CN116581190B - 一种超晶格阵列红外探测器芯片和制备方法 - Google Patents

一种超晶格阵列红外探测器芯片和制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116581190B
CN116581190B CN202310856719.4A CN202310856719A CN116581190B CN 116581190 B CN116581190 B CN 116581190B CN 202310856719 A CN202310856719 A CN 202310856719A CN 116581190 B CN116581190 B CN 116581190B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gasb
superlattice
inas
type
gold electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202310856719.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116581190A (zh
Inventor
陈龙华
牛雪雷
苏莹
张军军
张莹
柴玉
张培峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiyuan Guoke Semiconductor Optoelectronic Research Institute Co ltd
Original Assignee
Taiyuan Guoke Semiconductor Optoelectronic Research Institute Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiyuan Guoke Semiconductor Optoelectronic Research Institute Co ltd filed Critical Taiyuan Guoke Semiconductor Optoelectronic Research Institute Co ltd
Priority to CN202310856719.4A priority Critical patent/CN116581190B/zh
Publication of CN116581190A publication Critical patent/CN116581190A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116581190B publication Critical patent/CN116581190B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/1013—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation devices sensitive to two or more wavelengths, e.g. multi-spectrum radiation detection devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1446—Devices controlled by radiation in a repetitive configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种超晶格阵列红外探测器芯片和制备方法，属于探测器芯片技术领域，所述超晶格阵列红外探测器芯片，包括：N型GaSb衬底、GaSb缓冲层、超晶格阵列层、P型InAs层、第一金电极、第二金电极、第一金丝引线、第二金丝引线和读出电路；N型GaSb衬底上设置有GaSb缓冲层；GaSb缓冲层上设置有超晶格阵列层；超晶格阵列层远离GaSb缓冲层的一侧设置有P型InAs层；GaSb缓冲层上设置有第一金电极，P型InAs层上设置有第二金电极；第一金电极通过第一金丝引线与读出电路电性连接，将第二金电极通过第二金丝引线与读出电路电性连接。

Description

一种超晶格阵列红外探测器芯片和制备方法
技术领域
本发明属于探测器芯片技术领域，具体涉及一种超晶格阵列红外探测器芯片和制备方法。
背景技术
