CN113629164A - 下入光式红外传感器元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例公开了一种下入光式红外传感器元件及其制造方法，所述下入光式红外传感器元件包括至少一个化合物半导体叠层，能够检测波长大于等于1微米的红外线并输出表示该检测的电信号；含有IC电路的基板，所述IC电路对从半导体叠层输出的电信号进行处理并进行运算以获得检测结果；粘结层，所述粘结层将至少一个化合物半导体叠层键合到含有IC电路的基板上。所述至少一个化合物半导体叠层的电极与IC电路的引线端电连接，所述基板上设置有至少一个光学窗以允许入射光穿过进入到至少一个化合物半导体叠层中。本发明属于半导体技术领域。下入光式红外传感器元件可在室温下工作，不易受暗电流、电磁噪声以及热波动的影响，且结构紧凑。
Description
技术领域
本申请公开内容涉及半导体技术领域，尤其涉及一种下入光式红外传感器元件以及相应的制造方法。
背景技术
红外传感器已经广泛应用于各个领域，例如通过检测人而使得照明、空调以及电视等家用电器自动开关的人体传感器以及防范用的监视传感器等等。另外，红外传感器还可以用于检测甲烷等可燃易爆气体的泄漏。
现有的一种类型的红外传感器是利用热电效应的热电型红外传感器。由于其中的热电元件阻抗极高，容易受到电磁噪声及热波动的影响。因此，需要使用金属外壳封装等进行屏蔽。此外，I-V变换电路中必须要有大的电阻和电容，因此难以小型化。
另一种类型的红外传感器是量子型的，HgCdTe(MCT)及InSb系列是通常使用的材料。其必须使用液氮、液氦或利用帕尔贴效应的电子冷却等将传感器冷却。一般，量子型红外传感器可以达到热电传感器的100倍或更高的灵敏度。另外，元件电阻可以小到数十～数百欧姆，很少受电子噪声及热波动的影响。但是，对于封装而言，由于必须冷却到低温，所以需使用牢固的金属封装。
对于InSb系列，根据要检测的波长研究InAsxSb1-x的混晶层。例如，尝试使用InSb基板在其上将InSb的一部分置换为As的外延生长法等。
此外，提出了在集成了读出及信号处理电路的基板之上使用红外传感器部分生长的单片结构。然而，在信号处理电路上生长作为红外传感器核心的化合物半导体薄膜的技术极为困难，不容易得到可用作实用器件的膜。在信号处理电路运行时产生的热成为对在其上以单片方式形成的红外传感器部分的热波动的噪声而出现产生错误信号的问题。所以，为了抑制这一热波动的影响，必须利用液氮等使整个传感器冷却。这样的冷却限制了红外传感器的使用。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的在于提供一种可在室温下工作，不易受暗电流、电磁噪声以及热波动的影响的紧凑型红外传感器以及其制造方法。
本发明的发明人发现通过将化合物半导体叠层的电阻变小、将红外光子吸收叠层的面缺陷密度减小至100/cm2以下、以及使得该化合物半导体叠层和处理从该化合物半导体叠层输出的电信号的集成电路集成在同一基板上，并且封装在同一封装体内，可以在室温下进行检测。另外，通过这样的方式，可以使得本发明的下入光式红外传感器元件不易受暗电流、电磁噪声和热波动的影响。在本发明中，可以使得下入光式红外传感器元件中的化合物半导体叠层电阻小，信号输出电路中的电阻和电容可以很小，从而允许下入光式红外传感器元件小型化。
根据本发明的一个方面，提供了一种下入光式红外传感器元件，所述下入光式红外传感器元件包括：
至少一个化合物半导体叠层，所述至少一个化合物半导体叠层能够检测波长大于等于1微米的红外线并输出表示该检测的电信号；
含有IC电路的基板，所述IC电路对从所述至少一个化合物半导体叠层输出的电信号进行处理并进行运算以获得检测结果；
粘结层，所述粘结层将至少一个化合物半导体叠层键合到含有IC电路的基板上；
其中，所述至少一个化合物半导体叠层的电极与IC电路的引线端电连接，所述基板上设置有至少一个光学窗以允许入射光穿过进入到至少一个化合物半导体叠层中。
在一个示例中，所述至少一个化合物半导体叠层中的一个化合物半导体叠层从上至下依次包括：P型电极、P型电极欧姆接触及电流导通层、载流子阻挡层、P-N或P-i-N型光子吸收层、N型电极欧姆接触及电流导通层和在N型电极欧姆接触及电流导通层上设置的N型电极。
在一个示例中，所述N型电极欧姆接触及电流导通层包括叠置在一起的第一N型电极欧姆接触及电流导通层和第二N型电极欧姆接触及电流导通层，所述第二N型电极欧姆接触及电流导通层的尺寸大于第一N型电极欧姆接触及电流导通层，所述第二N型电极欧姆接触及电流导通层未被第一N型电极欧姆接触及电流导通层的部分上设置有N型电极；
所述N型电极与IC电路的负极引线端的电连接以及所述P型电极与IC电路的正极引线端的电连接通过金属打线连接或通过光刻形成的多层金属互连线连接。
