[发明专利]3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法

说明书

本发明提供了一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器(APD)及其制作方法，该红外波段APD包括自上而下叠置的减反膜层、P⁺型InSb电极接触层、作为吸收层的N型InSb层、作为倍增层的P型外延Si层、和N⁺型Si层，其中，N型InSb层和P型外延Si层分别是InSb/Si键合晶片中的N型InSb层和P型外延Si层。由此，InSb对红外波段光的吸收大，外延Si材料的电子离化率与空穴离化率的差别较大，其过剩噪声因子小，故能获得噪声小的倍增性能，相比倍增层为InSb的情形，不仅能够使InSb/Si APD器件的噪声降低，APD探测器的响应度提升，而且经由较窄吸收层的N型InSb层和窄倍增层的P型外延Si层的组合能够实现高速、低噪声光电探测的效果；同时，使用InSb/Si键合晶片降低了与Si读出电路之间的热失配。

技术领域

本发明属于半导体光电子领域，具体涉及一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法，特别是一种高响应速度低噪声的3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法。

背景技术

红外焦平面阵列(IRFPA)探测器兼具辐射敏感、电荷存储和多路传输等功能，是第二代红外热成像系统采用的位于光学系统焦平面而带有信号处理能力的面阵探测器，在红外制导、跟踪、凝视成像等武器设备上广泛应用，例如，2048×2048的InSb红外焦平面阵列探测器量产性优异而在国外的技术实践中大量使用。然而，近年来对于第三代红外热成像系统的开发中，小规模阵列(例如，32×32)的研究例如InSb雪崩光电二极管(APD)阵列进入了快速研发阶段，目前在成像性能上达成了高清晰度。此外，APD具有灵敏度高、体积小、增蔬大等优点，故无论其在线性工作还是盖革模式工作，将成为第三代红外探测器的重要发展趋势，是激光成像、医学、核物理、数据通信等领域的核心器件之一。

通常，APD器件的制作主要有两种类型，一种是通过扩散成结而制成的APD，另一种是通过外延生长而获得的APD。不过，这两种类型的APD器件各有优缺点，基于扩散成结的APD，其响应速度不太高；基于外延生长的APD，例如InSb雪崩光电二极管(即InSb APD)，虽然其响应速度高，但由于目前针对InSb的外延技术相比GaAs等材料体系而言不够成熟，故所获得的InSb外延层的质量比InSb体材料低，由此在器件中实际应用外延生长的InSb困难。在以Si衬底与Si读出电路的匹配为目的而在Si衬底上外延InSb材料来获得InSb FPA探测器的情况下，由于InSb材料和Si的晶格失配较大，外延生长过程中产生的大量界面缺陷及应力会导致材料性能急剧恶化之虞存在；而且，由于InSb FPA与Si读出电路之间的热应力，会导致在高低温循环冲击下器件的碎裂之虞也存在。这样的困境的解决方法中，目前存在着利用半导体键合技术将InSb FPA探测器与Si衬底键合后与Si读出电路互连以减少热应力的手段。然而，目前的结果也表明，现有的InSb FPA探测器与Si衬底的键合方法的工艺复杂，实用性低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种3～5μm红外波段雪崩光电二极管探测器，包括自上而下叠置的减反膜层、P⁺型InSb电极接触层、吸收层、倍增层和N⁺型Si层，其中，吸收层和倍增层分别是InSb/Si键合晶片中的N型InSb层和P型外延Si层。

在本发明的某实施例中，N型InSb层的厚度为2～6μm，P型外延Si层的厚度为0.7～2μm。