[发明专利]超晶格中长波双波段红外探测器芯片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超晶格中长波双波段红外探测器芯片制备方法，包括提供衬底，在衬底上生长双波段叠层锑化物超晶格材料，对双波段叠层探测器芯片的高台面进行复合钝化工艺，钝化时，包括提供阳极硫化电解液，阳极硫化电解液包括混合的无水硫化钠和二甲基亚砜溶液；利用阳极硫化电解液进行阳极硫化处理，在双波段叠层高台面上生长硫化物薄膜，硫化物薄膜覆盖高台面，并从高台面上沿伸至高台面的侧壁向下；在硫化物薄膜上沉积Al₂O₃薄膜形成复合钝化薄膜。本发明通过生长硫化物薄膜和Al₂O₃薄膜形成复合钝化薄膜，在解决界面态问题的同时，降低了器件的暗电流，显著提高了探测器的量子效率和探测率，取得了良好的钝化效果。

技术领域

本发明涉及超晶格红外探测器制造技术领域，特别是涉及一种锑化物超晶格中长波双波段红外探测器芯片及其制备方法。

背景技术

新一代红外探测器的开发需求提供增强的功能，如多波段功能、大规模像素以及更高的帧率和更好的热分辨率等。目前探测器的主要候选材料是HgCdTe(MCT)、量子阱红外光电探测器(QWIP)和最近的II类应变层超晶格(T2SL)。与HgCdTe相比，锑化物基T2SL的探测器有几个优势，如可获得大面积晶格匹配的衬底，并基于一个更成熟的III-V族工艺技术。然而，QWIPs的量子效率非常低，而在T2SL中，探测器参数如量子效率、响应率和检测率与MCT相当。事实上，锑化物基T2SL探测器的性能有望优于MCT，因为较大的有效质量使得在长波波段产生较小的二极管隧道电流，由于较低俄歇（Auger）复合系数产生较小的暗电流，从而提高了工作温度。在这些材料中，实现在红外光谱中的双波段或多波段工作是可能的。

双波段锑化物基超晶格红外探测器芯片制备技术中，衬底选择、超晶格材料生长和芯片表面钝化是比较关键的技术，对器件性能影响很大。特别是钝化技术，由于双波段超晶格材料较单一波段厚很多，约为单一波段的二倍，钝化层在陡峭的侧面很难均匀生长。钝化对器件是非常重要的，因为当超晶格材料暴露在大气中时，其表面会吸附各种带电粒子、材料表面氧化层中也存在固定电荷、离子和陷阱等，材料表面的这些带电粒子都可以引起电场，会对超晶格的特性产生重大影响。为了提高器件性能，稳定超晶格表面性质，减少各种沾污对材料性能的影响，需要生长钝化层。其中台面的侧面钝化是钝化工艺的关键，主要目的是保护表面不被外界污染和损伤，同时减少表面态密度、减小表面复合速率和侧面漏电流，进而提高探测器的探测率和长期稳定性。探测器芯片的钝化性能可以通过在液氮温度（77K）下测量偏压与暗电流密度来表征。

表面钝化问题一直是III-V族半导体器件工艺的难题之一，高表面态和表面复合速率一直制约着III-V族半导体器件的发展，是一个迫切需要解决的问题。与Si自身可以形成致密氧化膜不同，III-V族半导体各组成元素氧化物的化学稳定性差，且与半导体界面之间态密度很大，不同的超晶格材料构成需要与之相适应的钝化膜和钝化方法。

以往，对于光敏台面间隔沟槽深宽比不是很大的红外超晶格芯片采用的钝化方法是直接溅射沉积或采用化学气相沉积（CVD）氮化硅（SiNx）、二氧化硅（SiO₂）及硫化锌（ZnS）介质层等，也有采用阳极化加介质层的双层钝化方法。只有对于不同的化合物半导体材料选择相应的钝化介质和方法才能取得较好的钝化效果。

由于超晶格中长波探测器芯片采用的是上下两个波段叠层结构，所以工作层的厚度（台面厚度）要远大于某些单一波段芯片的厚度，如果采用以往的钝化方法，在对超晶格中长波（中波3-5微米、长波8-14微米）红外探测器芯片钝化时会发现这些台面间沟槽的深宽比b/a（见图3所示）大于2倍以上时，其侧壁沉积的钝化层往往会存在不连续的现象，使高台面的侧面中段没有均匀覆盖（见图3所示），类似于落雪后深阴沟侧面无雪覆盖一样，从而没有达到钝化的效果。

发明内容