在一个示例中，所述P型电极包括Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Cu或它们的合金形成的金属电极；
所述P型电极欧姆接触及电流导通层是p型重掺杂的包含Ga、Al、In、Sb或As的化合物半导体膜；
所述载流子阻挡层包括p型掺杂的包含Ga、Al、In、Sb或As的化合物半导体膜；
所述光子吸收层包括P-N或P-i-N型轻掺杂的InSb、GaAs、InAs、InGaAs、GaAsSb或InGaP化合物半导体膜；
所述第一N型电极欧姆接触及电流导通层和第二N型电极欧姆接触及电流导通层包括n型重掺杂的InSb、GaAs、InAs、InGaAs、GaAsSb或InGaP化合物半导体膜；
所述N型电极包括Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Cu或它们的合金形成的金属电极。
在一个示例中，所述至少一个化合物半导体叠层由以下步骤制造得到：
在半导体单晶衬底上异质依次外延生长多个化合物半导体膜，分别形成含有晶格缓冲牺牲层的P型电极欧姆接触及电流导通层、载流子阻挡层、P-N或P-i-N型光子吸收层、第一N型电极欧姆接触及电流导通层和第二N型电极欧姆接触及电流导通层；
在第二N型电极欧姆接触及电流导通层和基板的至少一个上涂覆粘结层，并且通过粘结层将它们面对面键合在一起；
选择性移除半导体单晶衬底和P型电极欧姆接触及电流导通层中的晶格缓冲牺牲层，
其中，所述半导体单晶衬底采用GaAs、InP、GaN或Si单晶衬底，所述化合物半导体膜包括InSb、GaAs、InAs、InGaAs、InAlSb、GaAsSb或InGaP，所述粘结层包括氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜、氮氧化硅膜、环氧树脂、硅胶、二氧化硅和聚酰亚胺膜中的任一种。
在一个示例中，仅移除半导体单晶衬底之后P型电极欧姆接触及电流导通层的迁移率大于40000cm2/Vs，所述P型电极欧姆接触及电流导通层的厚度为500nm-10μm；
同时移除半导体单晶衬底和P型电极欧姆接触及电流导通层中晶体质量较差的晶格缓冲牺牲层，P型电极欧姆接触及电流导通层的迁移率大于50000cm2/Vs且小于78000cm2/Vs，所述P型电极欧姆接触及电流导通层的厚度为100nm-9μm；
P-N或P-i-N型光子吸收层的面缺陷密度小于等于10-100/cm2。
在一个示例中，所述下入光式红外传感器元件还包括用于覆盖化合物半导体叠层的保护层，但是至少暴露出N型电极和P型电极的一部分；
所述保护层包括氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜、氮氧化硅膜、环氧树脂、硅胶、二氧化硅和聚酰亚胺膜中的任一种。
在一个示例中，所述含有IC电路的基板是刚性的或柔性的，所述基板包括含有IC电路的Si基晶圆、石英衬底、氧化铝衬底、氮化铝衬底、聚酰亚胺柔性衬底中的任一种。
在一个示例中，所述至少一个化合物半导体叠层以面阵列、线阵列或四象限的形式布置在基板上。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造下入光式红外传感器元件的方法，所述方法包括：
制造至少一个化合物半导体叠层，所述至少一个化合物半导体叠层能够检测波长大于等于1微米的红外线并输出表示该检测的电信号；
提供含有IC电路的基板，所述IC电路对从所述至少一个化合物半导体叠层输出的电信号进行处理并进行运算以获得检测结果；
设置粘结层将至少一个化合物半导体叠层键合到含有IC电路的基板上；
其中，所述至少一个化合物半导体叠层的电极与IC电路的引线端电连接，所述基板上设置有至少一个光学窗以允许入射光穿过进入到至少一个化合物半导体叠层中。
通过下文中参照附图对本公开的实施例所作的描述，本公开的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本公开有全面的理解。
附图说明
本发明的这些和/或其他方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的下入光式红外传感器元件的横截面结构示意图；
图2A示出在半导体单晶衬底上异质外延生长具有红外感测功能的化合物半导体材料叠层的横截面结构示意图；
图2B示出了在具有IC电路的基板上涂覆粘结层后的横截面结构示意图；
图2C示出将图2A示出的结构与图2B示出的结构键合在一起的横截面结构示意图；
图2D示出在图2C的结构基础上选择性移除原用于异质外延生长化合物半导体叠层的半导体单晶衬底并且蚀刻掉部分半导体叠层之后的横截面结构示意图；
图2E示出在图2D的结构基础上制造出电极的横截面结构示意图；
图2F示出在图2E的结构基础上制造保护层后的横截面结构示意图；
图2G示出在图2F的结构基础上将化合物半导体底层的电极与IC电路的引线端电连接后的横截面结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
