專利名稱：用分子束外延方法制作光電探測(cè)單元或焦平面器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬光電探測(cè)單元或焦平面器件的制備領(lǐng)域，特別是涉及一種采用分子束外 延方法制作鈹擴(kuò)散源形成平面/準(zhǔn)平面光電探測(cè)單元或焦平面器件的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體光電探測(cè)器一般屬于量子型的探測(cè)器，其發(fā)明已有百余年歷史，可以采用 各種半導(dǎo)體材料，在眾多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。半導(dǎo)體光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)已由簡(jiǎn)單的體材料 發(fā)展到復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)、量子阱、超晶格等微結(jié)構(gòu)材料，涉及的波長(zhǎng)范圍由早期在可見-近紅 外的狹窄波段拓展到整個(gè)紫外、可見、近紅外、中紅外乃至遠(yuǎn)紅外波段，材料體系也包含VI、 III-V、II-VI、IV-VI及有機(jī)化合物等等，也有光導(dǎo)、光伏等多種類型，不一而足，最常見的是 基于pn結(jié)的光伏型光電探測(cè)器。目前典型的采用III-V族化合物材料的pn結(jié)型光電探測(cè) 器一般是在hP、GaAs, GaSb, InAs等襯底上用外延方法上制作，其基本結(jié)構(gòu)包括一個(gè)低摻 雜(或非故意摻雜)的光吸收層和一個(gè)帽層，在帽層中采用外延原位摻雜、外延后擴(kuò)散摻雜 或離子注入等方法形成Pn結(jié)。一般帽層希望采用禁帶較寬的材料以利于透光和提高器件 性能。在帽層如采用外延原位摻雜，那么在后續(xù)工藝中常需采用刻蝕等方法制作臺(tái)面圖 形以限制pn結(jié)的面積，而采用外延后擴(kuò)散摻雜或離子注入等方法則用制作掩模的方法進(jìn) 行選擇摻雜來限制Pn結(jié)的面積。外延原位摻雜成結(jié)由于pn結(jié)是在材料生長(zhǎng)過程中自然 連續(xù)完成的，一般成結(jié)質(zhì)量較好且較方便，也容易形成突變結(jié)，但由于其后要采用臺(tái)面刻蝕 工藝，由于其側(cè)壁的影響會(huì)給鈍化帶來一定困難，在鈍化效果欠佳時(shí)會(huì)影響到器件性能，臺(tái) 面結(jié)構(gòu)由于其非平面性也會(huì)給要求器件平面化的一些應(yīng)用帶來限制，有時(shí)需要采用特殊的 平面化措施；外延后擴(kuò)散或離子注入摻雜成結(jié)其pn結(jié)側(cè)壁一般是包圍在寬禁帶的帽層材 料中，一般鈍化效果較好有利于提高器件性能，且易于制作平面化的器件，但也帶來后續(xù)工 藝較復(fù)雜的問題。對(duì)于擴(kuò)散工藝，其Pn結(jié)圖形不易精確界定，對(duì)于III-V族的擴(kuò)散工藝還 存在對(duì)于較大尺寸的材料擴(kuò)散不易均勻的問題，這對(duì)于尺度較大的焦平面陣列器件等影響 尤為顯著；對(duì)于離子注入，注入后的高溫退火給后續(xù)工藝帶來困難，且注入損傷難以完全消 除，這對(duì)于要求很高的光電探測(cè)器件也是十分不利的。因此人們希望能結(jié)合這些摻雜成結(jié) 工藝的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展出更合適的成結(jié)工藝，且與原有工藝相比又不增加復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種采用分子束外延方法制作鈹擴(kuò)散源形成 平面/準(zhǔn)平面光電探測(cè)單元或焦平面器件的方法，該方法具有普適性，制備方法簡(jiǎn)單，避免 了常規(guī)擴(kuò)散成結(jié)工藝中加工大尺寸材料時(shí)均勻性難以保證的困難；摻雜成結(jié)工藝結(jié)合了光 電探測(cè)器件制作中臺(tái)面型原位摻雜成結(jié)工藝成結(jié)方便和平面型擴(kuò)散成結(jié)工藝鈍化效果好 的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化器件工藝和提高器件的性能。