随着红外技术的发展，红外探测器在民用、军事、太空等诸多领域得到了广泛应用。由红外探测器组成的红外系统已经被广泛用于夜视、导航、搜索、预警、目标侦察、精确打击等许多方面，充分显示了红外技术的分辨率高、准确可靠、保密性好、抗电子干扰性强等优点。其中，超晶格阵列红外探测器超利用超晶格的特殊结构能够增强光电转换效率的特性，能够完成高灵敏度、高分辨率的红外探测，受到越来越多的关注。
然而，现有的超晶格阵列红外探测器，尽管探测灵敏度以及分辨率高，但是所能检测的波段有限，如果想要实现宽波段探测，需要将超晶格阵列中的部分晶格替换成特殊波段的晶格，而这样做，又会降低探测灵敏度以及分辨率高。因此，现有技术难以兼顾宽波段与高灵敏度。
发明内容
为了解决现有技术中难以兼顾宽波段与高灵敏度的技术问题，本发明提供一种超晶格阵列红外探测器芯片和制备方法。
第一方面
本发明提供了一种超晶格阵列红外探测器芯片，包括：N型GaSb衬底、GaSb缓冲层、超晶格阵列层、P型InAs层、第一金电极、第二金电极、第一金丝引线、第二金丝引线和读出电路；
N型GaSb衬底上设置有GaSb缓冲层；
GaSb缓冲层上设置有超晶格阵列层；
超晶格阵列层中包括多个间隔设置的超晶格单元，超晶格单元包括层叠设置的长波红外超晶格和短波红外超晶格；
超晶格阵列层远离GaSb缓冲层的一侧设置有P型InAs层；
GaSb缓冲层上设置有第一金电极，P型InAs层上设置有第二金电极；
第一金电极通过第一金丝引线与读出电路电性连接，将第二金电极通过第二金丝引线与读出电路电性连接。
第二方面
本发明提供了一种超晶格阵列红外探测器芯片的制备方法，包括：
S1：对N型GaSb衬底以预设温度加热2h，预设温度低于GaSb表面氧化物脱附和Sb析出的温度；
S2：通过束源炉提供过量的Sb元素补充到N型GaSb衬底的表面，并逐渐加热到510℃，对N型GaSb衬底的表面氧化物进行脱模处理；
S3：将温度降低至第一外延生成温度，在N型GaSb衬底上延伸出GaSb缓冲层；
S4：设置GaSb与InAs的调配比例，得到多种不同晶格常数和理论晶片间隙的InAs/GaSb多元合金；
S5：重新设置第二外延生成温度，在N型GaSb衬底上通过第一InAs/GaSb多元合金和第二InAs/GaSb多元合金延伸出长波红外超晶格；
S6：重新设置第三外延生成温度，在长波红外超晶格上通过第三InAs/GaSb多元合金和第四InAs/GaSb多元合金延伸出短波红外超晶格；
S7：重新设置第四外延生成温度，在短波红外超晶格上延伸出P型InAs层；
S8：在GaSb缓冲层上镀制第一金电极，在P型InAs层上镀制第二金电极；
S9：在第一金电极上引出第一金丝引线，并对第一金电极与第一金丝引线进行键合处理，在第二金电极上引出第二金丝引线，并对第二金电极与第二金丝引线进行键合处理；
S10：将第一金电极通过第一金丝引线与读出电路电性连接，将第二金电极通过第二金丝引线与读出电路电性连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益技术效果：
在本发明中，超晶格阵列层中包括多个间隔设置的超晶格单元，每个超晶格单元包括层叠设置的长波红外超晶格和短波红外超晶格，长波红外超晶格用于探测长波段的红外信号，短波红外超晶格用于探测短波段的红外信号，无需减少超晶格阵列层中超晶格单元的数量，在保证高灵敏度和高分辨的同时，实现宽波段探测。长波红外适用于热成像和探测低温目标，而短波红外则适用于夜视、光谱分析和高温目标探测，通过在同一个芯片中集成两个波段的超晶格，可以满足不同的应用需求，提高超晶格阵列红外探测器芯片的灵活性与通用性。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明提供的一种超晶格阵列红外探测器芯片的结构示意图；
图2是本发明提供的一种超晶格阵列红外探测器芯片的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1
在一个实施例中，参考说明书附图1，示出了本发明提供的一种超晶格阵列红外探测器芯片的结构示意图。
本发明提供的一种超晶格阵列红外探测器芯片，包括：N型GaSb衬底1、GaSb缓冲层2、超晶格阵列层3、P型InAs层4、第一金电极5、第二金电极6、第一金丝引线7、第二金丝引线8和读出电路9。
N型GaSb衬底1上设置有GaSb缓冲层2。N型GaSb衬底1作为芯片的基底材料，提供结构支撑和电性特性。GaSb缓冲层2用于缓解晶格不匹配和减小界面缺陷，提高材料质量。
