基于表面等离激元的波长选择Si基光电导中远红外阻挡杂质带探测器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于表面等离激元的波长选择Si基光电导中远红外阻挡杂质带探测器及其制备方法，从下至上依次为高纯硅基底、高纯硅基底上低电阻率的掩埋底电极、高掺杂吸收层、杂质带阻挡层，在阻挡层上方沉积的钝化层，阻挡层上设有上电极互连区和上电极，上电极是由铝薄膜形成的正方形周期圆孔阵列，铝薄膜形成正方形周期圆孔阵列是探测器的表面等离激元结构，实现波长选择功能。上电极使用金属铝，铝的制备工艺简便成熟，价格便宜易于获得，抗锈蚀能力强，同时与器件的兼容性能好；采用剥离工艺制备金属铝正方形周期圆孔阵列，相比于腐蚀技术，可控性及实际效果更好。

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种基于表面等离激元的波长选择中远红外波段响应的阻挡杂质带半导体探测器及制备方法。

背景技术

近年来，随着系统应用的牵引，红外探测器作为红外整机系统的核心部件，其研究、开发乃至生产越来越受到关注。红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件，非本征光电导探测器是红外探测器的一种。半导体吸收能量足够大的光子后，体内一些载流子从束缚态转变为自由态，从而使半导体电导率增大，利用这种光电导效应制成的探测器就是光电导探测器。

阻挡杂质带(BIB)器件是用于中红外和远红外探测的高灵敏度探测器，其基本理论是对杂质带中跳跃电导效应的阻挡。这种阻挡机制使得它可以使用较大的掺杂浓度制备非本征光电导探测器，通过阻挡层降低暗电流来提高常规非本征光电导的性能。以往被研究的BIB探测器吸收层为n型掺杂的主要有Si:As，Si:Sb型探测器，吸收层为p型掺杂的主要有Si：B型探测器。近年来Si:P型探测器也有许多报道，大部分为正面入射型器件。上海技术物理研究所Liao等人利用全外延结构制作了掩埋底电极厚度在μm量级的Si：P型BIB探测器。

表面等离激元(SPP)是一种由入射光子或电子激发产生的电磁表面波，由于其独特的性能，在纳米光刻、滤波器、非线性光学等光电领域得到广泛的应用。周期性圆孔阵列是一种常用的等离激元结构，基于它的异常光学透射现象在透射增强、波长选择方面应用广泛。Iain J.H.McCrindle等人利用三角形周期圆孔阵列和太赫兹超材料的复合结构制备了多光谱滤波器；Chiyang Chang等人在铟镓砷量子点红外探测器背面制备了Ag圆孔阵列实现了探测器在中红外波段的波长选择性能。

发明内容

本发明的目的是以高纯硅片为基，提供一种对中远红外宽波段的光进行有效探测的器件，扩大光的探测范围，提高对中远红外光的探测率和响应率。同时利用周期性圆孔阵列实现探测器的波长选择性能，为多光谱红外探测器的研究和制备奠定基础。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明公开了一种基于表面等离激元的波长选择Si基半导体光电导中远红外阻挡杂质带探测器，从下至上依次为高纯硅基底、高纯硅基底上低电阻率的掩埋底电极、高掺杂吸收层、杂质带阻挡层，在阻挡层上方沉积的钝化层，所述的阻挡层上设有上电极互连区和上电极，所述的上电极是由铝薄膜形成的正方形周期圆孔阵列，所述的探测器还包括开至高纯硅基底的V型槽，所述的铝薄膜形成正方形周期圆孔阵列是探测器的表面等离激元结构，实现波长选择功能。

作为进一步地改进，本发明所述的钝化层包括上表层的氮化硅和下表层的氧化硅。

作为进一步地改进，本发明所述的掩埋底电极为As的离子注入区，探测器还包括通过球形压焊与上电极互连区键合的金丝引线。

作为进一步地改进，本发明所述的上电极互连区为Al电极，离子注入区的掺杂元素为P，外延生长吸收层的掺杂元素为P。

本发明还公开了一种基于表面等离激元的波长选择Si基半导体光电导中红外阻挡杂质带探测器的制备方法，在高纯硅片基底上，通过离子注入加高温退火(RTA)方式制备低电阻率的掩埋底电极，利用化学气相沉积(CVD)方法外延生长厚膜Si:P吸收层和杂质带阻挡层，在阻挡层之上利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法生长钝化层，利用湿法腐蚀得到V型槽与掩埋底电极形成接触，采用射频磁控溅射法在阻挡层上蒸镀上电极互连区，利用光刻工艺制备铝薄膜正方形周期圆孔阵列，用金丝与上电极互连区键合获得电极引线。