图1示出了根据本发明的一个实施例的下入光式红外传感器元件的横截面结构示意图。该红外传感器元件200包括含有IC电路的基板110，为了简便起见，未示出基板110上的IC电路，但是示出了IC电路的负引线端111和正引线端112。基板110上通过粘结层120设置有化合物半导体叠层，该化合物半导体叠层能够检测波长大于等于1微米的红外线并输出表示该检测的电信号。IC电路对从所述化合物半导体叠层输出的电信号进行处理并进行运算以获得检测结果。
在示例中，通过粘结层120将化合物半导体叠层键合到含有IC电路的基板110上。所述粘结层120根据具体应用对于超过特定波长的红外光子是“透明的”，包括氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜、氮氧化硅膜、环氧树脂、硅胶、二氧化硅和聚酰亚胺膜中的任一种。所述化合物半导体叠层的电极113、114与IC电路的引线端112、111分别电连接。可替代地，除了采用粘结层将化合物半导体叠层与基板110键合或粘结在一起，也可以采用玻璃与半导体、半导体与半导体之间直接键合的方式完成所述连接，从而省去粘结层。
可选地，还可以设置一保护层180，其覆盖化合物半导体叠层，但是至少暴露出P型电极113和N型电极114的一部分。所述保护层180包括氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜、氮氧化硅膜、环氧树脂、硅胶、二氧化硅和聚酰亚胺膜中的任一种。
需要说明的是，化合物半导体叠层是检测入射的红外线并将其检测结果作为电信号输出的单元，即红外传感器。由于在本发明中，将其与带有IC电路的基板集成在一起，因此构成了红外传感器元件。所述IC电路是在基板110上或内部形成多个电路元件的电路，是处理从化合物半导体叠层输出的红外线的检测信号(电信号)而进行预定的运算的单元。在实施例中，本发明通过设置粘结层而将IC电路和化合物半导体叠层等相互连接并集成在同一个基板上。
在基板110上设置有至少一个光学窗117，以允许入射光穿过进入到化合物半导体叠层中。这样，基板110是硅衬底、锗衬底或砷化镓衬底等，可以起到滤波的功能，并且与现有技术相比，其可以允许入射光从器件的下方入射。
在一个示例中，所述基板110可以包括IC电路的Si基晶圆、其他半导体基板、金属基板、石英基板、氧化铝衬底、氮化铝衬底、聚酰亚胺柔性衬底中的任一种，并且根据具体应用对于超过特定波长的红外光是“透明的”。
如图1所示，该化合物半导体叠层从上至下依次包括：P型电极113、P型电极欧姆接触及电流导通层172、载流子阻挡层(用于抑制暗电流)160、光子吸收层150、第一N型电极欧姆接触及电流导通层140和第二N型电极欧姆接触及电流导通层130。所述光子吸收层160例如是P-N型或P-i-N型光子吸收层。
由于考虑到后续的化合物半导体叠层从原本生长的基底上反转贴附在基板110上，因此设置成所述第二N型电极欧姆接触及电流导通层130的尺寸大于第一N型电极欧姆接触及电流导通层140，所述第二N型电极欧姆接触及电流导通层130未被第一N型电极欧姆接触及电流导通层140的部分上设置有N型电极114。
结合后续的描述可知，通过这样的设置可以在后续选择性移除原本生长化合物半导体叠层的衬底之后通过光刻蚀刻的方式形成化合物半导体叠层，同时还可以设置成第二N型电极欧姆接触及电流导通层130的尺寸更大，从而便于设置N型电极114。
可以理解，还可以将第一N型电极欧姆接触及电流导通层140和第二N型电极欧姆接触及电流导通层130设置成一体的，只要在后续的蚀刻图形化过程中形成如图所示的图形即可，即具有放置N型电极114的台阶面。
所述P型电极113与IC电路的正极引线端112通过金属打线电连接，同理所述N型电极114与IC电路的负极引线端111也通过金属打线电连接。可替代地，前述的电连接也可以通过光刻方式形成的多层金属互连线来实现，从而提高了连接的可靠性，并且简化了工艺。
在一个示例中，所述P型电极113包括Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Cu或它们的合金形成的金属电极，优选地采用Ti/Au金属电极；所述P型电极欧姆接触及电流导通层172是p型重掺杂的化合物半导体膜，例如是厚度为0.5μm的p+InSb；所述载流子阻挡层160包括p型掺杂的包含Ga、Al、In、Sb、As的化合物半导体膜，优选地采用InAlSb化合物半导体膜，例如是厚度为50nm的p+Al0.17In0.83Sb或p+GaAsSb；所述光子吸收层150包括P-N或P-i-N型轻掺杂的InSb、GaAs、InAs、InGaAs、GaAsSb或InGaP化合物半导体膜，优选地采用InSb化合物半导体膜，例如是厚度为1μm的p-InSb或厚度为1μm的p-InSb加厚度为1μm的n-InSb；所述第一和第二N型电极欧姆接触及电流导通层130、140包括n型重掺杂的InSb、GaAs、InAs、InGaAs、GaAsSb或InGaP化合物半导体膜，优选地采用InSb化合物半导体膜，例如是厚度为0.5μm的n+InSb；所述N型电极114包括Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Cu或它们的合金形成的金属电极，优选地采用Ti/Au金属电极。在本实例中，保护层180可以是Si3N4钝化层、SiO2、环氧树脂、硅胶或聚酰亚胺。
