CN107017315A - 背电极结构的阻挡杂质带探测器及其制造方法 - Google Patents

背电极结构的阻挡杂质带探测器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种背电极结构的阻挡杂质带探测器，包括：高导硅衬底；硅掺磷吸收层，硅掺磷吸收层设置在高导硅衬底上；高纯硅阻挡层，高纯硅阻挡层设置在硅掺磷吸收层上；电极过渡区，电极过渡区设置在高纯硅阻挡层上；正电极区，正电极区设置在电极过渡区上，在正电极区上设有正电极引线；负电极区，负电极区设置在高导硅衬底的底部；金属基板，负电极区通过导电银胶与金属基板连接，在金属基板上设有负电极引线。本发明的有益效果如下：利用银胶将负电极和金属基板粘合在一起，通过引线键合工艺分别在正电极和金属基板处引出金线，分别连接至金属基板的邻近针脚上，避免了传统制备方法需深孔刻蚀负电极，解决了传统刻蚀工艺对器件造成损伤的问题。

Description

背电极结构的阻挡杂质带探测器及其制造方法
技术领域
本发明涉及探测器的制备工艺和封装方法，具体是指背电极结构的阻挡杂质带探测器的制备及封装方法，它适用于制作暗电流低、响应率高的阻挡杂质带探测器。
背景技术
硅基阻挡杂质带探测器的工作波段为5μm～40μm，可实现甚长波至太赫兹波段的探测。其工作机理为：在重掺杂的吸收层上生长一层较薄的本征阻挡层，有效抑制杂质能带产生的暗电流。入射的太赫兹辐射直接透过阻挡层被吸收层吸收，激发杂质带上的电子向导带跃迁，跃迁后的电子通过弯曲的导带被正电极收集，进而完成从光信号到电信号的转化，实现对甚长波至太赫兹波段辐射的探测。阻挡杂质带探测器通常工作在10K及以下的低温环境中，需要液氦制冷，具有灵敏度高、阵列规模大、响应谱段宽等特点，在军事及民用领域有着广泛的应用前景。现有的阻挡杂质带探测器的制备方法是采用外延生长工艺，在硅衬底上生长重掺杂吸收层，在吸收层上再生长阻挡层，利用深孔刻蚀工艺形成的微孔结构作为负电极，表面蒸镀正电极。这种制备方法的缺点是：深孔刻蚀引入的缺陷和杂质导致器件暗电流偏大，同时由于刻蚀深度较深，容易对材料造成损伤；而且现有的封装方法需从微孔中引出金线，具有操作困难，负电极成品率低等问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种背电极结构的阻挡杂质带探测器及其制造方法。利用银胶将负电极和金属基板粘合在一起，通过引线键合工艺分别在正电极和金属基板处引出金线，分别连接至金属基板的邻近针脚上，避免了传统制备方法需深孔刻蚀负电极，解决了传统刻蚀工艺对器件造成损伤的问题，可降低暗电流；同时，制备背电极结构的器件，避免了传统封装方法需从微孔中引出金线的操作困难，提高了负电极成品率。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种背电极结构的阻挡杂质带探测器，包括：高导硅衬底；硅掺磷吸收层，硅掺磷吸收层设置在高导硅衬底上；高纯硅阻挡层，高纯硅阻挡层设置在硅掺磷吸收层上；电极过渡区，电极过渡区设置在高纯硅阻挡层上；正电极区，正电极区设置在电极过渡区上，在正电极区上设有正电极引线；负电极区，负电极区设置在高导硅衬底的底部；金属基板，负电极区通过导电银胶与金属基板连接，在金属基板上设有负电极引线。
优选地，高导硅衬底掺杂砷离子，掺杂浓度为2×1019cm-3，厚度为450μm。
优选地，硅掺磷吸收层的厚度为30μm，掺杂浓度为5×1017cm-3。
优选地，高纯硅阻挡层表层杂质的浓度低于1×1013cm-3，厚度为5μm，过渡区厚度为3μm。
优选地，正电极区及负电极区分别包括Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜，Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜的厚度分别为20nm、150nm、30nm和100nm。
优选地，金属基板包括中空的PCB板和金属板。
一种背电极结构的阻挡杂质带探测器的制造方法，包括如下步骤：
步骤1，制备背电极结构的阻挡杂质带探测器；
步骤2，封装完成制备的背电极结构的阻挡杂质带探测器。
优选地，步骤1包括：
步骤1.1，清洗高导硅衬底；
步骤1.2，在高导硅衬底上用化学气相沉积工艺生长硅掺磷吸收层，厚度为30μm，掺杂浓度为5×1017cm-3；
