CN117334752A - 增透膜的制备方法、硅基阻挡杂质带探测器及芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种增透膜的制备方法、硅基阻挡杂质带探测器及芯片。增透膜的制备方法为硅基阻挡杂质带探测器的增透膜的制备方法，包括如下步骤：步骤一：增透膜设计；增透膜的光学厚度和参考波长λ有关，二者的关系为nd＝λ/4，其中n为增透膜材料的折射率，d为增透膜的物理厚度。步骤二：硅衬底减薄抛光；步骤三：增透膜的生长；使用常温电子束蒸发工艺在减薄抛光后的衬底背面生长红外增透材料膜；腔体的真空度为9×10‑4Pa，沉积速率为红外增透材料膜的生长厚度为1～2μm。优选的，硫化锌作为10～15μm红外波段范围的增透材料。本发明将硫化锌增透薄膜应用到硅基阻挡杂质带探测器上，显著提升了10～15μm波段范围内光的透过率，即本发明适用于远红外或长波红外工况。
Description
技术领域
本发明涉及长波红外光电探测器技术，具体地，涉及一种增透膜的制备方法、硅基阻挡杂质带探测器及芯片，尤其地，涉及一种硅基阻挡杂质带探测器增透膜的制备方法。
背景技术
硅基阻挡杂质带探测器是基于光电导技术的一种红外探测器，是由非本征光电导探测器优化而来，功能层主要包括重掺杂的吸收层和本征阻挡层。硅基阻挡杂质带探测器的探测机理是基于吸收层杂质带的载流子跃迁，可实现对5～40μm波段范围内的红外辐射进行有效探测。凭借着高量子效率、低暗电流、宽响应谱、极强的抗辐射能力及可大规模阵列集成等优点，硅基阻挡杂质带探测器在民用、军事和航空航天等领域有着广泛的应用前景。
红外探测技术的飞速发展对探测器性能提出了更高的要求，因此需要进一步提升红外探测器的响应率。由于硅基阻挡杂质带探测器的工作波段在5～40μm范围，且硅衬底对这些波长光的反射很大，极大地限制了探测器对光子的吸收效率，严重影响器件的探测效率。为了提高器件对光的吸收效率，增厚吸收层和提高光的透过率是两种比较简单有效的手段。但是，吸收层厚度增大通常会导致光生载流子复合几率的增大，探测器噪声增加，从而降低探测器量子效率和灵敏度，因此提高光的透过率可以作为提高器件光吸收效率的有效手段，从而进一步提升探测器的响应率。
光学增透膜是最常用的光学增透手段，且已被应用到众多红外探测器以提高量子效率。但是这些集成有光学增透膜的红外探测器的探测波段主要集中在短波红外和中波红外，将光学增透膜集成到工作在长波红外的硅基阻挡杂质带探测器上目前鲜有报道。
专利文献CN104035146A明公开了二氧化碲基底上的一种中短波红外增透膜，该增透膜使用了硫化锌(ZnS)和氟化镱(YbF3)为不同折射率的膜层材料，使用离子源辅助沉积与合适的基底烘烤温度等特定工艺条件，在基底的两个表面分别沉积8层非规整的膜层。该增透膜元件可以使得在1.25～4.0微米(μm)区间具有良好的透光效果，平均透过率＞95％。但该方案仍是关于短波红外和中波红外的方案，不适用于长波红外工况。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种增透膜的制备方法、硅基阻挡杂质带探测器及芯片。
根据本发明提供的一种增透膜的制备方法，
所述增透膜的制备方法为硅基阻挡杂质带探测器的增透膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：增透膜设计；
增透膜的设计结构为Si/Anti-reflection film/Air，其中Si为本征的高阻硅，作为衬底材料，Anti-reflection film为红外增透材料；
增透膜的光学厚度和参考波长λ有关，二者的关系为nd＝λ4，其中n为增透膜材料的折射率，d为增透膜的物理厚度。
