CN1137521C - 3-5μm硅锗/硅异质结内发射红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属红外探测器技术领域，具体为一种3-5μm SiGe/Si异质结内发射红外探测器。其中的红外探测窗口为由分子束外延生长的Si1-xGex/Si异质结材料。该红外探测器工作波段为3-5μm，工作温度为80K，最高可达到105K，具有良好的性能。例在室温环境中可以用液态氮作致冷剂进行工作，而在太空中(温度为105K)则不需要任何制冷剂而工作；探测器还具有高的黑体响应率和黑体探测率；可采用大尺寸硅片研制；成品率高，均匀性好，适宜于制作大规模红外探测器焦平面阵列；有优越的性能价格比。
Description
技术领域
本发明属红外探测器技术领域，具体涉及一种SiGe/Si异质结内发射红外探测器及其制备工艺。
背景技术
SiGe/Si(硅锗/硅)异质结内光电发射红外探测器(以下简称SiGe/Si探测器)是九十年代发展起来的一种硅基探测器。由于硅的禁带宽度为1.1ev，锗的禁带宽度为0.67ev，因而这二种材料都无法用来研制工作波长大于1.5μm的探测器。SiGe/Si探测器是利用SiGe合金与Si材料之间的能带偏移而工作的。在红外辐照下，SiGe中的空穴跃迁过SiGe与Si之间的价带的势垒，形成光电流。这种探测器是一种光伏型的探测器。SiGe/Si探测器自问世以来，人们的工作一直集中于研制波长大于8μm的红外探测器。这种探测器固然有其在应用上的重要性，但是工作于该波段的SiGe/Si探测器有一个十分严重的缺点，就是工作温度太低，它只能在低于50K的温度下才可工作，因而必须配备特制的制冷机，无法用液态氮作致冷剂工作。这给应用带来很多的麻烦和困难，也带来了很多的限制。3-5μm波段是另一个重要的大气红外窗口。人们希望获得一种能够工作于3-5μm波段，且能在较高温度下工作的SiGe/Si红外探测器，扩大器件应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能够工作于3-5μm波段，且能在较高温度下工作的SiGe/Si红外探测器。
本发明提出的SiGe/Si异质结内光电发射红外探测器，由硅衬底片、及在硅衬底片上制作的SiO2层、硼扩散区、淡磷扩散区、浓磷扩散区、红外探测窗口和电极等组成，其结构如图1和图2所示。其中，红外探测器窗口是采用分子束外延生长的Si1-xGex/Si异质结材料；合金Si1-xGex中，0.45≤x≤0.55，厚度为100-120埃，p型掺杂源为B2O3，p型掺杂浓度为1020/cm3数量级。
本发明中，硅衬底片厚度为0.4-0.5mm，电阻率为10-20Ω-cm。在硅衬底片上用热氧化法生长有一SiO2层，厚度为7000-10000埃。在SiO2层上有一用光刻和扩散技术制作的方形环状硼扩散区(p+)，该方形环状扩散窗口的宽度为6±2μm，浓硼扩散区的方块电阻为10-20Ω/□，结深为2±0.1μm；在硼扩散区(p+)内周边所包围的区域内，有一用光刻和扩散技术制作的方形环状的淡磷扩散区(n)，该环形扩散窗口的宽度为6±2μm，淡磷扩散区的方块电阻为450-500Ω/□，结深为1±0.1μm；在淡磷扩散区上侧处有一用光刻和扩散技术制作的浓磷扩散区(n+)，浓磷扩散区(n+)的方块电阻为4-6Ω/□，结深为1±0.1μm；在硅衬底片的中央处有一方形光敏区(G)，在光敏区内由分子束外延技术生长有Si1-xGex合金；在整个表面覆盖有一层用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)技术淀积的SiO2，其厚度为7000-10000埃；在硼扩散区(p+)与浓磷扩散区(n+)上光刻有二引线孔(C，C’)；在二引线孔(C、C’)处制作有铝电极(T)，铝膜厚度为2.2±0.3μm；在整个表面上淀积有钝化用的介质膜层，该介质层可以用SiO2或Si3N4，淀积温度不大于450℃，厚度为2000-3000埃。
