CN113013289A - GaSb焦平面红外探测器的制备方法及GaSb焦平面红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种GaSb焦平面红外探测器的制备方法及GaSb焦平面红外探测器，其中，该制备方法包括：在GaSb衬底上光刻制备对准标记，得到带有对准标记的GaSb衬底；在带有对准标记的GaSb衬底表面光刻制备焦平面阵列，并曝露焦平面阵列像元区域，并对像元区域进行掺杂；在像元区域及GaSb衬底上分别制备欧姆接触电极，并制备与欧姆接触电极发生互联的铟柱；将带有铟柱的GaSb衬底与读出电路实现电性连接，制备得到GaSb焦平面红外探测器。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器技术领域，更具体地涉及一种低噪声GaSb焦平面红外探测器制备方法及GaSb焦平面红外探测器。
背景技术
红外探测器是一种能将不可见的红外辐射转化为可测量信号的光敏器件，它在军事、气象、工业、环境科学以及医疗诊断等领域都具有广泛的应用。其中，短波红外探测器主要是指在1-3μm波段范围内响应，其广泛应用于夜视、对地遥感、安全监控等军、民用领域。目前短波红外光电探测器使用的材料体系主要有InAs/GaSb超晶格、InP/InGaAs等。但是，现有技术方案均需要使用MBE外延构建PN结，实现光电探测，大大增加了产品成本，降低了产品的产出率和均匀性。
同时，使用外延材料制备的焦平面探测器，在焦平面制备过程中，需要通过腐蚀或者刻蚀的手段，实现台面制备，从而构建高像素面阵。但是，这一过程在器件中引入了大量的台面侧壁，导致了表面态暗电流的大大增加，从而使得器件噪声增大。如果想获得更低的噪声，则需要通过其他方案，例如降低器件工作温度，来实现。但是无论使用哪种方案，都大大的提高了焦平面探测器的制备成本，增加了工作难度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种GaSb焦平面红外探测器的制备方法及GaSb焦平面红外探测器，在红外探测器的表面，以局部扩散或离子注入的方式，构建PN结，无需台面刻蚀即可实现大面阵焦平面的制备，大大降低了器件的噪声，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种GaSb焦平面红外探测器的制备方法，包括：在GaSb衬底上光刻制备对准标记，得到带有对准标记的GaSb衬底；在带有对准标记的GaSb衬底表面光刻制备焦平面阵列，并曝露焦平面阵列像元区域，并对像元区域进行掺杂；在像元区域及GaSb衬底上分别制备欧姆接触电极，并制备与欧姆接触电极发生互联的铟柱；将带有铟柱的GaSb衬底与读出电路实现电性连接，制备得到GaSb焦平面红外探测器。
根据本发明的实施例，其中，GaSb衬底为N型或P型；掺杂工艺包括离子注入或扩散工艺；掺杂方式为P型掺杂或N型掺杂。
根据本发明的实施例，其中，GaSb衬底为N型，对像元区域进行P型掺杂，提供空穴，构建PN结；P型掺杂材料包括以下至少之一：Mg、Zn、Be。
根据本发明的实施例，其中，GaSb衬底为P型，对像元区域进行N型掺杂，提供电子，构建PN结；N型离子注入材料包括以下至少之一：S、O、P。
根据本发明的实施例，其中，焦平面阵列在GaSb衬底上制备，包括掺杂的像元区域和非掺杂的GaSb衬底区域，掺杂的像元区域和非掺杂的GaSb衬底区域处于同一个二维平面。
根据本发明的实施例，其中，PN结通过掺杂的像元区域与非掺杂GaSb衬底区域的交界处形成。
根据本发明的实施例，其中，每个相邻的掺杂的像元区域由未掺杂的GaSb衬底隔开。
根据本发明的实施例，其中，欧姆接触电极材料包括以下至少之一：Ti、Pt、Au、Cu、Ni。
根据本发明的实施例，其中，制备欧姆电极和铟柱的方法包括以下至少之一：电子束蒸发沉积、磁控溅射、蒸镀。