作为进一步地改进，本发明具体制备步骤如下：

1)在高纯硅衬底表面通过离子注入和高温退火制备掩埋底电极；

2)化学气相沉积外延吸收层、阻挡层；

3)所述的阻挡层上生长300nm氧化硅作为离子注入的标志；

4)光刻，湿法腐蚀阻挡层上氧化硅，开出方形孔；

5)通过方形孔离子注入；

6)退火；

7)光刻，去除上电极离子注入区方形孔之外的氧化硅；

8)在阻挡层表面等离子体增强化学气相沉积依次生长300nm的氧化硅，和500nm氮化 硅作为钝化层；

9)光刻，干法刻蚀钝化层的氧化硅和氮化硅，暴露出需要刻蚀V型槽的新鲜硅表面；

10)湿法刻蚀硅的V型槽；

11)干法刻蚀钝化层的氮化硅，光刻，湿法腐蚀钝化层的氧化硅，曝露出方形孔的离子注入区；

12)射频磁控溅射镀0.6μm上电极互连区，所述的上电极互连区是铝；

13)腐蚀掉上电极区域之外的铝；

14)光刻，湿法腐蚀上电极区域的氧化硅；

15)在上电极区，阻挡层上光刻得到正方形周期圆孔阵列；

16)在正方形周期圆孔阵列上射频磁控溅射镀100nm厚的铝膜；

17)剥离得到正方形周期圆孔阵列；

18)划片，金丝引线与上电极互连区键合；

作为进一步地改进，本发明所述的吸收层掺杂浓度为3.5E17cm³，厚度为21μm，吸收层中有一部分补偿掺杂受主，浓度为Na＝8E12cm³，所述的阻挡层的杂质掺杂浓度为1E13cm³，厚度为7μm。

作为进一步地改进，本发明步骤1)中离子注入时，注入能量为180KeV,注入剂量为5E15cm²，步骤5)中离子注入时，注入剂量为3E14cm²，注入能量为60KeV，离子注入之后快速退火，退火温度为850℃，时间为30s。

作为进一步地改进，本发明射频磁控溅射镀上电极互连区之后，经过450℃，30min的退火处理，与样品形成欧姆接触，所述的铝的正方形周期圆孔阵列的阵列周期为8μm，圆孔半径为2μm。

本发明的有益效果是：

本发明主要采用离子注入制备掩埋底电极与化学气相外延生长厚膜红外吸收有源层相结合的技术手段成功制备了Si基光电导中远红外阻挡杂质带探测器，该探测器有较宽的光谱响应范围、优良的黑体响应率以及探测率，在5k温度下对波长在5—37μm的光具有较高的灵敏度和响应度。探测器在工作温度5K，工作电压2V时的黑体响应率为4.84A/W，峰值响应率为20.37A/W，量子效率(含增益)为1.01，黑体探测率为1.03E+11cm·Hz^1/2/W，峰值探测率为4.34E+11cm·Hz^1/2/W。同时，表面等离激元理论在探测器上得到了成功地应用，利用光刻与剥离技术在探测器的上电极区域成功制备了金属铝正方形周期圆孔阵列。在入射光的作用下，由于金属铝上电极与硅接触界面发生表面等离激元共振，探测器的光电流响应 峰发生明显的红移，并且在27.68μm处出现光电流响应的增强，实现了探测器的波长选择性能，为多光谱探测器的研制打下了坚实的基础。该探测器完全是硅技术，工艺重复性佳，器件稳定性好，在航天、天文探测等领域具有重要应用前景。