GaSb缓冲层2上设置有超晶格阵列层3。超晶格阵列层3中包括多个间隔设置的超晶格单元，超晶格单元包括层叠设置的长波红外超晶格31和短波红外超晶格32。超晶格单元用于吸收红外辐射并产生电荷载流子。长波红外超晶格31用于探测长波段的红外信号，长波红外适用于热成像和探测低温目标，而短波红外超晶格32用于探测短波段的红外信号，短波红外则适用于夜视、光谱分析和高温目标探测。通过在同一个芯片中集成两个波段的超晶格，可以满足不同的应用需求，提高超晶格阵列红外探测器芯片的灵活性与通用性。每个超晶格单元包括层叠设置的长波红外超晶格31和短波红外超晶格32，无需减少超晶格阵列层3中超晶格单元的数量，在保证高灵敏度和高分辨的同时，实现宽波段探测。
超晶格阵列层3远离GaSb缓冲层2的一侧设置有P型InAs层4。P型InAs层4是超晶格阵列层3与金电极之间的连接层，用于提供电荷传输。
GaSb缓冲层2上设置有第一金电极5，P型InAs层4上设置有第二金电极6。第一金电极5和第二金电极6作为电荷收集电极，用于收集从超晶格阵列层3产生的电荷载流子。
第一金电极5通过第一金丝引线7与读出电路9电性连接，将第二金电极6通过第二金丝引线8与读出电路9电性连接。读出电路9用于接收和处理从超晶格阵列红外探测器芯片中收集到的电荷信号，并将其转换为可用的电信号输出。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益技术效果：
在本发明中，超晶格阵列层3中包括多个间隔设置的超晶格单元，每个超晶格单元包括层叠设置的长波红外超晶格31和短波红外超晶格32，长波红外超晶格31用于探测长波段的红外信号，短波红外超晶格32用于探测短波段的红外信号，无需减少超晶格阵列层3中超晶格单元的数量，在保证高灵敏度和高分辨的同时，实现宽波段探测。长波红外适用于热成像和探测低温目标，而短波红外则适用于夜视、光谱分析和高温目标探测，通过在同一个芯片中集成两个波段的超晶格，可以满足不同的应用需求，提高超晶格阵列红外探测器芯片的灵活性与通用性。
在一种可能的实施方式中，N型GaSb衬底1的厚度为500μm，较大的衬底厚度可以提供良好的机械支撑和热传导性能，增强芯片的结构稳定性和散热效果。GaSb缓冲层2的厚度为731nm，适当的缓冲层厚度可以帮助缓解晶格不匹配问题和降低界面缺陷密度，从而提高材料质量和器件性能。P型InAs层4的厚度为15nm，较薄的P型InAs层4可以实现有效的电荷传输和载流子注入，同时减小电子和空穴的复合效应，提高器件的响应速度和效率。第一金丝引线7和第二金丝引线8的直径为30μm。较大直径的金丝引线可以提供良好的电流传输和连接可靠性，降低电阻和电压降，减小能量损耗和信号失真。
在一种可能的实施方式中，长波红外超晶格31包括第一InAs/GaSb多元合金和第二InAs/GaSb多元合金，第一InAs/GaSb多元合金中掺杂有Si，第一InAs/GaSb多元合金的厚度为194nm，第二InAs/GaSb多元合金中掺杂有Si，第二InAs/GaSb多元合金的厚度为356nm。
其中，通过在超晶格结构中引入InAs/GaSb多元合金，可以形成量子阱结构，其中电子和空穴被限制在禁带区域内。这种限制有助于提高载流子的捕获效率，并减少电子和空穴的复合，从而增强了探测器的灵敏度和响应速度。
需要说明的是，第一InAs/GaSb多元合金和第二InAs/GaSb多元合金的掺杂和特定厚度的设计可以增强超晶格对长波红外光的吸收能力，可以更高效地捕捉和转换长波红外光信号。通过使用不同掺杂和厚度的多元合金，可以扩展超晶格阵列红外探测器的波段范围，使其能够探测更宽的长波红外光谱。
进一步地，较薄的多元合金层可能会导致较低的信号强度，而较厚的多元合金层可能会增加噪声。选择将第一InAs/GaSb多元合金的厚度设置为194nm，第二InAs/GaSb多元合金的厚度设置为356nm，可以衡量这两个因素之后得出的最佳厚度。
在一种可能的实施方式中，短波红外超晶格32包括第三InAs/GaSb多元合金和第四InAs/GaSb多元合金，第三InAs/GaSb多元合金中掺杂有Si，第三InAs/GaSb多元合金的厚度为233nm，第四InAs/GaSb多元合金中掺杂有Be，第四InAs/GaSb多元合金的厚度为397nm。
需要说明的是，第三InAs/GaSb多元合金和第四InAs/GaSb多元合金的掺杂和特定厚度的设计可以增强超晶格对长波红外光的吸收能力，可以更高效地捕捉和转换长波红外光信号。通过使用不同掺杂和厚度的多元合金，可以扩展超晶格阵列红外探测器的波段范围，使其能够探测更宽的长波红外光谱。
