CN109256437B - 一种低温键合光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种低温键合光电探测器及其制备方法，一种低温键合光电探测器包括：衬底、N型掺杂硅层、P型掺杂硅层、N型键合层、P型键合层、吸收层、P型掺杂InP层、P型欧姆接触层、保护层、n型电极、p型电极，一种低温键合光电探测器制备方法包括：外延层生长、晶片键合、台面刻蚀和保护层制备、电极制备。本发明通过晶片键合、低温退火和相关结构的优化，将不同半导体结合在一起，结合了各半导体材料的优点，提供一种低温退火、避免晶格大失配、响应速度快、位错密度低的低温键合光电探测器及其制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器领域，尤其涉及低温键合光电探测器及其制备方法。
背景技术
半导体是一种特殊的材料，其电阻会受外界不同环境条件如温度、光照等的变化而随之发生改变，利用半导体的这一特性，人们制作了众多类型的半导体器件，将其应用与不同方面，发挥着重要作用，其中利用半导体电阻随特定波长变化制作出的器件被称为光电探测器，主要用于进行特定光线的探测，广泛应用于军事、医疗、火灾安全等多个领域。
随着人们对光电探测器应用领域的不断拓宽与深入，对光电探测器也提出了更高的要求，要求其具备更高的灵敏度、更快的相应速度、更高的精确度等，但作为光电探测器的核心，半导体在迁移率、机械性、光学吸收特性、热导率等性能方面是不同的，没有任何一种半导体能够同时具备所有方面的优越性能，因此单凭一种半导体是无法制作出满足需求的光电探测器的，为此，人们研究出了将多种半导体材料结合在一起的方法，以应对更高的要求。
要将不同半导体材料结合在一起，就必须解决晶格失配的兼容问题，外延生长法是目前进行多种半导体结合的主要方法之一，能够有效将晶格匹配度较高的材料结合在一起，制作成性能优越的光电探测器，但当半导体之间晶格大失配时，外延生长会比较困难，纵然能够进行外延生长，用该结合半导体制作出的光电探测器位错密度较大，性能不佳，因此针对这种晶格大失配的情况，研发出了晶片键合技术。
晶片键合技术是在外延生长技术遇到晶格大失配情况下，对外延生长技术的补充，在键合过程中，为了促进晶片结合的界面生产化学键以加强键合强度，往往采用高温退火的方式来实现，但由于不同材料的受热膨胀体积变化不同，使得在高温退化时可能发生破坏键合、裂开的现象，而且高温还会影响晶片的原有性质，导致整个器件性能下降，因此人们也在研究低温键合方法，目前所采取的方法有：原子束照射、中间介质、等离子体处理等方法，但这些方法也存在损伤晶片表面、基质层较厚等缺陷，有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的是解决现有不同半导体光电材料集成技术中存在的晶格大失配、位错密度高、高温退火破坏键合的问题，提供一种低温退火、避免晶格大失配、响应速度快、位错密度低的低温键合光电探测器及其制备方法。
本发明所采用的技术方案：一种低温键合光电探测器，包括：衬底、N型掺杂硅层、P型掺杂硅层、N型键合层、P型键合层、吸收层、P型掺杂InP层、P型欧姆接触层、保护层、n型电极、p型电极。
所述衬底为N+型Si衬底，同时也是器件的n型欧姆接触层，位于整个器件的最底部；
所述N型掺杂硅层位于衬底之上，由N型硅构成，厚度1200nm，掺杂浓度为2.5×1015/cm3；
所述P型掺杂硅层位于N型掺杂硅层之上，由P型硅构成，厚度100nm，掺杂浓度为1×1017/cm3；
所述N型键合层位于P型掺杂硅层之上，由SiO2构成，厚10nm，用于晶片键合过程中与另一个晶片直接接触；
所述P型键合层位于N型键合层之上，为由InP构成，厚50nm，用于晶片键合过程中与另一个晶片直接接触；
所述吸收层由InGaAs构成，为进行任何掺杂，位于P型键合层之上，厚1000nm；
所述P型掺杂InP层为P型InP，位于吸收层之上，厚100nm，掺杂浓度为0.8×1018/cm3；
所述P型欧姆接触层为P+型InGaAs，该层进行重掺杂，位于P型掺杂InP层之上，厚180nm，掺杂浓度为1.5×1019/cm3；
所述保护层由SiO2形成，位于器件上表面，除P型电极外，其他区域均被保护层覆盖；
