CN107359221B - 一种基于soi-量子点异质结的红外探测器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于SOI‑量子点异质结的红外探测器制备方法，包括：1)提供SOI衬底，包括顶层硅、底层硅以及埋氧层；2)刻蚀顶层硅的边缘区域；3)在顶层硅表面两侧沉积金属接触材料，再经退火形成金属硅化物作为源区接触层和漏区接触层；4)沉积覆盖所述源区接触层和漏区接触层的源区金属电极和漏区金属电极，并在所述底层硅的表面沉积底栅金属电极；5)在所述顶层硅与源区接触层、漏区接触层的接触界面上进行离子注入与激活，形成P+区域和N+区域；6)在所述顶层硅表面形成量子点。本发明采用SOI作为衬底，并结合量子点制备获得红外探测器，使Si基红外探测系统具有寄生效应小、抗干扰、速度快、功耗低、集成度高、抗单粒子辐照能力强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器的制造领域，特别是涉及一种基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法。
背景技术
红外探测对环境的适应性优于可见光，可在夜间及恶劣环境下工作，且红外探测隐蔽性好，比雷达和激光探测更安全，对伪装目标识别率更高，再者与雷达系统相比，红外系统具有体积小、重量轻、功耗低等优点，因此在军事上红外探测可应用于红外夜视、红外制导、红外侦查、红外报警等方面；红外探测技术不仅在军事方面有很多应用，通过对军事领域中的先进研究成果进行转换和工艺改进之后，红外探测器在民用领域中也有了广泛的应用，红外探测可应用于健康监控、光通讯及三维目标识别等方面，在气象预报、矿产勘查、地貌监测、车辆轴温检测等方面有着不可替代的作用。
早期的红外探测一般是通过对红外辐射的简单探测解决控制及夜视相关的问题，而后续发展的红外焦平面阵列可探测温度差异并形成红外图像。红外焦平面阵列是位于成像系统焦平面阵列处大量红外探测器像元的集合，分为扫描型和凝视型两种。扫描型红外焦平面阵列系统一般只有一排探测器像元，采用串行方式对电信号进行读取，需时间延迟积分；凝视型红外焦平面阵列是通过电学扫描的探测器像元二维阵列，并且通常在系统焦平面阵列前方增加了一个光学系统以聚焦图像，延迟积分，成像速度快。第一代红外探测器仅是将红外辐射转化为电信号，而信号处理是在低温区域以外进行。第二代红外探测器通过与信号读出电路(ROIC)的集成，不仅极大地增加了探测器元数目，且通过多路传输减少了电极引线数量，还可进行复杂的信号处理。第三代红外探测器目前在国际上并没有一个明确的定义，波兰Rogalski分析总结了当前对红外探测的发展需求，提出了第三代红外探测器包含的3部分内容，具体如下：(1)高性能、高分辨率、具有多波段探测的制冷焦平面；(2)中等性能或高性能的非制冷焦平面；(3)低成本的非制冷焦平面。以上3项内容为“或”的关系，只要满足了一条就能称为第三代红外探测技术。目前不同国家对第三代红外探测器的选择主要是出于自身的发展与应用需求，对材料和器件技术进行有选择的发展，最终目的是为了实现高性能、低成本的红外探测器。高性能除了需提高单个探测元响应度等品质因素外，还要降低探测元间的窜音率，同时还需与Si基CMOS集成；低成本要求则需在二代红外探测器的发展基础上，通过改进器件技术、提高工作温度等方法将进一步降低制造成本，以期望达到可作为耗费品使用的成本。
Si基CMOS集成电路工艺是先进半导体技术的主体，但Si材料受其禁带宽度限制，使得Si基光电探测器无法探测1100nm以上波长的光波，因此如何将红外探测集成到Si材料上是实现红外传感与Si基集成电路结合的前提。早期红外探测芯片是在Si基表面外延Ge或InGaAs等Ⅲ-Ⅴ族材料以拓宽该体系对光谱的吸收范围，但外延生长不仅增加了工艺的复杂性，还不可避免地会对Si衬底引入污染或掺杂，且InGaAs红外探测器工作波段为0.9-1.7μm，仅限于近红外波段吸收，因此InGaAs只能作为大面阵单色器件材料。近年，黑硅被证实是一种有效的红外传感材料，黑硅制备过程中激光造成的微纳米非晶态缺陷会引入了较多的电子复合损耗，因此黑硅红外探测器探测率较低(10-2-10-1AW-1)。