步骤二：硅衬底减薄抛光；
所述硅衬底为硅基阻挡杂质带探测器所具有的硅衬底；
对硅基阻挡杂质带探测器硅衬底进行减薄，厚度减薄至400～500μm；接着对衬底进行抛光；然后将抛光后的硅基阻挡杂质带探测器放入到有机溶剂丙酮中进行清洗，超声5-15分钟，异丙醇超声清洗3-8分钟，去离子水进行冲洗并用氮气吹干表面；
步骤三：增透膜的生长；
将清洗好的硅基阻挡杂质带探测器放入光学镀膜机的腔体中，使用常温电子束蒸发工艺在减薄抛光后的探测器衬底背面生长红外增透材料膜；腔体的真空度为9×10-4Pa，沉积速率为红外增透材料薄膜的生长厚度为1～2μm。
优选的，所述红外增透材料为蓝宝石、尖晶石、硫化锌、硒化锌、氟化镁、金红石、氟化钙、氧化钇或氧化锆。
优选的，所述硫化锌作为10～15μm红外波段范围的增透材料。
根据本发明提供的一种硅基阻挡杂质带探测器芯片，包括增透膜，所述增透膜为权利要求1-3任一项所述的增透膜的制备方法制成；
硅衬底上依次设置有硅掺磷的埋层、吸收层以及阻挡层；所述阻挡层上设置有电极接触层；电极接触层上设置有正电极；
硅衬底、硅掺磷的埋层、吸收层以及阻挡层均与负电极接触。
优选的，电极接触层是通过离子注入及热退火工艺生成的正电极接触区。
优选的，硅掺磷的埋层是通过采用化学气相沉积工艺外延生长的低电阻率负电极接触区。
优选的，阻挡层是采用化学气相沉积外延生长的高阻硅阻挡层。
优选的，吸收层是采用化学气相沉积工艺外延生长的硅掺磷吸收层。
优选的，负电极是V型负电极。
根据本发明提供的一种硅基阻挡杂质带探测器，采用所述的硅基阻挡杂质带探测器芯片；还包括带有铟柱阵列的基板；硅基阻挡杂质带探测器芯片与带有铟柱阵列的基板通过倒焊方式相互连接。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明将硫化锌增透薄膜应用到硅基阻挡杂质带探测器上，显著提升了10～15μm波段范围内光的透过率，即本发明适用于远红外或长波红外工况(远红外或长波红外(LWIR，IR-C DIN)，波长范围为7.5～14μm)。
2、本发明增透膜的生长采用常温生长的方式，避免了高温可能造成吸收层中掺杂杂质的扩散。
3、本发明采用常温电子束蒸发镀膜的方式制备硫化锌增透膜，保证了硫化锌增透膜与探测器硅衬底表面之间的附着性，实现了增透薄膜在探测器较低的工作温度(小于10K)下不会发生碎裂和脱落的技术效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的剖面结构示意图；
图2为FDTD软件模拟的结构为Si/Anti-reflection film/Air多层薄膜的透射率曲线图；
图3为探测器衬底表面实测的反射率曲线图；
图4为探测器衬底表面实测的透射率曲线图；
图5为128×128的硅基阻挡杂质带探测器的响应率曲线图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种增透膜的制备方法，所述增透膜的制备方法为硅基阻挡杂质带探测器的增透膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：增透膜1设计；
增透膜1的设计结构为Si/Anti-reflection film/Air，其中Si为本征的高阻硅，作为衬底材料，Anti-reflection film为红外增透材料；
所述红外增透材料为蓝宝石、尖晶石、硫化锌、硒化锌、氟化镁、金红石、氟化钙、氧化钇或氧化锆；经过模拟这些增透材料对探测器工作波段的增透效果，优选的，选用硫化锌作为10～15μm红外波段范围的增透材料，即，增透膜1是增透膜硫化锌薄膜。