进一步地，较薄的多元合金层可能会导致较低的信号强度，而较厚的多元合金层可能会增加噪声。选择将第三InAs/GaSb多元合金的厚度设置为233nm，第四InAs/GaSb多元合金的厚度设置为397nm，可以衡量这两个因素之后得出的最佳厚度。
在一种可能的实施方式中，超晶格阵列红外探测器芯片还包括：抗反射膜，N型GaSb衬底1设置于抗反射膜上。抗反射膜可以减少光的反射，增加光的透射和吸收。通过在N型GaSb衬底1上添加抗反射膜，可以增强探测器对红外光的吸收能力，提高光学效率。同时，反射的光会造成光的干扰和干扰背景信号，降低探测器的信噪比和探测灵敏度。抗反射膜可以降低反射光的强度，减少干扰，使探测器能够更准确地探测红外光信号。
实施例2
在一个实施例中，参考说明书附图2，示出了本发明提供的一种超晶格阵列红外探测器芯片的制备方法的流程示意图。
本发明提供的一种超晶格阵列红外探测器芯片的制备方法，包括：
S1：对N型GaSb衬底1以预设温度加热2h，预设温度低于GaSb表面氧化物脱附和Sb析出的温度。
其中，预设温度可以是400℃。
其中，对N型GaSb衬底1以预设温度加热2h可以去除衬底表面吸附的气体分子和水汽等杂质，提高衬底表面的洁净度，保证衬底进入生长室中不会大量出气破坏生长室的超高真空状态。
S2：通过束源炉提供过量的Sb元素补充到N型GaSb衬底1的表面，并逐渐加热到510℃，对N型GaSb衬底1的表面氧化物进行脱模处理。
其中，脱模处理可以有效去除衬底表面的氧化物，保证后续层的质量和界面的完整性。
S3：将温度降低至第一外延生成温度，在N型GaSb衬底1上延伸出GaSb缓冲层2。
需要说明的是，本发明主要采用分子束外延法进行晶格制备。分子束外延法（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是一种常用的薄膜生长技术，用于在晶体基底上制备单晶薄膜。
其中，第一外延生成温度可以是500℃。
其中，GaSb缓冲层2用于缓解晶格不匹配和减小界面缺陷，提高材料质量。
S4：设置GaSb与InAs的调配比例，得到多种不同晶格常数和理论晶片间隙的InAs/GaSb多元合金。
其中，通过调配GaSb与InAs的比例，可以调节多元合金的晶格常数和理论晶片间隙，实现对其能带结构和光电性能的调控，从而优化超晶格阵列红外探测器的性能。
其中，晶格常数是指晶体结构中原子之间的距离，通常以单位长度来表示。
其中，晶片间隙是指固体材料中价带和导带之间的能量间隔。晶片间隙定义了电子从价带跃迁到导带所需的能量。
在一种可能的实施方式中，申请人经过多次反复的试验以及数据拟合，确定出了晶片间隙与调配比例之间的关联关系，S4具体为：
根据以下公式设置GaSb与InAs的调配比例，得到不同晶格常数和理论晶片间隙的InAs/GaSb多元合金：
；
；
其中，ρ表示调配比例，a InAs/GaSb表示InAs/GaSb多元合金的晶格常数，a InAs表示纯InAs的晶格常数，a GaSb纯GaSb的晶格常数，d 0表示理论晶片间隙。
需要说明的是，通过晶片间隙与调配比例之间的关联关系可以快速地对彼此进行换算，研究人员可以预测不同调配比例下材料的晶片间隙，从而指导材料的设计和优化过程。这样可以更有效地开发具有特定能带结构和性能的材料。另外，可以通过预测不同调配比例下的晶片间隙，可以有针对性地选择材料，以满足特定应用需求。
S5：重新设置第二外延生成温度，在N型GaSb衬底1上通过第一InAs/GaSb多元合金和第二InAs/GaSb多元合金延伸出长波红外超晶格31。
其中，第二外延生成温度可以是430℃。
S6：重新设置第三外延生成温度，在长波红外超晶格31上通过第三InAs/GaSb多元合金和第四InAs/GaSb多元合金延伸出短波红外超晶格32。
其中，第三外延生成温度可以是450℃。
S7：重新设置第四外延生成温度，在短波红外超晶格32上延伸出P型InAs层4。
其中，第四外延生成温度可以是450℃。
S8：在GaSb缓冲层2上镀制第一金电极5，在P型InAs层4上镀制第二金电极6。
S9：在第一金电极5上引出第一金丝引线7，并对第一金电极5与第一金丝引线7进行键合处理，在第二金电极6上引出第二金丝引线8，并对第二金电极6与第二金丝引线8进行键合处理。
其中，键合处理是在芯片或器件上的金属电极与引线之间建立电连接的过程。
需要说明的是，键合处理提供了可靠的电连接，确保信号的传输和电路的正常运行，能够承受较大的电流和温度变化，同时保持稳定的连接。通过键合处理，金属电极和引线之间可以实现低电阻的连接，从而减小能量损耗和电压降，提高电路的效率。进一步地，键合处理不仅提供电连接，还提供了对芯片的机械支撑。这有助于减少振动、冲击和热膨胀对芯片的影响，提高芯片的可靠性和寿命。
