CN108630781B - 3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器(APD)及其制作方法，该红外波段APD包括自上而下叠置的减反膜层、P⁺型InSb电极接触层、作为吸收层的N型InSb层、作为倍增层的P型外延Si层、和N⁺型Si层，其中，N型InSb层和P型外延Si层分别是InSb/Si键合晶片中的N型InSb层和P型外延Si层。由此，InSb对红外波段光的吸收大，外延Si材料的电子离化率与空穴离化率的差别较大，其过剩噪声因子小，故能获得噪声小的倍增性能，相比倍增层为InSb的情形，不仅能够使InSb/Si APD器件的噪声降低，APD探测器的响应度提升，而且经由较窄吸收层的N型InSb层和窄倍增层的P型外延Si层的组合能够实现高速、低噪声光电探测的效果；同时，使用InSb/Si键合晶片降低了与Si读出电路之间的热失配。

Description

3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体光电子领域，具体涉及一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法，特别是一种高响应速度低噪声的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法。

背景技术

红外焦平面阵列(IRFPA)探测器兼具辐射敏感、电荷存储和多路传输等功能，是第二代红外热成像系统采用的位于光学系统焦平面而带有信号处理能力的面阵探测器，在红外制导、跟踪、凝视成像等武器设备上广泛应用，例如，2048×2048的InSb红外焦平面阵列探测器量产性优异而在国外的技术实践中大量使用。然而，近年来对于第三代红外热成像系统的开发中，小规模阵列(例如，32×32)的研究例如InSb雪崩光电二极管(APD)阵列进入了快速研发阶段，目前在成像性能上达成了高清晰度。此外，APD具有灵敏度高、体积小、增蔬大等优点，故无论其在线性工作还是盖革模式工作，将成为第三代红外探测器的重要发展趋势，是激光成像、医学、核物理、数据通信等领域的核心器件之一。

通常，APD器件的制作主要有两种类型，一种是通过扩散成结而制成的APD，另一种是通过外延生长而获得的APD。不过，这两种类型的APD器件各有优缺点，基于扩散成结的APD，其响应速度不太高；基于外延生长的APD，例如InSb雪崩光电二极管(即InSb APD)，虽然其响应速度高，但由于目前针对InSb的外延技术相比GaAs等材料体系而言不够成熟，故所获得的InSb外延层的质量比InSb体材料低，由此在器件中实际应用外延生长的InSb困难。在以Si衬底与Si读出电路的匹配为目的而在Si衬底上外延InSb材料来获得InSb FPA探测器的情况下，由于InSb材料和Si的晶格失配较大，外延生长过程中产生的大量界面缺陷及应力会导致材料性能急剧恶化之虞存在；而且，由于InSb FPA与Si读出电路之间的热应力，会导致在高低温循环冲击下器件的碎裂之虞也存在。这样的困境的解决方法中，目前存在着利用半导体键合技术将InSb FPA探测器与Si衬底键合后与Si读出电路互连以减少热应力的手段。然而，目前的结果也表明，现有的InSb FPA探测器与Si衬底的键合方法的工艺复杂，实用性低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，包括自上而下叠置的减反膜层、P⁺型InSb电极接触层、吸收层、倍增层和N⁺型Si层，其中，吸收层和倍增层分别是InSb/Si键合晶片中的N型InSb层和P型外延Si层。

在本发明的某实施例中，N型InSb层的厚度为2～6μm，P型外延Si层的厚度为0.7～2μm。

在本发明的某实施例中，N型InSb层的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，P型外延Si层的掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁷cm^-3。

在本发明的某实施例中，减反膜层为SiO、ZnS的单层，或者是SiO与ZnS的多层结合层。

在本发明的某实施例中，在N⁺型Si层形成有N电极，在P⁺型InSb电极接触层以围着减反膜层的方式形成有P电极。

根据本发明的另一个方面，提供了一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器的制作方法，包括以下步骤：准备InSb/Si键合晶片的步骤A，其通过将N型InSb衬底与在N⁺型Si衬底形成的P型外延Si层进行直接键合，而形成InSb/Si键合晶片，该InSb/Si键合晶片中的P型外延Si层作为红外波段雪崩光电二极管探测器的倍增层；形成P⁺型InSb电极接触层的步骤B，其通过对InSb/Si键合晶片中的N型InSb层进行减薄而后进行扩散来形成P⁺型InSb电极接触层，与P⁺型InSb电极接触层接触的N型InSb层作为红外波段雪崩光电二极管探测器的吸收层；形成减反膜层的步骤C，其通过蒸镀在P⁺型InSb电极接触层上形成减反膜层。

