專利名稱：微臺面列陣碲鎘汞紅外雙波段焦平面探測器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外光電探測器，具體是指一種同時模式的微臺面列陣結(jié)構(gòu)的碲鎘汞(HgCdTe)紅外雙波段焦平面探測器的芯片。
背景技術(shù)：
為了滿足第三代紅外成像系統(tǒng)對焦平面探測器提出的新要求，一種同時模式的集成雙波段焦平面探測器在國外得到了很快的發(fā)展。與單波段焦平面探測器相比，同時模式雙波段焦平面探測器可在兩個波段同時進(jìn)行探測，這樣可得到更多有意義的目標(biāo)信息，并能真正實現(xiàn)對目標(biāo)的感知、認(rèn)知和識別。
同時模式的微臺面列陣HgCdTe紅外雙波段焦平面探測器芯片已經(jīng)有許多國外專利和文獻(xiàn)報道，盡管它們在具體細(xì)節(jié)上存在一些差別，但都是基于比較復(fù)雜的原位In和As摻雜技術(shù)，由采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在碲鋅鎘(CdZnTe)襯底上生長多層p-n-N-N-P型異質(zhì)結(jié)材料，或由采用分子束外延技術(shù)在碲鋅鎘襯底上生長多層n-p-P-P-N型異質(zhì)結(jié)材料，然后對異質(zhì)結(jié)材料用干法刻蝕方法形成列陣光敏元微臺面，再用干法刻蝕方法對微臺面內(nèi)部中間層的暴露，形成列陣兩步微臺面，見圖1，從而成為可響應(yīng)兩個波段的微臺面列陣雙波段焦平面探測器芯片。如歐洲專利EP0747962-A3和美國專利US5457331。
但是，這些同時模式的微臺面列陣HgCdTe紅外雙波段焦平面探測器芯片的制備，必須基于非常復(fù)雜的原位In和As摻雜的多層HgCdTe材料生長技術(shù)。在生長雙波段的多層異質(zhì)HgCdTe材料時，需要嚴(yán)格地控制各層的組分、厚度、摻雜濃度，以及組分異質(zhì)結(jié)位置、摻雜電學(xué)結(jié)位置、組分漸變寬度和摻雜漸變寬度等眾多材料生長參數(shù)。
而且，這種同時模式HgCdTe紅外雙波段焦平面探測器芯片，其響應(yīng)兩個波段紅外輻射的光電二極管在縱向上是個背靠背集成的。所以，每個微臺面單元要求增加一些復(fù)雜的讀出電路以實現(xiàn)兩個波段光信號電流分離與同時讀出，這給雙波段焦平面探測器的讀出電路(ROIC，Read-out Integrated Circuit)設(shè)計和加工帶來很大的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種對材料生長技術(shù)、ROIC設(shè)計與加工技術(shù)要求都較低的微臺面列陣HgCdTe紅外雙波段焦平面探測器芯片。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明利用非常成熟的分子束外延技術(shù)和Hg空位摻雜技術(shù)來生長p-P-P型多層HgCdTe異質(zhì)外延材料，用誘導(dǎo)耦合等離子體(ICP，Inductively Coupled Plasma)增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕(RIE，Reactive Ion Etching)技術(shù)來完成光敏元微臺面列陣的隔離和每個光敏元微臺面中間部位最底層P區(qū)的暴露，再采用離子注入技術(shù)形成縱向上同向集成的兩個平面結(jié)光電二極管列陣的技術(shù)方案。
