红外探测器阵列及其制作方法

文档序号:7063190阅读:616来源:国知局
红外探测器阵列及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种红外探测器阵列及其制作方法。该探测器阵列包括n型InSb衬底(1)和钝化层(7),n型InSb衬底(1)上刻蚀有t×t个台面(2),t为整数且t≥1;台面(2)上部淀积有阳极(5),n型InSb衬底(1)边缘上部淀积有“回”字型阴极(6);所述n型InSb衬底(1)上部和每个台面(2)侧面淀积有保护层(4),每个台面(2)正下方的n型InSb衬底(1)内设有m×m个相同的p型锥形掺杂区(3),形成p型锥形掺杂区阵列,每个p型锥形掺杂区(3)均与n型InSb衬底(1)构成pn结,m为整数且m≥1。本发明具有工艺简单、量子效率高、串音低的优点,可用于红外侦查和红外医疗领域。
【专利说明】红外探测器阵列及其制作方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体光伏探测器件【技术领域】,特别涉及红外探测器阵列,可用于红 外侦查、红外制导和红外医疗。 技术背景
[0002] 红外焦平面阵列式红外系统的核也元件,其功能是将红外福射转化成其它我们能 够识别的信号。在空间对地观测、光电对抗、机器人视觉、医用和工业热成像、搜索与跟踪、 W及导弹精确制导等军、民领域有重要而广泛的应用,高性能大规模的红外焦平面阵列已 经大量应用于各种重大国家安全项目和重要新型武器系统中。由于其具有不可替代的地位 和作用,世界上的主要工业大国都将红外焦平面阵列器件制备技术列为重点发展的高技术 项目。
[0003] 红外探测器的工作模式主要有光导型和光伏型两种,而光伏型红外探测器由于 存在内建电场,暗电流较小,所W广泛应用于军事中,其中光伏型InSb红外探测器是目前 研究最多的一种光伏型探测器,该种探测器多数W pn结为基础,可W构成光伏型焦平面阵 列。近年来,红外焦平面阵列技术已经呈现出规格越来越大、像元中也距越来越小、多光谱 探测应用越来越多、新材料不断涌现等的发展趋势。在高级红外应用系统的大力驱动下,红 外探测技术已经从第一代的单元和线阵列,逐渐进入了 W大面阵、小型化和多色化等特点 的第H代红外焦平面探测器的发展阶段。随着航天和军事领域的飞速发展,对中波红外探 测器件的性能要求越来越高,通过改善材料质量来提高探测器性能已远不能满足当前的应 用需求,因此采用器件结构优化设计来提高探测器性能已成为国内外研究热点。
[0004] 量子效率和串音是衡量InSb光伏型探测器阵列性能的重要参数指标,他们会 影响探测器阵列的探测率,在很大程度上决定着探测器的探测效果。1971年,Vernon L. Lambed等人提出了一种台面结构的In訊红外探测器阵列,提高了光生载流子的收集效 率。为了进一步提高量子效率、减小串音,1981年,赵文琴首次提出在InSb阵列探测器中 采用质子注入形成的高阻层进行隔离的方法,制备的InSb阵列探测器的串音降低到1. 7? 3. 76%,然而量子效率的改善并不明显,仅为45%,参见InSb质子轰击损伤的隔离效应,赵 文琴,半导体学报,Vol. 2, No. l,pp. 14-21,1981。2006年,叶振华等人报道了一种带有增 透会聚微镜的红外焦平面探测器,有效地提高了探测器的光电流,可将串音减小到1 %,参 见专利CN 100433328C。然而,该发明是通过从外部引入新型的增透会聚微镜来改善探测器 的性能,一方面,增透会聚微镜的制备较为复杂,另一方面,该专利中在半导体器件结构设 计方面并没有本质的创新。2011年,胡伟达等人报道了一种微透镜列阵In訊红外焦平面阵 列的结构,该结构是通过采用娃微透镜结构增加了光吸收,从而改善了器件性能,通过娃微 透镜结构优化可W使串音降低到4.2%,参见专利CN 102201487B。然而,该发明需要在娃 衬底上异质外延In訊材料,该将会导致n型In訊区域中尤其是娃衬底与n型In訊区域界 面附近产生大量位错或缺陷,影响光生载流子的产生,并会俘获大量光生载流子,此外该发 明还需要制备娃微透镜,因此该发明实现难度较大。


【发明内容】

[0005] 本发明的目的在于克服上述已有技术的不足,提供一种制造工艺简单、串音小、量 子效率高的红外探测器阵列及其制作方法,W提高红外探测器阵列的性能。
