一种InAs/GaSbII类超晶格红外探测器的制备方法与流程

一种inas/gasb ii类超晶格红外探测器的制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种inas/gasb ii类超晶格红外探测器的制备方法。


背景技术：

2.任何非绝对零度的物体时时刻刻都在不停对外辐射一种电磁波。在温度较低时，如在室温300k下，其辐射电磁波的波长处于红外波段，即波长处于约0.72-1000μm。这种电磁波称之为红外光，用人眼是无法直接观察到的。对于地球表面的一般物体，无论是有生命体的(动物体)还是无生命体的(山脉，湖泊等)都在辐射红外光。尤其是对于一些军事装备比如战机，坦克，军舰等，它们具有一定的高温部分，所以能够形成很强的红外辐射源，而红外光是无法直接用眼睛直接观察到的，这就造就了红外研究在军事领域的重要地位。
3.实现高灵敏度、高分辨率的红外探测器是现阶段第三代探测器发展的重要方向之一，其中inas/gasb ii类超晶格红外探测器具有带隙可灵活调节、良品率高等优点，其性能有望能与碲镉汞(hgcdte)材料相媲美，具有极大的发展潜力。制约inas/gasb ii类超晶格红外探测器性能的最重要的一个参数就是暗电流密度，较高的暗电流密度将导致商用化读出电路很难与其进行匹配连接，暗电流主要有体暗电流和表面暗电流两部分组成，随着近年来异质外延工艺的优化以及新型结构的提出，材料质量得到了大幅提升，体暗电流得到了极大抑制，表面漏电流成为了暗电流的主要部分。
4.传统的inas/gasb ii类超晶格红外探测器通常采用台面结构进行制备，在对台面进行刻蚀时，半导体化学键将会断裂产生大量的悬挂键，影响pn结结区的性能，产生表面漏电流。此外，台面侧壁还受到蚀刻洁净度、粗糙度、元素配比等多重因素影响，因此，台面结侧壁质量对器件的表面漏电特性有着很大的影响。
5.传统意义上的刻蚀时指，按照设计的结构，在一定尺寸的衬底上(通常是2英寸或者4英寸)，采用分子束外延或者气相外延等手段，制备出芯片所需的完整外延膜，然后通过物理或化学的方法有选择性的去除半导体薄膜的部分区域以形成特定的形状。目前，gasb材料的主流刻蚀技术包括干法和湿法刻蚀。干法刻蚀是指在低气压下与等离子体有关的刻蚀方法，主要包括离子束刻蚀、反应离子刻蚀、电离耦合等离子刻蚀以及等离子体刻蚀等。湿法刻蚀是指将被刻蚀衬底材料浸入配置好的溶液中，利用材料与试剂的化学反应而达到去除表层材料的效果。干法刻蚀虽然具有各项异性、重复性好等优点，但会产生明显的刻蚀损伤而对器件性能产生影响，相比于干法刻蚀，湿法刻蚀具有刻蚀损伤小，生产成本低，表面清洁及实验周期短等优点，在gasb器件方面具有独特优势，是目前gasb刻蚀技术研究重点方向。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中inas/gasb ii类超晶格红外探测器刻蚀后暗电流较大的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种inas/gasb ii类超晶格红外探测器的制备方法，
所述制备方法包括：
7.s1、在gasb衬底上溅射sio2层；
8.s2、在sio2层上粘附光刻胶层，并通过掩膜板对光刻胶层进行曝光；
9.s3、对曝光后的光刻胶层进行图案化处理；
10.s4、对sio2层进行蚀刻，并去除光刻胶层；
11.s5、在sio2层的间隙内生长inas/gasb ii类超晶格台；
12.s6、蚀刻去除sio2层；
13.s7、在inas/gasb ii类超晶格台的台面及侧壁制备金属电极。
14.优选地，在步骤s1中，对gasb衬底清洗烘干后，溅射sio2层。
15.优选地，在步骤s2之前，对sio2层表面进行超声清洗，清洗方法包括：
16.采用标准rca清洗工艺，使用去离子水对sio2层表面反复冲洗多次，使用氮气对sio2层表面吹干；
17.吹干后，样品在150℃干燥箱，干燥2分钟。
18.优选地，在步骤s2中包括如下方法步骤：
19.匀胶：对sio2层上粘附的光刻胶层进行匀胶；
20.前烘：匀胶后，将样品放置于培养皿中并盖好，在100℃的干燥箱内前烘2min，然后降温；
21.曝光：将掩膜版上的几何图形与光刻胶层的位置对准后曝光。
22.优选地，在步骤s3中包括如下方法步骤：
23.显影：曝光后的样品浸入到盛有显影液的烧杯中，不断晃动，对曝光后的光刻胶层进行充分溶解，并控制显影时间，然后用去离子水冲洗，在光刻胶层上显示几何图形；
24.坚膜：将样品120℃下热板烘烤120-150s，对光刻胶层进行坚膜。
25.优选地，在步骤s4中包括如下方法步骤：
