本發(fā)明屬于半導(dǎo)體應(yīng)用，尤其涉及一種雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的快速發(fā)展，紅外探測(cè)器在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，涵蓋了從戰(zhàn)略預(yù)警、夜視到氣象監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等多個(gè)領(lǐng)域。隨著對(duì)紅外探測(cè)要求的提高，新一代紅外探測(cè)器的技術(shù)發(fā)展逐漸朝向以下幾個(gè)方向：高像素、高靈敏度、大面陣、高熱分辨率、多波段探測(cè)、支持高工作溫度、體積小、重量輕以及便于維護(hù)等。

2、目前大多紅外探測(cè)器采用臺(tái)面結(jié)構(gòu)，也就是用刻蝕工藝把工作區(qū)以外的半導(dǎo)體材料去除而實(shí)現(xiàn)器件之間的電學(xué)隔離，但是，刻蝕完成后由于半導(dǎo)體晶體連續(xù)性被打破，導(dǎo)致器件側(cè)壁產(chǎn)生表面態(tài)和反型層，從而使側(cè)壁表面出現(xiàn)導(dǎo)電通道而產(chǎn)生表面漏電流。盡管采取了各種手段如沉積sio2、聚酰亞胺、光刻膠等介質(zhì)材料對(duì)探測(cè)器表面進(jìn)行鈍化處理，但效果依然有限，因此紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和制備工藝還有待完善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明提供一種雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器及其制備方法，通過雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有效抑制臺(tái)面結(jié)構(gòu)探測(cè)器的側(cè)壁漏電流，實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度、高光電增益、高探測(cè)率、低暗電流。

2、
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器，包括：

3、襯底；

4、外延層，設(shè)置于所述襯底上，所述外延層包括緩沖層、第一歐姆接觸層、集電層、基層、發(fā)射層、第二歐姆接觸層和保護(hù)層，所述第一歐姆接觸層上設(shè)有第一臺(tái)階，使得第一臺(tái)階內(nèi)側(cè)的第一歐姆接觸層和集電層形成臺(tái)柱結(jié)構(gòu)，所述集電層上設(shè)有第二臺(tái)階，使得第二臺(tái)階內(nèi)側(cè)的集電層、基層、發(fā)射層、第二歐姆接觸層和保護(hù)層形成微柱結(jié)構(gòu)；

5、鈍化層，覆蓋于所述外延層表面，所述鈍化層上設(shè)有位于第一歐姆接觸層上的第一電極窗口和位于保護(hù)層上的第二電極窗口；

6、金屬電極，包括第一電極和第二電極，所述第一電極和第二電極分別設(shè)置于第一電極窗口和第二電極窗口內(nèi)。

7、具體地，所述襯底為n型gasb襯底，摻雜濃度≥1017cm-3；所述緩沖層為n型摻雜的gasb層，摻雜濃度≥1017cm-3，其中緩沖層的厚度為300～1000nm。

8、具體地，所述集電層采用n型摻雜的ingaassb結(jié)構(gòu)，摻雜濃度為≥1015cm-3，厚度為200～600nm；所述基層為非故意摻雜的gasb層，未摻雜下載流子濃度為1014～1016cm-3，厚度為40～80nm；所述發(fā)射層采用n型摻雜的inas/alsb超晶格結(jié)構(gòu)，摻雜濃度≥1017cm-3，厚度為200～600nm。

9、具體地，所述第一歐姆接觸層采用n型摻雜的ingaassb結(jié)構(gòu)，摻雜濃度≥1018cm-3，厚度為250～800nm；所述第二歐姆接觸層采用n型摻雜的inas/alsb超晶格結(jié)構(gòu)，摻雜濃度≥1018cm-3，厚度為250～800nm；所述保護(hù)層為n型摻雜的inas層，摻雜濃度≥1018cm-3，厚度為20～50nm。

10、可選地，所述集電層的材料包括短波紅外材料、中波紅外材料、長(zhǎng)波紅外材料或者甚長(zhǎng)波紅外材料中的一種。

11、此外，本發(fā)明還提供了上述雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器的制備方法，包括以下步驟：

12、在襯底上制備外延層，所述外延層包括緩沖層、第一歐姆接觸層、集電層、基層、發(fā)射層、第二歐姆接觸層和保護(hù)層；

13、在外延結(jié)構(gòu)的外邊沿進(jìn)行刻蝕，由此在第一歐姆接觸層上形成第一臺(tái)階，以及在集電層上形成第一臺(tái)階；

14、在刻蝕后的外延層表面沉積鈍化層，并在鈍化層上刻蝕形成第一電極窗口和第二電極窗口；

15、分別在第一電極窗口和第二電極窗口內(nèi)制備第一電極和第二電極。

16、具體地，所述外延層采用分子束外延的方法制備。

17、具體地，所述第一臺(tái)階和第二臺(tái)階利用電感耦合等離子體刻蝕或濕法腐蝕形成。

18、具體地，所述第一臺(tái)階的刻蝕深度直至第一歐姆接觸層厚度的一半，所述第二臺(tái)階的刻蝕深度直至集電層厚度的一半。

19、具體地，所述鈍化層覆蓋于微柱結(jié)構(gòu)的頂部和側(cè)壁、臺(tái)柱結(jié)構(gòu)的頂部和側(cè)壁以及第一歐姆接觸層上。

20、有益效果：

21、本發(fā)明通過雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，有效抑制光生載流子的橫向移動(dòng)，同時(shí)微柱結(jié)構(gòu)能夠?qū)㈦妶?chǎng)限制在中心區(qū)域，可以降低臺(tái)面周邊區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度，抑制邊緣擊穿，降低雜質(zhì)和缺陷引起的表面漏電流，降低暗電流。