由于本发明设计的红外探测器，所采用的Si1-xGex/Si异质结材料(0.45≤x≤0.55)具有良好的性能，可以于3-5μm波段工作，探测器的工作温度高，可以大于80K，最高可以达到105K。在室温环境下，探测器可以用液态氮作致冷剂工作；而在太空环境中(环境温度为105K)，可以不用任何致冷剂进行工作；探测器还具有高的黑体响应率与黑体探测率；具有良好的性能均匀性，适宜于研制大规模红外探测器焦平面阵列；又由于探测器的制作工艺与硅的集成电路工艺完全相容，可用直径75cm或更大尺寸的硅片制作，可有高的成品率，其成本比化合物半导体探测器远为低廉，具有优越的性能价格比。
本发明设计的SiGe/Si异质结内发射红外探测器的制备工艺如下：
1、在硅衬底片上热氧化生成SiO2层，厚度为7000埃-10000埃。
2、在SiO2上光刻出方形环状硼扩散窗口，即图中粗直线所围的p+区，该方形环状窗口的宽度为6±2μm。在该窗口进行硼扩散，方块电阻控制为10-20Ω/□，结深2±0.1μm。
3、在硼扩散区内周边所包围的区域内光刻出方形环状淡磷扩散窗口，即图中的细直线所围n区，该窗口的宽度为6±2μm；在该窗口进行淡磷扩散，方块电阻控制为450-500Ω/□，结深1±0.1μm。
4、在淡磷扩散区上侧光刻出浓磷扩散区n+，即图中斜线部分；在该窗口进行浓磷扩散，方块电阻控制为4-6Ω/□，结深1±0.1μm。
5、在硅衬底片的中央区域光刻出光敏区G，即红外探测窗口，图中虚线所示部分。在该区用分子束外延方法生长Si1-xGex合金材料，控制x值：0.45≤x≤0.55，厚度为100-120埃，p型掺杂源为B2O3，p型掺杂浓度为1020/cm3数量级。光刻去除G区以外的Si1-xGex合金。
6、用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)法低温淀积SiO2层，厚度为7000-10000埃，淀积温度不高于400℃。
7、光刻引线孔C与C’。
8、蒸镀铝膜，厚度为2.2±0.3μm；反刻铝电极，对铝电极合金化，温度450-500℃。
9、淀积钝化用介质膜，该膜可以采用SiO2或Si3N4。
10、光刻压焊点；压焊、封装，即得所需红外探测器。
附图说明
图1为本红外探测器的结构版图。
图2为图1中于B-B处剖示图。
图中标号：p+为硼扩散区，n为淡磷扩散区，n+为浓磷扩散区，G为光敏区。
C与C’为引线孔，T为电极。
具体实施方式
实施例：
硅衬底片：Si(100)，P型，电阻率10-20Ω-cm，抛光片。
1、在硅衬底片上热氧化生成SiO2层，厚度8000埃。
2、在SiO2上光刻出方形环状硼扩散窗口，即附图中的p+区，该方形环状窗口左右外侧宽度86μm，内侧宽度74μm，即环的宽为6μm。在该窗口进行硼扩散，方块电阻为15Ω/□，结深2μm。
3、在P+区内周边所包围的区域内光刻出方形环状淡磷扩散窗口，即图中n区，该窗口外侧宽度为62μm，内侧宽度为50μm，即其环的宽为6μm；在该窗口进行淡磷扩散，方块电阻为500Ω/□，结深为1μm。
4、在淡磷扩散区上侧部分光刻出浓磷扩散窗口n+，图中为斜线所示部分。在该窗口进行浓磷扩散，方块电阻为5Ω/□，结深为1μm。
