專利名稱：電分色紅外接收器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用半導(dǎo)體材料經(jīng)常規(guī)的平面工藝加工制成的具有電分色功能且能廣泛用于各類紅外設(shè)備的電分色紅外接收器件。
現(xiàn)有的紅外接收器件主要分光子探測器和熱探測器兩大類，均為二端子器件。光子探測器靈敏度高，響應(yīng)時間快;熱探測器具有較寬的頻率接收范圍，但靈敏度和響應(yīng)時間等性能較差，無辯色能力。目前使用的光子探測器件由于受半導(dǎo)體材料的光學(xué)帶隙或雜質(zhì)光導(dǎo)激活能的限制對光波的接收有一限定的長波限，該長波限限制了光子探測器的使用范圍，且是定值，使用中不可能進行調(diào)節(jié)，所以用其進行紅外接收時也無辯色能力，不能測定被測物體的紅外輻射頻率響應(yīng)，只能對確定長波限以短的波長的光子總量有響應(yīng)，即光子探測器不能辯別被測光子的光譜分布。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有光子探測器存在的固定長波限的缺點，尋求設(shè)計制做一種其探測光的長波限受器件內(nèi)部電位調(diào)節(jié)，即光子能量閾值可進行電調(diào)諧，從而使器件本身具有辯色即分色功能的三端子半導(dǎo)體紅外探測器件。使用這種器件無須棱鏡或光柵等復(fù)雜的分色光學(xué)裝置，便可得到被測物體的紅外譜，進而可以提供被測物體紅外譜所反映的完全信息。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用極為成熟的硅、鍺等半導(dǎo)體材料，通過可靠的平面工藝制成物理結(jié)構(gòu)為三層區(qū)的電分色紅外接收器件。第一層為紅外光子吸收區(qū)(作用區(qū))，該區(qū)為載流子濃度很高的半導(dǎo)體層，對紅外輻射有很強的吸收作用，紅外吸收使載流子的能量有顯著的增長，以便形成高能自由載流子;第二層為勢壘區(qū)，該區(qū)較薄并與第一層構(gòu)成P-N結(jié)，改變該P-N結(jié)電壓，即改變結(jié)勢壘高度，可以有選擇的讓吸收區(qū)內(nèi)達(dá)到某一能量值的載流子進入第二層;第三層是載流子收集區(qū)，該收集區(qū)收集由吸收區(qū)吸收紅外輻射形成的高能載流子渡越進勢壘區(qū)的部分，由于勢壘區(qū)很薄，進入該區(qū)的大部分載流子能被收集區(qū)所收集。為了避免短波長光子造成本征激發(fā)而引起的電流變化，本器件在入射光部制有一本征材料的濾色片。上述結(jié)構(gòu)采用平面工藝方法制成管芯，由內(nèi)引線將管芯三區(qū)對應(yīng)的三電極連接至管座相對應(yīng)的外引線，再加頂部制有濾色片的管帽予以封裝。
本發(fā)明提供了一種自身具有電分色功能的紅外光子探測器件，與現(xiàn)有技術(shù)相比其主要特點是器件具備三個電極，通過施加勢壘區(qū)不同的電壓即可實現(xiàn)響應(yīng)長波限的電調(diào)節(jié)，此外尚具有探測范圍寬，響應(yīng)速度快，制做工藝成熟，成品率高，原材料易得，成本低，使用可靠等優(yōu)點，可廣泛用于一般紅外探測和分色探測場合，是紅外接收的理想更新器件。


圖1是本發(fā)明之外型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明之芯片原理結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖作進一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)分為三個層區(qū)，第一層叫做吸收區(qū)6，是載流子濃度很高的優(yōu)質(zhì)單晶硅材料的半導(dǎo)體層，它對長波光子(紅外輻射)具有很強的吸收作用;第二層叫做勢壘區(qū)7，是在吸收區(qū)6之一側(cè)制成的薄層與第一層構(gòu)成P-N結(jié)，該P-N結(jié)通過外加電壓形成一個可調(diào)變的勢壘高度，有選擇地讓吸收區(qū)中能量大于某值的載流子進入第二層。第三層是收集區(qū)8，該區(qū)收集滿足渡越條件而進入第二層的自由載流子并作出相應(yīng)的反映。