CN114141904A - 碲镉汞平面异质结探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碲镉汞平面异质结探测器及制备方法，探测器包括依次层叠设置的：衬底材料层、n型吸收层、p型cap层、钝化层及接触电极层，其中，p型cap层设有n型注入区，通过n型注入区在p型cap层的正投影方向上分隔p型cap层以成为独立的像元；钝化层在正投影方向上覆盖p型cap层和n型注入区的至少部分面积，钝化层未覆盖p型cap层的部分为接触孔；接触电极层与p型cap层接触，且接触电极层正投影面积大于接触孔面积。根据本发明实施例的碲镉汞平面异质结探测器，利用n型注入将碲镉汞异质结材料隔离成独立的像元，进而实现了碲镉汞平面结构的p‑on‑n异质结器件。
Description
技术领域
本发明涉及碲镉汞红外探测器技术领域，尤其涉及一种碲镉汞平面异质结探测器及制作方法。
背景技术
碲镉汞红外探测器使用Hg1-xCdxTe材料，可通过调节组分(x值)调节吸收波长，且探测器量子效率高，性能好，成为高性能制冷型红外探测器的重要材料。经过几十年的发展，红外探测器已经发展到了第三代，在向着大面阵、长波长、双多色器件、高温工作器件等方向进一步拓展这红外器件的性能和探测能力。这其中对于长波长器件、高温工作器件，限制器件性能的主要因素是由于波长长或者温度高导致的少子寿命下降，引起暗电流增大，零偏阻抗降低等现象，最终导致探测器性能显著下降。
如图12至14所示，对于现有较为成熟的碲镉汞n-on-p注入平面结技术路线，大幅度跨数量级地降低暗电流提高零偏阻抗已不现实，需转变技术路线才能实现器件性能的显著提升。众多其他技术路线中，碲镉汞p-on-n以其性能提升明显，量子效率高最具有竞争力，p-on-n技术路线分为两种，注入同质结和台面异质结。
| 结构 | 成结方式 |
| 平面n-on-p同质结 | 注入成结 |
| 平面p-on-n同质结 | 注入成结 |
| 台面p-on-n异质结 | 材料生长成结 |
异质结碲镉汞材料采用原位掺杂，激活率高，通过液相外延或MBE(分子束外延)的方式在衬底材料上先生长掺杂了In元素的n型碲镉汞材料，再生长掺杂了As元素的p型碲镉汞材料，生长后经过合适的激活退火形成pn结。其中n型层为吸收层厚度一般在5μm以上，p型层较薄一般在3μm以内，且p型层的Hg组分含量比n型层低，材料更加稳定有利于降低低温下的隧穿电流，尤其是在低温下的性能要优于同质结。
由于碲镉汞多元、面阵探测器需要隔离相邻的像素pn结，异质结碲镉汞器件一般采用台面工艺对每个像元的p型层进行隔离。
但是相比于平面注入结，台面异质结的器件制备过程中台面制备难度大，主要体现在台面制备过程中对碲镉汞材料的损伤难以避免，且钝化层在台面侧壁的覆盖相比平面覆盖情况差，极易导致表面漏电，导致器件失效。
发明内容
本发明实施例提供一种碲镉汞平面异质结探测器及制作方法，用以解决碲镉汞异质结工艺制备难题，提高碲镉汞探测器质量。
本发明实施例提供的碲镉汞平面异质结探测器，包括依次层叠设置的：
衬底材料层；
n型吸收层；
p型cap层，其中，所述p型cap层设有n型注入区，通过所述n型注入区在所述p型cap层的正投影方向上分隔所述p型cap层以成为独立的像元；
钝化层，所述钝化层在正投影方向上覆盖所述p型cap层和所述n型注入区的至少部分面积，所述钝化层未覆盖p型cap层的部分为接触孔；
接触电极层，所述接触电极层与所述p型cap层接触，且所述接触电极层正投影面积大于所述接触孔面积。
根据本发明实施例的碲镉汞平面异质结探测器，利用n型注入将碲镉汞异质结材料隔离成独立的像元，进而实现了碲镉汞平面结构的p-on-n异质结器件。相比台面p-on-n异质结器件，能够有效避免台面制备过程(干法刻蚀或湿法腐蚀)对碲镉汞材料带来的损伤，并避免因为台面结构导致的台面钝化层覆盖效果差的问题。相比普通的砷(As)注入平面p-on-n同质结器件，由于使用了异质结材料能够有效抑制隧穿电流，有利于降低暗电流，提升器件性能。
