CN216773249U - 一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片，属于红外探测器技术领域。所述芯片包括InGaAs外延片、第一P型掺杂区、第二P型掺杂区、钝化膜、金属电极以及Bayer滤波器，钝化膜沉积在含有第一P型掺杂区和第二P型掺杂区的InGaAs外延片一个表面上，与第一P型掺杂区相对应的钝化膜区域加工有欧姆孔，金属电极沉积在欧姆孔内以及欧姆孔周围的钝化膜上，且沉积的金属电极与第二P型掺杂区对应的钝化膜区域不接触，Bayer滤波器沉积在InGaAs外延片的另一个表面上。本实用新型通过对芯片内部结构的合理设计，能够实现目标在短波谱段的彩色成像，并抑制了像元区之间的串音，而且该芯片结构简单，易于制备，成本低，推进了彩色短波红外探测器行业的发展。

Description

一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片

技术领域

本实用新型涉及一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片，属于红外探测器技术领域。

背景技术

我们人眼看到的任何物体都具有一定的颜色，而彩色更是我们区分物体的最简便方法之一。随着科学技术的发展，在可见光传感器技术上，实现彩色目标的色彩还原和记录已经成为非常容易的事情。基于红外探测器的彩色复原，通常采用以下两种技术方案：

(1)采用单色探测器对目标进行成像，根据目标的轮廓特征等构建实际目标色彩模型，实现伪彩色复原。

(2)采用热学辐射能量的标定实现伪彩色复原。

然而，目前彩色还原方法主要基于可见光色彩分类或人眼视觉可接受度进行伪彩色还原，存在算法复杂、颜色信息不能直观反映目标或场景的光谱信息，造成目标的特征缺失或无法分辨。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片及其制备，通过对芯片内部结构的合理设计，使该芯片能够实现目标在短波谱段的彩色成像，对目标在短波谱段的色彩还原提供了技术和应用基础。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片，所述红外探测器芯片包括InGaAs外延片、第一P型掺杂区、第二P型掺杂区、钝化膜、金属电极以及Bayer滤波器；

第一P型掺杂区是在InGaAs外延片的像元中心区掺杂为P型，第二P型掺杂区是在相邻两个第一P型掺杂区之间的非掺杂区掺杂成为P型，第一P型掺杂区和第二P型掺杂区不接触；

钝化膜为氧化硅膜、氮化硅膜或者氧化铝膜中的一种，厚度优选100nm～700nm；

金属电极从上到下是由金(Au)膜、铂(Pt)膜、镍(Ni)膜、钛(Ti)膜按顺序组成的复合膜，金膜的厚度优选150nm～200nm，铂膜的厚度优选30nm～60nm，镍膜的厚度优选20nm～40nm，钛膜的厚度优选20nm～40nm；

Bayer滤波器为三种带通波段分别为(1.1±0.1)μm、(1.3±0.1)μm、(1.55±0.1)μm的滤波器；

钝化膜沉积在含有第一P型掺杂区和第二P型掺杂区的InGaAs外延片一个表面上，与第一P型掺杂区相对应的钝化膜区域加工有欧姆孔，金属电极沉积在欧姆孔内以及欧姆孔周围的钝化膜上，且沉积的金属电极与第二P型掺杂区对应的钝化膜区域不接触，Bayer滤波器沉积在InGaAs外延片的另一个表面上。

进一步地，InGaAs外延片表面划痕数量小于3条，腐蚀坑密度小于25个/cm²。

InGaAs外延片由上到下是由本征InP层、InGaAs吸收层以及N型InP层按顺序形成的复合结构；该芯片在第一P型掺杂区和第二P型掺杂区的配合作用下，与InGaAs外延片背面的N型InP层形成PN结，依靠PN结的内建电场收集N区产生的光生载流子，阻止两个像元区之间载流子的互扩散，大大抑制了像元区之间的串音。第一P型掺杂区以及第二P型掺杂区中，扩散掺杂深度小于等于本征InP层的厚度；掺杂源可以选用DEZn(二乙基锌)或DMZn(二甲基锌)，相应地掺杂浓度优选≥1×10¹⁸/cm²。

