台面式砷化镓掺硅阻挡杂质带太赫兹探测器及其制作方法与流程

本发明属于太赫兹探测器件的制备技术领域，具体涉及一种台面式砷化镓掺硅阻挡杂质带太赫兹探测器及其制作方法，适用于制作高收集效率、高响应率的砷化镓掺硅阻挡杂质带太赫兹探测器。

背景技术：

阻挡杂质带(blockedimpurityband，简称bib)探测器是一种低温太赫兹探测器，需要工作在4k以下的低温环境中。在反恐安检、医疗成像、生物医药、无损检测、物质鉴别、天文观测、遥感预警等多个领域有着广泛的应用前景。阻挡杂质带探测器可分为硅基和砷化镓基两类，硅基阻挡杂质带探测器可实现40微米太赫兹辐射的高灵敏检测，后来发展起来的砷化镓基阻挡杂质带探测器可将长波截止波长延伸至300微米，从而极大地扩展了阻挡杂质带探测器的太赫兹频谱范围。现有的砷化镓基阻挡杂质带探测器多采用背电极收集模式，该模式通常是在高导衬底上依次外延生长吸收层和阻挡层，正电极设置在阻挡层的顶部，负电极设置在高导衬底的背面，见reichertzl.a.,cardozob.l.,beemanj.w.,larsend.i.,etal.,“firstresultsongaasblockedimpurityband(bib)structuresforfar-infrareddetectorarrays”,proceedingsofspie,vol.5883,pp58830q-1-58830q-8。该模式的优点在于制备工艺简单，缺点在于光生载流子被负电极收集之前需要经过砷化镓高导衬底，但目前砷化镓衬底工艺的发展要明显滞后于传统硅工艺，具体体现在砷化镓衬底的缺陷密度(～10³cm^-2量级)比硅衬底(～10²cm^-2量级)高很多，这些缺陷作为复合中心可俘获途经衬底的光生载流子，从而削弱了太赫兹响应电流信号。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种台面式砷化镓掺硅阻挡杂质带太赫兹探测器及其制作方法，将环形负电极制备在台面下表面，即高导砷化镓衬底的上表面，降低了光生载流子被高导砷化镓衬底中缺陷所俘获的几率，增强了光生载流子的收集效率；同时，相对于背电极收集模式，采用环形负电极结构，缩短了光生载流子的传输路径，从而降低光生载流子的复合几率，进一步增强光生载流子的收集效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种台面式砷化镓掺硅阻挡杂质带太赫兹探测器，包括高导砷化镓衬底，所述高导砷化镓衬底上包括环形区域和台面结构区域，所述台面结构区域设置在环形区域中间；所述环形区域的高导砷化镓衬底上、环形区域与台面结构区域连接形成的环形侧面均设置氮化硅钝化层，所述台面结构区域的高导砷化镓衬底上从下到上依次设置砷化镓掺硅吸收层、高纯砷化镓阻挡层、正电极接触层和氮化硅钝化层；所述环形区域内设置有环形负电极，台面结构区域的表面设置有圆形正电极。

优选地，所述环形负电极与高导砷化镓衬底连接，所述圆形正电极与正电极接触层连接。

优选地，为了保证太赫兹辐射被完全吸收，同时避免因吸收层厚度太大造成光生载流子收集效率降低，所述砷化镓掺硅吸收层中硅离子的掺杂浓度为5×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3，砷化镓掺硅吸收层的厚度为30～40μm。

