CN116722072A - 一种InGaAs短波红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种InGaAs短波红外探测器及其制备方法，其包括；衬底；N型InP接触层；N型InP接触层位于衬底表面；InGaAs吸收层；InGaAs吸收层位于N型InP接触层表面；N‑InP待扩散层；N‑InP待扩散层位于InGaAs吸收层表面；钝化层；钝化层位于N‑InP待扩散层的表面；P电极；P电极位于N‑InP待扩散层的表面；P电极的成分为IZO膜；IZO膜通过热处理发生Zn扩散，使N‑InP待扩散层区域改掺杂为P型InP接触层；N电极；N电极位于N型InP接触层的表面。本发明的探测器在制备时可以减少工艺步骤和位置偏差，增加像元位置精度。另一方面，还能够提升电性能和对应波长的响应度。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其是涉及一种InGaAs短波红外探测器及其制备方法。
背景技术
目前短波红外InGaAs探测器蓬勃发展，相比较于传统CMOS探测器，具备穿烟穿雾的能力，可以在民用和军事等多个领域应用。但短波红外InGaAs探测器制作成本一直居高不下，由于采用InP衬底和MOCVD技术生长，衬底材料和机台昂贵导致成本高；另外短波红外探测器工艺复杂，需要做Zn扩散，目前Zn扩散的工艺步骤为，在外延片表面镀制SI3N4膜，利用匀胶、曝光和显影制备第一道光罩，再利用湿法或干法腐蚀的方法去掉部分SI3N4并去胶，再进行炉管Zn扩散；后续再进行台面腐蚀，钝化膜沉积，P电极开孔和蒸镀电极，N电极开孔和蒸镀电极。现有方法的Zn扩散的制备方法复杂且套刻引起的位置偏差较大。
因此，有必要提供一种新的InGaAs短波红外探测器，无需进行复杂的Zn扩散。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明第一方面提出一种InGaAs短波红外探测器，本发明将Zn扩散和P型欧姆接触步骤合二为一，能够提升其电性能，及其对应波长的响应度。
本发明第二方面还提供一种InGaAs短波红外探测器的制备方法。
根据本发明的第一方面实施例提供的一种InGaAs短波红外探测器，包括；
衬底；
N型InP接触层；所述N型InP接触层位于衬底表面；
InGaAs吸收层；所述InGaAs吸收层位于N型InP接触层表面；
N-InP待扩散层；所述N-InP待扩散层位于InGaAs吸收层表面；
钝化层；所述钝化层位于N-InP待扩散层的表面；
P电极；所述P电极位于N-InP待扩散层的表面；
所述P电极的成分为IZO膜；所述IZO膜通过热处理发生Zn扩散，使得和IZO膜接触的N-InP待扩散层区域形成P型InP接触层；
N电极；所述N电极位于N型InP接触层的表面。
根据本发明实施例的InGaAs短波红外探测器，至少具有如下有益效果：
本发明的InGaAs短波红外探测器通过采用IZO膜作为P电极的材料，IZO膜通过Zn扩散使得和IZO膜接触的N-InP待扩散层区域形成P型InP接触层；一方面可以减少一道镀膜、光刻、腐蚀和扩散的步骤，减少套刻引起的位置偏差，增加像元位置精度，节约成本。另一方面，还能够提升其电性能，及其对应波长的响应度。
根据本发明的一些实施例，所述IZO(氧化铟锌)膜是n型透明导电氧化物薄膜，具备导电性，含有大量Zn组分。
根据本发明的一些实施例，所述InGaAs吸收层的厚度为2～4μm。
根据本发明的一些实施例，所述N-InP待扩散层的厚度为0.5～1μm。
根据本发明的一些实施例，所述N型InP接触层的厚度为0.5～1μm。
根据本发明的一些实施例，所述衬底的成分为N型InP。
根据本发明的一些实施例，所述钝化层的成分为Si3N4。
根据本发明的一些实施例，所述钝化层的厚度为100～500nm。
根据本发明的一些实施例，所述IZO膜的厚度为500～1500nm。
根据本发明的一些实施例，所述钝化层的折射率为1.8～2.0。
根据本发明的一些实施例，所述N电极的材料选自金、铂、钛中的至少一种。
根据本发明的第二方面实施例提供一种InGaAs短波红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在衬底表面依次外延生长N型InP接触层、InGaAs吸收层和N-InP待扩散层；