[0006] 为了实现上述目的,本发明提供了一种红外探测器阵列,该结构自上而下包括;n 型In訊衬底和纯化层,n型In訊衬底上刻蚀有tXt个台面,t为整数且t > 1 ;每个台面 上部淀积有阳极,n型In訊衬底边缘上部淀积有"回"字形阴极;所述n型In訊衬底上部 和每个台面侧面淀积有保护层,其特征在于:每个台面正下方的n型InSb衬底内设有mXm 个相同的P型锥形惨杂区,形成P型锥形惨杂区阵列,每个P型锥形惨杂区均与n型In訊 衬底构成pn结,m为整数且m > 1。
[0007] 作为优选,所述的n型In訊衬底刻蚀前的厚度k为2. 6?21 y m,刻蚀后的厚度S 为2?9 y m,惨杂浓度为1 X l〇iicm-3?1 X 1〇16細-3。
[0008] 作为优选,所述的每个台面的上、下表面均为正方形,正方形的边长L为8? 56 ym,每个台面的高度H均相同,H等于k减去S,且取值范围为0.6?12 ym。
[0009] 作为优选,所述的相邻两个台面的间距di和最边缘台面与n型In訊衬底边缘之 间的距离d2相等,且取值范围为0. 5?45 y m。
[0010] 作为优选,所述的每个台面的下表面与其正下方的mXm个p型锥形惨杂区的底面 相接。
[0011] 作为优选,所述的mXm个P型锥形惨杂区均为正四棱锥,正四棱锥底面边长为1, 1 = L/m,高h小于或等于n型In訊衬底刻蚀后的厚度S,且h等于SeG'nWi。
[0012] 为实现上述目的,本发明提供的制作红外探测器阵列的方法,包括如下过程:
[0013] 第一步,在n型In訊衬底上第一次制作掩膜,利用该掩膜在n型In訊衬底上刻蚀 制作tXt个台面;
[0014] 第二步,在n型InSb衬底上部、每个台面上部和每个台面侧面淀积厚度为2? 9 y m的介质层;
[0015] 第H步,在介质层上第二次制作掩膜,利用该掩膜在每个台面上部的介质层内刻 蚀制作mXm个相同的锥形凹槽,锥形凹槽的深度小于或等于介质层的厚度;
[0016] 第四步,对每个锥形凹槽下部的n型In訊材料进行P型杂质离子注入,实现对每 个台面的P型惨杂,并在每个台面下部形成mXm个相同的P型锥形惨杂区,其中P型锥形 惨杂区均为正四棱锥,正四棱锥底面边长为1,1 = L/m,高h小于或等于n型In訊衬底刻 蚀后的厚度S,且h等于2e"'"2di;
[0017] 第五步,在介质层上第H次制作掩膜,利用该掩膜刻蚀去除n型In訊衬底上部、每 个台面上部和每个台面侧面的介质层;
[0018] 第六步,在n型In訊衬底上部、每个台面上部和每个台面侧面淀积保护层,即用绝 缘介质材料分别覆盖n型InSb衬底上部、每个台面上部和每个台面侧面的区域;
[0019] 第走步,在保护层上第四次制作掩膜,利用该掩膜刻蚀去除n型In訊衬底边缘上 部和每个台面上部的保护层;
[0020] 第八步,在每个台面上和n型In訊衬底边缘上第五次制作掩膜,利用该掩膜在每 个台面上部淀积金属制作阳极,同时在n型In訊衬底边缘上部淀积金属制作"回"字形阴 极;
[0021] 第九步,在n型In訊衬底的下部淀积纯化层,即用透红外福射绝缘介质材料覆盖 n型In訊衬底下部的区域,从而完成整个探测器阵列的制作。
[0022] 本发明阵列与传统的红外探测器阵列比较具有W下优点:
[0023] 1、本发明由于在每个台面下的n型In訊衬底内均形成了 mXm个相同的P型锥形 惨杂区,减小了 pn结结区与光生载流子产生区之间的距离,并增大了 pn结的结面积,从而 增强了 pn结结区抽取光生载流子的能力,有效抑制了光生载流子向其它探测单元的运动, 因此大大减小了红外探测器阵列的串音,显著提高了量子效率。
[0024] 2、本发明通过在台面下n型In訊衬底内引入锥形惨杂区来改善红外探测器阵列 的性能,避免了在传统红外探测器阵列制作工艺中光学微透镜制备、异质外延等所带来的 工艺复杂化问题,降低了探测器阵列的制造难度。
[0025] 仿真结果表明,本发明红外探测器阵列的性能明显优于传统红外探测器阵列的性 能。
[0026] W下结合附图和实施例进一步说明本发明的技术内容和效果。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 图1是本发明红外探测器阵列的俯视结构示意图;
[0028] 图2是对图1横向AB的剖面结构示意图;
[0029] 图3是本发明红外探测器阵列的工艺制作流程图;
[0030] 图4是本发明与传统的红外探测器阵列的空穴浓度仿真对比图;
[0031] 图5是本发明与传统的红外探测器阵列沿入射福射方向的纵向电场仿真对比图;
[0032] 图6是本发明与传统的红外探测器阵列沿入射福射方向的横向电场仿真对比图。

