CN106711289A - 一种抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法 - Google Patents
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Abstract
一种抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，包括以下步骤：S1：在衬底上依次生长缓冲层、下欧姆接触层、光吸收层、上欧姆接触层和掩膜层，形成整体器件；S2：所述整体器件包含多个周期阵列排布的单元器件，去除单元器件部分区域的掩膜层，开出扩散窗口；S3：对单元器件的扩散窗口进行P型扩散，形成P型上欧姆接触层；S4：刻蚀整体器件的四周区域至下欧姆接触层，形成中心大台面；S5：在单元器件的P型上欧姆接触层上形成上金属电极，在下欧姆接触层表面上形成下金属电极，完成器件的制作。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法。
背景技术
自从二十世纪四十年代第一个实用的红外探测器研制成功以来，红外探测器在民用、军事、太空等诸多领域得到了广泛应用。由红外探测器组成的红外系统已经被广泛用于夜视、导航、搜索、预警、目标侦察、精确打击等许多方面，充分显示了红外技术的分辨率高、准确可靠、保密性好、抗电子干扰性强等优点。对于InAs/GaSb二类超晶格红外探测器来说，由于在InAs/GaSb二类超晶格中，电子主要束缚在InAs层中，而空穴主要束缚在GaSb层，因此电子与空穴形成空间的隔离，具有以下优势：
1)量子效率高，带间跃迁，能够吸收正入射，响应时间快；
2)暗电流小，降低了俄歇复合及有关的暗电流，工作温度提高；
3)电子有效质量大，隧穿电流小，可获得高的探测率；
4)带隙从1μm-30μm可调，可制备短波、中波、长波、甚长波、双色段及多波段器件。
基于以上的优势，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。但同时针对台面结构的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器也面临表面电流泄漏问题大的问题，导致噪声较大，目前还没有一种有效的钝化方法来抑制表面泄漏电流。据目前研究现状而言，尤其是随着探测波长变长的时候，钝化技术越来越困难。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对台面结构的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器表面泄露电流问题，本发明提供一种抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法。
(二)技术方案
一种抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，包括以下步骤：
S1：在衬底上依次生长缓冲层、下欧姆接触层、光吸收层、上欧姆接触层和掩膜层，形成整体器件；
S2：所述整体器件包含多个周期阵列排布的单元器件，去除单元器件部分区域的掩膜层，开出扩散窗口；
S3：对单元器件的扩散窗口进行P型扩散，形成P型上欧姆接触层；
S4：刻蚀整体器件的四周区域至下欧姆接触层，形成中心大台面；
S5：在单元器件的P型上欧姆接触层上形成上金属电极，在下欧姆接触层表面上形成下金属电极，完成器件的制作。
上述方案中，所述S1包括：
在衬底表面上依次外延生长缓冲层、下欧姆接触层、光吸收层、上欧姆接触层；
在上欧姆接触层表面生长掩膜层，以形成整体器件。
上述方案中，所述S2包括：
整体器件划分为中间区域和四周区域，中间区域包含多个周期阵列排布的单元器件，相邻单元器件的侧壁连接在一起；
去除每个单元器件中间部分的掩膜层，开出扩散窗口。
上述方案中，所述S4包括：
刻蚀整体器件四周区域的边缘部分至下欧姆接触层，形成中心大台面；
在整体器件表面形成钝化层。
上述方案中，所述S5包括：
S51：在每个单元器件的P型上欧姆接触层上形成透光窗口；
S52：在整体器件表面生长金属电极层；
S53：刻蚀金属电极层，形成上金属电极和下金属电极，完成器件的制作。
上述方案中，
