一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器及其制备方法，包括在高导硅衬底上外延生长硅掺砷吸收层，掺杂砷离子；在吸收层上外延生长高阻硅阻挡层；再通过光刻、离子注入、快速热退火、深硅刻蚀、等离子体增强化学气相沉积、反应离子束刻蚀、湿法腐蚀、电子束蒸发等工艺制作正、负电极。本发明专利技术的优点在于：采用化学气相沉积法外延生长硅掺砷吸收层，便于增加吸收层厚度和调节掺杂浓度，提高吸收层的吸收效率及器件响应率，避免了离子注入引起的损伤，降低了暗电流；将负电极设置在高导硅衬底上，缩短了光生载流子的输运路径，降低了光生载流子被高导硅衬底中杂质和缺陷俘获的几率，进一步降低器件的暗电流，提高响应率。

A mesa silicon arsenic doped barrier impurity band detector and its preparation method

The invention provides a mesa silicon doped arsenic blocked impurity band detector and a preparation method thereof, including the high conductivity silicon substrate epitaxial growth of silicon doped arsenic absorption layer doped arsenic ion; absorption in high resistivity silicon epitaxial growth layer on the barrier layer; then through lithography, ion implantation and rapid thermal annealing, deep silicon etching, plasma enhanced chemical vapor deposition, reactive ion etching, wet etching, electron beam evaporation process produced positive and negative electrode. The invention has the advantages that the method of epitaxial growth of silicon doped arsenic absorption layer by chemical vapor deposition, in order to increase the thickness of absorption layer and adjusting the doping concentration, improve the absorption layer absorption efficiency and response rate, to avoid the damage caused by ion implantation, reduced the dark current; the negative electrode is arranged in the high conductivity silicon substrate and shorten the photocarrier transport path, reduce the probability of photogenerated carriers are high conductive impurity and defect trapping in silicon substrates, to further reduce the dark current of the device, improve the response rate.

【技术实现步骤摘要】
一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器及其制备方法
本专利技术涉及甚长波红外(大于14微米)探测器的制备工艺技术，具体是指一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器的制作方法，它适用于制作低暗电流、高响应率的台面式甚长波红外阻挡杂质带探测器。
技术介绍