本發(fā)明的微臺面列陣HgCdTe紅外雙波段焦平面探測器芯片包括GaAs襯底1，與GaAs襯底牢固結(jié)合的CdTe過渡層2，在CdTe過渡層上有一維或二維排列的同向集成的兩個不同波段平面結(jié)光電二極管，兩個光電二極管是二步微臺面結(jié)構(gòu)，其中短波紅外平面結(jié)光電二極管3位于微臺面的中間底部區(qū)域，長波紅外平面結(jié)光電二極管4位于微臺面上。所說的短波紅外平面結(jié)光電二極管3由CdTe過渡層2上的Hg空位摻雜的P型HgCdTe層301和在P型HgCdTe層301的部分區(qū)域通過B+注入的N+區(qū)域302組成；長波紅外平面結(jié)光電二極管4由Hg空位摻雜的P型HgCdTe層401和在P型HgCdTe層401的部分區(qū)域通過B+注入的n+區(qū)域402組成。兩個光電二極管之間有防止串音的Hg空位摻雜的P型HgCdTe勢壘阻擋層5。在N+區(qū)域302上置有金屬爬坡電極303，金屬爬坡電極303由N+區(qū)域302爬向微臺面的任一區(qū)域，金屬爬坡電極303與微臺面之間由鈍化層6隔離。金屬爬坡電極303上有銦柱304。n+區(qū)域402上有通過金屬電極層403電聯(lián)接的銦柱404。在微臺面列陣邊上有一用于公共電極7爬坡的微臺面8，公共電極7由Hg空位摻雜的P型HgCdTe層301爬向微臺面8，公共電極7與微臺面8之間有鈍化層6隔離，公共電極7上有銦柱9。
所說的Hg空位摻雜的P型HgCdTe層301的摻雜濃度為5.0-15.0×1015，厚度為4.0-7.0μm；Hg空位摻雜的P型HgCdTe勢壘阻擋層5的摻雜濃度為6.0-16.0×1015，厚度為0.1-0.6μm；Hg空位摻雜的p型HgCdTe層401的摻雜濃度為4.0-12.0×1015，厚度為7.0-12.0μm。
本發(fā)明的器件工作過程是當(dāng)紅外輻射從襯底背面入射到雙波段探測器芯片上時，穿過透明的GaAs襯底后，較短波段的紅外輻射在N+-on-P平面結(jié)的吸收區(qū)先被吸收，而光生載流子被N+-on-P平面結(jié)的內(nèi)建電場分開，產(chǎn)生較短波段光電流信號由讀出電路互連的銦柱304和公共電極上的銦柱9輸出；較長波段的紅外輻射繼續(xù)前進(jìn)，到達(dá)長波段吸收層后被吸收，光生載流子被n+-on-p平面結(jié)的內(nèi)建電場分開，產(chǎn)生的較長波段光電流信號由讀出電路互連的銦柱404和公共電極上的銦柱9輸出，從而構(gòu)成一個可探測雙波段的焦平面器件芯片。
本發(fā)明的優(yōu)點是1.由于縱向上同向集成的兩個光電二極管列陣是由Hg空位摻雜的p-P-P多層異質(zhì)材料經(jīng)離子注入而形成的，這使得多層異質(zhì)結(jié)HgCdTe外延材料的生長易于實現(xiàn)。
2.本發(fā)明的縱向上集成的兩個平面結(jié)光電二極管是同向的，它的ROIC不需要將兩個波段的光信號電流分開的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，只需將兩個單色焦平面探測的ROIC簡單地融合在一起，這使ROIC的設(shè)計和加工變得易于實現(xiàn)。
3.本發(fā)明的外延HgCdTe材料使用的襯底是商用的GaAs材料，相比于ZnCdTe材料要便宜，而且材料直徑大，可外延較大面積的HgCdTe材料。


圖1為已有技術(shù)的微臺面列陣HgCdTe紅外雙波段焦平面探測器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的微臺面列陣HgCdTe紅外雙波段焦平面探測器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的雙波段紅外焦平面探測器的光譜響應(yīng)曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，以光敏元微臺尺寸為70×70μm2，規(guī)模為32×32元的同時模式縱向同向集成的兩個光電二極管微臺面列陣為例，對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細(xì)說明1.