进一步地，两个相邻像元区中心之间的距离为10μm～100μm；像元区中的第一P型掺杂区形状优选为圆形或正方形，圆形直径或正方形的内切圆直径优选为3μm～20μm；第二P型掺杂区形状优选为长条矩形，长条矩形的宽度优选为1μm～2μm。

可以采用如下方法制备所述实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片：

(1)采用MOCVD(金属有机化合物化学气相淀积)技术外延生长InGaAs外延片；

(2)采用PECVD(等离子体增强化学的气相沉积)技术或者ICPCVD(电感耦合等离子体化学气相沉积)技术在InGaAs外延片待掺杂的表面沉积一层保护膜；

(3)采用PECVD技术或者ICPCVD技术在保护膜上沉积一层扩散阻挡膜；

(4)采用ICP刻蚀(电感耦合等离子刻蚀)技术或RIE刻蚀(反应离子刻蚀)技术刻蚀扩散阻挡膜和保护膜，形成待掺杂扩散区域；以DEZn或DMZn为掺杂源，采用MOCVD技术在待掺杂扩散区域进行扩散掺杂，相应地形成第一P型掺杂区以及第二P型掺杂区；

(5)采用湿法腐蚀去除InGaAs外延片上的扩散阻挡膜和保护膜；

(6)采用PECVD技术、ICPCVD技术或ALD(原子层沉积)技术在含有第一P型掺杂区和第二P型掺杂区的InGaAs外延片表面沉积一层钝化膜；

(7)采用ICP刻蚀技术或者RIE刻蚀技术在与第一P型掺杂区相对应的钝化膜区域刻蚀钝化膜，在钝化膜上形成欧姆孔；

(8)采用磁控溅射工艺按照从欧姆孔内部到钝化膜表面的顺序依次溅射钛膜、镍膜、铂膜、金膜，再采用金属剥离的方式进行成型，形成金属电极；

(9)采用PECVD技术、ICPCVD技术或者ALD技术在InGaAs外延片的另一个表面沉积制备Bayer滤波器，即完成所述红外探测器芯片的制备；

其中，保护膜为氧化硅膜或者氮化硅膜中的一种，厚度优选80nm～120nm；扩散阻挡膜为氧化硅膜或者氮化硅膜中的一种，厚度优选500nm～700nm；步骤(4)中，扩散阻挡膜和保护膜的刻蚀功率优选100W～300W；步骤(4)中，扩散掺杂的温度优选480℃～600℃；步骤(5)中，选用氢氟酸(HF)与水按照1：(1～5)体积比配制的混合液作为湿法腐蚀的腐蚀液，腐蚀时间优选5min～15min；步骤(7)中，钝化膜的刻蚀功率为100W～300W。

有益效果：

本实用新型通过对芯片内部结构的合理设计，尤其是是将三种带通波段的Bayer滤波器集成到InGaAs焦平面探测器像元表面，能够实现目标在短波谱段的彩色成像，对目标在短波谱段的色彩还原提供了技术和应用基础；另外，在像元的中心区增加第一P型掺杂区以及在两个像元之间增加第二P型掺杂区，且在第一P型掺杂区对应的区域制备金属电极以及第二P型掺杂区对应的区域不制备金属电极，能够大大抑制像元区之间的串音，提高了彩色短波红外探测器的性能；而且该芯片结构简单，易于制备，成本低，推进了彩色短波红外探测器行业的发展，对军事应用、边防巡逻、机器视觉和各类科学研究等领域研究具有重大意义。

附图说明

图1为实施例1中所述实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片的结构示意图。

图2为实施例1中第一P型掺杂区和第二P型掺杂区的结构示意图。

其中，1-InGaAs外延片，2-P型掺杂区，201-第一P型掺杂区，202-第二P型掺杂区，3-钝化膜，4-欧姆孔，5-金属电极，6-Bayer滤波器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1

一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片包括InGaAs外延片1、第一P型掺杂区201、第二P型掺杂区202、钝化膜3、金属电极5以及Bayer滤波器6，如图1所示；

