CN110265503B - 硅基ⅲ-ⅴ族红外光电探测器阵列的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅基III‑V族红外光电探测器阵列的制备方法，包括：在SOI衬底上生长二氧化硅，在生长的二氧化硅上刻蚀出周期性的矩形沟槽；腐蚀所述矩形沟槽下方的SOI顶层硅，形成一V形沟槽；在V形沟槽和矩形沟槽中生长III‑V族探测器外延结构；在所述外延结构上再沉积一层二氧化硅作为隔离层；在该隔离层上部分区域刻蚀出生长下电极的区域并沉积下电极；在该隔离层的其他区域刻蚀出多个设定尺寸的矩形沟槽；在所述多个设定尺寸的矩形沟槽中生长二氧化硅，在该二氧化硅上制备出上电极区域并沉积上电极。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，特别涉及一种硅基III-V族红外光电探测器阵列的制备方法。
背景技术
红外探测技术在当今的工业和科技领域有广泛的应用，在夜视成像、无线通讯、光通讯、工业检测等方面有很好的应用。早在1800年 WilliamHrschel利用简单测量工具进行测量，发现了可见光波长之外有能量分布，即红外辐射。从那时候开始，有关红外波段的科学探测以及对红外探测器件的研究就吸引着物理学者们的浓厚兴趣。
红外探测器根据不同的工作原理分为热探测器和光子探测器两类。而我们研究的量子阱光电探测器属于光子探测器领域，光子探测器相对于热探测器，它具有高的信噪比，响应速度快的优点，但是光子探测器一般需要进行制冷才能进行正常的工作，而制冷设备的存在限制住了光子探测器的应用。现在常用的探测器包括Si、InSb、HgCdTe等探测器。Si探测器探测范围覆盖从几微米到几百微米；InSb探测器的探测率高，工艺成熟，但是要在液氮环境下才能正常工作；HgCdTe探测器被用来制作平面探测器件，探测范围是3到20微米，可以用来进行红外成像CCD的制作。
在光通信领域广泛使用的是1到1.7微米，而III-V族红外光电探测器对于该波段据用良好的探测率，III-V族红外光电探测器具有速度高和低噪声的优点，同时相对于其他材料，III-V族红外光电探测器的生产设备和工艺比较成熟，能够进行大面积的生长，成本会降低。但难以直接在Si上进行生长，与传统的集成芯片技术难以相融。
近年来，随着光通讯的发展，对于III-V族红外光电探测器的需求越来越大，在Si上直接生长III-V族红外光电探测器能够很好的推动光通讯的发展。目前，用ART(Aspectratio trapping，高深宽比限制)技术已经能够在Si上直接外延III-V族红外光电探测器材料。当今的量子阱探测器的单元器件的尺寸还不够小，对于应用于成像的阵列器件则需要单元器件的单元面积尽量小，还需要单元器件具有高阻抗、响应速度要快、同时功耗要低，这都限制了III-V族红外光电探测器的发展。而使用ART技术在硅上直接生长量子阱材料，能够把单元像素的面积做到足够小，同时可以通过调节量子阱材料能够提高响应速度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种硅基III-V族红外光电探测器阵列的制备方法，以至少部分解决现有技术中成本较高，单元器件较大，响应速度不够快的问题。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供了一种硅基III-V族红外光电探测器阵列的制备方法，包括：
步骤1：在SOI衬底上生长二氧化硅，在生长的二氧化硅上刻蚀出周期性的矩形沟槽；
步骤2：腐蚀所述矩形沟槽下方的SOI顶层硅，形成一V形沟槽；
步骤3：在V形沟槽和矩形沟槽中生长III-V族探测器外延结构；
步骤4：在所述外延结构上再沉积一层二氧化硅作为隔离层；
步骤5：在该隔离层上部分区域刻蚀出生长下电极的区域并沉积下电极；
步骤6：在该隔离层的其他区域刻蚀出多个设定尺寸的矩形沟槽；
步骤7：在所述多个设定尺寸的矩形沟槽中生长二氧化硅，在该二氧化硅上制备出上电极区域并沉积上电极。
