CN102569521A - 钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作方法 - Google Patents

钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作方法 Download PDF

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Abstract

一种钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作方法，包括：采用金属化学有机气相沉积方法或分子束外延方法，在衬底上依次生长缓冲层、二类超晶格层、本征二类超晶格光吸收层、N型二类超晶格层和N型欧姆接触层，形成外延片；对外延片进行光刻，然后采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，对外延片进行腐蚀或刻蚀；使用甩胶机在刻蚀后的外延片的表面上涂覆树脂材料；进行曝光；进行中烘，显影，在涂覆树脂材料的外延片上形成上电极和光进入窗口和下电极窗口，制作电极材料；对电极材料进行光刻，形成上电极和下电极；本发明是采用该制作方法钝化的器件具有较低的暗电流，ROA增加；其具有制造工艺不复杂、钝化膜强度大，钝化效果好等特点。

Description

钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作方法
技术领域
本发明属于半导体光电子领域，尤其是指一种钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作方法。
背景技术
最近几年，InAs/GaSb二类超晶格材料日益受到重视，因为InAs/GaSb二类超晶格中的InAs的导带底比InAs/GaSb的价带顶还要低，从而电子和空穴空间分离，俄歇复合率大大减小，载流子寿命较长，而且在长波及甚长波波段，InAs/GaSb二类超晶格对俄歇复合的抑制作用也较明显。基于以上无可比拟的优势，InAs/GaSb二类超晶格探测器已经成为红外探测方面最为活跃的领域，是第三代红外焦平面探测器的理想代表之一。
然而，相对Si、GaAs、InP等成熟材料，我们对这种新的材料系还知之不多，还有很多物理和工艺方面的问题需要去解决。例如和其他III-V族元素相比，GaSb的表面化学反应更活泼，当GaSb表面暴露在空气中时，形成的氧化物将引入了大量的表面态，加大了表面复合速度，形成表面电流泄漏的通道，极大程度地退化了器件的性能，这是长期困扰Sb基器件的一个主要问题。另外，在工艺制作中，当周期性的晶体结构在半导体-空气的界面上突然中止时，形成了大量的悬挂键和不饱和键。由于氧化物和前步工艺留下来的粘污物(如光刻胶，水等)使这些悬挂键和不饱和键成为高反应的位置，导致能带在界面上发生了弯曲，增加了陷阱辅助隧穿电流、辐射复合等表面泄漏电流，导致了暗电流电流的增加，表现为微分电阻与面积乘积(ROA)的减少(ROA是取得高探测率，低噪声探测器的关键参数，ROA越大越好)。随着探测波长增加，带隙减少，特别当器件尺寸急剧减小时(例如对大面积焦平面列阵，其每个像元的尺度＜30×30μm)，表面泄漏电流成为限制探测器性能的一个最主要的因素。通过表面钝化可以解决表面泄漏电流问题，所以寻找有效的钝化技术和钝化材料已经经成为InAs/GaSb二类超晶格焦平面芯片制备工艺中的重中之重，这对于使用InAs/GaSb二类超晶格材料来实现第三代高性能焦平面阵列成像系统具有是非常重要的意义。
目前，见诸报道的InAs/GaSb二类超晶格材料钝化方法和材料可以说是各种各样，五花八门。每种钝化似乎都有它的不足之处，就是同种钝化方法也会在不同的实验室而产生不同的钝化效果，这也加剧了钝化技术的困难。在III-V族材料光电器件工艺中，SiO2是最被普遍采用的钝化材料，其工艺制作非常成熟。但是对InAs/GaSb二类超晶格材料，采用SiO2作为钝化材料，通常表面电阻大约能够增加1个数量级。它的主要缺点就是为了得到致密的钝化膜，通常采用PECVD在基片温度300℃的条件下来淀积SiO2，超晶格材料暴露在这么高的温度中，会导致了整个器件的性能的退化。所以，对于InAs/GaSb探测器使用单独SiO2作为钝化材料的并不多。而树脂材料如常用的聚酰亚胺、负性光刻胶等具有良好的抗腐蚀能力、工艺制作简单，可以和后续工艺兼容等优点，可以作为InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的合适钝化材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作方法，其是采用该制作方法钝化的器件具有较低的暗电流，ROA增加。其具有制造工艺不复杂、钝化膜强度大，钝化效果好等特点。
