CN111477715A - 正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列及其制备方法，其中正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列自下而上顺次包括：第二电极、衬底、缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、帽层和保护层；所述保护层上设置有多个电极窗口，每个所述电极窗口上设置有一个第一电极，每个所述第一电极与电极引线相连；所述帽层上设置有pn结结构。本公开中正入射盖革模式雪崩探测器的焦平面阵列结构，易于集成，其工作在盖革模式击穿电压以上，具有高速、高灵敏度等特点，在三维激光雷达成像领域具有重要应用价值。
Description
技术领域
本公开涉及半导体探测器阵列的设计与制备领域，尤其涉及一种正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列及其制备方法。
背景技术
InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管的最新研究表明，其具有较高的计数率并可以将器件集成到大尺寸阵列中。而这些研究的最主要驱动因素是关于盖革模式雪崩光电二极管焦平面阵列在三维激光雷达成像系统中的应用。这些系统也被称为光探测和测距成像系统，在焦平面阵列的每个像素处利用对飞行时间的测量创建三维云点，从而通过处理云点数据创建三维图像。而生成这种图像的能力在很大程度上取决于盖革模式雪崩光电二极管的高性能。
但是，目前对于InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管的应用而言，还存在着暗计数率高、探测速度低、探测效率低等问题，亟待本领域技术人员攻克。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列，自下而上顺次包括：衬底、缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、帽层和保护层；
所述保护层上设置有多个电极窗口，且多个所述电极窗口呈阵列排布；每个所述电极窗口上设置有一个第一电极，每个所述第一电极与电极引线相连；
所述帽层上设置有多个pn结，且多个所述pn结呈阵列排布；所述帽层上所述pn结的位置与所述保护层上所述电极窗口的位置相对应；
所述衬底底面还设置有第二电极。
在本公开的一些实施例中，所述保护层的厚度为500-1000nm；所述pn结深度为1.5-2μm；所述衬底的厚度为150-300μm；所述第一电极为环状电极，所述第一电极材料为Ti/Au。
在本公开的一些实施例中，包括：
步骤1：在衬底上依次生长缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、帽层和预制保护层；
步骤2：在预制保护层上制备扩散窗口和保护环，通过闭管扩散工艺沿扩散窗口及保护环在帽层上形成pn结；
步骤3：刻蚀掉全部预制保护层，重新制备保护层；
步骤4：在步骤3制备的保护层上，沿步骤2制备的pn结周围套刻多个电极窗口，并在多个电极窗口上形成多个第一电极；
步骤5：通过电子束蒸发工艺，在衬底底面形成第二电极。
在本公开的一些实施例中，所述步骤2包括：
子步骤21：在预制保护层上光刻出第一刻蚀坑，且腐蚀到帽层的表面；
子步骤22：通过ICP干法刻蚀，刻蚀帽层，形成第二刻蚀坑；
子步骤23：在第一刻蚀坑周围的预制保护层上套刻出扩散窗口及保护环；
子步骤24：通过闭管扩散工艺，沿扩散窗口及保护环周围，在帽层上形成pn结。
在本公开的一些实施例中，所述步骤3包括：
子步骤31：腐蚀去掉全部预制保护层；
子步骤32：在步骤2制备得到pn结的帽层上重新生长保护层。
在本公开的一些实施例中，所述步骤4包括：
子步骤41：沿步骤2制备的pn结周围，在步骤3制备的保护层上套刻多个电极窗口；
子步骤42：通过电子束蒸发、剥离工艺，在电极窗口上形成第一电极和引线。
在本公开的一些实施例中，所述步骤5前还包括：
步骤6：通过减薄、抛光工艺对衬底的底面进行减薄抛光。
在本公开的一些实施例中，所述步骤5后还包括：
步骤7：通过快速热退火工艺，形成欧姆接触。
根据本公开的一个方面，还提供了一种正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的制备方法，其中，所述扩散窗口的尺寸半径为29μm，所述保护环为浮动保护环；所述保护环的宽度为1-1.5μm，所述保护环与pn结的中央扩散区之间的间距为3-6μm；所述闭管扩散工艺采用的扩散温度为480℃，扩散时间为35分钟，扩散物质为Zn3P2。
在本公开的一些实施例中，所述衬底为InP衬底；所述缓冲层为InP缓冲层；所述吸收层为InGaAs吸收层；所述渐变层为InGaAsP渐变层；所述电荷层为InP电荷层；所述帽层为InP帽层；所述预制保护层为SiO2预制保护层；所述保护层为SiO2保护层。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开中正入射盖革模式雪崩探测器的焦平面阵列结构，易于集成，其工作在盖革模式击穿电压以上，具有高速、高灵敏度等特点，在三维激光雷达成像领域具有重要应用价值。
(2)本公开中pn结结构的设置，可以有效调节探测器内部电场分布，避免由于曲率效应导致的pn结边缘电场提前击穿的风险，有效减少暗计数，提高探测效率。
