DE3447954A1 - Infrarot-detektor - Google Patents

Infrarot-detektor

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Linda Kay Nicholson
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Cadmiumquecksilber­ tellurid-Fotodetektoren. Solche Detektoren werden als Infrarot-Detektoren in thermographischen Bildgeräten benutzt.
Bisher sind CMT-Detektoren (CMT = Cadmiumqueck­ silbertellurid) dadurch hergestellt worden, daß eine von einem Kristall abgeschnittene Scheibe aus CMT auf einem Saphir-Substrat befestigt wurde und anschließend die CMT-Scheibe so lange poliert wurde, bis sich die erforderliche Dicke (typischerweise 10 bis 20 µm) ein­ gestellt hat. Auf der CMT-Schicht wurden Metallkontakte in einer solchen Weise aufgebracht, daß eine Reihe foto­ leitender Infrarot-Detektoren entstanden. Fotovoltaische CMT-Detektoren hat man durch Dotieren der CMT-Schicht mit geeigneten Ionen hergestellt. Die Zusammensetzung der CMT-Scheibe (die durch CdxHg1- x Te dargestellt werden kann) beeinträchtigt das Ansprechverhalten der Detekto­ ren. Ist x annäherungsweise 0,3, sprechen die Detektoren hauptsächlich auf Infrarot-Strahlung in einem Wellen­ längenbereich von 3 µm bis 5 µm an, wohingegen die De­ tektoren hauptsächlich auf eine Strahlung von 8 µm bis 14 µm ansprechen, wenn x annäherungsweise gleich 0,2 ist. In allen vollmaterialmäßig gewachsenen CMT-Kristallen ändert sich die Zusammensetzung nicht nur längs der Achse, sondern auch quer zur Achse. Eine mit den her­ kömmlichen CMT-Detektoranordnungen verbundene Haupt­ schwierigkeit war daher das ungleichförmige Ansprech­ verhalten der Detektoren innerhalb der Reihe oder An­ ordnung auf 3 bis 5 µm-Strahlung und auf 8 bis 14 µm- Strahlung. Weiterhin erfordert die Herstellung solcher Detektoren mit herkömmlichen Verfahren eine arbeits­ intensive Läpp- und Poliertechnik. Beispiele solcher Techniken sind in den US-Patentschriften 39 63 925 und 40 37 311 sowie in den EP-Patentschriften 0 007 667 und 0 007 668 beschrieben, auf die hiermit vollinhalt­ lich Bezug genommen wird.
Nach der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstel­ len von Cadmiumquecksilbertellurid (CMT)-Fotodetektoren vorgeschlagen, das zumindest teilweise die oben ange­ sprochenen Schwierigkeiten überwindet und mit der der­ zeit bestehenden Technik kompatibel ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Ver­ fahren zum Herstellen eines Cadmiumquecksilbertellurid- Fotodetektors die folgenden Schritte: epitaktisches Aufwachsen einer Cadmiumquecksilbertellurid-Schicht auf einem kompatiblen Substrat, Anbringen der zusammenge­ setzten Substrat/Cadmiumquecksilbertellurid-Schicht an einer Unterlagsplatte derart, daß sich die Cadmiumqueck­ silbertellurid-Schicht sandwichartig zwischen dem Sub­ strat und der Unterlagsplatte befindet, und anschlie­ ßendes Wegätzen wenigstens des Großteils des Substrats durch ein im wesentlichen chemisches Verfahren mit Hilfe einer sauren Ätzlösung.
Die Cadmiumquecksilbertellurid-Schicht kann man unmittelbar an der Unterlags- oder Stützplatte anbrin­ gen, oder man kann auf der Cadmiumtellurid-Schicht eine Passivierungsschicht epitaxial aufwachsen lassen und diese an der Unterlagsplatte anbringen. Die Passivie­ rungsschicht besteht zweckmäßigerweise aus Cadmium­ tellurid.