胶体量子点是一类优异的红外量子点材料，它主要有以下几个优点：(1)具有优异的红外光捕获能力并可以通过量子限制效应调节吸收波长；(2)可通过溶液法进行合成，并用旋涂等低成本手段进行器件制作，易于和其它材料集成；(3)可通过调节其物理性能使其在常温下工作，不需要进行制冷，可以极大简化器件结构，降低成本。因此将胶体量子点与Si基衬底结合，有望制备出与现有集成电路相匹配的常温红外探测器。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，用于解决现有技术中Si基CMOS集成电路工艺复杂、容易对Si衬底造成污染且制成的红外探测器探测效率低等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，所述制备方法至少包括：
1)提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括顶层硅、底层硅以及形成于所述顶层硅和底层硅之间的埋氧层，
2)刻蚀去除所述顶层硅的边缘区域；
3)在所述顶层硅表面两侧沉积金属接触材料，然后经过退火使所述金属接触材料与下方对应区域的所述顶层硅反应形成金属硅化物，分别作为源区接触层和漏区接触层；
4)沉积覆盖所述源区接触层和漏区接触层的源区金属电极和漏区金属电极，同时在所述底层硅的表面沉积底栅金属电极；
5)在所述顶层硅与源区接触层、漏区接触层的接触界面上进行离子注入，形成P+区域和N+区域；
6)在所述顶层硅表面形成量子点。
作为本发明基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法的一种优化的方案，所述顶层硅为普通Si、应变Si或者SiGe。
作为本发明基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法的一种优化的方案，所述步骤2)中，采用反应离子刻蚀工艺或者电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀所述顶层硅的边缘区域。
作为本发明基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法的一种优化的方案，所述步骤3)中的所述金属接触材料与所述顶层硅的厚度比为1:5～1:3。
作为本发明基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法的一种优化的方案，所述步骤3)中，所述退火温度为600～900℃，退火时间为30～180s。
作为本发明基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法的一种优化的方案，所述步骤4)中，在所述底层硅的背面沉积底栅金属电极。
作为本发明基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法的一种优化的方案，所述步骤2)中刻蚀完所述顶层硅之后，对所述埋氧层边缘区域进行刻蚀，暴露出所述底层硅；所述步骤4)中所述底栅金属电极沉积在所述底层硅的背面或者沉积在所述底层硅上表面的暴露区域，若所述底栅金属电极沉积在所述底层硅上表面暴露区域，则所述底栅金属电极与所述埋氧层边缘之间保持一定的间距。
作为本发明基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法的一种优化的方案，所述间距范围为2～10μm。
作为本发明基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法的一种优化的方案，所述步骤4)中，所述源区金属电极、漏区金属电极和底栅金属电极为Pt、Au、Cu、Au、Pd中的一种或多种的组合。
作为本发明基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法的一种优化的方案，所述步骤6)中所述量子点的材料为PbS、PbSe、HgTe、ZnO或者HgCrTe中的一种或多种的组合。
作为本发明基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法的一种优化的方案，所述步骤6)中通过化学方法直接在所述顶层硅表面生长所述量子点、或先通过化学方法制备量子点再通过物理方法在所述顶层硅表面沉积所述量子点。
如上所述，本发明的SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，具有以下有益效果：
本发明采用绝缘体上硅材料(SOI)作为衬底(即在顶层硅和底层硅衬底之间插入了一层埋氧层)，并结合量子点制备获得红外探测器，这种全介质隔离特点使Si基红外探测系统具有寄生效应小、抗干扰、速度快、功耗低、集成度高、抗单粒子辐照能力强等诸多优点，且顶层硅高迁移率和SOI独特的栅压调控特征有望同时提高红外探测芯片的增益、响应度和探测率等品质因素。