增透膜1的光学厚度和参考波长λ有关，二者的关系为nd＝λ4，其中n为增透膜1材料的折射率，d为增透膜的物理厚度。
步骤二：硅衬底2减薄抛光；
所述硅衬底2为硅基阻挡杂质带探测器所具有的硅衬底2。
对硅基阻挡杂质带探测器硅衬底进行减薄，厚度减薄至400～500μm；接着对衬底进行抛光；然后将抛光后的硅基阻挡杂质带探测器放入到有机溶剂丙酮中进行清洗，超声5-15分钟，优选的，为10分钟，异丙醇超声清洗3-8分钟，优选的，为5分钟，去离子水进行冲洗并用氮气吹干表面。
步骤三：增透膜1的生长；
将清洗好的硅基阻挡杂质带探测器放入光学镀膜机的腔体中，使用常温电子束蒸发工艺在减薄抛光后的探测器衬底背面生长红外增透材料薄膜；腔体的真空度为9×10-4Pa，沉积速率为红外增透材料薄膜的生长厚度为1～2μm。
在一个优选例中，所述常温为15℃-25℃。
本发明还提供了一种硅基阻挡杂质带探测器芯片，包括增透膜1，所述增透膜1为所述的增透膜的制备方法制成；硅衬底2上依次设置有硅掺磷的埋层3、吸收层4以及阻挡层5；所述阻挡层5上设置有电极接触层7；电极接触层7上设置有正电极8；硅衬底2、硅掺磷的埋层3、吸收层4以及阻挡层5均与负电极6接触。在一个优选例中，所述硅衬底2是高纯硅衬底，硅掺磷的埋层3是通过采用化学气相沉积工艺外延生长的低电阻率负电极接触区；吸收层4是采用化学气相沉积工艺外延生长的硅掺磷吸收层；阻挡层5是采用化学气相沉积外延生长的高阻硅阻挡层。负电极6是V型负电极；电极接触层7是通过离子注入及热退火工艺生成的正电极接触区；10是高纯硅基板。
本发明还提供了一种硅基阻挡杂质带探测器，采用所述的硅基阻挡杂质带探测器芯片；还包括带有铟柱阵列9的基板10；硅基阻挡杂质带探测器芯片与带有铟柱阵列9的基板10通过倒焊方式相互连接。具体的，基板10通过铟柱阵列9与正电极8、负电极6相连。更具体的，硅基阻挡杂质带探测器采用如下方式制成：在经减薄抛光后的硅衬底2底部生长增透膜1，所述硅衬底2上采用化学气相沉积工艺依次外延生长硅掺磷的埋层3、吸收层4以及阻挡层5，通过离子注入及热退火工艺形成电极接触层7、通过蒸镀生长负电极6、正电极8和铟柱阵列9。硅基阻挡杂质带探测器是将硅基阻挡杂质带探测器芯片与带有铟柱阵列9的基板10通过倒焊互连的方式制备得到。
在众多红外增透材料之中，硫化锌凭借独特的光学特性确保了其在红外波段透明，可实现10～15μm远红波段较高的透过率。在本发明中，通过将硫化锌增透薄膜应用到硅基阻挡杂质带探测器上，显著提升了10～15μm波段范围内光的透过率，并有效提高了器件的响应率。在本发明中所提到的硅基阻挡杂质带探测器是由硅基阻挡杂质带探测器芯片和具有电极引脚(即铟柱阵列9)的硅基基板(即基板10)组成的复杂结构，探测器芯片工作在10K以下的低温环境中，探测器芯片和基板通过铟柱进行连接，探测器芯片的硅衬底减薄抛光到400～500μm，便于增透膜的生长。在本发明中，为了避免高温可能造成吸收层中掺杂杂质的扩散，增透膜的生长采用常温生长的方式。在增透膜的生长过程中，需要使用高温胶带将硅基基板上的电极引脚保护好，以防增透膜将其覆盖，造成器件绝缘而影响性能。所提到的硅基阻挡杂质带探测器采用背照射的方式，即光从减薄抛光后的硅衬底2背面入射到探测器，这就要求增透膜生长在硅衬底的背面，因此需要对硅衬底的背面进行充分的减薄抛光，以增强增透膜与器件之间的粘附性和提升增透膜的均匀性。