(3)本公开采用闭管扩散工艺制备pn结，在高真空密封的闭管扩散，V族元素蒸气压可以在比较低的扩散温度下满足扩散需要，较低的扩散温度可以有效降低器件表面损伤。
(4)本公开对衬底进行减薄抛光，可以有效减少探测器电阻，降低器件的RC常数值，从而有效提高探测器的探测速度。
附图说明
图1为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的结构示意图。
图2为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列制备方法的流程框图。
图3为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列制备方法中步骤1对应的结构示意图。
图4为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列制备方法中子步骤21对应的结构示意图。
图5为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列制备方法中子步骤22对应的结构示意图。
图6为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列制备方法中子步骤23对应的结构示意图。
图7为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列制备方法中子步骤24对应的结构示意图。
图8为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列制备方法中子步骤32对应的结构示意图。
图9为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列制备方法中子步骤41对应的结构示意图。
图10为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列制备方法中子步骤42对应的结构示意图。
图11为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列制备方法中步骤6对应的结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-衬底；
2-缓冲层；
3-吸收层；
4-渐变层；
5-电荷层；
6-帽层；
7-预制保护层；
8-第一刻蚀坑；
9-第二刻蚀坑；
10-扩散窗口；
11-保护环；
12-保护层；
13-电极窗口；
14-第一电极；
15-电极引线；
16-第二电极。
具体实施方式
本公开提供了一种正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列及其制备方法，其中正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列自下而上顺次包括：第二电极、衬底、缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、帽层和保护层；所述保护层上设置有多个电极窗口，每个所述电极窗口上设置有一个第一电极，每个所述第一电极与电极引线相连；所述帽层上设置有pn结。
在描述问题的解决方案之前，先定义一些特定词汇是有帮助的。
本文所述的「衬底(substrate)」，可包括任何底层材质，其上可形成装置，电路，外延层或半导体。一般来说，基底可用以定义位于半导体装置底下的层，或者是形成半导体装置的基层。基底可包括硅、掺杂硅(doped silicon)、锗、硅锗(silicon germanium)、半导体复合物(semiconductor compound)，或其他半导体材质的一或任何组合。
本文所述的「光刻」，光刻是将掩膜版上的图形转移外延片表面附着的光刻胶上的工艺，接下来的工艺就是将光刻胶上的图形转移到外延片表面。原理是，将对光敏感的光刻胶均匀甩涂在外延片上，在表面形成一层薄膜，接着用设计有特定图形的掩膜版，使光透过掩膜版照射到光刻胶上，并使光刻胶选择性曝光，随后进行显影，完成图形转移。
本文中所述的「ICP干法刻蚀」，是半导体制造工艺中最主要的刻蚀技术，也是本文工作中关键的工艺步骤。主要机理是通过化学和物理双重作用来实现。在化学作用中，等离子体产生的反应元素与材料表面发生化学反应，在物理作用中，产生的离子轰击材料表面进行刻蚀。
本文所述的「闭管扩散工艺」，是半导体晶体掺杂的主要手段，高真空密封的闭管扩散工艺，V族元素蒸汽压在比较低的温度下满足扩散需要，通过合理的处理可以降低表面损伤。Zn扩散是制备III-V族器件的常用方法，Zn占据III族原子位置，成为受主，产生P型特性。对于InP系列光电器件，闭管扩散是常用的方法。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列。图1为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的结构示意图。如图1所示，正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列自下而上顺次包括：第二电极16、衬底、缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、帽层6和保护层12；所述保护层12上设置有多个电极窗口13，且多个电极窗口13呈阵列排布；每个所述电极窗口13上设置有一个第一电极14，每个所述第一电极14与电极引线15相连；所述帽层6上设置有多个pn结，且多个pn结呈阵列排布；帽层6上pn结的位置与保护层12上电极窗口13的位置相对应。本公开的探测器焦平面阵列排布在半导体制备工艺领域易于实现，可以跟后续电路应用相匹配。同时pn结结构的设置，可以有效调节探测器内部电场分布，避免由于曲率效应导致的pn结边缘电场提前击穿的风险，有效减少暗计数，提高探测效率。。