附图说明
图1为本发明基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法流程示意图。
图2为本发明SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法步骤1)呈现的结构示意图。
图3为本发明SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法步骤2)呈现的结构示意图。
图4～图5为本发明SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法步骤3)呈现的结构示意图。
图6a～6b为本发明SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法步骤4)呈现的结构示意图。
图7a～图7b为本发明SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法步骤5)呈现的结构示意图。
图8为本发明SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法步骤6)呈现的结构示意图。
元件标号说明
10 底层硅
20 埋氧层
30 顶层硅
40 源区接触层
41 漏区接触层
50 源区金属电极
51 漏区金属电极
52 底栅金属电极
60 P+区域
61 N+区域
70 量子点
80、81 金属接触材料
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，所述制备方法至少包括如下步骤：
S1，提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括顶层硅、底层硅以及形成于所述顶层硅和底层硅之间的埋氧层；
S2，刻蚀去除所述顶层硅的边缘区域；
S3，在所述顶层硅表面两侧沉积金属接触材料，然后经过退火使所述金属接触材料与下方对应区域的所述顶层硅反应形成金属硅化物，分别作为源区接触层和漏区接触层；
S4，沉积覆盖所述源区接触层和漏区接触层的源区金属电极和漏区金属电极，同时在所述底层硅的表面沉积底栅金属电极；
S5，在所述顶层硅与源区接触层、漏区接触层的接触界面上进行离子注入，形成P+区域和N+区域；
S6，在所述顶层硅表面形成量子点。
下面结合具体附图对本发明的基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法进行详细说明。
首先执行步骤S1，如图2所示，提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括顶层硅30、底层硅10以及形成于所述顶层硅30和底层硅10之间的埋氧层(Buried Oxide，BOX)20。
作为示例，所述顶层硅30为普通硅、应变硅或者SiGe等，所述埋氧层20可以为二氧化硅等绝缘材料，再次不做限制。
其次执行步骤S2，刻蚀去除所述顶层硅30的边缘区域。
刻蚀之前，先对所述SOI衬底标准硅工艺清洗，之后通过光刻工艺定义所述顶层硅30的刻蚀区域。作为示例，可以先采用反应离子或电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀所述顶层硅30边缘需要去除的区域，刻蚀后剩余的顶层硅30形成硅岛，如图3所示。优选地，所述反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀工艺的功率为100-500W，气体氛围为氟化物气体(如CF4、SF6等)、或氟化物气体和O2的混合气(O2浓度不超过50％)，气体流量为100-500sccm。
本步骤中，刻蚀所述顶层硅30之后，优选地，还可以对所述埋氧层20边缘区域进行刻蚀，暴露出所述底层硅10，具体地，先通过光刻工艺定义埋氧层20的刻蚀区域，再采用湿法刻蚀工艺刻蚀去除所述埋氧层20的边缘区域，形成如图3所示结构。所述埋氧层20边缘与所述顶层硅30边缘需要保证一定的间距，以在所述底层硅10表面留出后续可以制作源区金属电极和漏区金属电极的区域。优选地，所述埋氧层20边缘与所述顶层硅30边缘的间距范围为2～10μm。例如，可以是3μm、5μm、7μm、8μm、10μm等等。
然后执行步骤S3，如图4～图5所示，在所述顶层硅30表面两侧沉积金属接触材料80、81，然后经过退火使所述金属接触材料80、81与下方对应区域的所述顶层硅30反应形成金属硅化物，分别作为源区接触层40和漏区接触层41。