22、本發(fā)明采用大規(guī)模的集電極和微柱結(jié)構(gòu)的發(fā)射極，其中微柱結(jié)構(gòu)代表低電容，可以使器件所需的開啟電流減小，少量空穴捕獲會(huì)使電位大幅變化并產(chǎn)生放大的電子注入，并且在大規(guī)模集電極產(chǎn)生的光生空穴移動(dòng)到小體積的微柱結(jié)構(gòu)中時(shí)會(huì)產(chǎn)生更高的電荷密度，從而使器件具有高靈敏度的特性；較大的集電極面積可以使探測(cè)器內(nèi)的電場(chǎng)分布更加均勻且合理，有利于光生載流子在電場(chǎng)作用下更高效地向集電極漂移和收集，減少載流子在遷移過程中的復(fù)合幾率，從而提高收集效率，進(jìn)而提升探測(cè)器的靈敏度和響應(yīng)度，并且更大的集電極能夠覆蓋更廣泛的區(qū)域，使得在較大面積的活性層內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子都有更高的概率被收集到，對(duì)于一些光生載流子產(chǎn)生位置較為分散的情況，能有效提高收集比例，進(jìn)一步增強(qiáng)探測(cè)器對(duì)光信號(hào)的收集能力。

23、此外，在微柱結(jié)構(gòu)側(cè)壁、臺(tái)柱結(jié)構(gòu)上方和側(cè)壁沉積的鈍化層能夠中和側(cè)壁的懸掛鍵，能夠降低表面態(tài)密度，從而抑制紅外探測(cè)器的側(cè)壁漏電流，提高紅外探測(cè)器的微分阻抗，由此實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度、高探測(cè)率、低暗電流。

技術(shù)特征：

1.一種雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器，其特征在于，所述襯底為n型gasb襯底，摻雜濃度≥1017cm-3；所述緩沖層為n型摻雜的gasb層，摻雜濃度≥1017cm-3，其中緩沖層的厚度為300～1000nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器，其特征在于，所述集電層采用n型摻雜的ingaassb結(jié)構(gòu)，摻雜濃度為≥1015cm-3，厚度為200～600nm；所述基層為非故意摻雜的gasb層，未摻雜下載流子濃度為1014～1016cm-3，厚度為40～80nm；所述發(fā)射層采用n型摻雜的inas/alsb超晶格結(jié)構(gòu)，摻雜濃度≥1017cm-3，厚度為200～600nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器，其特征在于，所述第一歐姆接觸層采用n型摻雜的ingaassb結(jié)構(gòu)，摻雜濃度≥1018cm-3，厚度為250～800nm；所述第二歐姆接觸層采用n型摻雜的inas/alsb超晶格結(jié)構(gòu)，摻雜濃度≥1018cm-3，厚度為250～800nm；所述保護(hù)層為n型摻雜的inas層，摻雜濃度≥1018cm-3，厚度為20～50nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器，其特征在于，所述集電層的材料包括短波紅外材料、中波紅外材料、長(zhǎng)波紅外材料或者甚長(zhǎng)波紅外材料中的一種。

6.一種基于權(quán)利要求1～5任一所述雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述外延層采用分子束外延的方法制備。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述第一臺(tái)階和第二臺(tái)階利用電感耦合等離子體刻蝕或濕法腐蝕形成。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述第一臺(tái)階的刻蝕深度直至第一歐姆接觸層厚度的一半，所述第二臺(tái)階的刻蝕深度直至集電層厚度的一半。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述鈍化層覆蓋于微柱結(jié)構(gòu)的頂部和側(cè)壁、臺(tái)柱結(jié)構(gòu)的頂部和側(cè)壁以及第一歐姆接觸層上。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器及其制備方法，所述紅外探測(cè)器包括：襯底、外延層、鈍化層和金屬電極，所述外延層包括緩沖層、第一歐姆接觸層、集電層、基層、發(fā)射層、第二歐姆接觸層和保護(hù)層，所述第一歐姆接觸層上設(shè)有第一臺(tái)階，使得第一臺(tái)階內(nèi)側(cè)的第一歐姆接觸層和集電層形成臺(tái)柱結(jié)構(gòu)，所述集電層上設(shè)有第二臺(tái)階，使得第二臺(tái)階內(nèi)側(cè)的集電層、基層、發(fā)射層、第二歐姆接觸層和保護(hù)層形成微柱結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，有效抑制光生載流子的橫向移動(dòng)，同時(shí)微柱結(jié)構(gòu)和臺(tái)柱結(jié)構(gòu)能夠?qū)㈦妶?chǎng)限制在中心區(qū)域，可以降低臺(tái)面周邊區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度，抑制邊緣擊穿，降低雜質(zhì)和缺陷引起的表面漏電流，降低暗電流。

技術(shù)研發(fā)人員：王碩,牛智川,郝宏玥,徐應(yīng)強(qiáng),吳東海,王國(guó)偉,蔣洞微,倪海橋,張世豪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15