CN109524499A - 可见光拓展的中波红外探测器单元器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可见光拓展的中波红外探测器单元器件及其制备方法。其中，制备方法包括：在衬底上形成外延层，所述外延层包括吸收层；在吸收层上形成光陷阱，所述光陷阱底部位于吸收层内；刻蚀部分外延层以形成台面；在台面侧壁上形成电离膜，电离膜上形成氧化硅或氮化硅膜。本发明的制备方法，光陷阱结构的加入可增强探测器对光的吸收，减少体积填充比，降低扩散电流。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料与器件技术领域，进一步涉及一种可见光拓展的中波红外探测器单元器件及其制备方法。
背景技术
以锑化物材料体系为基础的InAs/GaSb超晶格材料近几年在红外探测器领域有重要的应用。用于制备红外探测器的InAs/GaSb超晶格材料通常使用分子束外延(molecularbeam epitaxy，MBE)方法生长在较厚的GaSb衬底上。在制备探测器过程中，衬底被去除，透过衬底红外光被探测器材料的吸收区吸收。但由于空气与探测器间反射系数不匹配，20％的光被界面反射而导致探测器量子效率降低。目前，减少由于界面反射带来的探测器吸收损耗的方法主要是镀增透膜。但增透膜难于实现增加较宽波段范围内探测器对光的吸收。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种实现可见光到中波红外探测的宽光谱探测器单元器件制备方案，解决目前中波红外探测器探测波段限制的弊端，为实现可见到中波红外波段探测成像提供一种方法。
本发明一方面提供一种可见光拓展的中波红外探测器单元器件的制备方法，包括：
在衬底上形成外延层，所述外延层包括吸收层；
在吸收层上形成光陷阱，所述光陷阱底部位于吸收层内；
刻蚀部分外延层以形成台面；
在台面侧壁上形成电离膜，电离膜上形成氧化硅或氮化硅膜。
进一步的，所述台面由上往下依次包括吸收层、势垒层和接触层。
进一步的，所述电离膜为硫化层，附着在台面的侧壁上，所述氧化硅或氮化硅膜附着在电离膜上。
进一步的，还包括形成上电极和下电极，所述上电极制作于台面的上部，下电极制作于台面的下部。
进一步的，所述光陷阱和台面材料为InAs/GaSb II类超晶格材料；所述电离膜通过Na2S·9H2O与乙二醇混合溶液经阳极硫化法形成并附着在台面侧壁上；所述氧化硅或氮化硅膜室温生长形成在电离膜301上；所述上电极和下电极分别为Ti/Pt/Au合金材料。
进一步的，在吸收层上形成光陷阱包括：在吸收层上使用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)沉积二氧化硅，作为光陷阱结构掩模；通过光刻工艺在吸收层的二氧化硅掩模上实现圆柱和金字塔柱，或者实现圆孔和金字塔孔图形；使用光刻胶做掩模，采用电感耦合等离子体刻蚀(InductivelyCoupled Plasma，ICP)工艺刻蚀二氧化硅掩模；二氧化硅做掩模，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀吸收层，刻蚀深度接近吸收层厚度；采用电感耦合等离子体刻蚀工艺去除氧化硅残余掩模，从而在吸收层上形成圆柱和金字塔柱，或者形成圆孔和金字塔孔状光陷阱。
本发明的另一方面，提供一种可见光拓展的中波红外探测器单元器件，包括：
衬底上及其上的外延层，外延层包括吸收层；
光陷阱结构，形成于吸收层上，并且光陷阱底部位于吸收层内；
台面结构，经刻蚀外延层形成。
进一步的，还包括：上电极，制作于所述台面的上部；下电极，制作于所述台面的下部。
进一步的，所述台面由上往下依次包括吸收层、势垒层和接触层。
进一步的，所述硫化层的电离膜为硫化层，附着在台面的侧壁上，所述氧化硅或/氮化硅膜附着在电离膜上。
本发明的有益效果是，提出一种带有光陷阱结构的可见光到中波红外波段(0.4μm-5μm)探测器的制备方法，光陷阱结构的加入可增强探测器对光的吸收，减少体积填充比(volume fill ratio，VFR)，降低扩散电流，提高量子效率和探测率，同时实现可见光到中波红外波段探测。
附图说明
图1是本发明实施例中的衬底和外延层的截面示意图。
图2是本发明实施例中的光陷阱的制备流程示意图。
图3是本发明实施例中的台面的制备流程示意图。
图4是本发明实施例中的硫化层形成流程示意图。
图5是本发明实施例中的上电极和下电极形成流程示意图。
图6是本发明实施例的探测器单元器件的截面示意图。
具体实施方式
根据本发明的基本构思，提供一种带有光陷阱结构的可见光拓展的中波红外探测器，可增强探测器对光的吸收，减少体积填充比，降低扩散电流，提高量子效率和探测率，同时实现可见光到中波红外波段探测。
根据本发明实施例的一方面，提供一种可见光拓展的中波红外探测器单元器件的制备方法，包括：
在衬底上形成外延层，所述外延层包括吸收层；
在吸收层上形成光陷阱，所述光陷阱底部位于吸收层内；
刻蚀部分外延层以形成台面；
在台面侧壁上形成电离膜，电离膜上形成氧化硅或氮化硅膜。
所述台面由上往下依次包括吸收层、势垒层和接触层。
进一步的，所述电离膜为硫化层，附着在台面的侧壁上，所述氧化硅或氮化硅膜附着在电离膜上。
进一步的，制备方法还包括形成上电极和下电极，所述上电极制作于台面的上部，下电极制作于台面的下部。