在一个实施例中，所述硅基阻挡杂质带探测器是由带有铟柱阵列9安装位的128×128元硅基阻挡杂质带探测器芯片和带有铟柱阵列9的硅基基板10通过倒焊互连技术组成。首先，在硅衬底2上采用化学气相沉积工艺依次外延生长硅掺磷的埋层3、吸收层4和阻挡层5。其次，通过离子注入及热退火工艺形成电极接触层7，通过蒸镀工艺生长负电极6、正电极8。然后，通过倒装焊工艺将带有铟柱阵列9安装位的128×128元硅基阻挡杂质带探测器芯片和带有铟柱阵列9的硅基基板10互连。接着，通过减薄抛光工艺将探测器硅衬底减薄抛光到400～500μm。最后，通过常温电子束蒸发工艺在已减薄抛光后的探测器硅衬底表面生长硫化锌薄膜，厚度1～2μm。通过以上这些半导体工艺步骤，完成了硅基阻挡杂质带探测器及其增透膜的制备。在此实施例中，采用常温电子束蒸发镀膜的方式制备硫化锌增透膜，保证了硫化锌增透膜与探测器硅衬底表面之间的附着性，通过优化增透膜的工艺参数，可实现增透薄膜在探测器较低的工作温度(小于10K)下不会发生碎裂和脱落。所述硫化锌薄膜材料与本实例中所使用的128×128阵列的硅基阻挡杂质带探测器的硅衬底的折射率匹配良好，可有效减小红外辐射在探测器表面的反射并提升其透射率。本实例中所使用的硅基阻挡杂质带探测器硅衬底的折射率为3.4，所采用电子束蒸发镀膜制备的硫化锌增透膜的折射率为1.9，经理论计算得到当硫化锌厚度为1～2μm时，可有效提高探测器硅衬底在10～15μm远红外波段的透过率，同时可有效提升硅基阻挡杂质带探测器的响应率。在制备增透膜之前，需要将硅基阻挡杂质带探测器清洗干净。利用光学镀膜机采用电子束蒸发镀膜的方式常温生长硫化锌薄膜。光学镀膜机的腔体真空度为9×10-4Pa，沉积速率为获得的硫化锌薄膜的厚度为1～2μm。
如图2所示，曲线A为模拟的衬底表面没有生长增透膜的透射率曲线，曲线B为模拟的衬底表面生长有增透膜的透射率曲线。从模拟的结构可见，硫化锌薄膜的存在极大地增加了Si衬底对10～15μm波段红外辐射的透过率。如图3所示，曲线C为衬底表面没有生长增透膜的反射率曲线，曲线D为衬底表面生长有增透膜的反射率曲线。如图4所示，曲线E为衬底表面没有生长增透膜的透射率曲线，曲线F为衬底表面生长有增透膜的透射率曲线。从图3和图4中可以看出，在探测器上生长有硫化锌增透膜后，在10～15μm波段的红外辐射在探测器衬底表面的反射率从42％降低到25％，透射率从原先的50％提升到65％左右。如图5所示，曲线G为衬底表面没有生长增透膜的器件的响应率曲线，曲线H为衬底表面生长有增透膜的器件的响应率曲线。从图中可以看出，在128×128阵列像元的硅基阻挡杂质带探测器上生长硫化锌增透膜后，探测器响应率最高可提升15％～20％左右。
本发明中的增透膜是采用电子束蒸发镀膜的方式在硅基阻挡杂质带探测器的硅衬底上常温生长的硫化锌薄膜，硫化锌薄膜材料可以有效地提升红外辐射在探测器表面的透过率，从而显著提升探测器的响应效率。也就是说，本发明在硅基阻挡杂质带探测器硅衬底上采用常温电子束蒸镀生长硫化锌增透膜，显著提升了光在其工作波段10～15μm范围内的透射效果，同时有效提升了探测器的响应率。
本发明使用的硫化锌增透膜在红外波段透明且吸收较少，硫化锌薄膜材料与硅基阻挡杂质带探测器硅衬底的折射率有着较好的匹配，通过对硫化锌增透膜参数的优化，并将其集成到硅基阻挡杂质带。本发明中采用FDTD软件进行硫化锌增透膜的仿真设计，实现透过率的显著提升，避免了多次工艺及测试所耗费的人力物力成本，加快了研发进度。探测器上，可有效地提升探测器在10～15μm远红波段外的透过率及响应率。本发明对硅基阻挡杂质带探测器硅衬底进行减薄抛光，减小了衬底对信号的吸收，增强了增透膜的均匀性。本发明采用常温电子束蒸发镀膜的方式在探测器硅衬底上生长硫化锌增透膜，可提高硫化锌增透膜与探测器硅衬底表面之间的粘附性，并且通过对增透膜生长过程中的温度和速率进行工艺优化，有效地减小了硫化锌薄膜与硅衬底之间的接触应力，避免了增透薄膜在探测器工作温度(小于10K)下发生碎裂和脱落。本发明在硅衬底表面生长硫化锌薄膜，起到增透作用的同时，可对器件表面进行保护，避免因表面污染、腐蚀造成的性能下降，增加了器件的稳定性及可靠性，且常温生长硫化锌薄膜，既避免了吸收层杂质扩散造成的响应率下降，同时又消除了高温造成铟柱溶解、电学连接断路导致死像元的问题。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种增透膜的制备方法，其特征在于，
