[发明专利]一种宽谱InGaAs雪崩焦平面探测器及其制造方法

说明书

本发明公开了一种宽谱InGaAs雪崩焦平面探测器及其制造方法。采用InP衬底和背照射结构。自衬底起依次包含InP腐蚀牺牲层，InGaAs腐蚀牺牲层，重掺杂InP腐蚀截止层，InGaAs吸收层，能带递变层，电荷层，重掺杂接触层，铟柱及读出电路；还公开了一种制造所述探测器的方法，主要步骤为：1)产生与读出电路互联的雪崩焦平面模块；2)机械研磨抛光InP衬底层；3)化学腐蚀掉InP牺牲层；4)化学腐蚀掉InGaAs牺牲层。本发明的优点在于实现InGaAs雪崩焦平面对400‑1700nm可见及近红外波段的宽光谱响应，控制精度高、损伤低。

技术领域

本发明属于半导体芯片制造技术领域，特别涉及一种宽谱InGaAs雪崩焦平面探测器及其制造方法。

背景技术

与InP衬底晶格匹配的InGaAs焦平面探测器，光谱响应范围900-1700nm，具有近室温工作、高探测率、高均匀性、性能稳定、低成本等优点，且具有优异的透烟、透雾及透尘埃成像能力，是短波红外探测器的理想选择之一。InGaAs 雪崩焦平面探测器基于InGaAs雪崩光电二极管像元，通过利用载流子的碰撞离化雪崩倍增效应，可在像元内实现高达105量级的光电流增益，突破量子效率瓶颈，灵敏度比传统基于PIN像元的InGaAs焦平面显著提升。此外，雪崩探测器像元由于宽耗尽或全耗尽，结电容更小带宽更高，使其兼具高速、高灵敏度的优良性能。上述突出优势使得InGaAs雪崩焦平面有望具备下一代红外焦平面所要求的主动/被动双模式、高灵敏、高速、多功能、多波段等特性，因而受到广泛的重视。

InGaAs雪崩焦平面在用作被动成像器件时，由于具有内增益，可获得比传统PIN焦平面更好的夜视成像效果，图像更清晰，细节更丰富。由于月光、大气辉光、星光等微光环境下的光子能量主要分布在400～2500nm可见-短波红外波段，且在400-900nm可见及近红外范围内的辐射度比900～2500nm更高，而常规InGaAs焦平面仅能覆盖900-1700nm范围，因此有大量400-900nm 可见及近红外范围内的环境光子并未被充分利用。使得InGaAs焦平面获得具有对400-900nm范围内得光子探测的能力，将极大地提升微光夜视成像效果。由于基于PIN像元的常规InGaAs焦平面结构简单，目前，国外已经有单位实现了其对可见光波段的响应拓展，并进行了可见-近红外宽光谱成像演示。2005 年，美国Sensor Unlimited公司已基于InP衬底剥离工艺，成功研制出基于 InGaAs/InP PIN像元的可见拓展焦平面探测器，400nm波长量子效率为15％，实现了增强的宽光谱夜视成像效果(T.Martin et al.,Proc.of SPIE 5783,12-20 (2005))。2012年，以色列SCD公司也研制出类似的可见拓展InGaAs PIN焦平面器件(R.Fraenkel et al.,Proc.of SPIE 8353,835305-1(2012))。

对于InGaAs雪崩焦平面而言，由于存在像元内增益，因此，若将InGaAs 雪崩焦平面的光谱响应范围也由900-1700nm拓展至覆盖可见光波段的 400-1700nm，将能更充分利用目标反射的光子能量，能同时发挥内增益和宽谱响应的双重优势，获得更清晰的图像和更多目标信息，增强夜视成像能力。而由于InGaAs雪崩焦平面的工作原理、器件结构及制备工艺均比PIN焦平面复杂，目前尚没有基于雪崩光电二极管像元的InGaAs雪崩焦平面探测器。实现可见响应拓展技术上存在困难，需同时在雪崩探测器像元器件结构设计和光谱拓展工艺上进行技术创新创造。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有可见-近红外宽光谱响应能力的InGaAs雪崩焦平面探测器。

为解决上述问题，本发明公开了一种InGaAs雪崩焦平面探测器，其结构依次包括：InP衬底层1，InP腐蚀牺牲层2，InGaAs腐蚀牺牲层3，重掺杂InP腐蚀截止层4，InGaAs光吸收层5，能带过渡层6，电荷层7，雪崩层 8，电极接触层9，铟柱10和Si读出电路11，见附图1。