基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器及其制備方法，從下至上依次為高純硅基底、高純硅基底上低電阻率的掩埋底電極、高摻雜吸收層、雜質(zhì)帶阻擋層，在阻擋層上方沉積的鈍化層，阻擋層上設(shè)有上電極互連區(qū)和上電極，上電極是由鋁薄膜形成的正方形周期圓孔陣列，鋁薄膜形成正方形周期圓孔陣列是探測(cè)器的表面等離激元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇功能。上電極使用金屬鋁，鋁的制備工藝簡(jiǎn)便成熟，價(jià)格便宜易于獲得，抗銹蝕能力強(qiáng)，同時(shí)與器件的兼容性能好；采用剝離工藝制備金屬鋁正方形周期圓孔陣列，相比于腐蝕技術(shù)，可控性及實(shí)際效果更好。
【專利說(shuō)明】
基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇S i基光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明專利涉及一種基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇中遠(yuǎn)紅外波段響應(yīng)的阻擋雜質(zhì)帶半導(dǎo)體探測(cè)器及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著系統(tǒng)應(yīng)用的牽引，紅外探測(cè)器作為紅外整機(jī)系統(tǒng)的核心部件，其研究、開發(fā)乃至生產(chǎn)越來(lái)越受到關(guān)注。紅外探測(cè)器是將入射的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出的器件，非本征光電導(dǎo)探測(cè)器是紅外探測(cè)器的一種。半導(dǎo)體吸收能量足夠大的光子后，體內(nèi)一些載流子從束縛態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂蓱B(tài)，從而使半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大，利用這種光電導(dǎo)效應(yīng)制成的探測(cè)器就是光電導(dǎo)探測(cè)器。
[0003]阻擋雜質(zhì)帶(BIB)器件是用于中紅外和遠(yuǎn)紅外探測(cè)的高靈敏度探測(cè)器，其基本理論是對(duì)雜質(zhì)帶中跳躍電導(dǎo)效應(yīng)的阻擋。這種阻擋機(jī)制使得它可以使用較大的摻雜濃度制備非本征光電導(dǎo)探測(cè)器，通過(guò)阻擋層降低暗電流來(lái)提高常規(guī)非本征光電導(dǎo)的性能。以往被研究的BIB探測(cè)器吸收層為η型摻雜的主要有S1:As，S1:Sb型探測(cè)器，吸收層為P型摻雜的主要有Si: B型探測(cè)器。近年來(lái)S1: P型探測(cè)器也有許多報(bào)道，大部分為正面入射型器件。上海技術(shù)物理研究所Liao等人利用全外延結(jié)構(gòu)制作了掩埋底電極厚度在μπι量級(jí)的S1:P型BIB探測(cè)器。
[0004]表面等離激元(SPP)是一種由入射光子或電子激發(fā)產(chǎn)生的電磁表面波，由于其獨(dú)特的性能，在納米光刻、濾波器、非線性光學(xué)等光電領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。周期性圓孔陣列是一種常用的等離激元結(jié)構(gòu)，基于它的異常光學(xué)透射現(xiàn)象在透射增強(qiáng)、波長(zhǎng)選擇方面應(yīng)用廣泛。