CN104201237B - 一种多元红外探测器台面器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多元红外探测器台面器件及其制作方法，其中，该方法区别于传统台面器件制作工艺，采用开槽隔离工艺将台面器件的有效光敏像元之间进行隔离，以避免光生载流子的不规则运动和收集；同时为了避免无效光敏区域产生的光生载流子被有效光敏像元吸收，采用将无效光敏区域处P‑N结进行短接、复合掉无效光生载流子的工艺，两种工艺合为一体，形成完整的技术方案。本发明解决了传统台面器件工艺制作的多元红外探测器存在的电串音问题，从而避免了应用过程中的波形次峰和虚假信号问题。

Description

一种多元红外探测器台面器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及红外探测领域，特别是涉及一种多元红外探测器台面器件及其制作方法。

背景技术

红外探测器能够将入射的红外辐射信号转变成电信号输出，从而达到对目标探测、识别、跟踪等目的，目前已经成为现代武器装备，如红外制导、红外成像、红外跟踪等系统中的核心部件，其性能指标直接关系到整个系统的质量。光伏型红外探测器是利用P-N结的光生伏特效应，将入射的红外光转化为相应的电信号，作为一种全天候被动探测器，具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力请等特点，在军事、民用等诸多领域都有广泛的应用。

随着红外技术的发展，为了提高系统的作用距离、响应速度及扩大视场和简化光机扫描结构，光伏型红外探测器从单元发展为多元。目前多元光伏红外探测器已经广泛应用于红外制导等系统中，但是在应用过程中多元探测器不同探测元之间的串音是影响其性能的一个重要因素，也是多元探测器工程化过程中较难解决的问题之一。

串音通常由电子学串音和光学串音两部分组成，电串音产生的原因是入射到多元光伏探测器某一个光敏元的辐射信号激发的电子-空穴被其他光敏元接收，造成了其他光敏元的响应；或者，是入射到无效光敏区域的辐射信号激发的电子-空穴被有效光敏元接收而产生的响应，都是电串音。

电串音问题会导致多元光伏红外探测器的信号波形产生次峰响应干扰，影响探测器探测信号的精准度，并且会直接影响探测器的光电性能，在测试过程中产生虚假信号。避免或解决电串音问题需要对多元光伏型探测器的器件工艺和结构进行优化设计，成熟有效的台面器件工艺和适当的元间距离能够解决电串音的问题。

台面器件工艺是制备高性能多元光伏型红外探测器的核心技术，多元光伏探测器件实际是一种光电二极管，利用P-N结的光生伏特效应，将入射的红外光转化为相应的电信号。传统的多元台面器件工艺是在扩散或注入形成P-N结的衬底上，通过光刻掩膜刻蚀出台面结构，然后将衬底的表面进行钝化，再光刻掩膜刻蚀出接触孔，最后在接触孔处生长金属欧姆接触，实现P-N结正负电极引出。

然而，通过传统的多元台面器件工艺得到的多元红外探测器存在严重的电串音问题，该导致其在后续应用过程中，出现响应波形次峰干扰，并且在测试过程中会产生虚假信号，因此，急需一种新的台面器件工艺来解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种多元红外探测器台面器件及其制作方法，用以解决现有技术通过传统的多元台面器件工艺得到的多元红外探测器存在严重的电串音，导致其在后续应用过程中，出现响应波形次峰干扰，并且在测试过程中会产生虚假信号的问题。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种多元红外探测器台面器件的制作方法，包括：

