CN104465686B - 红外探测器阵列及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外探测器阵列及其制作方法。该探测器阵列包括n型InSb衬底(1)和钝化层(7)，n型InSb衬底(1)上刻蚀有t×t个台面(2)，t为整数且t≥1；台面(2)上部淀积有阳极(5)，n型InSb衬底(1)边缘上部淀积有“回”字型阴极(6)；所述n型InSb衬底(1)上部和每个台面(2)侧面淀积有保护层(4)，每个台面(2)正下方的n型InSb衬底(1)内设有m×m个相同的p型锥形掺杂区(3)，形成p型锥形掺杂区阵列，每个p型锥形掺杂区(3)均与n型InSb衬底(1)构成pn结，m为整数且m≥1。本发明具有工艺简单、量子效率高、串音低的优点，可用于红外侦查和红外医疗领域。

Description

红外探测器阵列及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体光伏探测器件技术领域，特别涉及红外探测器阵列，可用于红外侦查、红外制导和红外医疗。

技术背景

红外焦平面阵列式红外系统的核心元件，其功能是将红外辐射转化成其它我们能够识别的信号。在空间对地观测、光电对抗、机器人视觉、医用和工业热成像、搜索与跟踪、以及导弹精确制导等军、民领域有重要而广泛的应用，高性能大规模的红外焦平面阵列已经大量应用于各种重大国家安全项目和重要新型武器系统中。由于其具有不可替代的地位和作用，世界上的主要工业大国都将红外焦平面阵列器件制备技术列为重点发展的高技术项目。

红外探测器的工作模式主要有光导型和光伏型两种，而光伏型红外探测器由于存在内建电场，暗电流较小，所以广泛应用于军事中，其中光伏型InSb红外探测器是目前研究最多的一种光伏型探测器，这种探测器多数以pn结为基础，可以构成光伏型焦平面阵列。近年来，红外焦平面阵列技术已经呈现出规格越来越大、像元中心距越来越小、多光谱探测应用越来越多、新材料不断涌现等的发展趋势。在高级红外应用系统的大力驱动下，红外探测技术已经从第一代的单元和线阵列，逐渐进入了以大面阵、小型化和多色化等特点的第三代红外焦平面探测器的发展阶段。随着航天和军事领域的飞速发展，对中波红外探测器件的性能要求越来越高，通过改善材料质量来提高探测器性能已远不能满足当前的应用需求，因此采用器件结构优化设计来提高探测器性能已成为国内外研究热点。

量子效率和串音是衡量InSb光伏型探测器阵列性能的重要参数指标，他们会影响探测器阵列的探测率，在很大程度上决定着探测器的探测效果。1971年，Vernon L.Lambert等人提出了一种台面结构的InSb红外探测器阵列，提高了光生载流子的收集效率。为了进一步提高量子效率、减小串音，1981年，赵文琴首次提出在InSb阵列探测器中采用质子注入形成的高阻层进行隔离的方法，制备的InSb阵列探测器的串音降低到1.7～3.76％，然而量子效率的改善并不明显，仅为45％，参见InSb质子轰击损伤的隔离效应,赵文琴,半导体学报,Vol.2,No.1,pp.14-21,1981。2006年，叶振华等人报道了一种带有增透会聚微镜的红外焦平面探测器，有效地提高了探测器的光电流，可将串音减小到1％，参见专利CN 100433328C。然而，该发明是通过从外部引入新型的增透会聚微镜来改善探测器的性能，一方面，增透会聚微镜的制备较为复杂，另一方面，该专利中在半导体器件结构设计方面并没有本质的创新。2011年，胡伟达等人报道了一种微透镜列阵InSb红外焦平面阵列的结构，该结构是通过采用硅微透镜结构增加了光吸收，从而改善了器件性能，通过硅微透镜结构优化可以使串音降低到4.2％，参见专利CN102201487B。然而，该发明需要在硅衬底上异质外延InSb材料，这将会导致n型InSb区域中尤其是硅衬底与n型InSb区域界面附近产生大量位错或缺陷，影响光生载流子的产生，并会俘获大量光生载流子，此外该发明还需要制备硅微透镜，因此该发明实现难度较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种制造工艺简单、串音小、量子效率高的红外探测器阵列及其制作方法，以提高红外探测器阵列的性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种红外探测器阵列，该结构自上而下包括：n型InSb衬底和钝化层，n型InSb衬底上刻蚀有t×t个台面，t为整数且t≥1；每个台面上部淀积有阳极，n型InSb衬底边缘上部淀积有“回”字形阴极；所述n型InSb衬底上部和每个台面侧面淀积有保护层，其特征在于：每个台面正下方的n型InSb衬底内设有m×m个相同的p型锥形掺杂区，形成p型锥形掺杂区阵列，每个p型锥形掺杂区均与n型InSb衬底构成pn结，m为整数且m≥1。