Iain J.H.McCrindle等人利用三角形周期圓孔陣列和太赫茲超材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)制備了多光譜濾波器;Chiyang Chang等人在銦鎵砷量子點(diǎn)紅外探測(cè)器背面制備了Ag圓孔陣列實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器在中紅外波段的波長(zhǎng)選擇性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是以高純硅片為基，提供一種對(duì)中遠(yuǎn)紅外寬波段的光進(jìn)行有效探測(cè)的器件，擴(kuò)大光的探測(cè)范圍，提高對(duì)中遠(yuǎn)紅外光的探測(cè)率和響應(yīng)率。同時(shí)利用周期性圓孔陣列實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的波長(zhǎng)選擇性能，為多光譜紅外探測(cè)器的研究和制備奠定基礎(chǔ)。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明公開了一種基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基半導(dǎo)體光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器，從下至上依次為高純硅基底、高純硅基底上低電阻率的掩埋底電極、高摻雜吸收層、雜質(zhì)帶阻擋層，在阻擋層上方沉積的鈍化層，所述的阻擋層上設(shè)有上電極互連區(qū)和上電極，所述的上電極是由鋁薄膜形成的正方形周期圓孔陣列，所述的探測(cè)器還包括開至高純硅基底的V型槽，所述的鋁薄膜形成正方形周期圓孔陣列是探測(cè)器的表面等離激元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇功能。
[0008]作為進(jìn)一步地改進(jìn)，本發(fā)明所述的鈍化層包括上表層的氮化硅和下表層的氧化娃。
[0009]作為進(jìn)一步地改進(jìn)，本發(fā)明所述的掩埋底電極為As的離子注入?yún)^(qū)，探測(cè)器還包括通過(guò)球形壓焊與上電極互連區(qū)鍵合的金絲引線。
[0010]作為進(jìn)一步地改進(jìn)，本發(fā)明所述的上電極互連區(qū)為Al電極，離子注入?yún)^(qū)的摻雜元素為P，外延生長(zhǎng)吸收層的摻雜元素為P。
[0011]本發(fā)明還公開了一種基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基半導(dǎo)體光電導(dǎo)中紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器的制備方法，在高純硅片基底上，通過(guò)離子注入加高溫退火(RTA)方式制備低電阻率的掩埋底電極，利用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法外延生長(zhǎng)厚膜S1:P吸收層和雜質(zhì)帶阻擋層，在阻擋層之上利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法生長(zhǎng)鈍化層，利用濕法腐蝕得到V型槽與掩埋底電極形成接觸，采用射頻磁控濺射法在阻擋層上蒸鍍上電極互連區(qū)，利用光刻工藝制備鋁薄膜正方形周期圓孔陣列，用金絲與上電極互連區(qū)鍵合獲得電極引線。
[0012]作為進(jìn)一步地改進(jìn)，本發(fā)明具體制備步驟如下:
[0013]I)在高純硅襯底表面通過(guò)離子注入和高溫退火制備掩埋底電極；
[0014]2)化學(xué)氣相沉積外延吸收層、阻擋層；
[0015]3)所述的阻擋層上生長(zhǎng)300nm氧化硅作為離子注入的標(biāo)志；
[0016]4)光刻，濕法腐蝕阻擋層上氧化硅，開出方形孔；
[0017]5)通過(guò)方形孔離子注入；
[0018]6)退火；
[0019]7)光刻，去除上電極離子注入?yún)^(qū)方形孔之外的氧化硅；
[0020]8)在阻擋層表面等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積依次生長(zhǎng)300nm的氧化硅，和500nm氮化硅作為鈍化層；
[0021 ] 9)光刻，干法刻蝕鈍化層的氧化硅和氮化硅，暴露出需要刻蝕V型槽的新鮮硅表面；
[0022]10)濕法刻蝕硅的V型槽；
