本發(fā)明涉及紅外探測器芯片，具體涉及一種正照射平面型側(cè)向收集結(jié)構(gòu)銦鎵砷紅外探測器芯片的制備方法。

背景技術(shù)：

銦鎵砷短波紅外探測器可以在室溫下工作，在民用、軍事和航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前PIN銦鎵砷探測器主要分為平面型和臺面型兩類。臺面型器件由于側(cè)面鈍化困難，導(dǎo)致器件可靠性降低、暗電流較大，這在很大程度上限制了器件探測率的提高。平面型探測器作為銦鎵砷探測器的主流結(jié)構(gòu)，主要在n-InP/i-InGaAs/n-InP外延材料中采用Zn高溫?cái)U(kuò)散的方法制備器件的PN結(jié)區(qū)，具有鈍化容易、暗電流低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于航空遙感領(lǐng)域。但此制備工藝在高溫?cái)U(kuò)散的過程中使器件表面容易形成擴(kuò)散熱損傷，另外在后續(xù)的熱處理過程中Zn及P元素的外擴(kuò)散，這些因素增加了外延層中的缺陷密度，導(dǎo)致PN結(jié)性能變差，這在很大程度上限制了探測器暗電流和盲元率的進(jìn)一步降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于側(cè)向收集結(jié)構(gòu)的平面型銦鎵砷探測器新結(jié)構(gòu)，即通過增加載流子側(cè)向收集區(qū)，減少外延材料的擴(kuò)散熱損傷，利用載流子的側(cè)向收集效應(yīng)達(dá)到降低器件的暗電流和盲元率的目的。

上述目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種平面型側(cè)向收集結(jié)構(gòu)銦鎵砷紅外探測器芯片的制備方法，步驟包括：1)外延材料清洗，2)淀積氮化硅擴(kuò)散掩膜，3)第一次光刻，4)開擴(kuò)散窗口，5)光刻膠剝離，6)閉管擴(kuò)散，7)開管取片，8)第二次光刻，9)生長P電極，10)光刻膠剝離，11)淀積二氧化硅增透膜，12)P電極退火，13)第三次光刻，14)開P電極孔，15)光刻膠剝離，16)第四次光刻，17)加厚P電極，18)光刻膠剝離，19)背面拋光，20)生長N電極，21)劃片；其中：步驟4)開擴(kuò)散窗口采用ICP干法刻蝕和氫氟酸緩沖液濕法腐蝕工藝，ICP功率2000W、RF功率40W、SF₆氣體流量45sccm、腔體壓強(qiáng)9.4mTorr、溫度5℃；氫氟酸緩沖液配比為體積比HF:NH₄F:H₂O＝3:6:10；步驟6)閉管擴(kuò)散，采用粉末狀Zn₃As₂作為擴(kuò)散源，真空度為2～3×10^-4Pa，在550℃溫度下保持6min。

優(yōu)選地，步驟2)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝淀積氮化硅擴(kuò)散掩膜，襯底溫度為330℃，氣體流量SiH₄:N₂＝50mL/min:900mL/min。