作为优选，所述的n型InSb衬底刻蚀前的厚度k为2.6～21μm，刻蚀后的厚度s为2～9μm，掺杂浓度为1×10¹¹cm^-3～1×10¹⁶cm^-3。

作为优选，所述的每个台面的上、下表面均为正方形，正方形的边长L为8～56μm，每个台面的高度H均相同，H等于k减去s，且取值范围为0.6～12μm。

作为优选，所述的相邻两个台面的间距d₁和最边缘台面与n型InSb衬底边缘之间的距离d₂相等，且取值范围为0.5～45μm。

作为优选，所述的每个台面的下表面与其正下方的m×m个p型锥形掺杂区的底面相接。

作为优选，所述的m×m个p型锥形掺杂区均为正四棱锥，正四棱锥底面边长为l，l＝L/m，高h小于或等于n型InSb衬底刻蚀后的厚度s，且h等于

为实现上述目的，本发明提供的制作红外探测器阵列的方法，包括如下过程：

第一步，在n型InSb衬底上第一次制作掩膜，利用该掩膜在n型InSb衬底上刻蚀制作t×t个台面；

第二步，在n型InSb衬底上部、每个台面上部和每个台面侧面淀积厚度为2～9μm的介质层；

第三步，在介质层上第二次制作掩膜，利用该掩膜在每个台面上部的介质层内刻蚀制作m×m个相同的锥形凹槽，锥形凹槽的深度小于或等于介质层的厚度；

第四步，对每个锥形凹槽下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现对每个台面的p型掺杂，并在每个台面下部形成m×m个相同的p型锥形掺杂区，其中p型锥形掺杂区均为正四棱锥，正四棱锥底面边长为l，l＝L/m，高h小于或等于n型InSb衬底刻蚀后的厚度s，且h等于

第五步，在介质层上第三次制作掩膜，利用该掩膜刻蚀去除n型InSb衬底上部、每个台面上部和每个台面侧面的介质层；

第六步，在n型InSb衬底上部、每个台面上部和每个台面侧面淀积保护层，即用绝缘介质材料分别覆盖n型InSb衬底上部、每个台面上部和每个台面侧面的区域；

第七步，在保护层上第四次制作掩膜，利用该掩膜刻蚀去除n型InSb衬底边缘上部和每个台面上部的保护层；

第八步，在每个台面上和n型InSb衬底边缘上第五次制作掩膜，利用该掩膜在每个台面上部淀积金属制作阳极，同时在n型InSb衬底边缘上部淀积金属制作“回”字形阴极；

第九步，在n型InSb衬底的下部淀积钝化层，即用透红外辐射绝缘介质材料覆盖n型InSb衬底下部的区域，从而完成整个探测器阵列的制作。

本发明阵列与传统的红外探测器阵列比较具有以下优点：

1、本发明由于在每个台面下的n型InSb衬底内均形成了m×m个相同的p型锥形掺杂区，减小了pn结结区与光生载流子产生区之间的距离，并增大了pn结的结面积，从而增强了pn结结区抽取光生载流子的能力，有效抑制了光生载流子向其它探测单元的运动，因此大大减小了红外探测器阵列的串音，显著提高了量子效率。

2、本发明通过在台面下n型InSb衬底内引入锥形掺杂区来改善红外探测器阵列的性能，避免了在传统红外探测器阵列制作工艺中光学微透镜制备、异质外延等所带来的工艺复杂化问题，降低了探测器阵列的制造难度。