[0023]11)干法刻蝕鈍化層的氮化硅，光刻，濕法腐蝕鈍化層的氧化硅，曝露出方形孔的離子注入?yún)^(qū)；
[0024]12)射頻磁控濺射鍍0.6μπι上電極互連區(qū)，所述的上電極互連區(qū)是鋁；
[0025]13)腐蝕掉上電極區(qū)域之外的鋁；
[0026]14)光刻，濕法腐蝕上電極區(qū)域的氧化硅；
[0027]15)在上電極區(qū)，阻擋層上光刻得到正方形周期圓孔陣列；
[0028]16)在正方形周期圓孔陣列上射頻磁控濺射鍍10nm厚的鋁膜；
[0029]17)剝離得到正方形周期圓孔陣列；
[0030]18)劃片，金絲引線與上電極互連區(qū)鍵合；
[0031]作為進(jìn)一步地改進(jìn)，本發(fā)明所述的吸收層摻雜濃度為3.5E17cm3，厚度為21μπι，吸收層中有一部分補(bǔ)償摻雜受主，濃度為Na = 8E12cm3，所述的阻擋層的雜質(zhì)摻雜濃度為lE13cm3，厚度為 7μπι。
[0032]作為進(jìn)一步地改進(jìn)，本發(fā)明步驟I)中離子注入時(shí)，注入能量為180KeV，注入劑量為5E15cm2，步驟5)中離子注入時(shí)，注入劑量為3E14cm2，注入能量為60KeV，離子注入之后快速退火，退火溫度為850 °C，時(shí)間為30s。
[0033]作為進(jìn)一步地改進(jìn)，本發(fā)明射頻磁控派射鍍上電極互連區(qū)之后，經(jīng)過(guò)4500C，30min的退火處理，與樣品形成歐姆接觸，所述的鋁的正方形周期圓孔陣列的陣列周期為8μπι，圓孔半徑為2μηι。
[0034]本發(fā)明的有益效果是:
[0035]本發(fā)明主要采用離子注入制備掩埋底電極與化學(xué)氣相外延生長(zhǎng)厚膜紅外吸收有源層相結(jié)合的技術(shù)手段成功制備了 Si基光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器，該探測(cè)器有較寬的光譜響應(yīng)范圍、優(yōu)良的黑體響應(yīng)率以及探測(cè)率，在5k溫度下對(duì)波長(zhǎng)在5—37μπι的光具有較高的靈敏度和響應(yīng)度。探測(cè)器在工作溫度5Κ，工作電壓2V時(shí)的黑體響應(yīng)率為4.84A/W，峰值響應(yīng)率為20.37A/W，量子效率(含增益)為1.01，黑體探測(cè)率為1.(^+11011.HzV2/W，峰值探測(cè)率為4.34E+llcm.Hz1/2/W。同時(shí)，表面等離激元理論在探測(cè)器上得到了成功地應(yīng)用，利用光刻與剝離技術(shù)在探測(cè)器的上電極區(qū)域成功制備了金屬鋁正方形周期圓孔陣列。在入射光的作用下，由于金屬鋁上電極與硅接觸界面發(fā)生表面等離激元共振，探測(cè)器的光電流響應(yīng)峰發(fā)生明顯的紅移，并且在27.68μπι處出現(xiàn)光電流響應(yīng)的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器的波長(zhǎng)選擇性能，為多光譜探測(cè)器的研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該探測(cè)器完全是硅技術(shù)，工藝重復(fù)性佳，器件穩(wěn)定性好，在航天、天文探測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
[0036]在掩埋底電極和上電極的制備過(guò)程中，利用離子注入技術(shù)可以對(duì)摻雜深度、摻雜劑量形成更有效地控制;使用氧化硅和氮化硅做鈍化層和掩埋底電極腐蝕保護(hù)層可以有效地降低表面載流子復(fù)合，同時(shí)在底電極腐蝕過(guò)程中對(duì)器件形成良好的保護(hù)作用；上電極使用金屬鋁，鋁的制備工藝簡(jiǎn)便成熟，價(jià)格便宜易于獲得，抗銹蝕能力強(qiáng)，同時(shí)與器件的兼容性能好;采用剝離工藝制備金屬鋁正方形周期圓孔陣列，相比于腐蝕技術(shù)，可控性及實(shí)際效果更好。
【附圖說(shuō)明】
