一种共栅控的铟镓砷阵列光电探测器结构

1.本发明属于红外光电器件领域，特别涉及一种共栅控的铟镓砷阵列光电探测器的结构。


背景技术：

2.波长范围1至3微米的短波红外谱段包含c-h、h-o、n-o等重要的分子振动特征光谱，同时也是环境辐射中能量最强的红外谱段，因此在微光夜视、光谱成像、物质光谱检测以及工业测温等领域均有广泛应用。铟镓砷探测器是短波红外波段综合性能最佳的光电探测器。其材料主要在磷化铟衬底上异质外延获得。从基本器件结构上分为台面型和平面型两种结构。
3.台面型像素结构应用于焦平面探测器可获得比平面型器件更低串音的重要优势。随着短波红外成像技术向高分辨率发展，像素尺寸逐渐减小，像素密度持续提高，对抑制串音的要求更加凸显。相较于平面结的深埋型pn结结构，台面型像素结构天然存在半导体结区的原子裸露，其表面态引起的暗电流一直是其灵敏度提升的主要限制因素。即使采用了较好的介质膜钝化工艺，其凸台与截止膜之间的界面的漏电流依然难以消除。尤其是在低温下，像素的表面暗电流通常成为总暗电流的主导成分，增加了器件的总暗电流，降低了器件的结阻抗，是制约探测灵敏度的最主要因素。
4.为了抑制台面型ingaas探测器的暗电流，相关领域人员相继探索并提出了一系列方法，包括利用氧化铝和氮化硅复合钝化层降低界面态密度(发明专利申请号：201910030239.6)，利用啁啾数字递变缓冲层结构降低ingaas外延层中的位错缺陷密度(发明专利申请号：zl201611153882.0)。2009年，有研究提出采用离子耦合感应等离子体刻蚀的工艺方法可以实现比传统电子回旋共振更低的台面暗电流(applied physics letters 94,053506(2009))。另外，2015年，还报道了采用低温离子耦合感应等离子体化学气相沉积工艺生长绝缘介质膜的方式可降低台面型延伸波长ingaas探测器的表面暗电流(japanese journal of applied physics 54,04dg09(2015))。已公开的这些专利或研究思路均是基于传统材料或工艺的改进措施。由于台面结表面态的天然存在，上述措施仅仅在一定程度上实现表面暗电流的相对降低，仍然难以充分消除表面暗电流。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种降低铟镓砷阵列光电探测器暗电流的结构，采用该结构的铟镓砷阵列光电探测暗电流、暗噪声得到抑制，可应用于常规波长in
0.53
ga
0.47
as、延伸波长in
x
ga
1-x
as等不同波段和不同阵列结构的短波红外探测器，提升微光夜视、光谱成像、物质光谱检测以及工业测温等短波红外探测器系统的应用水平。
6.本发明的一种降低铟镓砷阵列光电探测器暗电流的结构，铟镓砷探测器像素侧壁表面沉积具有强导电性能的金属镀层形成栅控电极。所述栅电极上施加偏压，改变像素的暗电流大小。
7.所述铟镓砷阵列光电探测器的结构如下：
8.探测器的像素结构为微凸台结构，凸台侧壁表面包覆有绝缘介质膜层。
9.所有阵列像素台面的金属栅电极相互连通，为等电势结构，并共同连接到同一环形公共金属栅电极。
10.所述公共金属栅电极上所施加电压的正负和大小控制凸台侧壁表面电场的方向和大小，控制像素的暗电流水平。
11.当像素凸台侧壁与介质膜之间的界面处为正电荷积累时，栅电极施加正偏压，减小暗电流。
12.当像素凸台侧壁与介质膜之间的界面处为负电荷积累时，栅电极施加负偏压，减小暗电流。
13.所述金属镀层材料为钛、金、铂、镉、铝或其合金。
14.所述阵列光电探测器为pin结构，光吸收层材料为铟镓砷，铟组分介于0和1之间，窗口层材料为铟铝砷、铟砷磷或磷化铟。
15.本发明是利用场诱导电荷效应，同时利用台面像素结构的钝化层的高介电常数特性，在阵列台面侧壁产生等势金属栅极，感生或耗尽界面处的载流子，实现台面表面暗电流的降低，同时降低器件暗噪声。具体包括：
16.(1)表面暗电流抑制思路
