优化BIB探测器响应率的方法及BIB探测器与流程

本发明涉及半导体光电探测器技术，具体地，涉及一种优化bib探测器响应率的方法及bib探测器。

背景技术：

阻挡杂质带(bib)探测器是一种远红外光电探测器，它的发展起源于本征光电导探测器和非本征光电导探测器。早期的本征光电导探测器的工作原理是价带电子吸收光子跃迁至导带，使导带电子数和价带空穴数均增加，从而增加了探测器的电导率；后来发展起来的非本征光电导探测器是在本征光电导探测器基础上利用掺杂在导带与价带的之间构建了一个杂质能带，杂质能带的电子通过吸收光子可以直接跃迁至导带，由此可减小吸收光子的能量以及延伸响应辐射的波长，此外，与本征光电导相比非本征光电导还具有另外一个优势，即提高了入射辐射的吸收效率以及探测器的量子效率；但是，非本征光电导探测器的劣势依旧明显，其中，暗电流及其散粒噪声较大是制约非本征光电导探测器进一步发展的两个关键问题，这是因为杂质能带的引入在探测器导带与价带之间形成了一条暗电流导通路径，即杂质带电导。

bib探测器可以很好地解决非本征光电导探测器遇到的上述瓶颈，这是因为bib探测器在非本征光电导探测器的结构基础上增加了本征阻挡层，阻挡层的存在可以有效抑制杂质带电导，从而能大幅降低探测器暗电流及其散粒噪声。此外，由于bib探测器的掺杂浓度普遍高于非本征光电导探测器，导致bib探测器吸收等量辐射所需的结构尺寸明显小于非本征光电导探测器，因此bib探测器具有更强的抗辐射能力及更长的使用寿命。响应率作为表征bib探测器性能的关键指标，定义为单位目标辐射能量所激发的电流信号大小，其数值直接表征了bib探测器的探测能力。探测器的工作偏压及工作温度统称为探测器的工作条件，响应率指标很大程度上取决于探测器工作条件的设置，为了达到最优响应率，现有方法是将探测器的工作条件经过多次调试后择优进行设置，该方法一方面调试周期较长，另一方面调试准确度也较低，已经不满足bib探测器标准化设置的要求。

公开号为cn107017315a的专利文献公开了一种背电极结构的阻挡杂质带探测器，包括：高导硅衬底；硅掺磷吸收层，硅掺磷吸收层设置在高导硅衬底上；高纯硅阻挡层，高纯硅阻挡层设置在硅掺磷吸收层上；电极过渡区，电极过渡区设置在高纯硅阻挡层上；正电极区，正电极区设置在电极过渡区上，在正电极区上设有正电极引线；负电极区，负电极区设置在高导硅衬底的底部；金属基板，负电极区通过导电银胶与金属基板连接，在金属基板上设有负电极引线。本发明的有益效果如下：利用银胶将负电极和金属基板粘合在一起，通过引线键合工艺分别在正电极和金属基板处引出金线，分别连接至金属基板的邻近针脚上，避免了传统制备方法需深孔刻蚀负电极，解决了传统刻蚀工艺对器件造成损伤的问题。但是该专利没有研究如何提高阻挡杂质带探测器响应率。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种优化bib探测器响应率的方法及bib探测器。

根据本发明的一个方面，提供一种优化bib探测器响应率的方法，包括如下步骤：

步骤1：构建阻挡杂质带bib探测器的结构模型；

步骤2：根据构建的bib探测器的结构模型构建相应的物理模型；

步骤3：制作bib材料样品，提取bib材料样品的关键物理参数，将提取的关键物理参数输入构建的物理模型，完成bib探测器数值模型的构建；

步骤4：将远红外辐射从正面垂直照射到探测器上，并根据构建的数值模型选取能使探测器正常工作的固定温度ta和固定偏压ua，由数值模拟得到当工作温度to＝ta且工作偏压uo＝ua时探测器的光谱响应率曲线，其中，所述光谱响应率曲线即为探测器响应率r随入射波长λ变化的曲线；

步骤5：在不同数值的固定偏压ua下，分别改变工作温度to，得到不同固定偏压ua下，不同工作温度to对应的探测器光谱响应率的一系列曲线，并提取探测器的峰值波长λp对应的峰值响应率rp随工作温度to变化的一系列曲线；