具体地，先通过光刻工艺定义顶层硅源漏酸化区域(即需要沉积金属接触材料80、81的区域)，然后在所述硅源漏酸化区域沉积金属接触材料80、81。例如金属Ni。之后经过高温退火使所述金属接触材料80、81与下方对应区域的所述顶层硅30反应形成金属硅化物，分别作为源区接触层40和漏区接触层41，例如NiSix。
作为示例，所述金属接触材料80、81与所述顶层硅30的厚度比为1:5～1:3。本实施例中，所述金属接触材料80、81与所述顶层硅30的厚度比为1:4。
作为示例，所述退火温度为600～900℃，退火时间为30～180s。本实施例中，所述退火温度为800℃，退火时间为100s。
接着执行步骤S4，如图6a～6b所示，沉积覆盖所述源区接触层40和漏区接触层41的源区金属电极50和漏区金属电极51，同时在所述底层硅10的表面沉积底栅金属电极52。
具体地，先通过光刻工艺定义需要沉积源区金属电极50和漏区金属电极51以及底栅金属电极52的区域，然后在对应的区域沉积源区金属电极50和漏区金属电极51以及底栅金属电极52。
进一步地，可以在所述底层硅10上表面的暴露区域或者底层硅10的背面沉积底栅金属电极52。如图6a所示为在底层硅10的上表面暴露区域沉积底栅金属电极52的情况；如图6b所示为在底层硅10的背面沉积底栅金属电极52的情况。
需要说明的是，若在所述底层硅10的上表面沉积底栅金属电极52，则所述底栅金属电极52与所述埋氧层边缘20之间最好保持有一定距离。优选地，所述底栅金属电极52与所述埋氧层边缘20之间保持有2～10μm的间距，例如，可以是2μm、4μm、5μm、8μm、10μm等等。
作为示例，所述源区金属电极50、漏区金属电极51和底栅金属电极52为Pt、Au、Cu、Au、Pd中的一种或多种的组合。本实施例中，所述源区金属电极50、漏区金属电极51和底栅金属电极52为Au。
接着执行步骤S5，如图7a～图7b所示，在所述顶层硅30与源区接触层40、漏区接触层41的接触界面上进行离子注入，形成P+区域60和N+区域61。
具体地，先通过光刻工艺分别定义需要形成P+区域60和N+区域61的位置，然后在对应位置进行离子注入，形成P+区域60和N+区域61。
需要说明的是，本步骤中，在所述顶层硅30与源区接触层40、漏区接触层41的接触界面上进行离子注入，其中，所述接触界面上进行离子注入指的是，可以单独在顶层硅30中(与所述源区接触层40、漏区接触层接触41的界面位置)进行离子注入(如图7a所示)；也可以单独在所述源区接触层40、漏区接触层41中(与所述顶层硅30接触的界面位置)进行离子注入(未予以图示)；也可以在所述顶层硅30、源区接触层40、漏区接触层41界面位置中均进行离子注入，如图7b所示。
作为示例，进行N型离子注入的离子可以是P、As、N等，进行P型离子注入的的离子可以B、Al等离子。本实施例中，进行P离子注入形成N+区域61，进行B离子注入形成P+区域60。
进行离子注入之后，需要进行高温退火以激活注入的离子，进行高温退火的温度优选为为400-700℃，退火时间为30-180s。本实施例中，进行高温退火激活的温度为600℃，退火时间为150s。
最后执行步骤S6，如图8所示，在所述顶层硅30表面形成量子点70。
具体地，可以通过化学方法直接在所述顶层硅30(也为沟道区域)表面生长所述量子点70、或先通过化学方法制备量子点再通过物理方法在所述顶层硅表面沉积所述量子点70。
作为示例，若通过化学方法直接在所述顶层硅30表面生长所述量子点70，所述化学方法可以是原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)和化学气相沉积(CVD)等。
作为示例，若先通过化学方法制备量子点再通过物理方法在所述顶层硅30表面沉积所述量子点70，所述化学方法可以为溶液法等合成量子点，所述物理方法为旋涂、滴定、喷墨等方式。本实施例中，先通过溶液法合成量子点，在利用旋涂方法将所述量子点沉积在所述顶层硅30表面。
作为示例，所述量子点70的材料为PbS、PbSe、HgTe、ZnO或者HgCrTe中的一种或多种的组合。本实施例中，所述量子点70为PbS材料。