所述S4包括：刻蚀整体器件四周区域的边缘部分至下欧姆接触层，形成中心大台面；
所述S5包括：
S51：在整体器件表面生长金属电极层；
S52：刻蚀金属电极层，形成上金属电极和下金属电极，完成器件的制作。
上述方案中，所述在整体器件表面生长金属电极层包括：利用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射的方法在整体器件表面蒸镀金属电极层。
上述方案中，所述在整体器件表面形成钝化层包括：生长一层外延介质膜、Su-8胶或二次外延钝化材料。
上述方案中，
所述的缓冲层为GaSb材料，掺杂类型为N型；
所述下欧姆接触层为InAs/GaSb材料，掺杂类型为N型；
所述光吸收层为光吸收二类超品格层，由InAs/GaSb超晶格材料组成，非掺杂区或者弱N型掺杂；
所述上欧姆接触层包括二类超晶格层和InAs层，掺杂的浓度为本征或者是弱N型掺杂。
上述方案中，所述在上欧姆接触层表面生长掩膜层包括：利用等离子体增强化学气相沉积法在上欧姆接触层表面生长SiO2或SiN材料。
(三)有益效果
本发明提供的抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，是一种非单个台面器件结构的工艺方法，从而不露出单元器件侧壁的表面，解决表面泄漏电流，降低暗电流和噪声、提高InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的性能。
附图说明
图1是本发明实施例的抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄漏电流的工艺方法流程图；
图2是本发明实施例的锑化物超晶格红外探测器表面生长掩膜层后的截面示意图；
图3是本发明实施例的锑化物超晶格红外探测器单元器件周期排列示意图；
图4(a)是本发明实施例的锑化物超晶格红外探测器去除部分区域掩膜层的示意图；
图4(b)是本发明实施例的锑化物超晶格红外探测器扩散工艺示意图；
图5是本发明实施例的锑化物超晶格红外探测器扩散后的示意图；
图6是本发明实施例的具有中心大台面的整体器件的俯视图；
图7是本发明实施例的钝化工艺后的单元器件结构示意图；
图8是本发明实施例的具有上金属电极的单元器件结构示意图；
图9是本发明实施例的制作完成之后的器件俯视图。
图10是本发明实施例的采用背入射器件制作完成之后的单元器件结构示意图。
【符号说明】
1-衬底；2-GaSb缓冲层；3-下欧姆接触层；4-光吸收层；5、5a、5b-上欧姆接触层；5c-P型上欧姆接触层；6-掩膜层；6a、6b-边缘部分的掩膜层；6c-中间部分的掩膜层；7a和7b-钝化层；8和8a-上金属电极；9-中心大台面；10-下欧姆接触层表面；11-下金属电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1至图10，本发明实施例提供的一种抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，InAs/GaSb二类超晶格红外探测器焦平面包含多个单元器件，单元器件呈周期阵列排布，上欧姆接触层通过扩散工艺实现，每个单元器件无需制作成台面结构，将所有单元器件的侧壁连接起来，不露出单元器件侧壁的表面，解决表面泄漏电流，降低暗电流和噪声、提高InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的性能。
实施例1
具体的实施步骤如下：
步骤S1：在衬底上依次生长缓冲层，下欧姆接触层，光吸收层，上欧姆接触层和掩膜层，形成整体器件。
如图2所示，首先，采用分子束外延生长方法(MBE)，在GaSb衬底1表面上依次外延生长GaSb缓冲层2，下欧姆接触层3，光吸收层4，上欧姆接触层5。
其中，GaSb缓冲层2的掺杂为N型、浓度为1×1018～5×1018cm-3；下欧姆接触层3为二类超晶格层，是由InAs/GaSb超晶格材料组成，掺杂为N型，浓度为1×1018～5×1018cm-3；光吸收层4为二类超晶格层，是由InAs/GaSb超晶格材料组成，非有意掺杂或者是弱n型掺杂(～1015cm-3量级)，厚度为2～6微米，作为红外光子吸收层；上欧姆接触层5由n型InAs/GaSb二类超晶格(厚度为～0.5微米)和20纳米InAs层构成，掺杂为本征或者弱n型掺杂，浓度为1～2×1017cm-3，采用掺杂的方法为Si或者是(Ga)Te源掺杂。