[0037]圖1是制備的波長(zhǎng)選擇Si基S1:P阻擋雜質(zhì)帶的探測(cè)器的部分截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖2是探測(cè)器上表面的平面示意圖；
[0039]圖3是正方形周期圓孔陣列的SEM圖；
[0040]圖4是做上電極離子注入?yún)^(qū)后的截面圖；
[0041 ]圖5是生長(zhǎng)鈍化層之后的樣品截面圖；
[0042]圖6是濕法刻蝕V型槽之后的樣品截面圖；
[0043]圖7分別是本征硅上鋁的正方形周期圓孔陣列的測(cè)試和理論模擬得到的透射光譜；
[0044]圖8分別是未加正方形周期圓孔陣列和做有正方形周期圓孔陣列的探測(cè)器的光電流響應(yīng)譜。
[0045]圖中，I是高純硅基底，2是掩埋底電極，3是吸收層，4是阻擋層，5是鈍化層，6是上電極互連區(qū)，7是上電極，8是上電極離子注入?yún)^(qū)。
【具體實(shí)施方式】
[0046]下面結(jié)合說(shuō)明書附圖，通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0047]圖1是制備的波長(zhǎng)選擇Si基S1:P阻擋雜質(zhì)帶的探測(cè)器的部分截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是探測(cè)器上表面的平面示意圖；探測(cè)器從下至上依次為高純硅基底1、高純硅基底I上低電阻率的掩埋底電極2、高摻雜吸收層3、雜質(zhì)帶阻擋層4，在阻擋層4上方沉積的鈍化層5，阻擋層4上設(shè)有上電極互連區(qū)6和正方形周期金屬鋁圓孔陣列，探測(cè)器還包括開至高純硅基底I的V型槽。
[0048]通過(guò)以下實(shí)施例來(lái)具體說(shuō)明本發(fā)明探測(cè)器的具體制備步驟:
[0049]A.高純硅基底I的準(zhǔn)備和清洗
[0050]高純硅基底I由市場(chǎng)購(gòu)買，晶向〈100〉，電阻率>1000Ω.cm，在外延生長(zhǎng)之前要進(jìn)行清洗。先后用四氯化碳超聲清洗5分鐘2次，丙酮超聲清洗5分鐘3次，酒精超聲清洗5分鐘3次，去離子水反復(fù)沖洗10遍，氮?dú)獯蹈伞?br>[0051]B.掩埋底電極2的制備
[0052]在離子注入之前，先用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積S12作為鈍化層5，S12的厚度為1nm。為防止離子注入過(guò)程中的溝道效應(yīng)，離子注入的束流方向偏離溝道方向7°，離子注入能量為180KeV，注入劑量為5E15cm2的As離子。為避免注入過(guò)程中的自發(fā)退火，注入時(shí)襯底溫度為常溫。為了盡量減少雜質(zhì)在退火過(guò)程中的擴(kuò)散，我們使用RTA方法，退火在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行，退火溫度為8500C，時(shí)間為30sο退火后增加氣體流量，將多余的熱量帶走，可以起到快速退火的作用，溫度降到200°C時(shí)讓硅片自然冷卻。將退火處理后的樣品浸泡在HF溶液中恒溫26 V處理30s，腐蝕掉表面的氧化層。
[0053 ] C.外延生長(zhǎng)吸收層3、阻擋層4
[0054]外延沉積得到的吸收層3厚度為21μπι，摻雜濃度為3.5E17cm3。其工藝步驟如下:在6300C的溫度下通流量為150slm的氫氣5min用于除氣，然后升高溫度依次至670°C，850°C，1090°C，1095°C，之后在流量為Islm的HCl中刻蝕0.5min，再在1095°C的溫度下，用流量為150slm的氫氣洗氣Imin，生長(zhǎng)過(guò)程中用到的氣體及其流量分別為:SiHCl3，6slm，H2，205slm，PH3，550sccm，最后洗氣降溫。
[0055]外延沉積得到的阻擋層4厚度為7μπι，摻雜濃度為IEHcm3。其工藝步驟如下:用流量為5081111，轉(zhuǎn)速為4(^/1^11的氫氣通31^11進(jìn)行除氣，然后升高溫度，在流量8081111，轉(zhuǎn)速6(^/min的氫氣流中升溫至851°C需要0.2min，在流量90slm，轉(zhuǎn)速60r/min的氫氣流中從851°C升至1140°C需要5min，在這個(gè)溫度保持0.2min，之后的生長(zhǎng)過(guò)程中用到的氣體及其流量分別為:5:[]^13，8.581111，!12，9081111，601'/111；[11，最后洗氣。