所述N型电极位于衬底之下，结构为Pt/Ni/Pt/Au；
所述P型电极位于P型欧姆接触层之上，结构为Pt/Ni/Pt/Au。
本发明一种低温键合光电探测器的制备方法如下：
外延层生长：硅基晶片和InP基晶片两个外延片的外延层单独独立生长，硅基晶片在衬底的基础上，依次生长出N型掺杂硅层、P型掺杂硅层、N型键合层；InP基晶片在InP衬底上依次外延生长出缓冲层、P型欧姆接触层、P型掺杂InP层、吸收层、P型键合层；
晶片键合：根据键合需要对两个外延片进行尺寸裁剪，然后对两外延片进行清洗，去除其表面的有机成分和金属杂质，同时确保晶片表面不被污染，浸泡在硼酸溶液中40分钟，再在硼酸溶液中将N型键合层和P型键合层对接贴合，施加外力使得两晶片键合，然后取出晶片，在氩气250℃环境下进行3小时退火，剥离InP衬底和缓冲层，使得P型欧姆接触层为表层。
台面刻蚀和保护层制备：对键合后的器件各层进行刻蚀形成台面，刻蚀从最顶部的P型欧姆接触层直至N型掺杂硅层，然后利用等离子体增强化学气相沉积法在器件上表面生长出SiO2层，即为保护层，再将P型欧姆接触层上的部分保护层刻蚀掉，以留出生长P型电极的位置。
电极制备：利用电子束蒸发淀积法在P型欧姆接触层上留出的位置，生长出P型电极，同样方法在衬底的底面生长出N型电极。
本发明的有益效果：(1)利用晶片键合解决了晶格大失配和位错密度大的问题；(2)采用低温退火避免了高温对晶片造成破坏；(3)研究确定N型掺杂硅层、P型掺杂硅层和P型掺杂InP层的厚度和掺杂浓度，确保了器件的性能。
附图说明
图1是本发明剖面结构示意图。
图中：1—衬底，2—N型掺杂硅层，3—P型掺杂硅层，4—N型键合层，5—P型键合层，6—吸收层，7—P型掺杂InP层，8—P型欧姆接触层，9—保护层，10—N型电极，11—P型电极。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明一种低温键合光电探测器，包括：衬底(1)、N型掺杂硅层(2)、P型掺杂硅层(3)、N型键合层(4)、P型键合层(5)、吸收层(6)、P型掺杂InP层(7)、P型欧姆接触层(8)、保护层(9)、N型电极(10)、P型电极(11)。
所述衬底(1)为N+型Si衬底，同时也是器件的n型欧姆接触层，位于整个器件的最底部；
所述N型掺杂硅层(2)位于衬底(1)之上，由N型硅构成，厚度1200nm，掺杂浓度为2.5×1015/cm3；
所述P型掺杂硅层(3)位于N型掺杂硅层(2)之上，由P型硅构成，厚度100nm，掺杂浓度为1×1017/cm3；
所述N型键合层(4)位于P型掺杂硅层(3)之上，由SiO2构成，厚10nm，用于晶片键合过程中与另一个晶片直接接触；
所述P型键合层(5)位于N型键合层(4)之上，为由InP构成，厚50nm，用于晶片键合过程中与另一个晶片直接接触；
所述吸收层(6)由InGaAs构成，为进行任何掺杂，位于P型键合层(5)之上，厚1000nm；
所述P型掺杂InP层(7)为P型InP，位于吸收层(6)之上，厚100nm，掺杂浓度为0.8×1018/cm3；
所述P型欧姆接触层(8)为P+型InGaAs，该层进行重掺杂，位于P型掺杂InP层(7)之上，厚180nm，掺杂浓度为1.5×1019/cm3；
所述保护层(9)由SiO2形成，位于器件上表面，除P型电极(11)外，其他区域均被保护层覆盖；
所述N型电极(10)位于衬底(1)之下，结构为Pt/Ni/Pt/Au；
所述P型电极(11)位于P型欧姆接触层(8)之上，结构为Pt/Ni/Pt/Au。
本发明一种低温键合光电探测器的制备方法如下：
外延层生长：两个外延片的外延层单独独立生长，硅基晶片在衬底(1)的基础上，依次生长出N型掺杂硅层(2)、P型掺杂硅层(3)、N型键合层(4)，InP基晶片在InP衬底上依次外延生长出缓冲层、P型欧姆接触层(8)、P型掺杂InP层(7)、吸收层(6)、P型键合层(5)；
晶片键合：根据键合需要对两个外延片进行尺寸裁剪，然后对两外延片进行清洗，去除其表面的有机成分和金属杂质，同时确保晶片表面不被污染，浸泡在硼酸溶液中40分钟，再在硼酸溶液中将N型键合层(4)和P型键合层(5)对接贴合，施加外力使得两晶片键合，然后取出晶片，在氩气250℃环境下进行3小时退火，剥离InP衬底和缓冲层，使得P型欧姆接触层(8)为表层。