仿真结果表明，本发明红外探测器阵列的性能明显优于传统红外探测器阵列的性能。

以下结合附图和实施例进一步说明本发明的技术内容和效果。

附图说明

图1是本发明红外探测器阵列的俯视结构示意图；

图2是对图1横向AB的剖面结构示意图；

图3是本发明红外探测器阵列的工艺制作流程图；

图4是本发明与传统的红外探测器阵列的空穴浓度仿真对比图；

图5是本发明与传统的红外探测器阵列沿入射辐射方向的纵向电场仿真对比图；

图6是本发明与传统的红外探测器阵列沿入射辐射方向的横向电场仿真对比图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明红外探测器阵列是基于InSb半导体材料的pn结结构，该结构自上而下包括：n型InSb衬底1和钝化层7。

所述n型InSb衬底1上刻蚀有t×t个台面2，t为整数且t≥1，其中n型InSb衬底1刻蚀前的厚度k为2.6～21μm，刻蚀后的厚度s为2～9μm，掺杂浓度为1×10¹¹cm^-3～1×10¹⁶cm^-3；每个台面2的上、下表面均为正方形，正方形边长L为8～56μm，每个台面的高度H均相同，H的取值范围为0.6～12μm；相邻两个台面2的间距为d₁，最边缘台面与n型InSb衬底1边缘之间的距离为d₂，d₁＝d₂，且取值范围为0.5～45μm。每个台面2上部淀积有阳极5。n型InSb衬底1边缘上部淀积有“回”字形阴极6，该“回”字形图形各内边长相等且各外边长相等，其中外边长为t×L+(t+1)×d₁，外边长与内边长的间距为d₂/2。每个台面2正下方的n型InSb衬底1内设有m×m个相同的p型锥形掺杂区3，形成p型锥形掺杂区阵列，这些p型锥形掺杂区3均与n型InSb衬底1构成pn结，m为整数且m≥1；每个台面2的下表面与该台面正下方m×m个p型锥形掺杂区3的底面相接，p型锥形掺杂区均为正四棱锥，正四棱锥底面边长为l，l＝L/m，高h小于或等于n型InSb衬底1刻蚀后的厚度s，且h等于n型InSb衬底1上部和每个台面2侧面淀积有保护层4。

上述红外探测器阵列中的：保护层4采用SiO₂、ZnS、SiN、Al₂O₃、Sc₂O₃、HfO₂、TiO₂或其它绝缘介质材料，其厚度为0.05～1.2μm；阳极5和阴极6的厚度相同，且均采用相同的Cr/Au金属组合，金属厚度为0.02～0.06μm/0.4～0.8μm，且下层金属厚度小于上层金属厚度；钝化层7采用ZnS、SiO₂、SiN、Al₂O₃、HfO₂、TiO₂或其它透红外辐射绝缘介质材料，其厚度为0.1～2μm。

参照图3，本发明制作红外探测器阵列给出如下三种实施例：

实施例一：制作保护层为SiN，钝化层为SiN，每个台面正下方p型锥形掺杂区的个数m×m＝4×4，阵列大小为30×30的红外探测器阵列。

步骤1，在n型InSb衬底1上刻蚀制作30×30个台面2，如图3a。

1a)在厚度k为21μm、掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3的n型InSb衬底1上第一次制作掩膜，该掩膜图形为由30×30个边长L为56μm的正方形组成的阵列，相邻两个正方形的间距d₁，以及最边缘正方形与n型InSb衬底1边缘之间的距离d₂均为45μm；

1b)利用该掩膜采用反应离子刻蚀技术在n型InSb衬底1上刻蚀出30×30个台面2，其中每个台面的高度H均为12μm，n型InSb衬底1刻蚀后的厚度s为9μm。刻蚀台面采用的工艺条件为：CH₄与H₂流量比为2:6.6，压强为0.3Pa，功率为490W。

步骤2，在n型InSb衬底1上部、30×30个台面2上部和30×30个台面2侧面淀积介质层8，如图3b。

采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型InSb衬底1上部、30×30个台面2上部和30×30个台面2侧面淀积厚度为9μm的SiO₂介质层8。

淀积介质层采用的工艺条件为：N₂O流量为890sccm，SiH₄流量为215sccm，温度为265℃，RF功率为27W，压强为1150mTorr。

步骤3，在介质层8内刻蚀制作锥形凹槽9，如图3c。

在介质层8上第二次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术在30×30个台面2上部的介质层8内均刻蚀制作4×4个相同的锥形凹槽9，锥形凹槽9均为正四棱锥，正四棱锥的底面的边长为14μm，凹槽深度为9μm。

