一种多结型锗基长波红外探测器及制备方法
阅读说明：本技术 一种多结型锗基长波红外探测器及制备方法 (Multi-junction germanium-based long-wave infrared detector and preparation method thereof ) 是由 潘昌翊 邓惠勇 牟浩 殷子薇 汪越 窦伟 张祎 姚晓梅 戴宁 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多结型锗基长波红外探测器及制备方法,所述探测器由锗基底、电极区、吸收区、阻挡区、引线电极和钝化层组成,制备方法包括四个步骤,即通过光刻、离子注入、快速退火、薄膜淀积和干法刻蚀等工艺在高阻锗基底上依次形成吸收区、电极区、钝化层和引线电极。本发明制备的长波红外探测器,在传统阻挡杂质带探测器结构的基础上,引入多个吸收区和阻挡区,从而获得多个耗尽区,使得耗尽区宽度增加,器件有效吸光区域增大,探测器的响应率和探测率得到提高。本发明的制备方法与当前的半导体工艺技术相兼容,研发和生产成本低。(The invention discloses a multi-junction germanium-based long-wavelength infrared detector and a preparation method thereof, wherein the detector consists of a germanium substrate, an electrode area, an absorption area, a blocking area, a lead electrode and a passivation layer. According to the long-wave infrared detector prepared by the invention, on the basis of the traditional impurity band blocking detector structure, a plurality of absorption regions and blocking regions are introduced, so that a plurality of depletion regions are obtained, the width of the depletion region is increased, the effective light absorption region of a device is enlarged, and the response rate and the detection rate of the detector are improved. The preparation method is compatible with the current semiconductor process technology, and has low research and development and production cost.)
技术领域
本发明涉及一种长波红外探测器及其制备方法，该多结型锗基长波红外探测器特别适用于40～200μm范围的中、远红外天文探测领域。
背景技术
红外天文学是天文学领域重要的分支，发展红外天文学的关键是发展红外探测器。常见的红外探测器可以由碲镉汞、锑化铟和铟镓砷等材料制备，他们都是利用利用半导体材料本身的性质来吸收红外光，因此吸收的光子能量需要比半导体材料的禁带宽度大，可探测的波长较短。
阻挡杂质带探测器通过对半导体材料进行掺杂，引入杂质能级，利用杂质能级吸收红外光。探测器的响应波长由杂质在半导体材料中的电离激活能决定，通常硅基阻挡杂质带探测器的响应波长覆盖4～50μm，而锗基和砷化镓基阻挡杂质带探测器则分别可以将响应波长拓展到200和300μm。与其他红外探测器相比，阻挡杂质带探测器具有其显著的优点，已经成为中、远红外天文探测领域的主流探测器。
传统的阻挡杂质带探测器具有其结构上的缺点，限制了探测性能的进一步提高。根据理论分析可知，器件吸收区内的电场强度并不是均匀分布，而是只分布在一个很窄的耗尽区内，在耗尽区以外的中性区内的电场强度很小。只有在耗尽区内产生的光生载流子才可以在电场的驱动下有效分离，而在中性区内产生的光生载流子会很快复合掉。因此，为了提高器件的探测性能，就应该使耗尽区的宽度尽可能的大。耗尽区的宽度主要由掺杂浓度、工作电压和阻挡区宽度决定，拓宽的难度很大。随着天文学的进一步发展，对天文探测技术的要求不断提高，必须优化和改进现有探测器的结构，提升探测器的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种多结型锗基阻挡杂质带(Multiple-junction blockedimpurity band,MBIB)长波红外探测器，并提供一种实现该结构的制备方法，解决了传统阻挡杂质带探测器耗尽区窄的技术难题。所述的新型探测器的结构和工作方式不同于传统的杂质带探测器，其特征在于：
所述的长波红外探测器采用平面结构，即电极区、吸收区和阻挡区都位于锗基底的近表面层内；