所述红外探测器芯片的具体制备步骤如下：

(1)采用MOCVD技术外延生长InGaAs外延片1，InGaAs外延片1表面有3条划痕以及密度为23个/cm²的腐蚀坑，且无粘污；

(2)采用PECVD技术在InGaAs外延片1待掺杂的表面沉积一层厚度为110nm的氧化硅膜作为保护膜；

(3)采用ICPCVD技术在保护膜上沉积一层厚度为500nm的氮化硅膜作为扩散阻挡膜；

(4)两个像元区中心之间的距离为15μm，先采用光刻机、掩膜版将扩散孔刻印在扩散阻挡膜上，再采用RIE刻蚀设备在扩散阻挡膜和保护膜对应的像元区进行刻蚀，在200W下刻蚀8min形成边长为8μm的正方形作为第一待掺杂的扩散区域；采用RIE刻蚀设备在扩散阻挡膜和保护膜对应的两个像元区之间的区域进行刻蚀，在150W下刻蚀3min形成宽度为2μm的长条矩形作为第二待掺杂的扩散区域；以DEZn为掺杂源，采用MOCVD技术在第一待掺杂的扩散区域以及第二待掺杂的扩散区域进行扩散掺杂，扩散掺杂的温度为530℃，扩散掺杂深度为1μm，扩散层掺杂浓度为3×10¹⁸/cm²，相应地形成P型掺杂区2(包括第一P型掺杂区201和第二P型掺杂区202，如图2所示)；

(5)以氢氟酸与水按照1:3的体积比配制的混合液作为腐蚀液，采用湿法腐蚀去除InGaAs外延片1上的扩散阻挡膜和保护膜，腐蚀时间为10min；

(6)采用PECVD技术在含有P型掺杂区2的InGaAs外延片1表面上沉积一层厚度为300nm的氮化硅膜作为钝化膜3；

(7)采用RIE刻蚀技术在与第一P型掺杂区201相对应的钝化膜3区域刻蚀钝化膜3，刻蚀功率为200W，刻蚀时间为9min，在钝化膜3上形成欧姆孔4；

(8)采用磁控溅射工艺按照从欧姆孔4内部到钝化膜3表面的顺序依次溅射厚度为20nm的钛膜、厚度为20nm的镍膜、厚度为40nm的铂膜、厚度为180nm的金膜；之后先用纯丙酮浸泡10min，再用乙醇清洗5min剥离钝化膜3表面多余的金属和丙酮残留，形成金属电极5；

(9)采用PECVD技术在InGaAs外延片1的另一个表面上沉积制备具有类似R、G、B的Bayer滤波器6，只是该Bayer滤波器6的三种带通波段分别为(1.1±0.1)μm、(1.3±0.1)μm、(1.55±0.1)μm，即完成本实施例所述红外探测器芯片的制备。

将所制备的红外探测器芯片与外部的电路连接，并将输出的相邻三个像素的信号按照类似RGB方式合成，即可呈现彩色图像。

实施例2

一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片包括InGaAs外延片1、第一P型掺杂区201、第二P型掺杂区202、钝化膜3、金属电极5以及Bayer滤波器6；

所述红外探测器芯片的具体制备步骤如下：

(1)采用MOCVD技术外延生长InGaAs外延片1，InGaAs外延片1表面有3条划痕以及密度为23个/cm²的腐蚀坑，且无粘污；

(2)采用PECVD技术在InGaAs外延片1待沉积的表面沉积一层厚度为120nm的氧化硅膜作为保护膜；

(3)采用ICPCVD技术在保护膜上沉积一层厚度为600nm的氮化硅膜作为扩散阻挡膜；

(4)两个像元区中间距离为30μm，先采用光刻机、掩膜版将扩散孔刻印在扩散阻挡膜上，再采用RIE刻蚀设备在扩散阻挡膜和保护膜对应的像元区进行刻蚀，在220W下刻蚀8min形成直径为10μm的圆形作为第一待掺杂的扩散区域；采用RIE刻蚀设备在扩散阻挡膜和保护膜对应的两个像元区之间的区域进行刻蚀，在160W下刻蚀3min形成宽度为2μm的长条矩形作为第二待掺杂的扩散区域；以DEZn为掺杂源，采用MOCVD技术在第一待掺杂的扩散区域以及第二待掺杂的扩散区域进行扩散掺杂，扩散掺杂的温度为530℃，扩散掺杂深度为1μm，扩散层掺杂浓度为3×10¹⁸/cm²，相应地形成P型掺杂区2(包括第一P型掺杂区201和第二P型掺杂区202)；

