CN110444628B - 红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外探测器及其制作方法。该制作方法包括：提供N型衬底；在所述N型衬底上生长形成探测器外延层；对所述探测器外延层进行选择性刻蚀以形成台面侧壁；在所述台面侧壁上形成介质层；在所述介质层上形成悬空电极；在所述N型衬底上形成下电极，在所述探测器外延层上形成上电极。本发明的红外探测器通过在台面侧壁上设置高介电常数材料薄层和高功函数的悬空电极，通过场效应让该悬空电极在不加外置偏压的情况下使吸收区和P型区的能带变平或向上弯曲，从而有效抑制台面侧壁因能带向下弯曲造成的表面漏电。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种红外探测器及其制作方法。
背景技术
红外探测器是一种重要的半导体光电子器件，广泛应用于热成像、卫星遥感、气体监测、光通讯、光谱分析等领域。锑化物超晶格(InAs/GaSb和InAs/InAsSb)红外探测器由于具有均匀性好、俄歇复合率低、波长调节范围大等特点被认为是制备第三代红外探测器最理想的选择之一。2013年美国西北大学展示了截止波长分别为5μm和11μm的320×256像素中长波超晶格双色探测器阵列。2016年以色列SCD公司展示了在4英寸GaSb衬底上制备出的1920×1536像素红外探测器阵列，其工作温度可达150K。虽然在双色、长波探测器面阵方面有巨大市场需求，但相比于成熟的碲镉汞技术，锑化物超晶格技术仍存在若干工程化问题如暗电流较高、工艺不稳定等亟待解决。
目前，锑化物超晶格探测器的主流制备路线是：利用金属有机物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)或分子束外延(MolecularBeam Epitaxy，简称MBE)工艺在InAs或GaSb衬底上外延生长PIN光伏型探测器结构，然后采用干法或者湿法刻蚀制备台面单元，并沉积介质材料如SiO2等进行表面钝化，最后沉积上下金属电极，形成台面型探测器。由于锑化物材料体系加工工艺和钝化手段尚不成熟，在台面刻蚀中产生的侧壁损伤、表面氧化以及沾污等因素造成表面存在表面势，导致能带在侧壁表面向下弯曲。在非掺的吸收层和P型接触层中，因为能带向下弯曲使得台面侧壁产生电子导电通道，导致器件漏电流高，工艺重复性差。这是目前二类超晶格探测器发展的最大技术瓶颈，限制了它在焦平面探测阵列中的应用和产业化进程。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种能使吸收区和P型区的能带变平或向上弯曲的红外探测器及其制作方法。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种红外探测器的制作方法，包括：
提供N型衬底；
在所述N型衬底上生长形成探测器外延层；
对所述探测器外延层进行选择性刻蚀以形成台面侧壁；
在所述台面侧壁上形成介质层；
在所述介质层上形成悬空电极；
在所述N型衬底上形成下电极，在所述探测器外延层上形成上电极。
优选地，在所述N型衬底上生长形成所述探测器外延层的具体方法为：采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延工艺依次在所述N型衬底上生长形成N型超晶格接触层、超晶格吸收层和P型超晶格接触层。
优选地，对所述探测器外延层进行选择性刻蚀以形成所述台面侧壁的具体方法为：采用干法或湿法工艺选择性刻蚀所述N型超晶格接触层、所述超晶格吸收层和所述P型超晶格接触层，以使得所述N型超晶格接触层的侧面、所述超晶格吸收层的侧面和所述P型超晶格接触层的侧面共面以形成所述台面侧壁。
优选地，所述介质层的材料的介电常数大于9，和/或所述介质层的材料包括Al2O3、Y2O3、HfO2、ZrO2、TiO2和Ta2O5中的至少一种。
优选地，所述介质层的厚度为0.1nm～100nm。
优选地，在所述台面侧壁上形成介质层的具体方法为：采用原子层沉积工艺在所述台面侧壁上形成所述介质层。
