[發明專利]一種Ge長波紅外太赫茲探測器陣列和制備方法

在審

• 申請號: 202110930315.6
• 申請日: 2021-08-13
• 公開（公告）號: CN113725243A
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 鄧惠勇;汪越;劉赤縣;竇偉;單玉鳳;殷子薇;戴寧
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;G01J5/20
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種Ge長波紅外太赫茲探測器陣列和制備方法，該探測器陣列包括吸收區陣列和共用電極二個部分，吸收區陣列像元由吸收層、石墨烯/金屬電極層組成，共用電極由背接觸電極和正面刻蝕重摻雜電極層組成，其中背接觸電極表面覆蓋鈍化層，制備方法包括四個步驟，依次是通過光刻和氣相沉積技術在Ge晶片正面形成吸收層和石墨烯層；通過光刻、刻蝕和離子注入技術形成正面刻蝕重摻雜電極層；通過光刻和熱蒸發技術形成正面金屬電極層；通過減薄、離子注入和氣相沉積技術形成背接觸電極和鈍化層。本發明的優點是：離子注入技術形成吸收層解決了臺階型探測器像元高純Ge外延層制備困難的難題，并且與當前的半導體工藝技術相兼容。

技術領域

本發明涉及一種基于BIB(阻擋雜質帶)雜質帶吸收光電導原理的新型結構的紅外太赫茲探測器陣列和制備方法，特別適合于波長處于40-300微米范圍的長波紅外和太赫茲光的光電成像。

背景技術

紅外探測技術在氣象預報、環境監控、導彈制導、夜視成像等領域有重要的應用需求，這方面以HgCdTe、InGaAs等主流的紅外探測器為主，主要響應1-20微米波段。這類器件是基于半導體pn結構光伏效應原理工作，因而，探測器的響應率高并且器件具有較高的工作溫度(液氮)，發展迅速。但受材料類型的制約，探測器的響應波長較短。

近年來，隨著國家對深空紅外探測技術的需求，阻擋雜質帶(BIB)探測器日益得到重視，主要的器件類型及響應波段有：硅摻砷(Si:As)覆蓋10～25μm，硅摻銻(Si:Sb)覆蓋20～40μm，鍺摻鎵(Ge:Ga)覆蓋40～70μm，應變鍺摻鎵(Ge:Ga)覆蓋70～200μm，特別是GaAs摻碲(GaAs:Te)的響應波長范圍長達30～300μm，是探測深空冷對象的最優探測器。由于探測波長較長，BIB探測器的工作原理利用雜質光電導效應，不同的是增加一層相同材料類型的高電阻阻擋層，有效降低了器件暗電流。當前，制備BIB探測器陣列的方法普遍采用氣相外延技術生長高純Ge薄膜作為阻擋層，其優勢在于臺面結構器件易于制備共用電極。離子注入技術制備BIB單元器件具有工藝簡單，無需生長高純外延Ge薄膜的優勢在單元探測器中有廣泛應用。

發明內容

本發明的目的是提供一種Ge長波紅外太赫茲探測器陣列，并提供一種采用離子注入技術實現該結構的制備方法，所述的新型探測器的結構不同于傳統的BIB探測器陣列，其特征在于：

所述的吸收區陣列像元電極由石墨烯層和金屬電極層組成；

所述的共用電極由阻擋層電極、正面刻蝕重摻雜電極層和正面背電極金屬層組成；

所述的背電極鈍化層位于阻擋層金屬電極層表面；

所述的探測器的工作方式在于：將正面背電極金屬層和吸收層金屬電極層和讀出電路相連接，背面入射光透過背電極鈍化層進入吸收層，吸收層中雜質吸收入射光子后電離形成電子空穴對產生光生電流，光電流信號經讀出電路積分輸出后光電成像。

所述的Ge晶片是高阻型半導體材料，載流子濃度范圍為1×10¹²～5×10¹⁴cm^-3。

所述的吸收層、正面刻蝕重摻雜電極層和阻擋層電極的雜質類型為B，載流子濃度范圍為1×10¹⁶～1×10¹⁸cm^-3，深度范圍為1～7μm。

所述的吸收層、正面刻蝕重摻雜電極層和阻擋層電極的雜質類型為P，載流子濃度范圍為1×10¹⁶～1×10¹⁸cm^-3，深度范圍為1～5μm。

所述的吸收層、正面刻蝕重摻雜電極層和阻擋層電極的雜質類型為Ga，載流子濃度范圍為1×10¹⁶～1×10¹⁸cm^-3，深度范圍為1～3μm。

一種實現該探測器陣列的制備方法，包括如下步驟：