步骤6：根据步骤5得到的当工作偏压uo等于不同固定偏压ua值时，λp对应的峰值响应率rp随工作温度to变化的一系列曲线，提取探测器最佳工作温度topt随工作偏压uo变化的曲线，得到拟合探测器最佳工作温度topt随工作偏压uo变化的曲线的函数式topt(uo)，其中，探测器最佳工作温度topt即为探测器峰值响应率rp取最优值时对应的工作温度to；

步骤7：根据步骤6得到的探测器最佳工作温度topt关于不同工作偏压uo的函数式及设置的工作偏压uo，确定能使探测器响应率达到最优的最佳工作条件，其中最佳工作条件由工作偏压uo及相应最佳工作温度topt组成。

步骤8：采用与步骤3中bib材料样品相同的材料体系和工艺条件在高导衬底上依次生长吸收层和阻挡层，然后采用微纳工艺完成bib探测器制备；

步骤9：将制备完成的bib探测器经过封装工艺放置于低温恒温器中，然后分别通过低温恒温器的电学接口和热学接口，按照步骤9确定的最佳工作条件对bib探测器的工作偏压及工作温度进行设置，则制备的bib探测器的响应率将具有最优值。

优选地，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：在高导衬底上依次形成吸收层、阻挡层、电极层和钝化层；

步骤1.2：在电极层上形成正电极，在高导衬底上形成负电极。

优选地，所述步骤2包括：联立泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，以及将载流子复合率及光生载流子产生率通过产生复合项加入到连续性方程中，其中所述载流子复合项包括srh复合、辐射复合和俄歇复合，光生载流子产生项通过耦合吸收系数模型来描述载流子的产生率，此外还需考虑载流子的低温冻析效应、势垒隧穿效应以及速度饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解。

优选地，所述步骤3包括：在高导衬底上依次生长重掺杂的吸收层和本征的阻挡层作为bib材料样品，测量并提取bib材料样品的关键物理参数，测量的关键物理参数包括：样品的载流子迁移率及寿命、衬底掺杂浓度及厚度、吸收层掺杂浓度及厚度和阻挡层掺杂浓度及厚度。

优选地，所述步骤5包括如下步骤：

步骤5.1：改变工作温度to，由数值模拟得到当工作偏压uo＝ua时，不同工作温度对应的探测器光谱响应率的一系列曲线，并提取探测器的峰值波长λp；

步骤5.2：根据步骤5.1得到的当工作偏压uo＝ua时，不同工作温度to对应的探测器光谱响应率的一系列曲线，提取当工作偏压uo＝ua时，λp对应的峰值响应率rp随工作温度to变化的曲线；

步骤5.3：改变固定偏压ua的值，取不同数值固定偏压ua，重复步骤5.1、5.2，得到当工作偏压uo等于不同固定偏压ua值时，不同工作温度对应的探测器光谱响应率的一系列曲线；并从这一系列曲中，提取当工作偏压uo等于不同偏压ua值时，λp对应的峰值响应率rp随工作温度to变化的一系列曲线。

优选地，所述步骤8中的微纳工艺流程包括：光刻标记制作、电子收集层制作、光敏台面制作、欧姆电极制作、钝化层制作、电极孔制作和加厚电极制作。

优选地，所述采用微纳工艺制备bib探测器具体包括如下步骤：

步骤a1：采用与步骤3中bib材料样品相同的材料体系和工艺条件在衬底上依次生长重掺杂n型吸收层和本征阻挡层；

步骤a2：在阻挡层上通过光刻工艺获得标记区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积ti/au双层金属，然后经丙酮剥离后完成光刻标记制作；

步骤a3：在阻挡层上通过光刻工艺获得离子注入所需窗口，在窗口区域注入碲离子，然后经快速热退火工艺后完成电子收集层制作；

步骤a4：在电子收集层上通过光刻工艺获得刻蚀所需窗口，然后采用感应耦合等离子体刻蚀工艺纵向刻蚀以去除窗口区域的电子收集层、阻挡层和吸收层后完成光敏台面制作；

步骤a5：利用光刻工艺获得正、负电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积ni/ge/au三层金属，然后经丙酮剥离及退火工艺后完成欧姆电极制作；

