CN114497244B - 一种红外探测器芯片及其制作方法与应用 - 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作方法与应用，该红外探测器芯片，包括衬底层，其特征在于：所述衬底层表面设有读出电路层，所述读出电路层表面部分区域设有In电极，所述读出电路表面剩余部分区域设有绝缘层；所述In电极表面设有外延层；所述外延层表面部分区域设有绝缘层；所述外延层表面剩余部分区域设有N型电极。本发明提出了一种红外探测器的制作方法，将相关技术中的探测器芯片制作和ROIC高精度倒装共晶焊接合二为一，提出一种新的工艺路线，避免了高精度倒装共晶焊接设备及其技术，简化组件的制作路线并降低其成本。
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作方法与应用。
背景技术
相关技术中短波红外InGaAs探测器蓬勃发展，为了提高红外探测的灵敏度，在降低暗电流的同时，提升InGaAs短波红外探测器的光响应也十分重要；同时其芯片制作成本一直居高不下，例如采用InP衬底和MOCVD或MBE技术生长，由于机台和材料昂贵，其生长成本高；另外短波红外探测器在与硅读出电路ROIC进行互联焊接时，采用高精度键合引线，其设备成本同样高昂；种种因素阻碍了红外探测器沿着高灵敏度低成本的方向发展。
因此，需要开发一种红外探测器芯片的制作方法，该制作方法成品率高，对高精度倒装键合需求程度低。
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。
本发明还提供了上述红外探测器芯片的制作方法，该制作方法的成品率高，对高精度倒装键合需求程度低。
本发明还提供了上述红外探测器芯片在红外探测器制备中的应用。
本发明还提供了一种红外探测器。
具体如下：本发明第一方面提供了一种红外探测器芯片，包括衬底层，所述衬底层表面设有读出电路层，所述读出电路层表面部分区域设有In电极，所述读出电路表面剩余部分区域设有绝缘层；
所述In电极表面依次设有P型电极和外延层；
所述外延层表面部分区域设有绝缘层；
所述外延层表面剩余部分区域设有N型电极。
根据本发明的红外探测器芯片中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：
本发明提供了红外探测器芯片，该芯片通过将读出电路层和外延层设置于同一结构中，其读出电路层和外延层无需在制作后期通过复杂的对位工序，实现了对位工序的100％准确，即不需要采用常规技术中复杂的倒装键合工艺(该工艺的成品率低)；因此，本发明的红外探测器芯片的成品率高。
根据本发明的一些实施方式，所述红外探测器芯片包括若干个像元区和若干个沟槽区。
根据本发明的一些实施方式，所述像元区与所述沟槽区对应设置。
根据本发明的一些实施方式，所述沟槽区由下至上依次为硅基底层、读出电路层和绝缘层。
根据本发明的一些实施方式，所述像元区由下至上依次为硅基底层、读出电路层、In电极层、P型电极、P型接触层、吸收层和N型接触层。
根据本发明的一些实施方式，所述N型接触层表面部分区域设有绝缘层，剩余部分区域设有N型电极。
根据本发明的一些实施方式，所述像元区表面的绝缘层延伸至沟槽区表面绝缘层共同形成红外探测器芯片表面绝缘层。
根据本发明的一些实施方式，所述电极结构和外延层结构由下至上依次包括P型电极、P型接触层、吸收层、N型接触层和N型电极；所述P型电极与所述In电极相接触。
根据本发明的一些实施方式，所述In电极的侧壁设有绝缘层。
根据本发明的一些实施方式，所述外延层的侧壁设有绝缘层。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层包括SiNx层。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层的厚度为300nm～500nm。
根据本发明的一些实施方式，所述P型电极由下至上依次为Ti层、Pt层和Au层；所述Ti层与所述P型接触层相接触。
根据本发明的一些实施方式，所述N型电极由下至上依次为Ti层、Pt层和Au层；所述Ti层与所述N型接触层相接触。
根据本发明的一些实施方式，所述N型接触层包括N-InP层。
