CN113948596B - 一种红外探测器芯片及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外探测器芯片及其制备方法与应用，一种红外探测器芯片，其特征在于：包括透明衬底；所述透明衬底表面设有透明键合层；所述透明键合层表面设有外延层；其中，所述透明键合层的厚度≥1000nm。本发明在工艺过程中采用透明衬底做支撑进行工艺，大大降低了工艺过程中碎片率；同时透明衬底还可用作封装时的窗口保护，免去了后端的正面封装过程，简化了正面封装工艺。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，具体涉及一种红外探测器芯片及其制备方法与应用。
背景技术
InGaAs探测器是目前最为重要的短波红外探测器之一，探测范围窄和较高暗电流是制约其发展和应用的主要问题。由于InGaAs材料为全组分直接带隙材料，通过调节In组分，可覆盖0.8～3.5μm波段。并且InGaAs探测器具有灵敏度高、响应速度快、抗辐照特性良好、室温工作等优点，因此InGaAs是制备短波红外波段探测器的理想材料。
目前InGaAs红外探测器一般采用InP衬底进行生长，并制作芯片，InP衬底价格高昂并且易碎，制程过程中涉及InP衬底减薄或去除，工艺制程破片率高、良率低，导致探测器芯片成本高。
因此，需要开发一种红外探测器芯片，该芯片的制备成本低。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种红外探测器芯片，该芯片的制备成本低。
本发明还提供了上述红外探测器芯片的制备方法。
本发明还提供了上述红外探测器芯片的应用。
本发明的第一方面提供了一种红外探测器芯片，包括透明衬底；
所述透明衬底表面设有透明键合层；
所述透明键合层表面设有外延层；
其中，所述透明键合层的厚度≥1000nm。
根据本发明的一些实施方式，所述透明衬底包括氧化铝衬底和锗衬底。
选用氧化铝或锗做衬底，能够透过红外波段光线，同时其材料硬度高于InP衬底，能提供较高的支撑性。
根据本发明的一些实施方式，所述透明衬底的厚度为50μm~100μm。
过薄的话支撑强度低下，过厚的话芯片厚度大，非芯片小型轻量化发展趋势。
根据本发明的一些实施方式，所述透明键合层的材质包括氧化铝。
根据本发明的一些实施方式，所述透明键合层由透明键合层Ⅰ和透明键合层Ⅱ组成。
根据本发明的一些实施方式，所述透明键合层Ⅰ的材质为氧化铝。
根据本发明的一些实施方式，所述透明键合层Ⅱ的材质为氧化铝。
透明键合层与透明衬底保持一致，不会引入应力问题，同时氧化铝键合是一种常见的透明键合手段，其良率及稳定性较好。
本发明的第二方面提供了上述红外探测器芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1、在生长衬底表面依次生长剥离层、缓冲层、截止层、欧姆接触层Ⅰ、吸收层、欧姆接触层Ⅱ和透明键合层Ⅰ，得组件Ⅰ；
在透明衬底表面形成透明键合层Ⅱ，得组件Ⅱ；
S2、将所述组件Ⅰ与所述组件Ⅱ键合，得键合前驱体；
S3、将所述键合前驱体中的生长衬底和所述剥离层去除；
再刻蚀所述缓冲层、所述截止层、部分所述欧姆接触层Ⅰ和部分所述吸收层；形成前驱体；
在所述前驱体表面生长绝缘层，刻蚀部分所述绝缘层，在所述绝缘层表面形成P电极和N电极；即得所述红外探测器芯片；
其中，所述步骤S2中键合为将所述透明键合层Ⅰ和所述透明键合层Ⅱ相键合。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2所述键合的温度为300℃~500℃。
根据本发明的一些实施方式，所述键合的压力为50000N~200000N。
温度过高或过低，压力过高或过低，均会导致键合良率低下。
根据本发明的一些实施方式，所述生长衬底包括InP衬底和GaAs衬底中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述剥离层的材质包括InAlAs。