根据InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管的最新研究表明，其具有较高的计数率并可以将器件集成到大尺寸阵列中。而这些研究的最主要驱动因素是关于盖革模式雪崩光电二极管焦平面阵列在三维激光雷达成像系统中的应用。三维激光雷达成像系统也被称为光探测和测距成像系统，在焦平面阵列的每个像素处利用对飞行时间的测量创建三维云点，从而通过处理云点数据创建三维图像。而生成这种图像的能力在很大程度上取决于盖革模式雪崩光电二极管的高性能。本公开提供的正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列为三维激光雷达成像系统打下了坚实的基础。
在本公开的一个示例性实施例中，还提供了一种正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的制备方法。图2为本公开实施例正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列制备方法的流程框图。如图所示，正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的制备方法包括：
步骤1：如图3所示，在衬底1上依次生长缓冲层2、吸收层3、渐变层4、电荷层5、帽层6和预制保护层7。具体在一实施方式中，在N型InP衬底上依次生长InP缓冲层、InGaAs吸收层、InGaAsP渐变层、N型InP电荷层和InP帽层。
步骤2：在预制保护层7上制备扩散窗口10和保护环11，通过闭管扩散工艺沿扩散窗口10及保护环11在帽层6上形成pn结。在高真空密封的闭管扩散，V族元素蒸气压可以在比较低的扩散温度下满足扩散需要，较低的扩散温度可以有效降低器件表面损伤。具体的，步骤2包括：
子步骤21：如图4所示，在预制保护层7上光刻出第一刻蚀坑8，且腐蚀到帽层6的表面。具体在一实施方式中，在SiO2预制保护层7上光刻出圆形的第一刻蚀坑8，用HF溶液腐蚀到InP帽层的表面。
子步骤22：如图5所示，通过ICP干法刻蚀，刻蚀帽层6，形成第二刻蚀坑9。
子步骤23：如图6所示，在第一刻蚀坑8周围的预制保护层7上套刻出扩散窗口10及保护环11。具体在一实施方式中，扩散窗口10尺寸半径为29μm。保护环11为浮动保护环。保护环11的宽度为1-1.5μm，优选1.5μm。保护环与pn结的中央扩散区之间的间距为3-6μm，优选为5.5μm。
子步骤24：如图7所示，通过闭管扩散工艺，沿扩散窗口10及保护环11周围，在帽层6上形成pn结。具体在一实施方式中，pn结深度为1.5-2μm，优选1.5μm。相邻所述pn结的中心间距为150-250μm。关于扩散为闭管扩散工艺，其扩散温度为480℃，扩散时间为35分钟，扩散物质为Zn3P2。
步骤3：刻蚀掉全部预制保护层7，重新制备保护层12。具体的，步骤3包括：
子步骤31：腐蚀去掉全部预制保护层7。选用HF腐蚀液的配比为HF：H2O：NH3·H2O＝1∶2∶3。
子步骤32：如图8所示，在步骤2制备得到pn结的帽层6上重新生长保护层12。具体在一实施方式中，保护层12的厚度为500-1000nm，优选500nm。
步骤4：在步骤3制备的保护层12上，沿步骤2制备的pn结周围套刻多个电极窗口13，并在多个电极窗口13上形成多个第一电极14。具体的，步骤4包括：
子步骤41：如图9所示，沿步骤2制备的pn结周围，在步骤3制备的保护层12上套刻多个电极窗口13。具体在一实施方式中，电极窗口13半径为27μm。
子步骤42：如图10所示，通过电子束蒸发、剥离工艺，在电极窗口13上形成第一电极14和电极引线15。具体在一实施方式中，第一电极14为环状电极。第一电极14的尺寸为内径为23μm，外径为31μm，电极材料为Ti/Au。
步骤6：通过减薄、抛光工艺对衬底1的底面进行减薄抛光后，如图11所示。具体在一实施方式中，减薄抛光后，衬底1的厚度为150-300μm，优选150μm。
步骤5：通过电子束蒸发工艺，在衬底1底面形成第二电极16。
步骤7：通过快速热退火工艺，形成欧姆接触。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列及其制备方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列及其制备方法在量子通信领域由于其工作在击穿电压以上，其增益可以在极短时间内达到最大值，可以实现单光子探测，在三维激光雷达成像领域具有广泛应用。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中土10％的变化、在一些实施例中土5％的变化、在一些实施例中土1％的变化、在一些实施例中土0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列，其中，自下而上顺次包括：衬底、缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、帽层和保护层；
