一种背照射型的可见及短波红外宽光谱InGaAs探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种背照射型的可见及短波红外宽光谱InGaAs探测器。本发明专利技术探测器改进了传统外延层结构参数，将n型接触层厚度控制到30nm以内，同时引入表面集成绒面抗反膜设计，可以实现可见‑短波红外(0.4μm～1.7μm)宽波段范围的高性能探测。本发明专利技术的特点是：第一，突破了传统InGaAs探测器外延层的结构参数，本质上解决了InGaAs探测器在可见波段量子效率低的技术瓶颈；第二，引入绒面抗反膜设计，弥补了传统光学薄膜仅在窄波段特定角度范围内具有良好增透效果的不足，为实现InGaAs探测器宽波段提高量子效率提供了新的途径。

A Back-illuminated Visible and Short-Wave Infrared Wide-Spectrum InGaAs Detector

The invention discloses a back-illuminated visible and short-wave infrared wide-spectrum InGaAs detector. The detector improves the structure parameters of the traditional epitaxy layer, controls the thickness of the n-type contact layer to less than 30 nm, and introduces the surface integrated suede anti-reflection film design to realize high-performance detection in a wide band of visible-shortwave infrared (0.4-1.7 um). The characteristics of the present invention are as follows: firstly, breaking through the structural parameters of the epitaxial layer of the traditional InGaAs detector, essentially solving the technical bottleneck of the low quantum efficiency of the InGaAs detector in the visible band; secondly, introducing the design of the suede anti-reflection film to make up for the deficiency that the traditional optical film has good antireflection effect only in the narrow band and specific angle range, so as to improve the wide band of the InGaAs detector. Quantum efficiency provides a new way.