在衬底材料上通过光刻工艺形成台面刻蚀的图形；根据所述衬底材料的特性确定第一预定工艺，并通过所述第一预定工艺按照所述台面刻蚀的图形刻蚀出台面结构，以将光敏像元之间、有效光敏元与无效光敏元之间通过开槽隔离开；根据所述衬底材料的特性确定钝化层体系，并根据所述钝化层体系对刻蚀出台面结构的衬底材料进行钝化；在钝化后衬底的钝化层上，通过光刻工艺形成电极孔刻蚀的图形；根据所述钝化层材料的特性确定第二预定工艺，并通过所述第二预定工艺按照所述电极孔刻蚀的图形刻蚀出正负电极接触孔和无效光敏区域P-N结短接孔，以露出衬底材料；在露出的衬底材料表面上，通过第三预定工艺生长一层金属电极层，以使所述接触孔和所述短接孔处形成金属-半导体欧姆接触；在生长电极层后衬底的金属电极层上，通过光刻工艺形成电极刻蚀的图形；根据电极层对应的金属电极材料特性确定第四预定工艺，并通过所述第四预定工艺将电极以外无用的金属层刻蚀掉，以形成多元红外探测器台面器件。

进一步，通过所述第一预定工艺按照所述台面刻蚀的图形刻蚀出台面结构时，所述台面结构的刻蚀深度根据P-N结厚度和所述第一预定工艺对应的工艺需求共同确定。

进一步，所述钝化层体系包括以下一种或多种：二氧化硅、氮氧化硅、碲化镉、硫化锌。

进一步，根据所述钝化层体系对刻蚀出台面结构的衬底材料进行钝化包括：根据所述钝化层体系，通过磁控溅射工艺或化学气相沉积工艺对刻蚀出台面结构的衬底材料进行钝化。

进一步，上述金属电极层的材料为铬-金体系。

进一步，所述第一预定工艺、所述第二预定工艺和所述第四预定工艺均包括：湿化学腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺。

进一步，所述第三预定工艺包括：热蒸发工艺或者溅射工艺。

另一方面，本发明还提供一种多元红外探测器台面器件，通过上述的制作方法进行制备，包括：两个光敏像元之间开槽隔离处，光敏像元与无效光敏区域开槽隔离处，无效光敏区域P-N结短接处，负极地孔处；其中，所述无效光敏区域P-N结短接处和所述负极地孔处都填充入金属电极。

本发明提供了一种新的台面器件的制作方法，该方法采用开槽隔离将台面器件的有效光敏像元之间进行隔离，又通过将无效光敏区域处P-N结进行短接、复合掉无效光生载流子的方法，解决了现有技术通过传统的多元台面器件工艺得到的多元红外探测器存在严重的电串音，导致其在后续应用过程中，出现响应波形次峰干扰，并且在测试过程中会产生虚假信号的问题。

附图说明

图1是本发明实施例中多元红外探测器台面器件的制作方法的流程图；

图2是本发明实施例中多元红外探测器台面器件的结构示意图；

图3是本发明优选实施例中用开槽隔离工艺后的台面器件的示意图；

图4是本发明优选实施例中采用无效光敏区域P-N结短接工艺制备的台面器件的示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术通过传统的多元台面器件工艺得到的多元红外探测器存在严重的电串音，导致其在后续应用过程中，出现响应波形次峰干扰，并且在测试过程中会产生虚假信号的问题，本发明提供了一种多元红外探测器台面器件及其制作方法，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明实施例提供了一种多元红外探测器台面器件的制作方法，其流程如图1所示，包括步骤S101至步骤S108：