如圖2所示，首先采用分子束外延技術(shù)在GaAs襯底1上依次生長CdTe過渡層2；Hg空位摻雜濃度為1.20×1016、厚度為6μm、組分為0.435的P型HgCdTe層301，此層還用以制作公共電極的引出層；Hg空位摻雜濃度為1.30×1016、厚度為0.4μm、組分為0.5的P型HgCdTe勢壘阻擋層5，以減少兩個波段光電流信號間的光譜串音；以及Hg空位摻雜濃度為1.10×1016、厚度為8μm、組分為0.285的p型HgCdTe層401。
2.對上述分子束外延技術(shù)得到的p-P-P型HgCdTe材料進(jìn)行劃片、清洗和生長用于反應(yīng)離子刻蝕的SiO2薄膜。SiO2薄膜是在法國Alliance公司型號為AC450的薄膜濺射系統(tǒng)上生長的。在生長時，腔體真空度為1×10-6mbar，Ar流量為5sccm，射頻功率為20W，反射功率為2W，樣品的生長溫度控制在60℃，生長時間為50分鐘，厚度為2000。再采用常規(guī)的光刻工藝使HgCdTe材料表面的SiO2薄膜形成SiO2掩模層。
3.進(jìn)行光敏元微臺面列陣隔離的ICP增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕。采用英國OXFORD公司ICP65-80Plus型號的ICP增強(qiáng)RIE設(shè)備，進(jìn)行由SiO2掩膜的HgCdTe材料反應(yīng)離子刻蝕，以隔離光敏元微臺面列陣?？涛g選用的工藝氣體為CH4/N2/Ar，配比為1.5∶5∶20，刻蝕的ICP功率為500W，射頻功率為8W，腔體壓力為5mTorr，樣品臺溫度為20℃，且表征等離子體刻蝕能量的刻蝕狀態(tài)參量——直流偏壓(DC Bias)顯示為45V?？涛g時間為165分鐘，刻蝕深度約為10μm。
4.再對每個光敏元微臺面內(nèi)部最底層P型HgCdTe層301暴露的ICP增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕。工藝過程和刻蝕的工藝參數(shù)與步驟3相同，刻蝕時間為140分鐘，刻蝕深度約為8.5μm。最后，用標(biāo)準(zhǔn)配置的氫氟酸緩沖液去除SiO2掩模層，并用純度為18M的去離子水沖洗樣品10分鐘。
5.再對暴露的P型HgCdTe層301和p型HgCdTe層401的表面部分區(qū)域進(jìn)行B+注入，得到響應(yīng)較短紅外輻射的平面N+-on-P結(jié)光電二極管列陣3和響應(yīng)較長紅外輻射的平面n+-on-p結(jié)光電二極管列陣4。B+注入采用常規(guī)的單色焦平面探測器的注入條件，離子能量為200KeV，劑量為5.0×1014cm-2，注入角度為15度。
4.采用熱蒸發(fā)鍍膜的方法，在微臺面裸露的表面生長ZnS鈍化層6。
5.采用離子束鍍膜方法來生長歐姆接觸金屬電極、金屬爬坡電極和與讀出電路互連的In柱。
最后對上述實施例進(jìn)行兩個波段的響應(yīng)光譜和I-V測試，如圖3所示，2個波段的光電二極管截至波長分別為3.06μm和5.75μm。且較短波長光電二極管的截止波長和較長波長光電二極管的起始響應(yīng)波長基本相等，約為3.06μm，表明較短波長光電二極管能讓較長波長輻射通過，又能完全吸收較短波長輻射。并由圖3計算得到，較長波長的光譜串音為0.5％，較短波長的光譜串音為6.34％。較長波長光電二極管的光譜串音僅有0.5％，這與在材料生長時形成了很薄的P型少數(shù)載流子的勢壘阻擋層有關(guān)。由I-V測試還得到，較短波長和較長波長光電二極管的平均R0A值分別為3.85×105Ωcm2和3.02×102Ωcm2，峰值探測率分別為1.6×1011cmHz1/2/W和5.6×1010cmHz1/2/W，且均勻性都高于13％。