本發(fā)明的一種采用分子束外延方法制作鈹擴(kuò)散源形成平面/準(zhǔn)平面光電探測(cè)單元或焦平面器件的方法，包括(1)應(yīng)用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)，在半絕緣或高摻雜導(dǎo)電襯底上生長(zhǎng)緩沖層、光吸收 層和寬禁帶帽層的常規(guī)適合平面擴(kuò)散工藝的光電探測(cè)器件外延結(jié)構(gòu)，然后連續(xù)生長(zhǎng)一層鈹 高摻雜或S摻雜的異質(zhì)窄禁帶薄層作為擴(kuò)散源層；(2)在完成步驟(1)后用常規(guī)圖形加工工藝按要求刻蝕擴(kuò)散源層形成局部摻雜 源圖形，進(jìn)而在鈍化介質(zhì)膜的保護(hù)下應(yīng)用擴(kuò)散技術(shù)形成平面/準(zhǔn)平面pn結(jié)，擴(kuò)散溫度為 450-6000C ；然后制作電極構(gòu)成光電探測(cè)單元或焦平面器件。所述步驟(1)中的襯底選用具有選擇腐蝕特性的異質(zhì)材料構(gòu)成，如InP/InGaAs、 InAlAs/InGaAs、GaSb/InAs、AlGaAs/GaAs、InGaP/GaAs、Al InP/GaAs 等等，也不僅限于晶格 匹配體系，這樣在后續(xù)工藝中可以很方便地利用其選擇腐蝕特性定義局部摻雜區(qū)，同時(shí)擴(kuò) 散源層厚度很薄，這樣在后續(xù)加工中無論是否去除都可以保持較好的平面化特性。所述步驟(1)中的緩沖層為InP或InAlAs材料，厚度為0. 2-2微米。所述步驟(1)中的光吸收層為非故意摻雜或低摻雜η型，厚度在1-3微米。所述步驟(1)中的寬禁帶帽層為非故意摻雜或低摻雜η型，材料為InP或InAlAs， 厚度在0. 5-1微米。所述步驟(1)連續(xù)生長(zhǎng)一層鈹高摻雜的MGaAs薄層作為擴(kuò)散源層，厚度為50-500 納米，摻雜濃度在l-5E19cnT3。所述步驟O)中的鈍化介質(zhì)膜為厚度100-300nm的Si3N4。這種方法可以適合不同種類的III-V族化合物材料體系光電探測(cè)器件的制作，也 可適合其他類型的Pn結(jié)器件制作及拓展到其他材料體系。本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于1)鈹?shù)脑影霃叫?，摻雜效率高，在III-V族材料 中是很合適的P型摻雜劑且具有適中的熱擴(kuò)散系數(shù)，方便進(jìn)行固態(tài)有限源熱擴(kuò)散；幻鈹在 III-V族材料的分子束外延中也是一種最常用的P型摻雜源，可方便地在與所生長(zhǎng)的器件 外延材料兼容的薄層外延基質(zhì)材料中進(jìn)行鈹重?fù)诫s從而做為固態(tài)擴(kuò)散源層，無需額外引入 其他生長(zhǎng)源和摻雜源；3)寬禁帶帽層和薄擴(kuò)散源層可選用具有選擇腐蝕特性的異質(zhì)材料 構(gòu)成，如 hP/lnGaAs、InAlAs/InGaAs, GaSb/InAs, AlGaAs/GaAs、InGaP/GaAs、Al InP/GaAs 等等，也不僅限于晶格匹配體系，這樣在后續(xù)工藝中可以很方便地利用其選擇腐蝕特性定 義局部摻雜區(qū)，同時(shí)擴(kuò)散源層厚度很薄，這樣在后續(xù)加工中無論是否去除都可以保持較好 的平面化特性；4)由于擴(kuò)散源層是窄禁帶高摻雜層，這樣在后續(xù)工藝中可保留其作為歐姆 接觸層，方便采用非合金化工藝制作電極。有益效果(1)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果此種摻雜成結(jié)工藝結(jié) 合了光電探測(cè)器件制作中臺(tái)面型原位摻雜成結(jié)工藝成結(jié)方便和平面型擴(kuò)散成結(jié)工藝鈍化 效果好的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化器件工藝和提高器件的性能；此外這種方法即可以適合不同種類的 III-V族化合物材料體系光電探測(cè)器件的制作，也可適合其他類型的pn結(jié)器件制作及拓展 