硅基阻挡杂质带探测器工作在10K以下的低温环境中，可对14～40μm波段范围内的甚长波红外辐射进行有效探测。在民用、军事和航空航天领域有着广泛的应用前景。目前，硅基阻挡杂质带探测器主要采用以下两种制备方法：一种是平面式(也称卧式)结构制备工艺，另一种是台面式(也称立式)结构制备工艺。平面式结构制备工艺是在高阻衬底上通过离子注入形成吸收层，并利用高阻衬底来作为阻挡层，见K.S.Liao,N.Li,X.H.Liu,L.Huang,Q.Y.Zeng,etal.,“Ion-implantedSi:Pblocked-impurity-bandphotodetectorsforfar-infraredandterahertzradiationdetection”,SPIE,Voll.8909,pp890913-1-890913-9。这种制备方法的优点是正、负电极分别与阻挡层和吸收层直接接触，光生载流子传输路径短，收集效率高。缺点是离子注入形成的吸收层厚度受限，一般不超过2微米，限制了器件的响应率。同时，离子注入造成了大量缺陷，容易导致器件的暗电流过大。台面式结构制备工艺通常是在高导衬底上依次连续外延生长吸收层和阻挡层，正电极设置在阻挡层的顶部，负电极设置在高导衬底的底部(廖开升，刘希辉，黄亮，李志锋，李宁，戴宁，“天文用阻挡杂质带红外探测器”，中国科学：物理学力学天文学，2014,44:360–367)。这种制备方法的优点是便于调节吸收层厚度及掺杂浓度，缺点是光生载流子传输路径较长，增加了光生载流子被高导硅衬底中杂质和缺陷俘获的几率，从而导致器件的暗电流较高，光生载流子的收集效率不高。
技术实现思路
鉴于上述两种硅基阻挡杂质带探测器制备方法存在的不足，本专利技术采用化学气相沉积法外延生长硅掺砷吸收层，解决平面式硅基阻挡杂质带探测器中离子注入形成吸收层厚度受限的问题，便于增加吸收层厚度和调节掺杂浓度，提高吸收层对甚长波红外辐射的吸收效率及器件响应率，同时避免了离子注入引起的损伤，降低了暗电流；将负电极设置在高导硅衬底上表面，解决目前台面式硅基阻挡杂质带探测器中光生载流子传输路径较长的问题，以缩短光生载流子的传输路径，降低光生载流子的复合几率和探测器暗电流，进一步提高了探测器的响应率。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：第一方面，本专利技术涉及一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，包括高导硅衬底和设置在高导硅衬底上的第一区域与第二区域；所述第一区域包括依次设置的硅掺砷吸收层、高阻硅阻挡层、正电极接触区和氮化硅钝化层，其中，所述硅掺砷吸收层设置在高导硅衬底上，所述氮化硅钝化层同时覆盖于所述硅掺砷吸收层、高阻硅阻挡层和正电极接触区所组成的侧面上，在所述氮化硅钝化层上设置有正电极；所述第二区域包括设置在高导硅衬底上的氮化硅钝化层，所述氮化硅钝化层上设置有负电极；第一区域的所述氮化硅钝化层与第二区域的所述氮化硅钝化层连接为一体形成凹字形结构，所述第二区域位于凹部。优选地，所述硅掺砷吸收层中砷离子的掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3，所述硅掺砷吸收层的厚度为20～30μm。选择上述砷离子的掺杂浓度范围是为了保证所述硅掺砷吸收层对甚长波红外辐射进行充分吸收；选择上述厚度范围可以在太赫兹辐射完全吸收的前提下确保暗电流尽可能低。优选地，所述高阻硅阻挡层中无掺杂任何离子，所述高阻硅阻挡层的厚度为4～12μm。以使所述高阻硅阻挡层的电阻率尽可能大，从而保证对器件暗电流起到较好地阻挡作用。优选地，所述正电极接触区的厚度为100nm。以能够形成良好的欧姆接触，从而达到良好的光生载流子收集效果，优选地，所述凹字形结构是通过深硅刻蚀法得到，所述凹字形结构的深度为24～42μm。为了确保负电极能与所述高导硅衬底直接接触，从而形成良好的欧姆接触。优选地，所述正电极通过正电极孔设置在第一区域的氮化硅钝化层上，所述负电极通过负电极孔设置在第二区域的氮化硅钝化层上，其中，正电极孔、负电极孔的深度均与氮化硅钝化层的厚度一致。更优选地，所述氮化硅钝化层的厚度为200nm。为了有效保护器件表面不被外界环境玷污和氧化，同时避免厚度过大造成甚长波红外辐射能量损失，氮化硅钝化层的厚度为200nm。优选地，在第一区域的氮化硅钝化层上设置有两个正电极，在第二区域的氮化硅钝化层上设置有一个负电极。以保证电极对光生载流子的充分收集。第二方面，本专利技术涉及一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器的制备方法，包括如下步骤：A1、在高导硅衬底表面采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)工艺外延生长硅掺砷吸收层；A2、在硅掺砷吸收层上通过金属有机化合物化学气相沉积工艺外延生长高阻硅阻挡层,不故意掺杂任何离子；A3、在高阻硅阻挡层上通过光刻、离子注入及快速热退火工艺形成正电极接触区；A4、在正电极接触区表面通过光刻、深硅刻蚀工艺形成台面结构；A5、在所述凹形台面的凸起部表面、内侧壁和底部表面通过等离子体增强化学气相沉积工艺沉积氮化硅(SiNx)钝化层；A6、在凹形台面凸起部的氮化硅钝化层上通过光刻、反应离子束刻蚀(RIE)及湿法腐蚀工艺开正电极孔，在凹形台面底部的氮化硅钝化层上通过光刻、反应离子束刻蚀(RIE)及湿法腐蚀工艺开负电极孔；A7、在正电极孔、负电极孔内通过光刻、电子束蒸发及电极退火工艺形成欧姆接触良好的正电极、负电极；A8、在正电极、负电极上通过光刻、电子束蒸发工艺加厚正电极、负电极。