CN104465812B - 光伏型探测器阵列及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏型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；每个台面(2)上部均淀积有阳极(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)，每个台面(2)正下方的n型InSb衬底(1)内设有m个相同的p型锥形掺杂区(3)，每个p型锥形掺杂区(3)均与n型InSb衬底(1)构成pn结，m为大于或等于1的整数。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
技术领域
本发明属于半导体光伏探测器件技术领域，特别涉及光伏型探测器阵列，可用于红外侦查、红外制导和红外医疗。
技术背景
红外焦平面探测器阵列是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。红外焦平面阵列器件是既具有红外信息获取又具有信息处理功能的先进的成像传感器。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光伏型探测器阵列性能的重要参数指标，它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、量子效率高的光伏型探测器阵列及其制作方法，以提高光伏型探测器阵列的性能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种光伏型探测器阵列，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；每个台面上部均淀积有阳极，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衬底内均设有m个相同的p型锥形掺杂区，每个p型锥形掺杂区均与n型InSb衬底构成pn结，m为大于或等于1的整数。
作为优选，所述的n型InSb衬底刻蚀前的厚度k为4.4～22μm，刻蚀后的厚度s为4～14μm，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5～52μm，每个台面的高度H均相同，H等于k减去s，且取值范围为0.4～8μm。
作为优选，所述的相邻两个台面的间距为d1，最边缘台面与n型InSb衬底边缘之间的距离为d2，d1＝d2，且取值范围为1～50μm。
作为优选，所述的每个台面的下表面与其正下方的m个p型锥形掺杂区的底面相接。
作为优选，所述的这些p型锥形掺杂区均为相同的四棱锥，每个四棱锥的底面为长方形，其底面长为L，宽为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，本发明提供的制作光伏型探测器阵列的方法，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3～14μm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，并在每个台面下形成m个相同的p型锥形掺杂区，且p型锥形掺杂区的底面为长方形，长为L，宽为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光伏型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，因此大大减小了光伏型探测器阵列的串音，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光伏型探测器阵列的性能，避免了在传统光伏型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，本发明光伏型探测器阵列的性能明显优于传统的光伏型探测器阵列的性能。
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是本发明光伏型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是对图1纵向CD的剖面结构示意图；
图4是本发明中每个台面下的m个p型锥形掺杂区的立体图；
图5是本发明的光伏型探测器阵列的工艺制作流程图；
图6是本发明与传统的光伏型探测器阵列的空穴浓度仿真对比图；
图7是本发明与传统的光伏型探测器阵列沿入射辐射方向的纵向电场仿真对比图；
图8是本发明与传统的光伏型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、图2和图3，本发明光伏型探测器阵列是基于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4.4～22μm，刻蚀后的厚度s为4～14μm，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5～52μm，每个台面的高度H均相同，H的取值范围为0.4～8μm；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等于d2，且取值范围为1～50μm。每个台面2上部淀积有阳极5。n型InSb衬底1的边缘上部淀积有“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，外边长与内边长之间的距离为d2/2。每个台面2正下方的n型InSb衬底1内均设有m个相同的p型锥形掺杂区3，m为大于或等于1的整数，这些p型锥形掺杂区3均与n型InSb衬底1构成pn结；每个台面2的下表面与该台面正下方m个p型锥形掺杂区3的底面相接，这些p型锥形掺杂区3均为四棱锥，如图4所示，每个四棱锥的底面为长方形，其中长方形的长为L，宽为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。
上述光伏型探测器阵列中的：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0.15～1.5μm；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0.04～0.08μm/0.6～1.2μm，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0.06～1.2μm。
参照图5，本发明制作的光伏型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＝4，阵列大小为50×50的光伏型探测器阵列。
步骤1，在n型InSb衬底1上刻蚀制作50×50个台面2，如图5a。
1a)在厚度k为22μm、掺杂浓度为1×1016cm-3的n型InSb衬底1上第一次制作掩膜，该掩膜图形是由50×50个边长L为52μm的正方形组成的阵列，相邻两个正方形之间的距离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50μm；
1b)利用该掩膜采用反应离子刻蚀技术在n型InSb衬底1上刻蚀制作50×50个台面2，其中每个台面的高度H均为8μm，n型InSb衬底1刻蚀后的厚度s为14μm。刻蚀台面采用的工艺条件为：Ar/CH4/H2流量比为1:2:6.5，压强为0.33Pa，功率为490W。