Die Unterlagsplatte kann durch eine Wachsverbin­ dung oder Epoxidharzverbindung befestigt werden und besteht zweckmäßigerweise aus Saphir.
Bei dem Substrat handelt es sich zweckmäßigerweise um Cadmiumtellurid, Galliumarsenid, Indiumantimonid oder Silicium. Das Substrat kann eine epitaktisch auf­ gewachsene Oberflächenschicht haben, die das epitakti­ sche Aufwachsen der Cadmiumquecksilbertellurid-Schicht erleichtern soll.
Das Substrat kann durch chemisches Ätzen vollstän­ dig oder teilweise entfernt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Cadmiumquecksilbertellurid-Fotodetektor eine epi­ taktisch aufgewachsene Schicht aus Cadmiumquecksilber­ tellurid, von der das Substrat vollständig oder teil­ weise durch ein im wesentlichen chemisches Ätzverfahren entfernt worden ist. Das Substrat besteht zweckmäßiger­ weise aus Cadmiumtellurid. Das Cadmiumquecksilbertellurid kann epitaktisch aufgewachsen sein, und zwar durch me­ tallorganische chemische Aufdampfung (MOCVD), Molekular­ strahlepitaxie (MBE) oder laserunterstützte Aufbringung und Vergütung (LADA).
Es wurde herausgefunden, daß eine Ätzlösung, die ein Gemisch aus Fluorwasserstoff-, Salpeter- und Milch­ säure enthält, zum Ätzen von mit Cadmiumtellurid, Indi­ umantimonid und Galliumarsenid verwandten Verbindungen und Legierungen nützlich ist, die man als Substrate für epitaxiales Cadmiumquecksilbertellurid in nach der Er­ findung ausgeführten Verfahren verwenden kann. Diese Verbindungen und Legierungen werden in einem beachtli­ chen Ausmaß nicht geätzt, wenn sie Quecksilber enthal­ ten, und zwar selbst dann, wenn der Quecksilberanteil klein ist. Eine Ätzlösung bestehend aus gleichen Volu­ men einer 48%igen Fluorwasserstoffsäure, einer konzen­ trierten Salpetersäure und einer Milchsäure ätzt Cad­ miumtellurid mit einer Geschwindigkeit von mehr als 350 µm/min und Indiumantimonid mit einer Geschwindigkeit von mehr als 500 µm/min, wohingegen CdxHg1- x Te (x = 0,24) nur mit einer Geschwindigkeit von weniger als 1 µm/min geätzt wird. CdxHg1- x Te wird von der Ätz­ lösung der Erfindung in einem beachtlichen Ausmaß nicht geätzt, wenn x nicht größer als 0,9 ist. Quecksilber­ tellurid ist ebenfalls angriffsbeständig.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann man die Cadmiumquecksilbertellurid-Schicht auf einer Passivie­ rungsschicht, beispielsweise aus Cadmiumtellurid, epitaxial aufwachsen lassen, wobei man die Passivie­ rungsschicht auf einer säurebeständigen Grenzschicht wachsen lassen kann, die in das Substrat einbezogen ist. Unter einer säurebeständigen Grenzschicht wird irgend­ eine Schicht verstanden, die von der sauren Ätzlösung viel langsamer als das Substrat geätzt wird. Ist die Ätzlösung ein Gemisch aus Fluorwasserstoffsäure, Sal­ petersäure und Milchsäure, kann es sich bei der Grenz­ schicht um eine Quecksilberverbindung handeln, bei­ spielsweise Quecksilbertellurid. Die durch Wegätzen des Substrats und der Grenzschicht (wenn vorhanden) frei­ gelegte Passivierungsschicht schützt die Cadmiumqueck­ silbertellurid-Oberfläche.
Besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden lediglich beispielshalber unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 der beigefügten Zeichnungen beschrie­ ben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Cadmiumqueck­ silbertellurid (CMT)-Schicht, die auf einem Substrat mit einer Quecksilbertellurid-Grenzschicht ausgebildet ist, gemäß der Erfindung, und
Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung von beispielsweise auszuführenden Schritten zur Herstellung eines CMT-Fotodetektors gemäß der Erfindung.
