一种红外探测器材料的像元台面及其制备方法与流程

本发明涉及一种红外探测器材料的像元台面及其制备方法，特别是关于pbn型和nbn型inassb红外探测器材料的像元台面及其制备方法，属于光电子材料与器件
技术领域：
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背景技术：
：pbn和nbn势垒型红外焦平面探测器像元台面普遍采用深台面或浅台面结构。深刻蚀工艺制备的器件，通过顶电极接触层刻蚀并在底电极接触层停止，消除了横向扩散，但沿器件台面侧壁引入了表面漏电流，增加了暗电流，深刻蚀结构的器件失效率也很高。浅刻蚀工艺制备的器件，通过顶部接触层刻蚀并在势垒处停止，表面漏电不明显，但显示出较大的横向扩散电流，在小像元器件中还会导致探测器阵列中的像素间串扰。技术实现要素：为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种红外探测器材料的像元台面及其制备方法，所述像元台面不仅能使势垒层起到器件自钝化作用有效抑制器件的暗电流，而且能实现小像元设计，减小损伤，提高器件的量子效率。为实现本发明的目的，提供以下技术方案。一种红外探测器材料的像元台面，所述红外探测器材料为pbn和nbn型inassb红外探测器材料；所述红外探测器材料的结构从上向下依次为顶电极接触层、势垒层、吸收层、底电极接触层、缓冲层以及衬底。所述顶电极接触层的材料为掺杂铍(be)的p型锑化镓(gasb)材料或掺杂硅(si)的n型inas0.91sb0.09材料；be的掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1018cm-3，si的掺杂浓度为1×1018cm-3；所述顶电极接触层的厚度为300nm。所述势垒层的材料为掺杂be的p型alas0.08sb0.92单晶，be的掺杂浓度为5×1015cm-3～1×1016cm-3，所述势垒层材料的禁带宽度大于吸收层的禁带宽度，且晶格与吸收层材料晶格匹配；所述势垒层的厚度为100nm～200nm。所述吸收层的材料为非故意掺杂inas0.91sb0.09材料；所述吸收层的厚度为2000nm～3000nm。所述底电极接触层材料n型inas0.91sb0.09单晶且掺杂si；si的掺杂浓度为1017cm-3～1018cm-3；所述底电极接触层的厚度为200nm～500nm。所述缓冲层材料为与吸收层材料晶格匹配的n型gasb单晶；所述缓冲层的厚度为50nm～200nm。所述衬底材料为掺杂碲(te)的n型gasb单晶，te的掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3。所述红外探测器材料上制备有尺寸为15μm×15μm～30μm×30μm的像元台面，所述像元台面高度为320nm～380nm，由顶电极接触层和势垒层上部构成。一种本发明所述的红外探测器材料的像元台面的制备方法，所述方法步骤如下：(1)在衬底上生长缓冲层；在缓冲层上生长底电极接触层；在底电极接触层上生长吸收层；在吸收层上生长势垒层，在势垒层上生长顶电极接触层，制备得到一种红外探测器材料；(2)对所述红外探测器材料进行像元台面光刻，制备出像元台面图形；分别采用干法刻蚀和湿法腐蚀刻蚀掉红外探测器材料周边侧面的顶电极接触层和势垒层上部，保留红外探测器材料中间的顶电极接触层和势垒层上部，制成像元台面；所述分别采用干法刻蚀和湿法腐蚀的方法为本领域的常规技术手段。优选所述干法刻蚀采用牛津rie-icp设备，刻蚀气体为甲烷(ch4)、氢气(h2)和氯气(cl2)。优选所述湿法腐蚀的腐蚀液为磷酸、双氧水、柠檬酸和去离子水的混合溶液。有益效果本发明提供了一种红外探测器材料的像元台面及其制备方法，主要是依据高工作温度红外探测器势垒层的自钝化作用，能够有效抑制器件非吸收区的产生-复合电流，避免了吸收区暴露于表面，从而降低器件的暗电流；所述像元台面不仅能有效抑制器件的暗电流，而且能实现小像元设计，减小损伤，提高器件的量子效率。附图说明图1为实施例中pbn型inassb红外探测器材料的结构示意图。图2为实施例中制得的红外探测器及像元台面的结构示意图。图3为实施例中制得的红外探测器材料的像元台面的激光共聚焦显微镜图。