小型化锑化铟探测器制备

李海燕,刘佳星,杜红燕,杜孟新

(1.华北光电技术研究所,北京 100015；2.机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京 100055)

1 引 言

锑化铟材料为Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导体材料,晶体结构为稳定的闪锌矿结构,因高量子效率、高载流子迁移率等材料属性,锑化铟成为中波红外探测器制备的首选材料。自20世纪六七十年代至本世纪初,锑化铟红外探测器历经单元、少元、多元线列的一代器件发展至面阵凝视、超大规模面阵,技术逐渐成熟并进入大规模应用状态,基于锑化铟材料的红外探测器在中波波段表现出极高灵敏度、长期工作的性能稳定性以及高空间均匀性等特点,结合其良好的可生产性、低成本、高性价比等优点,锑化铟红外探测器具有良好的发展前景[1]。

随着红外探测技术的不断成熟发展,探测器阵列规模越来越大,像元规格已由原来的128×128发展到现在的640×512、2 k×2 k乃至4 k×4 k,随着面阵规格提升,配套杜瓦与制冷系统的规格也同步提升,这与人们对探测器轻型化、小型化的配置需求相左,为实现探测器芯片小型化、高密度高分辨率的制备,小像元尺寸、窄像元间距面阵芯片的制备技术提上日程,从国际主流厂商的产品参数来看,探测器像元尺寸由50 μm下降到30 μm、25 μm、15 μm,以以色列SCD公司研制的一款型号为“Blackbird”的产品为例,该产品为面阵规格1920×1536的锑化铟红外探测器,像元中心间距仅为10 μm。目前,国际主流厂商Raythoen、sofradior、SCD等公司探测器产品像元间距25 μm、15 μm产品已实现批量化生产,国内相关方面的研发一直处于落后状态,发展缓慢。近几年,随着国内红外焦平面探测器应用的增多及应用水平的提高,市场对锑化铟焦平面探测器的需求不断增加,本文在研究国外锑化铟产品发展路线的基础上,基于锑化铟材料,通过离子注入成结工艺、干法刻蚀工艺技术突破,研究窄像元间距探测器的研制。

表1 锑化铟探测器主要生产厂家及产品情况[2]

2 工艺设计

目前国内成熟的锑化铟红外探测器光敏芯片的制备工艺采用扩散工艺方式形成PN结结构,通过腐蚀液湿法腐蚀的技术制备台面结型焦平面阵列,研究国外主流厂商的产品研制技术路线,对比目前国内成熟的产品生产技术路线,出于提高器件性能与大面阵、窄间距焦平面阵列的研发目标,本文研究在采用离子注入技术与干法刻蚀技术制备焦平面阵列。

2.1 离子注入技术

从成结工艺发展技术路线来看,离子注入技术是继扩散技术之后发展起来的一种高精度可控成结技术。

图1 离子注入工艺原理图

离子注入工艺对注入杂质的高精度控制使其利于实现较大面积上薄而均匀的掺杂和更为理想的突变PN结,引入较小的噪声电流,实现高精度、高可重复性、高性能的材料掺杂[3],其精确设计与实现能力决定了器件PN结的光伏效能水平,从源头决定了探测器最终的整体性能效果,可自定义的掺杂设计使该工艺在器件性能提升、器件尺寸缩小方面起着至关重要的作用。离子注入技术之所以在国内没有全面推开使用在于其工艺实现难度高,因此,在国内目前锑化铟器件的研制中,扩散技术仍为主流技术,离子技术尚未达到批量化生产的技术水平。通过文献调研可制,用于锑化铟成结注入的元素有镁、铍、镉、锌等,注入元素质量大,注入易形成多孔材料表面,该表面很难用退火工艺进行弥补优化,因此,考虑到注入杂质质量越大,注入损伤越严重,越难消除,本文研究采用原子质量最小的铍元素进行注入[4-5]。

