CN107910403B - 一种量子阱红外探测器件材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子阱红外探测器件材料的制备方法，包括提供半导体供体衬底，在半导体供体衬底上外延生长缓冲层，之后在缓冲层上生长牺牲层，之后在牺牲层上生长半导体薄膜层；以半导体薄膜层为注入面，对半导体晶片进行离子注入，在牺牲层内形成缺陷层，之后将半导体薄膜层与受体衬底正面键合并对键合结构进行退火处理，之后将半导体薄膜层沿缺陷层从供体衬底剥离，得到含有供体衬底的第一基底和含有受体基底的第二基底，后在去除牺牲层的第二基底上生长量子阱红外探测器结构。本发明采用含铝化合物作为牺牲层，利用层裂之后含铝化合物易氧化的特点，将处理牺牲层的工序简化，并且使得到的受体衬底材料和半导体供体衬底材料表面洁净。
Description
技术领域
本发明属于量子阱红外探测技术应用领域，具体涉及一种供体衬底可重复利用，省去减薄工艺的量子阱红外探测器件的制备方法。
背景技术
随着军事国防、航空航天等领域的发展，对兼具探测效率高、响应速度快、光 谱波段宽、集成密度高、均匀性好等优点的大面阵红外焦平面阵列的需求越来越强 烈。目前，广泛应用于中红外和远红外的碲镉汞探测器，虽在量子效率、探测率以 及工作温度等方面有其显著优势，但生长工艺方面的严峻挑战如材料的稳定性和大 面积生长均匀性等问题已严重制约着其向成本低廉、均匀性好的大面阵红外焦平面 阵列方向发展。量子阱红外探测器(QWIP)由于其具有实现多色探测、大面阵、均 匀性、低成本量产等方面的独特优势，近年来得到了长足发展。QWIP最基本的结构 是一个量子阱层和一个势垒层交替而成，通常形成若干个周期以增强对光的吸收。 通过选取合适的材料体系，调节量子阱中两种材料的厚度和组分，QWIP的探测波长 范围可实现从近红外到长波红外的有效调节。
自1983年，J.S.Smith等人首次指出GaAs/AlxGa1-xAs多量子阱红外探测器在 3～5微米和8～14微米的潜在应用前景以来；二十年来,QWIP已从单元器件发展到 了焦平面器件。QWIP材料体系的选择，如GaAs/AlGaAs,InGaAs/InAlAs,InSb/InAsSb, InAs/GaInSb等,意味着其探测器结构均需在昂贵的III-V族化合物半导体衬底上生 长。在众多不同结构的探测器结构中，属GaAs/AlGaAs结构体系的研究较为成熟和 完善。
受高质量III-V族半导体衬底自身尺寸以及后期集成工艺的限制，基于III-V族大尺寸半导体衬底生长的量子阱红外探测器的发展举步维艰，也是其降低成本、走 向产业化的一个巨大障碍。然而，作为间接带隙半导体的硅材料，虽然发光性能很 差，但是价格便宜，器件集成工艺成熟，且大尺寸发展前景广阔。此外，在QWIP 的制备中，由于衬底存在电阻，会产生发热现象，需要将外延片的厚度从几百微米 以上减薄到100μm左右甚至更薄，来降低芯片欧姆接触的电阻，减少器件发热、提 高探测器寿命。
然而，减薄工艺会给衬底背面带来表面损伤，减薄后的外延片发生形变且容易碎裂，从而会影响成品率。尽管有抛光工艺的引入来去除上述的表面损伤层，消除 残余应力，但是工艺程序复杂化，成本提升以及残余应力不能完全消除依然是不能 回避的问题。由于硅对红外光是透过的，若能在硅基上实现QWIP器件的异质集成， 则能跳过减薄步骤，硅基另一方面还充当了热传导的载体。且硅基异质集成技术能 为器件与系统的设计制备提供更大的自由度，提升器件性能，可以很好的运用于 QWIP材料中。因此，在硅基上异质集成QWIP器件能有效降低成本、解决后续工艺 中的减薄问题，具有重要的实际意义。