另一方面，本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的GaSb焦平面红外探测器。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的高分子复合材料及其制备方法具有以下有益效果：
(1)可以通过去除台面刻蚀引入的侧壁，实现大面阵低噪声焦平面探测器的制备，且制备工艺简单，制备过程具有极低的成本。
(2)可以通过扩散或离子注入的方法形成PN结，消除了由于MBE外延生长引入的缺陷，进一步降低噪声。
(3)器件性能稳定且均一性好，制备工艺、读出电路及短波探测系统与已有的技术匹配度高，实用性强。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例的GaSb焦平面红外探测器的制备方法流程图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的GaSb焦平面红外探测器焦平面阵列剖面图；
图3示意性示出了根据本发明实施例的GaSb焦平面红外探测器焦平面阵列俯视图；
图4示意性示出了根据本发明实施例的GaSb焦平面红外探测器芯片示意图；
图5示意性示出了根据本发明实施例的GaSb焦平面红外探测器在红外波段的响应谱图。
具体实施方式
本发明提供的一种GaSb焦平面红外探测器的制备方法及GaSb焦平面红外探测器，在红外探测器的表面，以局部扩散和离子注入的方式构建PN结，无需焦平面阵列的台面制备就可实现大面阵焦平面的制备，通过去除台面刻蚀引入的侧壁，大大降低器件噪声。
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。
本发明提供了一种GaSb焦平面红外探测器的制备方法。该方法包括：
在GaSb衬底上光刻制备对准标记，得到带有对准标记的GaSb衬底；
在带有对准标记的GaSb衬底表面光刻制备焦平面阵列，并曝露焦平面阵列像元区域，并对像元区域进行掺杂；
在像元区域及GaSb衬底上分别制备欧姆接触电极，并制备与欧姆接触电极发生互联的铟柱；
将带有铟柱的GaSb衬底与读出电路实现电性连接，制备得到GaSb焦平面红外探测器。
图1示意性示出了根据本发明实施例的GaSb焦平面红外探测器的制备方法的流程图。
如图1所示，该方法包括操作S101～操作S104。
在操作S101，在GaSb衬底上光刻制备对准标记，得到带有对准标记的GaSb衬底。
根据本发明的实施例，GaSb衬底可以为N型衬底或者P型衬底。
在本公开的实施例中，在GaSb衬底上光刻制备对准标记包括如下：
首先，清洗GaSb衬底烘干后，在GaSb衬底上旋涂一层光刻胶形成光刻胶层。光刻胶又称为光致抗蚀剂，由感光树脂、增感剂(见光谱增感染料)和溶剂三种成分组成的对光敏感的混合液体。因此，在涂覆于GaSb衬底上后进行预烘烤、固化处理，使得光刻胶发生液固转变。
其次，利用光刻机将掩膜板上设计的对准标记图形通过对准、曝光、显影等工序在光刻胶层上形成对应光刻对准标记图案。
再次，对GaSb衬底进行刻蚀处理。在光刻胶层上形成对准标记图案部分覆盖了GaSb衬底，将未被光刻胶层覆盖的GaSb衬底部分区域暴露在外，利用ICP刻蚀或湿法腐蚀的方法对未被光刻胶层覆盖的部分区域进行处理，从而将光刻胶层上形成的对准标记图案转移到GaSb衬底上，在GaSb衬底上形成光刻对准标记图案，得到带有对准标记的GaSb衬底。
根据本发明的实施例，将带有对准标记的GaSb衬底进行清洗，去除表面残余光刻胶。
在操作S102，在带有对准标记的GaSb衬底表面光刻制备焦平面阵列，并曝露焦平面阵列像元区域，并对像元区域进行掺杂。
根据本发明的实施例，对像元区域进行掺杂工艺包括离子注入或扩散工艺，掺杂方式可以为P型掺杂或N型掺杂。
根据本发明的实施例，若GaSb衬底为N型衬底，对像元区域进行P型掺杂，提供空穴，与N型GaSb衬底交界处构建PN结，实现光电探测。
根据本发明的实施例，若GaSb衬底为P型衬底，对像元区域进行N型掺杂，提供电子，与P型GaSb衬底交界处构建PN结，实现光电探测。
