焦平面红外探测器芯片、探测器和制备方法

技术领域

本发明涉及红外探测器技术领域，尤其是涉及一种焦平面红外探测器芯片、探测器和制备方法。

背景技术

红外探测器是一种能将不可见的红外辐射转化为可测量信号的光敏器件，它在军事、气象、工业、环境科学以及医疗诊断等领域都具有广泛的应用。其中，短波红外探测器主要是指在0.7～2.5μm波段范围内响应，其广泛应用于夜视、对地遥感、安全监控等军、民用领域，具有低成本、小尺寸、制冷功耗低等优势。在此基础上，如果能将响应范围扩展至可见光波段，则在卫星遥感影像数据等方面具有突破性的意义。

目前短波红外光电探测器使用的材料体系主要有InAs/GaSb超晶格、InP/InGaAs等。InAs/GaSb超晶格结构具有能带可调，灵活控制其截至波长的优势，但其成本较高，在民用领域的应用受到限制。InP/InGaAs体系成本相对有所下降，但是与InP衬底晶格匹配的In

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种焦平面红外探测器芯片，具有可见至短波红外波段的探测能力，器件性能稳定且均一性好，制备工艺、读出电路及短波探测系统与已有的技术匹配度高，实用性强的特点。

本发明公开一种焦平面红外探测器芯片，包括：

接触层，所述接触层上设置有第一欧姆接触电极和像元阵列；

陷光结构阵列，设置在所述接触层的下面；

其中，所述像元阵列的每一个像元上设置有第二欧姆接触电极，每一个所述第二欧姆接触电极上设置有铟柱，所述铟柱与读出电路连接，所述像元阵列、所述接触层和所述第一欧姆接触电极的掺杂类型相同，所述接触层和所述第二欧姆接触电极形成PN结。

根据本发明的一些实施例，所述陷光结构阵列、所述接触层和所述像元阵列的材质为锑化镓。

根据本发明的一些实施例，所述像元与所述第二欧姆接触电极之间设置有吸收层，所述吸收层的材质为锑化镓。

本发明公开一种焦平面红外探测器，包括上述的焦平面红外探测器芯片，所述焦平面红外探测器的响应波段为500nm～1740nm。

本发明公开一种焦平面红外探测器芯片的制备方法，包括：

构建PN结结构；

在所述PN结结构上表面制备像元阵列；

在所述PN结结构上表面制备欧姆接触电极；

分别在所述欧姆接触电极和读出电路上制备钢柱，将所述欧姆接触电极和所述读出电路通过所述铟柱进行互联；

在所述PN结结构下表面制备陷光结构阵列。

根据本发明的一些实施例，所述构建PN结结构包括：

在N型GaSb衬底上外沿P型GaSb接触层；或者

在P型GaSb衬底上外沿N型GaSb接触层；或者

在GaSb衬底上外沿P型GaSb接触层，在所述P型GaSb接触层上外沿N型GaSb接触层；或者

在GaSb衬底上外沿N型GaSb接触层，在所述N型GaSb接触层上外沿P型GaSb接触层。

根据本发明的一些实施例，所述在所述PN结结构上表面刻蚀像元阵列之后还包括：对所述像元阵列表面进行钝化，所述钝化包括阳极氧化或阳极硫化。

根据本发明的一些实施例，在像元阵列的像元处和接触层处进行钝化层表面开孔图形转移，去除欧姆接触所在位置的钝化层，将欧姆接触区域转移至所述PN结结构上表面，进行金属沉积和剥离工艺，用以制备欧姆接触电极。

根据本发明的一些实施例，所述在所述PN结结构下表面制备陷光结构阵列之前还包括：对所述PN结结构下表面进行物理磨抛与化学腐蚀。

根据本发明的一些实施例，通过光刻或电子束曝光微结构阵列，利用刻蚀或湿法腐蚀来制备所述像元阵列。

通过上述技术方案，本发明通过在像元阵列下面设置陷光结构阵列，提高样品的吸收率，吸收谱覆盖可见光至短波红外波段，提高了探测器芯片的响应波段。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例的焦平面红外探测器芯片的结构示意图；

图2示意性示出了本发明实施例的焦平面红外探测器芯片的制备方法流程图；

图3示意性示出了本发明实施例的焦平面红外探测器芯片制备过程中外延生长的示意图；

图4示意性示出了本发明实施例的焦平面红外探测器与普通焦平面红外探测器对不同波长的响应对比图；

图5示意性示出了本发明实施例的焦平面红外探测器与普通焦平面红外探测器对不同波长的响应对比图；

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1-陷光结构阵列；2-像元阵列；3-第二欧姆接触电极；4-第一欧姆接触电极；5-铟柱；6-读出电路；7-接触层；