步骤a6：采用等离子体增强化学气相沉积工艺生长氮化硅完成钝化层制作；

步骤a7：利用光刻工艺在欧姆电极区域形成腐蚀所需窗口，然后用氢氟酸缓冲液腐蚀电极区域的氮化硅后完成电极孔制作；

步骤a8：利用光刻工艺再次获得欧姆电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积ni/au双层金属，然后经丙酮剥离后完成加厚电极制作。

优选地，所述步骤9中的封装工艺的流程包括：探测器划片、探测器贴片和探测器引线。

根据本发明的另一个方面，提供一种bib探测器，采用所述的优化bib探测器响应率的方法来优化bib探测器的响应率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的优化阻挡杂质带探测器响应率的方法，首先通过数值模拟及数据拟合得到探测器最佳工作温度关于不同工作偏压的函数式，进而根据该函数式及设置的工作偏压提取出相应的最佳工作温度，该工作温度在设置的工作偏压下能使制作的阻挡杂质带探测器的响应率达到最优，从而为设计并制作高性能阻挡杂质带探测器提供了可靠的依据。

2、本发明提供的优化阻挡杂质带探测器响应率的方法，可以针对不同材料体系(包括：硅基、锗基和砷化镓基)及不同工艺条件(包括：气相外延工艺、液相外延工艺和分子束外延工艺)得到的阻挡杂质带探测器提取出最佳工作温度与工作偏压的关系，由此得到包括工作偏压及相应最佳工作温度在内的最佳工作条件，根据该最佳工作条件对探测器的工作偏压及工作温度进行设置，则探测器的响应率将具有最优值，从而避免为了优化响应率而对探测器的工作条件进行反复设置，极大地缩短了探测器的调试周期并提高了调试的准确度。

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为本发明阻挡杂质带探测器的结构示意图。

图2为工作偏压uo＝0.82v时不同工作温度对应的探测器光谱响应率的一系列曲线。

图3为工作偏压uo＝0.85v时不同工作温度对应的探测器光谱响应率的一系列曲线。

图4为工作偏压uo＝0.88v时不同工作温度对应的探测器光谱响应率的一系列曲线。

图5为工作偏压uo＝0.91v时不同工作温度对应的探测器光谱响应率的一系列曲线。

图6为不同工作偏压下峰值响应率随工作温度变化的一系列曲线。

图7为最佳工作温度随工作偏压变化的拟合曲线。

图中示出：

1-高导衬底5-钝化层

2-吸收层6-正电极

3-阻挡层7-负电极

4-电极层

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。

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。

本发明提供的一种优化阻挡杂质带探测器响应率的方法，从bib探测器的性能着手研究，考察探测器工作条件对其响应指标的影响，所得结果对该探测器的优化设计将具有一定的指导意义。首先通过数值模拟及数据拟合得到探测器最佳工作温度关于不同工作偏压的函数式，进而根据该函数式及设置的工作偏压提取出相应的最佳工作温度，该工作温度在设置的工作偏压下能使制作的阻挡杂质带探测器的响应率达到最优。本方法的优点在于，可以针对不同材料体系及不同工艺条件得到的阻挡杂质带探测器提取出最佳工作温度与工作偏压的关系，由此得到包括工作偏压及相应最佳工作温度在内的最佳工作条件，根据该最佳工作条件对探测器的工作偏压及工作温度进行设置，则探测器的响应率将具有最优值，从而避免为了优化响应率而对探测器的工作条件进行反复设置，极大地缩短了探测器的调试周期并提高了调试的准确度。

根据本发明提供的一种优化bib探测器响应率的方法，包括如下步骤：

步骤1：构建阻挡杂质带bib探测器的结构模型；

步骤1.1：在高导衬底上依次形成吸收层、阻挡层、电极层和钝化层；

步骤1.2：在电极层上形成正电极，在高导衬底上形成负电极；

优选地，如图1所示，在n型高导砷化镓衬底上依次形成重掺杂的n型吸收层、本征的阻挡层、重掺杂的n型电极层和氮化硅钝化层，然后在重掺杂的n型电极层上形成正电极，以及在n型高导砷化镓衬底上形成负电极；

步骤2：根据构建的bib探测器的结构模型构建相应的物理模型；具体地，联立泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，以及将载流子复合率及光生载流子产生率通过产生复合项加入到连续性方程中，其中所述载流子复合项包括srh复合、辐射复合和俄歇复合，光生载流子产生项通过耦合吸收系数模型来描述载流子的产生率，此外还需考虑载流子的低温冻析效应、势垒隧穿效应以及速度饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解；

