CN109786510A - 一种四元探测器的制备方法以及由此得到的铟镓砷铋四元探测器 - Google Patents

一种四元探测器的制备方法以及由此得到的铟镓砷铋四元探测器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种四元探测器的制备方法，包括提供外延片；以光刻胶为掩膜对外延片进行光刻，获得台面；采用直流反应磁控溅射的方法在台面上淀积氮化铝绝缘接触层，采用电感耦合等离子体化学气相沉积的方法在氮化铝绝缘接触层上淀积氮化硅钝化加固层，从而得到氮化铝和氮化硅双层薄膜；在氮化铝和氮化硅双层薄膜和台面上开刻电极窗口；在电极窗口中制作P型金属电极和N型金属电极，从而得到铟镓砷铋四元探测器。本发明还提供由上述的制备方法得到的铟镓砷铋四元探测器。本发明的氮化铝和氮化硅双层薄膜有效覆盖凸台的侧表面，提升绝缘钝化性能，降低了过渡到凸台的台阶处的漏电流的产生，进而大大提升了探测器的响应率和可靠性。

Description

一种四元探测器的制备方法以及由此得到的铟镓砷铋四元探 测器
技术领域
本发明涉及半导体光电子材料及器件领域，特别涉及一种四元探测器的制备方法以及由此得到的铟镓砷铋四元探测器。
背景技术
铟镓砷铋作为一种新型的III-V族半导体材料，具有很多独特的物理特性，在过去的十年中引起了广泛的关注。在传统的III-V族铟镓砷中引入少量的铋，能够大大地减小带隙，降低螺旋重组率和价带吸收率，在红外光电子设备中具有显著优势。但是由于铋原子具有较大的原子半径，随着铋含量的增加，铟镓砷铋材料的晶格常数增大，与磷化铟衬底之间的晶格失配也逐渐增加，导致器件暗电流增大，即降低了器件性能，铟镓砷铋的这种特殊结构对器件的工艺方法提出了更高的要求，尤其是凸台表面和侧壁的钝化工艺。
在采用干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺形成台面的过程中，腐蚀对凸台侧壁的横向钻蚀造成台面的形貌不规整、过渡到凸台的台阶处出现凹槽、缺陷增多等，这些工艺缺陷会作为产生复合中心为载流子提供漏电通道，使得器件侧面漏电流增大。通过对表面进行钝化可以大幅降低器件的表面态密度，减小漏电流，提高器件性能，而不良的表面与侧壁钝化也会使器件灵敏度降低，因此生长出高质量的钝化膜，实现对台面表面及侧壁的高效覆盖，对于提高器件的性能和可靠性至关重要。
目前，对于III-V族化合物半导体器件，主要采用单层氮化硅来作为钝化膜，但目前工艺上生长的单层氮化硅薄膜对过渡到凸台的台阶处凹槽的覆盖能力依然有限，氮化硅钝化层与III-V族半导体材料间存在着一定的界面态密度和张应力，这些因素在一定程度上限制了器件灵敏度的提高，另外，器件进行合金化的高温过程，会导致氮化硅薄膜的绝缘性能退化，使得器件的可靠性降低。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的氮化硅薄膜的绝缘性能退化等问题，本发明旨在提供一种四元探测器的制备方法以及由此得到的铟镓砷铋四元探测器。
本发明提供一种四元探测器的制备方法，包括如下步骤：S1，提供由磷化铟衬底、N型磷化铟缓冲层、铟镓砷铋吸收层、P型磷化铟窗口和P型铟镓砷接触层组成的外延片；S2，以光刻胶为掩膜对外延片进行光刻，获得由铟镓砷铋吸收层、P型磷化铟窗口和P型铟镓砷接触层组成的凸台，其中，N型磷化铟缓冲层的未被凸台覆盖的顶表面、凸台的顶表面、和位于该两顶表面之间的凸台的侧表面共同形成台面；S3，采用直流反应磁控溅射的方法在台面上淀积氮化铝绝缘接触层，采用电感耦合等离子体化学气相沉积的方法在氮化铝绝缘接触层上淀积氮化硅钝化加固层，从而得到氮化铝和氮化硅双层薄膜；S4，在氮化铝和氮化硅双层薄膜和台面上开刻电极窗口；S5，在电极窗口中制作P型金属电极和N型金属电极，从而得到铟镓砷铋四元探测器。