[0056]D.制作上電極離子注入?yún)^(qū)8
[0057]圖4是做上電極離子注入?yún)^(qū)8后的截面圖；步驟過(guò)程與掩埋底電極2的相似，見B.不同之處離子注入能量為60KeV，注入劑量為3E14cm2和在離子注入之前需要光刻出離子注入的圖形，腐蝕得到方形孔。其光刻步驟如下:布置暗室條件，從冰箱取出光刻膠放入勻膠通風(fēng)柜中待用。將外延片通過(guò)常規(guī)的四氯化碳、丙酮、酒精、去離子水清洗后，氮?dú)獯蹈?，?00°(:烘烤除水。約10分鐘后，取出外延片進(jìn)行勻膠，條件為勻速2500轉(zhuǎn)/分鐘，勻膠時(shí)間30秒，光刻膠厚度2.5μπι。勻膠后，將外延片放在100攝氏度熱板上進(jìn)行光刻前烘，計(jì)時(shí)3分鐘，將光刻膠放回冰箱，用酒精清洗勻膠機(jī)。同時(shí)，接通光刻機(jī)和汞燈電源進(jìn)行預(yù)熱，并將光刻版安裝于光刻機(jī)上。光刻條件為曝光時(shí)間24秒，曝光強(qiáng)度由光刻機(jī)決定。光刻后，進(jìn)行顯影操作，顯影液與水的配比為1:1，顯影時(shí)間50秒。氮?dú)獯蹈珊?，放?20攝氏度熱板上進(jìn)行光刻后烘，計(jì)時(shí)10分鐘。此時(shí)，將汞燈電源斷開，光刻機(jī)電源20分鐘后斷開，目的為了給汞燈降溫。20分鐘后，關(guān)烘烤箱電源。常溫下，在氫氟酸中腐蝕掉離子注入?yún)^(qū)域的氧化層。
[0058]E.沉積鈍化層5
[0059]圖5是生長(zhǎng)鈍化層5之后的樣品截面圖；利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法沉積生長(zhǎng)氧化娃300nmo
[0060]F.V型槽的套刻
[0061]圖6是濕法刻蝕V型槽之后的樣品截面圖；布置暗室條件，從冰箱取出光刻膠放入勻膠通風(fēng)柜中待用。將外延片通過(guò)常規(guī)的四氯化碳、丙酮、酒精、去離子水清洗后，氮?dú)獯蹈桑?00°C烘烤除水。約5分鐘后，取出外延片進(jìn)行勻膠，條件為勻速2500轉(zhuǎn)/分鐘，勻膠時(shí)間30秒。勻膠后，將外延片放在100攝氏度熱板上進(jìn)行光刻前烘，計(jì)時(shí)3分鐘，將光刻膠放回冰箱，用酒精清洗勻膠機(jī)。同時(shí)，接通光刻機(jī)和汞燈電源進(jìn)行預(yù)熱，并將光刻版安裝于光刻機(jī)上。此步光刻為套刻，需要光刻版與外延片表面圖案相對(duì)準(zhǔn)、嵌套，方可曝光。光刻條件為曝光時(shí)間21秒，曝光強(qiáng)度由光刻機(jī)決定。光刻后，進(jìn)行顯影操作，顯影液與水的配比為1:1，顯影時(shí)間60秒。氮?dú)獯蹈珊?，放?20攝氏度熱板上進(jìn)行光刻后烘，計(jì)時(shí)15分鐘。此時(shí)，將汞燈電源斷開，光刻機(jī)電源20分鐘后斷開，目的為了給汞燈降溫。20分鐘后，關(guān)烘烤箱電源。光刻之后用TEMAH溶液對(duì)樣品進(jìn)行深刻蝕32um。
[0062]G.光刻，曝露出方形孔的上電極離子注入?yún)^(qū)8
[0063]布置暗室條件，從冰箱取出光刻膠放入勻膠通風(fēng)柜中待用。將經(jīng)腐蝕處理后的外延片通過(guò)常規(guī)的四氯化碳、丙酮、酒精、去離子水清洗后，氮?dú)獯蹈桑?00°C烘烤除水。約3分鐘后，取出外延片進(jìn)行勻膠，條件為勻速1500轉(zhuǎn)/分鐘，勾膠時(shí)間30秒。勾膠后，將外延片放在100°C攝氏度熱板上進(jìn)行光刻前烘，計(jì)時(shí)3分鐘，將光刻膠放回冰箱，用酒精清洗勻膠機(jī)。同時(shí)，接通光刻機(jī)和汞燈電源進(jìn)行預(yù)熱，并將光刻版安裝于光刻機(jī)上。此步光刻為套刻，需要光刻版與外延片表面圖案相對(duì)準(zhǔn)、嵌套，方可曝光。光刻條件為曝光時(shí)間21秒，曝光強(qiáng)度由光刻機(jī)決定。然后放在120 °C的熱板上烘烤3—5min。之后再進(jìn)行泛曝光，曝光時(shí)間為1.5min。光刻后，進(jìn)行顯影操作，顯影液與水的配比為1:1，顯影時(shí)間35秒。氮?dú)獯蹈珊?，放?20攝氏度熱板上進(jìn)行光刻后烘，計(jì)時(shí)15分鐘。此時(shí)，將汞燈電源斷開，光刻機(jī)電源20分鐘后斷開。20分鐘后，關(guān)烘烤箱電源。