S101，在衬底材料上通过光刻工艺形成台面刻蚀的图形；

S102，根据衬底材料的特性确定第一预定工艺，并通过第一预定工艺按照台面刻蚀的图形刻蚀出台面结构，以将光敏像元之间、有效光敏元与无效光敏元之间通过开槽隔离开；

S103，根据衬底材料的特性确定钝化层体系，并根据钝化层体系对刻蚀出台面结构的衬底材料进行钝化；

S104，在钝化后衬底的钝化层上，通过光刻工艺形成电极孔刻蚀的图形；

S105，根据钝化层材料的特性确定第二预定工艺，并通过第二预定工艺按照电极孔刻蚀的图形刻蚀出正负电极接触孔和无效光敏区域P-N结短接孔，以露出衬底材料；

S106，在露出的衬底材料表面上，通过第三预定工艺生长一层金属电极层，以使接触孔和短接孔处形成金属-半导体欧姆接触；

S107，在生长电极层后衬底的金属电极层上，通过光刻工艺形成电极刻蚀的图形；

S108，根据电极层对应的金属电极材料特性确定第四预定工艺，并通过第四预定工艺将电极以外无用的金属层刻蚀掉，以形成多元红外探测器台面器件。

本发明实施例提供了一种新的台面器件的制作方法，该方法采用开槽隔离将台面器件的有效光敏像元之间进行隔离，又通过将无效光敏区域处P-N结进行短接、复合掉无效光生载流子的方法，解决了现有技术通过传统的多元台面器件工艺得到的多元红外探测器存在严重的电串音，导致其在后续应用过程中，出现响应波形次峰干扰，并且在测试过程中会产生虚假信号的问题。

在上述过程中，第一预定工艺、第二预定工艺和第四预定工艺均可以是湿化学腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺，具体采用何种工艺根据实际情况确定。第三预定工艺包括热蒸发工艺或者溅射工艺，同样的，也根据具体情况确定采用何种工艺。

通过第一预定工艺按照台面刻蚀的图形刻蚀出台面结构时，台面结构的刻蚀深度根据P-N结厚度和第一预定工艺对应的工艺需求共同确定。

上述过程中，钝化层体系包括以下一种或多种：二氧化硅、氮氧化硅、碲化镉、硫化锌，实现时，根据钝化层体系，通过磁控溅射工艺或化学气相沉积工艺对刻蚀出台面结构的衬底材料进行钝化，例如，如果钝化层体系选择为二氧化硅，则可以选择二氧化硅对应的工艺对刻蚀出台面结构的衬底材料进行钝化。

在生长电极层后衬底的金属电极层上，通过光刻工艺形成电极刻蚀的图形时，金属电极层的材料通常可以在铬-金体系进行选择。

本发明实施例还提供一种多元红外探测器台面器件，通过上述制作方法进行制备，其结构示意如图2所示，包括：

两个光敏像元之间开槽隔离处1，光敏像元与无效光敏区域开槽隔离处2，无效光敏区域P-N结短接处3，负极地孔处4；其中，在无效光敏区域P-N结短接处3和负极地孔处4都填充入金属电极。

优选实施例

多元红外探测器台面器件的电串音问题会造成探测器的响应波形产生次峰，并且会影响探测器的光电性能，是多元探测器工程化过程中较难解决的问题之一。之前采用传统台面器件工艺制备的多元红外探测器器件存在电串音问题，导致其在后续应用过程中出现响应波形次峰干扰的问题，并且在测试过程中会产生虚假信号。

本实施例就是针对多元红外探测器台面器件的电串音问题而发明的一种方法，用于多元红外探测器的台面器件工艺中，能够避免台面器件像元之间和无效光敏区域的电串音，从而解决探测器应用中的响应波形次峰干扰问题。此方法中包含有效光敏像元间开槽隔离工艺和无效光敏区域处PN结短接工艺，两者合为一体，形成完整的技术方案。区别于传统台面器件工艺，本实施例提供了一种新的方法，更好的避免了台面器件的电串音，在实际应用中得到验证可以解决多元红外探测器响应波形的次峰干扰问题，此工艺方法可以推广应用于所有多元红外探测器的台面器件工艺中。下面对本发明实施例的方案进行进一步说明。

本发明实施例采用的技术方案是：在对多元红外探测器台面器件电串音问题充分分析的基础上，采用开槽隔离工艺将台面器件的有效光敏像元之间进行隔离，以避免光生载流子的不规则运动和收集(产生像元间电串)；同时，为了避免无效光敏区域产生的光生载流子被有效光敏像元吸收(对有效像元电串)，采用将无效光敏区域处P-N结进行短接、复合掉无效光生载流子的工艺，两种工艺合为一体，形成完整的技术方案。