所述增透膜的制备方法为硅基阻挡杂质带探测器的增透膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：增透膜(1)设计；
增透膜(1)的设计结构为Si/Anti-reflection film/Air，其中Si为本征的高阻硅，作为衬底材料，Anti-reflection film为红外增透材料；
增透膜(1)的光学厚度和参考波长λ有关，二者的关系为nd＝λ4，其中n为增透膜(1)材料的折射率，d为增透膜的物理厚度；
步骤二：硅衬底(2)减薄抛光；
所述硅衬底(2)为硅基阻挡杂质带探测器所具有的硅衬底(2)；
对硅基阻挡杂质带探测器硅衬底进行减薄，厚度减薄至400～500μm；接着对衬底进行抛光；然后将抛光后的硅基阻挡杂质带探测器放入到有机溶剂丙酮中进行清洗，超声5-15分钟，异丙醇超声清洗3-8分钟，去离子水进行冲洗并用氮气吹干表面；
步骤三：增透膜(1)的生长；
将清洗好的硅基阻挡杂质带探测器放入光学镀膜机的腔体中，使用常温电子束蒸发工艺在减薄抛光后的探测器衬底背面生长红外增透材料膜；腔体的真空度为9×10-4Pa，沉积速率为红外增透材料膜的生长厚度为1～2μm。
2.根据权利要求1所述的增透膜的制备方法，其特征在于，所述红外增透材料为蓝宝石、尖晶石、硫化锌、硒化锌、氟化镁、金红石、氟化钙、氧化钇或氧化锆。
3.根据权利要求2所述的增透膜的制备方法，其特征在于，所述硫化锌作为10～15μm红外波段范围的增透材料。
4.一种硅基阻挡杂质带探测器芯片，其特征在于，包括增透膜(1)，所述增透膜(1)为权利要求1-3任一项所述的增透膜的制备方法制成；
硅衬底(2)上依次设置有硅掺磷的埋层(3)、吸收层(4)以及阻挡层(5)；所述阻挡层(5)上设置有电极接触层(7)；电极接触层(7)上设置有正电极(8)；
硅衬底(2)、硅掺磷的埋层(3)、吸收层(4)以及阻挡层(5)均与负电极(6)接触。
5.根据权利要求4所述的硅基阻挡杂质带探测器芯片，其特征在于，电极接触层(7)是通过离子注入及热退火工艺生成的正电极接触区。
6.根据权利要求4所述的硅基阻挡杂质带探测器芯片，其特征在于，硅掺磷的埋层(3)是通过采用化学气相沉积工艺外延生长的低电阻率负电极接触区。
7.根据权利要求4所述的硅基阻挡杂质带探测器芯片，其特征在于，阻挡层(5)是采用化学气相沉积外延生长的高阻硅阻挡层。
8.根据权利要求4所述的硅基阻挡杂质带探测器芯片，其特征在于，吸收层(4)是采用化学气相沉积工艺外延生长的硅掺磷吸收层。
9.根据权利要求4所述的硅基阻挡杂质带探测器芯片，其特征在于，负电极(6)是V型负电极。
10.一种硅基阻挡杂质带探测器，其特征在于，采用权利要求4所述的硅基阻挡杂质带探测器芯片；还包括带有铟柱阵列(9)的基板(10)；硅基阻挡杂质带探测器芯片与带有铟柱阵列(9)的基板(10)通过倒焊方式相互连接。
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2023
- 2023-09-12 CN CN202311177271.XA patent/CN117334752A/zh active Pending
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