虽然分子束外延、化学气相沉积、和离子束反应沉积法等常规也可用来生长氮化铝薄膜，但是实践表明，这些成膜方法会不可避免的在薄膜中引入碳、氧等杂质，或由于薄膜生长的温度过高使样品中应力变大，造成薄膜产生缺陷或者断裂。而本发明所选用的直流反应磁控溅射法能够避免高能粒子对薄膜样品的轰击，溅射物质的输运连续可控，成膜速率可以根据需要进行调整，并且在薄膜生长过程中，基体温度低、沉积速度快，生长的氮化铝薄膜密度高、成分均匀、台阶覆盖率大、性能稳定，成膜质量得到大大的提高，因此磁控溅射法能避免以上困难得到高质量的氮化铝薄膜。
虽然等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)常规也可用来生长氮化硅钝化膜，但是实践表明，通过PECVD方法生长的薄膜致密性差，氢元素含量较高，在生长过程中材料会受到一定的轰击，使得材料表面受损，界面态密度增加，另外较高的生长温度会导致钝化膜和衬底间热应力增大。而本发明所选用的ICPCVD技术针对这些问题被提出，降低了等离子体对材料表面的损伤，等离子体密度较大且方向性可控，可以很好地填充凸台表面及侧壁，对于钝化膜可实现低温生长，生长的薄膜含氢量较低。
优选地，所述步骤S1包括：S11，提供磷化铟衬底；S12，通过分子束外延技术在磷化铟衬底上生长N型磷化铟缓冲层；S13，通过分子束外延技术在N型磷化铟缓冲层上生长铟镓砷铋吸收层；S14，通过分子束外延技术在铟镓砷铋吸收层上生长P型磷化铟窗口；S15，通过分子束外延技术在P型磷化铟窗口上生长P型铟镓砷接触层，由此得到由磷化铟衬底、N型磷化铟缓冲层、铟镓砷铋吸收层、P型磷化铟窗口和P型铟镓砷接触层组成的外延片。在优选的实施例中，磷化铟衬底为350μm厚的衬底；N型磷化铟缓冲层为1μm厚的缓冲层；铟镓砷铋吸收层为1.5μm厚的吸收层；P型磷化铟窗口为0.6μm厚的窗口；P型铟镓砷接触层为0.15μm厚的接触层。
优选地，在所述步骤S2中，以氢溴酸、盐酸、双氧水和水的非选择性腐蚀液湿法化学腐蚀到N型磷化铟缓冲层。在一个优选的实施例中，该氢溴酸、盐酸、双氧水和水的体积比为10:5:1:50。
优选地，在所述步骤S3的淀积氮化铝绝缘接触层的过程中，溅射时间为90分钟，溅射功率为150W，衬底温度为550℃，溅射氮氩气氛体积比为9:19，由此得到的氮化铝绝缘接触层的厚度为200nm。应该理解，氮化铝绝缘接触层的性能好坏与薄膜晶体的溅射工艺参数息息相关。
优选地，在所述步骤S3的淀积氮化硅钝化加固层的过程中，淀积时间为15分钟，衬底温度为130℃，感应耦合等离子体功率为350W，射频功率为1200W，气体体积流量采用硅烷:氨气:氩气＝145sccm:9.5sccm:140sccm，由此得到的氮化硅钝化加固层的厚度为300nm。
优选地，在所述步骤S4中，以光刻胶为掩膜，采用感应耦合等离子体干法刻蚀台面以及N型电极窗口处的氮化铝绝缘接触层和氮化硅钝化加固层，然后用氢氟酸缓冲液湿法腐蚀氮化硅钝化加固层，采用稀硫酸腐蚀氮化铝绝缘接触层，形成电极窗口。
优选地，在所述步骤S5中，P型金属电极在台面的一侧位于氮化铝和氮化硅双层薄膜上由P型铟镓砷接触层的顶表面开始向下延伸，N型金属电极在台面的另一侧位于形成台面的N型磷化铟缓冲层上。优选地，采用电子束蒸发的方法蒸发P型金属电极和N型金属电极，最后剥离去胶得到铟镓砷铋四元探测器。
优选地，P型金属电极包括直接位于P型铟镓砷接触层的上方以及氮化铝和氮化硅双层薄膜的内侧的第一部段、位于凸台顶表面上的氮化铝和氮化硅双层薄膜上的第二部段、位于凸台侧表面上的氮化铝和氮化硅双层薄膜的外侧的第三部段、和位于形成台面的N型磷化铟缓冲层上的氮化铝和氮化硅双层薄膜上的第四部段。
本发明还提供由上述的制备方法得到的铟镓砷铋四元探测器。