其次，采用等离子体增强化学气相沉积法(PE-CVD)等方法在上欧姆接触层表面生长掩膜层6(图2)，例如采用SiO2，SiN等材料，以形成整体器件。掩膜层6的厚度约为上欧姆接触层5的厚度，是为了有效防止P型扩散至上欧姆接触层，抑制单元器件之间的串扰，该层厚度约为0.3～0.5微米；
步骤S2：所述整体器件包含多个周期阵列排布的单元器件，去除单元器件部分区域的掩膜层，开出扩散窗口。
如图3所示，首先，步骤S1形成的整体器件划分为中间区域和四周区域，中间区域包含多个周期阵列排布的单元器件，共有n×m个单元器件，每个单元器件用(i，j)表示。相邻单元器件的侧壁紧密连接在一起，不露出单元器件侧壁的表面，四周区域留有一定的宽度，利于后续的工艺制作。
然后，对每个单元器件，利用光刻版图光刻，湿法腐蚀或者是干法刻蚀去除其中间部分的掩膜层6c，如图4(a)所示，开出扩散窗口，利于下一个步骤的P型扩散；留下边缘部分的掩膜层6a和6b，掩膜层6a和6b的宽度应大于P型扩散的横向扩散漂移长度和载流子的横向扩散长度之和，进一步防止单元器件之间的串扰。
步骤S3：对单元器件的扩散窗口进行P型扩散，形成P型上欧姆接触层。
严格清洗(丙酮，乙醇试剂在加热环境下进行清洗)后，利用离子注入等扩散方法，对单元器件的扩散窗口进行P类型扩散，与扩散窗口对应的扩散区作为P型欧姆接触层，如图4(b)所示。离子注入时使用的温度不超过InAs材料脱附的温度(～580℃)，扩散深度约为上欧姆接触层5的厚度，扩散的P型浓度约为1×1018～5×1018cm-3，形成的扩散区作为P型上欧姆接触层5c，如图5所示，P型上欧姆接触层5c两侧为上欧姆接触层5a和5b；
步骤S4：刻蚀整体器件四周区域至下欧姆接触层，形成中心大台面。
如图6所示，首先，利用光刻版图光刻，湿法腐蚀或者是干法刻蚀整体器件四周区域的边缘部分，至下欧姆接触层3，形成中心大台面，如图6所示，整体器件的中间区域和未被刻蚀的四周区域形成中心大台面9，露出的下欧姆接触层3边缘部分为下欧姆接触层表面10。
其中可以采用上述方式形成中心大台面，仅刻蚀整体器件四周区域的边缘部分，即刻蚀整体器件四周区域时沿距离中间区域单元器件阵列一定距离的位置向下进行刻蚀；如果考虑材料利用率，也可以刻蚀整体器件的全部四周区域，即沿中间区域单元器件阵列的四周向下进行刻蚀。
然后，对整体器件表面进行钝化，包括在整体器件的全部表面及中心大台面的侧壁形成钝化层，如：PECVD生长一层外延介质膜，或者采用Su-8胶，以及MBE二次外延钝化材料等钝化方法，主要目的是为了保护下欧姆接触层表面10和中心大台面9的侧壁；
步骤S5：在单元器件的P型上欧姆接触层上形成上金属电极以及在下欧姆接触层表面上形成下金属电极，完成器件的制作。
具体包括以下几个子步骤：
子步骤S51：在每个单元器件的上欧姆接触层上形成透光窗口。
采用外延介质膜和二次外延材料等钝化方法，需利用光刻版光刻工艺，刻蚀整体器件表面的钝化层，留下P型上欧姆接触层5c上两侧的钝化层7a和7b，形成透光窗口，以及留下中心大台面9的侧壁的钝化层。下欧姆接触层表面10的钝化层全部刻蚀或者部分刻蚀，留下下电极生长的区域，如图7所示；
子步骤S52：在整体器件表面生长金属电极层。
严格清洗后，利用热蒸发、电子束蒸发或者磁控溅射等方法在整体器件表面生长金属电极层Au/Ti，整体器件表面包括整体器件的全部表面及中心大台面的侧壁；
子步骤S53：刻蚀金属电极层形成上金属电极和下金属电极，完成器件的制作。
利用光刻版光刻，腐蚀或刻蚀等工艺，刻蚀金属电极层，留下P型上欧姆接触层5c上的金属电极层，作为上金属电极8，以及下欧姆接触层表面10的部分区域的金属电极层，作为下金属电极11，露出通光孔，完成器件的制作，如图8和图9所示；
其中图9为器件制作完成后的俯视图，中心大台面9中的(i，j)(i＝1，2，3…n-1，n，j＝1，2，3…m-1，m)为整体器件的单元器件，单元器件的纵向截面如图8所示。
实施例2
如果采用背入射的方式，即光从衬底方向入射，在上述步骤S4中的可以省略在器件表面生长钝化层的步骤，在之后的步骤S5中也无需在每个单元器件的上欧姆接触层上形成透光窗口，直接在整体器件表面生长金属电极层，并利用光刻版光刻、腐蚀或刻蚀等工艺，刻蚀金属电极层形成上金属电极8a和下金属电极11，无需露出通光孔，然后通过衬底减薄工艺，光从衬底方向入射，完成器件的制作，如图9和图10所示。
