属，制作在p-AlGaN欧姆接触层上；
一紫外N电极金属，制作在N+-AlGaN欧姆接触层一侧的第二台阶上。
其中红外波段探测器包括：
一N+-InP衬底；
一InP缓冲层，制作在N+-InP衬底上；
一InGaAs本征吸收层，制作在InP缓冲层上；
一p-InP欧姆接触层，制作在InGaAs本征吸收层上；
一红外P电极金属，制作在p-InP欧姆接触层上，该红外P电极金属的面积大于p-InP欧姆接触层的面积，该红外P电极金属及p-InP欧姆接触层的一侧形成一第一台阶；
一红外N电极金属，制作在N+-InP衬底上。
其中紫外波段探测器中的紫外N电极金属为钛铝钛金多层金属或钛铝镍金多层金属或钛铝铂金多层金属。
其中紫外波段探测器中的紫外P电极金属为金或镍金合金或铂或铂金合金或铂镍金。
其中紫外波段探测器中的N+-AlGaN欧姆接触层中铝组分大于AlGaN本征吸收层中的铝组分。
其中红外波段探测器中的红外P电极金属为金锌或金锌金或钛铂金。
其中红外波段探测器中的红外N电极金属为金锗或金锗镍金或钛铂金。
本发明提供一种紫外-红外双波段探测器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上依次生长AlN缓冲层、N+-AlGaN欧姆接触层、AlGaN本征吸收层和p-AlGaN欧姆接触层；
步骤2：在p-AlGaN欧姆接触层上生长一紫外P电极金属；
步骤3：在N+-InP衬底上依次生长InP缓冲层、InGaAs本征吸收层和p-InP欧姆接触层，其中该p-InP欧姆接触层通过锌扩散工艺形成；
步骤4：在p-InP欧姆接触层上生长一红外P电极金属；
步骤5：用金属键合工艺将紫外P电极金属和红外P电极金属连接在一起；
步骤6：在N+-InP衬底的下表面生长一红外N电极金属；
步骤7：用干法刻蚀工艺，从红外N电极金属的表面刻蚀到红外P电极金属的表面处，形成一第一台阶；
步骤8：进一步用干法刻蚀工艺，从红外P电极金属的表面刻蚀到N+-AlGaN欧姆接触层的中间部位，形成一第二台阶，第二台阶的面积大于第一台阶的面积；
步骤9：在N+-AlGaN欧姆接触层的第二台阶上生长紫外N电极金属。
其中蓝宝石衬底、AlN缓冲层、N+-AlGaN欧姆接触层、AlGaN本征吸收层、p-AlGaN欧姆接触层、紫外P电极金属和紫外N电极金属构成紫外波段探测器。
其中紫外N电极金属为钛铝钛金多层金属或钛铝镍金多层金属或钛铝铂金多层金属。
其中紫外P电极金属为金或镍金合金或铂或铂金或铂镍金。
其中N+-AlGaN欧姆接触层中铝组分大于AlGaN本征吸收层中的铝组分。
其中N+-InP衬底、InP缓冲层、InGaAs本征吸收层、p-InP欧姆接触层、红外P电极金属和红外N电极金属构成红外波段探测器。
其中红外P电极金属为金锌或金锌金或钛铂金。
其中红外N电极金属为金锗或金锗镍金或钛铂金。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实例及附图详细说明如后，其中：
图1为该紫外-红外双波段探测器的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供了一种紫外-红外双波段探测器，包括：
一紫外波段探测器20；
一红外波段探测器30，该红外波段探测器30通过金属键合工艺与紫外波段探测器20倒装互连在一起，该紫外波段探测器20及红外波段探测器30的一侧对齐。
其中该紫外波段探测器20包括：
一蓝宝石衬底01；
一AlN缓冲层02，制作在蓝宝石衬底01上；
一N+-AlGaN欧姆接触层03，制作在AlN缓冲层02上，该N+-AlGaN欧姆接触层03上面的一侧形成有一第二台阶15；