S2、在N-InP待扩散层的表面旋涂一层正性光刻胶并干燥，进行第一次曝光显影，制备出台面腐蚀光刻胶图案，使N电极所处的外延结构裸漏出来；
S3、将裸露出来的外延结构进行第一次腐蚀，去除N电极所处区域的N-InP待扩散层和InGaAs吸收层；去除光刻胶；
S4、在步骤S3之后进行钝化步骤，在表面制作一层钝化层。
S5、在钝化层的表面旋涂一层正性光刻胶并干燥，进行第二次曝光显影，制备出N电极孔和P电极孔光刻胶图案，使N电极孔和P电极孔所处的钝化层裸漏出来；
S6、将裸漏出来的钝化层进行第二次腐蚀，去除正性光刻胶；
S7、步骤S6之后的表面旋涂负性光刻胶并干燥，进行第三次曝光显影，制备出P电极孔图案；使用磁控溅射的方法在表面上溅射制备IZO膜，溅射结束后剥离表面其余部位的IZO膜，去除负性光刻胶；
S8、步骤S7之后的表面旋涂负性光刻胶并干燥，进行第四次曝光显影，制备出N电极孔图案；使N电极孔裸漏出来；使用磁控溅射的方法在表面溅射形成N电极；溅射结束后剥离表面其余部位的N电极膜，去除负性光刻胶；
S9、将S8制备的产品进行退火，使得IZO膜里的Zn组分扩散进入N-InP待扩散层，形成P型InP接触层，即得InGaAs短波红外探测器。
根据本发明的一些实施例，所述第一次曝光显影、第二次曝光显影、第三次曝光显影和第四次曝光显影的曝光能量为200～800mj/cm2。
根据本发明的一些实施例，所述第一次曝光显影、第二次曝光显影、第三次曝光显影和第四次曝光显影的显影时间为4～8min。
根据本发明的一些实施例，所述退火的温度为300～400℃。
根据本发明的一些实施例，所述退火的时间为1～3h。
根据本发明的一些实施例，所述旋涂的转速为2000～3000r/min。
根据本发明的一些实施例，所述干燥的温度为100～120℃。
根据本发明的一些实施例，所述第一次腐蚀和第二次腐蚀的溶液独立地选自盐酸、磷酸和过氧化氢或氢氟酸中的至少一种。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例1和实施例2的流程示意图；
图3是本发明实施例1和对比例1的EQE响应图；
其中，1为衬底、2为N型接触层、3为InGaAs吸收层、4为N电极、5为Zn扩散后形成的P型接触层、6为P电极、7为钝化层、8为N-InP待扩散层。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明所采用的试剂、方法和设备，如无特殊说明，均为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
实施例1提供一种InGaAs短波红外探测器，图1为结构示意图；包括；
InP衬底1；
N型InP接触层2；N型InP接触层2位于InP衬底1表面；
InGaAs吸收层3；InGaAs吸收层3位于N型InP接触层2表面；
N-InP待扩散层8；N-InP待扩散层8位于InGaAs吸收层表面3；
Si3N4钝化层7；Si3N4钝化层7位于N-InP待扩散层8的表面；
P电极6；P电极6位于N-InP待扩散层8的表面；
P电极的成分为IZO膜，IZO膜通过热处理Zn扩散使得和IZO膜接触的N-InP待扩散层区域形成P型InP接触层5；
N电极4；所述N电极4位于N型InP接触层2的表面，N电极为金电极。
其制备方法的流程图见图2，制备方法如下：
S1、在InP衬底表面依次生长厚度为0.5μm的N型InP接触层，厚度为3μm的InGaAs吸收层，厚度为0.5μm的N-InP待扩散层；
S2、在N-InP待扩散层的表面旋涂一层AZ-4620正性光刻胶，控制转速在2500r/min，110℃烘烤10min；使用自动曝光机，控制曝光能量为650mj/cm2，并显影6min，制备出台面腐蚀光刻胶图案，使N电极所处的外延结构裸漏出来，供后续腐蚀用；
S3、将裸露出来的外延结构进行腐蚀，采用HCl：H2O＝1:2的配液比例，腐蚀掉N电极区域位于外延层的N-InP待扩散层，再使用H3PO4：H2O2:H2O＝1:3:8的配液比例，腐蚀掉N电极区域位于外延层的InGaAs吸收层；去除光刻胶；