17.采用台面结结构的铟镓砷阵列探测器，其台面通常采用湿法化学腐蚀或干法等离子体刻蚀成型，产生的台面侧壁表面通常存在或多或少的刻蚀产物的残留，残留物通常引入类施主态和类受主态，使得表面呈现低电阻率，进而显著增加器件的表面漏电流。另一方面，即使在刻蚀产物残留很少的情况下，像素的台面结构天然存在侧壁的半导体原子裸露，裸露的半导体原子由于原子晶格周期性被打破，将产生电子或空穴载流子的束缚态，束缚态将产生电子或空穴表面俘获和表面积累。如在轻掺杂的n型铟镓砷光吸收层材料表面形成更高浓度的n型电子积累，或在轻掺杂的p型铟镓砷光吸收层材料表面形成更高浓度的p型空穴积累；亦可能在轻掺杂的n型铟镓砷光吸收层材料表面形成p型空穴积累，或在轻掺杂的p型铟镓砷光吸收层材料表面形成n型电子积累，即形成表面反型层。这些表面电荷的积累也将使得表面电流显著增加，进而使得探测器的暗电流升高。即使沉积了介质钝化膜，也仅能在一定程度上钝化悬挂键，无法完全消除。而介质膜对于抑制表面刻蚀产物残余相关的漏电流则没有效果。
18.采用电场可以有效调控台面侧壁和介质膜之间的界面电荷状态，而不区分界面电荷是由于刻蚀残余物引起还是界面悬挂键引起，即对于消除两种机制引起的表面暗电流均有效。对于表面电子积累的情况，可以施加负电场，将表面电子耗尽，使得表面恢复高阻状态。对于表面空穴积累的情况，则可以施加正电场，将表面空穴耗尽，同样使得表面恢复高阻状态。进而有效降低探测器表面暗电流。
19.(2)探测器结构设计思路
20.根据上述设计思路，对于传统的阵列铟镓砷探测器结构，在像素台面已有的介质膜基础上，设计金属栅电极结构。具体为采用高电导率的金属层对像素微台面的侧壁的绝缘介质膜层进行物理包覆形成像素浮栅电极，将像素的栅电极分别引出，设计公共栅电极将所有像素的栅电极连接导通，形成等电势共栅金属结构。以n
×
2元规模的阵列铟镓砷探
测器结构为例，最终形成的具有共栅结构的阵列铟镓砷探测器俯视和侧视结构示意图分别见附图1和附图2。在不改变传统阵列铟镓砷探测器的读出方式及其与读出电路互联方式的基础上，通过在公共栅电极上施加直流偏压，改变阵列像素微台面的表面电荷分布，消除表面漏电流，显著降低阵列探测器的平均暗信号。阵列探测器的正常响应率不受影响。最终实现提高的探测率。上述共栅控阵列探测器结构体现与传统阵列探测器结构相兼容的设计思路。
21.有益效果
22.(1)本发明对台面型短波红外铟镓砷阵列探测器的结构进行改进和创新，所设计的栅控阵列探测器结构通过外加栅极电压实现对像素微台面侧表面电荷浓度的调节，有利于减小台面侧面暗电流，解决现有工艺难以充分消除台面结构表面暗电流的工艺难题，使探测器的灵敏度得到提升。
23.(2)本发明的栅电极结构制备工艺与现有台面型铟镓砷探测器制作工艺相兼容，即栅电极金属可采用与p电极和公共n电极相同的金属镀层，在介质膜开孔步骤结束后与p、n电极同步蒸镀制作，不产生额外的加工成本和工艺步骤。
24.(3)本发明的栅控铟镓砷阵列探测器结构中像素浮栅电极为等势公共结构，可灵活适配不同的行、列数量不同大小的像素阵列规模，且仅增加一路偏置电压控制，具有控制简单，阵列规模兼容性高的优点。
25.(4)本发明的栅控铟镓砷阵列探测器结构设计具有广泛的适用性。既可适用于铟镓砷单元和焦平面探测器的制备，也可以推广应用于ge/si、inas、inas/gasb、hgcdte等其它iv族、iii-v族和ii-vi族台面型探测器材料体系，抑制探测器表面暗电流，提升器件性能。
附图说明
26.图1为本发明的以n
×
2元规模为例的共栅控阵列铟镓砷探测器结构芯片制备完成后的俯视结构示意图；
27.图中：
28.1—p电极；
29.2—sin
x
钝化膜；
30.3—台面侧壁金属层；
31.4—公共n电极；
32.5—公共栅电极；
33.6—像素光敏区域。
34.图2为本发明的以n
×
2元规模为例的共栅控阵列铟镓砷探测器结构芯片制备完成后的侧视结构示意图；
35.图3为本发明的实施例1的32
×