其中图9为器件制作完成后的俯视图，中心大台面9中的(i，j)(i＝1，2，3…n-1，n，j＝1，2，3…m-1，m)为整体器件的单元器件，单元器件的纵向截面如图10所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在衬底上依次生长缓冲层、下欧姆接触层、光吸收层、上欧姆接触层和掩膜层，形成整体器件；
S2：所述整体器件包含多个周期阵列排布的单元器件，去除单元器件部分区域的掩膜层，开出扩散窗口；
S3：对单元器件的扩散窗口进行P型扩散，形成P型上欧姆接触层；
S4：刻蚀整体器件的四周区域至下欧姆接触层，形成中心大台面；
S5：在单元器件的P型上欧姆接触层上形成上金属电极，在下欧姆接触层表面上形成下金属电极，完成器件的制作。
2.根据权利要求1所述的抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，其特征在于，所述S1包括：
在衬底表面上依次外延生长缓冲层、下欧姆接触层、光吸收层、上欧姆接触层；
在上欧姆接触层表面生长掩膜层，以形成整体器件。
3.根据权利要求1所述的抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，其特征在于，所述S2包括：
整体器件划分为中间区域和四周区域，中间区域包含多个周期阵列排布的单元器件，相邻单元器件的侧壁连接在一起；
去除每个单元器件中间部分的掩膜层，开出扩散窗口。
4.根据权利要求3所述的抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，其特征在于，所述S4包括：
刻蚀整体器件四周区域的边缘部分至下欧姆接触层，形成中心大台面；
在整体器件表面形成钝化层。
5.根据权利要求4所述的抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，其特征在于，所述S5包括：
S51：在每个单元器件的P型上欧姆接触层上形成透光窗口；
S52：在整体器件表面生长金属电极层；
S53：刻蚀金属电极层，形成上金属电极和下金属电极，完成器件的制作。
6.根据权利要求3所述的抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，其特征在于，
所述S4包括：刻蚀整体器件四周区域的边缘部分至下欧姆接触层，形成中心大台面；
所述S5包括：
S51：在整体器件表面生长金属电极层；
S52：刻蚀金属电极层，形成上金属电极和下金属电极，完成器件的制作。
7.根据权利要求5或6所述的抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，其特征在于，所述在整体器件表面生长金属电极层包括：利用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射的方法在整体器件表面蒸镀金属电极层。
8.根据权利要求4所述的抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，其特征在于，所述在整体器件表面形成钝化层包括：生长一层外延介质膜、Su-8胶或二次外延钝化材料。
9.根据权利要求1所述的抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，其特征在于，
所述的缓冲层为GaSb材料，掺杂类型为N型；
所述下欧姆接触层为InAs/GaSb材料，掺杂类型为N型；
所述光吸收层为光吸收二类超晶格层，由InAs/GaSb超晶格材料组成，非掺杂区或者弱N型掺杂；
所述上欧姆接触层包括二类超晶格层和InAs层，掺杂的浓度为本征或者是弱N型掺杂。
10.根据权利要求2所述的抑制锑化物超晶格红外探测器表面泄露电流的方法，其特征在于，所述在上欧姆接触层表面生长掩膜层包括：利用等离子体增强化学气相沉积法在上欧姆接触层表面生长SiO2或SiN材料。
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