根据本发明的一些实施例，所述n型吸收层和所述p型cap层的材料为Hg1-xCdxTe，所述x的数值小于1。
在本发明的一些实施例中，所述n型吸收层为n型掺杂，Hg1-xCdxTe的x值为0.15至0.5，n型浓度的范围为1×1014cm-3至1×1017cm-3。
根据本发明的一些实施例，所述p型cap层为p型掺杂，Hg1-xCdxTe的x值范围为0.16至0.7，p型浓度的范围为1×1016cm-3至1×1019cm-3。
在本发明的一些实施例中，所述n型注入区的n型浓度的范围为1×1016cm-3至1×1019cm-3。
根据本发明的一些实施例，所述钝化层的厚度范围为
至
本发明实施例提供的碲镉汞平面异质结探测器的制备方法，用于制备本发明的一些实施例的碲镉汞平面异质结探测器，所述方法包括：
在衬底材料层上，先后生长n型吸收层和p型cap层；
在p型cap层上进行光刻，光刻胶覆盖像元区域，显影后漏出隔离区域；
光刻后使用硼离子进行离子注入，注入后去除光刻胶并退火，使注入的离子或离子导致的缺陷形成n型掺杂以形成n型注入区，通过n型注入区在p型cap层的正投影方向上分隔p型cap层以成为独立的像元；
在p型cap层通过磁控溅射或热蒸发工艺生长钝化层；
在钝化层表面进行光刻，在光刻胶漏出的区域使用刻蚀去除钝化层，制备出接触孔，并去除光刻胶；
在像元区域进行光刻，显影后，光刻胶漏出需要生长接触电极层的区域；
使用热蒸发或离子束溅射等工艺生长接触电极层的金属；
将碲镉汞平面异质结探测器浸入剥离液，通过剥离工艺，剥离掉光刻胶及附着在光刻胶上面的金属层，获得所述碲镉汞平面异质结探测器。
根据本发明实施例的碲镉汞平面异质结探测器的制备方法，利用n型注入将碲镉汞异质结材料隔离成独立的像元，进而实现了碲镉汞平面结构的p-on-n异质结器件。相比台面p-on-n异质结器件，能够有效避免台面制备过程(干法刻蚀或湿法腐蚀)对碲镉汞材料带来的损伤，并避免因为台面结构导致的台面钝化层覆盖效果差的问题。相比普通的砷(As)注入平面p-on-n同质结器件，由于使用了异质结材料能够有效抑制隧穿电流，有利于降低暗电流，提升器件性能。
在本发明的一些实施例中，n型吸收层通过分子束外延或液相外延的方式生长，在生长时掺杂铟元素，形成n型掺杂。
根据本发明的一些实施例，p型cap层通过分子束外延或液相外延方式生长，在生长时掺杂砷元素，形成p型掺杂。
在本发明的一些实施例中，通过对部分p型cap层以及一部分n型吸收层进行离子注入，形成n型注入区，注入深度比p型cap层厚度大0.5μm至3μm。
附图说明
图1为根据本发明实施例的碲镉汞平面异质结探测器结构示意图；
图2为根据本发明实施例的碲镉汞平面异质结探测器的俯视图；
图3为根据本发明实施例的步骤S100中所示的碲镉汞平面异质结探测器结构示意图；
图4为根据本发明实施例的步骤S200中所示的碲镉汞平面异质结探测器结构示意图；
图5为根据本发明实施例的步骤S300中所示的碲镉汞平面异质结探测器结构示意图；
图6为根据本发明实施例的步骤S400中所示的碲镉汞平面异质结探测器结构示意图；
图7为根据本发明实施例的步骤S500中所示的碲镉汞平面异质结探测器结构示意图；
图8为根据本发明实施例的步骤S500中所示的碲镉汞平面异质结探测器结构示意图；
图9为根据本发明实施例的步骤S600中所示的碲镉汞平面异质结探测器结构示意图；
图10为根据本发明实施例的步骤S700中所示的碲镉汞平面异质结探测器结构示意图；
图11为根据本发明实施例的碲镉汞平面异质结探测器的制备方法流程图；
图12为现有技术中的碲镉汞平面n-on-p同质结结构示意图；
图13为现有技术中的碲镉汞平面p-on-n同质结结构示意图；
图14为现有技术中的碲镉汞台面p-on-n异质结结构示意图。
附图标记：