在进一步的方案中，步骤3通过MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法生长所述III-V族探测器外延结构，步骤4通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)的方法沉积所述隔离层，沉积的隔离层厚度为200纳米至400纳米，步骤5通过光刻技术去掉GaAs高阻层上的隔离层来制备下电极，步骤7通过光刻技术在二氧化硅上带胶剥离制备上电极，上电极的材料为AuGeNi/Au，所述上电极与顶部接触层接触连接，此外，二氧化硅隔离层高度高于所述量子阱有源区且低于顶部接触层的顶部。
在进一步的方案中，所述III-V族探测器外延结构包括GaAs高阻层，底部接触层，量子阱有源区，上包层及顶部接触层。
在进一步的方案中，步骤4中还需要使用干法刻蚀设定长度的探测器材料和材料旁边的二氧化硅，刻蚀止于SOI的顶层硅层和GaAs高阻层。
在进一步的方案中，所述的步骤5还包括：在所述底部接触层上溅射上Ti/Au电极，所述电极厚度为300-700纳米，末端为正方形，面积为0.5-2 平方微米。
在进一步的方案中，步骤6中所述矩形沟槽的宽度为800纳米至1200 纳米，每两个矩形沟槽的间隔为300纳米至700纳米。
(三)有益效果
从上述方案可以看出来，本公开的一种硅基III-V族红外光电探测器阵列的制备方法工艺简单，生长技术成熟，能大面积生长材料，可以降低制作成本，此外，光刻技术和刻蚀技术能够把单个的探测器器件的面积做到很小，相当于探测器的像素点很小，像素密度会很高，集成度很高。再有，生长的量子阱材料质量可以做到很好，能够很好的提高响应速度。
附图说明
图1为在SOI衬底上沉积二氧化硅后的结构示意图的主视图；
图2为在SOI衬底上制备矩形沟槽和V形沟槽后的结构示意图的主视图；
图3为在V形沟槽和矩形沟槽中外延III-V族材料后的结构示意图的主视图；
图4为刻蚀掉探测器材料和二氧化硅后的结构示意图的左视图；
图5为生长二氧化硅隔离层后的结构示意图的左视图；
图6为光刻出下电极的结构示意图的俯视图；
图7为生长下电极之后的结构示意图的主视图；
图8为刻蚀周期性沟槽并生长二氧化硅后的结构示意图的俯视图；
图9为生长上电极后的结构示意图的左视图；
图10为生长上电极后的结构示意图的俯视图。
【附图标记说明】
1-二氧化硅、2-SOI衬底、3-矩形沟槽、4-V形沟槽、
5-III-V族探测器外延结构、6-二氧化硅隔离层、
7-下电极、8-周期性二氧化硅、
9-上电极
具体实施方式
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。
在本发明中，“设置于…上”或“贴附至…上”用于包括与单一或多个组件间的直接接触关系。而且，说明书与权利要求书所使用的序数例如“第一”、“第二”、“一号”或“二号”等用词，以修饰请求保护的部件，其本身并不包含及代表该部件有任何之前的序数，也不代表某一部件与另一部件的顺序或是制造方法上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一部件得以和另一具有相同命名的部件能作出清楚区分。
根据本发明的基本构思，提供一种硅基III-V族红外光电探测器阵列的制备方法，包括：在SOI衬底上生长二氧化硅，在生长的二氧化硅上刻蚀出周期性的矩形沟槽；腐蚀所述矩形沟槽下方的SOI顶层硅，形成一V形沟槽；在V形沟槽和矩形沟槽中生长III-V族探测器外延结构；在所述外延结构上再沉积一层二氧化硅作为隔离层；在该隔离层上部分区域刻蚀出生长下电极的区域并沉积下电极；在该隔离层的其他区域刻蚀出多个设定尺寸的矩形沟槽；在所述多个设定尺寸的矩形沟槽中生长二氧化硅，在该二氧化硅上制备出上电极区域并沉积上电极。上述半导体工艺能大面积生长材料，单个的探测器器件的面积做到很小，可以提高生长的量子阱材料质量。