其中，1—顶电极接触层，2—势垒层，3—吸收层，4—底电极接触层，5—缓冲层，6—衬底，7—电极，8—钝化层具体实施方式下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。实施例1一种pbn型inassb红外探测器材料，所述红外探测器材料的结构如图1所示，从上向下依次为顶电极接触层1、势垒层2、吸收层3、底电极接触层4、缓冲层5以及衬底6。所述顶电极接触层1的材料为掺杂be的p型的gasb单晶；be的掺杂浓度为1×1018cm-3；所述顶电极接触层1的厚度为300nm。所述势垒层2的材料为掺杂be的p型alas0.08sb0.92单晶，be的掺杂浓度为1×1016cm-3，所述势垒层2材料的禁带宽度大于吸收层3的禁带宽度，且晶格与吸收层3材料晶格匹配；所述势垒层2的厚度为120nm。所述吸收层3的材料为非故意掺杂型inas0.91sb0.09材料；所述吸收层3的厚度为2500nm。所述底电极接触层4材料为掺杂si的n型inas0.91sb0.09单晶；si的掺杂浓度为1×1018cm-3；所述底电极接触层4的厚度为500nm。所述缓冲层5材料为非故意掺杂gasb单晶；所述缓冲层5的厚度为86nm。所述衬底6材料为掺杂te的n型gasb单晶，te的掺杂浓度为1×1017cm-3；所述衬底6的厚度为500μm。所述pbn型inassb红外探测器材料及像元台面的制备方法如下：(1)在gasb(晶向100)衬底6上生长gasb缓冲层5；在gasb缓冲层5上生长n型inas0.91sb0.09材料作为底电极接触层4；在底电极接触层4上生长非故意掺杂inas0.91sb0.09吸收层3；在吸收层3上生长p型alas0.08sb0.92材料，作为势垒层2；在势垒层2上生长p型gasb材料，作为顶电极接触层1，制备得到pbn型inassb探测器材料；(2)制作专用掩膜版在所述红外探测器材料上采用德国karlsussma6光刻机，az6130光刻胶制备像元台面图形，掩膜版上图形为15μm×15μm的台面，台面间距为15μm，为了有效去除光刻胶底膜，显影后采用氧等离子体清洗；采用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法，将带有像元台面图形的pbn异质结inassb材料制作成浅台面焦平面阵列；干法刻蚀技术使用牛津反应离子束-电感耦合等离子体(rie-icp)刻蚀系统的氯基干法刻蚀，刻蚀气体为甲烷(ch4)、氢气(h2)和氯气(cl2)，ch4、h2与cl2的流量比为12:20:8。为去除干法刻蚀后的损伤(消除像素侧壁上的离子损伤和悬挂键合)和氧化层，采用湿法腐蚀，为了尽可能不增加台面的深度和防止产生较大的钻蚀效应，采用磷酸系腐蚀液，并根据腐蚀速率、材料表面的形貌，对其配比进行了优化。磷酸系腐蚀液由磷酸(h3po4)、柠檬酸(c6h8o7)、双氧水(h2o2)和水组成，双氧水为氧化剂，磷酸和柠檬酸为络合剂，合理搭配各种溶液的配比，而且在腐蚀过程中保持匀速搅拌和恒温，使腐蚀液迅速流动带走生成物，不停留在材料表面和侧壁和获得稳定的腐蚀速率，所述腐蚀液的配比为：c6h8o7:h2o2:h3po4:h2o＝5g:2ml:1ml:20ml，腐蚀速率约为100nm/min；采用所述腐蚀液，底电极刻蚀至n -inassb底电极接触层4时结束，台面刻蚀完后采用olympus激光共聚焦显微镜测试了焦平面阵列像元台面形貌，如图3所示，像元台面高度为320nm，由顶电极接触层1和势垒层2上部构成。实施例2一种pbn型inassb红外探测器材料，所述红外探测器材料的结构如图1所示从上向下依次为顶电极接触层1、势垒层2、吸收层3、底电极接触层4、缓冲层5以及衬底6。所述顶电极接触层1的材料为掺杂be的p型的gasb单晶；be的掺杂浓度为1×1018cm-3；所述顶电极接触层1的厚度为300nm。所述势垒层2的材料为掺杂be的p型alas0.08sb0.92单晶，be的掺杂浓度为1×1016cm-3，所述势垒层2材料的禁带宽度大于吸收层3的禁带宽度，且晶格与吸收层3材料晶格匹配；所述势垒层2的厚度为120nm。所述吸收层3的材料为非故意掺杂inas0.91sb0.09材料；所述吸收层3的厚度为2500nm。所述底电极接触层4材料为掺杂si的n型inas0.91sb0.09单晶；si的掺杂浓度为1×1018cm-3；所述底电极接触层4的厚度为500nm。