探测器100，
衬底材料层1，
n型吸收层2，
p型cap层3，n型注入区30，
钝化层4，
接触电极层5，
光刻胶6。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
在相关技术中，由于碲镉汞多元、面阵探测器需要隔离相邻的像素pn结，异质结碲镉汞器件一般采用台面工艺对每个像元的p型层进行隔离。但是相比于平面注入结，台面异质结的器件制备过程中台面制备难度大，主要体现在台面制备过程中对碲镉汞材料的损伤难以避免，且钝化层在台面侧壁的覆盖相比平面覆盖情况差，极易导致表面漏电，导致器件失效。
本发明旨在一定程度上解决上述技术问题，提出了一种碲镉汞平面异质结探测器100及制备方法。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的碲镉汞平面异质结探测器100，包括依次层叠设置衬底材料层1、n型吸收层2、p型cap层3、钝化层4和接触电极层5。
其中，p型cap层3设有n型注入区30，通过n型注入区30在p型cap层3的正投影方向上分隔p型cap层3以成为独立的像元。实际器件制备过程中可根据实际需求，可通过调整n型注入区30域的分布，形成不同的探测器100像元的形状，此处仅以图2中所示的矩形区域作为示意。
如图1和图2所示，钝化层4在正投影方向上覆盖p型cap层3和n型注入区30的至少部分面积，钝化层未4覆盖p型cap层3的部分为接触孔。
如图1和图2所示，接触电极层5与p型cap层3接触，且接触电极层5正投影面积大于接触孔面积。接触电极层5采用Cr(铬)或Ti(钛)作为粘附层，以上生长包括但不限于Au(金)、Pt(铂)、Pd(钯)、Al(铝)、Cu(铜)等金属及以上材料的排列组合。接触电极层5总厚度在
实际器件制备过程中接触电极层5区域形状及相对大小可根据需求进行调整，此处仅以图2中所示方形区域作为示意。
根据本发明实施例的碲镉汞平面异质结探测器100，利用n型注入将碲镉汞异质结材料隔离成独立的像元，进而实现了碲镉汞平面结构的p-on-n异质结器件。相比台面p-on-n异质结器件，能够有效避免台面制备过程(干法刻蚀或湿法腐蚀)对碲镉汞材料带来的损伤，并避免因为台面结构导致的台面钝化层覆盖效果差的问题。相比普通的砷(As)注入平面p-on-n同质结器件，由于使用了异质结材料能够有效抑制隧穿电流，有利于降低暗电流，提升器件性能。
如图1和图2所示，根据本发明的一些实施例，n型吸收层2和p型cap层3的材料为Hg1-xCdxTe，x的数值小于1。并且，可通过调节组分(x值)调节吸收波长，从而根据不同的探测需求来改变探测器100的吸收波长。
如图1和图2所示，在本发明的一些实施例中，n型吸收层2为n型掺杂，Hg1-xCdxTe的x值为0.15至0.5，n型浓度的范围为1×1014cm-3至1×1017cm-3。
如图1和图2所示，根据本发明的一些实施例，p型cap层3为p型掺杂，Hg1-xCdxTe的x值范围为0.16至0.7，p型浓度的范围为1×1016cm-3至1×1019cm-3。
如图1和图2所示，在本发明的一些实施例中，n型注入区30的n型浓度的范围为1×1016cm-3至1×1019cm-3。n型注入区30可以将p型cap层3分隔开，以平面异质结的结构形成独立的像元，避免使用台面结构，从而保证钝化层生长的质量和覆盖效果，进而提升器件性能。
如图1和图2所示，根据本发明的一些实施例，钝化层4的厚度范围为
至
钝化层4采用传统的碲镉汞钝化工艺，包括但不限于单层CdTe钝化层、单层ZnS钝化层、SiO2钝化层，及其上述材料的排列组合如CdTe层+ZnS层的复合钝化层等。
本发明实施例提供的碲镉汞平面异质结探测器100的制备方法，用于制备本发明的一些实施例的碲镉汞平面异质结探测器100，方法包括：
S100：如图3所示，在衬底材料层上，先后生长n型吸收层和p型cap层。