根据本发明的一些实施方式，所述N型接触层的厚度为50nm～150nm。
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，所述吸收层的厚度为2μm～4μm。
根据本发明的一些实施方式，所述P型接触层包括P-InP层。
根据本发明的一些实施方式，所述P型接触层的厚度为150nm～250nm。
本发明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、在基底层上生长外延结构；制得外延片；
在衬底层上形成读出电路层和In电极；制得读出电路片；
S2、将步骤S1中制得的外延片与读出电路片进行倒装键合；得到键合片；
其中，读出电路片中In电极与外延片中P型电极相接触；
S3、将步骤S2中制得的键合片中的InP衬底、InP缓冲层和InGaAs截止层去除。
S4、将步骤S3中制得的键合片中部分区域的N型InP接触层、InGaAs吸收层、P型InP接触层、P型电极和In电极进行刻蚀；
S5、步骤S4中制得的片源进行绝缘层沉积，将绝缘层表面部分区域刻蚀，形成N型电极区；在N型电极区生长N型电极。
根据本发明的至少一种实施方式，具备如下有益效果：
本发明提出了一种新的红外探测器的制作流程，沉积In电极(不需做图案化)直接键合，再利用光罩腐蚀的方法，再形成图案化像元的同时，形成图案化In电极，100％对位准确，且不需高精度倒装焊，然后再依次完成其它芯片流程，采用镀在蓝宝石上的ITO做公共N极，从而完成整个组件制作流程。
根据本发明的一些实施方式，所述外延结构由下至上依次为InP缓冲层、InGaAs截止层、N型InP接触层、InGaAs吸收层、P型InP接触层和P型电极。
根据本发明的一些实施方式，所述键合的温度为100℃～200℃。
根据本发明的一些实施方式，所述键合的压力为50000N～200000N。
根据本发明的一些实施方式，本发明的P型电极形成图案化电路。
根据本发明的一些实施方式，本发明的In电极形成图案化电路。
图案化电路也即单个像元，因为In电极的形成与图案化像元为同一次光罩形成，形成的图案化In电极与读出电路互联，从而形成P型电极互联通道。
根据本发明的一些实施方式，所述红外探测器芯片的制作方法，包括以下步骤：
S1、提供一Si衬底及其读出电路片源，在其表面沉积一层金属In；制得第一片源；
提供一InP衬底，采用MOCVD技术依次生长外延层，并沉积P电极Ti层、Pt层和Au层；制得第二片源；
S2、将步骤S1制得的第一片源和第二片源进行键合，并去除InP衬底、InP buffer层及腐蚀停止层；
S3、通过光罩蚀刻的方法，在步骤S2制得的结构中形成隔离槽至ROIC层，形成隔离的像元及其下方图案化焊接电路；
S4、沉积钝化膜，并通过光罩蚀刻的方法形成图案化开孔；
S5、通过光罩剥离的方法，形成N电极。
根据本发明的一些实施方式，所述衬底包括InP衬底。
根据本发明的一些实施方式，所述衬底的厚度为300μm～500μm。
根据本发明的一些实施方式，所述缓冲层包括InP缓冲层。
根据本发明的一些实施方式，所述缓冲层的厚度为300nm～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，所述截止层的厚度为150nm～250nm。
本发明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。
本发明第四方面提供了一种红外探测器，制备原料包括上述的红外探测器芯片。
根据本发明的一些实施方式，所述红外探测器芯片表面还设置有ITO层，所述ITO层表面还设有窗口层。
根据本发明的一些实施方式，所述窗口层包括蓝宝石窗口层。
根据本发明的一些实施方式，所述红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
在所述窗口层表面形成所述ITO层；制得窗口片；
将窗口片和所述红外探测器芯片键合，即得。
根据本发明的一些实施方式，所述ITO层与所述N型电极相接触。
本发明中N型电极(Ti层、Pt层和Au层)为单个独立的，每个像元上一个。在相关技术中红外探测器组件中，N型电极为公共电极，即所有像元共用一个N型电极。因此在窗口层上沉积一层ITO透明导电薄膜，与每个像元上的N电极连接，保持N电极仅有一个输出端子，从而不对后端数字信号读取造成影响。同时本发明中将N型电极设置于像元上，相比于相关技术中N型电极作为公共阴极(公共阴极设置于像元外侧)，提高了衬底的利用率，从而降低了成本。