到其他材料體系，可以用相當(dāng)靈活的方式實(shí)現(xiàn)；(2)本發(fā)明中的分子束外延生長(zhǎng)的擴(kuò)散源層其厚度一般限制在百納米量級(jí)，因此 無論在后續(xù)工藝中這一層是否去除整個(gè)器件結(jié)構(gòu)都可保持平面或準(zhǔn)平面的特點(diǎn)，且由于此 擴(kuò)散源層是采用外延方法生長(zhǎng)的，其擴(kuò)散源在外延過程中同時(shí)形成并具有很好的一致性，均勻性只受到外延方法本身的限制，而不像常規(guī)擴(kuò)散工藝那樣受到擴(kuò)散源濃度分布的影 響，避免了常規(guī)擴(kuò)散成結(jié)工藝中加工大尺寸材料時(shí)均勻性難以保證的困難，因此適合于大 尺寸的襯底材料，可在在大規(guī)模線列或面陣焦平面器件的制作發(fā)揮作用。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施流程示意圖，具體包括A)分子束外延連續(xù)生長(zhǎng)適合平面擴(kuò) 散工藝的光電探測(cè)器件外延結(jié)構(gòu)及鈹高摻雜或δ摻雜的異質(zhì)窄禁帶薄層擴(kuò)散源層；B)選 擇刻蝕薄層擴(kuò)散源層形成局部摻雜圖形；C)淀積可具有保護(hù)、鈍化和增透等功能的介質(zhì) 層；D)在合適溫度下利用薄擴(kuò)散源層進(jìn)行固態(tài)有限源熱擴(kuò)散形成光電探測(cè)器的ρη結(jié)區(qū)；Ε) 開出P型電極窗口 ；F)制作ρ型電極形成單元或陣列焦平面光電探測(cè)器件；其中1-襯底， 2-緩沖層，3-光吸收層，4-寬禁帶帽層，5-局部摻雜源，6-鈍化介質(zhì)膜，7-ρη結(jié)，8ρ型電極。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。實(shí)施例1下面以在InP襯底上制作晶格匹配的InGaAs光電探測(cè)器件為例來具體說明本發(fā) 明的實(shí)施方案(1)首先應(yīng)用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)在InP襯底(附圖中1)上生長(zhǎng)包括緩沖層(附 圖中2)、InGaAS光吸收層(附圖中3)和寬禁帶帽層(附圖中4)的適合平面擴(kuò)散工藝的光 電探測(cè)器件外延結(jié)構(gòu)。InP襯底可根據(jù)器件具體要求(如正面或背面進(jìn)光、封裝及應(yīng)用要 求等)采用半絕緣或N型高摻雜導(dǎo)電類型；緩沖層可選用InP或InAlAs等寬禁帶(相對(duì)吸 收層而言)材料，厚度為500納米，摻雜及其濃度也可根據(jù)器件的最終要求確定；InGaAs光 吸收層為非故意摻雜或低摻雜η型，厚度在1-3微米；寬禁帶帽層也為非故意摻雜或低摻雜 η型，材料可為InP或InAlAs等，厚度在0. 5-1微米。在此之后連續(xù)生長(zhǎng)一層鈹高摻雜的 InGaAs薄層(附圖中5)作為擴(kuò)散源層，厚度為200納米，為保證其作為鈹擴(kuò)散固態(tài)源的效 果，其摻雜濃度控制在2E19cm_3，也可在生長(zhǎng)過程中再引入合適的鈹δ摻雜層以增加其中 的鈹總含量。(2)在完成外延生長(zhǎng)后用常規(guī)圖形加工工藝按要求用選擇刻蝕的方法刻蝕擴(kuò)散源 層形成局部摻雜源圖形(附圖中5)，由于帽層和擴(kuò)散源層為可選擇腐蝕的材料，因此定義 圖形后可即結(jié)合此擴(kuò)散源層做為掩模進(jìn)行輕漂以去除帽層上可能存在的ρ型薄層，確保器 件結(jié)構(gòu)質(zhì)量。(3)用PECVD方法大面積淀積Si3N4作為保護(hù)鈍化介質(zhì)膜(附圖中6)，其厚度在 100-300nm,也可根據(jù)增透波長(zhǎng)的要求設(shè)定。(4)在其保護(hù)下應(yīng)用熱擴(kuò)散技術(shù)形成ρη結(jié)(附圖中7)。由于有Si3N4作為保護(hù)膜， 熱擴(kuò)散可以在常規(guī)保護(hù)氣氛下進(jìn)行而無需特殊保護(hù)氣氛，擴(kuò)散溫度可在450-600°C之間，擴(kuò) 散時(shí)間和溫度參數(shù)與寬禁帶帽層和鈹擴(kuò)散源層的具體參數(shù)相關(guān)，需要進(jìn)行預(yù)先試驗(yàn)以使Pn結(jié)前沿到達(dá)或稍深入寬禁帶帽層和^GaAs光吸收層的界面，并獲得合適的摻雜剖面。