【具体实施方式】
[0033] 参照图1和图2,本发明红外探测器阵列是基于In訊半导体材料的pn结结构,该 结构自上而下包括;n型In訊衬底1和纯化层7。
[0034] 所述n型In訊衬底1上刻蚀有tXt个台面2, t为整数且t > 1,其中n型In訊衬 底1刻蚀前的厚度k为2. 6?21 y m,刻蚀后的厚度S为2?9 y m,惨杂浓度为1 X 1〇11細3? lXl〇i6cnT3 ;每个台面2的上、下表面均为正方形,正方形边长L为8?56ym,每个台面的 高度H均相同,H的取值范围为0. 6?12 y m ;相邻两个台面2的间距为di,最边缘台面与n 型In訊衬底1边缘之间的距离为da, di = da,且取值范围为0. 5?45 y m。每个台面2上 部淀积有阳极5。n型In訊衬底1边缘上部淀积有"回"字形阴极6,该"回"字形图形各内 边长相等且各外边长相等,其中外边长为tXL+(t+l) Xdi,夕['边长与内边长的间距为CI2/2。 每个台面2正下方的n型In訊衬底1内设有mXm个相同的P型锥形惨杂区3,形成P型锥 形惨杂区阵列,该些P型锥形惨杂区3均与n型In訊衬底1构成pn结,m为整数且m > 1 ; 每个台面2的下表面与该台面正下方mXm个P型锥形惨杂区3的底面相接,P型锥形惨杂 区均为正四棱锥,正四棱锥底面边长为1,1 = L/m,高h小于或等于n型In訊衬底1刻蚀 后的厚度S,且h等于2e"'"Ml。n型In訊衬底1上部和每个台面2侧面淀积有保护层4。
[00对 上述红外探测器阵列中的;保护层4采用Si化、化S、SiN、Al203、Sc203、册化、Ti化 或其它绝缘介质材料,其厚度为0. 05?1. 2 y m ;阳极5和阴极6的厚度相同,且均采用相 同的化/Au金属组合,金属厚度为0. 02?0. 06 y m/0. 4?0. 8 y m,且下层金属厚度小于上 层金属厚度;纯化层7采用化S、Si化、SiN、Al203、册02、Ti02或其它透红外福射绝缘介质材 料,其厚度为0. 1?2ym。
[0036] 参照图3,本发明制作红外探测器阵列给出如下H种实施例:
[0037] 实施例一;制作保护层为SiN,纯化层为SiN,每个台面正下方P型锥形惨杂区的个 数mXm = 4X4,阵列大小为30X30的红外探测器阵列。
[003引步骤1,在n型In訊衬底1上刻蚀制作30X30个台面2,如图3a。
[003引 la)在厚度k为21 y m、惨杂浓度为1 X l0i6cm-3的n型In訊衬底1上第一次制作 掩膜,该掩膜图形为由30X 30个边长L为56 y m的正方形组成的阵列,相邻两个正方形的 间距di,W及最边缘正方形与n型In訊衬底1边缘之间的距离d2均为45 y m ;
[0040] 化)利用该掩膜采用反应离子刻蚀技术在n型In訊衬底1上刻蚀出30X30个台 面2,其中每个台面的高度H均为12ym,n型In訊衬底1刻蚀后的厚度S为9ym。刻蚀台 面采用的工艺条件为;C&与&流量比为2:6. 6,压强为0. 3Pa,功率为490W。
[0041] 步骤2,在n型In訊衬底1上部、30 X 30个台面2上部和30 X 30个台面2侧面淀 积介质层8,如图3b。
[0042] 采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型In訊衬底1上部、30X30个台面2上 部和30X30个台面2侧面淀积厚度为9 y m的Si化介质层8。
[0043] 淀积介质层采用的工艺条件为;馬0流量为890sccm,SiH4流量为215sccm,温度为 265°C,RF 功率为 27W,压强为 1150mTorr。
[0044] 步骤3,在介质层8内刻蚀制作锥形凹槽9,如图3c。
[0045] 在介质层8上第二次制作掩膜,采用反应离子刻蚀技术在30X30个台面2上部的 介质层8内均刻蚀制作4X4个相同的锥形凹槽9,锥形凹槽9均为正四棱锥,正四棱锥的底 面的边长为14 y m,凹槽深度为9 y m。
[0046] 刻蚀凹槽采用的工艺条件为;SFe流量为7sccm,〇2流量为2sccm,压强为12mTorr, 偏置电压为120V。
[0047] 步骤4,对锥形凹槽9下的n型In訊材料进行P型杂质离子注入,实现台面2的P 型惨杂,并形成P型锥形惨杂区3,如图3d。