Die in Fig. 1 dargestellte zusammengesetzte Schicht enthält eine relativ dicke Scheibe 1 aus Cad­ miumtellurid, die von einem Kristall abgeschnitten ist, der aus einer Materialschmelze gewachsen ist. Eine 10 µm dicke Schicht 2 aus Cadmiumtellurid ist epitaktisch auf dem Substrat aufgebracht. Eine Quecksilbertellurid-Grenz­ schicht 3 der Zusammensetzung HgTe und mit einer Dicke von etwa 0,25 µm ist unter Anwendung einer metallorga­ nischen chemischen Aufdampfung (MOCVD) auf der Schicht 2 aufgebracht. Eine weitere dünne Cadmiumtellurid-Schicht 4 ist auf der Schicht 3 epitaktisch aufgebracht, und es schließt sich dann eine Cadmiumquecksilbertellurid- Schicht 5 an, die auf der Schicht 4 durch metallorgani­ sche chemische Aufdampfung vorgesehen ist. Schließlich ist noch eine Cadmiumtellurid-Passivierungsschicht 6 auf der Schicht 5 durch metallorganische chemische Aufdamp­ fung oder alternativ aus einer geeigneten Schmelze heraus (Epitaxie aus der flüssigen Phase) aufgebracht. Die freiliegende Oberfläche der Schicht 6 wird durch Wachs oder Epoxidharz mit einer Saphir-Unterlagsplatte (nicht gezeigt) verbunden. Die freiliegende Oberfläche der Schicht 1 wird dann in ein Ätzbad gebracht und für eini­ ge Minuten mittels einer Ätzlösung geätzt, die im we­ sentlichen aus gleichen Volumen einer 48%igen Fluor­ wasserstoffsäure, konzentrierten Salpetersäure und Milchsäure besteht, wobei der Ätzvorgang bis zum Errei­ chen der Grenzschicht 3 vorgenommen wird. Die herkömm­ liche Technik des Polierens mit Hand würde eine beträcht­ liche Zeit zum Entfernen der Schichten 1 und 2 in An­ spruch nehmen. Die dünne Grenzschicht 3 kann relativ schnell in kontrollierter Weise wegpoliert werden, wo­ bei dann eine optisch ebene Oberfläche der Cadmium­ tellurid-Schicht 4 freigelegt wird. Die Cadmiumtellurid- Schichten 4 und 6 passivieren die Oberfläche der CMT- Schicht 5 und verhindern, daß sie im fertiggestellten Bauelement schädigend beeinträchtigt wird. Die Schichten 1 und 2 können anstelle von Cadmiumtellurid aus Gallium­ arsenid oder Indiumantimonid zusammengesetzt sein, da diese Materialien beide von dem HF/HNO3/Milchsäure-Ätz­ mittel geätzt werden können.
Fig. 2a zeigt in Draufsicht und im Querschnitt den resultierenden Aufbau, der eine Saphir-Unterlagsplatte 8 und eine zusammengesetzte Schicht 7 enthält, die ihrer­ seits sandwichartig die CMT-Schicht 5 zwischen den Cad­ miumtellurid-Schichten 4 und 6 enthält. Die zusammenge­ setzte oder Verbundschicht 7 (die aus Gründen der Ein­ fachheit in Form einer einzigen Schicht dargestellt ist) ist mit Hilfe von Epoxidharz 9 mit der Stütz- oder Unter­ lagsplatte 8 verbunden. Vor der Weiterführung der Er­ läuterung von Fig. 2 soll darauf hingewiesen werden, daß bei dem Verfahren nach Fig. 1 die CdTe-Schicht 4 und 6 optionsweise weggelassen werden können. In diesem Fall wäre es dann erforderlich, die freiliegende Oberfläche der Schicht 7 (Fig. 2a) mit einem anodischen Überzug oder Film zu passivieren, der durch Plasmaanodisierung aufgebracht werden kann.