【技术实现步骤摘要】
一种背照射型的可见及短波红外宽光谱InGaAs探测器
本专利技术是关于一种新型的InGaAs探测器，具体是指一种表面集成绒面抗反膜的背照射型探测器，它能够实现从可见到短波红外宽光谱范围的高增益探测。
技术介绍
短波红外InGaAs焦平面探测器在0.9μm～1.7μm波段具有非制冷室温工作、探测率高、均匀性好等优点，有利于实现小型化、低功耗、高可靠性的红外系统。在夜暗环境中存在的月光、大气辉光、星光等夜天光，能量主要集中在可见-短波红外波段(0.4～1.7μm)。为了实现微光夜视环境的高质量成像，发展可见-短波红外宽波段铟镓砷(InGaAs)焦平面探测器是短波红外技术的一个研究热点，其光谱响应范围与夜天光良好匹配。实现高量子效率可见-短波红外宽光谱InGaAs探测器，将新型可见-短波红外宽谱段全固态InGaAs探测器推向微光夜视应用，对于实现微光夜视成像技术集成化、小型化具有重要意义，在枪瞄、夜视望远镜等方面存在重大应用需求。
技术实现思路
基于上述微光夜视高质量成像的需求，本专利技术提出一种表面集成绒面抗反膜的可见-短波红外宽光谱InGaAs探测器。它不仅能够保证传统波段(0.7μm～0.9μm)高质量成像，而且可以实现可见波段的高增益探测。本专利技术主要包含两部分内容：一是在传统InGaAs探测器基础上进行外延层结构改进，确保探测器模块表面的n型InP接触层厚度不超过30nm，有效降低可见光的无效吸收；二是采用绒面抗反膜实现InGaAs探测器的宽波段广角度增透，这种绒面抗反膜由传统多层增透膜和低折射率材料的人工纳米锥(或类似纳米锥)结构组成。基于Bruggeman有效介质理论人工纳米锥结构的平滑渐变可以等效为不同的有效折射率。这种等效折射率从外延层表面开始逐级递减的绒面抗反膜可以达到宽波段广角度超低反射的效果，从而实现InGaAs探测器可见-短波红外宽波段范围的高性能探测。本专利技术中，探测器示意图如图1所示，在p型InP接触层3之上依次是InGaAs吸收层2、n型InP接触层1和绒面抗反膜6，在p型InP接触层3另一面上通过铟柱4联有读出电路5；所述绒面抗反膜6由多层增透膜6-1和类纳米锥结构6-2构成，多层增透膜6-1采用ZnS、Ta2O5、SiO2或SiNx，其折射率介于InP和空气之间，层数为1～4层；类纳米锥结构6-2采用金字塔、圆锥、三角锥、方锥、纳米柱、三角柱或方柱亚波长结构；所述n型InP接触层1厚度为5～30nm；所述InGaAs吸收层2厚度为2.5μm或3μm；所述InGaAs探测器p型InP接触层1厚度为1μm。本专利技术涉及的关键工艺步骤是：1)外延层材料改进，2)探测器芯片研制，3)电路互联，4)多层增透膜低温生长，5)图形化，6)微结构加工。具体工艺流程如下：1外延层材料结构改进，采用MBE生长结构改进的外延层材料，确保n型接触层(1)厚度介于5nm～30nm之间；2探测器芯片研制和3电路互联与传统背照射型InGaAs探测器制备工艺相同，此处不再赘述；4采用磁控溅射制备多层增透膜(6-1)，薄膜生长温度小于45℃，避免铟柱高温熔化；5采用纳米压印、电子束曝光等先进微电子工艺将类纳米锥结构图形化，使n型InP接触层(1)表面具有均匀分布的类纳米锥微结构掩膜；6采用ICP刻蚀技术实现微结构阵列的制备，刻蚀条件：ICP功率为1500W、RF功率为45W、刻蚀温度为5℃、刻蚀气体为CHF3，最后通过丙酮去除掩膜。本专利技术的优点：该探测器突破了传统InGaAs外延层结构参数，本质上降低了InP接触层对可见光的无效吸收；该探测器采用绒面增透设计，突破了自然界中难以找到折射率低于SiO2(n<1.5)的固态材料的限制，使得器件在宽波段广角度范围内均可以保证超低反射率，从而实现InGaAs探测器宽光谱范围的探测性能提升；该探测器制备基于成熟的探测器制备技术、薄膜低温生长技术和微电子加工技术，制备简单，可行性高。与贵金属等离子体相比，价格更为低廉，生产效率更高。附图说明图1为本专利的器件结构示意图。图中：1——n型InP接触层；2——InGaAs吸收层；3——p型InP接触层；4——铟柱；5——读出电路；6-1——多层增透膜；6-2——人工纳米锥(或类似纳米锥)结构。具体实施方式实施例11.MBE生长结构改进后的含阻挡层的InGaAs外延片，其n型接触层(1)厚度为5nm；2.采用常规工艺实现平面型InGaAs探测器芯片制备，并通过铟柱(4)实现与读出电路(5)倒焊互联；3.