柔性衬底是一直以来研究十分热门的话题。通常晶格失配的外延层在衬底表面形核生长，当外延层超过临界厚度时，会产生穿透位错贯穿到整个外延层。若采用 柔性衬底材料，由于穿透位错产生时外延层厚度大于柔性衬底厚度，产生的穿透位 错向柔性衬底内滑移，最后终止在柔性薄膜和外延层界面处形成界面位错，外延层 内没有穿透位错，材料晶体质量大大提高。因硅是一种很好的导热材料，采用硅基 柔性衬底也能缓解外延材料与衬底材料的热失配问题。
异质集成工艺，目前有外延生长和离子束剥离技术两种方案。对于一般的外延 方法，硅基上异质外延层有高的位错密度，加上反相畴和自掺杂效应会影响载流子 迁移率，增大器件的漏电流。离子束剥离技术(参见专利文献CN102957831A)是将 离子注入缺陷工程的切割技术和基于晶片键合的层转移技术结合起来，是异质集成 常用的方法。此方法在单晶衬底上切割和转移薄层到相对便宜的异质衬底上，有一 定的经济效益。对于离子束剥离技术而言，首先离子注入(氢离子或者氦离子)产 生一个高斯分布，在一个特定的平行于表面位置处(注入离子密度最大处或者晶格 伤害最大处)形成缺陷层，在后续退火工艺中被离子注入的晶片就会沿缺陷层裂开。 然而，由于层裂过程引起的表面粗糙为后续工作带来很大的困扰，若将层裂层作为 牺牲层，用刻蚀方法处理，也会加多工序甚至容易引入杂质粒子。
发明内容
针对现有技术中制备量子阱红外探测器件材料的缺陷，本发明的目的之一在于是提供一种环保的量子阱红外探测器件材料制备方法。
本发明采用了含铝化合物作为离子束剥离的缺陷层(牺牲层)，剥离后的牺牲层易氧化，使得供体衬底部分和受体衬底部分表面洁净平整，省去了减薄步骤，且提 供柔性衬底的同时，该供体衬底还可以重复利用。
本发明提供的量子阱红外探测器件材料制备方法，包括：
提供半导体供体衬底，在半导体供体衬底上外延生长缓冲层，之后在缓冲层上生长牺牲层，之后在牺牲层上生长半导体薄膜层；以半导体薄膜层为注入面，对半导 体晶片进行离子注入，在牺牲层内形成缺陷层，之后将半导体薄膜层与受体衬底正 面键合并对键合结构进行退火处理，之后将半导体薄膜层沿缺陷层从供体衬底剥离， 得到含有供体衬底的第一基底和含有受体基底的第二基底，后在去除牺牲层的第二 基底上生长量子阱红外探测器结构。
作为上述方法一种更好的选择，所述半导体供体衬底为GaAs、InP、GaSb、InAs 或GaN衬底，或者其他III-V、II-VI、IV、IV-VI商用衬底材料，或为去除牺牲层的 第一基底。优选的，所述供体衬底为GaAs衬底。
优选地，所述缓冲层和供体衬底材料相同。如当使用的供体基底为GaAs时，相 应的缓冲层为GaAs缓冲层。
作为上述方法一种更好的选择，缓冲层的厚度为200-1000nm。本领域技术人员 可以根据需要进一步选择生长200-300、300-500、500-700或700-1000nm的缓冲层。
作为上述方法一种更好的选择，所述牺牲层为含铝化合物或易被化学腐蚀的其他材料。优选的，所述牺牲层为AlAs、AlSb、InAlAs或InAlSb，厚度200nm到1200 nm之间。本领域技术人员可以根据需要进一步选择生长200-300、300-500、500-700 或700-1000nm的牺牲层。
作为上述方法一种更好的选择，所述半导体薄膜层的组成为GaAs、InP、InGaAs、InAlAs、GaSb、InAs或GaN，或者前述材料的搀杂物，或者其他III-V、II-VI、IV、 IV-VI材料。优选的，所述半导体薄膜层为GaAs盖层，厚度范围20nm到1000nm 之间。本领域技术人员可以根据需要进一步选择生长20-50、50-100、100-200、200-300、 300-500、500-700或700-1000nm的半导体薄膜层。
作为上述方法一种更好的选择，所述的离子注入深度大于半导体薄膜层的厚度，小于半导体薄膜层的厚度与牺牲层厚度的总和。