在一种可能的实施方式中，S9具体包括：
S901：选取直径为30μm的金丝引线。
S902：对第一金丝引线7与第一金电极5的焊点进行键合处理，键合压力30g，超声功率为390mW，键合时间为25ms。
申请人在研究过程中发现，对第一金丝引线7与第一金电极5的焊点进行键合处理时，键合压力30g，超声功率为390mW，键合时间为25ms时键合效果最佳。
S903：对第二金丝引线8与第二金电极6的焊点进行键合处理，键合压力30g，超声功率为400mW，键合时间为30ms。
申请人在研究过程中发现，申请人在研究过程中发现，对第一金丝引线7与第一金电极5的焊点进行键合处理时，键合压力30g，超声功率为390mW，键合时间为25ms时键合效果最佳。
需要说明的是，为了减少芯片的整体体积，由于GaSb缓冲层2上空间有限，在GaSb缓冲层2上镀制的第一金电极5往往比在P型InAs层4上镀制的第二金电极6的直径要小，因此，在对第二金丝引线8与第二金电极6的焊点进行键合处理时，其超声功率需要更大，键合时间也更长。
S10：将第一金电极5通过第一金丝引线7与读出电路9电性连接，将第二金电极6通过第二金丝引线8与读出电路9电性连接。
其中，将第一金电极5通过第一金丝引线7与读出电路9电性连接，将第二金电极6通过第二金丝引线8与读出电路9电性连接，可以将探测器的信号传递到读出电路9进行处理和分析。
在本发明中，可以有效去除N型GaSb衬底1表面的氧化物和杂质，保证了材料的纯净性和质量，拓宽光谱响应范围，提高探测器的灵敏度和稳定性，以及实现可靠的电性连接，使得超晶格阵列红外探测器芯片能够有效地工作和输出准确的信号。
在超晶格阵列红外探测器芯片制备过程中，应力集中通常是一大难题，现有技术中为了解决应力集中的问题，往往采用减薄衬底的方式，然而减薄衬底可能会导致衬底的失稳、变形或破裂，从而降低芯片的可靠性和长期稳定性，在本发明中为了解决应力集中问题，采用了一种经过精确计算的方式进行。
在一种可能的实施方式中，制备方法还包括：
S11：在N型GaSb衬底1以及P型InAs层4的四周通过光刻、腐蚀、钝化，形成多个凹槽图案的阵列，凹槽图案为矩形或者圆形，凹槽图案的深度s的确定方式为：
；
其中，λ表示换算比例，σ 1表示长波红外超晶格31的应力，σ 2表示短波红外超晶格32的应力。
需要说明的是，超晶格结构中不同材料之间存在晶格失配和热膨胀系数不匹配等问题，导致在界面处产生应力。通过开设凹槽图案，可以在材料界面周围创造额外的空间，使得应力得到释放和缓解。凹槽的形状和深度可以被设计为能够容纳和分散应力的区域，从而降低应力集中的程度。凹槽的存在可以形成一种应力缓冲区，通过改变晶格结构的连续性，减少应力的传导。应力可以在凹槽内部得到分散和缓解，从而减少应力集中的发生。凹槽的设计可以使应力沿着凹槽表面进行分布，降低局部应力的强度。
其中，通过调整凹槽的深度s，可以实现长波红外超晶格31和短波红外超晶格32之间的应力平衡，减少应力集中的问题。这有助于提高超晶格结构的稳定性和可靠性。
其中，换算比例λ可以根据实际材料的不同而发生改变。具体的换算比例λ可以通过线性拟合的方式计算。
在一种可能的实施方式中，长波红外超晶格31以及短波红外超晶格32的应力可通过以下公式计算：
；
其中，σ表示应力大小，E表示杨氏模量，γ表示泊松比，d 0表示理论晶面间距，d表示实际晶面间距。
需要说明的是，在上文中已提及理论晶面间距d 0可通过调配比例ρ计算得到，因此只要清楚调配比例ρ，即可得到理论晶面间距d 0，紧接着根据上面的公式即可计算出红外超晶格的应力，进而确定出凹槽图案的深度s，在尽可能不对结构强度造成影响的情况下，消除应力。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益技术效果：
在本发明中，超晶格阵列层中包括多个间隔设置的超晶格单元，每个超晶格单元包括层叠设置的长波红外超晶格和短波红外超晶格，长波红外超晶格用于探测长波段的红外信号，短波红外超晶格用于探测短波段的红外信号，无需减少超晶格阵列层中超晶格单元的数量，在保证高灵敏度和高分辨的同时，实现宽波段探测。长波红外适用于热成像和探测低温目标，而短波红外则适用于夜视、光谱分析和高温目标探测，通过在同一个芯片中集成两个波段的超晶格，可以满足不同的应用需求，提高超晶格阵列红外探测器芯片的灵活性与通用性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种超晶格阵列红外探测器芯片，其特征在于，包括：N型GaSb衬底、GaSb缓冲层、超晶格阵列层、P型InAs层、第一金电极、第二金电极、第一金丝引线、第二金丝引线和读出电路；