為了阻止短波長的光子造成本征激發(fā)引起的電流變化，在器件的入射部制有用本征材料加工的濾色片2，三層結(jié)構(gòu)區(qū)對應(yīng)引出三根電極引線5，并使其露出管座4之外一定長度。本發(fā)明的制做工藝流程實例如下切片→磨片、拋光→一次氧化→一次光刻→擴硼→→二次光刻→擴濃磷→三次光刻→蒸鋁電極→→光刻鋁電極→鈍化→中測、劃片→管芯、座燒結(jié)→→壓焊→窗口封接→封帽→測試→環(huán)境試驗→→測檢→產(chǎn)品選取電子濃度約為2×1015/cm3的硅單晶加工切片成厚度350微米的薄片構(gòu)成基片也即收集區(qū)8，對上述薄片進行雙面磨平及單面拋光。將已拋光的薄片在爐溫1150℃條件下經(jīng)過10分鐘干氧+50分鐘濕氧+20分鐘干氧的第一次氧化處理，形成厚度約5000 的氧化薄層。采用常規(guī)工藝方法為選擇擴硼的確定幾何位置進行一次光刻，再用有限源擴散法進行擴硼處理，以形成可電調(diào)勢壘的P-N結(jié)之P型側(cè)勢壘區(qū)7，其擴硼深度為2.5±0.25微米，表面濃度約為5×1018/cm3。再對擴硼同時形成的二氧化硅表面進行旨在確定下步擴磷處理的幾何位置的二次光刻，在該位置上進行擴磷形成可調(diào)勢壘P-N結(jié)的N型側(cè)吸收區(qū)6，擴磷深度為1.8±0.2微米，表面濃度約為5×1020/cm3。因該區(qū)載流子濃度極高可基本吸收照射在器件上的紅外輻射，在擴磷同時形成的二氧化硅表面11上進行三次光刻出引線孔10，使鋁引線電極能分別與N區(qū)和P區(qū)相接，再用真空熱蒸發(fā)式電子束蒸發(fā)進行蒸鋁，其蒸鋁厚度為2±0.5微米。進行第4次光刻制成鋁電極9，以保畄所需位置和幾何圖形的鋁膜，刻除不需要的部分。對上述形成的芯片進行表面鈍化、中測、劃片處理，分割出單個芯片1，并檢測出合格芯片，至此即制成了本發(fā)明的芯片1。按已確定尺寸的芯片配制相應(yīng)的管帽3和管座4，并用低溫合金薄片燒結(jié)在B1或B3管座4上，再用金絲球焊機將芯片1上兩電極9分別用絲焊連到管座4的電極引線5上，以達(dá)到外引線和內(nèi)電極電連通之目的。選用高純雙面拋光的硅或鍺單晶片作紅外窗口材料即濾色片2，切割成與管帽3內(nèi)徑相近的園片，鑲嵌在頂端開孔的管帽3之相應(yīng)的孔上。對已形成的器件進行測檢確定出合格的本發(fā)明之產(chǎn)品。
本發(fā)明也可以用倒裝工藝完成，此時基片材料即可作濾色片用，但基片加工時需雙面拋光。
權(quán)利要求
1.一種用半導(dǎo)體材料經(jīng)平面工藝制成的用于各類紅外設(shè)備的電分色紅外接收器件，其特征在于芯片依次由接收紅外輻射的吸收區(qū)(作用區(qū))6，與吸收區(qū)6形成P-N結(jié)勢壘的勢壘區(qū)7和收集被紅外激發(fā)而渡越P-N結(jié)勢壘的高能自由載流子的收集區(qū)8三個層區(qū)構(gòu)成；芯片1封裝于頂部開孔并鑲嵌濾色片的管殼內(nèi)，對應(yīng)芯片1上三個區(qū)由內(nèi)引線連通至管殼三根外引線構(gòu)成三端器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于芯片1采用硅、鍺單晶或外延材料制備，吸收區(qū)(作用區(qū))6為重?fù)诫s區(qū)，勢壘區(qū)7為與吸收區(qū)6相反型的摻雜區(qū)，收集區(qū)8為與吸收區(qū)6同型的輕摻雜區(qū)。
全文摘要
一種利用重?fù)桨雽?dǎo)體材料的強自由載流子紅外吸收作用，由三層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)區(qū)組成，長波限可由第三電極電位調(diào)節(jié)而自由改變并可用于各類紅外設(shè)備的電分色紅外三端接收器件。由可接收紅外輻射的吸收區(qū)、與吸收區(qū)構(gòu)成可電調(diào)勢壘P-N結(jié)的勢壘區(qū)和收集渡越結(jié)勢壘自由載流子的收集區(qū)組成芯片，封裝于頂部鑲嵌濾色片的殼內(nèi)，對應(yīng)三區(qū)電連通引出三電極線。改變勢壘區(qū)的電位可改變器件長波限從而改變被吸收光子的波長，達(dá)到電分色之目的。
文檔編號H01L31/103GK1054335SQ9010532
公開日1991年9月4日 申請日期1990年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月29日
發(fā)明者陸大榮 申請人:青島大學(xué)