本发明首先提供外延片，然后通过光刻形成台面，继而在台面上依次淀积氮化铝绝缘接触层和氮化硅钝化加固层，从而得到氮化铝和氮化硅双层薄膜，最后在电极窗口中制作P型金属电极和N型金属电极，从而得到铟镓砷铋四元探测器。特别地，本发明将现有技术的单层氮化硅钝化膜改进成为氮化铝/氮化硅双层钝化膜，从而利用氮化铝绝缘接触层与III-V族半导体材料匹配性较好的特点，结合氮化硅钝化加固层的优点，从而达到降低界面态密度和张应力的目的。另外，本发明的氮化铝和氮化硅双层薄膜有效覆盖凸台的侧表面，提升绝缘钝化性能，降低了过渡到凸台的台阶漏电流的产生，进而大大提升了探测器的响应率和可靠性。其中，氮化铝绝缘接触层本身具有非常好的的热稳定性，确保在高温下保持氮化铝/氮化硅双层钝化膜的绝缘性能，从而缓和了后期合金化工艺中高温过程可能造成的薄膜绝缘性能的退化问题。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施例的制备方法提供的铟镓砷铋四元探测器的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
在本文中，外延片采用p-i-n结构，包括N型磷化铟缓冲层(n-InP)、铟镓砷铋吸收层(i-GaInAs)、和P型铟镓砷接触层(p-GaInAs)组成。
在本文中，分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，简称MBE)指的是在超高真空的条件下，把一定比例的构成晶体的各个组分和掺杂原子(分子)以一定的热运动速度喷射到热的衬底表面要进行晶体外延生长的技术。其中的超高真空(Ultrahigh Vacuum)指的是真空压力至少低于1.33×10-8Pa。其中的外延生长指的是在一个晶体表面上生长晶体薄膜，并且得到的薄膜和衬底具有相同的晶体结构和取向。
在本文中，电感耦合等离子体化学气相沉积(ICPCVD)指的是通过电感耦合等离子体(ICP)进行化学气相沉积(CVD)。
如图1所示，根据本发明的铟镓砷铋四元探测器的制备方法首先包括提供磷化铟衬底1。在本实施例中，该衬底1为350μm厚的半绝缘磷化铟衬底。
根据本发明的制备方法接下来包括在磷化铟衬底1上生长N型磷化铟缓冲层2。在本实施例中，依次采用四氯化碳、丙酮、乙醇超声清洗后氮气吹干，用MBE技术在衬底1上生长厚度为1μm的缓冲层，该缓冲层的载流子浓度3×108cm-3。
根据本发明的制备方法接下来包括在N型磷化铟缓冲层2上生长铟镓砷铋吸收层3。在本实施例中，依次采用四氯化碳、丙酮、乙醇超声清洗后氮气吹干，用MBE技术在N型磷化铟缓冲层2上生长厚度为1.5μm的吸收层，该吸收层的载流子浓度为3×106cm-3。
根据本发明的制备方法接下来包括在铟镓砷铋吸收层3上生长P型磷化铟窗口4。在本实施例中，依次采用四氯化碳、丙酮、乙醇超声清洗后氮气吹干，用MBE技术在铟镓砷铋吸收层3上生长厚度为0.6μm的窗口，该窗口的载流子浓度为5×108cm-3。
根据本发明的制备方法接下来包括在P型磷化铟窗口4上生长P型铟镓砷接触层5，由此得到由磷化铟衬底1、N型磷化铟缓冲层2、铟镓砷铋吸收层3、P型磷化铟窗口4和P型铟镓砷接触层5组成的外延片。在本实施例中，依次采用四氯化碳、丙酮、乙醇超声清洗后氮气吹干，用MBE技术在P型磷化铟窗口4上生长厚度为0.15μm的接触层，该接触层的载流子浓度为5×108cm-3。
根据本发明的制备方法接下来包括以光刻胶为掩膜对外延片进行光刻，获得由铟镓砷铋吸收层3、P型磷化铟窗口4和P型铟镓砷接触层5组成的凸台。在本实施例中，以体积比为10:5:1:50的氢溴酸:盐酸:双氧水:水的非选择性腐蚀液湿法化学腐蚀到N型磷化铟缓冲层2，然后依次采用丙酮、乙醇超声去除光刻胶，从而形成台面。其中，N型磷化铟缓冲层2的未被凸台覆盖的顶表面、凸台的顶表面、和位于该两顶表面之间的凸台的侧表面形成共同台面。