在本发明的某实施例中，步骤A具有：子步骤A1，在N⁺型Si衬底上通过外延生长而形成P型外延Si层；子步骤A2，对在N⁺型Si衬底形成有P型外延Si层的Si片进行试剂清洗，对N型InSb衬底进行试剂清洗；子步骤A3，将清洗干净的N型InSb衬底与在N⁺型Si衬底形成的P型外延Si层向内进行贴合，而后将贴合后的两衬底置于真空键合机内进行热处理，以完成N型InSb层/P型外延Si层的真空键合，来形成InSb/Si键合晶片。

在本发明的某实施例中，真空键合的真空度为10^-4～10^-5Pa；真空键合的压力为1～5Mpa；真空键合的温度为30℃～400℃的阶梯状温度，即从30℃起阶梯状升温到400℃而后阶梯状降温。

在本发明的某实施例中，在步骤B形成P⁺型InSb电极接触层之后，还包括：通过从上向下对P⁺型InSb电极接触层、N型InSb层和P型外延Si层分别进行刻蚀直至所述N⁺Si衬底的表面为止，而在N⁺型Si衬底上形成台面的步骤；对台面进行钝化保护的步骤；在步骤C形成减反膜层之前，还包括：在P⁺型InSb电极接触层的表面形成环形P电极，该环形P电极内用于设置减反膜层，在N⁺型Si层的背面形成N电极。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：

(1)通过InSb/Si键合晶片的使用，尤其InSb/Si键合晶片中的N型InSb作为吸收层而P型Si层作为倍增层，相比倍增层为InSb的InSb APD，本发明的InSb/Si APD兼顾了InSb对红外波段的光的吸收大以及Si材料的隧道电流低、过剩噪声因子小等的双方优势，由此，InSb/Si APD能够实现高速低噪声的光电探测效果，理论模拟结果表明InSb/Si APD可以在盖革模式工作而具有高增益效应。

(2)InSb/Si APD通过减反膜等的结构而减少了器件暗电流，这样的暗电流小且噪声低的InSb/Si APD，可以有利于其工作温度的提升，进而有利于大面阵的InSb/Si APD的制作，由此达成InSb FPA无法完成的非低温工作的功能。

(3)通过InSb/Si键合晶片，有利于InSb/Si APD与Si读出电路的互连，以解决目前InSb FPA与Si读出电路连接后InSb与Si读出电路之间存在较大的热膨胀系数差别而在低温冲击下发生碎裂和盲元的问题。

附图说明

图1为本发明实施例红外波段雪崩光电二极管探测器的结构的概要性示意图。

图2为本发明实施例N⁺型Si衬底及其上生成的外延Si层的二层结构的剖视图。

图3为本发明实施例N型InSb衬底的结构的剖视图。

图4为本发明实施例将图2的基于N⁺型Si衬底的外延Si层与图3的N型InSb衬底向内进行贴合而后进行键合的键合晶片的结构的剖视图。

图5为本发明实施例将图4的键合晶片的N型InSb衬底减薄而后进行扩散以形成P⁺型InSb电极接触层的结构的剖视图。

图6为本发明实施例对图5的结构进行刻蚀而形成台面的结构的剖视图。

图7为本发明实施例基于图6的结构在P⁺型InSb电极接触层形成P电极而在N⁺型Si衬底形成N电极的结构的剖视图。

图8为本发明实施例基于图7的结构在P⁺型InSb电极接触层上形成减反膜层的结构的剖视图。

【附图中本发明实施例主要元件符号说明】

1-N⁺型Si衬底；2-P型外延Si层；3-N型InSb衬底；

4-P⁺型InSb电极接触层；5-减反膜层；6-P电极；

7-N电极。

具体实施方式

本发明提供的红外波导雪崩光电二极管探测器，在吸收层使用通过扩散掺杂而形成的N型InSb材料，且在倍增层使用基于外延生长的P型Si材料，通过这样的不同功能层的材料选择，而使材料特性叠加，即，InSb对3-5μm红外光的吸收大，Si因电子离化率与空穴离化率之比小，过剩噪声因子小，故能获得噪声小的倍增性能。由此，相比倍增层为InSb的情形，不仅能够使InSb/Si APD器件的噪声降低，而且藉由窄吸收层的N型InSb层和窄倍增层的P型外延Si层的组合能够实现高速、低噪声光电探测的效果；同时，InSb/Si键合晶片的使用，由此抑制了在与Si读出电路之间的热失配的产生。