优选地，所述悬空电极的功函数大于5eV，和/或所述悬空电极的材料包括Ni、Pd、Pt、Au、Ir、Ti和TiN中的至少一种。
优选地，在所述介质层上形成悬空电极的具体方法为：采用溅射工艺或电子束蒸发工艺在所述介质层上沉积形成所述悬空电极。
本发明还公开了一种红外探测器，包括：
N型衬底；
探测器外延层，设于所述N型衬底上，所述探测器外延层被选择性刻蚀以形成台面侧壁；
介质层，设于所述台面侧壁上；
悬空电极，设于所述介质层上；
上电极，设于所述外延层上；
下电极，设于所述N型衬底上。
优选地，所述探测器外延层包括依序层叠设置在所述N型衬底上的N型超晶格接触层、超晶格吸收层和P型超晶格接触层，所述N型超晶格接触层的侧面、所述超晶格吸收层的侧面和所述P型超晶格接触层的侧面共面以形成所述台面侧壁。
有益效果：
(1)本发明在探测器侧壁引入高介电常数材料薄层和高功函数的悬空电极，通过场效应让该电极在不加外置偏压的情况下使吸收区和P型区的能带变平或向上弯曲，从而有效抑制台面侧壁因能带向下弯曲造成的表面漏电；
(2)本发明的工艺改进只在主流工艺路线的基础上增加了关键步骤，与探测器原工艺步骤完全兼容，无需对外围的读出电路等做任何改动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1为本发明的实施例的红外探测器的制作方法的流程图；
图2A至图2F为本发明的实施例的红外探测器的制程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明的实施例的红外探测器的制作方法的流程图，该制作方法包括步骤一至步骤六：
具体地，步骤一：参照图2A，提供N型衬底10。
步骤二：参照图2B，在N型衬底10上生长形成探测器外延层20.
步骤三：参照图2C，对探测器外延层20进行选择性刻蚀以形成台面侧壁21。
步骤四：参照图2D，在台面侧壁21上形成介质层30。
步骤五：参照图2E，在介质层30上形成悬空电极40.
步骤六：参照图2F，在N型衬底上形成下电极50，在探测器外延层20上形成上电极60。
这样通过在探测器外延层20的台面侧壁21上形成介质层30和悬空电极40，通过场效应让悬空电极40在不加外置偏压的情况下使吸收区和P型区的能带扁平或者向上弯曲，从而有效地抑制台面侧壁因能带向下弯曲造成的表面漏电。
为了更加清楚地描述本发明的技术方案，下面通过几个实施例对本发明的技术方案进行更加详细的描述。
实施例一
根据本发明的实施例一的红外探测器的制作方法包括步骤S01至步骤S06：
具体地，步骤S01：参照图2A，提供N型衬底10，N型衬底10优选为InAs衬底。
步骤S02：参照图2B，在N型衬底10上生长形成探测器外延层20。采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺，生长源为TMGa、TMIn、TMSb和AsH3，N型掺杂源为SiH4，P型掺杂源为DEZn，N型衬底10的温度为600℃，反应室压力为500Torr。
作为优选实施例，该步骤S02具体为：依次在N型衬底10上生长N型超晶格接触层20a、超晶格吸收层20b和P型超晶格接触层20c。其中，N型超晶格接触层20a为N型InAs/GaSb锑化物超晶格接触层，N型InAs/GaSb锑化物超晶格接触层的厚度为500nm，各层掺Si，掺杂的平均浓度为5×1017cm-3。超晶格吸收层20b为未掺杂InAs/GaSb锑化物超晶格吸收层，其厚度为2μm。P型超晶格接触层20c为P型InAs/GaSb锑化物超晶格接触层，P型InAs/GaSb锑化物超晶格接触层的厚度为500nm，各层掺Zn，掺杂的平均浓度为5×1017cm-3。
步骤S03：参照图2C，对探测器外延层20进行选择性刻蚀以形成台面侧壁21。具体地，采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺依次选择性刻蚀P型超晶格接触层20c、超晶格吸收层20b和N型超晶格接触层20a直至暴露出下方的N型衬底10。其中，刻蚀气体为BCl3，压力为100mTorr，刻蚀深度为3μm。P型超晶格接触层20c的侧面、超晶格吸收层20b的侧面和N型超晶格接触层20a侧面三者共面以形成台面侧壁21。作为优选实施例，经过刻蚀后的探测器台面侧壁21的形状为圆台形。