[0048] 对每个锥形凹槽9下的n型In訊材料进行P型杂质离子注入,实现对30X30个 台面2的P型惨杂,同时在每个台面2下部的n型In訊衬底1内形成与介质层8内4X4 个锥形凹槽9形状相似的P型锥形惨杂区3, P型锥形惨杂区均为正四棱锥,正四棱锥的底 面边长1为Hum,高h为6y m,其中惨杂杂质为测离子,惨杂浓度为1 X IQiScnT3。
[0049] 离子注入采用的工艺条件为:注入剂量为7 X 10"cm-2,注入能量为80化eV。
[0050] 步骤5,去除介质层8,如图3e。
[0051] 在介质层8上第H次制作掩膜,采用反应离子刻蚀技术刻蚀去除在n型In訊衬底 1上部、30 X 30个台面2上部和30 X 30个台面2侧面的介质层8。
[0052] 刻蚀介质层采用的工艺条件为;CF4流量为48sccm,〇2流量为7sccm,压强为 17mTorr,功率为 270W。
[0053] 步骤6,在n型In訊衬底1上部、30X30个台面2上部和30X30个台面2侧面淀 积保护层4,如图3f。
[0054] 采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型In訊衬底1上部、30X30个台面2上 部和30 X 30个台面2侧面淀积厚度为1. 2 y m的SiN保护层4。
[00巧]淀积纯化层采用的工艺条件为;气体为NHs、馬及SiH"气体流量分别为2. 3sccm、 926sccm和226sccm,温度、RF功率和压强分别为276°C、23W和926mTorr〇
[0056] 步骤7,刻蚀去除n型In訊衬底1边缘上部和30X30个台面2上部的保护层4, 如图3g。
[0057] 7a)在保护层4上第四次制作掩膜,该掩膜是由阳极掩膜图形和阴极掩膜图形构 成,其中阳极掩膜图形是由30X30个边长L为56um的正方形所组成的阵列,相邻两个正 方形的间距di、最边缘正方形与n型In訊衬底1边缘之间的距离d2均为45 y m ;阴极掩 膜图形为"回"字形图形,该"回"字形图形各内边长相等且各外边长相等,其中外边长为 3075 y m,外边长与内边长的间距为22. 5 y m ;
[0058] 7b)利用上述掩膜采用反应离子刻蚀技术刻蚀去除n型In訊衬底1边缘上部和 30 X 30个台面2上部的保护层4。刻蚀保护层采用的工艺条件为;CF4流量为45sccm,化流 量为5sccm,压强为15mTorr,功率为250W。
[0059] 步骤8,在每个台面2上部淀积金属制作阳极5,在n型In訊衬底1边缘上部淀积 金属制作"回"字形阴极6,如图化。
[0060] 8a)在30X30个台面2上和n型In訊衬底1边缘上第五次制作掩膜,该掩膜图形 与步骤7中第四次制作的掩膜图形完全相同;
[0061] 8b)利用上述掩膜,采用电子束蒸发技术在每个台面2上部和n型In訊衬底1边 缘上部依次淀积化、Au金属,制作阳极5和"回"字形阴极6,金属厚度为0. 06 y m/0. 8 y m, 再在馬气氛中进行快速退火。
[006引淀积金属采用的工艺条件为:真空度小于1.8 X1(T中a,功率范围为180?980W,蒸 发速率小于3A/S;快速退火采用的工艺条件为;温度为70(TC,时间为30s。
[0063] 步骤9,在n型In訊衬底1的下部淀积纯化层7,如图3i。
[0064] 采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型In訊衬底1的下部淀积厚度为2 y m 的SiN纯化层7,从而完成整个探测器阵列的制作。
[0065] 淀积纯化层采用的工艺条件为;气体为NHs、馬及SiH"气体流量分别为2. 5sccm、 950sccm和250sccm,温度、RF功率和压强分别为300°C、2抓和950mTorr〇
[0066] 实施例二;制作保护层为Si〇2,纯化层为Si〇2,每个台面正下方P型锥形惨杂区的 个数mXm = 2X2,阵列大小为512X512的红外探测器阵列。
[0067] 步骤一,在n型In訊衬底1上刻蚀制作512X512个台面2,如图3a。
[006引在厚度k为llym、惨杂浓度为lXl0i4cnT3的n型InSb衬底1上第一次制作掩 膜,采用感应禪合等离子反应刻蚀技术,在Ar/CH4/H2流量比为1:3:10,压强为10化,功率为 550W的工艺条件下,在n型In訊衬底1上刻蚀制作512X512个台面高度H为6ym、边长 L为36 y m的正方形台面2,其中相邻两个台面的间距di、最边缘台面与n型In訊衬底1边 缘之间的距离d2均为20 y m ;n型In訊衬底1刻蚀后的厚度S为5 y m。