传统台面器件光刻版图中有效光敏像元在台面上，其他所有无效光敏区域都在台面下，而且光敏像元之间、无效光敏区域与光敏像元之间都没有隔离，同时也没有将无效光敏区域的P-N结短。

本发明实施例所采用的开槽隔离工艺和无效光敏区域P-N结短接两种工艺，首先是在多元光伏器件的光刻版图设计中就区别于传统台面器件工艺，下面对该区别进行说明：

(1)台面光刻版图中用具体光刻、刻蚀等器件工艺允许的最小槽宽将器件上每个光敏像元之间以及与无效光敏区域隔离分开，并且在无效光敏区域均匀布置P-N结短接点，除开槽、负极地孔和P-N结短接点在台面下，其他区域都在台面上；

(2)接触孔光刻版图中除了设置传统工艺中的P-N结正负电极接触孔，在无效光敏区域同时设置P-N结短接孔；

(3)电极光刻版图中除了将传统工艺中的P-N结正负电极引出以外，还利用金属欧姆接触把无效光敏区域处的P-N结进行了短接。

开槽隔离工艺首先是将设计好的台面光刻版图形通过光刻工艺转移到多元器件衬底上，然后通过刻蚀工艺将分隔槽处刻蚀到P-N结下层(P on N结构刻蚀到N型层，N on P结构刻蚀到P型层)，无效光敏区域P-N结短接处和负(地)电极处也刻蚀到下层，与传统台面器件工艺不同，其他无效光敏区域不进行刻蚀，也相当于是台面。台面刻蚀后开槽隔离工艺完成，形成了一种特殊的台面结构。

在开槽隔离工艺形成的台面结构上生长一层钝化层，通过光刻工艺将接触孔光刻版图中的图形转移到衬底上，然后采用刻蚀工艺将正负电极接触孔、无效光敏区域P-N结短接孔处的钝化层刻蚀干净，接触孔处分别露出P型和N型衬底材料，短接孔处同时露出P型和N型衬底材料。下面就是进行电极生长工艺，通过电极光刻掩膜，在接触孔和短接孔处采用热蒸发或溅射工艺生长金属层欧姆接触，从而实现了P-N结正负电极的引出以及无效光敏区域P-N结的短接工艺。

该避免电串音的工艺方案所得的多元红外探测器台面器件不存在光敏像元之间和无效光敏区域的电串音问题，从而在后续测试过程中不会产生虚假信号、影响探测器的光电性能，并且在工程应用过程中没有出现响应波形次峰干扰问题，提高了探测系统的精准度。

通过运用本实施例，可以在多元红外探测器台面器件的制备工艺中，有效地避免了多元红外探测器台面器件光敏像元的电串音，从而解决了该类型探测器在后续工程应用过程中的响应波形次峰干扰和虚假信号问题，攻破了一项多元红外探测器的工程应用难关，并且提升了红外系统探测的精准度。

下面结合附图对本实施例中的方法做进一步说明。

多元红外探测器台面器件正常信号响应波形通常底部平滑，然而存在电串音问题的台面器件信号响应波形底部有次峰干扰。本实施例图3为使用开槽隔离工艺后的示意图，图中网格部分为有效光敏像元，斜线部分为无效光敏区域；1为两个光敏像元之间开槽隔离处，2为光敏像元与无效光敏区域开槽隔离处，3为无效光敏区域P-N结短接处，4为负极地孔处。

图4是本发明所采用无效光敏区域P-N结短接工艺制备的台面器件剖面示意图。基于图3的工艺完成的基础上进行图4的工艺，在图中，6为光敏元处正电极金属接触，7为无效光敏区域处P-N结短接电极金属接触，5为地孔处负电极金属接触。