26.用hf缓冲液对溅射的sio2层腐蚀，腐蚀后用去离子水反复多次冲洗或超声清洗样品；
27.通过去胶液去除sio2层上的光刻胶。
28.优选地，在步骤s7中采用电子束蒸发沉积ti/pt/au的方法在inas/gasb ii类超晶格台的台面及侧壁制备金属电极。
29.本发明提供的一种inas/gasb ii类超晶格红外探测器的制备方法，预先在gasb衬底上选择光刻后再进行外延生长的工艺，图形化衬底减少表面悬挂键，通过图形化衬底使异质结构自然生长，避免了外延片被切割导致的表面恶化，图形化gasb衬底的手段，有效抑制了红外探测器存在的表面暗电流。
30.本发明提供的一种inas/gasb ii类超晶格红外探测器的制备方法，针对传统的衬底外延后再进行刻蚀的方法提出改进，提出先对衬底进行刻蚀图形化，再进行外延生长，极大地避免了外延部分化学键的断裂，有效抑制了传统ii类超晶格红外探测器存在的较大的表面暗电流。
31.本发明提供的一种inas/gasb ii类超晶格红外探测器的制备方法，先通过光刻技术将光刻胶进行光刻曝光，然后用物理或化学的方法将光刻胶未覆盖区域从材料表面除去，达到将掩膜版图形转移到材料表面。通过调控刻蚀速率实现低成本、低粗糙度、高清洁
度的图形化gasb衬底，实现了低表面暗电流的红外探测器，实现表面漏电流较小的inas/gasb ii类超晶格红外探测器。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1示意性示出了本发明一个实施例中一种inas/gasb ii类超晶格红外探测器的制备方法工艺流程图。
具体实施方式
34.为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
35.在长波及甚长波inas/gasb ii类超晶格红外探测器中，表面漏电流是暗电流的主要机制之一，为了解决现有技术中inas/gasb ii类超晶格红外探测器刻蚀后暗电流较大的技术问题，如图1所示本发明一个实施例中一种inas/gasb ii类超晶格红外探测器的制备方法工艺流程图，根据本发明的实施例，提供一种inas/gasb ii类超晶格红外探测器的制备方法，包括以下方法步骤：
36.步骤s1、在gasb衬底100上溅射sio2层200。
37.具体地，对gasb衬底100清洗烘干后，溅射sio2层200。
38.步骤s2、在sio2层200上粘附光刻胶层300，并通过掩膜板400对光刻胶层300进行曝光。
39.在sio2层200上粘附光刻胶层300之前，为保证sio2层200表面清洁度，对sio2层200表面进行超声清洗，去除sio2层200表面上可能存在的油污和微小颗粒等表面污染物。
40.对sio2层200表面进行超声清洗，清洗方法包括：
41.采用标准rca清洗工艺，使用去离子水对sio2层表面反复冲洗多次，使用氮气对sio2层表面吹干；
42.吹干后，样品在150℃干燥箱，干燥2分钟，除去sio2层200表面残留的水蒸气，增加sio2层200对光刻胶的粘附性。
43.清洗完成后为保持疏水性表面，需要把样品存放在干净的干燥箱或尽快完成光刻工艺。
44.对sio2层200表面清洗、烘干后，在sio2层200上粘附光刻胶层300，并通过掩膜板400对光刻胶层300进行曝光，包括如下方法步骤：
45.匀胶：对sio2层200上粘附的光刻胶层300进行匀胶。
46.具体的实施例中，打开匀胶机，设置匀胶的转速和时间。将清洗干燥后样品放置在载物台中心位置，滴适量的光刻胶于样品中心，光刻胶的使用量由衬底大小和光刻胶类型决定，匀胶停止后检查样品表面光刻胶是否完全覆盖。
47.前烘：匀胶后，将样品放置于培养皿中并盖好，在100℃的干燥箱内前烘2min，然后降温。此步骤的目的是蒸发掉光刻胶中大部分溶剂(光刻胶未前烘时含有10-30％的溶剂，前烘后则降至5％左右)。
48.曝光：将掩膜版400上的几何图形与光刻胶层300的位置对准后曝光。
49.步骤s3、对曝光后的光刻胶层300进行图案化处理。
50.图案化处理的过程包括如下方法步骤：
51.显影：曝光后的样品浸入到盛有显影液的烧杯中，不断晃动，对曝光后的光刻胶层进行充分溶解，并控制显影时间，然后用去离子水冲洗，在光刻胶层300上显示几何图形。
52.坚膜：将样品120℃下热板烘烤120-150s，对光刻胶层300进行坚膜。
53.步骤s4、对sio2层200进行蚀刻，并去除光刻胶层。
54.对光刻胶层300图案化后，进行sio2层200蚀刻，包括如下方法步骤：
55.用hf缓冲液对溅射的sio2层200腐蚀，腐蚀后用去离子水反复多次冲洗或超声清洗样，防止化学试剂和污染物的残留。
56.通过去胶液去除sio2层200上的光刻胶。