应当理解，前述的化合物半导体叠层中的各个化合物半导体膜、保护层等的材料以及厚度等设置在此处仅仅是一个示例，本领域技术人员可以根据需要选择任何可行的材料或合适的厚度，而不限于此处示出的示例。
所述化合物半导体叠层由以下步骤制造得到：
在半导体单晶衬底上异质依次外延生长多个化合物半导体膜，分别形成用于形成P型电极欧姆接触及电流导通层的化合物半导体膜170(包含用于异质外延生长的晶体质量较差的晶格缓冲牺牲层171、以及在晶格缓冲牺牲层171之上的晶体质量优异的P型电极欧姆接触及电流导通层172)、载流子阻挡层160、P-N或P-i-N型光子吸收层150、第一N型电极欧姆接触及电流导通层140和第二N型电极欧姆接触及电流导通层130；所述P-N或P-i-N型(InSb红外)光子吸收层150的面缺陷密度小于等于10-100/cm2。
在第二N型电极欧姆接触及电流导通层130和基板110的至少一个上涂覆粘结层120，并且通过粘结层120将它们面对面键合在一起；
选择性移除半导体单晶衬底和用于形成P型电极欧姆接触及电流导通层的化合物半导体膜170的一部分，即通过腐蚀的方式选择性移除晶体质量较差的晶格缓冲牺牲层171，
其中，所述半导体单晶衬底可以采用GaAs、InP、GaN、Si等任何合适的单晶衬底，所述化合物半导体膜包括InSb、GaAs、InAs、InGaAs、InAlSb、GaAsSb或InGaP。所述粘结层120包括氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜、氮氧化硅膜、环氧树脂、硅胶、二氧化硅和聚酰亚胺膜中的任一种。
在本实施例中，仅移除半导体单晶衬底的所述P型电极欧姆接触及电流导通层172的迁移率大于40000cm2/Vs，所述P型电极欧姆接触及电流导通层172的厚度为500nm-10μm，优选地1μm-3μm。同时移除半导体单晶衬底和P型电极欧姆接触及电流导通层的晶格缓冲牺牲层171后，P型电极欧姆接触及电流导通层172的迁移率得到大幅提升，大于50000cm2/Vs且小于78000cm2/Vs，所述P型电极欧姆接触及电流导通层172的厚度为100nm-9μm，优选地300nm-2μm。
所述含有IC电路的基板110是刚性的或柔性的。刚性的基板110可以是硅基基板、石英衬底、氧化铝衬底、氮化铝衬底；柔性的基板由聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成。
在P型极欧姆接触及电流导通层172的上方还可以设置反射膜，该反射膜将从下方穿过化合物半导体叠层的入射光的至少一部分以反射光的方式再次进入到化合物半导体叠层，从而提高了该红外传感器的检测效率。在一个示例中该反射膜可以包括金属反射膜或多层介质反射膜。金属反射膜位于入射光的正上方，可以与P型金属电极通过光刻及镀膜方式一次性制造或分别制造，两者之间无电学连接。
可以用于制造化合物半导体叠层的材料GaAs、InSb以及InAs等在室温下具有不同红外波长的吸收率，其中InSb材料在室温下可以吸收大于等于1微米波长的红外光子，并且其电子迁移率最高，可达到78000cm2/Vs，因而作为本发明最适合的实施例材料之一。
在本发明的一个实施例中，InSb等化合物半导体膜的制造方式有两种，一种是采用蒸镀的方式将InSb材料蒸镀于云母片或氧化硅衬底上来获得多晶InSb膜。这种方法制造的InSb膜虽然制造成本比较低，但是质量比较差，迁移率一般仅为15000cm2/Vs到30000cm2/Vs，光电性能很差，达不到对于红外光子吸收及探测的预期要求。另一种制造方式是在半绝缘InSb单晶衬底上采用同质外延生长的方式进行制造，可以获得高质量的InSb单晶膜，这样制造的InSb单晶膜质量较高、基本满足红外光子的探测需求。但是由于半绝缘InSb单晶衬底生产工艺很不成熟，目前还没有办法用于大规模的生产制造。
因此，在化合物半导体叠层的制造中，通常选用其它半导体单晶衬底，例如GaAs衬底或Si衬底。这些替代性的半导体单晶衬底虽然成本相对便宜，但是由于与InSb存在较大的晶格失配，因此会导致在这样的替代性半导体单晶衬底上生长出来的InSb单晶膜的质量下降，迁移率与在InSb单晶衬底上获得的InSb单晶膜相比下降很多，一般在30000cm2/Vs到50000cm2/Vs之间。更为致命的是，这样的InSb单晶膜缺陷面密度很大，一般在10000/cm2以上，导致红外光子P-N或P-i-N结暗电流极大，无法达到红外光子探测所需的信噪比。
