3~5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法技术

本发明专利技术提供了一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器(APD)及其制作方法，该红外波段APD包括自上而下叠置的减反膜层、P+型InSb电极接触层、作为吸收层的N型InSb层、作为倍增层的P型外延Si层、和N+型Si层，其中，N型InSb层和P型外延Si层分别是InSb/Si键合晶片中的N型InSb层和P型外延Si层。由此，InSb对红外波段光的吸收大，外延Si材料的电子离化率与空穴离化率的差别较大，其过剩噪声因子小，故能获得噪声小的倍增性能，相比倍增层为InSb的情形，不仅能够使InSb/Si APD器件的噪声降低，APD探测器的响应度提升，而且经由较窄吸收层的N型InSb层和窄倍增层的P型外延Si层的组合能够实现高速、低噪声光电探测的效果；同时，使用InSb/Si键合晶片降低了与Si读出电路之间的热失配。

【技术实现步骤摘要】
3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法
本专利技术属于半导体光电子领域，具体涉及一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法，特别是一种高响应速度低噪声的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法。
技术介绍
红外焦平面阵列(IRFPA)探测器兼具辐射敏感、电荷存储和多路传输等功能，是第二代红外热成像系统采用的位于光学系统焦平面而带有信号处理能力的面阵探测器，在红外制导、跟踪、凝视成像等武器设备上广泛应用，例如，2048×2048的InSb红外焦平面阵列探测器量产性优异而在国外的技术实践中大量使用。然而，近年来对于第三代红外热成像系统的开发中，小规模阵列(例如，32×32)的研究例如InSb雪崩光电二极管(APD)阵列进入了快速研发阶段，目前在成像性能上达成了高清晰度。此外，APD具有灵敏度高、体积小、增蔬大等优点，故无论其在线性工作还是盖革模式工作，将成为第三代红外探测器的重要发展趋势，是激光成像、医学、核物理、数据通信等领域的核心器件之一。通常，APD器件的制作主要有两种类型，一种是通过扩散成结而制成的APD，另一种是通过外延生长而获得的APD。不过，这两种类型的APD器件各有优缺点，基于扩散成结的APD，其响应速度不太高；基于外延生长的APD，例如InSb雪崩光电二极管(即InSbAPD)，虽然其响应速度高，但由于目前针对InSb的外延技术相比GaAs等材料体系而言不够成熟，故所获得的InSb外延层的质量比InSb体材料低，由此在器件中实际应用外延生长的InSb困难。在以Si衬底与Si读出电路的匹配为目的而在Si衬底上外延InSb材料来获得InSbFPA探测器的情况下，由于InSb材料和Si的晶格失配较大，外延生长过程中产生的大量界面缺陷及应力会导致材料性能急剧恶化之虞存在；而且，由于InSbFPA与Si读出电路之间的热应力，会导致在高低温循环冲击下器件的碎裂之虞也存在。这样的困境的解决方法中，目前存在着利用半导体键合技术将InSbFPA探测器与Si衬底键合后与Si读出电路互连以减少热应力的手段。然而，目前的结果也表明，现有的InSbFPA探测器与Si衬底的键合方法的工艺复杂，实用性低。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提供了一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，包括自上而下叠置的减反膜层、P+型InSb电极接触层、吸收层、倍增层和N+型Si层，其中，吸收层和倍增层分别是InSb/Si键合晶片中的N型InSb层和P型外延Si层。在本专利技术的某实施例中，N型InSb层的厚度为2～6μm，P型外延Si层的厚度为0.7～2μm。在本专利技术的某实施例中，N型InSb层的掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1015cm-3，P型外延Si层的掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3。在本专利技术的某实施例中，减反膜层为SiO、ZnS的单层，或者是SiO与ZnS的多层结合层。在本专利技术的某实施例中，在N+型Si层形成有N电极，在P+型InSb电极接触层以围着减反膜层的方式形成有P电极。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器的制作方法，包括以下步骤：准备InSb/Si键合晶片的步骤A，其通过将N型InSb衬底与在N+型Si衬底形成的P型外延Si层进行直接键合，而形成InSb/Si键合晶片，该InSb/Si键合晶片中的P型外延Si层作为红外波段雪崩光电二极管探测器的倍增层；形成P+型InSb电极接触层的步骤B，其通过对InSb/Si键合晶片中的N型InSb层进行减薄而后进行扩散来形成P+型InSb电极接触层，与P+型InSb电极接触层接触的N型InSb层作为红外波段雪崩光电二极管探测器的吸收层；形成减反膜层的步骤C，其通过蒸镀在P+型InSb电极接触层上形成减反膜层。在本专利技术的某实施例中，步骤A具有：子步骤A1，在N+型Si衬底上通过外延生长而形成P型外延Si层；子步骤A2，对在N+型Si衬底形成有P型外延Si层的Si片进行试剂清洗，对N型InSb衬底进行试剂清洗；子步骤A3，将清洗干净的N型InSb衬底与在N+型Si衬底形成的P型外延Si层向内进行贴合，而后将贴合后的两衬底置于真空键合机内进行热处理，以完成N型InSb层/P型外延Si层的真空键合，来形成InSb/Si键合晶片。在本专利技术的某实施例中，真空键合的真空度为10-4～10-5Pa；真空键合的压力为1～5Mpa；真空键合的温度为30℃～400℃的阶梯状温度，即从30℃起阶梯状升温到400℃而后阶梯状降温。在本专利技术的某实施例中，在步骤B形成P+型InSb电极接触层之后，还包括：通过从上向下对P+型InSb电极接触层、N型InSb层和P型外延Si层分别进行刻蚀直至所述N+Si衬底的表面为止，而在N+型Si衬底上形成台面的步骤；对台面进行钝化保护的步骤；在步骤C形成减反膜层之前，还包括：在P+型InSb电极接触层的表面形成环形P电极，该环形P电极内用于设置减反膜层，在N+型Si层的背面形成N电极。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：(1)通过InSb/Si键合晶片的使用，尤其InSb/Si键合晶片中的N型InSb作为吸收层而P型Si层作为倍增层，相比倍增层为InSb的InSbAPD，本专利技术的InSb/SiAPD兼顾了InSb对红外波段的光的吸收大以及Si材料的隧道电流低、过剩噪声因子小等的双方优势，由此，InSb/SiAPD能够实现高速低噪声的光电探测效果，理论模拟结果表明InSb/SiAPD可以在盖革模式工作而具有高增益效应。(2)InSb/SiAPD通过减反膜等的结构而减少了器件暗电流，这样的暗电流小且噪声低的InSb/SiAPD，可以有利于其工作温度的提升，进而有利于大面阵的InSb/SiAPD的制作，由此达成InSbFPA无法完成的非低温工作的功能。(3)通过InSb/Si键合晶片，有利于InSb/SiAPD与Si读出电路的互连，以解决目前InSbFPA与Si读出电路连接后InSb与Si读出电路之间存在较大的热膨胀系数差别而在低温冲击下发生碎裂和盲元的问题。附图说明图1为本专利技术实施例红外波段雪崩光电二极管探测器的结构的概要性示意图。图2为本专利技术实施例N+型Si衬底及其上生成的外延Si层的二层结构的剖视图。图3为本专利技术实施例N型InSb衬底的结构的剖视图。图4为本专利技术实施例将图2的基于N+型Si衬底的外延Si层与图3的N型InSb衬底向内进行贴合而后进行键合的键合晶片的结构的剖视图。图5为本专利技术实施例将图4的键合晶片的N型InSb衬底减薄而后进行扩散以形成P+型InSb电极接触层的结构的剖视图。图6为本专利技术实施例对图5的结构进行刻蚀而形成台面的结构的剖视图。图7为本专利技术实施例基于图6的结构在P+型InSb电极接触层形成P电极而在N+型Si衬底形成N电极的结构的剖视图。图8为本专利技术实施例基于图7的结构在P+型InSb电极接触层上形成减反膜层的结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，包括自上而下叠置的减反膜层、P+型InSb电极接触层、吸收层、倍增层和N+型Si衬底，其中，所述吸收层和所述倍增层分别是InSb/Si键合晶片中的N型InSb层和P型外延Si层。