[0064]H.射頻磁控濺射鍍上電極互連區(qū)6
[0065]射頻磁控濺射鍍鋁厚度為0.6μπι。
[0066]1.腐蝕掉上電極互連區(qū)6域之外的鋁
[0067]將外延片放在80%磷酸+10%硝酸+10%水溶液中，在25攝氏度的水浴條件下反應(yīng)約30秒鐘，腐蝕Al。
[0068]J.去除光刻膠
[0069]將經(jīng)上步驟處理后的外延片浸泡于丙酮中，水浴25攝氏度10分鐘，取出外延片，浸泡酒精3次各5分鐘，再用去離子水沖洗5-10遍，氮?dú)獯蹈伞?br>[0070]K.光刻，濕法腐蝕上電極7區(qū)域的氧化硅
[0071]布置暗室條件，從冰箱取出光刻膠放入勻膠通風(fēng)柜中待用。將經(jīng)腐蝕處理后的外延片通過(guò)常規(guī)的四氯化碳、丙酮、酒精、去離子水清洗后，氮?dú)獯蹈桑?00°C烘烤除水。約3分鐘后，取出外延片進(jìn)行勻膠，條件為勻速2000轉(zhuǎn)/分鐘，勻膠時(shí)間40秒。勻膠后，將外延片放在100°C攝氏度熱板上進(jìn)行光刻前烘，計(jì)時(shí)4分鐘，將光刻膠放回冰箱，用酒精清洗勻膠機(jī)。同時(shí)，接通光刻機(jī)和汞燈電源進(jìn)行預(yù)熱，并將光刻版安裝于光刻機(jī)上。此步光刻為套刻，需要光刻版與外延片表面圖案相對(duì)準(zhǔn)、嵌套，方可曝光。光刻條件為曝光時(shí)間90秒，曝光強(qiáng)度由光刻機(jī)決定。光刻后，進(jìn)行顯影操作，顯影液與水的配比為1:1，顯影時(shí)間15分鐘。氮?dú)獯蹈珊?，放?10攝氏度熱板上進(jìn)行光刻后烘，計(jì)時(shí)10分鐘。此時(shí)，將汞燈電源斷開，光刻機(jī)電源20分鐘后斷開。20分鐘后，關(guān)烘烤箱電源。常溫下，在氫氟酸中腐蝕掉上電極7區(qū)域的氧化娃。
[0072]K.在上電極7區(qū)域光刻得到正方形周期圓孔陣列的圖形
[0073]圖3是正方形周期圓孔陣列的SEM圖，布置暗室條件，從冰箱中取出光刻膠放入勻膠通風(fēng)柜中待用。將腐蝕后的樣品通過(guò)常規(guī)的四氯化碳、丙酮、酒精、去離子水沖洗后，氮?dú)獯蹈桑?00 °(:烘烤除水。約3分鐘之后，取出樣品進(jìn)行勻膠，條件為勻速2000轉(zhuǎn)/分鐘，40秒。勻膠之后將片子放在95°C的熱板上前烘1.5min，將光刻膠放回冰箱及酒精清洗勻膠機(jī)。同時(shí)，接通光刻機(jī)和汞燈電源進(jìn)行預(yù)熱，并將光刻版安裝于光刻機(jī)上。此步光刻為套刻，需要光刻版與外延片表面圖案相對(duì)準(zhǔn)、嵌套，方可曝光。光刻條件為曝光的時(shí)間參數(shù)設(shè)定為20s，曝光強(qiáng)度由光刻機(jī)決定。曝光完成后需要將片子放到100°C的熱板上軟烘1.5min。之后我們?cè)O(shè)定的泛曝光參數(shù)為45s。光刻后，進(jìn)行顯影操作，我們將其放到RZX-3038顯影液原液中顯影35s，得到圖形。此時(shí)，將汞燈電源斷開，光刻機(jī)電源20分鐘后斷開。
[0074]L.射頻磁控濺射蒸鍍10nm厚的鋁膜
[0075]M.剝離得到正方形周期圓孔陣列
[0076]將樣品放到丙酮溶液中超聲震蕩I分鐘左右即可將表面的光刻膠剝離，最終得到正方形周期圓孔陣列。取出樣品，浸泡酒精3次各5分鐘，再用去離子水沖洗5-10遍，氮?dú)獯蹈?。K.電極引線制作用金絲球焊機(jī)鍵合金絲與電極，引出探測(cè)器引線，完成探測(cè)器制作，方可用于測(cè)試。
[0077]測(cè)試結(jié)果
[0078]通過(guò)以上工藝過(guò)程，獲得了完整的波長(zhǎng)選擇半導(dǎo)體光電導(dǎo)結(jié)構(gòu)的探測(cè)器芯片。