Die nachfolgende, in Fig. 2 dargestellte Bearbei­ tung betrifft sowohl eine zusammengesetzte als auch eine anodisch passivierte Cadmiumquecksilbertellurid-Schicht 7 und umfaßt die folgenden Vorgänge:
b) Die Schicht 7 wird in einzelne Chips 10 erfor­ derlicher Größe (beispielsweise 2,6 mm × 0,6 mm) unter­ teilt, und zwar beispielsweise unter Verwendung eines Fotoresist (Fotolack) als Maskierschicht. Dies kann ent­ weder durch chemisches Ätzen oder durch ein Ionenstrahl­ fräsverfahren erreicht werden.
c) Jedes Chip 10 wird auf einem separaten dielek­ trischen Substrat 8′ mit Hilfe eines Klebemittels 11 zwecks weiterer Verarbeitung befestigt.
d) Die einzelnen Chips werden handpoliert (chemo­ mechanisch) zum Zwecke des Erzielens einer gewünschten Dicke (etwa 5 bis 20 µm), und die Ecken werden abgerun­ det zur Vermeidung von Diskontinuitäten in der anschlie­ ßenden Metallisierungsschicht.
Diese Dickenverminderung und Abrundung kann auch durch Polieren und Ätzen in einer solchen Weise erreicht werden, wie es in der US-Patentschrift 40 37 311 be­ schrieben ist.
e) Eine beispielsweise durch Plasmaanodisierung ausgebildete anodische Oxidschicht 12 wird auf jedem Chip vorgesehen, und zwar zur Verbesserung der Ober­ flächenqualität.
Dieser Schritt ist nicht erforderlich, wenn es sich bei der Schicht 7 um eine zusammengesetzte oder Verbund­ schicht aus CMT handelt, die sandwichartig zwischen CdTe- Schichten eingebettet ist.
f) Eine wahlweise belichtete Fotoresistmaskier­ schicht 13 wird über dem Chip in Gestalt eines Streifens ausgebildet. Der darunterliegende maskierte Bereich defi­ niert den passivierten sensitiven Bereich des Detektors.
g) Die nicht vom Fotoresist geschützten Bereiche werden mit einer Metallisierung versehen, beispielsweise durch ein Bedampfungs- oder Zerstäubungsverfahren unter Aufbringung einer Cr/Au-Schicht 14.
h) Ein Standard-Halbleiter-Fotoresist-Liftoff- Verfahren (einschließlich des Eindringens von Lösungs­ mittel durch Bruchstellen in der Metallschicht 14 rund um den Streifen 13) wird zum Entfernen der Maskierfoto­ resistschicht und daran befindliches Metall ausgeführt, wobei die restliche Metallschicht sowohl auf dem Chip als auch dem Substrat übrig bleibt.
i) Eine weitere wahlweise belichtete Fotoresist­ maskierschicht wird zur Definition der aktiven Bereiche 15 und ihrer Elektroden 16 aufgebracht.
j) Ein Hochenergie-Ionenstrahl (bekannt als Ionen­ strahlfräse) wird zur Aufzeichnung des Anordnungsmusters benutzt. Infolgedessen bleiben die Flanken der aktiven Bereiche unpassiviert.
k) Ein dielektrischer λ/4-Film 17 aus Zinksulfid wird auf der Oberseite der fertigen Anordnung aufgebracht zwecks Verstärkung der Quantenausbeute des Detektors.
Jede Platte 8′ wird dann am Ende eines Glasrohres befestigt, das mit Golddrähten versehen ist, die axial durch seine Wände laufen. Diese Golddrähte werden mit den Elektroden 16 verbunden, und beim Betrieb wird flüs­ siger Stickstoff in den Hohlraum gepumpt, der von der Platte und dem Rohr begrenzt wird, wodurch die Detekto­ ren 15 auf 77°K gekühlt werden.