下面对制得上述台面器件的过程进行说明，其工艺过程详述如下：

(1)台面光刻：在清洗干净的衬底材料上利用光刻工艺形成台面刻蚀的图形。

(2)台面刻蚀：根据具体多元器件衬底材料的特性，采用湿化学腐蚀或者干法刻蚀工艺刻蚀出器件的具体台面结构，如图3所示，台面刻蚀深度根据器件P-N结具体厚度及相应工艺需求而确定。

(3)钝化层生长：针对具体的多元器件衬底材料选择适合的钝化层体系，常用的有二氧化硅、氮氧化硅、碲化镉、硫化锌等单层膜或复合膜，生长工艺可以采用磁控溅射、化学气相沉积等方式。

(4)接触孔光刻：在衬底的钝化层上利用光刻工艺形成电极孔刻蚀的图形。

(5)接触孔刻蚀：针对具体的钝化层材料，采用湿化学腐蚀或者干法刻蚀工艺刻蚀出正负电极接触孔和无效光敏区域P-N结短接孔，露出衬底材料。

(6)金属电极生长：在衬底表面采用热蒸发或者溅射的工艺方式生长一层金属电极层，在接触孔和短接孔处形成金属-半导体欧姆接触，如图4中5、6、7处所示，常用的金属电极是铬-金体系，具体厚度根据相应工艺需求而确定。

(7)电极光刻：在衬底的金属电极层上利用光刻工艺形成电极刻蚀的图形。

(8)电极刻蚀：针对具体的金属电极材料，采用湿化学腐蚀或者干法刻蚀工艺将电极以外无用的金属层刻蚀掉。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (8)

1.一种多元红外探测器台面器件的制作方法，其特征在于，包括：

在衬底材料上通过光刻工艺形成台面刻蚀的图形；

根据所述衬底材料的特性确定第一预定工艺，并通过所述第一预定工艺按照所述台面刻蚀的图形刻蚀出台面结构，以将光敏像元之间、光敏像元与无效光敏区域之间通过开槽隔离开；

根据所述衬底材料的特性确定钝化层体系，并根据所述钝化层体系对刻蚀出台面结构的衬底材料进行钝化；

在钝化后衬底的钝化层上，通过光刻工艺形成电极孔刻蚀的图形；

根据所述钝化层材料的特性确定第二预定工艺，并通过所述第二预定工艺按照所述电极孔刻蚀的图形刻蚀出正负电极接触孔和无效光敏区域P-N结短接孔，以露出衬底材料；

在露出的衬底材料表面上，通过第三预定工艺生长一层金属电极层，以使所述接触孔和所述短接孔处形成金属-半导体欧姆接触；

在生长电极层后衬底的金属电极层上，通过光刻工艺形成电极刻蚀的图形；

根据电极层对应的金属电极材料特性确定第四预定工艺，并通过所述第四预定工艺将电极以外无用的金属层刻蚀掉，以形成多元红外探测器台面器件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述第一预定工艺按照所述台面刻蚀的图形刻蚀出台面结构时，所述台面结构的刻蚀深度根据P-N结厚度和所述第一预定工艺对应的工艺需求共同确定。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钝化层体系包括以下一种或多种：二氧化硅、氮氧化硅、碲化镉、硫化锌。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述钝化层体系对刻蚀出台面结构的衬底材料进行钝化包括：

根据所述钝化层体系，通过磁控溅射工艺或化学气相沉积工艺对刻蚀出台面结构的衬底材料进行钝化。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述金属电极层的材料为铬-金体系。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一预定工艺、所述第二预定工艺和所述第四预定工艺均包括：湿化学腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺。

7.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述第三预定工艺包括：热蒸发工艺或者溅射工艺。

8.一种多元红外探测器台面器件，通过权利要求1至7中任一项所述的制作方法进行制备，其特征在于，包括：

两个光敏像元之间开槽隔离处(1)，光敏像元与无效光敏区域开槽隔离处(2)，无效光敏区域P-N结短接处(3)，负极地孔处(4)；

其中，上述所述无效光敏区域P-N结短接处(3)和所述负极地孔处(4)都填充入金属电极。