刻蚀凹槽采用的工艺条件为：SF₆流量为7sccm，O₂流量为2sccm，压强为12mTorr，偏置电压为120V。

步骤4，对锥形凹槽9下的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现台面2的p型掺杂，并形成p型锥形掺杂区3，如图3d。

对每个锥形凹槽9下的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现对30×30个台面2的p型掺杂，同时在每个台面2下部的n型InSb衬底1内形成与介质层8内4×4个锥形凹槽9形状相似的p型锥形掺杂区3，p型锥形掺杂区均为正四棱锥，正四棱锥的底面边长l为14μm，高h为6μm，其中掺杂杂质为硼离子，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

离子注入采用的工艺条件为：注入剂量为7×10¹³cm^-2，注入能量为800keV。

步骤5，去除介质层8，如图3e。

在介质层8上第三次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术刻蚀去除在n型InSb衬底1上部、30×30个台面2上部和30×30个台面2侧面的介质层8。

刻蚀介质层采用的工艺条件为：CF₄流量为48sccm，O₂流量为7sccm，压强为17mTorr，功率为270W。

步骤6，在n型InSb衬底1上部、30×30个台面2上部和30×30个台面2侧面淀积保护层4，如图3f。

采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型InSb衬底1上部、30×30个台面2上部和30×30个台面2侧面淀积厚度为1.2μm的SiN保护层4。

淀积钝化层采用的工艺条件为：气体为NH₃、N₂及SiH₄，气体流量分别为2.3sccm、926sccm和226sccm，温度、RF功率和压强分别为276℃、23W和926mTorr。

步骤7，刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和30×30个台面2上部的保护层4，如图3g。

7a)在保护层4上第四次制作掩膜，该掩膜是由阳极掩膜图形和阴极掩膜图形构成，其中阳极掩膜图形是由30×30个边长L为56μm的正方形所组成的阵列，相邻两个正方形的间距d₁、最边缘正方形与n型InSb衬底1边缘之间的距离d₂均为45μm；阴极掩膜图形为“回”字形图形，该“回”字形图形各内边长相等且各外边长相等，其中外边长为3075μm，外边长与内边长的间距为22.5μm；

7b)利用上述掩膜采用反应离子刻蚀技术刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和30×30个台面2上部的保护层4。刻蚀保护层采用的工艺条件为：CF₄流量为45sccm，O₂流量为5sccm，压强为15mTorr，功率为250W。

步骤8，在每个台面2上部淀积金属制作阳极5，在n型InSb衬底1边缘上部淀积金属制作“回”字形阴极6，如图3h。

8a)在30×30个台面2上和n型InSb衬底1边缘上第五次制作掩膜，该掩膜图形与步骤7中第四次制作的掩膜图形完全相同；

8b)利用上述掩膜，采用电子束蒸发技术在每个台面2上部和n型InSb衬底1边缘上部依次淀积Cr、Au金属，制作阳极5和“回”字形阴极6，金属厚度为0.06μm/0.8μm，再在N₂气氛中进行快速退火。

淀积金属采用的工艺条件为：真空度小于1.8×10^-3Pa，功率范围为180～980W，蒸发速率小于快速退火采用的工艺条件为：温度为700℃，时间为30s。

步骤9，在n型InSb衬底1的下部淀积钝化层7，如图3i。

采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型InSb衬底1的下部淀积厚度为2μm的SiN钝化层7，从而完成整个探测器阵列的制作。

淀积钝化层采用的工艺条件为：气体为NH₃、N₂及SiH₄，气体流量分别为2.5sccm、950sccm和250sccm，温度、RF功率和压强分别为300℃、25W和950mTorr。

实施例二：制作保护层为SiO₂，钝化层为SiO₂，每个台面正下方p型锥形掺杂区的个数m×m＝2×2，阵列大小为512×512的红外探测器阵列。

步骤一，在n型InSb衬底1上刻蚀制作512×512个台面2，如图3a。

在厚度k为11μm、掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3的n型InSb衬底1上第一次制作掩膜，采用感应耦合等离子反应刻蚀技术，在Ar/CH₄/H₂流量比为1:3:10，压强为10Pa，功率为550W的工艺条件下，在n型InSb衬底1上刻蚀制作512×512个台面高度H为6μm、边长L为36μm的正方形台面2，其中相邻两个台面的间距d₁、最边缘台面与n型InSb衬底1边缘之间的距离d₂均为20μm；n型InSb衬底1刻蚀后的厚度s为5μm。