步骤3：制作bib材料样品，提取bib材料样品的关键物理参数，将提取的关键物理参数输入构建的物理模型，完成bib探测器数值模型的构建；具体地，在高导衬底上依次生长重掺杂的吸收层和本征的阻挡层作为bib材料样品，测量并提取bib材料样品的关键物理参数，测量的关键物理参数包括：样品的载流子迁移率及寿命、衬底掺杂浓度及厚度、吸收层掺杂浓度及厚度和阻挡层掺杂浓度及厚度；

优选地，在n型高导砷化镓衬底上依次生长重掺杂的n型吸收层和本征的阻挡层，然后采用低温霍尔测试的方法得到电子迁移率μe＝6.71×10⁵cm²/vs，空穴迁移率μh＝3.86×10⁶cm²/vs，电子寿命τe＝1×10^-9s，空穴寿命τh＝1×10^-9s，采用扩展电阻分析的方法得到衬底掺杂浓度ns＝4×10¹⁸cm^-3，衬底厚度hs＝350μm，吸收层掺杂浓度na＝5×10¹⁵cm^-3，吸收层厚度ha＝40μm，阻挡层掺杂浓度nb＝1×10¹³cm^-3，阻挡层厚度hb＝8μm；

步骤4：将远红外辐射从正面垂直照射到探测器上，并根据构建的数值模型选取能使探测器正常工作的固定温度ta和固定偏压ua，由数值模拟得到当工作温度to＝ta且工作偏压uo＝ua时探测器的光谱响应率曲线，其中，所述光谱响应率曲线即为探测器响应率r随入射波长λ变化的曲线；

步骤5：在不同数值的固定偏压ua下，分别改变工作温度to，得到不同固定偏压ua下，不同工作温度to对应的探测器光谱响应率的一系列曲线，并提取探测器的峰值波长λp对应的峰值响应率rp随工作温度to变化的一系列曲线；

步骤5.1：改变工作温度to，由数值模拟得到当工作偏压uo＝ua时，不同工作温度对应的探测器光谱响应率的一系列曲线，并提取探测器的峰值波长λp；

步骤5.2：根据步骤5.1得到的当工作偏压uo＝ua时，不同工作温度to对应的探测器光谱响应率的一系列曲线，提取当工作偏压uo＝ua时，λp对应的峰值响应率rp随工作温度to变化的曲线；

步骤5.3：改变固定偏压ua的值，取不同数值固定偏压ua，重复步骤5.1、5.2，得到当工作偏压uo等于不同固定偏压ua值时，不同工作温度对应的探测器光谱响应率的一系列曲线；并从这一系列曲中，提取当工作偏压uo等于不同偏压ua值时，λp对应的峰值响应率rp随工作温度to变化的一系列曲线；

优选地，选取一个能使探测器正常工作的固定温度ta＝6.2k和固定偏压ua＝0.82v，由数值模拟得到当工作温度to＝ta＝6.2k且工作偏压uo＝ua＝0.82v时探测器的光谱响应率曲线，如图2中黑色菱形符号标识的曲线所示；改变工作温度to，由数值模拟得到当工作偏压uo＝ua＝0.82v时，不同工作温度to对应的探测器光谱响应率的一系列曲线，并提取得到探测器的峰值波长λp＝263μm；根据如图2所示的当工作偏压uo＝ua＝0.82v时，不同工作温度对应的探测器光谱响应率的一系列曲线，提取得到当工作偏压uo＝ua＝0.82v时，峰值响应率rp随工作温度to变化的曲线，如图6中黑色正方形符号标识的曲线所示；改变固定偏压，当为ua＝0.85v、ua＝0.88v及ua＝0.91v，分别得到当工作偏压uo＝ua＝0.85v、0.88v及0.91v时，不同工作温度to对应的探测器光谱响应率的一系列曲线，如图3-5所示，提取当工作偏压uo＝ua＝0.85v、0.88v及0.91v时，λp对应的峰值响应率rp随工作温度to变化的一系列曲线，如图6所示；