S200：如图4所示，在p型cap层上进行光刻，光刻胶覆盖像元区域，显影后漏出隔离区域。
S300：如图5所示，光刻后使用硼离子进行离子注入，注入后去除光刻胶并退火，使注入的离子或离子导致的缺陷形成n型掺杂以形成n型注入区，通过n型注入区在p型cap层的正投影方向上分隔p型cap层以成为独立的像元。
S400：如图6所示，在p型cap层通过磁控溅射或热蒸发工艺生长钝化层。
S500：如图7和图8所示，在钝化层表面进行光刻，在光刻胶漏出的区域使用刻蚀去除钝化层，制备出接触孔，并去除光刻胶。
S600：如图9所示，在像元区域进行光刻，显影后，光刻胶漏出需要生长接触电极层的区域。其中，光刻胶漏出的需要生长电极的区域比接触孔大即可。
S700：如图10所示，使用热蒸发或离子束溅射等工艺生长接触电极层的金属。
S800：将探测器浸入剥离液，通过剥离工艺，剥离掉光刻胶及附着在光刻胶上面的金属层，获得如图1所示的碲镉汞平面异质结探测器。
根据本发明实施例的碲镉汞平面异质结探测器100的制备方法，利用n型注入将碲镉汞异质结材料隔离成独立的像元，进而实现了碲镉汞平面结构的p-on-n异质结器件。相比台面p-on-n异质结器件，能够有效避免台面制备过程(干法刻蚀或湿法腐蚀)对碲镉汞材料带来的损伤，并避免因为台面结构导致的台面钝化层4覆盖效果差的问题。相比普通的砷(As)注入平面p-on-n同质结器件，由于使用了异质结材料能够有效抑制隧穿电流，有利于降低暗电流，提升器件性能。
在本发明的一些实施例中，n型吸收层2通过分子束外延(MBE)或液相外延(LPE)的方式生长，在生长时掺杂铟(In)元素，形成n型掺杂。
根据本发明的一些实施例，p型cap层3通过分子束外延(MBE)或液相外延(LPE)方式生长，在生长时掺杂砷(As)元素，形成p型掺杂。
在本发明的一些实施例中，通过对部分p型cap层3以及一部分n型吸收层2进行离子注入，形成n型注入区30，注入深度比p型cap层3厚度大0.5μm至3μm。
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行详细说明如后。
首先，如图3所示，以Si、GaAs或碲锌镉材料采用MBE(分子束外延)或LPE(液相外延)方式制成衬底材料层1，先后生长n型吸收层2和p型cap层3。其中n型吸收层2的Hg1- xCdxTe的x值为0.15-0.5，n型浓度为1×1014cm-3至1×1017cm-3；p型cap层3的Hg1-xCdxTe的x值比n型吸收层2大0.01-0.2，p型浓度为1×1016cm-3至1×1019cm-3。此步工艺为已有工艺，本专利的结构基于此材料进行制备。
如图4所示，在异质结材料上进行光刻，光刻胶6覆盖像元区域，显影后漏出隔离区域，光刻胶6可选用正胶或负胶，厚度≥1.5μm。
如图5所示，光刻后进行离子注入，此处使用B离子进行注入，注入能量150KeV～300KeV，注入剂量1×1013cm-2～5×1015cm-2，注入后先去除光刻胶6，再进行150℃～250℃进行退火，使注入的离子或其导致的缺陷形成n型掺杂，最终n型掺杂浓度为1×1016cm-3至1×1019cm-3。
如图6所示，在材料表面通过磁控溅射或热蒸发工艺生长CdTe层+ZnS层的复合钝化层4。
如图7所示，在钝化层4表面进行光刻，光刻胶6经显影后，漏出接触孔。
如图8所示，利用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺在光刻胶6漏出的区域使用干法刻蚀(ICP干法刻蚀，工作气体氢气、甲烷、氩气)或湿法腐蚀(王水等)的成熟工艺去除钝化层4，制备出接触孔，并去除光刻胶6。
如图9所示，通过探测器100表面进行光刻，显影后，光刻胶6漏出需要生长接触电极层5的区域。
如图10所示，使用热蒸发或离子束溅射等工艺生长接触电极层5的金属，如Cr(铬)
+Au(金)