根据本发明的实施例，P型掺杂材料包括以下至少之一：Mg、Zn、Be；N型掺杂材料包括但不限于以下至少之一：S、O、P。
在本公开的实施例中，在带有对准标记的GaSb衬底表面光刻制备焦平面阵列与上述步骤S101类似，在此作以简要说明。
根据本发明的实施例，在带有对准标记的GaSb衬底表面光刻制备焦平面阵列，包括：将带有对准标记的GaSb衬底进行清洗烘干，旋涂一层光刻胶，利用光刻机将掩膜板上的焦平面阵列的图形通过与GaSb衬底上对准标记进行对准、曝光、显影等工序转移到带有对准标记的GaSb衬底表面，曝露出焦平面阵列的像元区域。
在本公开的实施例中，利用离子注入技术对曝露出的焦平面阵列的像元区域进行离子注入，使得像元区域所在的GaSb衬底进行P型或N型掺杂，与N型GaSb衬底或P型GaSb衬底交界处构建PN结，实现光电探测。
根据本发明的实施例，焦平面阵列是在GaSb衬底上制备的，焦平面阵列面阵是由多个离子注入区像元区域与非注入区GaSb衬底形成，且每个注入区像元区域都被非注入区GaSb衬底包围，即，每个相邻的掺杂的像元区域由未掺杂的GaSb衬底隔开。注入区像元区域与非注入区GaSb衬底为同一平面，每个相邻的注入区像元区域由未掺杂的GaSb衬底隔开不会存在沟道，从而不会引入像元区侧壁。
根据本发明的实施例，将上述操作S102中的GaSb衬底清洁，去除残余的光刻胶。
例如，图2示意性示出了根据本发明实施例的GaSb焦平面红外探测器焦平面阵列剖面图；图3示意性示出了根据本发明实施例的GaSb焦平面红外探测器焦平面阵列俯视图。以N型GaSb衬底为例。
如图2所示，在N型GaSb衬底1上制备成由N型衬底材料隔绝开的P型材料离子注入像元区阵列2。每个像元区位置P型GaSb、N型GaSb衬底交界处形成PN结。
如图3所示，方形区域为P型离子注入区域，即像元区域，方形区域周围空白区为非注入区的N型GaSb衬底，每个注入区像元区域都被非注入区GaSb衬底包围。圆形为在像元区域制备的欧姆接触电极，与读出电路实现电性连接。
根据本发明的实施例，通过在GaSb衬底表面以离子注入和扩散的方式构建PN结，且在制备焦平面的过程中无需台面刻蚀引入大量台面侧壁，解决了由于台面侧壁的引入导致的表面态暗电流的增加而引起的噪声增大的技术问题，从而可以实现大面阵降低噪声，还可以消除由于MBE外延生长引入的缺陷，从而进一步降低噪声。
在操作S103，在像元区域及GaSb衬底上分别制备欧姆接触电极，并制备与欧姆接触电极发生互联的铟柱。
根据本发明的实施例，如果GaSb衬底为N型衬底，在焦平面阵列中各像元区域制备P型欧姆接触电极，在未离子注入的GaSb衬底上制备N型欧姆接触电极，以N型欧姆接触电极为该探测器的公共欧姆接触电极。
根据本发明的实施例，如果GaSb衬底为P型衬底，在焦平面阵列中各像元区域制备N型欧姆接触电极，在未离子注入的GaSb衬底上制备P型欧姆接触电极，以P型欧姆接触电极为该探测器的公共欧姆接触电极。
根据本发明的实施例，在各欧姆接触电极上进行铟柱工艺的制备，使各欧姆接触电极与铟柱发生互联。
根据本发明的实施例，欧姆接触电极及铟柱的制备方法包括但不限于：电子束蒸发沉积、磁控溅射、蒸镀。
根据本发明的实施例，欧姆接触电极材料包括但不限于以下至少之一：Ti、Pt、Au、Cu、Ni。
在操作S104，将带有铟柱的GaSb衬底与读出电路实现电性连接，制备得到GaSb焦平面红外探测器。
根据本发明的实施例，通过倒装互联的工艺，将ROIC读出电路正面朝下，与各欧姆接触电极上的铟柱互联，通过铟柱，实现各欧姆接触电极与ROIC读出电路的电性连接。
根据本发明的实施例，将制备好的样品翻转，对GaSb衬底进行减薄，完成GaSb焦平面红外探测器的制备。
本发明还提供了一种利用上述制备方法制备的GaSb焦平面红外探测器，该探测器器件性能稳定，均一性好，制备工艺、读出电路及短波探测系统与已有的技术匹配度高，实用性强。