所述N型GaSb衬底上设置有所述GaSb缓冲层；
所述GaSb缓冲层上设置有所述超晶格阵列层；
所述超晶格阵列层中包括多个间隔设置的超晶格单元，所述超晶格单元包括层叠设置的长波红外超晶格和短波红外超晶格；
所述超晶格阵列层远离所述GaSb缓冲层的一侧设置有所述P型InAs层；
所述GaSb缓冲层上设置有所述第一金电极，所述P型InAs层上设置有所述第二金电极；
所述第一金电极通过所述第一金丝引线与读出电路电性连接，将所述第二金电极通过所述第二金丝引线与读出电路电性连接;
其中所述的超晶格阵列红外探测器芯片的制备方法，包括：
S1：对N型GaSb衬底以预设温度加热2h，所述预设温度低于GaSb表面氧化物脱附和Sb析出的温度；
S2：通过束源炉提供过量的Sb元素补充到所述N型GaSb衬底的表面，并逐渐加热到510℃，对所述N型GaSb衬底的表面氧化物进行脱模处理；
S3：将温度降低至第一外延生成温度，在所述N型GaSb衬底上延伸出GaSb缓冲层；
S4：设置GaSb与InAs的调配比例，得到多种不同晶格常数和理论晶片间隙的InAs/GaSb多元合金；
S5：重新设置第二外延生成温度，在所述N型GaSb衬底上通过第一InAs/GaSb多元合金和第二InAs/GaSb多元合金延伸出长波红外超晶格；
S6：重新设置第三外延生成温度，在所述长波红外超晶格上通过第三InAs/GaSb多元合金和第四InAs/GaSb多元合金延伸出短波红外超晶格；
S7：重新设置第四外延生成温度，在所述短波红外超晶格上延伸出P型InAs层；
S8：在所述GaSb缓冲层上镀制第一金电极，在所述P型InAs层上镀制第二金电极；
S9：在所述第一金电极上引出第一金丝引线，并对所述第一金电极与所述第一金丝引线进行键合处理，在所述第二金电极上引出第二金丝引线，并对所述第二金电极与所述第二金丝引线进行键合处理；
S10：将所述第一金电极通过所述第一金丝引线与读出电路电性连接，将所述第二金电极通过所述第二金丝引线与读出电路电性连接;
其中，所述S4具体为：
根据以下公式设置GaSb与InAs的调配比例，得到不同晶格常数和理论晶片间隙的InAs/GaSb多元合金：
；
；
其中，ρ表示调配比例，a InAs/GaSb表示InAs/GaSb多元合金的晶格常数，a InAs表示纯InAs的晶格常数，a GaSb纯GaSb的晶格常数，d 0表示理论晶片间隙;
所述S9具体包括：
S901：选取直径为30μm的金丝引线；
S902：对所述第一金丝引线与所述第一金电极的焊点进行键合处理，键合压力30g，超声功率为390mW，键合时间为25ms；
S903：对所述第二金丝引线与所述第二金电极的焊点进行键合处理，键合压力30g，超声功率为400mW，键合时间为30ms;
S11：在所述N型GaSb衬底以及所述P型InAs层的四周通过光刻、腐蚀、钝化，形成多个凹槽图案的阵列，所述凹槽图案为矩形或者圆形，所述凹槽图案的深度s的确定方式为：
；
其中，λ表示换算比例，σ 1表示长波红外超晶格的应力，σ 2表示短波红外超晶格的应力;
所述长波红外超晶格以及所述短波红外超晶格的应力通过以下公式计算：
；
其中，σ表示应力大小，E表示杨氏模量，γ表示泊松比，d 0表示理论晶面间距，d表示实际晶面间距。
2.根据权利要求1所述的超晶格阵列红外探测器芯片，其特征在于，所述N型GaSb衬底的厚度为500μm，所述GaSb缓冲层的厚度为731nm，所述P型InAs层的厚度为15nm，所述第一金丝引线和所述第二金丝引线的直径为30μm。
3.根据权利要求1所述的超晶格阵列红外探测器芯片，其特征在于，所述长波红外超晶格包括第一InAs/GaSb多元合金和第二InAs/GaSb多元合金，所述第一InAs/GaSb多元合金中掺杂有Si，所述第一InAs/GaSb多元合金的厚度为194nm，所述第二InAs/GaSb多元合金中掺杂有Si，所述第二InAs/GaSb多元合金的厚度为356nm。
4.根据权利要求1所述的超晶格阵列红外探测器芯片，其特征在于，所述短波红外超晶格包括第三InAs/GaSb多元合金和第四InAs/GaSb多元合金，所述第三InAs/GaSb多元合金中掺杂有Si，所述第三InAs/GaSb多元合金的厚度为233nm，所述第四InAs/GaSb多元合金中掺杂有Be，所述第四InAs/GaSb多元合金的厚度为397nm。
5.根据权利要求1所述的超晶格阵列红外探测器芯片，其特征在于，还包括：抗反射膜；
所述N型GaSb衬底设置于所述抗反射膜上。