因为InSb膜与半导体单晶衬底之间存在较大的晶格失配，所以一开始生长出来的InSb膜质量很差，缺陷密度大且迁移率非常低。随着InSb膜材料厚度增加，晶体质量会不断变好，缺陷密度逐渐变少且迁移率增加。
为了达到面缺陷密度小于等于10-100/cm2且高于50000cm2/Vs的电子迁移率，一般要求InSb膜的生长厚度超过1-2μm，但是此时由于InSb膜厚度很厚，将导致部分红外光子被晶体质量较差的InSb膜吸收，显著降低最终制造出的红外光子探测器件的量子效率。
通常，与衬底失配引起的薄膜的晶体缺陷在衬底的界面附近是明显的。虽然伴随着薄膜的生长，晶体缺陷的密度逐步减少，但晶体缺陷浓度高且电子迁移率降低。若形成几微米量级的薄膜，则界面附近的缺陷产生的影响变得很微小，但在制作器件时，由于InSb膜厚度很厚，将导致部分红外光子被晶体质量较差的InSb膜吸收，显著降低最终制造出的红外光子探测器件的量子效率。
本发明的下述实施例提供了一种下入光式红外传感器元件和制造方法，其中化合物半导体叠层与信号处理电路板集成在一起，化合物半导体叠层与现有技术相比具有晶体缺陷密度小、高迁移率并且同时具有较高的光子吸收效率，并且形成的器件厚度相对较小。
在图1中，仅示出一个化合物半导体叠层，还可以在基板110上以面阵列的形式、线阵列的形式或四象限的形式布置至少一个化合物半导体叠层，从而可以实现检测待测物体的位置或二维图像。在布置至少一个化合物半导体叠层时，它们可以与IC电路集成在一起，实现了单个电路芯片控制多个化合物半导体叠层。
参见图2A-2G，示出了根据本发明实施例所述的下入光式红外传感器元件的制造流程图。
具体地，如图2A所示，在半导体单晶衬底100上采用外延方式(例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE))生长化合物半导体膜，该化合物半导体膜170包括质量较差的第一部分(晶格缓冲牺牲层171)和质量较好的第二部分(P型电极欧姆接触层及导通层172，在图中以虚线示意性地示出分界线)。在一个示例中，半导体单晶衬底可以采用GaAs、InP、GaN、Si等任何合适的单晶衬底。化合物半导体膜可以包括由In、Sb、As、Ga和P等构成的二元、三元、四元材料，例如GaAs、InAs、InSb、InGaAs、InGaP、InGaAsP等材料，优选地InSb膜。
以下将以InSb为例进行示例说明。在一个示例中，通过外延生长的方式分别形成多个化合物半导体膜，分别形成P型电极欧姆接触及电流导通层172、载流子阻挡层160、光子吸收层150、第一N型电极欧姆接触及电流导通层140和第二N型电极欧姆接触及电流导通层130。
如图2B所示，在第二N型电极欧姆接触及电流导通层130和/或基板10上涂覆一层粘结剂以形成一层粘结层120。在一个示例中，采用涂覆或刮胶的方式将聚酰亚胺或环氧树脂等粘结剂进行涂覆。
如图2C所示，随后，通过该粘结层120将第二N型电极欧姆接触及电流导通层130与基板110面对面键合在一起，所述基板110包括任何一种适合于霍尔元件的具体应用的集成电路，例如可以是包含适当的集成电路的硅基晶圆。当然，也可以将粘结剂涂敷到基板110上或将粘结剂同时涂敷到第二N型电极欧姆接触及电流导通层130和基板110上，本领域技术人员可以根据需要选择所述基板110的材料，而不限于此处所述的示例。
如图2D所示，选择性移除半导体单晶衬底100以暴露出P型电极欧姆接触及电流导通层172的背面。在一个示例中，可以采用机械研磨或化学腐蚀的方式。此处所述的机械研磨可以是传统的半导体研磨设备，化学腐蚀的溶液可以采用磷酸和双氧水混合溶液，或者盐酸溶液。本领域技术人员可以理解，此处的机械研磨或化学腐蚀可以采用本领域中已知的其它可替代方式。
去除掉暴露出的半导体化合物膜170刚生长的质量不好的第一部分(晶格缓冲牺牲层171)，以留下高质量的第二部分(P型电极欧姆接触及电流导通层172)。在一个示例中，可以采用干法或湿法刻蚀的方式将暴露出的半导体化合物膜170的第一部分去除掉，即将之前在半导体单晶衬底100上先生长出的第一部分移除掉，该第一部分由于晶格失配而导致质量较差，因此可以保留住高质量(例如高迁移率)的第二部分。此处所述的干法刻蚀可以是离子束刻蚀等，而湿法刻蚀可以是采用任何合适的溶液进行刻蚀。
本领域技术人员应当理解，采用本发明所述的方式可以根据器件的设计要求来选择化合物半导体膜的迁移率和厚度，从而对于化合物半导体膜的迁移率和厚度提供了很大的选择柔性，从而可以同时获得迁移率较高并且厚度较薄(较高的方块电阻)的化合物半导体膜。