最終得到的兩個注入平面結(jié)光電二極管縱向上同向集成的雙波段焦平面微臺面列陣芯片性能參數(shù)幾乎接近于常規(guī)單波段HgCdTe焦平面器件性能。這說明采用兩個注入平面結(jié)光電二極管縱向上同向集成的雙波段焦平面微臺面芯片列陣的技術(shù)方案是合理的、可行的。
權(quán)利要求
1.一種微臺面列陣碲鎘汞紅外雙波段焦平面探測器芯片，包括GaAs襯底(1)，與GaAs襯底牢固結(jié)合的CdTe過渡層(2)，其特征在于在CdTe過渡層(2)上有一維或二維排列的同向集成的兩個不同波段平面結(jié)光電二極管，兩個光電二極管是二步微臺面結(jié)構(gòu)，其中短波紅外平面結(jié)光電二極管(3)位于微臺面的中間底部區(qū)域，長波紅外平面結(jié)光電二極管(4)位于微臺面上；所說的短波紅外平面結(jié)光電二極管(3)由CdTe過渡層(2)上的Hg空位摻雜的P型HgCdTe層(301)和在P型HgCdTe層(301)的部分區(qū)域通過B+注入的N+區(qū)域(302)組成；所說的長波紅外平面結(jié)光電二極管(4)由Hg空位摻雜的P型HgCdTe層(401)和在P型HgCdTe層(401)的部分區(qū)域通過B+注入的n+區(qū)域(402)組成；兩個光電二極管之間有防止串音的Hg空位摻雜的P型HgCdTe勢壘阻擋層(5)；在N+區(qū)域(302)上置有金屬爬坡電極(303)，金屬爬坡電極(303)由N+區(qū)域(302)爬向微臺面的任一區(qū)域，金屬爬坡電極(303)與微臺面之間有鈍化層(6)隔離；金屬爬坡電極(303)上有銦柱(304)；n+區(qū)域(402)上有通過金屬電極層(403)電聯(lián)接的銦柱(404)；在微臺面列陣邊上有一用于公共電極(7)爬坡的微臺面(8)，公共電極(7)由Hg空位摻雜的P型HgCdTe層(301)爬向微臺面(8)，公共電極(7)與微臺面(8)之間有鈍化層(6)隔離，公共電極(7)上有銦柱(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種微臺面列陣碲鎘汞紅外雙波段焦平面探測器芯片，其特征在于所說的Hg空位摻雜的P型HgCdTe層(301)的摻雜濃度為5.0-15.0×1015，厚度為4.0-7.0μm；Hg空位摻雜的P型HgCdTe勢壘阻擋層(5)的摻雜濃度為6.0-16.0×1015，厚度為0.1-0.6μm；Hg空位摻雜的p型HgCdTe層(401)的摻雜濃度為4.0-12.0×1015，厚度為7.0-12.0μm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微臺面列陣碲鎘汞紅外雙波段焦平面探測器芯片，包括GaAs襯底，CdTe過渡層，在CdTe過渡層上有一維或二維排列的同向集成的兩個不同波段平面結(jié)光電二極管，兩個光電二極管是二步微臺面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點是由于兩個光電二極管列陣是由Hg空位摻雜的p－P－P多層異質(zhì)材料經(jīng)離子注入而形成的，這使得多層異質(zhì)結(jié)HgCdTe外延材料的生長易于實現(xiàn)；同時兩個光電二極管是同向的，它的讀出電路不需要將兩個波段的光信號電流分開，只需將兩個單色焦平面探測的讀出電路簡單地融合在一起，這使讀出電路的設(shè)計和加工變得易于實現(xiàn)。
文檔編號H01L31/09GK1794473SQ20051003079
公開日2006年6月28日 申請日期2005年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者葉振華, 胡曉寧, 丁瑞軍, 何力 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所