在掩埋底电极和上电极的制备过程中，利用离子注入技术可以对掺杂深度、掺杂剂量形成更有效地控制；使用氧化硅和氮化硅做钝化层和掩埋底电极腐蚀保护层可以有效地降低表面载流子复合，同时在底电极腐蚀过程中对器件形成良好的保护作用；上电极使用金属铝，铝的制备工艺简便成熟，价格便宜易于获得，抗锈蚀能力强，同时与器件的兼容性能好；采用剥离工艺制备金属铝正方形周期圆孔阵列，相比于腐蚀技术，可控性及实际效果更好。

附图说明

图1是制备的波长选择Si基Si:P阻挡杂质带的探测器的部分截面结构示意图；

图2是探测器上表面的平面示意图；

图3是正方形周期圆孔阵列的SEM图；

图4是做上电极离子注入区后的截面图；

图5是生长钝化层之后的样品截面图；

图6是湿法刻蚀V型槽之后的样品截面图；

图7分别是本征硅上铝的正方形周期圆孔阵列的测试和理论模拟得到的透射光谱；

图8分别是未加正方形周期圆孔阵列和做有正方形周期圆孔阵列的探测器的光电流响应谱。

图中，1是高纯硅基底，2是掩埋底电极，3是吸收层，4是阻挡层，5是钝化层，6是上电极互连区，7是上电极，8是上电极离子注入区。

具体实施方式

下面结合说明书附图，通过具体实施例对本发明做进一步的说明。

图1是制备的波长选择Si基Si:P阻挡杂质带的探测器的部分截面结构示意图；图2是探测器上表面的平面示意图；探测器从下至上依次为高纯硅基底1、高纯硅基底1上低电阻率的掩埋底电极2、高掺杂吸收层3、杂质带阻挡层4，在阻挡层4上方沉积的钝化层5，阻挡层4上设有上电极互连区6和正方形周期金属铝圆孔阵列,探测器还包括开至高纯硅基底1的V型槽。

通过以下实施例来具体说明本发明探测器的具体制备步骤：

A.高纯硅基底1的准备和清洗

高纯硅基底1由市场购买，晶向<100>，电阻率>1000Ω·cm，在外延生长之前要进行清洗。先后用四氯化碳超声清洗5分钟2次，丙酮超声清洗5分钟3次，酒精超声清洗5分钟3次，去离子水反复冲洗10遍，氮气吹干。

B.掩埋底电极2的制备

在离子注入之前，先用等离子体增强化学气相沉积SiO₂作为钝化层5，SiO₂的厚度为10nm。为防止离子注入过程中的沟道效应，离子注入的束流方向偏离沟道方向7°，离子注入能量为180KeV，注入剂量为5E15cm²的As离子。为避免注入过程中的自发退火，注入时衬底温度为常温。为了尽量减少杂质在退火过程中的扩散，我们使用RTA方法，退火在氮气氛围中进行，退火温度为850℃，时间为30s。退火后增加气体流量，将多余的热量带走，可以起到快速退火的作用，温度降到200℃时让硅片自然冷却。将退火处理后的样品浸泡在HF溶液中恒温26℃处理30s，腐蚀掉表面的氧化层。

C.外延生长吸收层3、阻挡层4

外延沉积得到的吸收层3厚度为21μm，掺杂浓度为3.5E17cm³。其工艺步骤如下：在630℃的温度下通流量为150slm的氢气5min用于除气，然后升高温度依次至670℃，850℃，1090℃，1095℃，之后在流量为1slm的HCl中刻蚀0.5min，再在1095℃的温度下，用流量为150slm的氢气洗气1min，生长过程中用到的气体及其流量分别为：SiHCl₃，6slm，H₂,205slm，PH₃，550sccm，最后洗气降温。

外延沉积得到的阻挡层4厚度为7μm，掺杂浓度为1E14cm³。其工艺步骤如下：用流量为50slm，转速为40r/min的氢气通3min进行除气，然后升高温度，在流量80slm，转速60r/min的氢气流中升温至851℃需要0.2min，在流量90slm，转速60r/min的氢气流中从851℃升至1140℃需要5min，在这个温度保持0.2min，之后的生长过程中用到的气体及其流量分别为：SiHCl₃，8.5slm，H₂,90slm，60r/min，最后洗气。