根据本发明的一些实施方式，所述剥离层的厚度为1μm~2μm。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中所述生长的方式包括MOCVD（金属有机化合物化学气相沉淀）或MBE（分子束外延生长）中的一种。
根据本发明的一些实施方式，所述截止层的厚度为100nm~300nm。
根据本发明的一些实施方式，所述缓冲层的材质包括InP。
根据本发明的一些实施方式，所述缓冲层的厚度为200nm~500nm。
根据本发明的一些实施方式，所述截止层包括InGaAs截止层。
根据本发明的一些实施方式，所述InGaAs截止层中In组分含量为53%，Ga组分含量为47%。
根据本发明的一些实施方式，所述截止层的厚度为100nm~300nm。
根据本发明的一些实施方式，所述欧姆接触层Ⅰ的材质为P型InP。
根据本发明的一些实施方式，所述欧姆接触层Ⅰ的厚度为50nm~200nm。
根据本发明的一些实施方式，所述吸收层包括InGaAs吸收层。
根据本发明的一些实施方式，所述InGaAs吸收层中In组分含量为53%，Ga组分含量为47%。
根据本发明的一些实施方式，所述InGaAs吸收层的厚度为2.5μm~3.5μm。
根据本发明的一些实施方式，所述欧姆接触层Ⅱ的材质为N型InP。
根据本发明的一些实施方式，所述欧姆接触层Ⅱ的厚度为50nm~300nm。
根据本发明的一些实施方式，所述InGaAs吸收层的厚度为2.5μm~3.5μm。
根据本发明的一些实施方式，所述P电极包括Cr电极、Ti电极、Pt电极和Au电极中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，当所述P电极中包括Cr电极时，所述Cr电极的厚度为50nm~200nm。
根据本发明的一些实施方式，当所述P电极中包括Au电极时，所述Au电极的厚度为200nm~500nm。
根据本发明的一些实施方式，所述N电极包括Ni电极、Ge电极、Au电极、Ti电极和Cu电极中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，当所述N电极中包括Ti电极时，所述Ti电极的厚度为50nm~200nm。
根据本发明的一些实施方式，当所述N电极中包括Pt电极时，所述Pt电极的厚度为50nm~200nm。
根据本发明的一些实施方式，当所述N电极中包括Au电极时，所述Au电极的厚度为500nm~1000nm。
本发明的第三方面提供了上述红外探测器芯片在制备红外探测器中的应用。
根据本发明的一些实施方式，所述红外探测器，包括上述红外探测器芯片；与上述红外探测器芯片互联的硅读出电路。
本发明至少具备如下有益效果：
本发明在工艺过程中采用透明衬底做支撑进行工艺，大大降低了工艺过程中碎片率；同时透明衬底还可用作封装时的窗口保护，免去了后端的正面封装过程，简化了正面封装工艺。
附图说明
图1为本发明实施方式中组件Ⅰ的结构示意图；
图2为本发明实施方式中组件Ⅱ的结构示意图；
图3为本发明实施方式中键合前驱体的结构示意图；
图4为本发明实施方式中刻蚀前驱体的结构示意图；
图5为本发明实施方式中前驱体的结构示意图；
图6为本发明实施方式中形成绝缘层后的前驱体结构示意图；
图7为本发明实施方式中红外探测器芯片的结构示意图。
标记说明：
100、生长衬底；101、剥离层；102、缓冲层；103、截止层；104、欧姆接触层Ⅰ；105、吸收层；106、欧姆接触层Ⅱ；107、透明键合层Ⅰ；108、透明键合层Ⅱ；109、透明衬底；110、绝缘层；111、P电极；112、N电极。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
根据本发明实施方式中的红外探测器芯片的制备方法，包括以下步骤；
S1、在生长衬底100上依次生长剥离层101、缓冲层102、截止层103、欧姆接触层Ⅰ104、吸收层105、欧姆接触层Ⅱ106和透明键合层Ⅰ107，得如图1所示的组件Ⅰ；
在所述透明衬底109表面形成透明键合层Ⅱ108，得如图2所示的组件Ⅱ；
S2、将所述组件Ⅰ与所述组件Ⅱ键合，得如图3所示的键合前驱体；