作为上述方法一种更好的选择，所述牺牲层通过室温环境下自然氧化或者化学方法刻蚀去除。
作为上述方法一种更好的选择，所述受体衬底对红外光的透过率为30-100％，更优选40％以上。所述的用于键合的受体衬底对探测器红外光波段透明或吸收率很低， 如硅(Si)和锗(Ge)。所述的用于键合的受体衬底对探测器红外光波段透明或吸收率很 低，可采用的材料如0.5毫米厚的硅(Si)和锗(Ge)，其在室温下1.5～10微米波段的红 外光透过率接近50％。
作为上述方法一种更好的选择，所述的受体衬底和1个或2个以上的半导体供体衬底经多次键合，该步骤可以实现柔性衬底的尺寸拓展。
作为上述方法一种更好的选择，在柔性衬底上外延生长的所述量子阱红外探测器结构为异质结、量子阱或者超晶格结构。
作为上述方法一种更好的选择，缓冲层、牺牲层、半导体薄膜层和量子阱红外探测器结构的外延生长方法包括分子束外延、化学气相沉积及液相外延法。
作为上述方法一种更好的选择，所述离子注入的离子束为氢离子或者氦离子，能量在20～180keV之间，离子束剂量范围剂量为1016～1017/cm2,注入温度为室温。
优选地，所述键合温度为室温到200℃之间。
作为上述方法一种更好的选择，所述的退火温度在150～300℃之间。
上述退火步骤之后，顶层薄膜沿牺牲层从供体衬底剥离，牺牲层为易氧化的含铝化合物，在空气中就极易氧化，从而可以得到表面洁净的硅基异质外延结构和可重 复利用且表面洁净的半导体供体衬底结构。
上述方法中，硅基异质集成中采用空气中易氧化的含铝化合物作为牺牲层，这使得本发明的方法简单易于实现，可用于常规的硅基异质集成工艺中。采用这种方法， 可以在成功的将半导体薄膜转移到硅基衬底的同时，进一步简化工艺，提供柔性衬 底的同时实现供体衬底重复利用。
本发明的硅基异质集成中采用空气中易氧化的含铝化合物作为牺牲层的方法，首先可以使层裂之后供体衬底和受体衬底表面洁净平整，可以实现供体衬底重复利用、 降低成本；其次，受体衬底表面半导体薄膜充当柔性衬底，减少后续外延层中的残 余应力，提高晶体质量，这对于提升硅基异质集成器件性能有着重要的作用，并且 简化工艺，易于实现；最后，在后期工艺中，省去衬底减薄工艺，大大降低成本， 进一步简化了工艺。
本发明采用铝化物作为牺牲层，利用层裂之后铝化物易氧化的特点，将处理牺 牲层的工序简化，并且使得到的硅衬底材料和半导体衬底材料表面洁净，提供柔性 衬底，省去减薄步骤的同时，该半导体供体衬底材料还可以重复利用，降低成本、 节能环保。
附图说明
图1、本发明制备新型的量子阱外探测器件材料的示意图；
图2、本发明制备获得的量子阱外探测器件器件示意图。
具体实施方式
以下通过特定的实施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。
实施例一
以下以GaAs与硅基衬底异质集成的工艺为例说明通过采用空气中易氧化的铝化物作为牺牲层实现供体衬底重复利用的工艺步骤，这些结构和制备步骤可以直接推 广到其他类型的硅基衬底异质集成中，其具体结构可以如图2所示。具体的工艺步 骤如下：
(1)在GaAs衬底上生长550nm GaAs缓冲层；
(2)在缓冲层上生长600nm的AlAs牺牲层；
(3)在牺牲层上生长200nm的GaAs薄膜层；此时形成的结构参见图1A，此 时从上至下依次为GaAs薄膜层、牺牲层、缓冲层、半导体衬底(供体衬底)；
(4)从顶部进行氢离子注入，离子注入的能量为75keV，剂量为5*1016/cm2(可 达到660nm的注入深度)；此时形成的结构参见图1B，此时从上至下依次为GaAs 薄膜层、牺牲层、缓冲层、半导体衬底(供体衬底)；