附图说明
图1为本发明实施例1中外延片的结构示意图。
图2为本发明实施例1中读出电路结构示意图。
图3为本发明实施例1中步骤S2制得的结构示意图。
图4为本发明实施例1中步骤S3制得的结构示意图。
图5为本发明实施例1中步骤S4制得的结构示意图。
图6为本发明实施例1中步骤S5制得的结构示意图。
图7为本发明实施例1中步骤S6制得的窗口层结构示意图。
图8为本发明实施例1中步骤S6制得的红外探测器结构示意图。
图9为本发明实施例1中红外探测器芯片的俯视图。
图10为本发明对比例1红外探测器芯片结构示意图。
图11为本发明实施例1中ITO导电薄膜透过率曲线。
附图标记：
101、InP衬底；102、InP缓冲层；103、InGaAs截止层；104、N型接触层；105、吸收层；106、P型接触层；107、P型电极；108、硅基底层；109、读出电路层；110、In电极；111、绝缘层；112、N型电极；113、窗口层；114、ITO层。
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。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面详细描述本发明的具体实施例。
实施例1
本实施例为一种红外探测器及其制作方法。
本实施例红外探测器的制作方法，包括以下步骤：
S1、在350μm InP衬底101上生长如图1所示的探测器外延结构；
其中，外延结构由下至上依次为400nm厚的InP缓冲层102、200nm厚的InGaAs截止层103、100nm厚的N型接触层104(N型InP接触层)、3μm厚吸收层105(InGaAs吸收层)、200nm厚的P型接触层106(P型InP接触层)和P型电极107；
P型电极107由下至上依次为Ti层、Pt层和Au层(即Ti层与P型接触层106(P型InP接触层)相接触)，厚度依次为50nm/50nm/1000nm；
提供如图2所示的硅读出电路，硅读出电路由下至上设置有300μm厚的硅基底层108、读出电路层109(CMOS层，Complementary Metal Oxide Semiconductor层，互补金属氧化物半导体层)和In电极110，In电极110厚度为5μm。
S2、将步骤S1中制得的如图1所示的外延片与如图2所示的硅读出电路进行倒装键合；得到如图3所示的结构；
其中，图2中In电极110与图1中P型电极107相接触；
键合的温度150℃；
键合的压力为100000N。
S3、将步骤S2中制得的如图3所示结构中的InP衬底101、InP缓冲层102和InGaAs截止层103去除，其中采用盐酸(质量分数为35％)去除InP衬底101及InP缓冲层102，采用体积比为1:1的磷酸溶液(质量分数为85％)和双氧水(质量分数为30％)混合溶液去除InGaAs截止层103，得到如图4所示的结构。
S4、采用光罩蚀刻的方法，先将步骤S3中制得的如图4所示结构进行光罩掩膜，再采用ICP干法蚀刻部分区域的N型接触层104(N型InP接触层)、吸收层105(InGaAs吸收层)、P型接触层106(P型InP接触层)、P型电极107和In电极110；得到如图5所示的结构。
S5、将步骤S4中制得的如图5所示结构上沉积400nm厚的SiNx绝缘层111，进行光罩掩膜，采用质量比为6:1的氟化铵：氢氟酸溶液(质量分数为40％)将绝缘层111表面部分区域刻蚀，形成N型电极区；在N型电极区生长厚度分别为50nm/50nm/1000nm的Ti层、Pt层和Au层构成的N型电极112(即Ti层与N型接触层104(N型InP接触层)相接触)；形成如图6所示的红外探测器芯片。
S6、在300μm厚的蓝宝石窗口层113上沉积200nm的ITO透明导电膜，得到如图7所示的结构；
将ITO层114与图6所示的红外探测器芯片中的N型电极112在200℃，100000N的条件下进行键合，制得如图8所示的红外探测器。
本实施例中红外探测器芯片局部区域的俯视图如图9所示，包括若干个像元区202和若干个沟槽区201。