通过图形化蚀刻的方式蚀刻掉(例如半导体台面蚀刻工艺蚀刻掉)化合物半导体叠层中的P型电极欧姆接触及电流导通层172、载流子阻挡层160、光子吸收层150、第一N型电极欧姆接触及电流导通层140的右端部分，从而获得如图所示的台面结构，其中第二N型电极欧姆接触及电流导通层130的尺寸大于第一N型电极欧姆接触及电流导通层140。
如图2E所示，在P型电极欧姆接触及电流导通层170和第二N型电极欧姆接触及电流导通层130上分别或同时通过光刻以及金属lift-off工艺制造出P型电极113和N型电极114以及可选的反射膜118(所述反射膜118位于N型电极欧姆接触及电流导通层之上，起到反射从下面入射的红外光)。
在一个示例中，首先采用电子束蒸发或磁控溅射等沉积方式形成金属电极层，金属电极层的材料可以包括Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Cu或它们的合金等；然后采用剥离或蚀刻的方式由金属电极层来形成电极113、114；可选地对所述电极113、114进行退火工艺，从而在电极和化合物半导体叠层之间形成更好的欧姆接触。当然，本领域技术人员还可以采用任何其他已知的方式来制造电极，本发明在此不再累述。
如图2F所示，在化合物半导体叠层和电极113、114的至少一部分表面(例如整个表面)上制造一层保护层180。
保护层180可以防止化合物半导体叠层在后续制程工艺中受损，同时阻止水汽、杂质粒子等进入。所述保护层180包括氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜、氮氧化硅膜、环氧树脂、硅胶、二氧化硅和聚酰亚胺膜中的任一种。可以通过PECVD、溅射或其他常规成膜方式，利用光致抗蚀剂图案作为掩模形成。
如图2G所示，通过金属打线115和116分别电连接P型电极113和正引线端112、N型电极114和负引线端111。
采用本发明图2A-2G的实施例制造的化合物半导体叠层，如果所述化合物半导体膜是由InSb材料制成时，该化合物半导体膜的迁移率可以超过60000cm2/Vs，同时，该化合物半导体膜的方块电阻可以设计成想要的数值，从而最终能够获得高灵敏度、低功耗的InSb化合物半导体叠层。
可替代地，也可以在另外的半导体单晶衬底上生长了化合物半导体膜之后先不再继续外延生长后续的化合物半导体膜，而是将其通过粘结层(例如下述的粘结层120)粘结到基板110上，并选择性地移除该另外的半导体单晶衬底和刚开始生长的品质不好的化合物半导体膜，从而在基板110上仅留下质量良好的部分，作为第二N型电极欧姆接触及电流导通层130，其迁移率大于50000cm2/Vs且小于78000cm2/Vs，所述第二N型电极欧姆接触及电流导通层130的厚度为100nm-9μm。可以理解，在品质良好的第二N型电极欧姆接触及电流导通层130上继续外延生长后续的多个层(例如第一N型电极欧姆接触及电流导通层140、光子吸收层150、载流子阻挡层160、P型电极欧姆接触及电流导通层172)可以获得与同质外延生长类似的品质的化合物半导体膜，从而进一步提高所得的化合物半导体叠层的品质。此时，由于要满足后续外延生长化合物半导体膜，采用的粘结层需要是二氧化硅或氮化硅等耐高温的材料。
综上，本发明的发明人发现通过将化合物半导体叠层的电阻变小、将红外光子吸收叠层的面缺陷密度减小至100/cm2以下以及使得该化合物半导体叠层和处理从该化合物半导体叠层输出的电信号的集成电路集成在同一基板上，并且封装在同一封装体内，可以在室温下进行检测。另外，通过这样的方式，可以使得本发明的红外传感器元件不易受暗电流、电磁噪声和热波动的影响。在本发明中，可以使得红外传感器元件中的化合物半导体叠层电阻小，从而信号输出电路中的电阻和电容可以很小，从而允许红外传感器元件可以小型化。
本发明还根据以下方面提供了多个实施例，具体如下：
方面1：一种制造下入光式红外传感器元件的方法，所述方法包括：
制造至少一个化合物半导体叠层，所述至少一个化合物半导体叠层能够检测波长大于等于1微米的红外线并输出表示该检测的电信号；
提供含有IC电路的基板，所述IC电路对从所述至少一个化合物半导体叠层输出的电信号进行处理并进行运算以获得检测结果；
设置粘结层将至少一个化合物半导体叠层键合到含有IC电路的基板上；
其中，所述至少一个化合物半导体叠层的电极与IC电路的引线端电连接，所述基板上设置有至少一个光学窗以允许入射光穿过进入到至少一个化合物半导体叠层中。
方面2：根据方面1所述的方法，其中，
所述至少一个化合物半导体叠层中的一个化合物半导体叠层从上至下依次包括：P型电极、P型电极欧姆接触及电流导通层、P-N或P-i-N型光子吸收层、载流子阻挡层、第一N型电极欧姆接触及电流导通层和第二N型电极欧姆接触及电流导通层，所述第二N型电极欧姆接触及电流导通层的尺寸大于第一N型电极欧姆接触及电流导通层，所述第二N型电极欧姆接触及电流导通层未被第一N型电极欧姆接触及电流导通层的部分上设置有N型电极。
方面3：根据方面2所述的方法，其中，