(5)将硅衬底与上述结构进行键合，键合温度为室温；此时形成的结构参见图 1C，此时从上至下依次为Si衬底(受体衬底)、半导体薄膜盖层、牺牲层、缓冲层、 半导体衬底(供体衬底)；
(6)将上述结构在250℃下进行退火；
(7)请参见图1D、1E和1F退火后发生层裂，放置于空气中，待牺牲层自行氧 化后用气泵进行层裂表面处理或用化学方法腐蚀对表面进行处理；
(8)请参见图2，在上述进行过表面处理的GaAs薄膜上用分子束外延方法生长 一个典型的中心波长为9μm的GaAs/Al0.24Ga0.76As N型量子阱红外探测器，探测器 结构生长顺序如下：首先生长800nm硅掺杂浓度为1×1018/cm3的GaAs底部接触层； 然后生长重复周期数为100的GaAs/Al0.24Ga0.76As量子阱结构，其中Al0.24Ga0.76As 势垒层厚度为30nm,GaAs势阱厚度为5.4nm，量子阱内硅掺杂浓度为2*1011cm-2； 最后生长400nm硅掺杂浓度为1*1018cm-3的GaAs顶部接触层。
实施例二：
本实施例中，除所选用的供体衬底为InP衬底，并在其上生长InP缓冲层和InAlAs牺牲层，所生长的半导体薄膜为InP薄膜，其余为InP衬底上的普通量子阱红外探测 器结构，方法均按照实施例一进行操作。
实施例三：
本实施例中，除所选用的供体衬底为GaSb衬底，并在其上生长GaSb缓冲层和 AlSb牺牲层，所生长的半导体薄膜为GaSb薄膜，其余为GaSb衬底上的普通量子阱 红外探测器结构，方法均按照实施例一进行操作。
实施例四：
本实施例中，除所选用的供体衬底为GaN衬底，并在其上生长GaN缓冲层和AlN 牺牲层，所生长的半导体薄膜为GaN薄膜，其余为GaN衬底上的普通量子阱红外探 测器结构，方法均按照实施例一进行操作。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管 参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种量子阱红外探测器件材料的制备方法，包括：
提供半导体供体衬底，在半导体供体衬底上外延生长缓冲层，之后在缓冲层上生长牺牲层，之后在牺牲层上生长半导体薄膜层；以半导体薄膜层为注入面，对半导体晶片进行离子注入，在牺牲层内形成缺陷层，之后将半导体薄膜层与受体衬底正面键合并对键合结构进行退火处理，之后将半导体薄膜层沿缺陷层从供体衬底剥离，得到含有供体衬底的第一基底和含有受体基底的第二基底，后在去除牺牲层的第二基底上生长量子阱红外探测器结构；
所述半导体薄膜层的组成为GaAs、InP、InGaAs、InAlAs、GaSb、InAs、GaN或前述物质的搀杂材料；
所述半导体供体衬底为GaAs、InP、GaSb、InAs或GaN衬底，或为去除牺牲层的第一基底；
所述牺牲层材料为AlAs、AlSb、InAlAs或InAlSb。
2.根据权利要求1所述的量子阱红外探测器件材料的制备方法，其特征在于：所述的离子注入深度大于半导体薄膜层的厚度，小于半导体薄膜层的厚度与牺牲层厚度的总和。
3.根据权利要求1所述的量子阱红外探测器件材料的制备方法，其特征在于：所述牺牲层通过室温环境下自然氧化或者化学方法刻蚀去除。
4.根据权利要求1所述的量子阱红外探测器件材料的制备方法，其特征在于：所述的受体衬底和1个或2个以上的半导体供体衬底键合。
5.根据权利要求1所述的量子阱红外探测器件材料的制备方法，其特征在于：所述量子阱红外探测器结构为异质结、量子阱或者超晶格结构。
6.根据权利要求1所述的量子阱红外探测器件材料的制备方法，其特征在于：缓冲层、牺牲层、半导体薄膜层和量子阱红外探测器结构的外延生长方法包括分子束外延、化学气相沉积及液相外延法。
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