(5)用常規(guī)光刻和刻蝕方法開出P型電極窗口。(6)制作ρ型電極(附圖中8)構(gòu)成光電探測(cè)單元或焦平面器件結(jié)構(gòu)。需要進(jìn)一步說明的是，本實(shí)施例采用晶格匹配的材料體系，由前述實(shí)施方案可見， 此方法也可很方便地應(yīng)用于波長(zhǎng)延伸的InGaAs光探測(cè)器件，只要緩沖層采用合適的組分 漸變層，增加InGaAs光吸收層中的In組分，寬禁帶帽層采用與吸收層匹配的InAlAs或 InAsP即可，這時(shí)擴(kuò)散源層仍可采用與光吸收層同組分的InGaAs，后續(xù)工藝可以相同。除此 之外，此種方案不僅適合正面進(jìn)光的單元或陣列器件，也適合于采用倒扣封裝的背面進(jìn)光 單元或陣列器件，只要后續(xù)工藝稍加變化即可，實(shí)現(xiàn)方式相當(dāng)靈活。實(shí)施例2下面以在GaAs襯底上制作GaAs光電探測(cè)器件為例來具體說明本發(fā)明的實(shí)施方 案(1)首先應(yīng)用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)在GaAs襯底(附圖中1)上生長(zhǎng)包括緩沖層(附 圖中2)、GaAs光吸收層(附圖中3)和寬禁帶AWaAs帽層(附圖中4)的適合平面擴(kuò)散工 藝的光電探測(cè)器件外延結(jié)構(gòu)。GaAs襯底可根據(jù)器件具體要求(如正面或背面進(jìn)光、封裝及 應(yīng)用要求等)采用半絕緣或N型高摻雜導(dǎo)電類型；緩沖層可用GaAs材料，厚度為500納米， 摻雜及其濃度也可根據(jù)器件的最終要求確定；GaAs光吸收層為非故意摻雜或低摻雜η型， 厚度在1-3微米；寬禁帶AlGaAs帽層也為非故意摻雜或低摻雜η型，厚度在0. 5-1微米。 在此之后連續(xù)生長(zhǎng)一層鈹高摻雜的GaAs薄層(附圖中幻作為擴(kuò)散源層，厚度為200納米， 為保證其作為鈹擴(kuò)散固態(tài)源的效果，其摻雜濃度控制在2E19cm_3，也可在生長(zhǎng)過程中再引入 合適的鈹S摻雜層以增加其中的鈹總含量。(2)在完成外延生長(zhǎng)后用常規(guī)圖形加工工藝按要求用選擇刻蝕的方法刻蝕擴(kuò)散源 層形成局部摻雜源圖形(附圖中幻，由于帽層和擴(kuò)散源層為可選擇腐蝕的材料，因此定義 圖形后可即結(jié)合此擴(kuò)散源層做為掩模進(jìn)行輕漂以去除帽層上可能存在的P型薄層，確保器 件結(jié)構(gòu)質(zhì)量。(3)用PECVD方法大面積淀積Si3N4作為保護(hù)鈍化介質(zhì)膜(附圖中6)，其厚度在 100-300nm,也可根據(jù)增透波長(zhǎng)的要求設(shè)定。(4)在其保護(hù)下應(yīng)用熱擴(kuò)散技術(shù)形成pn結(jié)(附圖中7)。由于有Si3N4作為保護(hù)膜， 熱擴(kuò)散可以在常規(guī)保護(hù)氣氛下進(jìn)行而無需特殊保護(hù)氣氛，擴(kuò)散溫度可在500-650°C之間，擴(kuò) 散時(shí)間和溫度參數(shù)與寬禁帶帽層和鈹擴(kuò)散源層的具體參數(shù)相關(guān)，需要進(jìn)行預(yù)先試驗(yàn)以使Pn 結(jié)前沿到達(dá)或稍深入寬禁帶AlGaAs帽層和GaAs光吸收層的界面，并獲得合適的摻雜剖面。(5)用常規(guī)光刻和刻蝕方法開出P型電極窗口。(6)制作ρ型電極(附圖中8)構(gòu)成光電探測(cè)單元或焦平面器件結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種采用分子束外延方法制作鈹擴(kuò)散源形成平面/準(zhǔn)平面光電探測(cè)單元或焦平面 器件的方法，包括(1)應(yīng)用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)，在半絕緣或高摻雜導(dǎo)電襯底上生長(zhǎng)緩沖層、光吸收層和 寬禁帶帽層的常規(guī)適合平面擴(kuò)散工藝的光電探測(cè)器件外延結(jié)構(gòu)，然后連續(xù)生長(zhǎng)一層鈹高摻 