采用机械抛光和湿法腐蚀移除InP衬底，通过机械抛光将InP衬底减薄到50nm，然后采用盐酸溶液磷酸混合液去除剩余的InP衬底，最后采用酒石酸溶液选择性腐蚀InGaAs刻蚀阻挡层；4.采用磁控溅射低温生长技术在芯片n型InP接触层(1)表面生长SiO2增透膜(6-1)，生长温度小于45℃，其膜厚度为1000nm，；5.采用纳米压印软光刻技术，使增透膜(6-1)表面具有周期性排列的人工纳米锥结构(6-2)掩膜；6.采用ICP刻蚀技术刻蚀SiO2纳米锥，刻蚀条件为：ICP功率为1500W、RF功率为45W、刻蚀温度为5℃、刻蚀气体为CHF3，最后通过丙酮去除紫外压印胶。实施例21.MBE生长结构改进后的含阻挡层的InGaAs外延片，其n型InP接触层(1)厚度为15nm；2.采用常规工艺实现平面型InGaAs探测器芯片制备，并通过铟柱(4)实现与读出电路(5)倒焊互联；3.采用机械抛光和湿法腐蚀移除InP衬底，通过机械抛光将InP衬底减薄到50nm，然后采用盐酸溶液磷酸混合液去除剩余的InP衬底，最后采用酒石酸溶液选择性腐蚀InGaAs刻蚀阻挡层；4.采用磁控溅射低温生长技术在芯片n型InP接触层(1)表面生长ZnS/SiO2双层增透膜(6-1)，生长温度小于45℃，其膜厚度分别为100nm和1000nm；5.采用纳米压印软光刻技术，使多层增透膜(6-1)表面具有周期性排列的人工纳米柱结构(6-2)掩膜；6.采用ICP刻蚀技术刻蚀SiO2纳米柱，刻蚀条件为：ICP功率为1500W、RF功率为45W、刻蚀温度为5℃、刻蚀气体为CHF3，最后通过丙酮去除紫外压印胶。实施例31.MBE生长结构改进后的含阻挡层的InGaAs外延片，其n型InP接触层(1)厚度为30nm；2.采用常规工艺实现平面型InGaAs探测器芯片制备，并通过铟柱(4)实现与读出电路(5)倒焊互联；3.采用机械抛光和湿法腐蚀移除InP衬底，通过机械抛光将InP衬底减薄到50nm，然后采用盐酸溶液磷酸混合液去除剩余的InP衬底，最后采用酒石酸溶液选择性腐蚀InGaAs刻蚀阻挡层；4.采用磁控溅射低温生长技术在芯片n型InP接触层(1)表面生长ZnS/SiO2/ZnS/SiO2四层增透膜(6-1)，生长温度小于45℃，其膜厚度分别为67nm、34nm、24nm和1000nm；5.采用纳米压印软光刻技术，使多层增透膜(6-1)表面具有周期性排列的人工纳米锥结构(6-2)掩膜；6.采用ICP刻蚀技术刻蚀SiO2纳米锥，刻蚀条件为：ICP功率为1500W、RF功率为45W、刻蚀温度为5℃、刻蚀气体为CHF3，最后通过丙酮去除紫外压印胶。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种背照射型的可见及短波红外宽光谱InGaAs探测器，包括n型InP接触层(1)、InGaAs吸收层(2)、p型InP接触层(3)、铟柱(4)、读出电路(5)、绒面抗反膜(6)，其特征在于：所述探测器的结构为：在p型InP接触层(3)之上依次是InGaAs吸收层(2)、n型InP接触层(1)和绒面抗反膜(6)，在p型InP接触层(3)另一面上通过铟柱(4)联有读出电路(5)；所述绒面抗反膜(6)由多层增透膜(6‑1)和类纳米锥结构(6‑2)构成，多层增透膜(6‑1)采用ZnS、Ta2O5、SiO2或SiNx，其折射率介于InP和空气之间，层数为1～4层；类纳米锥结构(6‑2)采用金字塔、圆锥、三角锥、方锥、纳米柱、三角柱或方柱亚波长结构；所述n型InP接触层(1)厚度为5～30nm；所述InGaAs吸收层(2)厚度为2.5μm或3μm；所述InGaAs探测器p型InP接触层(1)厚度为1μm。

【技术特征摘要】
1.一种背照射型的可见及短波红外宽光谱InGaAs探测器，包括n型InP接触层(1)、InGaAs吸收层(2)、p型InP接触层(3)、铟柱(4)、读出电路(5)、绒面抗反膜(6)，其特征在于：所述探测器的结构为：在p型InP接触层(3)之上依次是InGaAs吸收层(2)、n型InP接触层(1)和绒面抗反膜(6)，在p型InP接触层(3)另一面上通过铟柱(4)联有读出电路(5)；所述绒面抗反膜(6)由...

【专利技术属性】
技术研发人员：何玮，邵秀梅，李淘，曹高奇，于一榛，杨波，李雪，龚海梅，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31