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，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例红外波段雪崩光电二极管探测器的结构的概要性示意图。图2～图8是关于红外波段雪崩光电二极管探测器涉及的InSb/Si键合晶片及其他构成要件的示意图，其中，图2为本发明实施例N⁺型Si衬底及其上生成的外延Si层的二层结构的剖视图；图3为本发明实施例N型InSb衬底的结构的剖视图；图4为本发明实施例将图2的基于N⁺型Si衬底的外延Si层与图3的N型InSb衬底向内进行贴合而后进行键合的键合晶片的结构的剖视图；图5为本发明实施例将图4的键合晶片的N型InSb衬底减薄而后进行扩散以形成P⁺型InSb电极接触层的结构的剖视图；图6为本发明实施例对图5的结构进行刻蚀而形成台面的结构的剖视图；图7为本发明实施例基于图6的结构在P⁺型InSb电极接触层形成P电极而在N⁺型Si衬底形成N电极的结构的剖视图；图8为本发明实施例基于图7的结构在P⁺型InSb电极接触层上形成减反膜层的结构的剖视图。

参照图1，本发明实施例的红外波段雪崩光电二极管探测器，包括自上而下叠置的减反膜层5、P⁺型InSb电极接触层4、N型InSb层3、P型外延Si层2和N⁺型Si层1，其中，N型InSb层3和P型外延Si层2是InSb/Si键合晶片中的N型InSb层3和P型外延Si层2，N型InSb层3作为InSb/Si APD的吸收层，P型外延Si层2作为InSb/Si APD的倍增层，在P⁺型InSb电极接触层上中央区域形成减反膜层5，在N⁺型Si层1的背面形成N电极7，在P⁺型InSb电极接触层的表面以围着减反膜层5的方式形成有P电极5。

由此，键合晶片结构的实验结果表明，InSb/Si键合晶片的InSb界面与Si界面的键合强度高，InSb与Si晶格失配导致的界面缺陷被限制在界面几十nm的薄层范围，不会深入到内部，从而有效降低了暗电流，有利于提高器件的响应度。

参照图2至图8，本发明实施例制作的红外波段雪崩光电二极管探测器的具体实施方案的步骤包括：

步骤1：选取一N⁺型Si衬底1，在N⁺型Si衬底1上通过外延生长而形成P型外延Si层2；

需要说明的是，参照图2，N⁺型Si衬底的电阻率为0.001Ω·cm，是低阻硅衬底，N⁺型Si衬底的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3；外延Si层2的掺杂浓度在1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁷cm^-3的范围，其厚度为0.7～2μm。

步骤2：对在N⁺型Si衬底1上形成有P型外延Si层2的Si片进行试剂清洗；

需要说明的是，试剂清洗可以使用有机试剂、化学试剂等，也可以先进行高温超声煮洗而后进行试剂清洗。

步骤3：选取一N型InSb衬底3，对N型InSb衬底3进行试剂清洗；

需要说明的是，试剂清洗可以与步骤2同样，使用有机试剂、化学试剂进行清洗干净(参照图3)；N型InSb衬底的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3。

步骤4：将清洗干净的N型InSb衬底3与在N⁺型Si衬底1形成的P型外延Si层2向内进行贴合而后进行键合；

需要说明的是，参照图4，将N型InSb衬底3与P型外延Si层2进行直接键合，即在N型InSb衬底3与P型外延Si层2向内进行贴合后置于真空键合机内在合适的压力、温度下进行键合，以形成InSb/Si键合晶片，例如，真空键合的真空度为10-4～10^-5Pa；真空键合的压力为1～5Mpa；真空键合的温度为阶梯状温度，即从30℃起阶梯状升温到400℃，而后阶梯状降温。