像元区202与沟槽区201对应设置。
沟槽区201由下至上依次为硅基底层108、读出电路层109和绝缘层111。
像元区202由下至上依次为硅基底层108、读出电路层109、In电极层110、P型电极107、P型接触层106、吸收层105和N型接触层104。
N型接触层104表面部分区域设有绝缘层111，剩余部分区域设有N型电极112。
像元区202表面的绝缘层111延伸至沟槽区表面绝缘层111共同形成红外探测器芯片表面绝缘层111。
对比例1
本对比例为一种红外探测器及其制作方法。
本对比例中红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1、350μm InP衬底101上依次生长400nm厚的InP缓冲层102、200nm厚的InGaAs截止层103、100nm厚的N型接触层104(N型InP接触层)、3μm厚吸收层105(InGaAs吸收层)、200nm厚的P型接触层106(P型InP接触层)，制得外延结构；
S2、将步骤S1制得的外延结构进行光罩掩膜，再采用ICP干法蚀刻部分区域的N型接触层104(N型InP接触层)、吸收层105(InGaAs吸收层)和P型接触层106(P型InP接触层)；
再将干法刻蚀后的结构表面沉积400nm厚的SiNx绝缘层111，进行光罩掩膜，采用质量比为6:1的氟化铵：氢氟酸溶液(质量分数为40％)将绝缘层111表面部分区域刻蚀，形成N型电极区和P型电极区；
在N型电极区生长厚度分别为50nm/50nm/1000nm的Ti层、Pt层和Au层构成的N型电极112(即Ti层与N型接触层104(N型InP接触层)相接触)；
在P型电极区生长厚度分别为50nm/50nm/1000nm的Ti层、Pt层和Au层构成的P型电极112(即Ti层与P型接触层106(P型InP接触层)相接触)；
再将InP衬底101、InP缓冲层102和InGaAs截止层103去除，其中采用盐酸去除InP衬底101及InP缓冲层102，采用体积比为1:1的磷酸溶液(质量分数为85％)和双氧水(质量分数为30％)混合溶液去除InGaAs截止层103，得到如图10所示的结构。
S3、将100μm衬底的探测器芯片和硅读出电路进行高精度倒装键合；
S4、封装覆盖蓝宝石窗口。
对比例2
本对比例为一种红外探测器及其制作方法。
本对比例与对比例1的差异在于：本对比例将InP衬底101完全去除。
通过将本发明实施例1与对比例1的制作方法相对比得知：实施例1中无需高精度对位倒装键合设备，且本发明实施例1中红外探测器芯片的制作流程是在300μm Si衬底读出电路上完成的，而非350μm或100μm厚度的InP衬底101上，InP衬底101易碎导致破片率高(硅的努氏硬度为1150kg/mm2，而磷化铟的努氏硬度仅为537kg/mm2，可见InP的硬度不到硅的一半，常规衬底材料的努氏硬度见表1)，因而本发明实施例1能够避免破片率，从而提高组件最终的成品率。
表1常规衬底材料的努氏硬度测试结果
| 材料名称 | 金刚石 | 硅 | 砷化镓 | 磷化铟 |
| 努氏硬度(kg/mm<sup>2</sup>) | 8000 | 1150 | 750 | 537 |
本发明实施例1中，为了保持电信号输出端子与目前一致，采用沉积在蓝宝石窗口上ITO导电薄膜作为公共N极，ITO导电薄膜在红外波段的透过率可根据载流子浓度及薄膜厚度进行调节，从而降低对红外波段的吸收；红外波段(0.75μm～1000μm)的透过率通过调节载流子浓度即可实现，载流子浓度越大，透过率越高，如图11所示(图中1E20代表1×1020,3E20代表3×1020，6E20代表6×1020，10E20代表1×1021，30E20代表3×1021，60E20代表6×1021)。本发明实施例1中通过对载流子浓度和厚度的控制，从而使本发明实施例1的红外探测器光电性能水平与对比例1中制得的红外探测器保持相当水平。
本发明的红外探测器组件由Si衬底及其读出电路(ROIC)、In电极110、P型电极107、P型接触层106、吸收层105(InGaAs吸收层105)、N型接触层104、包覆外延层的绝缘层111、N型电极112、窗口层113(蓝宝石层)及其ITO导电层组成。本发明的红外探测器组件在制作过程中采用光罩蚀刻方式形成图案化共晶焊电极及隔离像元，不需使用高精度倒装焊技术，同时简化组件工艺流程。