所述N型电极与IC电路的负极引线端的电连接以及所述P型电极与IC电路的正极引线端的电连接通过金属打线连接或通过光刻形成的多层金属互连线连接。
方面4：根据方面2所述的方法，其中，
所述P型电极包括Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Cu或它们的合金形成的金属电极，优选地采用Ti/Au金属电极；
所述P型电极欧姆接触及电流导通层是p型重掺杂的化合物半导体膜；
所述载流子阻挡层包括p型掺杂的包含Ga、Al、In、Sb、As的化合物半导体膜，优选地采用InAlSb化合物半导体膜；
所述光子吸收层包括P-N或P-i-N型轻掺杂的InSb、GaAs、InAs、InGaAs、GaAsSb或InGaP化合物半导体膜，优选地采用InSb化合物半导体膜；
所述第一N型电极欧姆接触及电流导通层和第二N型电极欧姆接触及电流导通层包括n型重掺杂的InSb、GaAs、InAs、InGaAs、GaAsSb或InGaP化合物半导体膜，优选地采用InSb化合物半导体膜；
所述N型电极包括Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Cu或它们的合金形成的金属电极，优选地采用Ti/Au金属电极。
方面5：根据方面4所述的方法，其中，
所述至少一个化合物半导体叠层由以下步骤制造得到：
在半导体单晶衬底上异质依次外延生长多个化合物半导体膜，分别形成含有晶格缓冲牺牲层的P型电极欧姆接触及电流导通层、载流子阻挡层、P-N或P-i-N型光子吸收层、第一N型电极欧姆接触及电流导通层和第二N型电极欧姆接触及电流导通层；
在第二N型电极欧姆接触及电流导通层和基板的至少一个上涂覆粘结层，并且通过粘结层将它们面对面键合在一起；
选择性移除半导体单晶衬底和P型电极欧姆接触及电流导通层中的晶格缓冲牺牲层，
其中，所述半导体单晶衬底采用GaAs、InP、GaN、Si等任何合适的单晶衬底，所述化合物半导体膜包括InSb、GaAs、InAs、InGaAs或InGaP、InAlSb、GaAsSb或InGaP，所述粘结层包括氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜、氮氧化硅膜、环氧树脂、硅胶、二氧化硅和聚酰亚胺膜中的任一种，所述基板包括含有IC电路的Si基晶圆、石英衬底、氧化铝衬底、氮化铝衬底、聚酰亚胺柔性衬底中的任一种。
方面6：根据方面5所述的方法，其中，
仅移除半导体单晶衬底之后P型电极欧姆接触及电流导通层的迁移率大于40000cm2/Vs，所述P型电极欧姆接触及电流导通层的厚度为500nm-10μm，优选地1μm-3μm；
同时移除半导体单晶衬底和P型电极欧姆接触及电流导通层中晶体质量较差的晶格缓冲牺牲层，P型电极欧姆接触及电流导通层的迁移率得到大幅提高，迁移率大于50000cm2/Vs且小于78000cm2/Vs，所述P型电极欧姆接触及电流导通层的厚度为100nm-9μm，优选地300nm-2μm；P-N或P-i-N型(InSb红外)光子吸收层的面缺陷密度小于等于10-100/cm2。
方面7：根据方面1-6中任一个所述的方法，其中，
所述下入光式红外传感器元件还包括用于覆盖化合物半导体叠层的保护层，但是至少暴露出N型电极和P型电极的一部分；
所述保护层包括氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜、氮氧化硅膜、环氧树脂、硅胶、二氧化硅和聚酰亚胺膜中的任一种。
方面8：根据方面1-7中任一个所述的方法，其中，
所述含有IC电路的基板是刚性的或柔性的。
方面9：根据方面1-8中任一个所述的方法，其中，
所述至少一个化合物半导体叠层以面阵列、线阵列或四象限的形式布置在基板上。
虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
Claims (10)
1.一种下入光式红外传感器元件，所述下入光式红外传感器元件包括：
至少一个化合物半导体叠层，所述至少一个化合物半导体叠层能够检测波长大于等于1微米的红外线并输出表示该检测的电信号；
含有IC电路的基板，所述IC电路对从所述至少一个化合物半导体叠层输出的电信号进行处理并进行运算以获得检测结果；
粘结层，所述粘结层将至少一个化合物半导体叠层键合到含有IC电路的基板上；
其中，所述至少一个化合物半导体叠层的电极与IC电路的引线端电连接，所述基板上设置有至少一个光学窗以允许入射光穿过进入到至少一个化合物半导体叠层中。
2.根据权利要求1所述的下入光式红外传感器元件，其中，
所述至少一个化合物半导体叠层中的一个化合物半导体叠层从上至下依次包括：P型电极、P型电极欧姆接触及电流导通层、载流子阻挡层、P-N或P-i-N型光子吸收层、N型电极欧姆接触及电流导通层和在N型电极欧姆接触及电流导通层上设置的N型电极。
3.根据权利要求2所述的下入光式红外传感器元件，其中，