优选地，为了有效地阻挡暗电流，同时避免因阻挡层厚度太大造成光生载流子收集效率降低，所述高纯砷化镓阻挡层的厚度为6～12μm，所述氮化硅钝化层的厚度为200nm。

本发明还提供了一种台面式砷化镓掺硅阻挡杂质带太赫兹探测器的制作方法，包括以下步骤：

s1、在高导砷化镓衬底上生长砷化镓掺硅吸收层；

s2、在所述砷化镓掺硅吸收层上生长高纯砷化镓阻挡层；

s3、在所述高纯砷化镓阻挡层上形成正电极接触层；

s4、从所述正电极接触层往所述高导砷化镓衬底刻蚀，直至刻蚀露出高导砷化镓衬底，刻蚀区域形成环形区域，未刻蚀区域形成台面结构区域；

s5、在经步骤s4所得结构的表面均沉积氮化硅钝化层；

s6、在所述氮化硅钝化层上刻蚀开正、负电极孔，所述正电极孔位于台面结构区域，所述负电极孔位于环形区域；

s7、在所述正、负电极孔上蒸镀正、负电极，然后封装，即可。

优选地，步骤s1中，所述砷化镓掺硅吸收层的生长方法为金属有机化合物化学气相沉积法；步骤s2中，所述高纯砷化镓阻挡层的生长方法为液相外延法，不故意掺杂任何杂质离子；步骤s5中，所述氮化硅钝化层的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法；步骤s6中，所述刻蚀方法为反应离子刻蚀法，刻蚀深度为200nm。

优选地，步骤s3中，通过光刻、离子注入及快速热退火工艺形成正电极接触层；所述离子注入步骤中，注入离子为硅离子，注入能量为60～80kev，注入剂量为3～8×10¹⁴cm^-2；所述快速热退火步骤中，保护气氛为氮气，退火温度为800℃，退火保持时间为10秒。

优选地，步骤s4中，所述刻蚀方法为感应耦合等离子体刻蚀法；刻蚀温度20℃，压强10毫托，刻蚀气体cl2流量为80sccm(标准毫升每分钟)，刻蚀气体bcl3流量为80sccm，等离子体源功率为1000w，偏压功率为150w，从所述正电极接触层往所述高导砷化镓衬底刻蚀，直至刻蚀露出高导砷化镓衬底，刻蚀深度为36～52μm。

优选地，步骤s7中，所述蒸镀正、负电极的方法具体为：在正、负电极孔上从下到上依次蒸镀镍(ni)、金锗(auge)合金、镍(ni)和金(au)金属膜，蒸镀厚度分别为20nm、50nm、20nm和150nm。

优选地，步骤s7中还包括对蒸镀后的正、负电极再进行蒸镀加厚，具体方法为：从下到上依次蒸镀镍和金金属膜，蒸镀镍的厚度为25nm、蒸镀金的厚度为300nm；

步骤s7中，所述封装方法具体包括以下步骤：采用砂轮划片法将器件分割，采用低温绝缘胶将分割后的器件与热沉基板粘接在一起，然后采用金丝球焊法接入正、负电极引线。

本发明所述的探测器工作原理是：首先，通过正、负电极引线将正负偏压施加到探测器的正、负电极；当太赫兹辐射照射到台面时，将穿过高纯砷化镓阻挡层被砷化镓掺硅吸收层吸收，产生光生载流子；光生载流子在外加偏压的作用下，被正负电极收集，从而形成太赫兹信号响应电流；通过检测响应电流以实现对太赫兹辐射的探测。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、将环形负电极制备在台面下表面(环形区域)，即高导砷化镓衬底的上表面，降低了光生载流子被高导砷化镓衬底中缺陷所俘获的几率，增强了光生载流子的收集效率；

2、采用环形负电极结构，相对于背电极收集模式，缩短了光生载流子的传输路径，从而降低光生载流子的复合几率，进一步增强光生载流子的收集效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的台面式砷化镓掺硅阻挡杂质带太赫兹探测器的制作工艺流程图；