S3、将键合前驱体中生长衬底100和剥离层101去除，得如图4所示的刻蚀前驱体；
S4、将刻蚀前驱体中缓冲层102、截止层103、部分欧姆接触层Ⅰ104和部分吸收层105去除；形成如图5所示的前驱体；
S5、在上述前驱体表面形成绝缘层110，结构如图6所示；再刻蚀部分绝缘层110，漏出部分欧姆接触层Ⅰ和部分欧姆接触层Ⅱ；
在漏出部分的欧姆接触层Ⅰ表面形成P电极111；
在部分绝缘层110表面和漏出部分欧姆接触层Ⅱ表面形成N电极112；即得如图7所示的红外探测器芯片；
其中，步骤S2中键合的温度为300℃~500℃；键合的压力为50000N~200000N。
实施例1
本实施例为一种红外探测器芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1、在生长衬底（InP衬底）100上依次生长剥离层（InAlAs层，厚度为1μm）101、缓冲层（InP，厚度为200nm）102、截止层（InGaAs层，厚度为100nm）103、欧姆接触层Ⅰ（P-InP层，厚度为50nm）104、吸收层（InGaAs层，In0.53Ga0.47As，厚度为2.5μm）105、欧姆接触层Ⅱ（P-InP层，厚度为50nm）106和透明键合层Ⅰ（Al2O3层，厚度为1100nm）107，得如图1所示的组件Ⅰ；
其中，剥离层101、缓冲层102、截止层103、欧姆接触层Ⅱ104、吸收层105和欧姆接触层Ⅰ106的生长方式为MOCVD。
透明键合层Ⅰ107的生长方式为溅射。
在所述透明衬底（Al2O3层，厚度为50μm）109表面溅射形成透明键合层Ⅱ（Al2O3层，厚度为1100nm）108，得如图2所示的组件Ⅱ；
S2、将所述组件Ⅰ与所述组件Ⅱ键合，得如图3所示的键合前驱体；
S3、采用1:20的H2O:HF酸腐蚀液腐蚀剥离层101，从而将生长衬底100剥离掉，采用1:1的 H2O：HCl溶液去除掉缓冲层102，然后采用质量比为1:1的H3PO4：H2O2溶液腐蚀掉截止层103，得如图4所示的刻蚀前驱体；
S4、然后进行对刻蚀前驱体光刻掩膜，采用RIE干法蚀刻的方式，蚀刻到N型InP欧姆接触层106，形成如图5所示的前驱体；
S5、在上述前驱体表面形成绝缘层110，结构如图6所示；再刻蚀部分绝缘层110，漏出部分欧姆接触层Ⅰ和部分欧姆接触层Ⅱ；
在漏出部分的欧姆接触层Ⅰ表面形成P电极（依次为Cr电极和Au电极）111，其中Cr电极的厚度为50nm，Au电极的厚度为200nm；
在部分绝缘层110表面和漏出部分欧姆接触层Ⅱ表面形成Ti/Pt/AuN电极（依次为Ti电极/Pt电极/Au电极）112，其中Ti电极的厚度为50nm，Pt电极的厚度为50nm，Au电极的厚度为500nm；即得如图7所示的红外探测器芯片；
其中，步骤S2中键合的温度为300℃；键合的压力为50000N。
实施例2
本实施例为一种红外探测器芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1、在生长衬底（GaAS衬底）100上依次生长剥离层（InAlAs层，厚度为2μm）101、缓冲层（InP，厚度为500nm）102、截止层（InGaAs层，In0.53Ga0.47As，厚度为200nm）103、欧姆接触层Ⅰ（P-InP层，厚度为300nm）104、吸收层（InGaAs层，In0.53Ga0.47As，厚度为2.5μm）105、欧姆接触层Ⅱ（N-InP层，厚度为300nm）106和透明键合层Ⅰ（Al2O3层，厚度为1500nm）107，得如图1所示的组件Ⅰ；
其中，剥离层101、缓冲层102、截止层103、欧姆接触层Ⅱ104、吸收层105和欧姆接触层Ⅰ106的生长方式为MOCVD。
透明键合层Ⅰ107的生长方式为溅射。
在所述透明衬底（Ge衬底，厚度为100μm）109表面溅射形成透明键合层Ⅱ（Al2O3层，厚度为1500nm）108，得如图2所示的组件Ⅱ；
S2、将所述组件Ⅰ与所述组件Ⅱ键合，得如图3所示的键合前驱体；