进一步的，所述光陷阱和台面材料为InAs/GaSb II类超晶格材料，InAs、GaSb这两种材料的禁带错列排布，两种材料的禁带不存在交叠，GaSb的价带顶比InAs层的导带底要高0.15eV。电子被限制在InAs层，空穴被限制在GaSb层，电子和空穴在空间上分离，可分别对电子阱和空穴阱进行调制，由此可通过调整各子层厚度和组分实现较宽范围(2-30μm)的红外吸收；所述电离膜通过Na2S·9H2O与乙二醇混合溶液经阳极硫化法形成并附着在台面侧壁上；所述氧化硅或氮化硅膜室温生长形成在电离膜301上；所述上电极和下电极分别为Ti/Pt/Au合金材料。
进一步的，在吸收层上形成光陷阱包括：
在吸收层上使用等离子体增强化学气相沉积法沉积二氧化硅，作为光陷阱结构掩模；
通过光刻工艺在吸收层的二氧化硅掩模上实现圆柱和金字塔柱，或者实现圆孔和金字塔孔图形；
使用光刻胶做掩模，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀二氧化硅掩模；
丙酮溶液水浴去除残余光刻胶掩膜后，沉积的二氧化硅做掩模，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀吸收层，刻蚀深度接近吸收层厚度；
采用电感耦合等离子体刻蚀工艺去除氧化硅残余掩模，从而在吸收层上形成圆柱和金字塔柱，或者形成圆孔和金字塔孔状光陷阱。
根据本发明实施例的另一方面，提供一种可见光拓展的中波红外探测器单元器件，包括：
衬底上及其上的外延层，外延层包括吸收层；
光陷阱结构，形成于吸收层上，并且光陷阱底部位于吸收层内；
台面结构，经刻蚀外延层形成，台面结构隔离了上下电极的P型接触和N型接触，淀积金属后可在台面上、下分别形成P型和N型欧姆接触，以便与外电路相连。
进一步的，探测器单元器件还包括：上电极，制作于所述台面的上部；下电极，制作于所述台面的下部。
进一步的，所述台面由上往下依次包括吸收层、势垒层和接触层。
进一步的，所述硫化层的电离膜为硫化层，附着在台面的侧壁上，所述氧化硅或/氮化硅膜附着在电离膜上。
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明中“上”、“下”、等方位词仅表示相对关系，并不用于限制本发明；“在...上形成”包括与单一或多个层之间的接触与非接触。
在此所述的实施例为例示之用，其中该实施例可能会简化或省略本技术领域已熟知的组件或步骤，以免模糊本发明的特点。同样地，为使附图清晰，附图也可能省略重复或非必要的组件及组件符号。
图1是本发明实施例中的衬底和外延层的截面示意图。本发明实施例提供一种可见光拓展的中波宽光谱红外探测器单元器件的制备方法，包括：
一光陷阱10形成；
一台面20形成，其在光陷阱10形成后制作；
一硫化层30形成，包括电离膜301和氧化硅/氮化硅膜302，其制作在台面20侧壁上；
一电极40形成，包括上电极401和下电极402。
其中，请参阅图1所示为本发明提供一种宽光谱红外探测器单元器件的实现方法所用材料，包括：
吸收层50，材料可以为p-InAs/GaSb超晶格材料，厚度为2-4μm，作为光吸收层；
势垒层60，材料可以为未掺杂InAs/GaSb超晶格材料，厚度为0.3-1μm；
接触层70，材料可以为i-InAs/GaSb超晶格材料，厚度为1-2μm，用于形成接触电极；
缓冲层80，材料可以为GaSb，厚度为1-2μm；
衬底90，材料可以为GaSb。
图2是本发明实施例中的光陷阱的制备流程示意图。请参阅图2所示，第一步光陷阱10形成。
首先，在材料上使用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，PECVD)法沉积一层二氧化硅，作为光陷阱10结构掩模，此二氧化硅掩模厚度为光陷阱10高度的1/4-1/5。光陷阱10为圆柱/金字塔柱，圆孔/金字塔孔两种形状，通过光刻工艺在吸收层50的二氧化硅掩模上实现圆柱/金字塔柱，圆孔/金字塔孔图形。然后，光刻胶做掩模，电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀工艺刻蚀二氧化硅掩模。而后，二氧化硅做掩模，电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀工艺刻蚀吸收层50，刻蚀深度接近吸收层50厚度，刻蚀角度为80°-90°。最终，电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀工艺去除氧化硅残余掩模。在吸收层50上形成圆柱/金字塔柱，圆孔/金字塔孔状光陷阱10。
图3是本发明实施例中的台面的制备流程示意图。请参阅图3所示，为第二步台面20形成。
形成光陷阱10后，首先，使用等离子体增强化学气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)法沉积一层二氧化硅作为台面20的掩模，二氧化硅厚度为台面20厚度的1/4-1/5。然后，光刻法将台面图形转移到二氧化硅掩模上。而后，光刻胶做掩模，电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀二氧化硅。最终，电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀吸收层50、势垒层60、接触层70，台面20刻到接触层70内。电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀去除残余氧化硅掩模后得到台面20。