步骤1.3，在硅掺磷吸收层上使用化学气相外延生长高纯硅阻挡层，表层杂质浓度低于1×1013cm-3，厚度为5μm，过渡区厚度为3μm；
步骤1.4，在高纯硅阻挡层表面甩正胶，进行第一次光刻，厚度1.5μm，曝光显影；
步骤1.5，采用电子束蒸发工艺，在高纯硅阻挡层表面蒸镀光刻标记，真空度5×10-4Pa，电子束能量100keV，依次蒸镀Ti、Au金属膜，厚度分别为20nm、150nm；
步骤1.6，采用丙酮进行浮胶，80℃水浴30分钟，超声清洗20分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，在高纯硅阻挡层表面获得光刻标记；
步骤1.7，在高纯硅阻挡层表面甩正胶，进行第二光刻，厚度2μm，曝光显影；
步骤1.8，采用离子注入工艺，将磷离子注入到高纯硅阻挡层，注入能量40keV，注入剂量2×1014cm-2，形成电极过渡区；
步骤1.9，采用丙酮进行光刻胶剥离，去除高纯硅阻挡层表面离子注入区域以外的光刻胶，并依次用异丙醇、去离子水清洗，氮气吹干，获得电极过渡区；
步骤1.10，在氮气气氛中进行快速热退火，退火温度为950℃，在950℃下保持10秒，修复注入损伤，激活掺杂离子；
步骤1.11，在电极过渡区上甩正胶，进行第三次光刻，厚度2μm，曝光显影，获得圆形正电极区域；
步骤1.12，采用氩气等离子体去胶工艺，去除显影后正电极区域残留的光刻胶底膜；
步骤1.13，采用电子束蒸发工艺生长正电极，真空度5×10-4Pa，电子束能量100KeV，依次蒸镀Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜，Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜的厚度分别为20nm、150nm、30nm、100nm；
步骤1.14，采用丙酮进行浮胶，80℃水浴30分钟，超声清洗20分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，获得正电极；
步骤1.15，采用电子束蒸发工艺在高导硅衬底的底部生长负电极，真空度5×10- 4Pa，电子束能量100KeV，依次蒸镀Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜，Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜的厚度分别为20nm、150nm、30nm、100nm；
步骤1.16，使用退火炉，退火温度为400℃，在400℃下保持30分钟，以使蒸镀金属合金化，形成良好欧姆接触；
步骤1.17，在器件表面甩正胶，进行第四次光刻，厚度1.6μm，曝光显影，以形成加厚电极区域窗口；
步骤1.18，采用氩气等离子体去胶工艺，去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；
步骤1.19，采用电子束蒸发工艺加厚正电极，真空度5×10-4Pa，蒸发速率1nm/s，依次蒸镀Ni金属膜和Au金属膜，Ni金属膜和Au金属膜的厚度分别为20nm、260nm；
步骤1.20，采用丙酮进行浮胶，80℃水浴30分钟，超声清洗30分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，至此器件制备完毕。
优选地，光刻胶为AZ5214。
优选地，步骤2包括：
步骤2.1，使用划片机，将完成制备的探测器制成1cm2的器件；
步骤2.2，在负电极表面均匀涂抹一层导电银胶，将器件负电极粘在金属基板的凹槽处；
步骤2.3，通过点焊机拉金丝，金丝一端点在正电极处，一端点在金属基板的邻近针脚处，键合正电极引线；
步骤2.4，通过电焊机拉金丝，金丝一端点在金属基板的凹槽处，一端点在金属基板的邻近针脚处，键合负极引线。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)利用银胶将负电极和金属基板粘合在一起，通过引线键合工艺分别在正电极和金属基板处引出金线，分别连接至金属基板的邻近针脚上，避免了传统制备方法需深孔刻蚀负电极，解决了传统刻蚀工艺对器件造成损伤的问题，可降低暗电流。
2)避免了传统封装方法需从微孔中引出金线的操作困难，提高了负电极成品率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明背电极结构的阻挡杂质带探测器的剖面结构示意图；