步骤5：取出InSb/Si键合晶片，对键合晶片的N型InSb层进行减薄；

需要说明的是，利用常规方法例如机械磨抛、金刚石点切削技术等进行键合晶片的N型InSb层的减薄，将N型InSb层减薄至15μm左右；对减薄的N型InSb层进一步进行化学腐蚀，以使腐蚀后的N型InSb层的厚度为4～7μm。

步骤6：对厚度为4～7μm的N型InSb层3进行扩散而形成P⁺型InSb电极接触层4(参照图5)。

需要说明的是，通过扩散而形成的P⁺型InSb电极接触层4的厚度为0.7～2μm。其结果，N型InSb层3的厚度变为从腐蚀后的N型InSb层的厚度4～7μm去除P⁺型InSb电极接触层4的厚度0.7～2μm，即N型InSb层3的厚度变为2～6μm。

步骤7：进行台面刻蚀；

需要说明的是，如图6所示，进行台面刻蚀是指，从上向下对P⁺型InSb电极接触层4、N型InSb层3和P型外延Si层2分别进行刻蚀直至N⁺型Si衬底1为止。另外，对台面的刻蚀可以采用干法、湿法或他们的混合(干湿法)，而优选采用湿法刻蚀以减少器件的表面暗电流。

步骤8：对台面进行钝化保护；

需要说明的是，针对InSb材料进行特定的钝化处理。另外，这样的对台面的钝化也能够减少器件的表面暗电流。

步骤9：制作P电极6和制作N电极7；

需要说明的是，如图7所示，在P⁺型InSb电极接触层4的表面形成P电极6而在N⁺型Si衬底的背面形成N电极7。

步骤10：制作减反膜层5；

需要说明的是，如图8所示，在P⁺型InSb电极接触层4上的中央区域形成减反膜5，该减反膜层5的外周壁与P电极6接触。通过减反膜层5，使得P⁺型InSb电极接触层4不暴露于空气中，既防止空气中水气或其他杂质等对P⁺型InSb电极接触层4的影响而形成表面复合中心，从而降低了表面漏电流；又减少了对入射光的反射，增加了InSb对探测光的吸收，提高了APD的量子效率。

这样，通过上述的步骤1～步骤10，制成了红外波段雪崩光电二极管探测器。其中，吸收层使用了基于扩散掺杂的N型InSb材料，而在倍增层使用了基于外延生长的较薄P型Si材料，由于硅材料电子空穴离化率差别较大，过剩噪声因子小等特点，使得基于薄层P型Si层的倍增区噪声低，又由于吸收层的N型InSb对红外波段的光的吸收大，由此，此APD器件能够兼顾吸收层和倍增层的不同材料的特性，从而实现高速低噪声的红外波段APD器件。这样的红外波段APD器件，借助其低噪声的特性，能够突破作为III-V族材料的InSb器件易受到环境影响只能在77k左右才会达到系统的要求而正常工作的限制，例如可以在180K左右的环境下还能达到系统对噪声的最大限制即还能正常工作，换言之，本发明的红外波段APD器件有利于其工作温度的提升，进而有利于大面阵的InSb/Si APD的制作。

此外，当需要制备基于InSb/Si APD的光电成像系统时，还需要将InSb/Si APD与Si读出电路通过In柱互连，形成热匹配。该部分并不是本发明的重点，此处不再赘述。

此外，在本发明中，根据不同制作阶段，存在将N型InSb有时称为N型InSb层3而有时称为N型InSb衬底3、将N⁺型Si有时称为N⁺型Si层2而有时称为N⁺型Si衬底2的情形。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)减反膜层可以使用SiO或ZnS的单层，也可以是这两单层的结合，也可以是其他合适的减反膜层；

(2)可以将吸收层变更为P型InSb层；相应地，倍增层变更为N型Si层，衬底变更为P⁺型Si层，电极接触层通过在P型InSb表面扩散而形成N⁺型InSb电极接触层，即，变更为以N⁺型InSb/P型InSb/N型Si/P⁺型Si为基本结构的APD器件，因P型InSb层对3～5μm红外光的吸收比N型InSb高，故该APD器件的性能会较优异。另外，该APD器件的制作工艺类似于本发明具体技术方案的上述流程。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明红外波导雪崩光电二极管探测器及其制作方法有了清楚的认识。