【技术特征摘要】
1.一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，包括自上而下叠置的减反膜层、P+型InSb电极接触层、吸收层、倍增层和N+型Si衬底，其中，所述吸收层和所述倍增层分别是InSb/Si键合晶片中的N型InSb层和P型外延Si层。2.根据权利要求1所述的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，其中，所述N型InSb层的厚度为2～6μm，所述P型外延Si层的厚度为0.7～2μm。3.根据权利要求2所述的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，其中，所述N型InSb层的掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1015cm-3，所述P型外延Si层的掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3。4.根据权利要求2所述的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，其中，所述减反膜层为SiO、ZnS的单层，或者是SiO与ZnS的多层结合层。5.根据权利要求2所述的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，其中，在所述N+型Si层的背面形成有N电极，在所述P+型InSb电极接触层的表面以围着所述减反膜层的方式形成有P电极。6.一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器的制作方法，包括以下步骤：准备InSb/Si键合晶片的步骤A，其通过将N型InSb衬底与在N+型Si衬底形成的P型外延Si层进行直接键合，而形成所述InSb/Si键合晶片，所述InSb/Si键合晶片中的P型外延Si层作为所述红外波段雪崩光电二极管探测器的倍增层；形成P+型InSb电极接触层的步骤B，其通过对所述InSb/Si键合晶片中的N型InSb层进行减薄而后进行扩散来形成所述P+型InSb电极接触层，与所述P+型InSb电极接触层接触的N型InSb层作为所述红外波段雪崩光电二极管探测器的吸收层；形成减反膜层的步骤C，其通过蒸镀而在所述P+型InSb电极接触层上形成所述减反膜层。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑婉华，彭红玲，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11