CN202310856719.4A 2023-07-13 2023-07-13 一种超晶格阵列红外探测器芯片和制备方法 Active CN116581190B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310856719.4A CN116581190B (zh) 2023-07-13 2023-07-13 一种超晶格阵列红外探测器芯片和制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310856719.4A CN116581190B (zh) 2023-07-13 2023-07-13 一种超晶格阵列红外探测器芯片和制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116581190A CN116581190A (zh) 2023-08-11
CN116581190B true CN116581190B (zh) 2023-09-26

Family

ID=87534565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310856719.4A Active CN116581190B (zh) 2023-07-13 2023-07-13 一种超晶格阵列红外探测器芯片和制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116581190B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108133993A (zh) * 2018-01-30 2018-06-08 广东工业大学 一种紫外led垂直芯片结构
CN108428763A (zh) * 2018-04-18 2018-08-21 厦门大学 一种应力调控紫外多波长msm光电探测器及其制备方法
CN111710733A (zh) * 2020-06-11 2020-09-25 南京大学 一种超晶格甚长波红外探测器结构
CN112164731A (zh) * 2020-10-30 2021-01-01 云南师范大学 一种基于Sb化物的中短波双色红外探测器及其制备方法
CN114582996A (zh) * 2020-12-02 2022-06-03 中国科学院半导体研究所 周期渐变超晶格宽光谱红外探测器及其制备方法
CN115985979A (zh) * 2023-02-24 2023-04-18 山东云海国创云计算装备产业创新中心有限公司 一种高性能红外光电探测器的外延片及其制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7755079B2 (en) * 2007-08-17 2010-07-13 Sandia Corporation Strained-layer superlattice focal plane array having a planar structure
US11695093B2 (en) * 2018-11-21 2023-07-04 Analog Devices, Inc. Superlattice photodetector/light emitting diode

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108133993A (zh) * 2018-01-30 2018-06-08 广东工业大学 一种紫外led垂直芯片结构
CN108428763A (zh) * 2018-04-18 2018-08-21 厦门大学 一种应力调控紫外多波长msm光电探测器及其制备方法
CN111710733A (zh) * 2020-06-11 2020-09-25 南京大学 一种超晶格甚长波红外探测器结构
CN112164731A (zh) * 2020-10-30 2021-01-01 云南师范大学 一种基于Sb化物的中短波双色红外探测器及其制备方法
CN114582996A (zh) * 2020-12-02 2022-06-03 中国科学院半导体研究所 周期渐变超晶格宽光谱红外探测器及其制备方法
