[發(fā)明專利]非制冷光子型硅基紅外探測器芯片及其制備方法和應用

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• 申請日: 2014-09-09
• 公開（公告）號: CN104282792A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發(fā)明（設計）人: 趙利;莊軍;李寧;董曉;朱震;邵和助
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/0288;H01L31/18
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發(fā)明屬于紅外探測器技術領域，具體涉及一種非制冷的光子型硅基紅外探測器芯片及其制備方法和應用。

背景技術

穿過大氣層的太陽光因受到大氣層對太陽輻射的吸收和散射作用，選擇性的使紅外波段中3-5微米與8-14微米的波段明顯穿過大氣層，形成“大氣窗口”。在軍事應用方面，軍事目標通常遠離軍事設備，到達軍事設備的光場需經(jīng)由大氣傳輸。顯然，3-5微米和8-14微米的波段更容易穿過大氣到達軍事設備，所以，紅外技術對軍事領域顯得尤為重要，例如紅外技術對紅外成像中的精確制導；對武器平臺的駕駛與導航；對監(jiān)視、告警、預警與跟蹤遠、中和近程軍事目標；對光電對抗等方面；對探測隱身武器系統(tǒng)等等。

紅外技術作為紅外探測器技術的核心，引領并制約紅外探測器技術的發(fā)展。1800年英國天文學家威廉·赫胥爾首先發(fā)現(xiàn)了紅外線，標志著紅外探測器開始發(fā)展，例如熱電偶、熱電堆、測熱輻射計等熱電、熱探測器的相繼出現(xiàn)。第一支硫化鉈光電導型紅外探測器由美國人于1917年研制獲得，硫化鉛光電導型紅外探測器由德國人于19世紀30年代末研制獲得。紅外探測器在二次世界大戰(zhàn)中得到快速的發(fā)展，并在其后因半導體技術的發(fā)展使之得到進一步推動。早期研制的紅外探測器因探測波長單一、工作溫度低等問題使其應用受限。英國Lawson于1959年發(fā)明碲鎘汞紅外探測器，此后，紅外探測器的發(fā)展便呈現(xiàn)出一發(fā)不可收拾的局面。碲鎘汞紅外探測器在紅外探測器發(fā)展歷程中占有重要的地位[2]。

但是，碲鎘汞探測器也有其不可克服的缺點。首先，碲鎘汞為三元半導體，主要通過離子鍵將碲和鎘、碲和汞結合，各元素間相互作用力小。因此該材料的固有問題是：元素汞在材料內(nèi)顯得不穩(wěn)定，容易從中逸出而形成材料的不穩(wěn)定以及材料的缺陷，導致器件性能下降，該問題在長波應用尤為突出。其次，對于碲鎘汞長波探測器，器件性能的下降主要來自于其窄禁帶寬度帶來的大帶間隧穿電流和暗電流。所以為保證器件的性能，必須嚴格控制材料的生長質(zhì)量和器件制作工藝，從而導致成品率降低，器件成本提高。另外，碲鎘汞薄膜材料生長的外延襯底問題是碲鎘汞紅外探測器的另一個主要問題，碲鋅鎘襯底與碲鎘汞晶格相匹配，但若想獲得較大尺寸的碲鋅鎘襯底，成本相對昂貴，所以必須考慮替代襯底以及晶格不匹配帶來的質(zhì)量問題，尤其對于碲鎘汞長波探測器來說[2]。

另外，一般情況下的紅外探測器，在使用過程中必須達到一定的制冷要求，使得使用成本大幅提高，并且靈敏度跟不上軍用的需求。各類探測器材料與器件存在的不足不斷激發(fā)人們對紅外新材料和新器件技術的探索。本發(fā)明提出了一種基于硅材料的中紅外探測器，不僅在中紅外波段的靈敏度較好，而且它不需要低溫工作環(huán)境，另外由于硅基材料的成熟加工工藝，使得該紅外探測器易于制作。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種靈敏度好、工作溫度要求低的具有廣泛適用性的非制冷光子型硅基紅外探測器芯片及其制作方法，以及該紅外探測器芯片在非制冷光子型硅基紅外探測器中的應用，使所述探測器在非制冷條件下，能夠?qū)Α按髿獯翱凇钡闹屑t外波段具有較高的響應。

本發(fā)明提供的非制冷光子型硅基紅外探測器芯片，其結構自上而下依次包括：

n+重摻雜微結構層；

硅表面的錐體結構；

n型硅片。

所述n型硅片為晶向（100）、（110）或（111）的n型單晶硅片，雙面拋光，厚度為300-500?μm，電阻率為1000-5000?Ω·cm。

所述n+重摻雜微結構層、硅表面的錐體結構和n型硅片為一固有連接的整體，所述硅表面的錐體結構是在含氮元素的氣體氛圍中，用超快激光輻照n型硅片獲得，由于輻照區(qū)域氮原子的高濃度摻入，在所述硅表面的錐體結構表層形成所述n+重摻雜微結構層，并在硅禁帶中引入雜質(zhì)能帶。

本發(fā)明還提供了一種非制冷光子型硅基紅外探測器結構芯片的制備方法，該方法具體步驟如下：

（1）選擇晶向為（100）、（110）或（111）的n型單晶硅片，并徹底清洗；

（2）將清洗后的n型單晶硅片，置于含氮元素的密閉氣體氛圍中，用超快激光輻照所述n型單晶硅片的一面，在該面的表面形成微米量級呈準周期性排列的結構，即錐體結構；由于氮元素的超飽和重摻雜作用，在所述錐體結構表層形成n+重摻雜微結構層；

（3）將表面形成有錐體結構的n型單晶硅片置于快速熱退火爐中退火；

（4）退火后，在n+重摻雜微結構層表面磁控濺射一層AZO薄膜，作為正面電極；

（5）再在n型單晶硅片的另一面用磁控濺射的方法濺射一層ITO薄膜，作為背面電極。