[0069] 步骤二,在n型In訊衬底1上部、512X512个台面2上部和512X512个台面2侧 面淀积介质层8,如图3b。
[0070] 采用等离子体增强化学气相淀积技术,在气体为N&、馬及Si&,气体流量分别为 2sccm、945sccm和245sccm,温度、RF功率和压强分别为280°C、20W和945mTorr的工艺条 件下,在n型In訊衬底1上部、512X512个台面2上部和512X512个台面2侧面淀积厚度 为5 ji m的SiN介质层8。
[0071] 步骤三在介质层8内刻蚀制作锥形凹槽9,如图3c。
[0072] 在介质层8上第二次制作掩膜,采用反应离子刻蚀技术在CF4流量为45sccm,化流 量为5sccm,压强为15mTorr,功率为250W的工艺条件下,在512 X 512个台面2上部的介质 层8内刻蚀制作2 X 2个相同的锥形凹槽9,锥形凹槽9均为正四棱锥,正四棱锥的底面边长 为18 y m,凹槽深度为4 y m。
[0073] 步骤四,对锥形凹槽9下部的n型In訊材料进行p型杂质离子注入,实现台面2 的P型惨杂,并形成P型锥形惨杂区3,如图3d。
[0074] 对每个锥形凹槽9下的n型In訊材料,在注入剂量为4. 2 X 10"cm-2,注入能量为 5(K)keV的工艺条件下,进行测离子注入,实现对512 X 512个台面2的P型惨杂,同时在每个 台面2下部的n型In訊衬底1内形成与介质层8内2 X 2个锥形凹槽9形状相似的P型锥 形惨杂区3, P型锥形惨杂区3均为正四棱锥,正四棱锥的底面边长1为18 y m,高h为3 y m, 惨杂浓度为lX10"cnT3。
[00巧]步骤五,去除介质层8,如图3e。
[0076] 在介质层8上第H次制作掩膜,采用反应离子刻蚀技术在CF4流量为15sccm,化流 量为Isccm,压强为15mTorr,偏置电压为90V的工艺条件下,刻蚀去除在n型In訊衬底1 上部、512X512个台面2上部和512X512个台面2侧面的介质层8。
[0077] 步骤六,在n型In訊衬底1上部、512X512个台面2上部和512X512个台面2侧 面淀积保护层4,如图3f。
[0078] 采用等离子体增强化学气相淀积技术,在N2O流量为870sccm,Si&流量为 220sccm,温度为270°C,RF功率为27W,压强为1300mTorr的工艺条件下,在n型In訊衬底 1上部、512X512个台面2上部和512X512个台面2侧面淀积厚度为0. 6 y m的Si化保护 层4。
[0079] 步骤走,刻蚀去除n型In訊衬底1边缘上部和512X512个台面2上部的保护层 4,如图3g。
[0080] 在保护层4上第四次制作掩膜,其中该掩膜图形包括阳极掩膜图形和阴极掩膜图 形两部分,阳极掩膜图形是由512X512个边长L为36 y m的正方形所组成的阵列,相邻两 个正方形的间距di、最边缘正方形与n型In訊衬底1边缘之间的距离d2均为20 y m ;阴极 掩膜图形为"回"字形图形,该"回"字形图形各内边长相等且各外边长相等,其中外边长为 28692 y m,外边长与内边长的间距为10 y m ;利用该掩膜采用反应离子刻蚀技术,在CF4流 量为20sccm,化流量为2sccm,压强为20mTorr,偏置电压为100V的工艺条件下,刻蚀去除 n型In訊衬底1边缘上部和512X512个台面2上部的保护层4。
[0081] 步骤八,在每个台面2上部淀积金属制作阳极5,在n型In訊衬底1边缘上部淀积 金属制作"回"字形阴极6,如图化。
[0082] 在512X512个台面2上和n型In訊衬底1边缘上第五次制作掩膜,该掩膜图形 与步骤走中第四次制作的掩膜图形完全相同;利用该掩膜采用电子束蒸发技术在真空度小 于1.8X1(T中a,功率范围为280?1080W,蒸发速率小于3A/S的工艺条件下,在每个台面2 上部和n型In訊衬底1边缘上部依次淀积厚度为0. 04 y m/0. 6 y m的化、Au金属,并采用 温度为77(TC,时间为18s的工艺条件进行快速退火,制作阳极5和"回"字形阴极6。
[0083] 步骤九,在n型In訊衬底1的下部淀积纯化层7,如图3i。
[0084] 采用等离子体增强化学气相淀积技术,在馬0流量为860sccm,Si&流量为 210sccm,温度为275°C,RF功率为30W,压强为1250mTorr的工艺条件下,在n型In訊衬底 1的下部淀积厚度为lym的Si〇2纯化层7,从而完成整个探测器阵列的制作。