所述保护层上设置有多个电极窗口，且多个所述电极窗口呈阵列排布；每个所述电极窗口上设置有一个第一电极，每个所述第一电极与电极引线相连；
所述帽层上设置有多个pn结，且多个所述pn结呈阵列排布；所述帽层上所述pn结的位置与所述保护层上所述电极窗口的位置相对应；
所述衬底底面还设置有第二电极。
2.根据权利要求1所述的正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列，其中，所述保护层的厚度为500-1000nm；所述pn结深度为1.5-2μm；所述衬底的厚度为150-300μm；相邻所述pn结的中心间距为150-250μm所述第一电极为环状电极，所述第一电极材料为Ti/Au。
3.一种正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的制备方法，其中，包括：
步骤1：在衬底上依次生长缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层、帽层和预制保护层；
步骤2：在预制保护层上制备扩散窗口和保护环，通过闭管扩散工艺沿扩散窗口及保护环在帽层上形成pn结；
步骤3：刻蚀掉全部预制保护层，重新制备保护层；
步骤4：在步骤3制备的保护层上，沿步骤2制备的pn结周围套刻多个电极窗口，并在多个电极窗口上形成多个第一电极；
步骤5：通过电子束蒸发工艺，在衬底底面形成第二电极。
4.根据权利要求3所述的正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的制备方法，其中，所述步骤2包括：
子步骤21：在预制保护层上光刻出第一刻蚀坑，且腐蚀到帽层的表面；
子步骤22：通过ICP干法刻蚀，刻蚀帽层，形成第二刻蚀坑；
子步骤23：在第一刻蚀坑周围的预制保护层上套刻出扩散窗口及保护环；
子步骤24：通过闭管扩散工艺，沿扩散窗口及保护环周围，在帽层上形成pn结。
5.根据权利要求3所述的正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的制备方法，其中，所述步骤3包括：
子步骤31：腐蚀去掉全部预制保护层；
子步骤32：在步骤2制备得到pn结的帽层上重新生长保护层。
6.根据权利要求3所述的正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的制备方法，其中，所述步骤4包括：
子步骤41：沿步骤2制备的pn结周围，在步骤3制备的保护层上套刻多个电极窗口；
子步骤42：通过电子束蒸发、剥离工艺，在电极窗口上形成第一电极和引线。
7.根据权利要求3所述的正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的制备方法，其中，所述步骤5前还包括：
步骤6：通过减薄、抛光工艺对衬底的底面进行减薄抛光。
8.根据权利要求3所述的正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的制备方法，其中，所述步骤5后还包括：
步骤7：通过快速热退火工艺，形成欧姆接触。
9.根据权利要求4所述的正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的制备方法，其中，所述扩散窗口的尺寸半径为29μm，所述保护环为浮动保护环；所述保护环的宽度为1-1.5μm，所述保护环与pn结的中央扩散区之间的间距为3-6μm；所述闭管扩散工艺采用的扩散温度为480℃，扩散时间为35分钟，扩散物质为Zn3P2。
10.根据权利要求3所述的正入射盖革模式雪崩探测器焦平面阵列的制备方法，其中，所述衬底为InP衬底；所述缓冲层为InP缓冲层；所述吸收层为InGaAs吸收层；所述渐变层为InGaAsP渐变层；所述电荷层为InP电荷层；所述帽层为InP帽层；所述预制保护层为SiO2预制保护层；所述保护层为SiO2保护层。
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|---|---|---|---|---|
| CN114577965A (zh) * | 2022-03-25 | 2022-06-03 | 陕西周源光子科技有限公司 | 一种用于液相色谱仪的光电检测系统 |
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| CA2990466A1 (en) * | 2015-07-08 | 2017-01-12 | The Commonwealth Of Australia | Spad array structures and methods of operation |
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| CN109712999A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-05-03 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 蓝光增敏硅基雪崩光电二极管阵列器件 |
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