根据本发明的制备方法接下来包括在台面上淀积氮化铝绝缘接触层6。在本实施例中，采用直流反应磁控溅射的方法在台面上生长接触层，溅射时间为90分钟，溅射功率为150W，衬底温度为550℃，溅射氮氩气氛体积比为9:19，该接触层的厚度为200nm。
根据本发明的制备方法接下来包括在氮化铝绝缘接触层6上淀积氮化硅钝化加固层7，从而得到氮化铝和氮化硅双层薄膜，即氮化铝/氮化硅双层钝化膜。在本实施例中，采用ICPCVD淀积加固层，该加固层的厚度为300nm，生长条件为：氮化硅薄膜淀积时间为15分钟，衬底温度为130℃，感应耦合等离子体功率为350W，射频功率为1200W，气体体积流量采用硅烷:氨气:氩气＝145sccm:9.5sccm:140sccm。
根据本发明的制备方法接下来包括在氮化铝和氮化硅双层薄膜和台面上开刻电极窗口。在本实施例中，以光刻胶为掩膜，采用感应耦合等离子体干法刻蚀台面以及N型电极窗口处氮化铝绝缘接触层6和氮化硅钝化加固层7，刻蚀条件为：腔体压强为5Pa，射频功率为100W，偏置电压为420V，气体体积流量为四氟化碳:氩气＝85sccm:8sccm，刻蚀氮化硅速率为55nm/min，刻蚀时间为4.5min，然后用氢氟酸缓冲液湿法腐蚀氮化硅钝化加固层7，采用稀硫酸腐蚀氮化铝绝缘接触层6，形成电极窗口。
根据本发明的制备方法接下来包括在电极窗口中制作P型金属电极8和N型金属电极9。在本实施例中，用稀盐酸漂洗5秒，然后采用电子束蒸发的方法蒸发P型金属电极8和N型金属电极9。其中，P型金属电极8在台面的一侧位于氮化铝和氮化硅双层薄膜上由P型铟镓砷接触层5的顶表面开始向下延伸，其依次包括直接位于P型铟镓砷接触层5的上方以及氮化铝和氮化硅双层薄膜的内侧的第一部段、位于凸台顶表面上的氮化铝和氮化硅双层薄膜上的第二部段、位于凸台侧表面上的氮化铝和氮化硅双层薄膜的外侧的第三部段、和位于形成台面的N型磷化铟缓冲层2上的氮化铝和氮化硅双层薄膜上的第四部段。台面的另一侧有腐蚀至N型磷化铟缓冲层2并置于形成台面的N型磷化铟缓冲层2上的N型金属电极9。除了P型金属电极8和N型金属电极9外，其他部分覆盖氮化铝绝缘接触层6和氮化硅钝化加固层7。在本实施例中，P型金属电极8和N型金属电极由Ti、Pt、和Au组成，各层对应的厚度分别为20nm、20nm、和30nm。
根据本发明的制备方法接下来包括剥离去胶。在本实施例中，去胶液浸泡5分钟，注射器冲扫，依次用丙酮、乙醇、去离子水去胶清洗，氮气吹干。
根据本发明的制备方法接下来包括腐蚀N型电极窗口处的P型铟镓砷接触层5。具体地，采用柠檬酸：双氧水＝2:1(体积比)腐蚀P型铟镓砷接触层5。从而得到铟镓砷铋四元探测器。
本发明的铟镓砷铋四元探测器，其中的氮化铝晶体薄膜绝缘性高，具有高电阻率、较低的漏电流以及较大的击穿场强，采用磁控溅射可得到绝缘性能好、密度高、均匀致密的氮化铝薄膜，和氮化硅及半导体材料达到应力匹配，从而得到氮化铝与氮化硅结合形成的氮化铝/氮化硅双层混合膜，有效地集合了两种薄膜的优点，同时实现应力补偿，可有效覆盖台面，提升侧面绝缘钝化效果，减小过渡到凸台的台阶10处的漏电流。另外，氮化铝薄膜热稳定性好，拥有与众多半导体材料相匹配的热膨胀系数，采用氮化铝薄膜作为绝缘接触层，缓和了后期合金化工艺中高温过程所造成的薄膜绝缘性能的退化问题，进而大大提升了器件的响应率和可靠性。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种四元探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，提供由磷化铟衬底(1)、N型磷化铟缓冲层(2)、铟镓砷铋吸收层(3)、P型磷化铟窗口(4)和P型铟镓砷接触层(5)组成的外延片；
