CN102544043B - 一种平面型子像元结构铟镓砷红外探测器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面型子像元结构铟镓砷红外探测器芯片。红外探测器芯片在结构上主要包括子像元结构的PN结区和载流子侧向收集区。本专利引入了子像元结构，利用了载流子的侧向收集效应，产生在载流子侧向收集区的光生载流子可以被相邻的子像元有效吸收，在探测器量子效率不降低的前提下，光敏元响应均匀。另外，这种结构减少了扩散区域从而有效地减少了扩散热损伤，并引入双层钝化工艺减小表面复合，增加少数载流子的寿命、降低器件的暗电流；对于线列探测器，这种结构可以有效地降低盲元率，抑制光敏元扩大和串音。本设计是一种可以抑制串音、降低器件盲元率及器件暗电流的新型平面型器件结构。

Description

一种平面型子像元结构铟镓砷红外探测器芯片

技术领域

本发明涉及的红外探测器芯片，具体是指一种正照射平面型铟镓砷(InGaAs)红外探测器芯片。

背景技术

铟镓砷短波红外探测器可以在室温下工作，具有广泛的应用前景。目前PIN铟镓砷探测器主要分为平面型和台面型两类。台面型器件由于侧面钝化困难，导致器件可靠性降低、暗电流较大，这在很大程度上限制了器件探测率的提高。平面型探测器作为铟镓砷探测器的主流结构，具有钝化容易、暗电流低、可靠性高等优点，非常适用于航空遥感领域。但平面型器件存在光敏元扩大现象，且对线列探测器光敏元之间的串音较难抑制，因此需要一种抑制光敏元扩大和串音、进一步降低器件暗电流、提高器件探测率的新结构、新方法。

发明内容

本发明创新性地提出了一种基于子像元模式的平面型铟镓砷探测器新结构，即通过子像元模式实现器件的扩散成结和光敏元区域的均匀响应，并通过子像元结构的优化设计，达到有效抑制光敏元扩大和相邻光敏元串音的目的，同时进一步降低器件的暗电流，提高器件的探测率。

本发明的新型平面型子像元结构铟镓砷红外探测器芯片结构如附图2所示，它包括N型InP衬底1、N型InP层2、铟镓砷本征吸收层3、N型InP帽层4、氮化硅扩散掩膜层5、子像元扩散窗口区6、子像元PN结区7、载流子侧向收集区8、P电极9、二氧化硅增透层10、加厚电极11、N电极12。首先在N型InP衬底1上通过外延方法依次排列生长N型InP层2、铟镓砷本征吸收层3、N型InP帽层4，铟镓砷本征吸收层的厚度为1～3μm，然后在NIN型外延片上淀积氮化硅扩散掩膜层5用作扩散掩膜层，同时起到钝化层的作用。通过常规湿法腐蚀工艺形成一字型并排的子像元扩散窗口区6，子像元扩散窗口形状均为矩形，数量大于等于2。在考虑到开扩散窗口时扩散掩膜的侧向钻蚀和闭管扩散时掺杂元素横向扩散的前提下，相邻子像元扩散窗口的间距设计为10～30μm，间距均相同。闭管扩散形成子像元PN结区7，PN结为浅结，结深大于N型InP帽层的厚度0.1～0.2μm，子像元PN结区之间的未扩散区域作为载流子侧向收集区8。在光敏元的两端生长单层Au作为P电极9，然后在芯片表面淀积二氧化硅增透层10作为芯片的增透膜，同时起到退火阻挡层及钝化层的作用。快速热退火后，通过常规湿法腐蚀工艺打开P电极孔，依次生长Cr、Au用作加厚电极11，加厚电极为环形遮盖电极，内围尺寸与整个器件的光敏元大小保持一致以对光敏面进行定义，同时将所有子像元的P电极引出并相连，芯片背面抛光后生长单层Au用作N电极12，最后，将芯片涂胶后划片。

本发明的优点在于：

A.平面型线列铟镓砷探测器中引入子像元结构，可有效降低盲元率、提高填充率、抑制光敏元扩大和串音。

B.相邻子像元扩散窗口的间距设计为10～30μm，产生载流子侧向收集区的光生载流子可以被相邻的子像元有效地收集，即在探测器量子效率不降低的前提下，光敏元响应均匀。

C.减小了光敏元的扩散区域，可有效地减少扩散带来的扩散热损伤，并引入双层钝化工艺减小表面复合，增加少数载流子的寿命、降低器件的暗电流、提高探测器的响应率和探测率。