所述缓冲层5材料为非故意掺杂gasb单晶；所述缓冲层5的厚度为86nm。所述衬底6材料为掺杂te的n型gasb单晶，te的掺杂浓度为1×1017cm-3；所述衬底6的厚度为500μm。所述pbn型inassb红外探测器材料及像元台面的制备方法如下：(1)在gasb(晶向100)衬底6上生长gasb缓冲层5；在gasb缓冲层5上生长n型inas0.91sb0.09材料作为底电极接触层4；在底电极接触层4上生长非故意掺杂inas0.91sb0.09吸收层3；在吸收层3上生长p型alas0.08sb0.92材料，作为势垒层2；在势垒层2上生长p型gasb材料，作为顶电极接触层1，制备得到pbn型inassb探测器材料；(2)制作专用掩膜版在所述红外探测器材料上采用德国karlsussma6光刻机，az6130光刻胶制备像元台面图形，掩膜版上图形为30μm×30μm的台面，台面间距为30μm，为了有效去除光刻胶底膜，显影后采用氧等离子体清洗；采用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法，将带有像元台面图形的pbn异质结inassb材料制作成浅台面焦平面阵列；干法刻蚀技术使用牛津反应离子束-电感耦合等离子体(rie-icp)刻蚀系统的氯基干法刻蚀，刻蚀气体为甲烷(ch4)、氢气(h2)和氯气(cl2)，ch4、h2与cl2的流量之比为12:20:8。为去除干法刻蚀后的损伤(消除像素侧壁上的离子损伤和悬挂键合)和氧化层，进一步采用湿法腐蚀，为了尽可能不增加台面的深度和防止产生较大的钻蚀效应，采用磷酸系腐蚀液，并根据腐蚀速率、材料表面的形貌，对其配比进行了优化。磷酸系腐蚀液由磷酸(h3po4)、柠檬酸(c6h8o7)、双氧水(h2o2)和水组成，双氧水为氧化剂，磷酸和柠檬酸为络合剂，合理搭配各种溶液的配比，而且在腐蚀过程中保持匀速搅拌和恒温，使腐蚀液迅速流动带走生成物，不停留在材料表面和侧壁和获得稳定的腐蚀速率，所述腐蚀液的配比为：c6h8o7:h2o2:h3po4:h2o＝5g:2ml:1ml:20ml，腐蚀速率约为100nm/min；采用所述腐蚀液，底电极刻蚀至n -inassb底电极接触层4时结束，台面刻蚀完后采用olympus激光共聚焦显微镜测试了焦平面阵列像元台面形貌，如图3所示，像元台面高度为380nm，由顶电极接触层1和势垒层2上部构成，所述台面的底部位于势垒层2中。实施例3以实施例1制得的具有像元台面的pbn型inassb红外探测器材料制备红外探测器a，以实施例2的制得具有像元台面的的pbn型inassb红外探测器材料制备红外探测器b，所述红外探测器的制备方法如下：通过干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法，制得具有像元台面的pbn型inassb红外探测器材料；再采用电感耦合增强化学气相沉积(icpcvd)系统在120℃温度下依次沉积100nm厚的sio2和300nm厚的si3n4复合膜对样品进行钝化处理，形成钝化层8，其中，制备sio2采用sih4、o2和ar，气体流量分别为6.0sccm、7.5sccm和156sccm，制备si3n4采用sih4、nh3和ar，气体流量分别为6.0sccm、8sccm和278sccm，对样品表面进行物理保护和电绝缘；采用反应离子刻蚀系统(rie)刻蚀金属电极窗口，然后通过电子束蒸发蒸镀厚度为50nm的cr和厚度为250nm的au，经过剥离、超声清洗后完成电极7的制备，形成欧姆接触，制备得到红外探测器，结构如图2所示，包括由下到上依次设置的衬底6、缓冲层5、底电极接触层4，吸收层3、势垒层2、顶电极接触层1，刻蚀得到的台阶的表面是sio2和si3n4复合膜钝化层8，钝化层8上位于顶电极接触层1、底电极接触层4的对应位置分别设有金属电极7。对红外探测器a和b，采用keysight的b1500a半导体分析仪进行i-v测试，结果如表1所示。表1实施例制作的红外探测器性能检测结果。红外探测器暗电流密度(a/cm2)测试温度/ka1.07×10-5150b2.93×10-5150由表1的结果可知，本实施例制作的红外探测器暗电流较小，对提升器件性能具有重要的意义。当前第1页12