综上所述，本发明提供一种利用InSb/Si键合晶片中的N型InSb层和P型外延Si层分别作为吸收层和倍增层的InSb/Si APD及其制作方法，窄吸收层和窄倍增层的组合能够实现高速、低噪声光电探测的效果，InSb具有对红外波段光的大吸收性能，外延Si因过剩噪声因子小而电子离化率与空穴离化率之比小故能获得噪声小的倍增性能，这样的双重功效能够使InSb/Si APD器件的噪声降低，APD探测器的响应度提升，由此，可以广泛应用于智能物联、环境监控、资源探测等诸多领域。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

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，所应理解的是，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3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，包括自上而下叠置的减反膜层、P⁺型InSb电极接触层、吸收层、倍增层和N⁺型Si衬底，其中，

所述吸收层和所述倍增层分别是InSb/Si键合晶片中的N型InSb层和P型外延Si层。

2.根据权利要求1所述的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，其中，

所述N型InSb层的厚度为2～6μm，所述P型外延Si层的厚度为0.7～2μm。

3.根据权利要求2所述的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，其中，

所述N型InSb层的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，所述P型外延Si层的掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁷cm^-3。

4.根据权利要求2所述的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，其中，

所述减反膜层为SiO、ZnS的单层，或者是SiO与ZnS的多层结合层。

5.根据权利要求2所述的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，其中，

在所述N⁺型Si衬底的背面形成有N电极，在所述P⁺型InSb电极接触层的表面以围着所述减反膜层的方式形成有P电极。

6.一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器的制作方法，包括以下步骤：

准备InSb/Si键合晶片的步骤A，其通过将N型InSb衬底与在N⁺型Si衬底形成的P型外延Si层进行直接键合，而形成所述InSb/Si键合晶片，所述InSb/Si键合晶片中的P型外延Si层作为所述红外波段雪崩光电二极管探测器的倍增层；

形成P⁺型InSb电极接触层的步骤B，其通过对所述InSb/Si键合晶片中的N型InSb层进行减薄而后进行扩散来形成所述P⁺型InSb电极接触层，与所述P⁺型InSb电极接触层接触的N型InSb层作为所述红外波段雪崩光电二极管探测器的吸收层；

形成减反膜层的步骤C，其通过蒸镀而在所述P⁺型InSb电极接触层上形成所述减反膜层。

7.根据权利要求6所述的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器的制作方法，其中，

所述步骤A具有：

子步骤A1，在所述N⁺型Si衬底上通过外延生长而形成P型外延Si层；

子步骤A2，对在所述N⁺型Si衬底形成有所述P型外延Si层的Si片进行试剂清洗，对所述N型InSb衬底进行试剂清洗；

子步骤A3，将清洗干净的N型InSb衬底与在N⁺型Si衬底形成的P型外延Si层向内进行贴合，而后将贴合后的两衬底置于真空键合机内进行热处理，以完成N型InSb层/P型外延Si层的真空键合，来形成所述InSb/Si键合晶片。

8.根据权利要求7所述的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器的制作方法，其中，

所述N型InSb层的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，所述P型外延Si层的掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁷cm^-3；

所述N型InSb层的厚度为2～6μm，所述P型外延Si层的厚度为0.7～2μm；

所述真空键合的真空度为10^-4～10^-5pa；

所述真空键合的压力为1～5Mpa；

所述真空键合的温度为30℃～400℃的阶梯状温度，即从30℃起阶梯状升温到400℃而后阶梯状降温。

9.根据权利要求6所述的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器的制作方法，其中，在步骤B形成P⁺型InSb电极接触层之后，还包括：

通过从上向下对所述P⁺型InSb电极接触层、所述N型InSb层和所述P型外延Si层分别进行刻蚀直至所述N⁺型Si衬底的表面为止，而在所述N⁺型Si衬底上形成台面的步骤；

对所述台面进行钝化保护的步骤。

10.根据权利要求9所述的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器的制作方法，其中，在步骤C形成减反膜层之前，还包括：

在所述P⁺型InSb电极接触层的表面形成环形P电极，该环形P电极内用于设置所述减反膜层，在所述N⁺型Si衬底的背面形成N电极。

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