S2，以光刻胶为掩膜对外延片进行光刻，获得由铟镓砷铋吸收层(3)、P型磷化铟窗口(4)和P型铟镓砷接触层(5)组成的凸台，其中，N型磷化铟缓冲层(2)的未被凸台覆盖的顶表面、凸台的顶表面、和位于该两顶表面之间的凸台的侧表面共同形成台面；
S3，采用直流反应磁控溅射的方法在台面上淀积氮化铝绝缘接触层(6)，采用电感耦合等离子体化学气相沉积的方法在氮化铝绝缘接触层(6)上淀积氮化硅钝化加固层(7)，从而得到氮化铝和氮化硅双层薄膜；
S4，在氮化铝和氮化硅双层薄膜和台面上开刻电极窗口；
S5，在电极窗口中制作P型金属电极(8)和N型金属电极(9)，从而得到铟镓砷铋四元探测器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11，提供磷化铟衬底(1)；
S12，通过分子束外延技术在磷化铟衬底(1)上生长N型磷化铟缓冲层(2)；
S13，通过分子束外延技术在N型磷化铟缓冲层(2)上生长铟镓砷铋吸收层(3)；
S14，通过分子束外延技术在铟镓砷铋吸收层(3)上生长P型磷化铟窗口(4)；
S15，通过分子束外延技术在P型磷化铟窗口(4)上生长P型铟镓砷接触层(5)，由此得到由磷化铟衬底(1)、N型磷化铟缓冲层(2)、铟镓砷铋吸收层(3)、P型磷化铟窗口(4)和P型铟镓砷接触层(5)组成的外延片。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，以氢溴酸、盐酸、双氧水和水的非选择性腐蚀液湿法化学腐蚀到N型磷化铟缓冲层(2)。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3的淀积氮化铝绝缘接触层的过程中，溅射时间为90分钟，溅射功率为150W，衬底温度为550℃，溅射氮氩气氛体积比为9:19，由此得到的氮化铝绝缘接触层的厚度为200nm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3的淀积氮化硅钝化加固层的过程中，淀积时间为15分钟，衬底温度为130℃，感应耦合等离子体功率为350W，射频功率为1200W，气体体积流量采用硅烷:氨气:氩气＝145sccm:9.5sccm:140sccm，由此得到的氮化硅钝化加固层的厚度为300nm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，以光刻胶为掩膜，采用感应耦合等离子体干法刻蚀台面以及N型电极窗口处的氮化铝绝缘接触层(6)和氮化硅钝化加固层(7)，然后用氢氟酸缓冲液湿法腐蚀氮化硅钝化加固层(7)，采用稀硫酸腐蚀氮化铝绝缘接触层(6)，形成电极窗口。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S5中，P型金属电极(8)在台面的一侧位于氮化铝和氮化硅双层薄膜上由P型铟镓砷接触层(5)的顶表面开始向下延伸，N型金属电极(9)在台面的另一侧位于形成台面的N型磷化铟缓冲层(2)上。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，P型金属电极(8)包括直接位于P型铟镓砷接触层(5)的上方以及氮化铝和氮化硅双层薄膜的内侧的第一部段、位于凸台顶表面上的氮化铝和氮化硅双层薄膜上的第二部段、位于凸台侧表面上的氮化铝和氮化硅双层薄膜的外侧的第三部段、和位于形成台面的N型磷化铟缓冲层(2)上的氮化铝和氮化硅双层薄膜上的第四部段。
9.一种铟镓砷铋四元探测器，其特征在于，所述铟镓砷铋四元探测器根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法得到。
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