最后，将探测器100浸入剥离液，通过成熟的剥离工艺，剥离掉光刻胶6及附着在光刻胶6上面的金属层，获得如图1所示的最终结构。
后续可根据需求进行探测器100的封装测试或与通过成熟的倒装互连工艺将探测器100与硅读出电路耦合之后再进行封装测试。
本技术路线有效避免了传统基于碲镉汞异质结材料的台面p-on-n异质结技术路线的台面制备过程(干法刻蚀或湿法腐蚀)对碲镉汞材料带来的损伤，并避免因为台面结构导致的台面钝化层4覆盖效果差的问题。
经过实验对比，得益于更好的钝化层4覆盖效果，本结构相比传统的平面p-on-n同质结在低温下的暗电流水平低10％-20％。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
Claims (10)
1.一种碲镉汞平面异质结探测器，其特征在于，所述探测器包括依次层叠设置的：
衬底材料层；
n型吸收层；
p型cap层，其中，所述p型cap层设有n型注入区，通过所述n型注入区在所述p型cap层的正投影方向上分隔所述p型cap层以成为独立的像元；
钝化层，所述钝化层在正投影方向上覆盖所述p型cap层和所述n型注入区的至少部分面积，所述钝化层未覆盖p型cap层的部分为接触孔；
接触电极层，所述接触电极层与所述p型cap层接触，且所述接触电极层正投影面积大于所述接触孔面积。
2.根据权利要求1所述的碲镉汞平面异质结探测器，其特征在于，所述n型吸收层和所述p型cap层的材料为Hg1-xCdxTe，所述x的数值小于1。
3.根据权利要求2所述的碲镉汞平面异质结探测器，其特征在于，所述n型吸收层为n型掺杂，Hg1-xCdxTe的x值为0.15至0.5，n型浓度的范围为1×1014cm-3至1×1017cm-3。
4.根据权利要求2所述的碲镉汞平面异质结探测器，其特征在于，所述p型cap层为p型掺杂，Hg1-xCdxTe的x值范围为0.16至0.7，p型浓度的范围为1×1016cm-3至1×1019cm-3。
5.根据权利要求4所述的碲镉汞平面异质结探测器，其特征在于，所述n型注入区的n型浓度的范围为1×1016cm-3至1×1019cm-3。
6.根据权利要求1所述的碲镉汞平面异质结探测器，其特征在于，所述钝化层的厚度范围为
至
7.一种碲镉汞平面异质结探测器的制备方法，其特征在于，所述方法用于制备如权利要求1～6中任一项所述的碲镉汞平面异质结探测器，所述方法包括：
在衬底材料层上，先后生长n型吸收层和p型cap层；
在p型cap层上进行光刻，光刻胶覆盖像元区域，显影后漏出隔离区域；
光刻后使用硼离子进行离子注入，注入后去除光刻胶并退火，使注入的离子或离子导致的缺陷形成n型掺杂以形成n型注入区，通过n型注入区在p型cap层的正投影方向上分隔p型cap层以成为独立的像元；
在p型cap层通过磁控溅射或热蒸发工艺生长钝化层；
在钝化层表面进行光刻，在光刻胶漏出的区域使用刻蚀或者腐蚀工艺去除钝化层，制备出接触孔，并去除光刻胶；
在像元区域进行光刻，显影后，光刻胶漏出需要生长接触电极层的区域；
使用热蒸发或离子束溅射等工艺生长接触电极层的金属；
将芯片浸入剥离液，通过剥离工艺，剥离掉光刻胶及附着在光刻胶上面的金属层，获得所述碲镉汞平面异质结探测器。
8.根据权利要求7所述的碲镉汞平面异质结探测器的制备方法，其特征在于，n型吸收层通过分子束外延或液相外延的方式生长，在生长时掺杂铟元素，形成n型掺杂。
9.根据权利要求7所述的碲镉汞平面异质结探测器的制备方法，其特征在于，p型cap层通过分子束外延或液相外延方式生长，在生长时掺杂砷元素，形成p型掺杂。
10.根据权利要求7所述的碲镉汞平面异质结探测器的制备方法，其特征在于，通过对部分p型cap层以及一部分n型吸收层进行离子注入，形成n型注入区，注入深度比p型cap层厚度大0.5μm至3μm。
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