步骤S04：参照图2D，在台面侧壁21上形成介质层30，介质层30的介电常数大于9。作为优选实施例，介质层30为Al2O3介质层，采用原子层沉积(ALD)工艺生长Al2O3介质层，生长源为TMAl和O3，生长温度为300℃，介质层30厚度为20nm。当然在其他实施方式中，介质层30的材料还可以为Y2O3、HfO2、ZrO2、TiO2和Ta2O5中的至少一种，介质层30的厚度范围为0.1nm～100nm。
步骤S05：参照图2E，在介质层30上形成悬空电极40，悬空电极40的功函数大于5eV。优选采用电子束蒸发工艺在介质层30上沉积形成悬空电极40，悬空电极40的材料优选为Pt，厚度为
当然在其他实施方式中，悬空电极40的材料还可以为Ni、Pd、Au、Ir、Ti和TiN中的至少一种。
步骤S06：参照图2F，在N型衬底10上形成下电极50，在探测器外延层20上形成上电极60。优选采用电子束蒸发工艺在N型衬底10上沉积形成下电极50，在P型超晶格接触层20c上沉积形成上电极60，其中下电极50和上电极60材料优选为
该实施例中生长采用了工业化的MOCVD工艺，并使用干法刻蚀工艺和稳定性较好的Al2O3介质层，整体工艺流程比较适合做焦平面探测器阵列。
实施例二
根据本发明的实施例二的红外探测器的制作方法包括步骤S11至步骤S16：
具体地，步骤S11：参照图2A，提供N型衬底10，N型衬底10优选为GaSb衬底。
步骤S12：参照图2B，在N型衬底10上生长形成探测器外延层20。生长工艺采用分子束外延(MBE)，生长源为固态单质源In、As和Sb，N型掺杂源为Si，P型掺杂源为Be，生长温度约500℃。
作为优选实施例，该步骤S12具体为：依次在N型衬底10上生长N型超晶格接触层20a、超晶格吸收层20b和P型超晶格接触层20c。其中，N型超晶格接触层20a为N型InAs/InAsSb锑化物超晶格接触层，N型InAs/InAsSb锑化物超晶格接触层的厚度为300nm，各层掺Si，掺杂的平均浓度为2×1018cm-3。超晶格吸收层20b为未掺杂InAs/InAsSb锑化物超晶格吸收层，其厚度为1μm。P型超晶格接触层20c为P型InAs/InAsSb锑化物超晶格接触层，P型InAs/InAsSb锑化物超晶格接触层的厚度为300nm，各层掺Be，掺杂的平均浓度为2×1018cm-3。
步骤S13：参照图2C，对探测器外延层20进行选择性刻蚀以形成台面侧壁21。具体地，采用湿法腐蚀工艺依次选择性刻蚀P型超晶格接触层20c、超晶格吸收层20b和N型超晶格接触层20a直至暴露出下方的N型衬底10。其中，腐蚀液为HCl和H2O2，腐蚀深度为1.6μm。P型超晶格接触层20c的侧面、超晶格吸收层20b的侧面和N型超晶格接触层20a侧面三者共面以形成台面侧壁21。作为优选实施例，经过刻蚀后的探测器台面侧壁21的形状为方台形。
步骤S14：参照图2D，在台面侧壁21上形成介质层30，介质层30的介电常数大于9。作为优选实施例，介质层30为Y2O3/ZrO2组合介质层，采用原子层沉积(ALD)工艺生长Y2O3/ZrO2组合介质层，生长源为TMAl和O3，生长源为Y(Cp)3、ZrCl4和H2O，生长温度为200℃，Y2O3介质层厚度为2nm，ZrO2介质层厚度为1nm。当然在其他实施方式中，介质层30的材料还可以为HfO2、ZrO2、TiO2和Ta2O5中的至少一种，介质层30的厚度范围为0.1nm～100nm。
步骤S15：参照图2E，在介质层30上形成悬空电极40，悬空电极40的功函数大于5eV。优选采用溅射工艺在介质层30上沉积形成悬空电极40，悬空电极40的材料优选为
组合。
步骤S16：参照图2F，在N型衬底10上形成下电极50，在探测器外延层20上形成上电极60。优选采用电子束蒸发工艺在N型衬底10上沉积形成下电极50，在P型超晶格接触层20c上沉积形成上电极60，其中下电极50和上电极60材料优选为
组合。
该实施例中使用较为常见的MBE和湿法工艺，采用组合式介质层和悬空电极，适合制作高性能单元器件。