所述N型电极欧姆接触及电流导通层包括叠置在一起的第一N型电极欧姆接触及电流导通层和第二N型电极欧姆接触及电流导通层，所述第二N型电极欧姆接触及电流导通层的尺寸大于第一N型电极欧姆接触及电流导通层，所述第二N型电极欧姆接触及电流导通层未被第一N型电极欧姆接触及电流导通层的部分上设置有N型电极；
所述N型电极与IC电路的负极引线端的电连接以及所述P型电极与IC电路的正极引线端的电连接通过金属打线连接或通过光刻形成的多层金属互连线连接。
4.根据权利要求3所述的下入光式红外传感器元件，其中，
所述P型电极包括Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Cu或它们的合金形成的金属电极；
所述P型电极欧姆接触及电流导通层是p型重掺杂的包含Ga、Al、In、Sb或As的化合物半导体膜；
所述载流子阻挡层包括p型掺杂的包含Ga、Al、In、Sb或As的化合物半导体膜；
所述光子吸收层包括P-N或P-i-N型轻掺杂的InSb、GaAs、InAs、InGaAs、GaAsSb或InGaP化合物半导体膜；
所述第一N型电极欧姆接触及电流导通层和第二N型电极欧姆接触及电流导通层包括n型重掺杂的InSb、GaAs、InAs、InGaAs、GaAsSb或InGaP化合物半导体膜；
所述N型电极包括Au、Ge、Ni、Ti、Cr、Cu或它们的合金形成的金属电极。
5.根据权利要求4所述的下入光式红外传感器元件，其中，
所述至少一个化合物半导体叠层由以下步骤制造得到：
在半导体单晶衬底上异质依次外延生长多个化合物半导体膜，分别形成含有晶格缓冲牺牲层的P型电极欧姆接触及电流导通层、载流子阻挡层、P-N或P-i-N型光子吸收层、第一N型电极欧姆接触及电流导通层和第二N型电极欧姆接触及电流导通层；
在第二N型电极欧姆接触及电流导通层和基板的至少一个上涂覆粘结层，并且通过粘结层将它们面对面键合在一起；
选择性移除半导体单晶衬底和P型电极欧姆接触及电流导通层中的晶格缓冲牺牲层，
其中，所述半导体单晶衬底采用GaAs、InP、GaN或Si单晶衬底，所述化合物半导体膜包括InSb、GaAs、InAs、InGaAs、InAlSb、GaAsSb或InGaP，所述粘结层包括氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜、氮氧化硅膜、环氧树脂、硅胶、二氧化硅和聚酰亚胺膜中的任一种。
6.根据权利要求5所述的下入光式红外传感器元件，其中，
仅移除半导体单晶衬底之后P型电极欧姆接触及电流导通层的迁移率大于40000cm2/Vs，所述P型电极欧姆接触及电流导通层的厚度为500nm-10μm；
同时移除半导体单晶衬底和P型电极欧姆接触及电流导通层中晶体质量较差的晶格缓冲牺牲层，P型电极欧姆接触及电流导通层的迁移率大于50000cm2/Vs且小于78000cm2/Vs，所述P型电极欧姆接触及电流导通层的厚度为100nm-9μm；
P-N或P-i-N型光子吸收层的面缺陷密度小于等于10-100/cm2。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的下入光式红外传感器元件，其中，
所述下入光式红外传感器元件还包括用于覆盖化合物半导体叠层的保护层，但是至少暴露出N型电极和P型电极的一部分；
所述保护层包括氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜、氮氧化硅膜、环氧树脂、硅胶、二氧化硅和聚酰亚胺膜中的任一种。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的下入光式红外传感器元件，其中，
所述含有IC电路的基板是刚性的或柔性的，所述基板包括含有IC电路的Si基晶圆、石英衬底、氧化铝衬底、氮化铝衬底、聚酰亚胺柔性衬底中的任一种。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的下入光式红外传感器元件，其中，
所述至少一个化合物半导体叠层以面阵列、线阵列或四象限的形式布置在基板上。
10.一种制造根据权利要求1-9中任一项所述的下入光式红外传感器元件的方法，所述方法包括：
制造至少一个化合物半导体叠层，所述至少一个化合物半导体叠层能够检测波长大于等于1微米的红外线并输出表示该检测的电信号；
提供含有IC电路的基板，所述IC电路对从所述至少一个化合物半导体叠层输出的电信号进行处理并进行运算以获得检测结果；
设置粘结层将至少一个化合物半导体叠层键合到含有IC电路的基板上；
其中，所述至少一个化合物半导体叠层的电极与IC电路的引线端电连接，所述基板上设置有至少一个光学窗以允许入射光穿过进入到至少一个化合物半导体叠层中。
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