图2为本发明背电极结构的阻挡杂质带探测器制造方法工艺流程图；
图3为本发明背电极结构的阻挡杂质带探测器在高导硅衬底表面生长硅掺磷吸收层后的结构示意图；
图4为本发明背电极结构的阻挡杂质带探测器在硅掺磷吸收层表面生长高纯硅阻挡层后的结构示意图；
图5为本发明背电极结构的阻挡杂质带探测器在高纯硅阻挡层表面形成电极过渡层后的结构示意图；
图6为本发明背电极结构的阻挡杂质带探测器蒸镀正电极及负电极后形成的结构示意图；
图7为本发明背电极结构的阻挡杂质带探测器银胶粘合负电极与金属基板后的结构示意图。
图中：
1-高导硅衬底 2-硅掺磷吸收层 3-高纯硅阻挡层
4-电极过渡区 5-正电极区 6-负电极区
7-导电银胶 8-金属基板
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图7所示，本发明背电极结构的阻挡杂质带探测器使用的高导硅衬底1，掺杂砷离子，掺杂浓度2×1019cm-3，厚度450μm；在高导硅衬底1用化学气相沉积工艺生长硅掺磷外延层作为吸收层2，厚度为30μm，掺杂浓度为5×1017cm-3；在吸收层2上外延生长高纯硅阻挡层3，表层杂质浓度低于1×1013cm-3，厚度为5μm，过渡区厚度为3μm；在高纯硅阻挡层3上通过离子注入形成电极过渡区4，注入磷离子，注入能量为40KeV，注入剂量为2×1014cm-2，通过900～1000℃，退火时间10～30s的快速热退火工艺激活注入离子，修复注入损伤；通过电子束蒸发工艺依次蒸镀Ti、Al、Ni、Au金属膜，厚度分别为20nm、150nm、30nm和100nm，形成正电极5和负电极6，400℃下退火30分钟形成电极欧姆接触；封装芯片使用一块中空的PCB板和一块金属板焊接形成的金属基板8，针脚采用焊锡实现与PCB板的固定与电连接。利用银胶7将负电极和金属基板8粘合在一起，通过引线键合工艺在正电极处引出金线与金属基板上的临近针脚相连，在金属基板上靠近负电极区域同样引出金线，连至针脚，完成封装。
本发明背电极结构的阻挡杂质带探测器制备的具体工艺流程为：
1.硅衬底清洗：先使用有机清洗，依次使用四氟化碳、丙酮、异丙醇、去离子水冲洗，氮气吹干。再进行无机清洗，用氢氟酸去除衬底表面二氧化硅，去离子水冲洗，氮气吹干。
2.外延生长吸收层：在高导硅衬底1上用化学气相沉积工艺生长重掺杂吸收层2，生长条件为掺杂离子磷，厚度为30μm，掺杂浓度为5×1017cm-3。
3.外延生长阻挡层：在吸收层2上继续使用化学气相外延生长高纯硅阻挡层3，表层杂质浓度低于1×1013cm-3，厚度为5μm，过渡区厚度为3μm。
4.第一次光刻(形成标记)：在阻挡层3表面甩正胶AZ5214，厚度1.5μm，曝光显影。
5.蒸镀光刻标记：采用电子束蒸发工艺，在高纯硅阻挡层3表面蒸镀光刻标记，真空度5×10-4Pa，电子束能量100KeV，依次蒸镀Ti、Au金属膜，厚度分别为20nm、150nm。
6.浮胶：采用丙酮进行浮胶，80℃水浴30分钟，超声清洗20分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，在高纯硅阻挡层3表面获得光刻标记。
7.第二次光刻(形成离子注入区域)：在阻挡层3表面甩正胶AZ5214，厚度2μm，曝光显影。
8.离子注入：采用离子注入工艺，将磷离子注入到高纯硅阻挡层3，注入能量40KeV，注入剂量2×1014cm-2，形成电极过渡区4。
9.光刻胶剥离：采用丙酮进行光刻胶剥离，去除高纯硅阻挡层3表面离子注入区域以外的光刻胶，并依次用异丙醇、去离子水清洗，氮气吹干，获得电极过渡区4。
10.热退火：在氮气气氛中进行快速热退火，退火温度为950℃，在该温度下保持10秒，修复注入损伤，激活掺杂离子。
11.第三次光刻(蒸镀正电极)：在电极过渡区上甩正胶AZ5214，厚度2μm，曝光显影，获得圆形正电极区域。
12.等离子体去胶：采用氩气等离子体去胶工艺，进一步去除显影后正电极区域残留的光刻胶底膜。
13.电子束蒸镀正电极：采用电子束蒸发工艺生长正电极，真空度5×10-4Pa，电子束能量100KeV，依次蒸镀Ti、Al、Ni、Au金属膜，厚度分别为20nm、150nm、30nm、100nm。