雜或S摻雜的異質(zhì)窄禁帶薄層作為擴(kuò)散源層；(2)在完成步驟(1)后用常規(guī)圖形加工工藝按要求刻蝕擴(kuò)散源層形成局部摻雜源圖 形，在鈍化介質(zhì)膜的保護(hù)下應(yīng)用擴(kuò)散技術(shù)形成平面/準(zhǔn)平面pn結(jié)，擴(kuò)散溫度為450-600°C ； 然后制作電極構(gòu)成光電探測(cè)單元或焦平面器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分子束外延方法制作鈹擴(kuò)散源形成平面/準(zhǔn)平面 光電探測(cè)單元或焦平面器件的方法，其特征在于所述步驟(1)中的襯底為InP/InGaAs、 InAlAs/InGaAs, GaSb/InAs, AlGaAs/GaAs, InGaP/GaAs 或 AlInP/GaAs。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分子束外延方法制作鈹擴(kuò)散源形成平面/準(zhǔn)平面光 電探測(cè)單元或焦平面器件的方法，其特征在于所述步驟(1)中的緩沖層為InP或InAlAs 材料 厚度為0. 2-2微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分子束外延方法制作鈹擴(kuò)散源形成平面/準(zhǔn)平面光 電探測(cè)單元或焦平面器件的方法，其特征在于所述步驟(1)中的光吸收層為非故意摻雜 或低摻雜η型，厚度在1-3微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分子束外延方法制作鈹擴(kuò)散源形成平面/準(zhǔn)平面光 電探測(cè)單元或焦平面器件的方法，其特征在于所述步驟(1)中的寬禁帶帽層為非故意摻 雜或低摻雜η型，材料為InP或InAlAs，厚度在0. 5-1微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分子束外延方法制作鈹擴(kuò)散源形成平面/準(zhǔn)平面 光電探測(cè)單元或焦平面器件的方法，其特征在于所述步驟(1)連續(xù)生長(zhǎng)一層鈹高摻雜的 InGaAs薄層作為擴(kuò)散源層，厚度為50-500納米，摻雜濃度在l-5E19cm_3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用分子束外延方法制作鈹擴(kuò)散源形成平面/準(zhǔn)平 面光電探測(cè)單元或焦平面器件的方法，其特征在于所述步驟O)中的鈍化介質(zhì)膜為厚度 100-300nm 的 Si3N4。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用分子束外延方法制作光電探測(cè)單元或焦平面器件的方法，包括(1)應(yīng)用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)，在導(dǎo)電襯底上生長(zhǎng)緩沖層、光吸收層和寬禁帶帽層的外延結(jié)構(gòu)，然后連續(xù)生長(zhǎng)一層鈹高摻雜或δ摻雜的異質(zhì)窄禁帶薄層作為擴(kuò)散源層；(2)用常規(guī)圖形加工工藝刻蝕擴(kuò)散源層形成局部摻雜源圖形，在鈍化介質(zhì)膜的保護(hù)下應(yīng)用擴(kuò)散技術(shù)形成pn結(jié)，擴(kuò)散溫度為450-600℃；然后制作電極構(gòu)成光電探測(cè)單元或焦平面器件。本發(fā)明的方法具有普適性，簡(jiǎn)單，摻雜成結(jié)工藝結(jié)合了光電探測(cè)器件制作中臺(tái)面型原位摻雜成結(jié)工藝成結(jié)方便和平面型擴(kuò)散成結(jié)工藝鈍化效果好的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化器件工藝和提高器件的性能。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102130208SQ201010608360
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
發(fā)明者張永剛, 顧溢 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所