[0085] 实施例H ;制作保护层为SiN,纯化层为Si化,每个台面正下方P型锥形惨杂区的 个数mXm = 1X1,阵列大小为10000X10000的红外探测器阵列。
[0086] 步骤A,在n型In訊衬底1上刻蚀制作10000X10000个台面2,如图3a。
[0087] 在厚度k为2. 6 y m、惨杂浓度为1 X 1〇11畑1-3的n型In訊衬底1上第一次制作掩 膜,采用感应禪合等离子反应刻蚀技术在n型In訊衬底1上刻蚀制作10000X 10000个边 长为8ym的正方形台面2,相邻两个台面2的间距di,最边缘台面2与n型In訊衬底1边 缘之间的距离d2均为0. 5 y m,每个台面的高度H均为0. 6 y m ;n型In訊衬底1刻蚀后的厚 度S为2iim。刻蚀台面采用的工艺条件为;Ar/CH/Hs流量比为1:4:13,压强为20Pa,功率 为 600W。
[0088] 步骤B,在n型In訊衬底1上部、10000X10000个台面2上部和10000X10000个 台面2侧面淀积介质层8,如图3b。
[0089] 采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型In訊衬底1上部、10000 X 10000个台 面2上部和10000 X 10000个台面2侧面淀积厚度为2 y m的Si化介质层8。淀积介质层采 用的工艺条件为;馬0流量为780sccm,SiH4流量为170sccm,温度为210。RF功率为20W, 压强为gOOmTorr。
[0090] 步骤C,在介质层8内刻蚀制作锥形凹槽9,如图3c。
[0091] 在介质层8上第二次制作掩膜,采用反应离子刻蚀技术在10000X 10000个台面2 上部的介质层8内均刻蚀制作1个锥形凹槽9,锥形凹槽9均为正四棱锥,正四棱锥的底面 边长为8 y m,凹槽深度为2 y m。刻蚀凹槽采用的工艺条件为;SFe流量为5sccm,化流量为 2sccm,压强为lOmTorr,偏置电压为100V。
[0092] 步骤D,对锥形凹槽9下部的n型In訊材料进行P型杂质离子注入,实现台面2的 P型惨杂,并形成P型锥形惨杂区3,如图3d。
[0093] 对10000X10000个台面2上部介质层8内的1个锥形凹槽9下部的n型In訊材 料进行P型杂质离子注入,实现对每个台面2的P型惨杂,同时在每个台面2下部的n型 In訊衬底1内形成与介质层8内1个锥形凹槽9形状相似的P型锥形惨杂区3,p型锥形惨 杂区均为正四棱锥,正四棱锥的底面边长1为8ym,高h为2y m,其中惨杂杂质为镇离子, 惨杂浓度为lXl〇i6cnT3。离子注入采用的工艺条件为:注入剂量为6. 3Xl〇9cnT2,注入能量 为 30keV。
[0094] 步骤E,去除介质层8,如图3e。
[0095] 在介质层8上第H次制作掩膜,采用反应离子刻蚀技术刻蚀去除在n型In訊衬底 1上部、10000X10000个台面2上部和10000X10000个台面2侧面的介质层8。刻蚀介质 层采用的工艺条件为;CF4流量为35sccm,〇2流量为2sccm,压强为12mTorr,功率为220W。
[0096] 步骤F,在n型In訊衬底1上部、10000 X 10000个台面2上部和10000 X 10000个 台面2侧面淀积保护层4,如图3f。
[0097] 采用等离子体增强化学气相淀积技术在n型In訊衬底1上部、10000 X 10000个台 面2上部和10000 X 10000个台面2侧面淀积厚度为0. 05 y m的SiN保护层4。淀积保护层 采用的工艺条件为;气体为NHs、馬及SiH"气体流量分别为3sccm、920sccm和220sccm,温 度、RF功率和压强分别为270°C、27W和920mTorr。
[0098] 步骤G,刻蚀去除n型In訊衬底1边缘上部和10000X10000个台面2上部的保护 层4,如图3g。
[0099] 在保护层4上第四次制作掩膜,其中该掩膜图形包括阳极掩膜图形和阴极掩膜图 形两部分,阳极掩膜图形是由10000 X 10000个边长L为8 y m的正方形所组成的阵列,相邻 两个正方形的间距di、最边缘正方形与n型In訊衬底1边缘之间的距离d2均为0. 5 y m ;阴 极掩膜图形为"回"字形图形,该"回"字形图形各内边长相等且各外边长相等,其中外边长 为85000. 5 y m,外边长与内边长之间的距离为0. 25 y m ;利用该掩膜采用反应离子刻蚀技 术,刻蚀去除n型In訊衬底1边缘上部和10000X10000个台面2上部的保护层4。刻蚀 保护层采用的工艺条件为;SFe流量为5sccm,〇2流量为2sccm,压强为lOmTorr,偏置电压为 lOOVo