在本发明的示例实施例中，所述III-V族探测器外延结构包括GaAs高阻层，底部接触层，量子阱有源区，上包层及顶部接触层，该III-V族探测器外延结构通过MOCVD方法生长，同时，在所述外延结构上还需再沉积一层二氧化硅作为隔离层，所述隔离层通过PECVD的方法沉积，具体方法为：使用干法刻蚀设定长度的探测器材料和探测器材料旁边的二氧化硅，刻蚀止于SOI的顶层硅层和GaAs高阻层，所述隔离层沉积的厚度为200 纳米至400纳米。
此外，所述下电极通过光刻技术去掉GaAs高阻层上的隔离层来制备，具体方法为：在所述底部接触层上溅射上Ti/Au电极，所述电极厚度为 300-700纳米，末端为正方形，面积为0.5-2平方微米，所述上电极通过光刻技术在二氧化硅上带胶剥离制备，材料为AuGeNi/Au，该上电极与顶部接触层接触连接。
再有，在所述多个设定尺寸的矩形沟槽中生长二氧化硅中，二氧化硅隔离层高度高于所述量子阱有源区且低于顶部接触层的顶部，所述的矩形沟槽的宽度为800-1200纳米，每两个矩形沟槽的间隔为300-700纳米。
本发明的具体实施例公开了一种硅基III-V族红外光电探测器阵列的制备方法，应理解的是，以下具体工艺步骤、工艺参数等仅用于更好的理解本发明，不应理解为对本发明的限定。该具体实施例的制备方法包括：
步骤1：请参阅图1，在SOI衬底2上利用湿法氧化的方法沉积厚度为1000nm的二氧化硅1，在本实施例中，顶层硅厚度为500nm，然后采用光刻技术和ICP(InductivelyCoupled Plasm，感应耦合等离子体刻蚀) 刻蚀方法，在所沉积的二氧化硅1上刻蚀出多个矩形沟槽3，请参阅图2，所述矩形沟槽3的宽度为500nm，深度为1000nm左右，刻蚀截止于SOI衬底2的顶层硅；
步骤2：请参阅图2，用氢氧化钾腐蚀SOI衬底2上以及矩形沟槽3 下的顶层硅，形成一V形沟槽4，控制腐蚀的时间，使得V形沟槽4的宽度大于等于矩形沟槽3的宽度，腐蚀完后用氯化氢浸泡去除残留的氢氧化钾与硅的反应物，最后用去离子水冲洗干净；
步骤3：请参阅图3，利用MOCVD的方法在V形沟槽4和矩形沟槽 3中依次生长III-V族探测器外延结构5，其中，所述III-V族探测器外延结构5包括5层，从下至上依次为：GaAs高阻层，底部接触层，量子阱有源区，上包层及顶部接触层，同时，请参阅图4，还需利用光刻技术定义刻蚀的区域，刻蚀的区域为探测器结构的最前端的一部分区域，宽度约为 200微米。之后利用ICP技术刻蚀二氧化硅1和III-V族探测器外延结构5，刻蚀截止于SOI衬底2的顶层硅和GaAs高阻层；
步骤4：请参阅图5，利用PECVD技术沉积二氧化硅隔离层6，厚度为300nm，覆盖在探测器结构的截面和刻蚀后出现的SOI衬底2的顶层硅层和GaAs高阻层上；
步骤5：请参阅图6，首先利用光刻技术定义出GaAs高阻层上方的电极区域，电极长条的宽度小于等于GaAs高阻层长条的宽度，这是防止之后沉积的电极接触到SOI衬底2的顶层硅上，以实现下电极对于陈列器件单条线的控制，然后运用ICP技术刻蚀掉定义的区域的二氧化硅1，再运用光刻技术定义出下电极的区域，请参阅图7，利用带胶剥离法，溅射上下电极7，其中在本实施例中，下电极7的制备材料为Ti/Au，厚度约500nm，和底部接触层接触上，下电极7的最末端是一个稍大点电极，方便连接到外电路上；
步骤6：请参阅图8，利用光技术定义出周期性的光刻区域，并在所述光刻区域刻出多个等间距的矩形沟槽，在本实施例中，矩形沟槽的宽度为1000nm，周期间隔为500nm，然后利用ICP技术刻蚀二氧化硅1和III- V族探测器外延结构5，刻蚀截止于SOI衬底2的顶层硅和GaAs高阻层；
步骤7：在上述矩形沟槽里利用PECVD生长周期性二氧化硅8，在本实施例中，其高度约为1000nm，高于量子阱层，低于顶部接触层的最高处，最后，请参阅图9和图10，在周期性二氧化硅8上，用光刻技术和带胶剥离法，沉积上电极9，在本实施例中，上电极9的制备材料为 AuGeNi/Au，厚度约为200nm，上电极9要接触上顶部接触层，以实现对于阵列器件的控制，在上电极的末端是一个稍大的电极，方便连接到外电路上。
根据本发明的另一方面，还提供一种依据以上所述的制备方法制备的硅基III-V族红外光电探测器。
