[发明专利]一种量子阱红外探测器件材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种量子阱红外探测器件材料的制备方法，包括提供半导体供体衬底，在半导体供体衬底上外延生长缓冲层，之后在缓冲层上生长牺牲层，之后在牺牲层上生长半导体薄膜层；以半导体薄膜层为注入面，对半导体晶片进行离子注入，在牺牲层内形成缺陷层，之后将半导体薄膜层与受体衬底正面键合并对键合结构进行退火处理，之后将半导体薄膜层沿缺陷层从供体衬底剥离，得到含有供体衬底的第一基底和含有受体基底的第二基底，后在去除牺牲层的第二基底上生长量子阱红外探测器结构。本发明采用含铝化合物作为牺牲层，利用层裂之后含铝化合物易氧化的特点，将处理牺牲层的工序简化，并且使得到的受体衬底材料和半导体供体衬底材料表面洁净。

技术领域

本发明属于量子阱红外探测技术应用领域，具体涉及一种供体衬底可重复利用，省去减薄工艺的量子阱红外探测器件的制备方法。

背景技术

随着军事国防、航空航天等领域的发展，对兼具探测效率高、响应速度快、光 谱波段宽、集成密度高、均匀性好等优点的大面阵红外焦平面阵列的需求越来越强 烈。目前，广泛应用于中红外和远红外的碲镉汞探测器，虽在量子效率、探测率以 及工作温度等方面有其显著优势，但生长工艺方面的严峻挑战如材料的稳定性和大 面积生长均匀性等问题已严重制约着其向成本低廉、均匀性好的大面阵红外焦平面 阵列方向发展。量子阱红外探测器(QWIP)由于其具有实现多色探测、大面阵、均 匀性、低成本量产等方面的独特优势，近年来得到了长足发展。QWIP最基本的结构 是一个量子阱层和一个势垒层交替而成，通常形成若干个周期以增强对光的吸收。 通过选取合适的材料体系，调节量子阱中两种材料的厚度和组分，QWIP的探测波长 范围可实现从近红外到长波红外的有效调节。

自1983年，J.S.Smith等人首次指出GaAs/AlxGa1-xAs多量子阱红外探测器在 3～5微米和8～14微米的潜在应用前景以来；二十年来,QWIP已从单元器件发展到 了焦平面器件。QWIP材料体系的选择，如GaAs/AlGaAs,InGaAs/InAlAs,InSb/InAsSb, InAs/GaInSb等,意味着其探测器结构均需在昂贵的III-V族化合物半导体衬底上生 长。在众多不同结构的探测器结构中，属GaAs/AlGaAs结构体系的研究较为成熟和 完善。

受高质量III-V族半导体衬底自身尺寸以及后期集成工艺的限制，基于III-V族大尺寸半导体衬底生长的量子阱红外探测器的发展举步维艰，也是其降低成本、走 向产业化的一个巨大障碍。然而，作为间接带隙半导体的硅材料，虽然发光性能很 差，但是价格便宜，器件集成工艺成熟，且大尺寸发展前景广阔。此外，在QWIP 的制备中，由于衬底存在电阻，会产生发热现象，需要将外延片的厚度从几百微米 以上减薄到100μm左右甚至更薄，来降低芯片欧姆接触的电阻，减少器件发热、提 高探测器寿命。

然而，减薄工艺会给衬底背面带来表面损伤，减薄后的外延片发生形变且容易碎裂，从而会影响成品率。尽管有抛光工艺的引入来去除上述的表面损伤层，消除 残余应力，但是工艺程序复杂化，成本提升以及残余应力不能完全消除依然是不能 回避的问题。由于硅对红外光是透过的，若能在硅基上实现QWIP器件的异质集成， 则能跳过减薄步骤，硅基另一方面还充当了热传导的载体。且硅基异质集成技术能 为器件与系统的设计制备提供更大的自由度，提升器件性能，可以很好的运用于 QWIP材料中。因此，在硅基上异质集成QWIP器件能有效降低成本、解决后续工艺 中的减薄问题，具有重要的实际意义。

柔性衬底是一直以来研究十分热门的话题。通常晶格失配的外延层在衬底表面形核生长，当外延层超过临界厚度时，会产生穿透位错贯穿到整个外延层。若采用 柔性衬底材料，由于穿透位错产生时外延层厚度大于柔性衬底厚度，产生的穿透位 错向柔性衬底内滑移，最后终止在柔性薄膜和外延层界面处形成界面位错，外延层 内没有穿透位错，材料晶体质量大大提高。因硅是一种很好的导热材料，采用硅基 柔性衬底也能缓解外延材料与衬底材料的热失配问题。