步骤2，在n型InSb衬底1上部、50×50个台面2上部和50×50个台面2侧面淀积介质层8，如图5b。
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、50×50个台面2上部和50×50个台面2侧面淀积厚度为14μm的SiO2介质层8。
淀积介质层采用的工艺条件为：N2O流量为950sccm，SiH4流量为250sccm，温度为290℃，RF功率为30W，压强为1300mTorr。
步骤3，在介质层8内刻蚀制作锥形凹槽9，如图5c。
在介质层8上第二次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术在50×50个台面2上部的介质层8内均刻蚀制作4个相同的锥形凹槽9，这些锥形凹槽9均为四棱锥，四棱锥底面为长方形，长为52μm，宽为13μm，高为14μm。
刻蚀凹槽采用的工艺条件为：SF6流量为7.6sccm，O2流量为2.6sccm，压强为13mTorr，偏置电压为130V。
步骤4，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5d。
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50×50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内四个锥形凹槽9形状相似的p型锥形掺杂区3，这些p型锥形掺杂区3均为四棱锥，四棱锥的底面为长方形，长方形的长L为52μm，宽l为13μm，高度h为14μm，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5e。
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n型InSb衬底1上部、50×50个台面2上部和50×50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55sccm，O2流量为8sccm，压强为18mTorr，功率为280W。
步骤6，在n型InSb衬底1上部、50×50个台面2上部和50×50个台面2侧面淀积保护层4，如图5f。
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、50×50个台面2上部和50×50个台面2侧面淀积厚度为1.5μm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、1000sccm和300sccm，温度、RF功率和压强分别为350℃、30W和1000mTorr。
步骤7，刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和50×50个台面2上部的保护层4，如图5g。
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50×50个边长L为52μm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50μm；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5150μm，外边长与内边长的间距为25μm；
7b)利用上述掩膜采用反应离子刻蚀技术去除n型InSb衬底1边缘上部和50×50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，如图5h。
8a)在50×50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0.08μm/1.2μm，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220～1020W，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5i。
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1.2μm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2.8sccm、980sccm和280sccm，温度、RF功率和压强分别为330℃、28W和980mTorr。
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＝2，阵列大小为1024×1024的光伏型探测器阵列。
步骤一，在n型InSb衬底1上刻蚀制作1024×1024个台面2，如图5a。
在厚度k为14μm、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15Pa，功率为600W的工艺条件下，在n型InSb衬底1上刻蚀制作1024×1024个台面高度H为4μm、上、下表面均为正方形且边长L为30μm的台面2，其中相邻两个台面的间距d1、最边缘台面与n型InSb衬底边缘之间的距离d2均为26μm；n型InSb衬底1刻蚀后的厚度s为10μm。
步骤二，在n型InSb衬底1上部、1024×1024个台面2上部和1024×1024个台面2侧面淀积介质层8，如图5b。
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2.7sccm、960sccm和260sccm，温度、RF功率和压强分别为320℃、27W和960mTorr的工艺条件下，在n型InSb衬底1上部、1024×1024个台面2上部和1024×1024个台面2侧面淀积厚度为9μm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5c。
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1024×1024个台面2上部的介质层8内刻蚀制作两个相同的锥形凹槽9，这些锥形凹槽均为四棱锥，四棱锥的底面为长方形，长方形的长为30μm，宽为15μm，锥形凹槽9的深度为7μm。
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5d。
对每个锥形凹槽9下部的n型InSb材料，在注入剂量为4.2×1013cm-2，注入能量为550keV的工艺条件下，进行硼离子注入，实现对1024×1024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内两个锥形凹槽9形状相似的p型锥形掺杂区3，这些p型锥形掺杂区3均为四棱锥，四棱锥的底面为长方形，长方形长L为30μm，宽l为15μm，高h为6.5μm，其中掺杂浓度为1×1017cm-3。
步骤五，去除介质层8，如图5e。
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25sccm，O2流量为5sccm，压强为25mTorr，偏置电压为150V的工艺条件下，刻蚀去除在n型InSb衬底1上部、1024×1024个台面2上部和1024×1024个台面2侧面的介质层8。
步骤六，在n型InSb衬底1上部、1024×1024个台面2上部和1024×1024个台面2侧面淀积保护层4，如图5f。