5、在硅衬底片的中央区域内光刻出方形光敏区G，其宽度为56μm，如图中虚线部分所示窗口。在该区用分子束外延方法生长Si1-xGex合金材料，控制x＝0.48，厚度110埃左右，p型掺杂源为B2O3，p型掺杂浓度为1020/cm3数量级。光刻去除G区以外的Si1-xGex合金。
6、PECVD法淀积SiO2层，厚度8000埃，淀积温度不高于400℃。
7、光刻引线孔C与C’。
8、蒸镀铝膜，膜厚2μm；反刻Al电极；Al合金化，温度480℃，15分钟。
9、淀积钝化用介质膜Si3N4。
10、光刻压焊点；压焊、封装，即得所需SiGe/Si异质结内发射红外探测器，其工作波段为3-5μm，工作温度80K，最高可达105K。
Claims (2)
1、一种SiGe/Si异质结内光电发射红外探测器，由硅衬底片、及硅衬底片上制作的SiO2层、硼扩散区、淡磷扩散区、浓磷扩散区、红外探测窗口和电极组成，其特征在于所述红外探测窗口是采用分子束外延生长的Si1-xGex/Si异质结材料；合金Si1-xGex中，0.45≤x≤0.55，厚度为100-120埃，p型掺杂源为B2O3，p型掺杂浓度为1020/cm3数量级；其中，在所述硅衬底片上热氧化生长一层SiO2层，光刻该二氧化硅层并利用扩散技术制作方形环状的所述硼扩散区(p+)，该方形环状硼扩散区宽度为6±2μm，方块电阻为10-20Ω/□，结深为2±0.1μm；在硼扩散区(p+)内周边所包围的区域内，有一用光刻和扩散技术制作的方形环状的所述淡磷扩散区(n)，该方形环状扩散区的宽度为6±2μm，方块电阻为450-500Ω/□，结深为1±0.1μm；在所述淡磷扩散区上侧处有一用光刻和扩散技术制作的所述浓磷扩散区(n+)，该浓磷扩散区(n+)的方块电阻为4-6Ω/□，结深为1±0.1μm；在所述硅衬底片的中央处有一方形光敏区(G)，在光敏区内由分子束外延技术生长有所述Si1-xGex合金；在整个表面上覆盖有一层用等离子增强化学汽相淀积技术淀积的SiO2，其厚度为7000-10000埃；在所述硼扩散区(p+)与所述浓磷扩散区(n+)上光刻有二引线孔(C，C’)；在二引线孔(C，C’)处制作有所述铝电极(T)，厚度为2.2±0.3μm；在整个表面上淀积有钝化用的介质层。
2、一种SiGe/Si异质结内光电发射红外探测器的制备方法，其特征在于具体工艺步骤如下：
(1)在硅衬底片上热氧化生成SiO2层，厚度为7000埃-10000埃；
(2)在SiO2上光刻出方形环状硼扩散窗口，该方形环状窗口的宽度为6±2μm；在该窗口进行硼扩散，方块电阻控制为10-20Ω/□，结深2±0.1μm；
(3)在硼扩散区内周边所包围的区域内光刻出方形环状淡磷扩散窗口，该方形环状窗口的宽度为6±2μm；在该窗口进行淡磷扩散，方块电阻控制为450-500Ω/□，结深1±0.1μm；
(4)在淡磷扩散区上侧光刻出浓磷扩散窗口，在该窗口进行浓磷扩散，方块电阻控制为4-6Ω/□，结深1±0.1μm；
(5)在硅衬底片的中央区域光刻出光敏区，用分子束外延方法生长Si1-xGex合金材料，控制x值：0.45≤x≤0.55，厚度为100-120埃，p型掺杂源为B2O3，p型掺杂浓度为1020/cm3数量级，光刻去除光敏区以外的Si1-xGex合金；
(6)用等离子增强化学汽相淀积法淀积SiO2层，厚度为7000-10000埃，淀积温度不高于400℃；
(7)光刻引线孔(C，C’)
(8)蒸镀铝膜，厚度为2.2±0.3μm；反刻铝电极；对铝电极合金化，温度450-500℃；
(9)淀积钝化用介质膜，该膜采用SiO2或Si3N4；
(10)光刻压焊点；压焊、封装，即得所需红外探测器。
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