综上所述，本发明提供一种基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，所述制备方法至少包括：1)提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括顶层硅、底层硅以及形成于所述顶层硅和底层硅之间的埋氧层；2)刻蚀去除所述顶层硅的边缘区域；3)在所述顶层硅表面两侧沉积金属接触材料，然后经过退火使所述金属接触材料与下方对应区域的所述顶层硅反应形成金属硅化物，分别作为源区接触层和漏区接触层；4)沉积覆盖所述源区接触层和漏区接触层的源区金属电极和漏区金属电极，同时在所述底层硅的表面沉积底栅金属电极；5)在所述顶层硅与源区接触层、漏区接触层的接触界面上进行离子注入与激活，形成P+区域和N+区域；6)在所述顶层硅表面形成量子点。本发明采用绝缘体上硅材料(SOI)作为衬底(即在顶层硅和底层硅衬底之间插入了一层埋氧层)，并结合量子点制备获得红外探测器，这种全介质隔离特点使Si基红外探测系统具有寄生效应小、抗干扰、速度快、功耗低、集成度高、抗单粒子辐照能力强等诸多优点，且顶层硅高迁移率和SOI独特的栅压调控特征有望同时提高红外探测芯片的增益、响应度和探测率等品质因素。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，其特征在于，所述制备方法至少括：
1)提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括顶层硅、底层硅以及形成于所述顶层硅和底层硅之间的埋氧层；
2)刻蚀去除所述顶层硅的边缘区域；
3)在所述顶层硅表面两侧沉积金属接触材料，然后经过退火使所述金属接触材料与下方对应区域的所述顶层硅反应形成金属硅化物，分别作为源区接触层和漏区接触层；
4)沉积覆盖所述源区接触层和漏区接触层的源区金属电极和漏区金属电极，同时在所述底层硅的表面沉积底栅金属电极；
5)在所述顶层硅与源区接触层、漏区接触层的接触界面上进行离子注入与激活，形成P+区域和N+区域；
6)在所述顶层硅表面形成量子点。
2.根据权利要求1所述的基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，其特征在于：所述顶层硅为普通硅、应变硅或者SiGe。
3.根据权利要求1所述的基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，采用反应离子刻蚀工艺或电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀所述顶层硅的边缘区域。
4.根据权利要求1所述的基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，其特征在于：所述步骤3)中的所述金属接触材料与所述顶层硅的厚度比为1:5～1:3。
5.根据权利要求1所述的基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述退火温度为600～900℃，退火时间为30～180s。
6.根据权利要求1所述的基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，在所述底层硅的背面沉积底栅金属电极。
7.根据权利要求1所述的基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，其特征在于：所述步骤2)中刻蚀所述顶层硅之后，对所述埋氧层边缘区域进行刻蚀，暴露出所述底层硅；所述步骤4)中所述底栅金属电极沉积在所述底层硅的背面或者沉积在所述底层硅上表面的暴露区域，若所述底栅金属电极沉积在所述底层硅上表面的暴露区域，则所述底栅金属电极与所述埋氧层边缘之间保持一定的间距。
8.根据权利要求7所述的基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，其特征在于：所述间距范围为2～10μm。
9.根据权利要求1所述的基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述源区金属电极、漏区金属电极和底栅金属电极为Pt、Cu、Au、Pd中的一种或多种的组合。
10.根据权利要求1所述的基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，其特征在于：所述步骤6)中所述量子点的材料为PbS、PbSe、HgTe、ZnO或者HgCrTe中的一种或多种的组合。
11.根据权利要求1所述的基于SOI-量子点异质结的红外探测器制备方法，其特征在于：所述步骤6)中通过化学方法直接在所述顶层硅表面生长所述量子点、或先通过化学方法制备量子点再通过物理方法在所述顶层硅表面沉积所述量子点。
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