S3、采用由HF：NH4F比例1:6组成的氟化铵腐蚀液腐蚀剥离层101，从而将生长衬底100剥离掉，采用1:1的 H2O：HCl溶液去除掉缓冲层102，然后采用质量比为1:1的H3PO4：H2O2溶液腐蚀掉截止层103，得如图4所示的刻蚀前驱体；
S4、然后对刻蚀前驱体进行光刻掩膜，采用ICP干法蚀刻的方式，将部分区域蚀刻到N型InP欧姆接触层106，形成如图5所示的前驱体；
S5、在上述前驱体表面形成绝缘层110，结构如图6所示；再刻蚀部分绝缘层110，漏出部分欧姆接触层Ⅰ和部分欧姆接触层Ⅱ；
在漏出部分的欧姆接触层Ⅰ表面形成P电极（依次为Cr电极和Au电极）111，其中Cr电极厚度为200nm，Au电极厚度为500nm；
在部分绝缘层110表面和漏出部分欧姆接触层Ⅱ表面形成N电极（依次为Ti电极/Pt电极/Au电极）112，其中Ti电极的厚度为200nm，Pt电极的厚度为200nm，Au电极的厚度为1000nm；即得如图7所示的红外探测器芯片；
其中，步骤S2中键合的温度为500℃；键合的压力为200000N。
实施例3
本实施例为一种红外探测器芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1、在生长衬底（InP衬底）100上依次生长剥离层（InAlAs层，厚度为1.5μm）101、缓冲层（InP，厚度为300nm）102、截止层（InGaAs层，In0.53Ga0.47As，厚度为200nm）103、欧姆接触层Ⅰ（P-InP层，厚度为100nm）104、吸收层（InGaAs层，In0.53Ga0.47As，厚度为2μm）105、欧姆接触层Ⅱ（N-InP层，厚度为200nm）106和透明键合层Ⅰ（Al2O3层，厚度为2000nm）107，得如图1所示的组件Ⅰ；
其中，剥离层101、缓冲层102、截止层103、欧姆接触层Ⅱ104、吸收层105和欧姆接触层Ⅰ106的生长方式为MBE。
透明键合层Ⅰ107的生长方式为溅射。
在所述透明衬底（Al2O3层）109表面溅射形成透明键合层Ⅱ（Al2O3层）108，得如图2所示的组件Ⅱ；
S2、将所述组件Ⅰ与所述组件Ⅱ键合，得如图3所示的键合前驱体；
S3、采用1:20的H2O:HF酸腐蚀液腐蚀剥离层101，从而将生长衬底100剥离掉，采用1:1的 H2O：HCl溶液去除掉缓冲层102，然后采用质量比为1:1的H3PO4：H2O2溶液腐蚀掉截止层103，得如图4所示的刻蚀前驱体；
S4、然后对刻蚀前驱体进行光刻掩膜，采用ICP或RIE干法蚀刻的方式，蚀刻到N型InP欧姆接触层106，形成如图5所示的前驱体；
S5、在上述前驱体表面形成绝缘层110，结构如图6所示；再刻蚀部分绝缘层110，漏出部分欧姆接触层Ⅰ和部分欧姆接触层Ⅱ；
在漏出部分的欧姆接触层Ⅰ表面形成P电极（依次为Cr电极和Au电极）111，其中Cr电极的厚度为100nm，Au电极的厚度为300nm；
在部分绝缘层110表面和漏出部分欧姆接触层Ⅱ表面形成N电极（依次为Ti电极/Pt电极/Au电极）112，其中Ti电极的厚度为100nm，Pt电极的厚度为100nm，Au电极的厚度为700nm；即得如图7所示的红外探测器芯片；
其中，步骤S2中键合的温度为400℃；键合的压力为100000N。
实施例4
本实施例为一种红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
将实施例3中红外探测器芯片表面依次焊接、硅读出电路、TEC焊接和吸气剂；焊接完成后进行贴片、打线、排气和排气嘴封口。
本实施例中制备方法中的各参数与本领域常规方法中各参数相同。
对比例1
本对比例为一种红外探测器芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1、在生长衬底（InP衬底）上依次生长缓冲层（InP层）、欧姆接触层Ⅰ（N-InP）、吸收层和欧姆接触层Ⅱ（P-InP）；
S2、将步骤S1所得结构中部分欧姆接触层Ⅱ和部分吸收层去除；得前驱体；
S3、在上述前驱体表面形成绝缘层，再刻蚀部分绝缘层，漏出部分欧姆接触层Ⅰ和部分欧姆接触层Ⅱ；
在漏出部分的欧姆接触层Ⅰ表面形成P电极；