例如，图4示意性示出了根据本发明实施例的GaSb焦平面红外探测器芯片示意图。以N型GaSb衬底为例。
如图4所示，该GaSb焦平面红外探测器芯片结构包括：GaSb衬底1、P型材料离子注入像元区阵列2、P型欧姆接触电极3、N型欧姆接触电极4、铟柱5、ROIC读出电路6。
根据本发明的实施例，在GaSb衬底1上，形成由P型材料离子注入像元区阵列2，1与2的交界处形成PN结。再采用电子束蒸发Ti/Pt/Au的方式，进行像元区P型及GaSb衬底N型欧姆接触电极的制备，如3、4所示。通过铟柱蒸镀，如5所示，与ROIC读出电路6进行倒装互联。最后翻转样品，对GaSb衬底进行减薄。
图5示意性示出了根据本发明实施例的GaSb焦平面红外探测器在红外波段的响应谱图。
如图5所示，在GaSb焦平面PN结红外探测器在红外波段的响应谱图中，50％截止波长为1.74μm时，可实现在短波红外波段的响应。
根据本发明的实施例，通过本发明提供的GaSb焦平面红外探测器的制备方法及GaSb焦平面红外探测器，通过去除台面刻蚀引入的台面侧壁，利用离子注入和扩散的方法形成PN结，解决了传统焦平面制备中所引入的台面侧壁导致的表面漏电流产生的情况，以及MBE外延生长引入的位错等缺陷而引起的体材料噪声，从而实现了大面阵低噪声的焦平面探测器的制备。
以上的具体实施例，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GaSb焦平面红外探测器的制备方法，包括：
在GaSb衬底上光刻制备对准标记，得到带有对准标记的GaSb衬底；
在所述带有对准标记的GaSb衬底表面光刻制备焦平面阵列，并曝露所述焦平面阵列像元区域，并对所述像元区域进行掺杂；
在所述像元区域及所述GaSb衬底上分别制备欧姆接触电极，并制备与欧姆接触电极发生互联的铟柱；
将带有铟柱的所述GaSb衬底与读出电路实现电性连接，制备得到GaSb焦平面红外探测器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述GaSb衬底为N型或P型；所述掺杂工艺包括离子注入或扩散工艺；所述掺杂方式为P型掺杂或N型掺杂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其中，所述GaSb衬底为N型，对所述像元区域进行P型掺杂，提供空穴，构建PN结；所述P型掺杂材料包括以下至少之一：Mg、Zn、Be。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其中，所述GaSb衬底为P型，对所述像元区域进行N型掺杂，提供电子，构建PN结；所述N型离子注入材料包括以下至少之一：S、O、P。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述焦平面阵列在所述GaSb衬底上制备，包括掺杂的像元区域和非掺杂的GaSb衬底区域，所述掺杂的像元区域和非掺杂的GaSb衬底区域处于同一个二维平面。
6.根据权利要求3或4或5所述的制备方法，其中，所述PN结通过所述掺杂的像元区域与所述非掺杂GaSb衬底区域的交界处形成。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其中，每个相邻的掺杂的像元区域由所述未掺杂的GaSb衬底隔开。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述欧姆接触电极材料包括以下至少之一：Ti、Pt、Au、Cu、Ni。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其中，制备所述欧姆电极和所述铟柱的方法包括以下至少之一：电子束蒸发沉积、磁控溅射、蒸镀。
10.一种利用权利要求1～9任一项所述的制备方法制备得到的GaSb焦平面红外探测器。
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