图2为本发明的台面式砷化镓掺硅阻挡杂质带太赫兹探测器的剖面结构示意图；

图3为本发明的台面式砷化镓掺硅阻挡杂质带太赫兹探测器的俯视结构示意图；

图4为在高导砷化镓衬底上生长出砷化镓掺硅吸收层后的器件结构示意图；

图5为在砷化镓掺硅吸收层上生长出高纯砷化镓阻挡层后的器件结构示意图；

图6为在高纯砷化镓阻挡层上形成正电极接触层后的器件结构示意图；

图7为感应耦合等离子体刻蚀形成台面后的器件结构示意图；

图8为在台面上表面、侧壁及台面下表面沉积氮化硅钝化层后的器件结构示意图；

图9为在氮化硅钝化层上刻蚀开正、负电极孔后的器件结构示意图；

图10为电子束蒸发制备正、负电极后的器件结构示意图；

图11为本发明的台面式砷化镓掺硅阻挡杂质带太赫兹探测器测试效果；

图中：

1——高导砷化镓衬底；

2——砷化镓掺硅吸收层；

3——高纯砷化镓阻挡层；

4——正电极接触层；

5——氮化硅钝化层；

6——圆形正电极；

7——环形负电极；

8——正电极引线；

9——负电极引线；

10——热沉基板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供的一种台面式砷化镓掺硅阻挡杂质带太赫兹探测器，如图2和图3所示，包括设置在热沉积板10上的高导砷化镓衬底1，所述高导砷化镓衬底1上包括环形区域和台面结构区域，所述台面结构区域设置在环形区域中间；所述环形区域的高导砷化镓衬底1上、环形区域与台面结构区域连接形成的环形侧面均设置氮化硅钝化层5，所述台面结构区域的高导砷化镓衬底1上从下到上依次设置砷化镓掺硅吸收层2、高纯砷化镓阻挡层3、正电极接触层4和氮化硅钝化层5；所述环形区域内设置有环形负电极7，台面结构区域的表面设置有圆形正电极6。

所述环形负电极7与高导砷化镓衬底1连接，所述圆形正电极6与正电极接触层4连接。

所述砷化镓掺硅吸收层2中硅离子的掺杂浓度为5×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3，砷化镓掺硅吸收层的厚度为30～40μm。

所述高纯砷化镓阻挡层3的厚度为6～12μm，所述氮化硅钝化层的厚度为200nm。

其制作方法如图1所示，包括如下步骤：

s1，高导砷化镓衬底1清洗：首先采用丙酮和异丙醇各分别超声5分钟，去离子水冲洗；然后用体积配比nh4oh：h2o＝1：10的溶液浸泡5分钟，最后用体积配比hcl：h2o＝1：10的溶液浸泡2分钟，去离子水冲洗，氮气吹干；

s2，气相外延生长吸收层：在高导砷化镓衬底1上，采用金属有机化合物化学气相沉积工艺外延生长砷化镓掺硅吸收层2，生长厚度为30～40μm，掺杂硅离子，掺杂浓度为5×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3(见图4)；

s3，液相外延生长阻挡层：在砷化镓掺硅吸收层2上，采用液相外延工艺生长高纯砷化镓阻挡层3，不故意掺杂任何杂质离子，生长厚度为6～12μm(见图5)；

s4，第一次光刻：在高纯砷化镓阻挡层3表面旋涂正胶az5214，厚度1.6μm，曝光显影，以形成光刻标记区域窗口；

s5，等离子体去胶：采用氧气等离子体去胶工艺，去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；

s6，蒸镀光刻标记：在高纯砷化镓阻挡层3表面，采用电子束蒸发工艺蒸镀光刻标记，依次蒸镀镍、金金属膜，厚度分别为20nm、100nm；

s7，剥离：采用丙酮进行剥离，浸泡120分钟，异丙醇浸泡10分钟，去离子水冲洗，氮气吹干；

s8，第二次光刻：在高纯砷化镓阻挡层3表面旋涂正胶az4620，厚度7μm，曝光显影，形成离子注入区域窗口；

s9，等离子体去胶：采用氧气等离子体去胶工艺，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；

s10，坚膜：对光刻胶az4620进行坚膜，坚膜温度110℃，坚膜时间10分钟，以提高光刻胶az4620的粘附性和掩膜保护能力；

s11，离子注入：采用离子注入工艺，将硅离子注入高纯砷化镓阻挡层3，注入能量为60～80kev，注入剂量为3～8×10¹⁴cm^-2；

s12，有机清洗：采用丙酮和异丙醇进行有机清洗，各超声15分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，以去除离子注入后器件表面的az4620光刻胶；

s13，快速热退火：在氮气气氛中，采用快速热退火工艺(此处快速热退火工艺是指升、降温速率在20℃/s～250℃/s范围的热退火工艺)，升、降温速率为80℃/s，退火温度为800℃，退火温度保持时间为10秒，激活注入离子，修复晶格损伤，形成正电极接触层4(见图6)；

s14，第三次光刻：在器件表面旋涂正胶az4620，厚度7μm，曝光显影，以形成感应耦合等离子体刻蚀区域窗口；

s15，等离子体去胶：采用氧气等离子体去胶工艺，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；

s16，坚膜：对光刻胶az4620进行坚膜，坚膜温度110℃，坚膜时间10分钟，以提高光刻胶az4620的粘附性和抗刻蚀能力。

s17，感应耦合等离子体刻蚀：采用感应耦合等离子体刻蚀工艺，刻蚀温度20℃，压强10毫托，刻蚀气体cl2流量为80sccm(标准毫升每分钟)，刻蚀气体bcl3流量为80sccm，等离子体源功率为1000w，偏压功率为150w，刻蚀深度为36～52μm，刻蚀露出高导砷化镓衬底1，形成台面结构(见图7)；