640元规模的铟镓砷阵列探测器芯片制备完成后的俯视图；
36.图4为本发明的实施例1的32
×
640元规模的铟镓砷阵列探测器芯片制备完成后的侧视图；
37.图5为本发明的实施例2的32
×
32元规模的铟镓砷阵列探测器芯片制备完成后的
俯视图；
38.图6为本发明的实施例2的32
×
32元规模的铟镓砷阵列探测器芯片制备完成后的侧视图。
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.实施例1
41.本实施例提供了一种32
×
640元规模的5μm中心距共栅控铟镓砷阵列探测器结构，采用铟组分为0.83的ingaas吸收层。图3和图4分别给出了结构的俯视和侧视结构示意图，具体结构如下：
42.(1)像素规格：阵列探测器像素共32行，共640列，行方向中心距50μm，列方向中心距100μm。
43.(2)探测器衬底为inp，厚度为300μm，导电类型为半绝缘；
44.(3)探测器缓冲层为in
x
al
1-x
as，厚度为2μm，其中x由0.53递变增加到0.83。掺杂浓度为n型5e18cm-3
。
45.(4)探测器吸收层为in
0.83
ga
0.17
as，厚度为2μm，掺杂浓度为n型5e15cm-3
。
46.(5)探测器窗口层为in
0.83
al
0.17
as，厚度为1μm，掺杂浓度为p型1e19cm-3
。
47.(6)像素台面为正方形，边长30μm。侧壁包覆钝化膜为sin
x
，厚度300nm。
48.(7)像素栅电极为正方形，包覆像素台面，沿像素正面台阶边沿向内包覆2μm，电极材质为au，厚度300nm。
49.(8)32
×
640元像素栅电极连接到环形公共栅电极，电极材质为au，厚度300nm。
50.(9)32
×
640元像素分别在台面中心引出独立p金属电极，与in
0.83
al
0.17
as窗口层形成接触，接触区域为正方形，宽度5μm。p金属电极为圆形，直径30μm。
51.(10)探测器公共n电极为环形，与in
x
al
1-x
as导通。
52.以上结构形成了具有共栅控结构的响应范围覆盖1-2.5微米波长范围的阵列铟镓砷探测器芯片。探测器暗电流可以通过在栅电极施加正向偏压，实现暗电流和噪声比传统探测器结构显著降低。
53.实施例2
54.本实施例提供了一种32
×
32元规模的5μm中心距共栅控铟镓砷阵列探测器结构，采用铟组分为0.53的ingaas吸收层。图5和图6分别给出了结构的俯视和侧视结构示意图，具体结构如下：
55.(1)像素规格：阵列探测器像素共32行，共32列，行方向中心距50μm，列方向中心距80μm。
56.(2)探测器衬底为inp，厚度为300μm，导电类型为半绝缘；
57.(3)探测器吸收层为in
0.53
ga
0.47
as，厚度为2μm，掺杂浓度为n型5e18cm-3
。
58.(4)探测器窗口层为inp，厚度为1μm，掺杂浓度为p型1e19cm-3
。
59.(5)像素台面为正方形，边长20μm。侧壁包覆钝化膜为sin
x
，厚度300nm。
60.(6)像素栅电极为正方形，包覆像素台面，沿像素正面台阶边沿向内包覆2μm，电极材质为au，厚度300nm。
61.(7)32
×
32元像素栅电极连接到环形公共栅电极，电极材质为au，厚度300nm。
62.(8)32
×
32元像素分别在台面中心引出独立p金属电极，与inp窗口层形成接触，接触区域为正方形，宽度3μm。p金属电极为圆形，直径20μm。
63.(9)探测器公共n电极为环形，与n型inp导通。
64.以上结构形成了具有共栅控结构的响应范围覆盖0.9-1.7微米波长范围的阵列铟镓砷探测器芯片。探测器暗电流可以通过在栅电极施加正向偏压，实现暗电流和噪声比传统探测器结构显著降低。
65.以上所述描述了本发明的具体实施方式，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均在本发明的保护范围之内。