一AlGaN本征吸收层04，制作在N+-AlGaN欧姆接触层03第二台阶15处的最上面一层上，其中N+-AlGaN欧姆接触层03中铝组分要大于AlGaN本征吸收层04中的铝组分；
一p-AlGaN欧姆接触层05，制作在AlGaN本征吸收层04上；
一紫外P电极金属06，制作在p-AlGaN欧姆接触层05上，该紫外P电极金属06为金或镍金合金或铂或铂金或铂镍金；
一紫外N电极金属13，制作在N+-AlGaN欧姆接触层03一侧的第二台阶15上，该紫外N电极金属13为钛铝钛金多层金属或钛铝镍金多层金属或钛铝铂金多层金属。
其中该红外波段探测器30包括：
一N+-InP衬底11；
一InP缓冲层10，制作在N+-InP衬底11上；
一InGaAs本征吸收层09，制作在InP缓冲层10上；
一p-InP欧姆接触层08，制作在InGaAs本征吸收层09上；
一红外P电极金属07，制作在p-InP欧姆接触层08上，该红外P电极金属07的面积大于p-InP欧姆接触层08的面积，在红外P电极金属07及p-InP欧姆接触层08的一侧形成一第一台阶14；该红外P电极金属07为金锌或金锌金或钛铂金；
一红外N电极金属12，制作在N+-InP衬底11上，该红外N电极金属12为金锗或金锗镍金或钛铂金。
请再参阅图1，本发明提供一种紫外-红外双波段探测器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底01上用分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法依次生长AlN缓冲层02、N+-AlGaN欧姆接触层03、AlGaN本征吸收层04和p-AlGaN欧姆接触层05，其中N+-AlGaN欧姆接触层03中铝组分要大于AlGaN本征吸收层04中的铝组分；
步骤2：在p-AlGaN欧姆接触层05上用电子束蒸发或磁控溅射方法生长一紫外P电极金属06，其中紫外P电极金属06为金或镍金合金或铂或铂金或铂镍金；
步骤3：在N+-InP衬底11上由气相外延(VPE)或液相外延(LPE)或分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法依次生长InP缓冲层10、InGaAs本征吸收层09和p-InP欧姆接触层08，其中p-InP欧姆接触层08通过锌扩散工艺形成；
步骤4：在p-InP欧姆接触层08上用电子束蒸发或磁控溅射方法生长一红外P电极金属07，其中红外P电极金属07为金锌或金锌金或钛铂金；
步骤5：用金属键合工艺将紫外P电极金属06和红外P电极金属07连接在一起；
步骤6：在N+-InP衬底11的下表面用电子束蒸发或磁控溅射方法生长一红外N电极金属12，其中红外N电极金属12为金锗或金锗镍金或钛铂金；
步骤7：用干法刻蚀工艺，从红外N电极金属12的表面刻蚀到红外P电极金属07的表面处，形成一第一台阶14；
步骤8：进一步用干法刻蚀工艺，从红外P电极金属07的表面刻蚀到N+-AlGaN欧姆接触层03的中间部位，形成一第二台阶15，第二台阶15的面积大于第一台阶14的面积；
步骤9：在N+-AlGaN欧姆接触层03上用电子束蒸发或磁控溅射方法生长紫外N电极金属13，其中紫外N电极金属13为钛铝钛金多层金属或钛铝镍金多层金属或钛铝铂金多层金属。
其中蓝宝石衬底01、AlN缓冲层02、N+-AlGaN欧姆接触层03、AlGaN本征吸收层04、p-AlGaN欧姆接触层05、紫外P电极金属06和紫外N电极金属13构成紫外波段探测器20。
其中N+-InP衬底11、InP缓冲层10、InGaAs本征吸收层09、p-InP欧姆接触层08、红外P电极金属07和红外N电极金属12构成红外波段探测器30。
实施例