14.浮胶：采用丙酮进行浮胶，80℃水浴30分钟，超声清洗20分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，获得正电极5。
15.电子束蒸镀负电极：采用电子束蒸发工艺在高导硅衬底的底部生长负电极，真空度5×10-4Pa，电子束能量100KeV，依次蒸镀Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜，Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜的厚度分别为20nm、150nm、30nm、100nm；
16.正、负电极退火：使用退火炉，退火温度为400℃，在该退火温度下保持30分钟，以使蒸镀金属合金化，形成良好欧姆接触。
17.第四次光刻(加厚正电极)：在器件表面甩正胶，厚度1.6μm，曝光显影，以形成加厚电极区域窗口。
18.等离子体去胶：采用氩气等离子体去胶工艺，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜。
19.加厚正电极：采用电子束蒸发工艺加厚正电极，真空度5×10-4Pa，蒸发速率1nm/s，依次蒸镀Ni、Au金属膜，厚度分别为20nm、260nm。
20.浮胶：采用丙酮进行浮胶，80℃水浴30分钟，超声清洗30分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干。至此器件制备完毕。
21.划片：使用划片机，制成1cm2的器件。
22.银胶粘合：在负电极表面均匀涂抹一层导电银胶，将器件负电极粘在金属基板的凹槽处。
23.正电极引线键合：通过点焊机拉金丝，金丝一端点在正电极处，一端点在金属基板的邻近针脚处。为保证引线的质量，电极处同时引出两根金线，一同连至邻近针脚处。
24.负电极引线键合：通过电焊机拉金丝，金丝一端点在金属基板的凹槽处，一端点在金属基板的邻近针脚处。至此器件封装完毕。
本发明背电极结构的阻挡杂质带探测器的工作原理是：太赫兹辐射从器件正面入射，透过阻挡层被吸收层吸收，激发杂质带上的电子向导带跃迁，形成光生载流子，在外加偏压下被电极收集，从而将太赫兹辐射转化为电信号，完成对太赫兹辐射的探测。由于提高探测器的灵敏度需要降低器件暗电流，背电极结构的阻挡杂质带探测器制备及封装方法解决了传统刻蚀工艺对器件造成的损伤，降低了暗电流，并提高了灵敏度，具有简单可行、操作方便等优点。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种背电极结构的阻挡杂质带探测器，其特征在于，包括：
高导硅衬底；
硅掺磷吸收层，硅掺磷吸收层设置在高导硅衬底上；
高纯硅阻挡层，高纯硅阻挡层设置在硅掺磷吸收层上；
电极过渡区，电极过渡区设置在高纯硅阻挡层上；
正电极区，正电极区设置在电极过渡区上，在正电极区上设有正电极引线；
负电极区，负电极区设置在高导硅衬底的底部；
金属基板，负电极区通过导电银胶与金属基板连接，在金属基板上设有负电极引线。
2.根据权利要求1所述的背电极结构的阻挡杂质带探测器，其特征在于，高导硅衬底掺杂砷离子，掺杂浓度为2×1019cm-3，厚度为450μm。
3.根据权利要求1所述的背电极结构的阻挡杂质带探测器，其特征在于，硅掺磷吸收层的厚度为30μm，掺杂浓度为5×1017cm-3。
4.根据权利要求1所述的背电极结构的阻挡杂质带探测器，其特征在于，高纯硅阻挡层表层杂质的浓度低于1×1013cm-3，厚度为5μm，过渡区厚度为3μm。
5.根据权利要求1所述的背电极结构的阻挡杂质带探测器，其特征在于，正电极区及负电极区分别包括Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜，Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜的厚度分别为20nm、150nm、30nm和100nm。
6.根据权利要求1所述的背电极结构的阻挡杂质带探测器，其特征在于，金属基板包括中空的PCB板和金属板。
7.一种背电极结构的阻挡杂质带探测器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，制备背电极结构的阻挡杂质带探测器；
步骤2，封装完成制备的背电极结构的阻挡杂质带探测器。
