短波红外二极管及其形成方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种短波红外二极管及其形成方法。

背景技术：

短波红外成像技术涵盖700nm到约2500nm的波长范围，虽然人眼无法看到此波长范围的光线，但其仍以可见光范围中相同的方式，即反射光或光子而不是辐射光子，从而与周围物体相互作用。因此，短波红外成像类似于可见光黑白成像，可产生对比度较高且易于识别的图像，在光谱学、激光成像、微光成像、安全识别、遥感、夜视等方面具有重要的应用前景。目前可商业应用的短波红外传感器主要采用包括铟镓砷化物作为光敏材料而形成的短波红外二极管，通常可涵盖900nm到1700nm的波长范围。

现有技术常以磷化铟(inp)晶片为衬底，采用金属有机气相沉积(mocvd)或分子束外延(mbe)等外延工艺在其上生长高质量的铟镓砷(ingaas)膜层，进而可制作完成的红外光电二极管阵列，然后专门设计实现成像功能的硅基读出集成电路(roic)。但是，由于硅基与inp两者之间工艺不相兼容，因此生产该芯片还需要形成将两者封装在一起的内置突起(in-bump)等的三围堆叠结构。此外，ingaas的晶格尺寸与inp相近，可在inp上高质量外延生长，但inp晶片成本高昂，且晶片尺寸较小；同时，in-bump等封装工艺使单个像素尺寸难以缩小，使得目前短波红外成像芯片价格高昂且成像像素低、分辨率较差，限制了其推广应用。

因此，如何降低短波红外二极管的成本是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种短波红外二极管及其形成方法，解决短波红外二极管的成本较高的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种短波红外二极管，所述短波红外二极管包括辅助成核层、缓冲层和铟镓砷pn结，所述辅助成核层设置在衬底上用于诱导结晶，所述缓冲层设置在所述辅助成核层上，所述铟镓砷pn结设置在所述缓冲成核层上。

可选的，在所述短波红外二极管中，所述辅助成核层为氧化钼层或钼层，所述辅助成核层的厚度为1nm～50nm。

可选的，在所述短波红外二极管中，所述缓冲层为磷化铟层，所述缓冲层的厚度为50nm～500nm。

可选的，在所述短波红外二极管中，所述铟镓砷pn结包括：铟镓砷层以及位于所述铟镓砷层上的磷化铟层，所述磷化铟层形成有pn结。

本发明还提供一种短波红外二极管的形成方法，所述短波红外二极管的形成方法包括：

在衬底上形成用于诱导结晶的辅助成核层；

在所述辅助成核层形成缓冲层；

在所述缓冲层上形成铟镓砷pn结。

可选的，在所述短波红外二极管的形成方法中，所述缓冲层的形成方法包括：

形成铟层，所述铟层进行图形化；

形成扩散阻挡层，所述扩散阻挡层覆盖在图形化后的所述铟层上；

进行缓冲层形成工艺，使含磷气体通过所述扩散阻挡层与所述铟层反应形成磷化铟层；

去除所述扩散阻挡层。

可选的，在所述短波红外二极管的形成方法中，所述扩散阻挡层的材料包括氧化硅、氮化硅或氧化铝，所述扩斯阻挡层的厚度为0.5nm～5nm。

可选的，在所述短波红外二极管的形成方法中，所述缓冲层形成工艺包括：反应环境为磷烷与氢气，反应温度为400℃～700℃。

可选的，在所述短波红外二极管的形成方法中，所述铟化砷pn结的形成方法包括：

通过化学气相外延形成铟镓砷层；

在所述铟镓砷层上形成pn结。

可选的，在所述短波红外二极管的形成方法中，所述pn结包括p区和n区，所述n区通过化学气相外延形成磷化铟层，所述p区通过二甲基锌或二乙基锌在所述磷化铟层中扩散形成。

本发明提供的短波红外二极管及其形成方法，所述短波红外二极管具有辅助成核层和缓冲层，在辅助成核层的诱导结晶作用下可以适用于多种的衬底，再通过缓冲层生长出铟镓砷层，进而可形成铟镓砷pn结，由于辅助成核层以及缓冲层的作用使短波红外二极管及其形成方式可以利用多种尺寸、多种材料的衬底，相比于成本较高的磷化铟(inp)衬底晶片，降低对衬底的要求，从而降低衬底晶片的成本，并能提高了短波红外二极管产品的应用设计的灵活性。

附图说明

图1为本发明的实施例的短波红外二极管的剖面结构示意图；

图2为本发明的实施例的短波红外二极管的形成方法的流程图；

图3a-3d为本发明的实施例的缓冲层的形成方法的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图1所示，本发明提供的一种短波红外二极管，所述短波红外二极管包括辅助成核层20、缓冲层30和铟镓砷pn结40，所述辅助成核层20设置在衬底10上用于诱导结晶，所述缓冲层30设置在所述辅助成核层20上，所述铟镓砷pn40结设置在所述缓冲层30上。

在本实施例中，所述辅助成核层20为氧化钼层或钼层，辅助成核层20可以起到隔绝衬底与反应物的作用，并能诱导结晶形成缓冲层，所述辅助成核层20的厚度为1nm～50nm。