[0100] 步骤H,在每个台面2上部淀积金属制作阳极5,在n型In訊衬底1边缘上部淀积 金属制作"回"字形阴极6,如图化。
[0101] 在10000 X 10000个台面2上和n型In訊衬底1边缘上第五次制作掩膜,该掩膜图 形与步骤G中第四次制作的掩膜图形完全相同;利用该掩膜采用电子束蒸发技术在每个台 面2上部和n型In訊衬底1边缘上部依次淀积化、Au金属,制作阳极5和"回"字形阴极 6,金属厚度为0. 02 y m/0. 4 y m。淀积金属采用的工艺条件为:真空度小于1. 8 X 1〇-申3,功 率范围为220?1200W,蒸发速率小于3A/S;快速退火采用的工艺条件为:温度78(TC,时间 为 17s。
[0102] 步骤I,在n型In訊衬底1的下部淀积纯化层7,如图3i。
[0103] 采用电子束蒸发技术在n型In訊衬底1的下部,完成淀积厚度为0. 1 y m的Si化 纯化层7,从而完成整个探测器阵列的制作。淀积纯化层采用的工艺条件为;真空度小于 1. 5 X 1〇-中a,功率小于60W,蒸发速率小于3A/S。
[0104] 本发明的效果可通过W下仿真进一步说明。
[0105] 仿真中,传统阵列和本发明阵列均采用3X3的阵列,n型In訊衬底刻蚀后的厚 度S均为lOy m,台面大小L均为40y m,台面高度H均为5y m,相邻两个台面的间距di W 及最边缘台面与n型In訊衬底边缘之间的距离d2均为20 y m,n型In訊惨杂浓度均为 1 X l〇i5cm-3,p型In訊惨杂浓度均为1 X IQiScnT3 ;本发明阵列中每个台面下P型锥形惨杂区 的个数mXm = 2X2,p型锥形惨杂区为正四棱锥,正四棱锥的底面为正方形,正方形边长1 为20 y m,高h为10 y m ;仿真中的福射源从纯化层一侧,即W背入射方式,垂直照射最中也 像元。
[0106] 仿真1 ;对传统阵列与本发明阵列中沿入射福射方向在最中也像元中也处的空穴 浓度进行仿真,结果如图4。
[0107] 由图4可W看出;沿入射福射方向在最中也像元中也处绝大部分范围内,本发明 阵列的空穴浓度均显著高于传统阵列的空穴浓度,说明本发明阵列收集载流子的能力明显 商于传统阵列。
[0108] 仿真2 ;对传统阵列与本发明阵列中最中也像元中也处沿入射福射方向的纵向电 场进行仿真,结果如图5。
[0109] 由图5可W看出;本发明阵列的电场在光生载流子的主要产生区域,即靠近纯化 层附近的n型In訊衬底中,明显大于传统阵列的电场,说明本发明阵列在光生载流子的主 要产生区域中最中也像元中也处沿入射福射方向的纵向电场对光生载流子的抽取作用显 著增强,该大大减小了光生载流子产生区域中光生电子空穴对的复合作用,并减少了光生 载流子产生区域中陷阱俘获光生载流子的数量,使得绝大部分光生载流子都被中也像元 收集,而被其他像元收集的光生载流子数量大大减少,因此本发明阵列的量子效率和串音 均明显优于传统阵列。
[0110] 仿真3 ;对传统阵列与本发明阵列最中也像元中也处沿入射福射方向的横向电场 进行仿真,结果如图6。
[0111] 由图6可W看出;本发明阵列的电场,尤其是光生载流子主要产生区域中的电场, 明显小于传统阵列的电场,说明本发明阵列最中也像元中也处沿入射福射方向的横向电场 对光生载流子的抽取作用显著减小,结合图5仿真结果可知,绝大部分光生载流子都被中 也像元沿入射福射方向的纵向强电场抽取,而被其他像元收集的光生载流子数量大大减 少,因此本发明阵列的量子效率和串音均明显优于传统阵列。
[0112] 对于本领域的专业人员来说,在了解了本
【发明内容】
和原理后,能够在不背离本发 明的原理和范围的情况下,根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变,但是 该些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种红外探测器阵列,包括η型InSb衬底(1)和钝化层(7),η型InSb衬底(1)上 刻蚀有tXt个台面(2),t为整数且t彡1 ;每个台面(2)上部淀积有阳极(5),η型InSb 衬底(1)边缘上部淀积有"回"字形阴极(6);所述η型InSb衬底(1)上部和每个台面(2) 侧面淀积有保护层(4),其特征在于:每个台面(2)正下方的η型InSb衬底(1)内设有mXm 个相同的P型锥形掺杂区(3),形成p型锥形掺杂区阵列,每个p型锥形掺杂区(3)均与η 型InSb衬底⑴构成ρη结,m为整数且m彡1。
