一种低暗电流的大阵面铟砷化镓MSM结构光电混频探测器阵列及其制造方法与流程

本发明涉及一种低暗电流的大阵面铟砷化镓msm结构光电混频探测器阵列及其制造方法，属于非扫描激光主动四维成像雷达技术领域。

背景技术：

激光成像雷达技术是自激光诞生以来，二十世纪七十年代发展起来的一个对目标成四维像的成像技术。直到二十世纪九十年代末，激光成像雷达都是采用扫描体制。随着科技的进步，也随着人们要求的不断提高，扫描体制因其成一幅像用时较长，帧频数低，严重影响成像质量，特别在空中运动平台上，这一不足就显得尤为突出。二十世纪末，科研人员提出了非扫描激光成像雷达体制，1998年美国陆军实验室提出的fm/cw体制是一个典型代表。

成就这种非扫描体制的关键之一，是需要研究出可以面阵焦平面接收的高灵敏度探测器，称之为面阵探测器。但是对于此类探测器并没有大面阵ingaas(铟镓砷)材料金属-非金属-金属(metol-semiconductor-metal，即msm)结构光电混频阵列探测器，即目前国际上的阵ingaas材料的msm探测器只有8*8像元面阵规格。并且，对于msm光电探测器中的暗电流，单纯通过增加像元的方式形成大面阵势必增加msm光电探测器中的暗电流，使msm光电探测器中无法正常使用。

技术实现要素：

本发明针对大面阵ingaas材料金属-非金属-金属(metol-semiconductor-metal，即msm)结构光电混频阵列探测器无法降低暗电流的问题，提出了一种低暗电流的64×64像元ingaasmsm结构光电混频探测器阵列。

一种低暗电流的铟砷化镓msm结构光电混频探测器阵列，所述阵列包括焦平面面阵；所述msm焦平面面阵一侧表面设有光敏面；所述光敏面上设有64×64个像元，所述msm焦平面面阵另一侧表面与所述光敏面相对应的位置上依次覆盖有缓冲层、吸收层、缓变层和势垒增强层；沿所述势垒增强层的中心线位置上依次设有五对背靠背肖特基。

进一步地，所述msm焦平面面阵为矩形面阵，在设有光敏面的一侧所述msm焦平面面阵表面上，靠近所述msm焦平面面阵的上下两侧面阵边缘的面阵表面上分别设有信号lo输入奇数列和信号lo输入偶数列；在靠近所述msm焦平面面阵的左右两侧面阵边缘的面阵表面上分别设有信号输出奇数列和信号输出偶数列；在设有光敏面的一侧所述msm焦平面面阵表面的一个顶角位置上设有标记起点，在区别于标记起点所在顶角的另两个顶角处设有gnd接地点。

进一步地，所述焦平面面阵的面积为5×5m²；光敏面的面积为4.3×4.3m²；每个像元的尺寸为60×60μm²；所述信号lo输入奇数列、信号lo输入偶数列、信号输出奇数列和信号输出偶数列均包含32个端点。

进一步地，所述缓冲层采用inalas材料制成，所述缓冲层的厚度为300nm；所述吸收层采用ingaas材料制成，所述吸收层的厚度为1000nm；所述缓冲层采用ingaalas材料制成，所述缓变层的厚度为25nm；所述吸收层采用inalassel材料制成，所述势垒增强层的厚度为10nm。

进一步地，所述背靠背肖特基采用pt/ti/pt/au势垒金属电极。

进一步地，所述阵列上设有钝化膜；所述钝化膜采用pecvd淀积低应力sinx薄膜；所述钝化膜覆盖阵列芯片表面。

一种权利要求1所述光电混频探测器阵列的制造方法，所采取的技术方案如下：所述方法包括：

步骤一：利用光刻机对圆片进行台面光刻；

步骤二：利用化学湿法腐蚀工艺或等离子干法刻蚀工艺对有源区台面进行腐蚀隔离；

步骤三：利用利用sin和sio2双层介质对焦平面阵列表面进行钝化，在芯片表面形成pecvd淀积低应力sinx钝化膜；

步骤四：通过涂胶、光刻和显影工艺对阵列芯片进行窗口光刻；

步骤五：在等离子刻蚀设备上利用光刻胶作掩膜进行介质刻蚀；

步骤六：利用光刻机对阵列芯片进行势垒图形光刻；

步骤七：利用电子束蒸发设备对阵列芯片进行金属蒸发；

步骤八：利用利用sin和sio2双层介质对阵列芯片进行钝化，在芯片表面上形成pecvd淀积低应力sinx钝化膜；

步骤九：利用光刻机在像元互联孔位置上进行孔光刻；

步骤十：利用等离子刻蚀设备对互联孔进行介质刻蚀；

步骤十一：利用磁控溅射设备对阵列表面进行tiau溅射；

步骤十二：利用电镀金工艺对像元进行电镀互联；

步骤十三：利用机械磨片减薄设备对阵列圆片进行背面减薄。

进一步地，一次布线和二次布线之间的介质厚度为1000nm和1200nm。

本发明有益效果：

本发明提出的一种低暗电流的大阵面铟砷化镓msm结构光电混频探测器阵列及其制作方法通过缓冲层、吸收层、缓变层和势垒增强层的结构和厚度设计，结合肖特基电极的技术材料结构设计以及钝化膜的设置和加工工艺能够有效降低大面阵光电混频探测器阵列的暗电流，能够将大面阵光电混频探测器阵列中出现的暗电流降低4-5倍，从而提高了光电探测灵敏度，能够为激光成像雷达提供一种新型焦平面成像探测器。