s18，有机清洗：采用丙酮和异丙醇进行有机清洗，各超声10分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，以去除正电极接触层4表面的光刻胶掩膜；

s19，沉积钝化层：采用等离子体增强化学气相沉积工艺，在台面结构的上表面、侧壁及下表面沉积氮化硅钝化层5，沉积厚度为200nm(见图8)；

s20，第四次光刻：在氮化硅钝化层5的表面旋涂正胶az5214，厚度1.7μm，曝光显影，以形成反应离子刻蚀所需窗口；

s21，等离子体去胶：采用氧气等离子体去胶工艺，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；

s22，坚膜：对光刻胶az5214进行坚膜，坚膜温度110℃，坚膜时间2分钟，以提高光刻胶az5214的粘附性和抗刻蚀能力；

s23，反应离子刻蚀：采用反应离子刻蚀工艺，在氮化硅钝化层5上进行刻蚀，刻蚀深度为200nm，露出正电极接触层4及高导砷化镓衬底1；

s24，有机清洗：采用丙酮和异丙醇进行有机清洗，各超声10分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，以去除氮化硅钝化层5表面的光刻胶掩膜；

s25，湿法腐蚀：采用体积配比hf：nh4hf：h2o＝1：5：10的溶液浸泡5秒，去离子冲洗，氮气吹干，以去除干净反应离子刻蚀产生的残留物，形成圆形正电极孔及环形负电极孔(见图9)；

s26，第五次光刻：采用双层胶光刻工艺，在器件表面依次先后旋涂光刻胶lor10a和光刻胶az5214，曝光显影；

s27，等离子体去胶：采用氩气等离子体去胶工艺，去除干净曝光显影后残留的光刻胶底膜；

s28，蒸镀正、负电极：采用电子束蒸发工艺蒸镀正、负电极，真空度5×10^-4pa，蒸发速率1nm/s，从下到上依次蒸镀镍、金锗合金、镍和金金属膜，蒸镀厚度分别为20nm、50nm、20nm和150nm；

s29，剥离：采用丙酮进行剥离，80℃水浴30分钟，超声清洗10分钟，异丙醇超声清洗5分钟，浓度2.38％的四甲基氢氧化氨溶液浸泡45秒，去离子水冲洗，氮气吹干；

s30，正、负电极退火：在氮气气氛中，退火温度为450℃，退火温度保持时间为60秒，以使电极形成良好欧姆接触；

s31，第六次光刻：在器件表面依次先后旋涂光刻胶lor10a和光刻胶az5214，曝光显影，以露出加厚正、负电极所需窗口区域；

s32，等离子体去胶：采用氩气等离子体去胶工艺，去除干净曝光显影后残留的光刻胶底膜；

s33，加厚正、负电极：采用电子束蒸发工艺加厚正、负电极，从下到上依次蒸镀镍和金金属膜，蒸镀镍的厚度为25nm、蒸镀金的厚度为300nm；

s34，剥离：采用丙酮进行剥离，80℃水浴30分钟，超声清洗10分钟，异丙醇超声清洗5分钟，浓度2.38％的四甲基氢氧化氨溶液浸泡45秒，去离子水冲洗，氮气吹干，完成圆形正电极6和环形负电极7的制备(见图10)；

s35，封装：采用砂轮划片工艺对器件进行分割，采用低温绝缘胶将分割后的器件与热沉基板粘接在一起，采用金丝球焊工艺完成正电极引线8、负电极引线9的接入，器件制备完毕。

为了验证本实施例制得的台面式砷化镓掺硅阻挡杂质带太赫兹探测器的探测效果，分别利用本实施例制得的探测器和背电极收集模式的探测器对相同标准黑体辐射中的太赫兹辐射进行探测，测试结果如图11所示。结果表明，本实施例制得的探测器具有更大的响应率，即具有更强的光生载流子收集效率，从而验证了本发明的可行性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。