附图说明

图1为铟镓砷子像元探测器芯片的俯视图；

图2为铟镓砷子像元探测器芯片任意两相邻子像元P电极接触区域沿子像元排列方向的剖面结构示意图；

图3为工艺步骤流程图。

图中：

1——N型InP衬底；

2——N型InP层；

3——铟镓砷本征吸收层；

4——N型InP帽层；

5——氮化硅扩散掩膜层；

6——子像元扩散窗口区；

7——子像元PN结区；

8——载流子侧向收集区；

9——P电极；

10——二氧化硅增透层；

11——加厚电极；

12——N电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方法作进一步地详细说明。

如附图2所示，本实施例所用的外延片为采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在厚度为300μm，载流子浓度＞3×10¹⁸cm^-3的N型InP衬底1上依次生长厚度为0.5μm的N型InP层2，载流子浓度＞2×10¹⁸cm^-3；厚度为2.5μm的铟镓砷本征吸收层3，载流子浓度5×10¹⁶cm^-3；厚度为1μm的N型InP帽层4，载流子浓度5×10¹⁶cm^-3。本实施例共包括10个子像元扩散窗口区6，每个窗口尺寸均为25×500μm²，其间距均为15μm。

本实施例芯片的具体制备工艺步骤如下：

1)依次使用三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇、去离子水清洗外延片，然后氮气吹干；

2)采用等离子体增强化学气相沉积工艺淀积厚度为230nm的氮化硅扩散掩膜层5，衬底温度为330℃、RF功率为50W、气体流量SiH₄∶N₂＝50mL/min∶900mL/min；

3)第一次光刻，采用正胶光刻，显影后于85℃热板上烘烤50min；

4)采用氢氟酸缓冲液在0℃下腐蚀氮化硅扩散掩膜，氢氟酸缓冲液溶液体积比配比为HF∶NH₄F∶H₂O＝3∶6∶10，去离子水冲洗，氮气吹干，形成子像元扩散窗口区6；

5)光刻胶剥离，丙酮浮胶，乙醇清洗，氮气吹干；

6)采用粉末状Zn₃As₂作为扩散源进行闭管扩散，真空度为2.4×10^-4Pa，在350℃温度下保持时间10min，然后在550℃温度下保持6min，成子像元PN结区7和载流子侧向收集区8；

7)打开石英管将外延片取出，并依次用三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇、去离子水清洗外延片，氮气吹干；

8)第二次光刻，采用正胶光刻，显影后于65℃热板上烘烤30min；

9)采用离子束溅射工艺淀积厚度50nm的Au用作P电极9，真空度为3×10^-2Pa，离子束能量为100eV；

10)光刻胶剥离，工艺条件与步骤5)相同；

11)采用磁控溅射镀膜工艺淀积厚度为280nm的二氧化硅增透层10，衬底温度为80℃，RF功率为350～400W；

12)在氮气保护气氛下进行快速热退火，温度为450℃，保持时间为10s；

13)第三次光刻，采用正胶光刻，显影后于85℃热板上烘烤50min；

14)采用氢氟酸缓冲液在0℃下腐蚀二氧化硅增透层打开P电极孔，腐蚀条件与步骤4)相同；

15)光刻胶剥离，工艺条件与步骤5)相同；

16)第四次光刻，采用正胶光刻，显影后于65℃热板上烘烤10min；

17)采用离子束溅射依次淀积厚度分别为20nm、400nm的Cr、Au用作加厚电极11，淀积条件与步骤9)相同；

18)光刻胶剥离，工艺条件与步骤5)相同；

19)正面涂光刻胶保护后于65℃热板上烘烤30min，然后背面抛光，材料背面减薄20～30μm；

20)采用离子束溅射淀积厚度为400nm的Au用作N电极12，淀积条件与步骤9)相同；

21)划片后使用丙酮、乙醇、去离子水依次清洗，氮气吹干，子像元结构器件制作完毕，见附图2，其俯视图如附图1所示。

Claims (1)

1.一种平面型子像元结构铟镓砷红外探测器芯片，在InP衬底（1）上通过外延方法依次生长N型InP层（2）、铟镓砷本征吸收层（3）、N型InP帽层（4）和生长氮化硅扩散掩膜层（5），然后腐蚀扩散掩膜层形成子像元扩散窗口区（6），扩散形成子像元PN结区(7)和载流子侧向收集区（8），在光敏元的两端生长单层Au形成P电极（9），在芯片表面淀积二氧化硅形成增透层（10），通过常规湿法腐蚀工艺打开P电极（9）孔，依次生长Cr、Au形成环形遮盖电极作为加厚电极（11）将所有子像元的P电极（9）引出并相连，芯片背面抛光后生长单层Au形成N电极（12）；其特征在于：

A.所述的平面型铟镓砷红外探测器芯片的一个光敏元包括多个子像元扩散窗口区（6）；

B.所述的P电极（9）生长在子像元两端，并使用加厚电极（11）将两端的所有子像元P电极连接，构成一个光敏元；加厚电极为环形遮盖电极，内围尺寸与该光敏元大小保持一致；

C.所述的子像元扩散窗口区（6）形状为矩形，数量大于等于2，一字型并排，其间距相同，控制为10～30μm；

D.所述的子像元PN结区（7）为浅结，其深度比N型InP帽层（4）的厚度大0.1～0.2μm；

E.所述的铟镓砷本征吸收层（3）厚度为1～3μm。