8.根据权利要求7所述的背电极结构的阻挡杂质带探测器的制造方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤1.1，清洗高导硅衬底；
步骤1.2，在高导硅衬底上用化学气相沉积工艺生长硅掺磷吸收层，厚度为30μm，掺杂浓度为5×1017cm-3；
步骤1.3，在硅掺磷吸收层上使用化学气相外延生长高纯硅阻挡层，表层杂质浓度低于1×1013cm-3，厚度为5μm，过渡区厚度为3μm；
步骤1.4，在高纯硅阻挡层表面甩正胶，进行第一次光刻，厚度1.5μm，曝光显影；
步骤1.5，采用电子束蒸发工艺，在高纯硅阻挡层表面蒸镀光刻标记，真空度5×10-4Pa，电子束能量100KeV，依次蒸镀Ti、Au金属膜，厚度分别为20nm、150nm；
步骤1.6，采用丙酮进行浮胶，80℃水浴30分钟，超声清洗20分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，在高纯硅阻挡层表面获得光刻标记；
步骤1.7，在高纯硅阻挡层表面甩正胶，进行第二光刻，厚度2μm，曝光显影；
步骤1.8，采用离子注入工艺，将磷离子注入到高纯硅阻挡层，注入能量40KeV，注入剂量2×1014cm-2，形成电极过渡区；
步骤1.9，采用丙酮进行光刻胶剥离，去除高纯硅阻挡层表面离子注入区域以外的光刻胶，并依次用异丙醇、去离子水清洗，氮气吹干，获得电极过渡区；
步骤1.10，在氮气气氛中进行快速热退火，退火温度为950℃，在950℃下保持10秒，修复注入损伤，激活掺杂离子；
步骤1.11，在电极过渡区上甩正胶，进行第三次光刻，厚度2μm，曝光显影，获得圆形正电极区域；
步骤1.12，采用氩气等离子体去胶工艺，去除显影后正电极区域残留的光刻胶底膜；
步骤1.13，采用电子束蒸发工艺生长正电极区，真空度5×10-4Pa，电子束能量100KeV，依次蒸镀Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜，Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜的厚度分别为20nm、150nm、30nm、100nm；
步骤1.14，采用丙酮进行浮胶，80℃水浴30分钟，超声清洗20分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，获得正电极；
步骤1.15，采用电子束蒸发工艺在高导硅衬底的底部生长负电极区，真空度5×10-4Pa，电子束能量100KeV，依次蒸镀Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜，Ti金属膜、Al金属膜、Ni金属膜和Au金属膜的厚度分别为20nm、150nm、30nm、100nm；
步骤1.16，使用退火炉，退火温度为400℃，在400℃下保持30分钟，以使蒸镀金属合金化，形成良好欧姆接触；
步骤1.17，在电极过渡区上甩正胶，进行第四次光刻，厚度1.6μm，曝光显影，以形成加厚电极区域窗口；
步骤1.18，采用氩气等离子体去胶工艺，去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；
步骤1.19，采用电子束蒸发工艺加厚正电极，真空度5×10-4Pa，蒸发速率1nm/s，依次蒸镀Ni金属膜和Au金属膜，Ni金属膜和Au金属膜的厚度分别为20nm、260nm；
步骤1.20，采用丙酮进行浮胶，80℃水浴30分钟，超声清洗30分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，至此器件制备完毕。
9.根据权利要求8所述的背电极结构的阻挡杂质带探测器的制造方法，其特征在于，光刻胶为AZ5214。
10.根据权利要求7所述的背电极结构的阻挡杂质带探测器的制造方法，其特征在于，步骤2包括：
步骤2.1，使用划片机，将完成制备的探测器制成1cm2的器件；
步骤2.2，在负电极区表面均匀涂抹一层导电银胶，将器件负电极粘在金属基板的凹槽处；
步骤2.3，通过点焊机拉金丝，金丝一端点在正电极处，一端点在金属基板的邻近针脚处，键合正电极引线；
步骤2.4，通过电焊机拉金丝，金丝一端点在金属基板的凹槽处，一端点在金属基板的邻近针脚处，键合负极引线。
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