(5)以氢氟酸与水按照1:3的体积比配制的混合液作为腐蚀液，采用湿法腐蚀去除InGaAs外延片1上的扩散阻挡膜和保护膜，腐蚀时间为12min；

(6)采用PECVD技术在含有P型掺杂区2的InGaAs外延片1沉积一层厚度为400nm的氮化硅膜作为钝化膜3；

(7)采用RIE刻蚀技术在与第一P型掺杂区201相对应的钝化膜3区域刻蚀钝化膜3，刻蚀功率为200W，刻蚀时间为10min，在钝化膜3上形成欧姆孔4；

(8)采用磁控溅射工艺按照从欧姆孔4内部到钝化膜3表面的顺序依次溅射厚度为20nm的钛膜、厚度为30nm的镍膜、厚度为30nm的铂膜、厚度为200nm的金膜；之后先用纯丙酮浸泡10min，再用乙醇清洗5min剥离钝化膜3表面多余的金属和丙酮残留，形成金属电极5；

(9)采用PECVD技术在InGaAs外延片1的另一个表面上沉积制备具有类似R、G、B且三种带通波段分别为(1.1±0.1)μm、(1.3±0.1)μm、(1.55±0.1)μm的Bayer滤波器6，即完成本实施例所述红外探测器芯片的制备。

将所制备的红外探测器芯片与外部的电路连接，并将输出的相邻三个像素的信号按照类似RGB方式合成，即可呈现彩色图像。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片，其特征在于：所述红外探测器芯片包括InGaAs外延片、第一P型掺杂区、第二P型掺杂区、钝化膜、金属电极以及Bayer滤波器；

第一P型掺杂区是在InGaAs外延片的像元中心区掺杂为P型，第二P型掺杂区是在相邻两个第一P型掺杂区之间的非掺杂区掺杂成为P型，第一P型掺杂区和第二P型掺杂区不接触；

钝化膜为氧化硅膜、氮化硅膜或者氧化铝膜中的一种；

金属电极从上到下是由金膜、铂膜、镍膜、钛膜按顺序组成的复合膜；

Bayer滤波器为三种带通波段分别为(1.1±0.1)μm、(1.3±0.1)μm、(1.55±0.1)μm的滤波器；

钝化膜沉积在含有第一P型掺杂区和第二P型掺杂区的InGaAs外延片一个表面上，与第一P型掺杂区相对应的钝化膜区域加工有欧姆孔，金属电极沉积在欧姆孔内以及欧姆孔周围的钝化膜上，且沉积的金属电极与第二P型掺杂区对应的钝化膜区域不接触，Bayer滤波器沉积在InGaAs外延片的另一个表面上。

2.根据权利要求1所述的一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片，其特征在于：InGaAs外延片表面划痕数量小于3条，腐蚀坑密度小于25个/cm²。

3.根据权利要求1所述的一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片，其特征在于：钝化膜的厚度为100nm～700nm。

4.根据权利要求1所述的一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片，其特征在于：金属电极中，金膜的厚度为150nm～200nm，铂膜的厚度为30nm～60nm，镍膜的厚度为20nm～40nm，钛膜的厚度为20nm～40nm。

5.根据权利要求1所述的一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片，其特征在于：第一P型掺杂区以及第二P型掺杂区的扩散掺杂深度小于等于InGaAs外延片中本征InP层的厚度。

6.根据权利要求1所述的一种实现彩色成像的InGaAs短波红外探测器芯片，其特征在于：两个相邻像元区中心之间的距离为10μm～100μm；像元区中的第一P型掺杂区形状为圆形或正方形，圆形直径或正方形的内切圆直径为3μm～20μm；第二P型掺杂区形状为长条矩形，长条矩形的宽度为1μm～2μm。

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