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260℃，RF功率为26W，压强为1200mTorr的工艺条件下，在n型InSb衬底1上部、1024×1024个台面2上部和1024×1024个台面2侧面淀积厚度为1μm的SiO2保护层4。
步骤七，刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和1024×1024个台面2上部的保护层4，如图5g。
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1024×1024个边长L为30μm的正方形所组成的阵列，其中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26μm；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57370μm，外边长与内边长的间距为13μm；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1024×1024个台面2上部的保护层4。
步骤八，在台面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，如图5h。
在1024×1024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320～1120W，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0.06μm/0.9μm的Cr、Au金属，并在温度为750℃，时间为20s的工艺条件下进行快速退火，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5i。
采用等离子体增强化学气相淀积技术，在N2O流量为800sccm，SiH4流量为150sccm，温度为200℃，RF功率为20W，压强为1000mTorr的工艺条件下，在n型InSb衬底1的下部淀积厚度为0.6μm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＝1，阵列大小为30000×30000的光伏型探测器阵列。
步骤A，在n型InSb衬底1上刻蚀制作30000×30000个台面2，如图5a。
在厚度k为4.4μm、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30000×30000个边长为5μm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1μm，每个台面的高度H均为0.4μm，n型InSb衬底1刻蚀后的厚度s为4μm。刻蚀台面的工艺条件为：Ar/CH4/H2流量比为1:4:12，压强为10Pa，功率为500W。
步骤B，在n型InSb衬底1上部、30000×30000个台面2上部和30000×30000个台面2侧面淀积介质层8，如图5b。
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、30000×30000个台面2上部和30000×30000个台面2侧面淀积厚度为3μm的SiO2介质层8。淀积介质层采用的工艺条件为：N2O流量为800sccm，SiH4流量为175sccm，温度为225℃，RF功率为22.5W，压强为1000mTorr。
步骤C，在介质层8内刻蚀制作锥形凹槽9，如图5c。
在介质层8上第二次制作掩膜，采用反应离子刻蚀技术在30000×30000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，正四棱锥底面边长为5μm，深度为3μm。刻蚀凹槽采用的工艺条件为：SF6流量为6sccm，O2流量为3sccm，压强为12mTorr，偏置电压为110V。
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5d。
对30000×30000个台面2上部介质层8内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，同时在每个台面下部的n型InSb衬底1内形成与介质层8内一个锥形凹槽9形状相似的p型锥形掺杂区3，这些p型锥形掺杂区均为正四棱锥，四棱锥底面边长L为5μm，高h为3μm，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8×109cm-2，注入能量为50keV。
步骤E，去除介质层8，如图5e。
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、30000×30000个台面2上部和30000×30000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50sccm，O2流量为3sccm，压强为15mTorr，功率为250W。
步骤F，在n型InSb衬底1上部、30000×30000个台面2上部和30000×30000个台面2侧面淀积保护层4，如图5f。
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、30000×30000个台面2上部和30000×30000个台面2侧面淀积厚度为0.15μm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2.5sccm、950sccm和250sccm，温度、RF功率和压强分别为300℃、25W和950mTorr。
步骤G，刻蚀去除n型InSb衬底1边缘上部和30000×30000个台面2上部的保护层4，如图5g。
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30000×30000个边长L为5μm的正方形所组成的阵列，其中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1μm；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180001μm，外边长与内边长的间距为0.5μm；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30000×30000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40sccm，O2流量为3sccm，压强为11mTorr，功率为220W。
步骤H，在台面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，如图5h。
在30000×30000个台面2上和n型InSb衬底1边缘上第五次制作掩膜，该掩模图形与步骤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0.04μm/0.6μm。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800℃，时间为15s。
步骤I，在n型InSb衬底1的下部淀积钝化层7，如图5i。