D.制作上电极离子注入区8

图4是做上电极离子注入区8后的截面图；步骤过程与掩埋底电极2的相似，见B.不同之处离子注入能量为60KeV,注入剂量为3E14cm²和在离子注入之前需要光刻出离子注入的图形，腐蚀得到方形孔。其光刻步骤如下：布置暗室条件，从冰箱取出光刻胶放入匀胶通风柜中待用。将外延片通过常规的四氯化碳、丙酮、酒精、去离子水清洗后，氮气吹干，在100℃烘烤除水。约10分钟后，取出外延片进行匀胶，条件为匀速2500转/分钟，匀胶时间30秒，光刻胶厚度2.5μm。匀胶后，将外延片放在100摄氏度热板上进行光刻前烘，计时3分钟， 将光刻胶放回冰箱，用酒精清洗匀胶机。同时，接通光刻机和汞灯电源进行预热，并将光刻版安装于光刻机上。光刻条件为曝光时间24秒，曝光强度由光刻机决定。光刻后，进行显影操作，显影液与水的配比为1：1，显影时间50秒。氮气吹干后，放在120摄氏度热板上进行光刻后烘，计时10分钟。此时，将汞灯电源断开，光刻机电源20分钟后断开，目的为了给汞灯降温。20分钟后，关烘烤箱电源。常温下，在氢氟酸中腐蚀掉离子注入区域的氧化层。

E.沉积钝化层5

图5是生长钝化层5之后的样品截面图；利用等离子体增强化学气相沉积方法沉积生长氧化硅300nm。

F.V型槽的套刻

图6是湿法刻蚀V型槽之后的样品截面图；布置暗室条件，从冰箱取出光刻胶放入匀胶通风柜中待用。将外延片通过常规的四氯化碳、丙酮、酒精、去离子水清洗后，氮气吹干，100℃烘烤除水。约5分钟后，取出外延片进行匀胶，条件为匀速2500转/分钟，匀胶时间30秒。匀胶后，将外延片放在100摄氏度热板上进行光刻前烘，计时3分钟，将光刻胶放回冰箱，用酒精清洗匀胶机。同时，接通光刻机和汞灯电源进行预热，并将光刻版安装于光刻机上。此步光刻为套刻，需要光刻版与外延片表面图案相对准、嵌套，方可曝光。光刻条件为曝光时间21秒，曝光强度由光刻机决定。光刻后，进行显影操作，显影液与水的配比为1：1，显影时间60秒。氮气吹干后，放在120摄氏度热板上进行光刻后烘，计时15分钟。此时，将汞灯电源断开，光刻机电源20分钟后断开，目的为了给汞灯降温。20分钟后，关烘烤箱电源。光刻之后用TEMAH溶液对样品进行深刻蚀32um。

G.光刻，曝露出方形孔的上电极离子注入区8

布置暗室条件，从冰箱取出光刻胶放入匀胶通风柜中待用。将经腐蚀处理后的外延片通过常规的四氯化碳、丙酮、酒精、去离子水清洗后，氮气吹干，100℃烘烤除水。约3分钟后，取出外延片进行匀胶，条件为匀速1500转/分钟，匀胶时间30秒。匀胶后，将外延片放在100℃摄氏度热板上进行光刻前烘，计时3分钟，将光刻胶放回冰箱，用酒精清洗匀胶机。同时，接通光刻机和汞灯电源进行预热，并将光刻版安装于光刻机上。此步光刻为套刻，需要光刻版与外延片表面图案相对准、嵌套，方可曝光。光刻条件为曝光时间21秒，曝光强度由光刻机决定。然后放在120℃的热板上烘烤3—5min。之后再进行泛曝光，曝光时间为1.5min。光刻后，进行显影操作，显影液与水的配比为1：1，显影时间35秒。氮气吹干后，放在120摄氏度热板上进行光刻后烘，计时15分钟。此时，将汞灯电源断开，光刻机 电源20分钟后断开。20分钟后，关烘烤箱电源。