步骤二，在n型InSb衬底1上部、512×512个台面2上部和512×512个台面2侧面淀积介质层8，如图3b。

采用等离子体增强化学气相淀积技术，在气体为NH₃、N₂及SiH₄，气体流量分别为2sccm、945sccm和245sccm，温度、RF功率和压强分别为280℃、20W和945mTorr的工艺条件下，在n型InSb衬底1上部、512×512个台面2上部和512×512个台面2侧面淀积厚度为5μm的SiN介质层8。

步骤三，在介质层8内刻蚀制作锥形凹槽9，如图3c。

在介质层8上第二次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术在CF₄流量为45sccm，O₂流量为5sccm，压强为15mTorr，功率为250W的工艺条件下，在512×512个台面2上部的介质层8内刻蚀制作2×2个相同的锥形凹槽9，锥形凹槽9均为正四棱锥，正四棱锥的底面边长为18μm，凹槽深度为4μm。

步骤四，对锥形凹槽9下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现台面2的p型掺杂，并形成p型锥形掺杂区3，如图3d。

对每个锥形凹槽9下的n型InSb材料，在注入剂量为4.2×10¹³cm^-2，注入能量为500keV的工艺条件下，进行硼离子注入，实现对512×512个台面2的p型掺杂，同时在每个台面2下部的n型InSb衬底1内形成与介质层8内2×2个锥形凹槽9形状相似的p型锥形掺杂区3，p型锥形掺杂区3均为正四棱锥，正四棱锥的底面边长l为18μm，高h为3μm，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3。

步骤五，去除介质层8，如图3e。

在介质层8上第三次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术在CF₄流量为15sccm，O₂流量为1sccm，压强为15mTorr，偏置电压为90V的工艺条件下，刻蚀去除在n型InSb衬底1上部、512×512个台面2上部和512×512个台面2侧面的介质层8。

步骤六，在n型InSb衬底1上部、512×512个台面2上部和512×512个台面2侧面淀积保护层4，如图3f。

采用等离子体增强化学气相淀积技术，在N₂O流量为870sccm，SiH₄流量为220sccm，温度为270℃，RF功率为27W，压强为1300mTorr的工艺条件下，在n型InSb衬底1上部、512×512个台面2上部和512×512个台面2侧面淀积厚度为0.6μm的SiO₂保护层4。

步骤七，刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和512×512个台面2上部的保护层4，如图3g。

在保护层4上第四次制作掩膜，其中该掩膜图形包括阳极掩膜图形和阴极掩膜图形两部分，阳极掩膜图形是由512×512个边长L为36μm的正方形所组成的阵列，相邻两个正方形的间距d₁、最边缘正方形与n型InSb衬底1边缘之间的距离d₂均为20μm；阴极掩膜图形为“回”字形图形，该“回”字形图形各内边长相等且各外边长相等，其中外边长为28692μm，外边长与内边长的间距为10μm；利用该掩膜采用反应离子刻蚀技术，在CF₄流量为20sccm，O₂流量为2sccm，压强为20mTorr，偏置电压为100V的工艺条件下，刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和512×512个台面2上部的保护层4。

步骤八，在每个台面2上部淀积金属制作阳极5，在n型InSb衬底1边缘上部淀积金属制作“回”字形阴极6，如图3h。

在512×512个台面2上和n型InSb衬底1边缘上第五次制作掩膜，该掩膜图形与步骤七中第四次制作的掩膜图形完全相同；利用该掩膜采用电子束蒸发技术在真空度小于1.8×10^-3Pa，功率范围为280～1080W，蒸发速率小于的工艺条件下，在每个台面2上部和n型InSb衬底1边缘上部依次淀积厚度为0.04μm/0.6μm的Cr、Au金属，并采用温度为770℃，时间为18s的工艺条件进行快速退火，制作阳极5和“回”字形阴极6。

步骤九，在n型InSb衬底1的下部淀积钝化层7，如图3i。

采用等离子体增强化学气相淀积技术，在N₂O流量为860sccm，SiH₄流量为210sccm，温度为275℃，RF功率为30W，压强为1250mTorr的工艺条件下，在n型InSb衬底1的下部淀积厚度为1μm的SiO₂钝化层7，从而完成整个探测器阵列的制作。