11-GaSb衬底；12-GaSb缓冲层；13-N型接触层；14-本征吸收层；15-P型接触层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释，例如，短波红外(SWIR)光一般定义为0.9～1.7μm波长范围内的光线，但也可归入0.7～2.5μm波长范围。可见光通常指波长范围为：390nm～780nm。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。

为了实现上述目的，本发明采用GaSb材料构建PN结实现光电探测，采用同质外延，可以提高材料质量、外延稳定性和成品率。另外，PN结构建的可扩展性也大大提高。在其基础上采用制备光陷阱的方案，扩展光响应谱至可见波段，工艺难度低，成本低，效率高，具有重要的应用前景，具体结构如下。

图1示意性示出了本发明实施例的焦平面红外探测器芯片的结构示意图。

本发明公开一种焦平面红外探测器芯片，如图1所示，包括：接触层7和陷光结构阵列1。

根据本发明的一些实施例，接触层7上设置有第一欧姆接触电极4和像元阵列2。

根据本发明的一些实施例，陷光结构阵列1设置在接触层7的下面，具体的，陷光结构阵列1设置在像元阵列2的下方。

根据本发明的一些实施例，陷光结构阵列1通过增强入射光子在微结构之前的反射，提高吸收效率，具体的，通过使可见光波段的光子被反复反射直至被吸收，从而提高了光吸收谱覆盖范围。

根据本发明的一些实施例，像元阵列2的每一个像元上设置有第二欧姆接触电极3，每一个第二欧姆接触电极3上设置有铟柱5，铟柱5与读出电路6(ROIC电路)连接，像元阵列2、接触层和第一欧姆接触电极4的掺杂类型相同，接触层7和第二欧姆接触电极3形成PN结。

根据本发明的一些实施例，读出电路6上设置有与像元阵列2对应的像元，也即，读出电路6上的像元与像元阵列2的像元通过铟柱5一一对应。

根据本发明的一些实施例，第一欧姆接触电极4和第二欧姆接触电极3分别为N区欧姆接触电极和P区欧姆接触电极。

根据本发明的一些实施例，N区欧姆接触电极和P区欧姆接触电极与读出电路内像元连接，用以通过电流变化进行成像。

根据本发明的一些实施例，陷光结构阵列1、接触层7和像元阵列2的材质为锑化镓。

根据本发明的一些实施例，像元与第二欧姆接触电极3之间设置有吸收层，吸收层的材质为锑化镓。

本发明公开一种焦平面红外探测器，该焦平面红外探测器包括上述的焦平面红外探测器芯片，焦平面红外探测器的响应波段为500nm～1740nm。

图2示意性示出了本发明实施例的焦平面红外探测器芯片的制备方法流程图。

本发明公开一种焦平面红外探测器芯片的制备方法，如图2所示，包括步骤S1至步骤S5。

根据本发明的一些实施例，步骤S1包括：构建PN结结构。

根据本发明的一些实施例，构建PN结结构包括：在N型GaSb衬底上外沿P型GaSb接触层；或者在P型GaSb衬底上外沿N型GaSb接触层；或者在GaSb衬底上外沿P型GaSb接触层，在P型GaSb接触层上外沿N型GaSb接触层；或者在GaSb衬底上外沿N型GaSb接触层，在N型GaSb接触层上外沿P型GaSb接触层。

根据本发明的一些实施例，在N型GaSb衬底与P型GaSb接触层之间还设置有本征吸收层；或者在P型GaSb衬底与N型GaSb接触层之间还设置有本征吸收层；或者在P型GaSb接触层与N型GaSb接触层之间还设置有本征吸收层。

根据本发明的一些实施例，步骤S2包括：在PN结结构上表面制备像元阵列。

根据本发明的一些实施例，采用标准光刻技术，将像元阵列转移到PN结结构表面，通过干法刻蚀、或化学腐蚀液腐蚀、或二者结合的方案，完成像元阵列的制备，并在适当区域曝露出下台面N/P型接触层。

根据本发明的一些实施例，在PN结结构上表面刻蚀像元阵列之后还包括：对像元阵列表面进行钝化，钝化包括阳极氧化或阳极硫化。

根据本发明的一些实施例，对像元阵列表面进行钝化之后还包括：在表面制备一层SiO

根据本发明的一些实施例，步骤S3包括：在PN结结构上表面制备欧姆接触电极。

根据本发明的一些实施例，采用标准光刻技术，在像元处及N/P型接触层处进行钝化层表面开孔图形转移，通过干法刻蚀或者氢氟酸腐蚀的方案，去除欧姆接触所在位置的钝化层。清洁表面，再次采用标准光刻技术，将欧姆接触区域转移至样品表面，进行金属沉积及剥离工艺，完成欧姆接触电极的制备