步骤6：根据步骤5得到的当工作偏压uo等于不同固定偏压ua值时，λp对应的峰值响应率rp随工作温度to变化的一系列曲线，提取探测器最佳工作温度topt随工作偏压uo变化的曲线，得到拟合探测器最佳工作温度topt随工作偏压uo变化的曲线的函数式topt(uo)，其中，探测器最佳工作温度topt即为探测器峰值响应率rp取最优值时对应的工作温度to；

优选地，根据如图6所示的不同工作偏压uo下峰值响应率rp随工作温度to变化的一系列曲线，提取探测器最佳工作温度topt随工作偏压uo变化的曲线，如图7所示，最佳工作温度topt与工作偏压uo具有线性关系，通过拟合探测器最佳工作温度topt随工作偏压uo变化的曲线，得到探测器最佳工作温度topt关于不同工作偏压uo的函数式topt(uo)：

topt＝9.42851uo-2.19227；

步骤7：根据步骤6得到的探测器最佳工作温度topt关于不同工作偏压uo的函数式及设置的工作偏压uo，确定能使探测器响应率达到最优的最佳工作条件，其中最佳工作条件由工作偏压uo及相应最佳工作温度topt组成；

优选地，根据函数式topt(uo)及设置的工作偏压uo＝1v提取出相应的最佳工作温度topt＝6.5k，进而确定能使探测器响应率达到最优的最佳工作条件(uo＝1v，topt＝6.5k)；

步骤8：采用与步骤3中bib材料样品相同的材料体系和工艺条件在高导衬底上依次生长吸收层和阻挡层，然后采用微纳工艺完成bib探测器制备；所述微纳工艺流程包括：光刻标记制作、电子收集层制作、光敏台面制作、欧姆电极制作、钝化层制作、电极孔制作和加厚电极制作；

优选地，所述采用微纳工艺制备bib探测器具体包括如下步骤：

步骤a1：采用与步骤s3中bib材料样品相同的材料体系和工艺条件在350μm厚的n型高导砷化镓衬底上依次生长40μm厚的重掺杂n型吸收层和8μm厚的本征阻挡层，其中衬底、吸收层和阻挡层的掺杂浓度分别为4×10¹⁸cm^-3、5×10¹⁵cm^-3和1×10¹³cm^-3；

步骤a2：在阻挡层上通过光刻工艺获得标记区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积ti/au双层金属，然后经丙酮剥离后完成光刻标记制作；

步骤a3：在阻挡层上通过光刻工艺获得离子注入所需窗口，在窗口区域注入碲离子，然后经快速热退火工艺后完成电子收集层制作；

步骤a4：在电子收集层上通过光刻工艺获得刻蚀所需窗口，然后采用感应耦合等离子体刻蚀工艺纵向刻蚀50μm以去除窗口区域的电子收集层、阻挡层和吸收层后完成光敏台面制作；

步骤a5：利用光刻工艺获得正、负电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积ni/ge/au三层金属，然后经丙酮剥离及退火工艺后完成欧姆电极制作；

步骤a6：采用等离子体增强化学气相沉积工艺生长500nm厚的氮化硅完成钝化层制作；

步骤a7：利用光刻工艺在欧姆电极区域形成腐蚀所需窗口，然后用氢氟酸缓冲液腐蚀电极区域的氮化硅后完成电极孔制作；

步骤a8：利用光刻工艺再次获得欧姆电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积ni/au双层金属，然后经丙酮剥离后完成加厚电极制作。至此砷化镓基bib探测器制作完毕；

步骤9：将制备完成的bib探测器经过封装工艺放置于低温恒温器中，然后分别通过低温恒温器的电学接口和热学接口，按照步骤9确定的最佳工作条件对bib探测器的工作偏压及工作温度进行设置，则制备的bib探测器的响应率将具有最优值；

优选地，将制备完成的砷化镓基bib探测器经过探测器划片、探测器贴片和探测器引线等封装工艺流程放置于低温恒温器中，然后分别通过低温恒温器的电学接口和热学接口，将砷化镓基bib探测器的工作偏压及工作温度分别进行设置为(uo＝1v，topt＝6.5k)，则制备的砷化镓基bib探测器的响应率将具有最优值。

根据本发明提供的一种bib探测器，如图1所示，采用所述的优化bib探测器响应率的方法来优化bib探测器的响应率，所述bib探测器的响应率将具有最优值。

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。