一种硅基碲镉汞长波光电二极管芯片的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种硅基碲镉汞长波光电二极管芯片，其结构自下而上依次为：Si衬底，与Si衬底牢固结合的CdTe缓冲层，在CdTe缓冲层上的微台面异质结光电二极管。本实用新型的优点是：相比于传统结构的硅基碲镉汞长波光电二极管芯片，本实用新型的硅基碲镉汞长波光电二极管芯片采用n-on-P+或p-on-N+结构；能够抑制界面复合，提高器件性能；在不使用滤光片的情况下获得窄带响应光谱，提高长波段的探测率；保证大面阵红外探测器象元串联电阻的一致性。
【专利说明】一种硅基碲镉汞长波光电二极管芯片
【技术领域】
[0001]本专利涉及红外光电探测器,具体是指一种采用n-on-Ρ+或p-on-N+结构的娃基締镉萊长波光电二极管芯片。
【背景技术】
[0002]先进的碲镉汞焦平面光电探测器技术将单一波段的二维目标成像拓展到三维成像或同时获取目标的光谱特性，并且不断朝着超高分辨率和高识别能力的方向发展。在探测器的材料上，要求材料的尺寸、性能更高、结构更复杂，从而实现对多重目标信息产生多重响应的功能。对于締镉萊外延技术而言，材料的尺寸主要受制于衬底材料。在传统的技术中，碲锌镉和砷化镓是两种比较成熟的衬底材料，这些衬底的优点在于其晶格能够与碲镉汞相匹配或比较匹配，外延出高质量的碲镉汞外延材料也较为容易，但它们与硅读出电路的热匹配特性则难以满足大规模红外焦平面器件的要求。从理论上讲，只有硅衬底材料才能最终克服这种技术上的制约，同时，材料尺寸的增大、成本的降低也离不开使用硅基衬底。然而，娃和締铺萊之间晶格失配(19%左右)却是发展娃基締铺萊外延技术的最大障碍。早期探索性工作是在硅基GaAs外延技术的带动下开展起来的，进一步的发展则是利用硅基表面As原子改性技术实现了硅基ZnTe的直接外延，现如今是将硅基CdTe分子束外延材料作为衬底的碲镉汞外延技术。尽管已经取得了显著的进展，但是在完全解决晶格失配大的问题之前，存在于碲镉汞激活区与CdTe缓冲层之间的各种缺陷引起的界面复合仍然制约着高性能的硅基碲镉汞长波红外焦平面探测器的制备。硅基碲镉汞长波红外焦平面探测器主要采用的是离子注入的n+-on-p结构或者非离子注入的p+-on-n结构。这两种结构的器件的光子吸收区均在硅基CdTe分子束外延材料上外延生长，因而探测器的整体性能受到了存在于碲镉汞激活区与CdTe缓冲层之间界面复合的制约。此外，在长波红外焦平面探测器的应用中，也是在这两种结构的器件上通过增加滤光片的方式来获得窄带响应光谱，提高长波段的探测率。
【发明内容】
[0003]本专利的目的是提供硅基碲镉汞长波光电二极管新型芯片，它采用n-on-Ρ+或p-on-N+结构，可以抑制界面复合、提高器件性能并且通过器件本身获得窄带响应。
[0004]本专利的硅基碲镉汞长波光电二极管芯片的结构依次为:Si衬底1，与Si衬底牢固结合的CdTe缓冲层2，在CdTe缓冲层上的微台面异质结光电二极管3以及爬坡公共电极4，微台面异质结光电二极管3上有第一铟球5，爬坡公共电极上有第二铟球6，其特征在于:所述的微台面异质结光电二极管3为n-on-Ρ+或p-on-N+结构，其中:
[0005]在n-on-Ρ+结构中，η型HgCdTe层为In掺杂HgCdTe层，掺杂浓度为1.0-15.0 X 1015cm_3，厚度为 8.0-10.0 μ m ;P+ 型 HgCdTe 层为 Hg 空位掺杂 HgCdTe 层，掺杂浓度为 1.0-8.0 X 1017cnT3，厚度为 4.0-5.0ym ；
[0006]在p-on-N+结构中，P型HgCdTe层为Hg空位掺杂HgCdTe层，掺杂浓度为1.0-15.0 X 1015cm_3，厚度为 8.0-10.0ym5N+M HgCdTe 层为 In 掺杂 HgCdTe 层，掺杂浓度为1.0-8.0 X 1017cnT3，厚度为 4.0-5.0 μ m。