[0079]為了測(cè)試器件性能，將芯片裝入杜瓦瓶，并將相應(yīng)電極上的金線用銦焊接到杜瓦瓶管腳上，機(jī)械栗抽真空2小時(shí)。
[0080]在杜瓦瓶中灌入液氮，低溫條件下進(jìn)行測(cè)試。
[0081]圖8分別是未加正方形周期圓孔陣列和做有正方形周期圓孔陣列的探測(cè)器的光電流響應(yīng)譜。從圖8的探測(cè)器光電流響應(yīng)光譜中可以看到，未加結(jié)構(gòu)的探測(cè)器的光電響應(yīng)峰位于24.65μπι處，帶有結(jié)構(gòu)的探測(cè)器的響應(yīng)峰位于27.68μπι處。這與圖7中，圖7分別是本征硅上鋁的正方形周期圓孔陣列的測(cè)試和理論模擬得到的透射光譜，周期為8μπι，圓孔半徑為2μπι的圓孔陣列的共振透射峰位27.47μπι是非常接近的?？梢钥吹?，正方形周期圓孔陣列的引入實(shí)現(xiàn)了金屬鋁與硅襯底接觸面的表面等離激元共振，極好地調(diào)諧了探測(cè)器的光電流響應(yīng)光譜，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)選擇性能，為多光譜紅外探測(cè)器的制備奠定了良好的基礎(chǔ)。
[0082]以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明核心技術(shù)特征的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基半導(dǎo)體光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器，其特征在于，從下至上依次為高純硅基底(I)、高純硅基底(I)上低電阻率的掩埋底電極(2)、高摻雜吸收層(3)、雜質(zhì)帶阻擋層(4)，在阻擋層(4)上方沉積的鈍化層(5)，所述的阻擋層(4)上設(shè)有上電極互連區(qū)(6)和上電極(7)，所述的上電極(7)是由鋁薄膜形成的正方形周期圓孔陣列，所述的探測(cè)器還包括開至高純硅基底(I)的V型槽，所述的鋁薄膜形成正方形周期圓孔陣列是探測(cè)器的表面等離激元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇功能。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基半導(dǎo)體光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器，其特征在于，所述的鈍化層(5)包括上表層的氮化硅和下表層的氧化硅。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基半導(dǎo)體光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器，其特征在于，所述的掩埋底電極(2)為As的離子注入?yún)^(qū)，所述的探測(cè)器還包括通過(guò)球形壓焊與上電極互連區(qū)(6)鍵合的金絲引線。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基半導(dǎo)體光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器，其特征在于，所述的上電極互連區(qū)(6)為Al電極，離子注入?yún)^(qū)的摻雜元素為P，所述的外延生長(zhǎng)吸收層(3)的摻雜元素為P。5.—種基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基半導(dǎo)體光電導(dǎo)中紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器的制備方法，其特征在于，在高純硅片基底(I)上，通過(guò)離子注入加高溫退火(RTA)方式制備低電阻率的掩埋底電極(2)，利用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法外延生長(zhǎng)厚膜S1:P吸收層(3)和雜質(zhì)帶阻擋層(4)，在阻擋層(4)之上利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法生長(zhǎng)鈍化層(5)，利用濕法腐蝕得到V型槽與掩埋底電極(2)形成接觸，采用射頻磁控濺射法在阻擋層(4)上蒸鍍上電極互連區(qū)(6)，利用光刻工藝制備鋁薄膜正方形周期圓孔陣列，用金絲與上電極互連區(qū)(6)鍵合獲得電極引線。