在部分绝缘层表面和漏出部分欧姆接触层Ⅱ表面形成N电极；即得红外探测器芯片。
对比例2
本对比例为一种红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
将对比例1中红外探测器芯片表面依次焊接硅读出电路、TEC焊接和吸气剂；焊接完成后进行贴片、打线、窗口焊接、排气和排气嘴封口。
本对比例中制备方法中的各参数与本领域常规方法中各参数相同。
综上所述，本发明中InGaAs探测器外延层可在InP衬底或GaAs衬底上生长，即可替代InP衬底，利于降低价格；同时本发明在制备过程中采用透明衬底做支撑进行芯片工艺，由于透明衬底的刚性强度远远大于InP衬底，因此碎片率大大降低；同时，键合用的透明支撑衬底用作封装时的窗口保护，可免去后端的正面封装过程。
上面结合说明书及附图内容对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (13)
1.一种红外探测器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在生长衬底表面依次生长剥离层、缓冲层、截止层、欧姆接触层Ⅰ、吸收层、欧姆接触层Ⅱ和透明键合层Ⅰ，得组件Ⅰ；
在透明衬底表面形成透明键合层Ⅱ，得组件Ⅱ；
S2、将组件Ⅰ与组件Ⅱ键合，得键合前驱体；
S3、将所述键合前驱体中的所述生长衬底和所述剥离层去除；
再刻蚀所述缓冲层、部分所述截止层、部分所述欧姆接触层Ⅰ和部分所述吸收层；形成前驱体；
在所述前驱体表面生长绝缘层，刻蚀部分所述绝缘层，在所述绝缘层表面形成P电极和N电极；即得所述红外探测器芯片；
其中，所述步骤S2中键合为将所述透明键合层Ⅰ和所述透明键合层Ⅱ相键合；
所述红外探测器芯片，包括透明衬底；
所述透明衬底表面设有透明键合层；
所述透明键合层表面设有外延层；
其中，所述透明键合层的厚度≥1000nm；
所述截止层为In0.53Ga0.47As层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述透明衬底为氧化铝衬底和锗衬底中的一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述透明衬底的厚度为50μm~100μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述透明键合层为氧化铝。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2所述键合的温度为300℃~500℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述键合的压力为50000N~200000N。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述生长衬底为InP衬底和GaAs衬底中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述缓冲层的材质为InP。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述缓冲层的厚度为200mm~500nm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述吸收层为InGaAs吸收层。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述InGaAs吸收层的厚度为2.5μm~3.5μm。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述P电极为Ti电极、Pt电极和Au电极中的至少一种；所述N电极为Ni电极、Ge电极、Au电极、Ti电极和Cu电极中的至少一种。
13.一种如权利要求1至12任一项所述的方法在制备红外探测器中的应用。
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