優(yōu)選地，步驟9)采用離子束濺射工藝淀積Au用作P電極，真空度為3×10^-2Pa，離子束能量為100eV。

優(yōu)選地，步驟11)采用磁控濺射鍍膜工藝淀積二氧化硅增透膜，襯底溫度為80℃，RF功率為350～400W。

優(yōu)選地，步驟17)采用離子束濺射依次淀積Cr、Au用作加厚電極，真空度為3×10^-2Pa，離子束能量為100eV。

通過上述方法可以制備一種平面型側(cè)向收集結(jié)構(gòu)銦鎵砷紅外探測器芯片，包括N型InP襯底、N型InP層、銦鎵砷本征吸收層、N型InP帽層、氮化硅擴(kuò)散掩膜層、載流子側(cè)向收集擴(kuò)散阻擋區(qū)、PN結(jié)區(qū)、載流子側(cè)向收集區(qū)、P電極、二氧化硅增透層、加厚電極、N電極。首先在N型InP襯底上通過外延方法依次排列生長N型InP層、銦鎵砷本征吸收層、N型InP帽層，銦鎵砷本征吸收層的厚度為1～3μm，然后在NIN型外延片上淀積氮化硅擴(kuò)散掩膜層用作擴(kuò)散掩膜層，同時起到鈍化層的作用。通過感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)(ICP)刻蝕和濕法腐蝕工藝形成矩形的載流子側(cè)向收集擴(kuò)散阻擋區(qū)，數(shù)量大于等于2，面陣或者線列排列。在考慮到開擴(kuò)散窗口時擴(kuò)散掩膜的側(cè)向鉆蝕和閉管擴(kuò)散時摻雜元素橫向擴(kuò)散的前提下，擴(kuò)散阻擋區(qū)邊長尺寸為5～10μm，中心距相同。閉管擴(kuò)散形成子像元PN結(jié)區(qū)，PN結(jié)為淺結(jié)，位于載流子側(cè)向收集的擴(kuò)散阻擋區(qū)以下的未擴(kuò)散區(qū)域作為載流子側(cè)向收集區(qū)。在光敏元的四周生長環(huán)形的單層Au作為P電極，然后在芯片表面淀積二氧化硅增透層作為芯片的增透膜，同時起到退火阻擋層及鈍化層的作用?？焖贌嵬嘶鸷?，通過常規(guī)濕法腐蝕工藝打開P電極孔，依次生長Cr、Au用作加厚電極，加厚電極為環(huán)形遮蓋電極，內(nèi)圍尺寸與整個器件的光敏元大小保持一致以對光敏面進(jìn)行定義，芯片背面拋光后生長單層Au用作N電極，最后，將芯片涂膠后劃片。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明制備方法制得的芯片減小了光敏元的擴(kuò)散區(qū)域，可有效地減少擴(kuò)散帶來的熱損傷，并引入雙層鈍化工藝減小表面復(fù)合，增加少數(shù)載流子的壽命、降低器件的暗電流和盲元率、提高探測器的探測率；

2、本發(fā)明制備方法制得的芯片中載流子側(cè)向收集的擴(kuò)散阻擋區(qū)邊長尺寸設(shè)計(jì)為5～10μm，產(chǎn)生在載流子側(cè)向收集區(qū)的光生載流子可以被周圍的結(jié)區(qū)有效地收集，光敏元響應(yīng)均勻。

附圖說明

圖1為平面型側(cè)向收集結(jié)構(gòu)銦鎵砷探測器芯片的俯視圖；

圖2為平面型側(cè)向收集結(jié)構(gòu)銦鎵砷探測器芯片沿加厚電極方向并經(jīng)過側(cè)向收集擴(kuò)散阻擋區(qū)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為工藝步驟流程圖。

圖中：1、N型InP襯底；2、N型InP層；3、銦鎵砷本征吸收層；4、N型InP帽層；5、氮化硅擴(kuò)散掩膜層；6、載流子側(cè)向收集擴(kuò)散阻擋區(qū)；7、PN結(jié)區(qū)；8、載流子側(cè)向收集區(qū)；9、P電極；10、二氧化硅增透層；11、加厚電極；12、N電極。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖具體介紹本發(fā)明的技術(shù)方案。

圖3為本發(fā)明平面型側(cè)向收集結(jié)構(gòu)銦鎵砷紅外探測器芯片的制備方法，步驟包括：

1)外延材料清洗，2)淀積氮化硅擴(kuò)散掩膜，3)第一次光刻，4)開擴(kuò)散窗口，5)光刻膠剝離，6)閉管擴(kuò)散，7)開管取片，8)第二次光刻，9)生長P電極，10)光刻膠剝離，11)淀積二氧化硅增透膜，12)P電極退火，13)第三次光刻，14)開P電極孔，15)光刻膠剝離，16)第四次光刻，17)加厚P電極，18)光刻膠剝離，19)背面拋光，20)生長N電極，21)劃片；其中，步驟4)開擴(kuò)散窗口采用ICP干法刻蝕和氫氟酸緩沖液濕法腐蝕工藝，ICP功率2000W、RF功率40W、SF₆氣體流量45sccm、腔體壓強(qiáng)9.4mTorr、溫度5℃；氫氟酸緩沖液配比為體積比HF：NH₄F：H₂O＝3：6：10；步驟6)閉管擴(kuò)散，采用粉末狀Zn₃As₂作為擴(kuò)散源，真空度為2～3×10^-4Pa，在550℃溫度下保持6min。