通过上述陈述，针对现有技术中存在的问题及缺点，本发明实施例提供了一种硅基III-V族红外光电探测器阵列及其制备方法，本方法工艺简单，生长技术成熟，能大面积生长材料可以降低制作成本，光刻技术和刻蚀技术比较成熟，能够把单个的探测器器件做到很小，相当于探测器的像素点很小，像素密度会很高，集成度很高。生长的量子阱材料质量可以做到很好，能够很好的提高响应速度。
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 (12)
1.一种硅基Ⅲ-Ⅴ族红外光电探测器阵列的制备方法，包括：
在SOI衬底上生长二氧化硅，在生长的二氧化硅上刻蚀出周期性的矩形沟槽；
腐蚀所述矩形沟槽下方的SOI顶层硅，形成一V形沟槽；
在V形沟槽和矩形沟槽中生长Ⅲ-Ⅴ族探测器外延结构，所述外延结构包括GaAs高阻层，底部接触层，量子阱有源区，上包层及顶部接触层；
在所述外延结构上利用光刻技术定义刻蚀区域；所述刻蚀区域为探测器结构的最前端的一部分区域；
在定义的刻蚀区域使用ICP刻蚀到顶层硅层和GaAs高阻层；
再覆盖在探测器结构的截面和刻蚀后出现的SOI 衬底的顶层硅层和GaAs高阻层上沉积一层二氧化硅作为隔离层；
在该隔离层上部分区域刻蚀出生长下电极的区域并沉积下电极；
在该隔离层外的其他区域用光刻定义周期性的矩形区域；
在光刻定义的矩形区域刻蚀出矩形沟槽，刻蚀到顶层硅层和GaAs高阻层；
在所述多个设定尺寸的矩形沟槽中生长二氧化硅，所述二氧化硅的高度高于量子阱层，低于所述顶部接触层的最高处，在该二氧化硅上制备出上电极区域并沉积上电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述Ⅲ-Ⅴ族探测器外延结构通过MOCVD方法生长。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述隔离层通过PECVD的方法沉积。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述上电极通过光刻技术在二氧化硅上带胶剥离制备。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在所述外延结构上再沉积一层二氧化硅作为隔离层，包括：
使用干法刻蚀设定长度的探测器材料和探测器材料旁边的二氧化硅，刻蚀止于SOI的顶层硅层和GaAs高阻层。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述隔离层沉积的厚度为200纳米至400纳米。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述下电极通过光刻技术去掉GaAs高阻层上的隔离层来制备。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述的在该隔离层上部分区域刻蚀出生长下电极的区域并沉积下电极包括：
在所述底部接触层上溅射上Ti/Au电极，所述电极厚度为300-700纳米，末端为正方形，面积为0.5-2平方微米。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在所述多个设定尺寸的矩形沟槽中生长二氧化硅中，二氧化硅隔离层高度高于所述量子阱有源区且低于顶部接触层的顶部。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述的上电极的材料为AuGeNi/Au，所述上电极与顶部接触层接触连接。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述的矩形沟槽的宽度为800-1200纳米，每两个矩形沟槽的间隔为300-700纳米。
12.一种依据权利要求1-11任一所述的制备方法制备的硅基Ⅲ-Ⅴ族红外光电探测器。
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