S4、在步骤S3之后进行钝化步骤，采用ICP-CVD镀膜机台，在表面镀制钝化层Si3N4，厚度为300nm，折射率为1.9。
S5、在钝化层的表面旋涂一层AZ-4620正性光刻胶，控制转速在2500r/min，110℃烘烤10min，进行第二次曝光显影，使用自动曝光机，控制曝光能量为650mj/cm2，并显影6min，制备出N电极孔和P电极孔光刻胶图案，使N电极孔和P电极孔所处的钝化层裸漏出来；
S6、采用HF：H2O＝1:2的配液比例，腐蚀掉N电极孔和P电极孔所处的绝缘钝化层；去除正性光刻胶；
S7、步骤S6之后的表面旋涂RN-246负性光刻胶，控制转速在1500r/min，110℃烘烤10min，进行第三次曝光显影，使用自动曝光机，控制曝光能量为250mj/cm2，并显影6min，制备出P电极孔图案；使用磁控溅射机和IZO靶材，在表面上溅射制备IZO膜，厚度为0.8μm，溅射结束后剥离片子表面其余部位的IZO膜，去除负性光刻胶；
S8、步骤S7之后的表面旋涂RN-246负性光刻胶，控制转速在1500r/min，110℃烘烤10min，进行第四次曝光显影，使用自动曝光机，控制曝光能量为250mj/cm2，并显影6min，制备出N电极孔图案；使N电极孔裸漏出来；使用磁控溅射机和Au靶材，在片子上溅射制备Au膜，厚度为4μm，溅射结束后剥离片子表面其余部位的Au膜，去除负性光刻胶；
S9、将S8制备的产品在300℃退火2h，使得IZO膜里的Zn组分扩散进入N-InP待扩散层，形成P型InP接触层，即得InGaAs短波红外探测器。
实施例2
实施例2提供一种InGaAs短波红外探测器，包括；
InP衬底1；
N型InP接触层2；N型InP接触层2位于InP衬底1表面；
InGaAs吸收层3；InGaAs吸收层3位于N型InP接触层2表面；
N-InP待扩散层8；N-InP待扩散层8位于InGaAs吸收层表面3；
Si3N4钝化层7；Si3N4钝化层7位于N-InP待扩散层8的表面；
P电极6；P电极6位于N-InP待扩散层8的表面；
P电极的成分为IZO膜；IZO膜通过Zn扩散使得和IZO膜接触的N-InP待扩散层区域形成P型InP接触层5；
N电极4；所述N电极4位于N型InP接触层2的表面，N电极为金电极。
其制备方法的流程图见图2，制备方法如下：
S1、在InP衬底表面依次外延生长厚度为1μm的N型InP接触层、厚度为4μm的InGaAs吸收层和厚度为1μm的N-InP待扩散层；
S2、在N-InP待扩散层的表面旋涂一层AZ-4620正性光刻胶，控制转速在3000r/min，110℃烘烤8min；使用自动曝光机，控制曝光能量为500mj/cm2，并显影4min，制备出台面腐蚀光刻胶图案，使N电极所处的外延结构裸漏出来，供后续腐蚀用；
S3、将裸露出来的外延结构进行腐蚀，采用HCl：H2O＝1:3的配液比例，腐蚀掉N电极区域位于外延层的N-InP待扩散层，再使用H3PO4：H2O2:H2O＝1:0.5:6的配液比例，腐蚀掉N电极区域位于外延层的InGaAs吸收层；去除光刻胶；
S4、在步骤S3之后进行钝化步骤，采用ICP-CVD镀膜机台，在表面镀制钝化层Si3N4，厚度为200nm，折射率为1.8。
S5、在钝化层的表面旋涂一层AZ-4620正性光刻胶，控制转速在3000r/min，110℃烘烤8min，进行第二次曝光显影，使用自动曝光机，控制曝光能量为500mj/cm2，并显影4min，制备出N电极孔和P电极孔光刻胶图案，使N电极孔和P电极孔所处的钝化层裸漏出来；
S6、采用HF：H2O＝1:4的配液比例，腐蚀掉N电极孔和P电极孔所处的绝缘钝化层；去除正性光刻胶；
S7、步骤S6之后的表面旋涂RN-246负性光刻胶，控制转速在2500r/min，110℃烘烤8min，进行第三次曝光显影，使用自动曝光机，控制曝光能量为200mj/cm2，并显影4min，制备出P电极孔图案；使用磁控溅射机和IZO靶材，在表面上溅射制备IZO膜，厚度为0.6μm，溅射结束后剥离片子表面其余部位的IZO膜，去除负性光刻胶；
S8、步骤S7之后的表面旋涂RN-246负性光刻胶，控制转速在2500r/min，110℃烘烤8min，进行第四次曝光显影，使用自动曝光机，控制曝光能量为200mj/cm2，并显影4min，制备出N电极孔图案；使N电极孔裸漏出来；使用磁控溅射机和Au靶材，在片子上溅射制备Au膜，厚度为3μm，溅射结束后剥离片子表面其余部位的Au膜，去除负性光刻胶；
S9、将S8制备的产品在400℃退火3h，使得IZO膜里的Zn组分扩散进入N-InP待扩散层，形成P型InP接触层，即得InGaAs短波红外探测器。
对比例1
传统工艺制备InGaAs短波红外探测器，流程如下；
S1、在InP衬底表面依次外延生长厚度为0.5μm的N型InP接触层、厚度为3μm的InGaAs吸收层，厚度为0.5μm的N-InP待扩散层；
S2、在步骤S1之后进行钝化步骤，采用ICP-CVD镀膜机台，在外延层表面镀制一层Si3N4，厚度为200nm，折射率为1.8；
S3、在Si3N4层的表面旋涂一层AZ-4620正性光刻胶，控制转速在3000r/min，110℃烘烤8min；使用自动曝光机，控制曝光能量为500mj/cm2，并显影4min，制备出扩散区域光刻胶图案，供后续腐蚀用；
S4、将裸露出来的钝化膜进行腐蚀，采用HF：H2O＝1:4的配液比例，腐蚀掉扩散区域的SI3N4膜，去除光刻胶，留下的图形化的SI3N4，用作Zn扩散的硬掩膜；
S5、将S4得到的外延片放入炉管中进行扩散，扩散源为ZnAs源，扩散温度为500摄氏度，扩散深度为0.6μm，保证扩散到吸收层上表面，扩散结束后，采用HF：H2O＝1:4的配液比例，去除掉Zn扩散硬掩膜。
S6、在N-InP待扩散层的表面旋涂一层AZ-4620正性光刻胶，控制转速在3000r/min，110℃烘烤8min；使用自动曝光机，控制曝光能量为500mj/cm2，并显影4min，制备出台面腐蚀光刻胶图案，使N电极所处的外延结构裸漏出来，供后续腐蚀用；
S7、将裸露出来的外延结构进行腐蚀，采用HCl：H2O＝1:3的配液比例，腐蚀掉N电极区域位于外延层的N-InP待扩散层，再使用H3PO4：H2O2:H2O＝1:0.5:6的配液比例，腐蚀掉N电极区域位于外延层的InGaAs吸收层；去除光刻胶；
S8、在步骤S3之后进行钝化步骤，采用ICP-CVD镀膜机台，在表面镀制钝化层Si3N4，厚度为200nm，折射率为1.8。
S9、在钝化层的表面旋涂一层AZ-4620正性光刻胶，控制转速在3000r/min，110℃烘烤8min，进行曝光显影，使用自动曝光机，控制曝光能量为500mj/cm2，并显影4min，制备出N电极孔和P电极孔光刻胶图案，使N电极孔和P电极孔所处的钝化层裸漏出来；
S10、采用HF：H2O＝1:4的配液比例，腐蚀掉N电极孔和P电极孔所处的绝缘钝化层；去除正性光刻胶；
S11、步骤S10之后的表面旋涂RN-246负性光刻胶，控制转速在2500r/min，110℃烘烤8min，进行第三次曝光显影，使用自动曝光机，控制曝光能量为200mj/cm2，并显影4min，制备出P电极孔图案；使用磁控溅射机和Au靶材，在表面上溅射制备Au膜，厚度为0.5μm，溅射结束后剥离片子表面其余部位的IZO膜，去除负性光刻胶；
S12、步骤S11之后的表面旋涂RN-246负性光刻胶，控制转速在2500r/min，110℃烘烤8min，进行第四次曝光显影，使用自动曝光机，控制曝光能量为200mj/cm2，并显影4min，制备出N电极孔图案；使N电极孔裸漏出来；使用磁控溅射机和Au靶材，在片子上溅射制备Au膜，厚度为4μm，溅射结束后剥离片子表面其余部位的Au膜，去除负性光刻胶；
S13、将S12制备的产品在300℃退火1h，使得Au与外延层形成良好的欧姆接触，即得InGaAs短波红外探测器。将本发明的InGaAs短波红外探测的制备方法和对比例1(采用传统工艺)的制备方法相比，本发明的InGaAs短波红外探测器通过采用IZO膜作为P电极的材料，IZO膜通过Zn扩散使得和IZO膜接触的N-InP待扩散层区域形成P型InP接触层，一方面，通过引入IZO膜可以极大的减少了工艺步骤(减少了一道镀膜、光刻、腐蚀和扩散)和减少套刻引起的位置偏差，增加了像元位置精度；另一方面，其还能够提升其电性能，及其对应波长的响应度。
使用本发明实施例1和传统工艺对比例1红外探测器的EQE响应见图3。从图3中可以看出，传统工艺红外探测器的EQE响应在全波段800-1700nm处都低于实施例1，这是由于本发明减少了一道镀膜、光刻、腐蚀和扩散，减少了工艺过程中引入杂质的影响，同时本发明的P型接触材料是IZO薄膜，IZO薄膜作为透明导电薄膜，透光性好，同时也有一定的减反射功能，因此EQE响应要高于传统工艺红外探测器。
上面结合本发明实施例作了详细说明，但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。
Claims (10)
1.一种InGaAs短波红外探测器，其特征在于，包括；
衬底；
N型InP接触层；所述N型InP接触层位于衬底表面；
InGaAs吸收层；所述InGaAs吸收层位于N型InP接触层表面；
N-InP待扩散层；所述N-InP待扩散层位于InGaAs吸收层表面；
钝化层；所述钝化层位于N-InP待扩散层的表面；
P电极；所述P电极位于N-InP待扩散层的表面；
所述P电极的成分为IZO膜；所述IZO膜通过热处理发生Zn扩散，使得和IZO膜接触的N-InP待扩散层区域形成P型InP接触层；
N电极；所述N电极位于N型InP接触层的表面。
2.根据权利要求1所述的InGaAs短波红外探测器，其特征在于，所述InGaAs吸收层的厚度为2～4μm。
3.根据权利要求1所述的InGaAs短波红外探测器，其特征在于，所述N-InP待扩散层的厚度为0.5～1μm。
4.根据权利要求1所述的InGaAs短波红外探测器，其特征在于，所述N型InP接触层的厚度为0.5～1μm。
5.根据权利要求1所述的InGaAs短波红外探测器，其特征在于，所述衬底为N型InP。
6.根据权利要求1所述的InGaAs短波红外探测器，其特征在于，所述钝化层的成分为Si3N4；优选地，所述钝化层的厚度为100～500nm。
7.根据权利要求1所述的InGaAs短波红外探测器，其特征在于，所述IZO膜的厚度为500～1500nm。
8.根据权利要求1～7任一项所述的InGaAs短波红外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在衬底表面依次外延生长N型InP接触层、InGaAs吸收层和N-InP待扩散层；
S2、在N-InP待扩散层的表面旋涂一层正性光刻胶并干燥，进行第一次曝光显影，制备出台面腐蚀光刻胶图案，使N电极所处的外延结构裸漏出来；
S3、将裸露出来的外延结构进行腐蚀，去除N电极所处区域的N-InP待扩散层和InGaAs吸收层；去除光刻胶；
S4、在步骤S3之后进行钝化步骤，在表面制作一层钝化层。
S5、在钝化层的表面旋涂一层正性光刻胶并干燥，进行第二次曝光显影，制备出N电极孔和P电极孔光刻胶图案，使N电极孔和P电极孔所处的钝化层裸漏出来；
S6、将裸漏出来的钝化层进行腐蚀，去除正性光刻胶；
S7、步骤S6之后的表面旋涂负性光刻胶并干燥，进行第三次曝光显影，制备出P电极孔图案；使用磁控溅射的方法在表面上溅射制备IZO膜，溅射结束后剥离表面其余部位的IZO膜，去除负性光刻胶；
S8、步骤S7之后的表面旋涂负性光刻胶并干燥，进行第四次曝光显影，制备出N电极孔图案；使N电极孔裸漏出来；使用磁控溅射的方法在表面溅射形成N电极；溅射结束后剥离表面其余部位的N电极膜，去除负性光刻胶；
S9、将S8制备的产品进行退火，使得IZO膜里的Zn组分扩散进入N-InP待扩散层，形成P型InP接触层，即得InGaAs短波红外探测器。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一次曝光显影、第二次曝光显影、第三次曝光显影和第四次曝光显影的曝光能量为200～800mj/cm2。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述退火的温度为300～400℃。
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|---|---|---|---|
| CN202310791358.XA CN116722072A (zh) | 2023-06-29 | 2023-06-29 | 一种InGaAs短波红外探测器及其制备方法 |
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