为进一步说明本发明提出的一种紫外-红外双波段探测器及其制作方法，我们以响应波段分别为225-255nm和0.93-1.7μm的紫外-红外双波段探测器为例说明该器件的制作过程(参阅图1)。具体如下：在蓝宝石衬底01上用分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法依次生长AlN缓冲层02、N+-AlGaN欧姆接触层03、AlGaN本征吸收层04、p-AlGaN欧姆接触层05，其中N+-AlGaN欧姆接触层03(材料为Al0.71Ga0.29N，厚度为0.6μm)，电子浓度为(3×1018cm-3)、AlGaN本征吸收层04(材料为Al0.52Ga0.48N，厚度为0.15μm)、p-AlGaN欧姆接触层05(材料为Al0.52Ga0.48N，厚度为0.3μm，载流子浓度为(1×1017cm-3)，其中N+-AlGaN欧姆接触层03、AlGaN本征吸收层04和p-AlGaN欧姆接触层05形成p-AlxGa1-xN/i-AlxGa1-xN/N+-AlyGa1-yN(x＜y≤1)型结构的半导体材料，这样，当光由背部蓝宝石衬底处入射到探测器上时，波长较短的光(＜225nm，由y的数值决定)被N+-AlGaN欧姆接触层03吸收，不能到达AlGaN本征吸收层04产生响应，形成短波截止，波长较长的光(＞255nm，由x的数值决定)不能引起AlGaN本征吸收层04的响应，形成长波截止；用电子束蒸发或磁控溅射方法在p-AlGaN欧姆接触层05上生长一紫外P电极金属06，其中紫外P电极金属06为金或镍金合金或铂或铂金或铂镍金，并快速退火以改善P电极欧姆接触特性；在N+-InP衬底11上由气相外延(VPE)或液相外延(LPE)或分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法依次生长InP缓冲层10(厚度为0.5μm)、InGaAs本征吸收层09(厚度为3μm)、p-InP欧姆接触层08(厚度为1μm)，其中InGaAs本征吸收层09中In组分为0.53，可以和InP衬底完全晶格匹配，因为InP的禁带宽度为1.35eV，波长较短的光(＜0.93μm)被p-InP欧姆接触层08吸收，不能到达InGaAs本征吸收层09，形成短波截止，而In0.35Ga0.65As的禁带宽度为0.75eV，波长较长的光(＞1.7μm)不能引起InGaAs本征吸收层09的响应，形成长波截止，所以响应波段为0.93-1.7μm，其中p-InP欧姆接触层08通过锌扩散工艺形成；在p-InP欧姆接触层08上用电子束蒸发或磁控溅射方法生长一红外P电极金属07，其中红外P电极金属07为金锌或金锌金或钛铂金；用金属键合工艺将紫外P电极金属06和红外P电极金属07连接在一起；在N+-InP衬底11的下表面用电子束蒸发或磁控溅射方法生长一红外N电极金属12，其中红外N电极金属12为金锗或金锗镍金或钛铂金；用干法刻蚀工艺，从红外N电极金属12的表面刻蚀到红外P电极金属07的表面处，形成一第一台阶14；进一步用干法刻蚀工艺，从红外P电极金属07的表面刻蚀到N+-AlGaN欧姆接触层03的中间部位，形成一第二台阶15，第二台阶15的面积大于第一台阶14的面积；在N+-AlGaN欧姆接触层03上用电子束蒸发或磁控溅射方法生长紫外N电极金属13，其中紫外N电极金属13为钛铝钛金多层金属或钛铝镍金多层金属或钛铝铂金多层金属；最后进行蓝宝石衬底减薄、管芯分割、压焊、封装，制成紫外-红外双波段探测器。
本发明提供的紫外-红外双波段探测器及其制作方法，可以实现紫外和红外双波段同时探测，目标信息更加丰富，提高了器件的实用性。同时，材料生长及器件制作工艺简单，有利于器件的焦平面化。

Claims (12)

1.一种紫外-红外双波段探测器，包括：
一紫外波段探测器；
一红外波段探测器，该红外波段探测器通过金属键合工艺与紫外波段探测器倒装互连在一起，该紫外波段探测器与红外波段探测器的一侧对齐。