6.權(quán)利要求5所述的基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基半導(dǎo)體光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器的制備方法，其特征在于，具體制備步驟如下: 1)在高純硅襯底(I)表面通過(guò)離子注入和高溫退火制備掩埋底電極(2); 2)化學(xué)氣相沉積外延吸收層(3)、阻擋層(4); 3)所述的阻擋層上(4)生長(zhǎng)300nm氧化硅作為離子注入的標(biāo)志； 4)光刻，濕法腐蝕阻擋層上氧化硅，開出方形孔； 5)通過(guò)方形孔離子注入； 6)退火; 7)光刻，去除上電極(7)離子注入?yún)^(qū)(8)方形孔之外的氧化硅； 8)在阻擋層(4)表面等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積依次生長(zhǎng)300nm的氧化硅，和500nm氮化硅作為鈍化層(5); 9)光刻，干法刻蝕鈍化層(5)的氧化硅和氮化硅，暴露出需要刻蝕V型槽的新鮮硅表面； 10)濕法刻蝕硅的V型槽； 11)干法刻蝕鈍化層(5)的氮化硅，光刻，濕法腐蝕鈍化層(5)的氧化硅，曝露出方形孔的離子注入?yún)^(qū)； 12)射頻磁控濺射鍍0.6μπι上電極互連區(qū)(6)，所述的上電極互連區(qū)(6)是鋁； 13)腐蝕掉上電極(7)區(qū)域之外的鋁； 14)光刻，濕法腐蝕上電極(7)區(qū)域的氧化硅； 15)在上電極(7)區(qū)，阻擋層(4)上光刻得到正方形周期圓孔陣列； 16)在正方形周期圓孔陣列上射頻磁控濺射鍍10nm厚的鋁膜； 17)剝離得到正方形周期圓孔陣列； 18)劃片，金絲引線與上電極互連區(qū)(6)鍵合； 19)杜瓦封裝測(cè)試。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基半導(dǎo)體光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器的制備方法，其特征在于，所述的吸收層(3)摻雜濃度為3.5E17cm3，厚度為21μπι，吸收層(3)中有一部分補(bǔ)償摻雜受主，濃度為Na = 8E12cm3，所述的阻擋層(4)的雜質(zhì)摻雜濃度為lE13cm3，厚度為7μπι08.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基半導(dǎo)體光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器的制備方法，其特征在于，步驟I)中離子注入時(shí)，注入能量為ISOKeV，注入劑量為5E15cm2，步驟5)中離子注入時(shí)，注入劑量為3E 14cm2，注入能量為60KeV，離子注入之后快速退火，退火溫度為850°C，時(shí)間為30s。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于表面等離激元的波長(zhǎng)選擇Si基半導(dǎo)體光電導(dǎo)中遠(yuǎn)紅外阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器的制備方法，其特征在于，射頻磁控濺射鍍上電極互連區(qū)(6)之后，經(jīng)過(guò)450°C，30min的退火處理，與樣品形成歐姆接觸，所述的鋁的正方形周期圓孔陣列的陣列周期為8μηι，圓孔半徑為2μηι。
【文檔編號(hào)】H01L31/101GK105957917SQ201610436379
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】吳惠楨, 朱賀, 許金濤
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)