H.射频磁控溅射镀上电极互连区6

射频磁控溅射镀铝厚度为0.6μm。

I.腐蚀掉上电极互连区6域之外的铝

将外延片放在80％磷酸+10％硝酸+10％水溶液中，在25摄氏度的水浴条件下反应约30秒钟，腐蚀Al。

J.去除光刻胶

将经上步骤处理后的外延片浸泡于丙酮中，水浴25摄氏度10分钟，取出外延片，浸泡酒精3次各5分钟，再用去离子水冲洗5-10遍，氮气吹干。

K.光刻，湿法腐蚀上电极7区域的氧化硅

布置暗室条件，从冰箱取出光刻胶放入匀胶通风柜中待用。将经腐蚀处理后的外延片通过常规的四氯化碳、丙酮、酒精、去离子水清洗后，氮气吹干，100℃烘烤除水。约3分钟后，取出外延片进行匀胶，条件为匀速2000转/分钟，匀胶时间40秒。匀胶后，将外延片放在100℃摄氏度热板上进行光刻前烘，计时4分钟，将光刻胶放回冰箱，用酒精清洗匀胶机。同时，接通光刻机和汞灯电源进行预热，并将光刻版安装于光刻机上。此步光刻为套刻，需要光刻版与外延片表面图案相对准、嵌套，方可曝光。光刻条件为曝光时间90秒，曝光强度由光刻机决定。光刻后，进行显影操作，显影液与水的配比为1：1，显影时间15分钟。氮气吹干后，放在110摄氏度热板上进行光刻后烘，计时10分钟。此时，将汞灯电源断开，光刻机电源20分钟后断开。20分钟后，关烘烤箱电源。常温下，在氢氟酸中腐蚀掉上电极7区域的氧化硅。

K.在上电极7区域光刻得到正方形周期圆孔阵列的图形

图3是正方形周期圆孔阵列的SEM图，布置暗室条件，从冰箱中取出光刻胶放入匀胶通风柜中待用。将腐蚀后的样品通过常规的四氯化碳、丙酮、酒精、去离子水冲洗后，氮气吹干，100℃烘烤除水。约3分钟之后，取出样品进行匀胶，条件为匀速2000转/分钟，40秒。匀胶之后将片子放在95℃的热板上前烘1.5min，将光刻胶放回冰箱及酒精清洗匀胶机。同时，接通光刻机和汞灯电源进行预热，并将光刻版安装于光刻机上。此步光刻为套刻，需要光刻版与外延片表面图案相对准、嵌套，方可曝光。光刻条件为曝光的时间参数设定为20s，曝光强度由光刻机决定。曝光完成后需要将片子放到100℃的热板上软烘1.5min。之后我们设定的泛曝光参数为45s。光刻后，进行显影操作，我们将其放到RZX-3038显影液原液中显影35s，得到图形。此时，将汞灯电源断开，光刻机电源20分钟后断开。

L.射频磁控溅射蒸镀100nm厚的铝膜

M.剥离得到正方形周期圆孔阵列

将样品放到丙酮溶液中超声震荡1分钟左右即可将表面的光刻胶剥离，最终得到正方形周期圆孔阵列。取出样品，浸泡酒精3次各5分钟，再用去离子水冲洗5-10遍，氮气吹干。K.电极引线制作用金丝球焊机键合金丝与电极，引出探测器引线，完成探测器制作，方可用于测试。

测试结果

通过以上工艺过程，获得了完整的波长选择半导体光电导结构的探测器芯片。

为了测试器件性能，将芯片装入杜瓦瓶，并将相应电极上的金线用铟焊接到杜瓦瓶管脚上，机械泵抽真空2小时。

在杜瓦瓶中灌入液氮，低温条件下进行测试。

图8分别是未加正方形周期圆孔阵列和做有正方形周期圆孔阵列的探测器的光电流响应谱。从图8的探测器光电流响应光谱中可以看到，未加结构的探测器的光电响应峰位于24.65μm处，带有结构的探测器的响应峰位于27.68μm处。这与图7中，图7分别是本征硅上铝的正方形周期圆孔阵列的测试和理论模拟得到的透射光谱，周期为8μm，圆孔半径为2μm的圆孔阵列的共振透射峰位27.47μm是非常接近的。可以看到，正方形周期圆孔阵列的引入实现了金属铝与硅衬底接触面的表面等离激元共振，极好地调谐了探测器的光电流响应光谱，实现了波长选择性能，为多光谱红外探测器的制备奠定了良好的基础。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明核心技术特征的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。