实施例三：制作保护层为SiN，钝化层为SiO₂，每个台面正下方p型锥形掺杂区的个数m×m＝1×1，阵列大小为10000×10000的红外探测器阵列。

步骤A，在n型InSb衬底1上刻蚀制作10000×10000个台面2，如图3a。

在厚度k为2.6μm、掺杂浓度为1×10¹¹cm^-3的n型InSb衬底1上第一次制作掩膜，采用感应耦合等离子反应刻蚀技术在n型InSb衬底1上刻蚀制作10000×10000个边长为8μm的正方形台面2，相邻两个台面2的间距d₁，最边缘台面2与n型InSb衬底1边缘之间的距离d₂均为0.5μm，每个台面的高度H均为0.6μm；n型InSb衬底1刻蚀后的厚度s为2μm。刻蚀台面采用的工艺条件为：Ar/CH₄/H₂流量比为1:4:13，压强为20Pa，功率为600W。

步骤B，在n型InSb衬底1上部、10000×10000个台面2上部和10000×10000个台面2侧面淀积介质层8，如图3b。

采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型InSb衬底1上部、10000×10000个台面2上部和10000×10000个台面2侧面淀积厚度为2μm的SiO₂介质层8。淀积介质层采用的工艺条件为：N₂O流量为780sccm，SiH₄流量为170sccm，温度为210℃，RF功率为20W，压强为900mTorr。

步骤C，在介质层8内刻蚀制作锥形凹槽9，如图3c。

在介质层8上第二次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术在10000×10000个台面2上部的介质层8内均刻蚀制作1个锥形凹槽9，锥形凹槽9均为正四棱锥，正四棱锥的底面边长为8μm，凹槽深度为2μm。刻蚀凹槽采用的工艺条件为：SF₆流量为5sccm，O₂流量为2sccm，压强为10mTorr，偏置电压为100V。

步骤D，对锥形凹槽9下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现台面2的p型掺杂，并形成p型锥形掺杂区3，如图3d。

对10000×10000个台面2上部介质层8内的1个锥形凹槽9下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现对每个台面2的p型掺杂，同时在每个台面2下部的n型InSb衬底1内形成与介质层8内1个锥形凹槽9形状相似的p型锥形掺杂区3，p型锥形掺杂区均为正四棱锥，正四棱锥的底面边长l为8μm，高h为2μm，其中掺杂杂质为镁离子，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3。离子注入采用的工艺条件为：注入剂量为6.3×10⁹cm^-2，注入能量为30keV。

步骤E，去除介质层8，如图3e。

在介质层8上第三次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术刻蚀去除在n型InSb衬底1上部、10000×10000个台面2上部和10000×10000个台面2侧面的介质层8。刻蚀介质层采用的工艺条件为：CF₄流量为35sccm，O₂流量为2sccm，压强为12mTorr，功率为220W。

步骤F，在n型InSb衬底1上部、10000×10000个台面2上部和10000×10000个台面2侧面淀积保护层4，如图3f。

采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型InSb衬底1上部、10000×10000个台面2上部和10000×10000个台面2侧面淀积厚度为0.05μm的SiN保护层4。淀积保护层采用的工艺条件为：气体为NH₃、N₂及SiH₄，气体流量分别为3sccm、920sccm和220sccm，温度、RF功率和压强分别为270℃、27W和920mTorr。

步骤G，刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和10000×10000个台面2上部的保护层4，如图3g。

在保护层4上第四次制作掩膜，其中该掩膜图形包括阳极掩膜图形和阴极掩膜图形两部分，阳极掩膜图形是由10000×10000个边长L为8μm的正方形所组成的阵列，相邻两个正方形的间距d₁、最边缘正方形与n型InSb衬底1边缘之间的距离d₂均为0.5μm；阴极掩膜图形为“回”字形图形，该“回”字形图形各内边长相等且各外边长相等，其中外边长为85000.5μm，外边长与内边长之间的距离为0.25μm；利用该掩膜采用反应离子刻蚀技术，刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和10000×10000个台面2上部的保护层4。刻蚀保护层采用的工艺条件为：SF₆流量为5sccm，O₂流量为2sccm，压强为10mTorr，偏置电压为100V。