图4是本发明实施例中的硫化层形成流程示意图。请参阅图4所示，为第三步为硫化层30形成。
形成光陷阱10、台面20后，首先，Na2S·乙二醇混合溶液电离法在材料上形成一层薄薄的致密均匀的电离膜100，以中和台面20侧壁的悬挂键，降低侧壁暗电流，提高探测器性能。然后，等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)法沉积一层二氧化硅/氮化硅膜100，以保护、加固电离膜，使其不易在空气中分解失效，同时二氧化硅/氮化硅膜100也具有钝化效果。
图5是本发明实施例中的上电极和下电极形成流程示意图。请参阅图5所示，为第四步为金属电极40形成。
形成光陷阱10、台面20、硫化层30后，先用盐酸与水的混合溶液浸泡材料5-15s，去除材料氧化层，避免电极欧姆接触不牢固。随后，光刻法将电极40图形转移到材料上。然后，电子束蒸发(E-beam Evaporation)/磁控溅射(magnetron sputtering)法淀积Ti/Pt/Au50/50/300nm。随后，经过剥离工艺形成欧姆接触。
经过以上所述四个步骤，即可形成如图6所示的可见光拓展的中波宽光谱红外探测器，经过封装可进行光电性能测试研究。
通过本发明实施例的探测器单元器件，其与镀增透膜的方法相比，制作锥状或孔状光陷阱阵列结构为实现可见光拓展的中波红外宽光谱探测器提供新的思路。一定几何尺寸的三维光陷阱阵列结构具有陷光效应，增加红外探测器材料吸收层对光的吸收。同时，与探测器层状吸收层相比，光陷阱结构可减少吸收层体积填充比(volume fill ratio，VFR)，从而降低材料吸收层的扩散电流。为实现高量子效率，高探测率的可见光拓展的中波(0.4μm-5μm)宽光谱红外探测器提供可能。本发明实施例的探测器单元器件可同时实现可见光和中波红外波段的探测光陷阱结构的形成为红外探测器彩色成像提供一种新的方法。
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，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)
1.一种可见光拓展的中波红外探测器单元器件的制备方法，包括：
在衬底上形成外延层，所述外延层包括吸收层；
在吸收层上形成光陷阱，所述光陷阱底部位于吸收层内；
刻蚀部分外延层以形成台面；
在台面侧壁上形成电离膜，电离膜上形成氧化硅或氮化硅膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述台面由上往下依次包括吸收层、势垒层和接触层。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电离膜为硫化层，附着在台面的侧壁上，所述氧化硅或氮化硅膜附着在电离膜上。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括形成上电极和下电极，所述上电极制作于台面的上部，下电极制作于台面的下部。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光陷阱和台面材料为InAs/GaSbII类超晶格材料；所述电离膜通过Na2S·9H2O与乙二醇混合溶液经阳极硫化法形成并附着在台面侧壁上；所述氧化硅或氮化硅膜室温生长形成在电离膜301上；所述上电极和下电极分别为Ti/Pt/Au合金材料。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在吸收层上形成光陷阱包括：
在吸收层上使用等离子体增强化学气相沉积法沉积二氧化硅，作为光陷阱结构掩模；
通过光刻工艺在吸收层的二氧化硅掩模上实现圆柱和金字塔柱，或者实现圆孔和金字塔孔图形；
使用光刻胶做掩模，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀二氧化硅掩模；
二氧化硅做掩模，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀吸收层，刻蚀深度接近吸收层厚度；
采用电感耦合等离子体刻蚀工艺去除氧化硅残余掩模，从而在吸收层上形成圆柱和金字塔柱，或者形成圆孔和金字塔孔状光陷阱。
7.一种可见光拓展的中波红外探测器单元器件，其特征在于包括：
衬底上及其上的外延层，外延层包括吸收层；
光陷阱结构，形成于吸收层上，并且光陷阱底部位于吸收层内；
台面结构，经刻蚀外延层形成。
8.根据权利要求7所述的可见光拓展的中波红外探测器单元器件，其特征在于还包括：
上电极，制作于所述台面的上部；
下电极，制作于所述台面的下部。
9.根据权利要求7所述的可见光拓展的中波红外探测器单元器件，其特征在于，所述台面由上往下依次包括吸收层、势垒层和接触层。
10.根据权利要求7所述的可见光拓展的中波红外探测器单元器件，其特征在于，所述硫化层的电离膜为硫化层，附着在台面的侧壁上，所述氧化硅或/氮化硅膜附着在电离膜上。
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