Claims (19)

1. Verfahren zum Herstellen eines Cadmiumquecksilber­ tellurid-Fotodetektors, enthaltend die folgenden Schritte: epitaktisches Aufwachsen einer Cadmiumquecksilbertellurid- Schicht (5) auf einem kompatiblen Substrat (1, 2, 3, 4), Anbringen der zusammengesetzten Substrat/Cadmiumqueck­ silbertellurid-Schicht (1, 2, 3, 4, 5) auf einer Unter­ lagsplatte (8) derart, daß die Cadmiumquecksilbertellu­ rid-Schicht sandwichartig zwischen dem Substrat und der Unterlagsplatte eingebettet ist, und anschließendes Weg­ ätzen wenigstens des Großteils des Substrats (1, 2) durch ein im wesentlichen chemisches Verfahren mittels einer sauren Ätzlösung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die saure Ätzlö­ sung ein Gemisch aus Salpetersäure, Fluorwasserstoffsäu­ re und Milchsäure enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem man auf der Cadmiumquecksilbertellurid-Schicht (5) eine Passi­ vierungsschicht (6) epitaktisch aufwachsen läßt und an­ schließend die Passivierungsschicht an einer Unterlags­ platte befestigt, bevor das Substrat mitHilfe der sauren Ätzlösung weggeätzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (1, 2) eine dünne säurebeständige Grenzschicht (3) auf seiner Oberfläche enthält und man die Cadmiumquecksilbertellurid-Schicht (5) epitaxial auf der säurebeständigen Grenzschicht aufwachsen läßt.
5. Verfahren nach Anspruch 4 sofern abhängig von Anspruch 2, bei dem die Grenzschicht (3) Quecksilber enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Grenzschicht (3) Quecksilbertellurid enthält.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Grenzschicht (3) durch Polieren unter Rück­ lassung einer glatten Oberfläche entfernt wird, nachdem im wesentlichen der gesamte Rest des Substrats (1, 2) durch chemisches Ätzen mit der sauren Ätzlösung entfernt worden ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem, nachdem im wesentlichen der gesamte Rest des Substrats (1, 2) durch chemisches Ätzen mit der sauren Ätzlösung entfernt worden ist, die Grenzschicht (3) durch einen weiteren chemischen Ätzvorgang unter Zurücklassung einer glatten Oberfläche entfernt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Grenzschicht (3) weniger als 5 µm dick ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Grenzschicht (3) weniger als 1 µm dick ist.
11. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Substrat (1, 2, 3) auf seiner Oberfläche eine weitere durch Epi­ taxie aufgebrachte Passivierungsschicht (4) aufweist und man die Cadmiumquecksilbertellurid-Schicht (5) auf der anderen Passivierungsschicht epitaktisch aufwachsen läßt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die andere Pas­ sivierungsschicht (4) aus Cadmiumtellurid besteht.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Zusammensetzung der Cadmiumquecksilbertellurid- Schicht (5) derart ist, daß der Fotodetektor gegenüber Infrarot-Strahlung sensitiv ist.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Cadmiumquecksilbertellurid-Schicht (5) von der Unterlagsplatte im fertigen Fotodetektor getragen wird.
15. Anordnung aus Fotodetektoren hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Unterlagsplatte (8) den Fotodetektoren gemeinsam ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Cadmiumquecksilbertellurid-Schicht (5) fotolei­ tend gemacht ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Cadmiumquecksilbertellurid-Schicht (5) in eine Fotodiode einbezogen ist.
18. Verfahren zum Herstellen einer Infrarot-Fotodetek­ tor-Anordnung im wesentlichen wie beschrieben unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 der beigefügten Zeichnungen.
19. Cadmiumquecksilbertellurid-Fotodetektor mit einer epitaxial aufgewachsenen Schicht (5) aus Cadmiumqueck­ silbertellurid, von der das Substrat (1, 2) vollständig oder teilweise durch chemische Ätzung entfernt worden ist.
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