采用电子束蒸发技术在n型InSb衬底1的下部，淀积厚度为0.06μm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1.3×10-3Pa，功率小于55W，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5×5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＝1，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40μm，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6。
由图6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7。
由图7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，说明本发明阵列光生载流子的主要产生区域中在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，并降低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8。
由图8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7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)
1.一种光伏型探测器阵列，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)上部均淀积有阳极(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)内均设有m个相同的p型锥形掺杂区(3)，每个p型锥形掺杂区(3)均与n型InSb衬底(1)构成pn结，m为大于或等于1的整数。
2.根据权利要求1所述的光伏型探测器阵列，其特征在于n型InSb衬底(1)刻蚀前的厚度k为4.4～22μm，刻蚀后的的厚度s为4～14μm，掺杂浓度为1×1011cm-3～1×1016cm-3。
3.根据权利要求1所述的光伏型探测器阵列，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5～52μm，每个台面的高度H均相同，H等于k减去s，且取值范围为0.4～8μm，其中k为n型InSb衬底(1)刻蚀前的厚度，s为n型InSb衬底(1)刻蚀后的厚度。
4.根据权利要求1所述的光伏型探测器阵列，其特征在于相邻两个台面(2)的间距为d1，最边缘台面(2)与n型InSb衬底(1)边缘之间的距离为d2，d1＝d2，且取值范围为1～50μm。
5.根据权利要求1所述的光伏型探测器阵列，其特征在于每个台面(2)的下表面与其正下方的m个p型锥形掺杂区(3)的底面相接。
6.根据权利要求1所述的光伏型探测器阵列，其特征在于p型锥形掺杂区(3)均为相同的四棱锥，每个四棱锥的底面为长方形，其底面长为L，宽为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。
7.一种制作光伏型探测器阵列的方法，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)；
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3～14μm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；
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，并在每个台面下形成m个相同的p型锥形掺杂区(3)，且p型锥形掺杂区的底面为长方形，长为L，宽为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；
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(8)；
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，掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1018cm-3；离子注入采用的工艺条件为：注入剂量为8×109cm-2～7×1013cm-2，注入能量为50keV～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，其厚度为0.04～0.08μm/0.6～1.2μm，且下层金属厚度小于上层金属厚度。
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0.15～1.5μm；
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0.06～1.2μm。
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| US5580795A (en) * | 1993-08-10 | 1996-12-03 | Loral Vought Systems Corporation | Fabrication method for integrated structure such as photoconductive impedance-matched infrared detector with heterojunction blocking contacts |
| CN102201487A (zh) * | 2011-03-16 | 2011-09-28 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种优化被照式红外探测器微透镜列阵聚光能力的方法 |
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2014
- 2014-11-20 CN CN201410668714.XA patent/CN104465812B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5580795A (en) * | 1993-08-10 | 1996-12-03 | Loral Vought Systems Corporation | Fabrication method for integrated structure such as photoconductive impedance-matched infrared detector with heterojunction blocking contacts |
| CN102201487A (zh) * | 2011-03-16 | 2011-09-28 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种优化被照式红外探测器微透镜列阵聚光能力的方法 |
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| Publication number | Publication date |
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