根据本发明的一些实施例，步骤S4包括：分别在欧姆接触电极和读出电路上制备铟柱，将欧姆接触电极和读出电路通过铟柱进行互联。

根据本发明的一些实施例，采用标准光刻技术，在姆接触电极表面进行In柱阵列的图形转移，并进行In柱沉积，同时在ROIC电路进行In柱沉积，剥离后GaSb样品及ROIC电路进行倒装焊工艺，完成二者的互联。

根据本发明的一些实施例，步骤S5包括：在PN结结构下表面制备陷光结构阵列。

根据本发明的一些实施例，翻转完成互联后的芯片，采用标准光刻技术或电子束曝光、纳米压印技术，将设计好的陷光结构的图形转移到芯片背面，进行干法刻蚀或化学腐蚀，制备出陷光结构阵列。

根据本发明的一些实施例，翻转完成互联后的芯片后还包括：对芯片背面进行物理磨抛与化学腐蚀，进行衬底减薄。

根据本发明的一些实施例，在像元阵列的像元处和接触层处进行钝化层表面开孔图形转移，去除欧姆接触所在位置的钝化层，将欧姆接触区域转移至PN结结构上表面，进行金属沉积和剥离工艺，用以制备欧姆接触电极。

根据本发明的一些实施例，在PN结结构下表面制备陷光结构阵列之前还包括：对PN结结构下表面进行物理磨抛与化学腐蚀。

根据本发明的一些实施例，通过光刻或电子束曝光微结构阵列，利用刻蚀或湿法腐蚀来制备像元阵列。

下面结合图1和图3以一具体实施例对本申请的技术方案进行阐述，应当理解的是，该实施例仅为便于本领域技术人员更好的理解本发明，而不是对本发明保护范围的限定。

如图3所示，在GaSb衬底11上，使用分子束外延(MBE)技术，依次外沿GaSb缓冲层12、N型接触层13、本征吸收层14和P型接触层15。

在如图3所示的多层结构的基础上，采用标准光刻技术，将像元阵列转移到样品表面，通过干法刻蚀、或化学腐蚀液腐蚀、或二者结合的方案，完成像元阵列的制备，并在预设区域曝露出N型接触层13。

对样品表面采用阳极氧化或阳极硫化的工艺进行钝化，然后在样品表面制备一层SiO

在像元阵列的每一个像元上方的钝化膜处开孔，采用电子束蒸发Ti/Pt/Au的方式，制备P区欧姆接触电极3，以及在预设区域曝露出N型接触层13处采用电子束蒸发Ti/Pt/Au的方式，制备N区欧姆接触电极4。

在P区欧姆接触电极3和N区欧姆接触电极4上进行In柱沉积，以及在ROIC电路进行对应的In柱沉积，通过In柱蒸镀的方式，P区欧姆接触电极3和N区欧姆接触电极4与ROIC读出电路6进行倒装互联。

翻转样品，对样品背面进行物理磨抛与化学腐蚀，进行GaSb衬底11减薄。

采用标准光刻技术或电子束曝光、纳米压印技术，将设计好的陷光结构的图形转移到样品背面，进行干法刻蚀或化学腐蚀，制备出陷光结构阵列1。最终获得如图1所示的焦平面红外探测器芯片。

图4和图5示意性示出了本发明实施例的焦平面红外探测器与普通焦平面红外探测器对不同波长的响应对比图。

如图4所示，本发明公开的焦平面红外探测器在波长500nm～1000nm的范围内均有响应，也即，在波长范围为500nm～1000nm的时候，本发明公开的焦平面红外探测器可以成像，而普通焦平面红外探测器在波长范围为500nm～1000nm的时候并无响应，也即无法成像。

如图5所示，本发明公开的焦平面红外探测器在波长1000nn～1800nm附近的时候(具体的，最大波长为1740nm，超过1740后响应度快速降低)，均有响应，而普通焦平面红外探测器仅在波长范围为1200nm～1800nm附近的时候有响应(其中，800nm～1000nm时响应度不为零是由为系统噪声引起的)，并且，普通焦平面红外探测器的响应度与本发明公开的焦平面红外探测器的响应度要低很多。

通过图4和图5可以看出，本发明公开的焦平面红外探测器吸收谱覆盖范围广，可覆盖可见光至短波红外波段(500nm～1740nm)。

通过上述技术方案，本发明通过在像元阵列下面设置陷光结构阵列，提高样品的吸收率，吸收谱覆盖可见光至短波红外波段，提高了探测器芯片的响应波段。

本发明的GaSb焦平面红外探测器具有如下有益效果：

(1)采用GaSb同质外延，晶格完全匹配，提高了材料的质量；

(2)结构简单，可以大大降低成本；

(3)GaSb PN/PIN结构进行探测，工艺的可扩展性强，PN/PIN结构可以不使用外延方案构建；

(4)器件性能稳定且均一性好，制备工艺、读出电路及短波探测系统与已有的技术匹配度高，实用性强；

(5)具备可见至短波红外波段的探测能力，有重要的应用意义。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，在本公开的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。