台面刻蚀和保护层(9)制备：对键合后的器件各层进行刻蚀形成台面，刻蚀从最顶部的P型欧姆接触层(8)直至N型掺杂硅层(2)，然后利用等离子体增强化学气相沉积法在器件上表面生长出SiO2层，即为保护层(9)，再将P型欧姆接触层(8)上的部分保护层(9)刻蚀掉，以留出生长P型电极(11)的位置。
电极制备：利用电子束蒸发淀积法在P型欧姆接触层(8)上留出的位置，生长出P型电极(11)，同样方法在衬底(1)的底面生长出N型电极(10)。
Claims (9)
1.一种低温键合光电探测器，其特征在于：包括：衬底(1)、N型掺杂硅层(2)、P型掺杂硅层(3)、N型键合层(4)、P型键合层(5)、吸收层(6)、P型掺杂InP层(7)、P型欧姆接触层(8)、保护层(9)、N型电极(10)、P型电极(11)，所述保护层(9)由SiO2形成，位于器件上表面，除P型电极(11)外，其他区域均被保护层覆盖；所述N型电极(10)位于衬底(1)之下，结构为Pt/Ni/Pt/Au；所述P型电极(11)位于P型欧姆接触层(8)之上，结构为Pt/Ni/Pt/Au；
所述P型掺杂硅层(3)位于N型掺杂硅层(2)之上，由P型硅构成，厚度100nm，掺杂浓度为1×1017/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种低温键合光电探测器，其特征在于：所述衬底(1)为N+型Si衬底，同时也是器件的n型欧姆接触层，位于整个器件的最底部。
3.根据权利要求1所述的一种低温键合光电探测器，其特征在于：所述N型掺杂硅层(2)位于衬底(1)之上，由N型硅构成，厚度1200nm，掺杂浓度为2.5×1015/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种低温键合光电探测器，其特征在于：所述N型键合层(4)位于P型掺杂硅层(3)之上，由SiO2构成，厚10nm，用于晶片键合过程中与另一个晶片直接接触。
5.根据权利要求1所述的一种低温键合光电探测器，其特征在于：所述P型键合层(5)位于N型键合层(4)之上，为由InP构成，厚50nm，用于晶片键合过程中与另一个晶片直接接触。
6.根据权利要求1所述的一种低温键合光电探测器，其特征在于：所述吸收层(6)由InGaAs构成，为进行任何掺杂，位于P型键合层(5)之上，厚1000nm。
7.根据权利要求1所述的一种低温键合光电探测器，其特征在于：所述P型掺杂InP层(7)为P型InP，位于吸收层(6)之上，厚100nm，掺杂浓度为0.8×1018/cm3。
8.根据权利要求1所述的一种低温键合光电探测器，其特征在于：所述P型欧姆接触层(8)为P+型InGaAs，该层进行重掺杂，位于P型掺杂InP层(7)之上，厚180nm，掺杂浓度为1.5×1019/cm3。
9.一种低温键合光电探测器制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
外延层生长：两个外延片的外延层单独独立生长，硅基晶片在衬底(1)的基础上，依次生长出N型掺杂硅层(2)、P型掺杂硅层(3)、N型键合层(4)，InP基晶片在InP衬底上依次外延生长出缓冲层、P型欧姆接触层(8)、P型掺杂InP层(7)、吸收层(6)、P型键合层(5)；
晶片键合：根据键合需要对两个外延片进行尺寸裁剪，然后对两外延片进行清洗，去除其表面的有机成分和金属杂质，同时确保晶片表面不被污染，浸泡在硼酸溶液中40分钟，再在硼酸溶液中将N型键合层(4)和P型键合层(5)对接贴合，施加外力使得两晶片键合，然后取出晶片，在氩气250℃环境下进行3小时退火，剥离InP衬底和缓冲层，使得P型欧姆接触层(8)为表层；
台面刻蚀和保护层(9)制备：对键合后的器件各层进行刻蚀形成台面，刻蚀从最顶部的P型欧姆接触层(8)直至N型掺杂硅层(2)，然后利用等离子体增强化学气相沉积法在器件上表面生长出SiO2层，即为保护层(9)，再将P型欧姆接触层(8)上的部分保护层(9)刻蚀掉，以留出生长P型电极(11)的位置；
电极制备：利用电子束蒸发淀积法在P型欧姆接触层(8)上留出的位置，生长出P型电极(11)，同样方法在衬底(1)的底面生长出N型电极(10)。
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