实施例三
如图2F所示，根据本发明的实施例三的红外探测器包括N型衬底10、探测器外延层20、介质层30、悬空电极40、上电极60和下电极50，探测器外延层20设于N型衬底10上，探测器外延层20被选择性刻蚀以形成台面侧壁21，介质层30设于台面侧壁21上，悬空电极40设于介质层30上，上电极60设于探测器外延层20上，下电极50设于N型衬底10上。
进一步地，探测器外延层20包括依序层叠设置在N型衬底10上的N型超晶格接触层20a、超晶格吸收层20b和P型超晶格接触层20c，N型超晶格接触层20a的侧面、超晶格吸收层20b的侧面和P型超晶格接触层20c的侧面共面以形成台面侧壁21，上电极60设于P型超晶格接触层20c上。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (6)
1.一种红外探测器的制作方法，其特征在于，包括：
提供N型衬底(10)；
在所述N型衬底(10)上生长形成探测器外延层(20)；
对所述探测器外延层(20)进行选择性刻蚀以形成台面侧壁(21)；
在所述台面侧壁(21)上形成介质层(30)；
在所述介质层(30)上形成悬空电极(40)；
在所述N型衬底(10)上形成下电极(50)，在所述探测器外延层(20)上形成上电极(60)；
所述介质层(30)的材料包括Al2O3、Y2O3、HfO2、ZrO2、TiO2和Ta2O5中的至少一种；所述悬空电极(40)的材料包括Ni、Pd、Pt、Au、Ir、Ti和TiN中的至少一种；
对所述探测器外延层(20)进行选择性刻蚀以形成所述台面侧壁(21)的具体方法为：采用干法或湿法工艺选择性刻蚀N型超晶格接触层(20a)、超晶格吸收层(20b)和P型超晶格接触层(20c)，以使得所述N型超晶格接触层(20a)的侧面、所述超晶格吸收层(20b)的侧面和所述P型超晶格接触层(20c)的侧面共面以形成所述台面侧壁(21)，所述台面侧壁(21)的形状为方台形或圆台形。
2.根据权利要求1所述的红外探测器的制作方法，其特征在于，在所述N型衬底(10)上生长形成所述探测器外延层(20)的具体方法为：采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延工艺依次在所述N型衬底(10)上生长形成N型超晶格接触层(20a)、超晶格吸收层(20b)和P型超晶格接触层(20c)。
3.根据权利要求1所述的红外探测器的制作方法，其特征在于，所述介质层(30)的厚度为0.1nm～100nm。
4.根据权利要求1所述的红外探测器的制作方法，其特征在于，在所述台面侧壁(21)上形成介质层(30)的具体方法为：采用原子层沉积工艺在所述台面侧壁(21)上形成所述介质层(30)。
5.根据权利要求1所述的红外探测器的制作方法，其特征在于，在所述介质层(30)上形成悬空电极(40)的具体方法为：采用溅射工艺或电子束蒸发工艺在所述介质层(30)上沉积形成所述悬空电极(40)。
6.一种红外探测器，其特征在于，包括：
N型衬底(10)；
探测器外延层(20)，设于所述N型衬底(10)上，所述探测器外延层(20)被选择性刻蚀以形成台面侧壁(21)；
介质层(30)，设于所述台面侧壁(21)上；
悬空电极(40)，设于所述介质层(30)上；
上电极(60)，设于所述探测器外延层(20)上；
下电极(50)，设于所述N型衬底(10)上；
所述介质层(30)的材料包括Al2O3、Y2O3、HfO2、ZrO2、TiO2和Ta2O5中的至少一种；所述悬空电极(40)的材料包括Ni、Pd、Pt、Au、Ir、Ti和TiN中的至少一种；
所述探测器外延层(20)包括依序层叠设置在所述N型衬底(10)上的N型超晶格接触层(20a)、超晶格吸收层(20b)和P型超晶格接触层(20c)，所述N型超晶格接触层(20a)的侧面、所述超晶格吸收层(20b)的侧面和所述P型超晶格接触层(20c)的侧面共面以形成所述台面侧壁(21)，所述台面侧壁(21)的形状为方台形或圆台形。
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