[0007]本专利的器件工作过程是:当红外辐射从衬底背面入射到探测器芯片上时，穿过硅基CdTe衬底后，中短波段的红外辐射在P+或N+型HgCdTe层被吸收，产生的光生载流子基本不被n-Ρ+或P-N+结吸收；长波段的红外辐射继续前进，到达η或P型HgCdTe层被吸收，产生的光生载流子被η-Ρ+或P-N+结的内建电场分开，产生的长波段光电信号由读出互连In球5和6输出，从而构成一个可以探测长波的焦平面器件芯片。
[0008]本专利的优点:
[0009]1.相比于传统的η+-οη-ρ或ρ+-οη_η结构的硅基碲镉汞长波光电二极管芯片，本专利的n-on-Ρ+或ρ-οη-Ν+结构的硅基碲镉汞长波光电二极管芯片能够抑制界面复合，提高器件性能。
[0010]2.n-on-P+或p-on-N+结构的硅基碲镉汞长波红外焦平面探测器能够在不使用滤光片的情况下，获得窄带响应光谱，提高长波段的探测率。
[0011]3.本专利的探测芯片的P+或N+型HgCdTe层拥有较小的体阻抗，可以保证大面阵红外探测器象元串联电阻的一致性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本专利的n-on-Ρ+或p-on-N+结构的硅基碲镉汞长波光电二极管芯片的剖面示意图。
[0013]图2为传统的n-on-ρ+结构的长波光电二极管芯片未加增透膜时的量子效率曲线。
[0014]图3为本专利的n-on-Ρ+结构的长波光电二极管芯片未加增透膜时的量子效率曲线。
[0015]图4为本专利的n-on-Ρ+结构的长波光电二极管芯片的响应光谱曲线。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图，以象元中心距为15 μ m的n-on-Ρ+型HgCdTe异质结为例,对本专利的【具体实施方式】作详细说明:
[0017]如图1所示，首先在Si衬底I上依次增加CdTe缓冲层2 ；Hg空位掺杂浓度为1.0X 1017、厚度为5 μ m、组分为0.245的P.型HgCdTe层；以及In掺杂浓度为1.0X 1015、厚度为10 μ m、组分为0.21的η型HgCdTe层；然后在微台面裸露的表面增加钝化层、欧姆接触金属电极、金属爬坡电极和与读出电路互连的In柱。
[0018]最后对上述实施例的光电特性进行数值模拟。图2为传统的η-οη-ρ+结构的长波光电二极管芯片未加增透膜时的量子效率曲线。图3为本专利的n-on-Ρ+结构的长波光电二极管芯片未加增透膜时的量子效率曲线。如图2、3所示，在未增加增透膜的情况下，本专利的长波红外器件的量子效率明显高于传统结构的长波红外器件。并由图2、3计算得到，在长波段范围(8-12μπι)，本专利的长波红外器件的量子效率比传统结构的高出45.3%。图4为本专利的n-on-P+结构的长波红外探测器的响应光谱曲线。如图4所示，本专利的长波红外器件能够在不使用滤光片的情况下，获得窄带响应光谱，提高长波段的探测率。由此可见，本专利的采用n-on-P+或p-on-N+结构的硅基碲镉汞红外长波光电二极管芯片的结构方案是可行的、合理的。
【权利要求】
1.一种娃基締镉萊长波光电二极管芯片，其结构自下而上依次为:Si衬底(I),与Si衬底牢固结合的CdTe缓冲层(2)，微台面异质结光电二极管(3)以及爬坡公共电极(4)，第一铟球(5)位于微台面异质结光电二极管(3)上，第二铟球(6)位于爬坡公共电极上，其特征在于:所述的微台面异质结光电二极管(3)为n-on-Ρ+或p-on-N+结构,其中: 在n-on-Ρ+结构中，η型HgCdTe层的厚度为8.0-10.0 μ m ；Ρ+型HgCdTe层的厚度为4.0-5.0um; 在p-on-N+结构中，P型HgCdTe层的厚度为8.0-10.0um ；N+型HgCdTe层的厚度为4.0-5.0 μ mD
【文档编号】H01L31/103GK204088348SQ201420310542
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】叶振华, 张鹏, 陈奕宇, 林春, 胡晓宁, 丁瑞军, 何力 申请人:中国科学院上海技术物理研究所