具體制備工藝步驟如下：

1)依次使用三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇、去離子水清洗外延片，然后氮?dú)獯蹈桑?/p>

2)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝淀積厚度為230nm的氮化硅擴(kuò)散掩膜層5，襯底溫度為330℃，氣體流量SiH₄：N₂＝50mL/min：900mL/min；

3)第一次光刻，采用正膠光刻，顯影后于85℃熱板上烘烤50min；

4)采用ICP干法刻蝕氮化硅擴(kuò)散掩膜，ICP功率2000W、RF功率40W、SF₆氣體流量45sccm、腔體壓強(qiáng)9.4mTorr、溫度5℃，然后采用氫氟酸緩沖液在0℃下腐蝕5s，去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈桑纬奢d流子側(cè)向收集擴(kuò)散阻擋區(qū)6；

5)光刻膠剝離，丙酮浮膠，乙醇清洗，氮?dú)獯蹈桑?/p>

6)采用粉末狀Zn₃As₂作為擴(kuò)散源進(jìn)行閉管擴(kuò)散，在550℃溫度下保持6min，形成PN結(jié)區(qū)7和載流子側(cè)向收集區(qū)8；

7)打開石英管將外延片取出，并依次用三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇、去離子水清洗外延片，氮?dú)獯蹈桑?/p>

8)第二次光刻，采用正膠光刻，顯影后于65℃熱板上烘烤30min；

9)采用離子束濺射工藝淀積厚度50nm的Au用作P電極9，真空度為3×10^-2Pa，離子束能量為100eV；

10)光刻膠剝離，工藝條件與步驟5)相同；

11)采用磁控濺射鍍膜工藝淀積厚度為280nm的二氧化硅增透層10，襯底溫度為80℃，RF功率為350～400W；

12)在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下進(jìn)行快速熱退火，溫度為450℃，保持時間為10s；

13)第三次光刻，采用正膠光刻，顯影后于85℃熱板上烘烤50min；

14)采用氫氟酸緩沖液在0℃下腐蝕二氧化硅增透層打開P電極孔，腐蝕條件與步驟4)相同；

15)光刻膠剝離，工藝條件與步驟5)相同；

16)第四次光刻，采用正膠光刻，顯影后于65℃熱板上烘烤10min；

17)采用離子束濺射依次淀積厚度分別為20nm、400nm的Cr、Au用作加厚電極11，淀積條件與步驟9)相同；

18)光刻膠剝離，工藝條件與步驟5)相同；

19)正面涂光刻膠保護(hù)后于65℃熱板烘烤30min，然后背面拋光，材料背面減薄20～30μm；

20)采用離子束濺射淀積厚度為400nm的Au用作N電極12，淀積條件與步驟9)相同；

21)劃片后使用丙酮、乙醇、去離子水依次清洗，氮?dú)獯蹈桑瑐?cè)向收集結(jié)構(gòu)器件制作完畢，見附圖2，其俯視圖如附圖1所示：

外延片為采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)在厚度為300μm，載流子濃度>3×10¹⁸cm^-3的N型InP襯底1上依次生長厚度為0.5μm的N型InP層2，載流子濃度>2×10¹⁸cm^-3；厚度為2.5μm的銦鎵砷本征吸收層3，載流子濃度5×10¹⁶cm^-3；厚度為1μm的N型InP帽層4，載流子濃度5×10¹⁶cm^-3。本實(shí)施例的載流子側(cè)向收集擴(kuò)散阻擋區(qū)6為4×4面陣結(jié)構(gòu)，每個阻擋區(qū)尺寸均為10×10μm²。

上述實(shí)施例的作用僅在于說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容，但并不以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。