本发明提供一种钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作方法，包括如下步骤：
步骤1：采用金属化学有机气相沉积方法或分子束外延方法，在GaSb衬底上依次生长P型GaSb缓冲层、P型InAs/GaSb二类超晶格层、本征InAs/GaSb二类超晶格光吸收层、N型InAs/GaSb二类超晶格层和N型InAs欧姆接触层，形成外延片；
步骤2：把外延片在超声波下依次使用三氯乙烯、丙酮和甲醇在50℃条件下热煮5分钟，然后使用异丙醇脱水，吹干，放在烘箱里烘干；
步骤3：对外延片进行光刻，然后采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，对外延片进行腐蚀或刻蚀；
步骤4：在温度为50℃的条件下，使用丙酮在超声波下热煮三遍，去掉光刻胶；然后使用负胶去膜剂在60-70℃条件下热煮10分钟，接着用去离子水冲洗10分钟，使用异丙醇脱水，吹干，放在烘箱里烘干；
步骤5：使用甩胶机在刻蚀后的外延片的表面上涂覆树脂材料；
步骤6：将涂覆树脂材料的外延片，在烘箱或热板上进行前烘，去除树脂材料中的稀释剂，进行曝光；
步骤7：进行中烘，显影，在涂覆树脂材料的外延片上形成上电极和光进入窗口和下电极窗口，后烘固化；
步骤8：在形成窗口的外延片上，制作电极材料；
步骤9：对电极材料进行光刻，形成上电极和下电极，该上电极的中间为光进入窗口；
步骤10：去胶清洗，烘干，完成红外探测器的工艺制作。
其中所述的涂覆树脂材料为SU-8负性光刻胶、聚酰亚胺或AZ系列负性光刻胶。
其中所选择的电极材料为Ti/Au。
其中所述的腐蚀或刻蚀，其腐蚀或刻蚀的深度到达P型GaSb缓冲层之内。
其中所述的吹干的气体为N2。
附图说明
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图对本发明做一详细地描述，其中：
图1是发明中的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器外延片的结构图；
图2是光刻后，经过湿法腐蚀或干法刻蚀形成图形的截面图；
图3是涂覆树脂材料包裹起整个外延片表面时的截面图；
图4是显影后形成的光注入窗口和电极窗口的截面图；
图5是溅射电极后的图形；
图6是腐蚀出电极材料，并留出电极和光注入窗口时的图形。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种一种钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作方法，包括如下步骤：
步骤1：采用金属化学有机气相沉积方法或分子束外延方法，在GaSb衬底1上依次生长P型GaSb缓冲层2、P型InAs/GaSb二类超晶格层3、本征InAs/GaSb二类超晶格光吸收层4、N型InAs/GaSb二类超晶格层5和N型InAs欧姆接触层6，形成外延片，其结构如图1所示；
步骤2：把外延片在超声波下依次使用三氯乙烯、丙酮和甲醇在50℃条件下热煮5分钟，然后使用异丙醇脱水，使用N2吹干，放在烘箱里烘干；
步骤3：利用设计好的光刻版对外延片进行第一次光刻，然后采用柠檬酸(1)：磷酸(1)：双氧水(1)：去离子水(4)的进行腐蚀，所述的腐蚀深度到达P型GaSb缓冲层2之内；
步骤4：在温度为50℃的条件下，使用丙酮在超声波下热煮三遍，去掉光刻胶；然后使用负胶去膜剂在60-70℃条件下热煮10分钟，接着用去离子水冲洗10分钟，使用异丙醇脱水，N2吹干，放在烘箱里烘干，经腐蚀和去胶清洗后所形成图形的横截面如图2所示；具有洁净的侧壁及表面是取得好的钝化效果的保证；
步骤5：使用甩胶机在刻蚀后的外延片的表面上涂覆树脂材料7，所述的涂覆树脂材料7为SU-8-2002型号的负性光刻胶，匀胶机的转数3千转/每秒，较厚约为2微米左右，制作的图形横截面如图3所示；
步骤6：将涂覆树脂材料7的外延片，在烘箱或热板上在95℃的温度下前烘3分钟，去除树脂材料中的稀释剂，进行曝光。根据所使用的光刻机的曝光强度，选定曝光时间为85s；
步骤7：然后再在95℃热板的上，进行中烘3-5分钟；当烘烤1分钟的时候能够看到光刻图形，证明曝光时间合适；接着使用SU-8专用显影液显20s左右后把外延片浸泡在异丙醇清洗，经显影后在涂覆树脂材料7的外延片上形成上电极和光进入窗口71和下电极窗口72。在140℃的烘箱中后烘(固化)15分钟，所形成图形的横截面如图4所示；
步骤8：在形成窗口的外延片上，制作电极材料8，所选择的电极材料8为Ti/Au，如图5所示；
步骤9：对电极材料8进行光刻，形成上电极81和下电极82，该上电极81的中间为光进入窗口83；
步骤10：去胶清洗，烘干，完成红外探测器的工艺制作，制作好的探测器的横截面图如图6所示；
尽管参照其特定的实施例详细地展示和描述了本发明，但还应该指出，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变，而不脱离所附权利要求限定的保护范围。