步骤H，在每个台面2上部淀积金属制作阳极5，在n型InSb衬底1边缘上部淀积金属制作“回”字形阴极6，如图3h。

在10000×10000个台面2上和n型InSb衬底1边缘上第五次制作掩膜，该掩膜图形与步骤G中第四次制作的掩膜图形完全相同；利用该掩膜采用电子束蒸发技术在每个台面2上部和n型InSb衬底1边缘上部依次淀积Cr、Au金属，制作阳极5和“回”字形阴极6，金属厚度为0.02μm/0.4μm。淀积金属采用的工艺条件为：真空度小于1.8×10^-3Pa，功率范围为220～1200W，蒸发速率小于快速退火采用的工艺条件为：温度780℃，时间为17s。

步骤I，在n型InSb衬底1的下部淀积钝化层7，如图3i。

采用电子束蒸发技术在n型InSb衬底1的下部，完成淀积厚度为0.1μm的SiO₂钝化层7，从而完成整个探测器阵列的制作。淀积钝化层采用的工艺条件为：真空度小于1.5×10^-3Pa，功率小于60W，蒸发速率小于

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明。

仿真中，传统阵列和本发明阵列均采用3×3的阵列，n型InSb衬底刻蚀后的厚度s均为10μm，台面大小L均为40μm，台面高度H均为5μm，相邻两个台面的间距d₁以及最边缘台面与n型InSb衬底边缘之间的距离d₂均为20μm，n型InSb掺杂浓度均为1×10¹⁵cm^-3，p型InSb掺杂浓度均为1×10¹⁸cm^-3；本发明阵列中每个台面下p型锥形掺杂区的个数m×m＝2×2，p型锥形掺杂区为正四棱锥，正四棱锥的底面为正方形，正方形边长l为20μm，高h为10μm；仿真中的辐射源从钝化层一侧，即以背入射方式，垂直照射最中心像元。

仿真1：对传统阵列与本发明阵列中沿入射辐射方向在最中心像元中心处的空穴浓度进行仿真，结果如图4。

由图4可以看出：沿入射辐射方向在最中心像元中心处绝大部分范围内，本发明阵列的空穴浓度均显著高于传统阵列的空穴浓度，说明本发明阵列收集载流子的能力明显高于传统阵列。

仿真2：对传统阵列与本发明阵列中最中心像元中心处沿入射辐射方向的纵向电场进行仿真，结果如图5。

由图5可以看出：本发明阵列的电场在光生载流子的主要产生区域，即靠近钝化层附近的n型InSb衬底中，明显大于传统阵列的电场，说明本发明阵列在光生载流子的主要产生区域中最中心像元中心处沿入射辐射方向的纵向电场对光生载流子的抽取作用显著增强，这大大减小了光生载流子产生区域中光生电子空穴对的复合作用，并减少了光生载流子产生区域中陷阱俘获光生载流子的数量，使得绝大部分光生载流子都被中心像元收集，而被其他像元收集的光生载流子数量大大减少，因此本发明阵列的量子效率和串音均明显优于传统阵列。

仿真3：对传统阵列与本发明阵列最中心像元中心处沿入射辐射方向的横向电场进行仿真，结果如图6。

由图6可以看出：本发明阵列的电场，尤其是光生载流子主要产生区域中的电场，明显小于传统阵列的电场，说明本发明阵列最中心像元中心处沿入射辐射方向的横向电场对光生载流子的抽取作用显著减小，结合图5仿真结果可知，绝大部分光生载流子都被中心像元沿入射辐射方向的纵向强电场抽取，而被其他像元收集的光生载流子数量大大减少，因此本发明阵列的量子效率和串音均明显优于传统阵列。

对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外探测器阵列，包括n型InSb衬底(1)和钝化层(7)，n型InSb衬底(1)上刻蚀有t×t个台面(2)，t为整数且t≥1；每个台面(2)上部淀积有阳极(5)，n型InSb衬底(1)边缘上部淀积有“回”字形阴极(6)；所述n型InSb衬底(1)上部和每个台面(2)侧面淀积有保护层(4)，其特征在于：每个台面(2)正下方的n型InSb衬底(1)内设有m×m个相同的p型锥形掺杂区(3)，形成p型锥形掺杂区阵列，每个p型锥形掺杂区(3)均与n型InSb衬底(1)构成pn结，m为整数且m>1。

2.根据权利要求1所述的红外探测器阵列，其特征在于n型InSb衬底(1)刻蚀前的厚度k为2.6～21μm，刻蚀后的厚度s为2～9μm，n型掺杂浓度为1×10¹¹cm^-3～1×10¹⁶cm^-3。