CN115985979A (zh) * 2023-02-24 2023-04-18 山东云海国创云计算装备产业创新中心有限公司 一种高性能红外光电探测器的外延片及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jiang Zhi等.Bias-selectable mid-/long dual band infrared focal plane array based on Type-II InAs/GaSb superlattice.《INFRARED PHYSICS&TECHNOLOGY》.2017,第86卷第159-164页. *
用于宽波段红外探测的InAs/GaSb II型超晶格结构光学性质研;李红凯等;《航空兵器》;第28卷(第6期);第95-98页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN116581190A (zh) 2023-08-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Breitenstein et al. Shunt types in crystalline silicon solar cells
US3990101A (en) Solar cell device having two heterojunctions
US8390086B2 (en) Solar cell employing a nanowire
CN101971367B (zh) 红外线发光元件
US4533933A (en) Schottky barrier infrared detector and process
JP5266521B2 (ja) 赤外線センサ、及び赤外線センサｉｃ
Tang et al. Enhancing UV photodetection performance of an individual ZnO microwire p–n homojunction via interfacial engineering
Deyneko et al. Investigation of the combination of ITO/CdS/CdTe/Cu/Au solar cells in microassembly for electrical supply of field cables
CN102237432A (zh) 一种太赫兹、红外频段灵敏光子探测器
CN109244176A (zh) 一种微椭球式零串音碲镉汞红外焦平面探测器
CN116581190B (zh) 一种超晶格阵列红外探测器芯片和制备方法
WO2015148544A1 (en) Compact solid-state neutron detector
CN105258806A (zh) 热释电红外探测单元及制造方法及其热释电红外探测器
TW201622164A (zh) 背光性光偵檢器
RU2599905C2 (ru) Способ изготовления диодов средневолнового ик диапазона спектра
US11069825B2 (en) Optoelectronic devices formed over a buffer
CN106876519A (zh) 一种三氧化二铝钝化n型双面晶硅太阳能电池制备方法
CN107331672B (zh) 一种微透镜阵列的集成非平面紫外光电探测器
US20130215929A1 (en) Indirect temperature measurements of direct bandgap (multijunction) solar cells using wavelength shifts of sub-junction luminescence emission peaks
Jost et al. InSb: a key material for IR detector applications
JP3206350B2 (ja) 太陽電池
CN110047953B (zh) 一种p-n结近红外光电探测器
US10672940B2 (en) High-resistivity single crystal zinc oxide wafer based radiation detector and preparation method and use thereof
CN112466993A (zh) 碲镉汞红外探测器芯片及其制备方法
WO2018225374A1 (ja) 熱電変換材料、熱電変換素子、熱電変換モジュール、および光センサ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant