CN116845076A - 一种光探测器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光探测器件及其制备方法，步骤S1：提供一形成有读出电路阵列的基板，阵列中的每一个读出电路的单元对应一个像素单元；步骤S2：在基板的读出电路阵列上形成电子传输层阵列；步骤S3：在像素单元之间形成隔离墙；步骤S4：在隔离墙之间填充光电转化层阵列；步骤S5：在光电转化层阵列上方形成透明公共电极层阵列，通过先行成像素墙，利用加工工艺形成光电像素点，节省材料，降低成本，提高器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种光探测器件及其制备方法。
背景技术
21世纪以来，随着半导体技术的不断进步，图像传感技术得到了飞速发展，经过近十年的研发，据统计，室温下大部分物体辐射波处在红外波段。于是，红外辐射成像方式成为一种全新的探测方式，红外成像技术利用红外光电系统将接收到的红外辐射进行光电转换，转为人眼可察觉图像。硅基成像阵列分辨率逐渐提高、像素规模不断扩大、像素尺寸逐渐减小，像素规模已达亿级。根据调查统计数据显示，硅基图像传感器市场逐年增长，然而，受限于硅的吸收，硅基图像传感器的探测波段仅为1.1μm，且在1700nm波段之后处于探测盲区，限制了其在自动驾驶、夜间拍摄等领域的广泛应用。
短波红外(SWIR)的范围在900到2500nm之间，它占据了近红外以上的电磁波谱，完全超出了传统硅基成像传感器的能力范围。尽管如此，SWIR波段在机器视觉中的应用越来越多，因为它提供了独特的检测、分类和质量控制能力，以及环境光应用，如监视和遥感。由于硅的量子效率在超过800纳米后会迅速衰减，所以SWIR传感器依赖于其他化学成分，如铟镓砷化物(InGaAs)或碲化汞镉(MCT)。传统短波红外焦平面传感器较多采用铟镓砷材料，制备后的探测器阵列通过铟柱倒装键合工艺与硅基读出电路互联，与其他成像方式相比，它们具有较高成熟程度，但是半导体外延生长成本高，倒装键合成功率低，导致采用铟镓砷材料制备的短波红外焦平面传感器的造价高昂，器件可靠性差。
发明内容
为了解决上述光探测器件性能的问题，本发明提出了一种光探测器件及其制备方法，通过形成隔离墙，提高了器件的性能。
本发明的光探测器件制备方法，包括：
步骤S1：提供一形成有读出电路阵列的基板，阵列中的每一个读出电路的单元对应一个像素单元；
步骤S2：在基板的读出电路阵列上形成电子传输层阵列；
步骤S3：在像素单元之间形成隔离墙；
步骤S4：在隔离墙之间填充光电转化层阵列；
步骤S5：在光电转化层阵列上方形成透明公共电极层阵列。
本发明还提供了一种光探测器件，包括：形成有读出电路阵列的基板，阵列中的每一个读出电路的单元对应一个像素单元；
位于读出电路阵列上的电子传输层阵列；
位于像素单元之间的隔离墙；
填充在隔离墙之间的光电转化层阵列；
位于光电转化层阵列上方的透明公共电极层阵列。
本发明的光探测器件及制备方法，通过先行成像素墙，利用加工工艺(如喷墨打印等)形成光电像素点，节省材料，降低成本，提高器件性能。
本方案提供一种在像素周围形成金属网格，这样可以很大提高电子的迁移率，提高器件的响应时间。另外，通过加金属网格进行光学隔离，即阻挡光线进入相邻的光电二极管改善光电像素之间光学干扰。
本方案在像素的感光区域上方形成微透镜，此时感光面积不再由感光的开口面积决定，而由微透镜的表面积来决定，这样可以兼顾单一像素大小的同时，提高感光度，从而实现高分辨率，在通过加工工艺，把ITO刻成微透镜的，这样既节约了成本，又提高了器件的性能。
附图说明
图1为本发明的光探测器件的制备方法一实施例的流程图；
图2～图6为本发明的光探测器件的制备方法第一实施例的示意图；
图7为本发明的光探测器件的制备方法第二、三实施例的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本申请实施例提供了一种光探测器件及其制备方法，参考图1～图6，本申请的制备方法包括：
步骤S1：提供一形成有读出电路阵列110的基板120，阵列中的每一个读出电路的单元对应一个像素单元。
具体的，所述基板包括像素单元区域130和隔离区140，像素单元区域130用以形成像素单元阵列，在本实施例中，像素单元130区域具有阵列分布的读出电路阵列110，在像素单元区域的每个像素单元形成有读出电路(ROIC)，读出电路负责为像素单元阵列提供稳定可靠的电压偏置，将输入电流积分转化为电压信号，并经过放大和缓冲转化为合适的输出电压供后续模块使用。除此之外，读出电路还会搭载数字控制模块，实现多种开窗以及时序控制功能，因此，读出电路的性能决定了红外焦平面阵列的成像质量。在传统技术中，不同像素之间具有暗电流，从而造成电路工作的性能较差。
在其中一些实施例中，所述基板120可以包括半导体衬底，衬底的材料可以为Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC、SiO2等半导体材料。利用半导体衬底形成读出电路阵列110，读出电路阵列可以为利用半导体常规制程形成的功能性电路。还可以包括将所述基板放入真空钼腔室中，通入Ar气控制腔内气压在1.0-3.0Pa，所述底电极为钼电极，金，钛，不锈钢，ITO。300-350W功率直流溅射8-10圈，再在0.3-0.5Pa的气压下用800-1000W的功率溅射4-6圈，关闭Ar气，冷却5-10min后取出，形成读出电路阵列的底电极。
步骤S2：在基板120的读出电路阵列110上形成电子传输层阵列150。
具体的，本实施例中，在所述读出电路上制备电子传输层的步骤中，具体包括下述步骤：
在基板120上形成图形层，如先涂敷光刻胶，利用光刻形成具有沟槽开口的图形层，开口暴露读出电路阵列，当然，也可以利用其它常规的方法形成在读出电路阵列上方具有开口的图形层。
然后，继续形成电子传输层材料，所述电子传输层材料可以为n型杂质的多晶硅或者金属，也可以为p型杂质的多晶硅，金属包括铝、钛、镍或者金等。可以通过磁控溅射、蒸镀等物理气相沉积或者化学气相沉积的方法形成电子传输层阵列150。例如将带有底电极的基板送入MBE真空镀膜腔体中，控制真空度为2x10-5-5x10-5Pa，采用五源同时蒸镀的方法，用Cu，Zn，Cd，Sn，Se作为靶材，使用一步法生长前驱体，在所述沟槽开口内形成所述电子传输层阵列150。具体地，首先对基板进行升温，升温至120-130摄氏度并稳定后，对上述五个源靶材分别预热20min后打开挡板，同时蒸镀20-30min，关闭挡板后取出，得到约1-2μm厚的电子传输层材料。当然，也可以利用其他工艺，例如3D打印或者物理气相沉积等方法形成电子传输层。
因为电子传输层材料只在读出电路阵列上方分布，因此电子传输层阵列150呈阵列分布，在本实施例中如图3所示在形成电子传输层阵列之间形成有介质层。该介质层可以为沉积电子传输层材料之前形成的图形层。
步骤S3：在像素单元之间形成隔离墙160。
具体的，参考图4，在本实施例中可以现在像素单元之间的隔离区140沉积光刻胶层，例如在形成有电子传输层的基板表面沉积光刻胶层，然后图案化光刻胶层，在隔离区的光刻胶层中形成沟槽开口，接着在沟槽开口内沉积金属材料，形成隔离墙，沉积采用物理及化学气相沉积，例如用物理气相沉积设备，用金属铝靶材，用氩气做为溅射气体，真空是5*10-7torr以下；气体金属是常见的半导体金属，如铜，钨，金等也适用。最后去除光刻胶层。
步骤S4：在隔离墙160之间填充光电转化层阵列170。
具体的，参考图5，可以通过3D打印的方式，打印工艺采用具有高打印分辨率的3D打印技术根据打印机校准文件打印测试图形及打印材料性能，选择合适的打印参数为：如打印速度为50-100mm/s；光电材料如PbS，采用平台加热及红外固化方式；平台加热温度为50-100℃。光电材料打印电压5-20V,材料的厚度100-150nm。所述光电转化层阵列可以由光电材料层和介电材料的叠层构成。其中，介电材料采用平台加热及紫外固化方式。
在本实施例中，光电材料PbS(硫化铅)制成的胶体量子点光电转换层适合用于可见光和短波红外光的吸收，因此能够提高胶体量子点光电转换层对可见光和短波红外光的转化效率，刺激胶体量子点光电转换层产生更多的光生载流子，提高光生载流子定向移动形成的电流强度，从而提高短波红外焦平面传感器的电信号的强度，提高短波红外焦平面传感器的分辨率。
PI结的作用与PN结类似，具有单向导通性，只是两端的半导体与PN结不同，一端为本征半导体，一端为P型半导体。当光线透过公共电极辐照到胶体量子点光电转换层，胶体量子点光电转换层产生光生载流子，并在偏置电极与公共电极之间形成的电场作用下，形成定向电流，当定向电流满足一定条件时薄膜晶体管开启，将该电流信号通过薄膜晶体管的漏极发送至成像设备，因此隔离区的暗电流对器件性能的影响很大。
在本实施例中，通过先形成像素墙160，然后采用磁控溅射技术形成光电像素点，节省材料，降低成本；像素墙通过设计还能实现像素隔离来降低暗电流水平，提高器件性能。
步骤S5：在光电转化层阵列上方形成透明公共电极层阵列180。
具体的，参考图6，在光电转化层上方沉积透明公共电极层180(ITO)，例如铟锡氧化物半导体。ITO层形成过程参数选用机台真空在10-5×10-4Pa条件下，直流功率为100-300W，射频功率300-500W，氩气流量50-150sccm制备ITO，ITO的厚度是250-350nm。
参考图7，在本发明的第二实施例中，在形成ITO层之前，还包括在隔离墙上方形成金属层210，从而在像素周围形成金属网格，这样可以很大提高电子的迁移率，提高器件的响应时间。另外，通过加金属网格进行光学隔离，即阻挡光线进入相邻的光电二极管改善光电像素之间光学干扰，具体的，可以利用电镀或者物理气相沉积的方法形成。
继续参考图7，在本发明的第三实施例中，在形成ITO层后还包括：在ITO层对应的像素感光区域上方形成微透镜220，此时感光面积不再由感光的开口面积决定，而由微透镜的表面积来决定，这样可以兼顾单一像素大小的同时，提高感光度，从而实现高分辨率，在通过加工工艺，把ITO刻成微透镜的，这样既节约了成本，又提高了器件的性能。
在本实施例中，具体的，在ITO表面涂敷光刻胶，然后利用灰度曝光工艺形成所要的图案和光刻胶形貌，曝光参数规格如：写头分辨率：1μm写头直写速率：150(mm2/min)，激光波段：405nm，灰度直写阶数:256级，自动对焦精度：100nm。
用干法刻蚀工艺在透明公共电极层阵列的每一个单元上方保留弧形表面的光刻胶图形，形成微透镜，具体的干法刻蚀工艺把光刻团转移到ITO上面，采用ICP干法刻蚀工艺：RF功率在100-300W，ICP功率是200-400W，气体压强5-15mtorr，气体可以选择氯气25-35sccm，C2H4 5-10sccm,Ar 40-60sccm混合气体。
除此之外，本发明还提供了一种上述方法形成的光探测器件，包括：形成有读出电路阵列的基板，阵列中的每一个读出电路的单元对应一个像素单元；位于读出电路阵列上的电子传输层阵列；位于像素单元之间的隔离墙；填充在隔离墙之间的光电转化层阵列；位于光电转化层阵列上方的透明公共电极层阵列。
在光探测器件第二实施例中，在隔离墙上方还包括金属网格。
在光探测器件第三实施例中，在在光电转化层阵列对应的在透明公共电极层阵列上方还形成有微透镜。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种光探测器件的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S1：提供一形成有读出电路阵列的基板，阵列中的每一个读出电路的单元对应一个像素单元；
步骤S2：在基板的读出电路阵列上形成电子传输层阵列；
步骤S3：在像素单元之间形成隔离墙；
步骤S4：在隔离墙之间填充光电转化层阵列；
步骤S5：在光电转化层阵列上方形成透明公共电极层阵列。
2.根据权利要求1所述的光探测器件的制备方法，其特征在于，形成所述隔离墙，是采用用物理及化学气相沉积，金属靶材铝、铜，钨或金，用氩气做为溅射气体，真空是5*10-7torr以下。
3.根据权利要求1所述的光探测器件的制备方法，其特征在于，所述填充光电转化层阵列的方法为：3D打印的方式。
4.根据权利要求3所述的光探测器件的制备方法，其特征在于，3D打印的打印参数为：打印速度为50-100mm/s；光电材料PbS，采用平台加热及红外固化方式；平台加热温度为50-100℃，光电材料打印电压5-20V，材料的厚度100-150nm。
5.根据权利要求1所述的光探测器件的制备方法，其特征在于，在步骤S4和S5之间还包括，在隔离墙上方形成金属层，从而在像素周围形成金属网格。
6.根据权利要求1所述的光探测器件的制备方法，其特征在于，在形成透明公共电极层阵列后还包括步骤：
在透明公共电极层阵列表面涂敷光刻胶；
利用灰度曝光工艺形成所要的图案和光刻胶形貌；
用干法刻蚀工艺在透明公共电极层阵列的每一个单元上方保留弧形表面的光刻胶图形，形成微透镜。
7.根据权利要求6所述的光探测器件的制备方法，其特征在于，所述干法刻蚀采用ICP干法刻蚀工艺：RF功率在100-300W，ICP功率是200-400W，气体压强5-15mtorr，气体选择氯气25-35sccm，C2H45-10sccm，Ar40-60sccm混合气体。
8.一种光探测器件，其特征在于，包括：
形成有读出电路阵列的基板，阵列中的每一个读出电路的单元对应一个像素单元；
位于读出电路阵列上的电子传输层阵列；
位于像素单元之间的隔离墙；
填充在隔离墙之间的光电转化层阵列；
位于光电转化层阵列上方的透明公共电极层阵列。
9.根据权利要求8所述的光探测器件，其特征在于，在隔离墙上方还包括金属网格。
10.根据权利要求8所述的光探测器件，其特征在于，在光电转化层阵列对应的透明公共电极层阵列上方还形成有微透镜。
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