[实用新型]硅锗/硅异质结内发射红外探测器

说明书

本实用新型属红外探测器技术领域，具体涉及一种SiGe/Si异质结内发射红外探测器及其制备工艺。

SiGe/Si(硅锗/硅)异质结内光电发射红外探测器(以下简称SiGe/Si探测器)是九十年代发展起来的一种硅基探测器。由于硅的禁带宽度为1.1ev，锗的禁带宽度为0.67ev，因而这二种材料都无法用来研制工作波长大于1.5μm的探测器。SiGe/Si探测器是利用SiGe合金与Si材料之间的能带偏移而工作的。在红外辐照下，SiGe中的空穴跃迁过SiGe与Si之间的价带的势垒，形成光电流。这种探测器是一种光伏型的探测器。SiGe/Si探测器自问世以来，人们的工作一直集中于研制波长大于8μm的红外探测器。这种探测器固然有其在应用上的重要性，但是工作于该波段的SiGe/Si探测器有一个十分严重的缺点，就是工作温度太低，它只能在低于50K的温度下才可工作，因而必须配备特制的制冷机，无法用液态氮作致冷剂工作。这给应用带来很多的麻烦和困难，也带来了很多的限制。3-5μm波段是另一个重要的大气红外窗口。人们希望获得一种能够工作于3-5μm波段，且能在较高温度下工作的SiGe/Si红外探测器，扩大器件应用范围。

本实用新型的目的在于提出一种能够工作于3-5μm波段，且能在较高温度下工作的SiGe/Si红外探测器。

本实用新型提出的SiGe/Si异质结内光电发射红外探测器，由硅衬底片、及在硅衬底片上制作的SiO₂层、硼扩散区、淡磷扩散区、浓磷扩散区、红外探测窗口和电极等组成，其结构如图1和图2所示。其中，红外探测器窗口采用分子束外延生长的Si_1-xGe_x/Si异质结材料；合金Si_1-xG_x中，0.45≤x≤0.55，厚度为100-120埃，p型掺杂源为B₂O₃，p型掺杂浓度为10²⁰/cm³数量级。

本实用新型中，硅衬底片厚度为0.4-0.5mm，电阻率为10-20Ω-cm。在硅衬底片上用热氧化法生长有一SiO₂层，厚度为7000-10000埃。在SiO₂层上光刻有一方形环状硼扩散窗口p⁺，该p⁺区环的宽度为6±2μm，硼扩散区的方块电阻为10-20Ω/□，结深2±0.1μm；在p⁺区环的内周边所包围的区域内，光刻有一方形环状淡磷扩散区n，该n区的边环宽度为6±2μm，淡磷扩散区的方块电阻为450-550Ω/□，结深1±0.1μm；在n区的上侧处光刻有一浓磷扩散区n+(图中斜线部分)，浓磷扩散区的方块电阻为4-6Ω/□，结深为1±0.1μm；在图形的中央处光刻有一方形光敏区G(即红外探测窗口，图中由虚线框表示)，该区与n区的方形环部分重合，在光敏区用分子束外延技术生长有Si_1-xGe_x合金薄膜，厚度为100-120埃，0.45≤x≤0.55；在器件上面采用低温淀积技术淀积SiO₂层，厚度为7000-10000埃；在p+区与n+区光刻有引线孔C与C’；在引线孔C与C’处制作有铝电极T，厚度为2.2±0.3μm；在器件上面淀积有钝化用的介质膜层，该介质层可以用SiO₂或Si₃N₄，淀积温度不大于450℃，厚度为2000-3000埃。

由于本实用新型设计的红外探测器，所采用的Si_1-xGe_x/Si异质结材料(0.45≤x≤0.55)具有良好的性能，可以于3-5μm波段工作，探测器的工作温度高，可以大于80K，最高可以达到105K。在室温环境下，探测器可以用液态氮作致冷剂工作；而在太空环境中(环境温度为105K)，可以不用任何致冷剂进行工作；探测器还具有高的黑体响应率与黑体探测率；具有良好的性能均匀性，适宜于研制大规模红外探测器焦平面阵列；又由于探测器的制作工艺与硅的集成电路工艺完全相容，可用直径75cm或更大尺寸的硅片制作，可有高的成品率，其成本比化合物半导体探测器远为低廉，具有优越的性能价格比。

本实用新型设计的SiGe/Si异质结内发射红外探测器的制备工艺如下：

1、在硅底片上热氧化生成SiO₂层，厚度为7000埃-10000埃。