附图说明

图1为本发明所述msm探测器的结构示意图；

图2为本发明所述焦平面面阵的结构示意图；

图3为本发明所述肖特基金属电极的组成结构示意图；

图4为势垒金属对暗电流影响的曲线图；

图5为钝化前器件的暗电流特性曲线图；

图6为钝化后器件的暗电流特性曲线图；

图7为ingaasmsm电混频探测器阵列的制作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

一种低暗电流的铟砷化镓msm结构光电混频探测器阵列，所述阵列包括焦平面面阵；所述msm焦平面面阵一侧表面设有光敏面；所述光敏面上设有64×64个像元，所述msm焦平面面阵另一侧表面与所述光敏面相对应的位置上依次覆盖有缓冲层、吸收层、缓变层和势垒增强层；沿所述势垒增强层的中心线位置上依次设有五对背靠背肖特基。

其中，所述msm焦平面面阵为矩形面阵，在设有光敏面的一侧所述msm焦平面面阵表面上，靠近所述msm焦平面面阵的上下两侧面阵边缘的面阵表面上分别设有信号lo输入奇数列和信号lo输入偶数列；在靠近所述msm焦平面面阵的左右两侧面阵边缘的面阵表面上分别设有信号输出奇数列和信号输出偶数列；在设有光敏面的一侧所述msm焦平面面阵表面的一个顶角位置上设有标记起点，在区别于标记起点所在顶角的另两个顶角处设有gnd接地点。

所述焦平面面阵的面积为5×5m²；光敏面的面积为4.3×4.3m²；每个像元的尺寸为60×60μm²；所述信号lo输入奇数列、信号lo输入偶数列、信号输出奇数列和信号输出偶数列均包含32个端点。

所述缓冲层采用inalas材料制成，所述缓冲层的厚度为300nm；所述吸收层采用ingaas材料制成，所述吸收层的厚度为1000nm；所述缓冲层采用ingaalas材料制成，所述缓变层的厚度为25nm；所述吸收层采用inalassel材料制成，所述势垒增强层的厚度为10nm，探测器材料结构，见表1。

表164×64ingaas材料msm结构光电混频面阵探测器材料结构

上述各层生长的过程为：

用分子束外延设备，生长各层材料。首先在掺fe(铁)半绝缘(100)面inp衬底上，生长inalas缓冲层300nm，然后生长ingaas(铟砷化镓)吸收层1000nm，考虑与光通信应用的探测器不同，为优化器件的混频特性等性能，在吸收层ingaas之后应生长inalas10nm势垒增强层。但是为解决ingaas吸收层与inalas势垒增强层间界面导带不连续性，在ingaas吸收层后生长25nm的ingaalas(铟镓铝砷)缓变层，然后再生长10nm的inalas势垒增强层。

所述背靠背肖特基采用pt/ti/pt/au势垒金属叉指电极。本实施例在传统的ti/pt/au(钛/铂/金)电极与材料表面之间引入pt,形成pt/ti/pt/au(铂/钛/铂/金)势垒金属电极，如图3所示。图4为inalas势垒增强层上做ti/pt/au和pt/ti/pt/au不同叉指电极的测试结果。结果显示可看出，采用pt/ti/pt/au电极的的器件暗电流比采用ti/pt/au电极的器件暗电流要降低一个量级以上，效果十分明显。可以看出用pt/ti/pt/au作势垒金属层，暗电流可大大降低。

所述阵列上设有钝化膜；所述钝化膜采用pecvd淀积低应力sinx薄膜；本实施例通过sin和sio2双层介质钝化方式将钝化膜生长在芯片表面上。有效保护隔离台面，降低台面侧壁的漏电，进而降低共线上的128个器件的漏电。

钝化前与钝化后暗电流特性如图5和图6所示。可见，器件暗电流钝化前后至少相差4-5倍。因此，优化介质钝化工艺，对降低暗电流非常有效。

实施例2

一种所述光电混频探测器阵列的制造方法，如图7所示，所述方法包括：

步骤一：利用光刻机对圆片进行台面光刻；

步骤二：利用化学湿法腐蚀工艺或等离子干法刻蚀工艺对有源区台面进行腐蚀隔离；

步骤三：利用sin和sio2双层介质对焦平面阵列表面进行钝化，在芯片表面形成pecvd淀积低应力sinx钝化膜；

步骤四：通过涂胶、光刻和显影工艺对阵列芯片进行窗口光刻；

步骤五：在等离子刻蚀设备上利用光刻胶作掩膜进行介质刻蚀；

步骤六：利用光刻机对阵列芯片进行势垒图形光刻；

步骤七：利用电子束蒸发设备对阵列芯片进行金属蒸发；

步骤八：利用sin和sio2双层介质对阵列芯片进行钝化，在芯片表面上形成pecvd淀积低应力sinx钝化膜；

步骤九：利用光刻机在像元互联孔位置上进行孔光刻；

步骤十：利用等离子刻蚀设备对互联孔进行介质刻蚀；

步骤十一：利用磁控溅射设备对阵列表面进行tiau溅射；

步骤十二：利用电镀金工艺对像元进行电镀互联；

步骤十三：利用机械磨片减薄设备对阵列圆片进行背面减薄。

其中，所述光电混频探测器阵列制造的一次布线和二次布线之间的介质厚度分别为1000nm和1200nm。

本发明提出的一种低暗电流的大阵面铟砷化镓msm结构光电混频探测器阵列及其制作方法通过缓冲层、吸收层、缓变层和势垒增强层的结构和厚度设计，结合肖特基电极的技术材料结构设计以及钝化膜的设置和加工工艺能够有效降低大面阵光电混频探测器阵列的暗电流，能够将大面阵光电混频探测器阵列中出现的暗电流降低4-5倍，从而提高了光电探测灵敏度，能够为激光成像雷达提供一种新型焦平面成像探测器。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。