优选地，在步骤A3中，所述离子注入工艺中，注入离子为砷离子，注入能量为20～50keV，注入剂量为1～7×1014cm-2；所述快速热退火工艺中：保护气氛为氮气，退火温度为900～1000℃，退火时间为5～20s。优选地，在步骤A4中，所述深硅刻蚀的刻蚀深度为24～42μm。优选地，在步骤A6中，所述正电极孔、负电极孔的开孔方法是反应离子束刻蚀与湿法腐蚀相结合的方法，开孔深度均为200nm。优选地，在步骤A6中，所述湿法腐蚀工艺使用的腐蚀溶液体积配比为：浓度49％的氢氟酸：水＝1:6，腐蚀时间为15秒。优选地，在蒸镀正、负电极和加厚正、负电极时，所述光刻工艺均为双层胶光刻工艺，即在器件表面依次先后旋涂光刻胶LOR10A和光刻胶AZ5214进行光刻。优选地，在步骤A7中，通过所述电子束蒸发工艺蒸镀正电极、负电极包括从下到上依次蒸镀钛、铝、镍和金，其中，蒸镀钛的厚度为30nm，蒸镀铝的厚度为100nm，蒸镀镍的厚度为20nm，蒸镀金的厚度为100nm；在步骤A8中，通过所述电子束蒸发工艺加厚正电极、负电极包括在正电极、负电极上从下到上依次蒸镀镍和金，其中，蒸镀镍的厚度为35nm，蒸镀金的厚度为280nm。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、采用化学气相沉积法外延生长硅掺砷吸收层，便于增加吸收层厚度和调节掺杂浓度，提高吸收层对甚长波红外辐射的吸收效率及器件响应率，同时避免了离子注入引起的损伤，降低了暗电流；2、将负电极设置在高导硅衬底上表面，缩短了光生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，包括高导硅衬底和设置在高导硅衬底上的第一区域与第二区域；所述第一区域包括依次设置的硅掺砷吸收层、高阻硅阻挡层、正电极接触区和氮化硅钝化层，其中，所述硅掺砷吸收层设置在高导硅衬底上，所述氮化硅钝化层同时覆盖于所述硅掺砷吸收层、高阻硅阻挡层和正电极接触区所组成的侧面上，在所述氮化硅钝化层上设置有正电极；所述第二区域包括设置在高导硅衬底上的氮化硅钝化层，所述氮化硅钝化层上设置有负电极；第一区域的所述氮化硅钝化层与第二区域的所述氮化硅钝化层连接为一体形成凹字形结构，所述第二区域位于凹部。

【技术特征摘要】
1.一种台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，包括高导硅衬底和设置在高导硅衬底上的第一区域与第二区域；所述第一区域包括依次设置的硅掺砷吸收层、高阻硅阻挡层、正电极接触区和氮化硅钝化层，其中，所述硅掺砷吸收层设置在高导硅衬底上，所述氮化硅钝化层同时覆盖于所述硅掺砷吸收层、高阻硅阻挡层和正电极接触区所组成的侧面上，在所述氮化硅钝化层上设置有正电极；所述第二区域包括设置在高导硅衬底上的氮化硅钝化层，所述氮化硅钝化层上设置有负电极；第一区域的所述氮化硅钝化层与第二区域的所述氮化硅钝化层连接为一体形成凹字形结构，所述第二区域位于凹部。2.根据权利要求1所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，所述硅掺砷吸收层中砷离子的掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3，所述硅掺砷吸收层的厚度为20～30μm。3.根据权利要求1所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，所述高阻硅阻挡层的厚度为4～12μm。4.根据权利要求1所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，所述凹字形结构是通过深硅刻蚀法得到，所述凹字形结构的深度为24～42μm。5.根据权利要求1所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，所述正电极通过正电极孔设置在第一区域的氮化硅钝化层上，所述负电极通过负电极孔设置在第二区域的氮化硅钝化层上，其中，正电极孔、负电极孔的深度均与氮化硅钝化层的厚度一致。6.根据权利要求5所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器，其特征在于，在第一区域的氮化硅钝化层上设置有两个正电极，在第二区域的氮化硅钝化层上设置有一个负电极。7.一种根据权利要求1所述的台面式硅掺砷阻挡杂质带探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：A1、在高导硅衬底表面采用金属有机化合物化学气相沉积工艺外延生长硅掺砷吸收层；A2、在硅掺砷吸收层上...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈雨璐，王兵兵，王晓东，张传胜，谢巍，侯丽伟，潘鸣，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31