所述的引线电极位于电极区的上方，钝化层位于吸收区和阻挡区的上方；
所述的吸收区和阻挡区呈周期性分布在引线电极之间；
所述的长波红外探测器具有n个吸收区和n个阻挡区，从而具有n个耗尽区，将耗尽区的宽度增加了n-1倍(n通常大于等于2，小于等于10)。
所述的锗基底是高阻型，杂质浓度范围为1×1012～1×1014cm-3。
所述的电极区为简并掺杂锗材料，掺杂元素可为硼、镓或铍，杂质浓度范围为5×1018～5×1019cm-3，掺杂深度范围为0.2～2μm，宽度范围为50～200μm。
所述的吸收区为掺杂锗材料，掺杂元素为硼、镓或铍，杂质浓度范围为1×1016～1×1017cm-3，掺杂深度范围为0.2～2μm，宽度范围为5～50μm。
所述的阻挡区为高阻锗材料，宽度范围为1～5μm。
一种实现该探测器的制备方法，包括如下步骤：
①利用光刻工艺在锗基底的表面形成吸收区图形，然后离子注入所需杂质形成吸收区；
②利用光刻工艺在锗基底的表面形成电极区图形，然后离子注入所需杂质形成电极区；
③利用薄膜淀积工艺在锗基底的表面沉积一层氮化硅钝化层，然后进行快速退火工艺，激活离子注入的杂质；
④利用干法刻蚀工艺在钝化层上开设电极窗口，然后蒸镀金属薄膜，形成引线电极。
本发明的优点是：
1.本发明继承了传统阻挡杂质带探测器的优点，可探测波长长，同时又避免了传统阻挡杂质带探测器的缺点，具有多个耗尽区，耗尽区宽度大，探测性能好。
2.本发明结构简单，制备成本低，与当前的半导体工艺相兼容，且容易推广到硅基和砷化镓基阻挡杂质带探测器。
附图说明
图1为本发明探测器的整体结构图。
图2为本发明实施例1的器件结构图。
图3为本发明实施例2的器件结构图。
图4为本发明实施例3的器件结构图。
图5为本发明探测器的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面根据本发明内容和附图说明给出本发明的三个较好的实施例，结合实例进一步说明本发明技术细节、结构特征和功能特点，但这些实例并不限制本发明范围，合乎发明内容和附图说明中描述的实例均应包含在本发明范围内。通过理论分析可知，相比传统的阻挡杂质带探测器，本发明实施列1的器件性能可提高1倍，本发明实施例2的器件性能可提高4倍，本发明实施例3的器件性能可提高9倍。所述探测器的制备方法具体由以下步骤实现：
实例1：
选择高阻Ge基底1，掺杂浓度为1×1013cm-3，借助紫外光刻技术在Ge基底1表面制作两个吸收区图形，单个吸收区宽50μm，使用的光刻胶的厚度约3μm，可以作为后续离子注入过程的掩蔽剂；
通过多次离子注入过程，向吸收区3注入B杂质，注入深度约1μm，掺杂浓度约4×1016cm-3；
再次借助紫外光刻技术在Ge基底1表面制作电极区图形，电极区宽100μm；
再次通过多次离子注入过程，向电极区2注入B杂质，注入深度约1μm，掺杂浓度约3×1018cm-3；
借助PECVD技术在Ge基底1表面沉积一层200nm厚的Si3N4作为器件钝化层6；
再次借助紫外光刻技术在钝化层表面制作电极图形，然后通过RIE刻蚀技术开设电极窗口；
通过电子束沉积技术在电极窗口处沉积20nm厚的Pd和200nm厚的Au，作为引线电极5，然后再借助快速退火技术对器件在300℃下退火300S。
实例2：
选择高阻Ge基底1，掺杂浓度为1×1013cm-3，借助紫外光刻技术在Ge基底1表面制作五个吸收区图形，单个吸收区宽20μm，使用的光刻胶的厚度约3μm，可以作为后续离子注入过程的掩蔽剂；
通过多次离子注入过程，向吸收区3注入B杂质，注入深度约1μm，掺杂浓度约5×1016cm-3；
再次借助紫外光刻技术在Ge基底1表面制作电极区图形，电极区宽100μm；
再次通过多次离子注入过程，向电极区2注入B杂质，注入深度约1μm，掺杂浓度约3×1018cm-3；
借助PECVD技术在Ge基底1表面沉积一层200nm厚的Si3N4作为器件钝化层6；
再次借助紫外光刻技术在钝化层表面制作电极图形，然后通过RIE刻蚀技术开设电极窗口；
通过电子束沉积技术在电极窗口处沉积20nm厚的Pd和200nm厚的Au，作为引线电极5，然后再借助快速退火技术对器件在300℃下退火300S。
实例3：
选择高阻Ge基底1，掺杂浓度为1×1013cm-3，借助紫外光刻技术在Ge基底1表面制作十个吸收区图形，单个吸收区宽10μm，使用的光刻胶的厚度约3μm，可以作为后续离子注入过程的掩蔽剂；
通过多次离子注入过程，向吸收区3注入B杂质，注入深度约1μm，掺杂浓度约2×1016cm-3；
再次借助紫外光刻技术在Ge基底1表面制作电极区图形，电极区宽100μm；
再次通过多次离子注入过程，向电极区2注入B杂质，注入深度约1μm，掺杂浓度约3×1018cm-3；
借助PECVD技术在Ge基底1表面沉积一层200nm厚的Si3N4作为器件钝化层6；
再次借助紫外光刻技术在钝化层表面制作电极图形，然后通过RIE刻蚀技术开设电极窗口；
通过电子束沉积技术在电极窗口处沉积20nm厚的Pd和200nm厚的Au，作为引线电极5，然后再借助快速退火技术对器件在300℃下退火300S。
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