2. 根据权利要求1所述的红外探测器阵列,其特征在于η型InSb衬底⑴刻蚀前的厚 度k为2. 6?21μm,刻蚀后的厚度s为2?9μm,掺杂浓度为IXIO11CnT3?IX1016cm_3。
3. 根据权利要求1所述的红外探测器阵列,其特征在于每个台面(2)的上、下表面均为 正方形,正方形的边长L为8?56μm,每个台面的高度H均相同,H等于k减去s,且取值 范围为0· 6?12μm。
4. 根据权利要求1所述的红外探测器阵列,其特征在于相邻两个台面(2)的间距Cl1, 和最边缘台面与η型InSb衬底(1)边缘之间的距离(12相等,且取值范围为0.5?45μm。
5. 根据权利要求1所述的红外探测器阵列,其特征在于每个台面(2)的下表面与该台 面正下方的mXm个p型锥形掺杂区(3)的底面相接。
6. 根据权利要求1所述的红外探测器阵列,其特征在于mXm个p型锥形掺杂区⑶均 为正四棱锥,正四棱锥底面边长为1,I=L/m,高h小于或等于η型InSb衬底(1)刻蚀后 的厚度s,且h等于2ea()Ml。
7. -种制作红外探测器阵列的方法,包括如下过程: 第一步,在η型InSb衬底(1)上第一次制作掩膜,利用该掩膜在η型InSb衬底(1)上 刻蚀制作tXt个台面(2); 第二步,在η型InSb衬底(1)上部、每个台面(2)上部和每个台面(2)侧面淀积厚度 为2?9μm的介质层(8); 第三步,在介质层(8)上第二次制作掩膜,利用该掩膜在每个台面(2)上部的介质层 (8)内刻蚀制作mXm个相同的锥形凹槽(9),锥形凹槽的深度小于或等于介质层的厚度; 第四步,对每个锥形凹槽(9)下部的η型InSb材料进行p型杂质离子注入,实现对每 个台面(2)的ρ型掺杂,并在每个台面(2)下部形成mXm个相同的ρ型锥形掺杂区(3),其 中P型锥形掺杂区(3)均为正四棱锥,正四棱锥底面边长为1,I=L/m,高h小于或等于η 型InSb衬底(1)刻蚀后的厚度s,且h等于2eaci2tS 第五步,在介质层(8)上第三次制作掩膜,利用该掩膜刻蚀去除η型InSb衬底(1)上 部、每个台面(2)上部和每个台面(2)侧面的介质层; 第六步,在η型InSb衬底(1)上部、每个台面(2)上部和每个台面(2)侧面淀积保护 层(4),即用绝缘介质材料分别覆盖η型InSb衬底(1)上部、每个台面(2)上部和每个台面 (2)侧面的区域; 第七步,在保护层(4)上第四次制作掩膜,利用该掩膜刻蚀去除η型InSb衬底(1)边 缘上部和每个台面(2)上部的保护层(4); 第八步,在每个台面(2)上和η型InSb衬底(1)边缘上第五次制作掩膜,利用该掩膜 在每个台面(2)上部淀积金属制作阳极(5),同时在η型InSb衬底(1)边缘上部淀积金属 制作"回"字形阴极(6); 第九步,在η型InSb衬底(1)的下部淀积钝化层(7),即用透红外辐射绝缘介质材料覆 盖η型InSb衬底(1)下部的区域,从而完成整个探测器阵列的制作。
8. 根据权利要求7所述的方法,其特征在于所述第四步对锥形凹槽(9)下部的η型 InSb材料进行ρ型杂质离子注入,掺杂浓度为I X IO16CnT3?I X IO18CnT3 ;工艺条件为:注入 剂量为6. 3 X IO9CnT2 ?7 X 1013cnT2,注入能量为30keV?800keV。
9. 根据权利要求7所述的方法,其特征在于所述第八步制作的阳极(5)和阴极(6),厚 度相同,均采用相同的Cr/Au两层金属组合,其厚度为0. 02?0. 06μηι/0. 4?0. 8μηι,且下 层金属厚度要小于上层金属厚度。
10. 根据权利要求7所述的方法,其特征在于: 所述保护层(4)采用Si02、ZnS、SiN、A1203、Sc203、Hf02、TiO2或其它绝缘介质材料,其 厚度为〇· 05?1. 2μπι; 所述钝化层(7)采用ZnS、Si02、SiN、A1203、Hf02、TiO2或其它透红外辐射绝缘介质材 料,其厚度为〇. 1?2μπι。
【文档编号】H01L31/18GK104465686SQ201410667778
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】杨翠, 张延涛, 马京立, 陈园园, 陈晓冬, 孟超, 张小雷, 毛维, 吕衍秋, 司俊杰 申请人:西安电子科技大学
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