Claims (5)

1.一种钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作方法，包括如下步骤：
步骤1：采用金属化学有机气相沉积方法或分子束外延方法，在GaSb衬底上依次生长P型GaSb缓冲层、P型InAs/GaSb二类超晶格层、本征InAs/GaSb二类超晶格光吸收层、N型InAs/GaSb二类超晶格层和N型InAs欧姆接触层，形成外延片；
步骤2：把外延片在超声波下依次使用三氯乙烯、丙酮和甲醇在50℃条件下热煮5分钟，然后使用异丙醇脱水，吹干，放在烘箱里烘干；
步骤3：对外延片进行光刻，然后采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，对外延片进行腐蚀或刻蚀；
步骤4：在温度为50℃的条件下，使用丙酮在超声波下热煮三遍，去掉光刻胶；然后使用负胶去膜剂在60-70℃条件下热煮10分钟，接着用去离子水冲洗10分钟，使用异丙醇脱水，吹干，放在烘箱里烘干；
步骤5：使用甩胶机在刻蚀后的外延片的表面上涂覆树脂材料；
步骤6：将涂覆树脂材料的外延片，在烘箱或热板上进行前烘，去除树脂材料中的稀释剂，进行曝光；
步骤7：进行中烘，显影，在涂覆树脂材料的外延片上形成上电极和光进入窗口和下电极窗口，后烘固化；
步骤8：在形成窗口的外延片上，制作电极材料；
步骤9：对电极材料进行光刻，形成上电极和下电极，该上电极的中间为光进入窗口；
步骤10：去胶清洗，烘干，完成红外探测器的工艺制作。
2.根据权利1要求所述的钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的制作方法，其中所述的涂覆树脂材料为SU-8负性光刻胶、聚酰亚胺或AZ系列负性光刻胶。
3.根据权利要求1所述的钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作方法，其中所选择的电极材料为Ti/Au。
4.根据权利1要求所述的钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作方法，其中所述的腐蚀或刻蚀，其腐蚀或刻蚀的深度到达P型GaSb缓冲层之内。
5.根据权利1要求所述的钝化InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作方法，其中所述的吹干的气体为N2。
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