在辅助成核层的基础上，所述缓冲层30为磷化铟层，通过诱导结晶形成的磷化铟的晶向上形成后续的铟镓砷层，起到缓冲的作用，所述缓冲层30的厚度为50nm～500nm。

所述铟镓砷pn结40包括：铟镓砷层以及位于所述铟镓砷层上的磷化铟层，所述磷化铟层形成有pn结，例如，可由锌掺杂的磷化铟层构成的p区42，以及由磷化铟构成的n区43，所述p区42和所述n区43位于铟镓砷层41上，p区42和n区43上还可以形成欧姆接触，将短波红外二级管的电极引出，从而可实现电气连接。

如图2所示，本发明还提供一种短波红外二极管的形成方法，所述短波红外二极管的形成方法包括：

步骤s10、在衬底上形成用于诱导结晶的辅助成核层；

步骤s20、在所述辅助成核层上形成缓冲层；

步骤s30、在所述缓冲层上形成铟镓砷pn结。

下面结合图1所示更为详细介绍本发明短波红外二极管的形成方法的每一步骤。

首先，按照步骤s10，在衬底10上形成用于诱导结晶的辅助成核层20，辅助成核层20可采用沉积等方式形成在衬底上，辅助成核层20还可以起到隔绝衬底的作用，采用本发明的方法可以利用多种尺寸、多种材料衬底，降低对衬底的要求，可以适应于硅或锗的单晶衬底及非晶衬底，相比于现有技术中采用较贵的inp单晶衬底，可以减少成本，并可提高短波红外二极管在具体运用设计中的灵活性，例如，可与硅芯片集成及其它特殊应用提供了可能。

其次，按照步骤s20，在所述辅助成核层20上形成缓冲层30，通过诱导结晶后形成的缓冲层30可用于外延生长铟镓砷层。

在本实施例中，如图3a-3d所示，所述缓冲层的形成方法包括：

在辅助成核层20上形成铟层101，对所述铟层101进行图形化，图形化可采用光刻技术得到所需要的铟层图形设计；

形成扩散阻挡层102，所述扩散阻挡层102覆盖在图形化后的所述铟层101上，即扩散阻挡层102包裹铟层101；

进行缓冲层形成工艺，使含磷气体通过所述扩散阻挡层102与所述铟层101反应形成磷化铟103，由于扩散阻挡层102包裹铟层101，只有极少的磷烷可以通过扩散阻挡层102形成的最薄弱的路径与铟层接触然后成核，最薄弱的路径是指扩散阻挡层102形成包裹时与外界最容易接触的位置点，之后磷烷会在该位置点不断穿过，并从该成核处向周围单晶外延，如图3c至3d中磷化铟103完成进一步增长，可形成单晶的薄膜，最后可形成整个一块图形是单晶状态的磷化铟层，从而可得到高质量的磷化铟单晶层；

通过刻蚀可去除所述扩散阻挡层102，暴露出磷化铟层，即完成缓冲层的形成。

可选的，所述扩散阻挡层102包括氧化硅、氮化硅或氧化铝，所述扩散阻挡层102的厚度为0.5nm～5nm，对于不同的缓冲层图形复杂程度以及不同产品工艺的需要，可对应选择不同的材料及厚度。

可选的，所述缓冲层形成工艺包括：反应环境为磷烷与氢气，反应温度为400℃～700℃，氢气可作为氛围气体，磷烷可提供反应所需的磷元素(如图3c和图3d中的气体图示)，通过在一定的温度环境下使铟熔融，由于辅助成核层可将衬底隔绝开，可避免衬底晶向影响到形成的磷化铟层，即单晶衬底或非晶衬底均可选用，进而在低压炉管中完成反应生成磷化铟单晶层，并能通过控制反应温度和气氛的比例、流量及后续退火条件等可控制生成inp薄膜的晶向。

然后，按照步骤s30，在所述缓冲层30上形成铟镓砷pn结40，制作出短波红外二极管。

在本实施例中，所述铟镓砷pn结40的形成方法包括：

在缓冲层30上通过化学气相外延形成铟镓砷层41，由于形成了高质量的已图形化的磷化铟单晶层，从而可较佳的外延生长出铟镓砷层；

在所述铟镓砷层上形成二极管的pn结结构。

在本实施例中，所述pn结包括p区42和n区43，所述n区43通过化学气相外延形成磷化铟层，气源包括但不限于三甲基铟和磷烷，形成n型掺杂区，所述p区42通过二甲基锌或二乙基锌在所述磷化铟中扩散形成，通过锌元素掺杂形成p型掺杂区，以二甲基锌或二乙基锌作为掺杂扩散源。在具体的实施方式中，在铟镓砷层上可通过化学气相外延先形成n型的n区43的磷化铟层，再通过锌元素掺杂得到p型的p区42，并可在p区和n区上可形成欧姆接触，将短波红外二级管的电极引出，从而可实现电气连接，此外还可以在铟镓砷pn结上形成钝化层来起到保护作用。

本发明提供的短波红外二极管及其形成方法，所述短波红外二极管具有辅助成核层和缓冲层，在辅助成核层的诱导结晶作用下可以适用于多种的衬底，再通过缓冲层生长出铟镓砷层，进而可形成铟镓砷pn结，由于辅助成核层以及缓冲层的作用使短波红外二极管及其形成方式可以利用多种尺寸、多种材料的衬底，相比于成本较高的磷化铟衬底晶片，降低对衬底的要求，从而降低衬底晶片的成本，并能提高了短波红外二极管产品的应用设计的灵活性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。