本发明组件在制作过程中采用光罩蚀刻方式形成图案化共晶焊电极及隔离像元，不需使用高精度倒装焊技术；避免了探测器组件制作过程中对高精度倒装共晶焊接技术的依赖，与相关技术相比，简化其制作路线并降低其成本。
本发明中N型电极112(Ti层、Pt层和Au层)为单个独立的，每个像元上一个。在相关技术中红外探测器组件中，N型电极112为公共电极，及所有像元共用一个N电极。因此本发明在窗口层113上沉积一层ITO透明导电薄膜，与每个像元上的N型电极112连接，保持N型电极112仅有一个输出端子，从而不对后端数字信号读取造成影响。
综上所述，本发明提出了一种红外探测器组件制作方法，将相关技术中的探测器芯片制作和ROIC高精度倒装共晶焊接合二为一，提出一种新的工艺路线，避免了高精度倒装共晶焊接设备及其技术，简化组件的制作路线并降低其成本。
上面结合具体实施方式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 (10)
1.一种红外探测器，其特征在于：制备原料包括红外探测器芯片和ITO层(114)，所述ITO层(114)表面还设有窗口层(113)；
所述红外探测器芯片，包括衬底层，所述衬底层表面设有读出电路层(109)，所述读出电路层(109)表面部分区域设有In电极(110)，所述读出电路层(109)表面剩余部分区域设有绝缘层(111)；
所述In电极(110)表面依次设有P型电极(107)和外延层；
所述外延层表面部分区域设有绝缘层(111)；
所述外延层表面剩余部分区域设有N型电极(112)；
所述ITO层(114)与所述N型电极(112)相接触；
所述红外探测器芯片由以下制备方法制得，所述制备方法包括以下步骤：
S1、在外延生长衬底上依次形成所述外延层和P型电极(107)，制得外延片；
在所述读出电路层(109)上形成所述In电极(110)，制得读出电路片；
S2、将步骤S1制得的外延片和读出电路片键合后去除所述外延生长衬底；
S3、在所述去除外延生长衬底的外延层上，光罩及蚀刻形成探测器光敏元结构，在N型接触层(104)上形成所述N型电极(112)；
其中，步骤S2中所述键合过程中所述P型电极(107)和所述In电极(110)接触键合。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于：所述外延层由下至上依次包括P型接触层(106)、吸收层(105)、N型接触层(104)和N型电极(112)In电极(110)。
3.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于：所述In电极(110)的侧壁设有绝缘层(111)。
4.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于：所述绝缘层(111)包括SiNx层。
5.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于：所述绝缘层(111)的厚度为300nm～500nm。
6.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于：所述P型电极(107)由下至上依次为Ti层、Pt层和Au层；所述Ti层与所述P型接触层(106)相接触。
7.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于：所述N型电极(112)由下至上依次为Ti层、Pt层和Au层；所述Ti层与所述N型接触层(104)相接触。
8.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于：所述键合的温度为100℃～200℃。
9.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于：所述键合的压力为50000N～200000N。
10.根据权利要求1～9任一项所述的红外探测器，其特征在于：所述窗口层(113)包括蓝宝石窗口层。
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