2.根据权利要求1所述的紫外-红外双波段探测器，其中紫外波段探测器包括：
一蓝宝石衬底；
一AlN缓冲层，制作在蓝宝石衬底上；
一N+-AlGaN欧姆接触层，制作在AlN缓冲层上，该N+-AlGaN欧姆接触层上面的一侧形成有一第二台阶；
一AlGaN本征吸收层，制作在N+-AlGaN欧姆接触层第二台阶处的最上面一层上；
一p-AlGaN欧姆接触层，制作在AlGaN本征吸收层上；
一紫外P电极金属，制作在p-AlGaN欧姆接触层上；
一紫外N电极金属，制作在N+-AlGaN欧姆接触层一侧的第二台阶上。
3.根据权利要求1所述的紫外-红外双波段探测器，其中红外波段探测器包括：
一N+-InP衬底；
一InP缓冲层，制作在N+-InP衬底上；
一InGaAs本征吸收层，制作在InP缓冲层上；
一p-InP欧姆接触层，制作在InGaAs本征吸收层上；
一红外P电极金属，制作在p-InP欧姆接触层上，该红外P电极金属的面积大于p-InP欧姆接触层的面积，该红外P电极金属及p-InP欧姆接触层的一侧形成一第一台阶；
一红外N电极金属，制作在N+-InP衬底上。
4.根据权利要求1或2所述的紫外-红外双波段探测器，其中紫外波段探测器中的紫外N电极金属为钛铝钛金多层金属或钛铝镍金多层金属或钛铝铂金多层金属。
5.根据权利要求1或2所述的紫外-红外双波段探测器，其中紫外波段探测器中的紫外P电极金属为金或镍金合金或铂或铂金合金或铂镍金。
6.根据权利要求1或2所述的紫外-红外双波段探测器，其中紫外波段探测器中的N+-AlGaN欧姆接触层中铝组分大于AlGaN本征吸收层中的铝组分。
7.一种紫外-红外双波段探测器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上依次生长AlN缓冲层、N+-AlGaN欧姆接触层、AlGaN本征吸收层和p-AlGaN欧姆接触层；
步骤2：在p-AlGaN欧姆接触层上生长一紫外P电极金属；
步骤3：在N+-InP衬底上依次生长InP缓冲层、InGaAs本征吸收层和p-InP欧姆接触层，其中该p-InP欧姆接触层通过锌扩散工艺形成；
步骤4：在p-InP欧姆接触层上生长一红外P电极金属；
步骤5：用金属键合工艺将紫外P电极金属和红外P电极金属连接在一起；
步骤6：在N+-InP衬底的下表面生长一红外N电极金属；
步骤7：用干法刻蚀工艺，从红外N电极金属的表面刻蚀到红外P电极金属的表面处，形成一第一台阶；
步骤8：进一步用干法刻蚀工艺，从红外P电极金属的表面刻蚀到N+-AlGaN欧姆接触层的中间部位，形成一第二台阶，第二台阶的面积大于第一台阶的面积；
步骤9：在N+-AlGaN欧姆接触层的第二台阶上生长紫外N电极金属。
8.根据权利要求7所述紫外-红外双波段探测器的制作方法，其中蓝宝石衬底、AlN缓冲层、N+-AlGaN欧姆接触层、AlGaN本征吸收层、p-AlGaN欧姆接触层、紫外P电极金属和紫外N电极金属构成紫外波段探测器。
9.根据权利要求7所述紫外-红外双波段探测器的制作方法，其中紫外N电极金属为钛铝钛金多层金属或钛铝镍金多层金属或钛铝铂金多层金属。
10.根据权利要求7所述紫外-红外双波段探测器的制作方法，其中紫外P电极金属为金或镍金合金或铂或铂金或铂镍金。
11.根据权利要求7所述紫外-红外双波段探测器的制作方法，其中N+-AlGaN欧姆接触层中铝组分大于AlGaN本征吸收层中的铝组分。
12.根据权利要求7所述紫外-红外双波段探测器的制作方法，其中N+-InP衬底、InP缓冲层、InGaAs本征吸收层、p-InP欧姆接触层、红外P电极金属和红外N电极金属构成红外波段探测器。
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