3.根据权利要求1所述的红外探测器阵列，其特征在于每个台面(2)的上、下表面均为正方形，正方形的边长L为8～56μm，每个台面的高度H均相同，H等于k减去s，且取值范围为0.6～12μm，其中，k是n型InSb衬底(1)刻蚀前的厚度，s是n型InSb衬底刻蚀后的厚度。

4.根据权利要求1所述的红外探测器阵列，其特征在于相邻两个台面(2)的间距d₁，和最边缘台面与n型InSb衬底(1)边缘之间的距离d₂相等，且取值范围为0.5～45μm。

5.根据权利要求1所述的红外探测器阵列，其特征在于每个台面(2)的下表面与该台面正下方的m×m个p型锥形掺杂区(3)的底面相接。

6.根据权利要求1所述的红外探测器阵列，其特征在于m×m个p型锥形掺杂区(3)均为正四棱锥，正四棱锥底面边长为l，l＝L/m，高h小于或等于n型InSb衬底(1)刻蚀后的厚度s，且h等于其中d₁为相邻两个台面的间距，台面的上、下表面均为正方形，L是正方形台面的边长。

7.一种制作红外探测器阵列的方法，包括如下过程：

第一步，在n型InSb衬底(1)上第一次制作掩膜，利用该掩膜在n型InSb衬底(1)上刻蚀制作t×t个台面(2)，t为整数且t≥1；

第二步，在n型InSb衬底(1)上部、每个台面(2)上部和每个台面(2)侧面淀积厚度为2～9μm的介质层(8)；

第三步，在介质层(8)上第二次制作掩膜，利用该掩膜在每个台面(2)上部的介质层(8)内刻蚀制作m×m个相同的锥形凹槽(9)，锥形凹槽的深度小于或等于介质层的厚度，m为整数且m>1；

第四步，对每个锥形凹槽(9)下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，实现对每个台面(2)的p型掺杂，并在每个台面(2)下部形成m×m个相同的p型锥形掺杂区(3)，其中p型锥形掺杂区(3)均为正四棱锥，正四棱锥底面边长为l，l＝L/m，高h小于或等于n型InSb衬底(1)刻蚀后的厚度s，且h等于其中d₁为相邻两个台面的间距，台面的上、下表面均为正方形，L是正方形台面的边长；

第五步，在介质层(8)上第三次制作掩膜，利用该掩膜刻蚀去除n型InSb衬底(1)上部、每个台面(2)上部和每个台面(2)侧面的介质层；

第六步，在n型InSb衬底(1)上部、每个台面(2)上部和每个台面(2)侧面淀积保护层(4)，即用绝缘介质材料分别覆盖n型InSb衬底(1)上部、每个台面(2)上部和每个台面(2)侧面的区域；

第七步，在保护层(4)上第四次制作掩膜，利用该掩膜刻蚀去除n型InSb衬底(1)边缘上部和每个台面(2)上部的保护层(4)；

第八步，在每个台面(2)上和n型InSb衬底(1)边缘上第五次制作掩膜，利用该掩膜在每个台面(2)上部淀积金属制作阳极(5)，同时在n型InSb衬底(1)边缘上部淀积金属制作“回”字形阴极(6)；

第九步，在n型InSb衬底(1)的下部淀积钝化层(7)，即用透红外辐射绝缘介质材料覆盖n型InSb衬底(1)下部的区域，从而完成整个探测器阵列的制作。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述第四步对锥形凹槽(9)下部的n型InSb材料进行p型杂质离子注入，p型掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁸cm^-3；工艺条件为：注入剂量为6.3×10⁹cm^-2～7×10¹³cm^-2，注入能量为30keV～800keV。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述第八步制作的阳极(5)和阴极(6)，厚度相同，均采用相同的Cr/Au两层金属组合，其中Cr的厚度为0.02～0.06μm，Au的厚度为0.4～0.8μm，且下层金属厚度要小于上层金属厚度。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述保护层(4)采用SiO₂、ZnS、SiN、Al₂O₃、Sc₂O₃、HfO₂、TiO₂或其它绝缘介质材料，其厚度为0.05～1.2μm；

所述钝化层(7)采用ZnS、SiO₂、SiN、Al₂O₃、HfO₂、TiO₂或其它透红外辐射绝缘介质材料，其厚度为0.1～2μm。