2.2 干法刻蚀技术

焦平面阵列分平面结结构、台面结结构,当像元间距缩小到一定程度时,平面结结构存在像元间信号串音的风险,因此台面结结构是器件发展到一定程度时必要采用的结构方案。台面结型焦平面阵列的制备方法有湿法腐蚀技术、干法刻蚀技术,湿法腐蚀技术目前应用成熟,其特点是纵向腐蚀过程中伴随着严重的横向钻蚀,在像元中心间距较大时,该工艺方案尚可使用,当像元中心间距缩小到一定程度时,湿法腐蚀技术会造成像元的严重损失,限制了小像元尺寸技术的发展,此时,就必须要采用干法刻蚀技术。

刻蚀工艺可实现高精度、微尺寸的图形刻蚀,其实现难点在于实现低粗糙度、低损伤的器件结构的制备,本文研究采用感应耦合等离子体干法刻蚀设备进行InSb台面结型焦平面阵列的制备工艺,实现小尺寸、高占空比焦平面阵列的制备。锑化铟材料在刻蚀气体体系上有氯基刻蚀气体体系、甲烷基刻蚀气体体系、氯基甲烷基混合刻蚀气体体系,最后一种刻蚀气体体系气体种类最多,刻蚀参数调整难度最大；对比前两种刻蚀气体体系,氯基刻蚀气体体系刻蚀速率更高,考虑实验中器件性能差别不大,本文最终选取氯基刻蚀气体体系进行台面成型[6-7]。

3 实验及结果

取N型<111>面InSb晶片,经清洗、表面腐蚀后,表面生长一层掩膜材料用于将材料表面与外界环境隔离,采用离子注入工艺将掺杂元素Be注入N型InSb材料中,退火加热激活注入杂质、消除注入损伤,经表面处理后形成具有良好表面状态的PN结结构材料；材料表面制备刻蚀掩膜,采用BCl3/Ar刻蚀气体体系组合进行干法刻蚀工艺形成台面结型焦平面阵列制备[4]；去除掩膜结构,进行表面处理后淀积钝化层结构,进行电极孔及电极制备,最终形成具有完整器件结构的台面结型焦平面阵列的光敏器件,工艺流程如图2所示。

图2 器件制备工艺流程

设计128×128面阵规格、像元中心间距15 μm、像元间距1 μm的光敏芯片光刻版图,台面刻蚀后焦平面阵列形貌如图3(a)所示,对比图3(b)湿法腐蚀工艺效果,刻蚀工艺制备的焦平面阵列,像元间隙可缩小到1～2 μm,像元占空比可达到70 %左右,而相同光刻线宽的情况下腐蚀工艺制备的器件占空比约42 %,像元占空比有明显提升,可明显提升组件的灵敏度与空间分辨率。

按图2描述工艺流程进行器件流片,对器件进行I-V测试,测试结果如图4所示,开路电压65～75 mV,零偏电流7～10 nA,反偏电压测至-1 V时仍能保持很好的性能曲线。将光敏芯片与电路芯片倒装互连、封装组件后进行测试,测试性能参数表2所示。组件参数性能表现良好。

图3 焦平面阵列效果图

图4 128/15 μm器件I-V特性图

表2 128/15 μm组件测试结果

在此基础上,设计128×128(10 μm)、像元间距1 μm的光敏芯片光刻版图进行进一步的窄间距器件试制探索(器件形貌图如图5所示),从工艺实现角度来看,占空比可达64 %左右,I-V性能测试结果显示器件性能表现良好且稳定。

图5 128/10 μm器件形貌图

图6 128/10 μm器件I-V特性图

4 总 结

本文针对国外技术路线,研究采用离子注入技术、干法刻蚀技术,初步实现了128×128阵列规格15 μm像元中心间距的锑化铟中波红外探测器的制备,并通过组件封装测试了器件性能,组件性能结果良好,在此基础上首次进行了128/10 μm面阵规格光敏芯片性能的研制,128/10 μm器件同样表现出良好的性能特点,像元间距缩小至1 μm,有效提高占空比。本文的研究内容初探离子注入技术、干法刻蚀技术的应用,为后续小型化、轻型化、高分辨率红外焦平面探测器的进一步研发与制备奠定了技术基础。