57.本发明sio2层200采用hf缓冲液蚀刻，sio2刻蚀液通常由hf、nh4f和去离子水(di)组成。hf对sio2和gasb的腐蚀有着极高的选择性，选择性腐蚀能力通常能大于100∶1。gasb在刻蚀液中的反应过程本质属于电化学反应。这一反应主要包括两个过程：
58.(1)gasb表层被氧化；
59.(2)氧化产物溶解。
60.因此刻蚀液中需要含有氧化剂、络合剂两种最基本的成分，刻蚀反应过程才能顺利发生。当gasb表层与刻蚀液接触时，其表面产生了一个由大量微阳极区和微阴极区构成的微电极区，此时材料表面和刻蚀液之间的反应界面在宏观上仍呈电中性。在反应过程中，微阳极区发生氧化反应，即gasb在氧化剂的作用下生成氧化物(ga2o3、sb2o3)，氧化物在微阴极区进一步络合溶解。反应过程可以分为以下三个基本步骤：
61.a、氧化物、络合剂等组分在刻蚀液中发生不同程度的电离，电离具有反应活性的离子和自由基，其在溶液中扩散后与材料表面接触；
62.b、在材料和溶液的界面发生化学反应后，材料表层开始溶解；
63.c、可溶性氧化产物向溶液中扩散，部分难溶产物与络合剂络合后向溶液中扩散，而部分难溶物可能沉积到材料表面。
64.步骤s5、在sio2层200的间隙内生长inas/gasb ii类超晶格台500。即在sio2层200蚀刻后的间隙内进行inas/gasb ii类超晶格的外延生长。
65.s6、蚀刻去除sio2层200。
66.使用hf缓冲液对sio2层200腐蚀一定厚度后进行清洗，去除sio2层200。
67.s7、在inas/gasb ii类超晶格台500的台面及侧壁制备金属电极。
68.采用电子束蒸发沉积ti/pt/au的方法在inas/gasb ii类超晶格台的台面及侧壁制备金属电极。实施例中，在inas/gasb ii类超晶格台500的台面制备第一金属电极501，在inas/gasb ii类超晶格台500的侧壁制备第二金属电极502。
69.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种inas/gasb ii类超晶格红外探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：s1、在gasb衬底上溅射sio2层；s2、在sio2层上粘附光刻胶层，并通过掩膜板对光刻胶层进行曝光；s3、对曝光后的光刻胶层进行图案化处理；s4、对sio2层进行蚀刻，并去除光刻胶层；s5、在sio2层的间隙内生长inas/gasb ii类超晶格台；s6、蚀刻去除sio2层；s7、在inas/gasb ii类超晶格台的台面及侧壁制备金属电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，对gasb衬底清洗烘干后，溅射sio2层。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s2之前，对sio2层表面进行超声清洗，清洗方法包括：采用标准rca清洗工艺，使用去离子水对sio2层表面反复冲洗多次，使用氮气对sio2层表面吹干；吹干后，样品在150℃干燥箱，干燥2分钟。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s2中包括如下方法步骤：匀胶：对sio2层上粘附的光刻胶层进行匀胶；前烘：匀胶后，将样品放置于培养皿中并盖好，在100℃的干燥箱内前烘2min，然后降温；曝光：将掩膜版上的几何图形与光刻胶层的位置对准后曝光。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s3中包括如下方法步骤：显影：曝光后的样品浸入到盛有显影液的烧杯中，不断晃动，对曝光后的光刻胶层进行充分溶解，并控制显影时间，然后用去离子水冲洗，在光刻胶层上显示几何图形；坚膜：将样品120℃下热板烘烤120-150s，对光刻胶层进行坚膜。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s4中包括如下方法步骤：用hf缓冲液对溅射的sio2层腐蚀，腐蚀后用去离子水反复多次冲洗或超声清洗样品；通过去胶液去除sio2层上的光刻胶。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s7中采用电子束蒸发沉积ti/pt/au的方法在inas/gasb ii类超晶格台的台面及侧壁制备金属电极。

技术总结
本发明提供了一种InAs/GaSb II类超晶格红外探测器的制备方法包括：S1、在GaSb衬底上溅射SiO2层；S2、在SiO2层上粘附光刻胶层，并通过掩膜板对光刻胶层进行曝光；S3、对曝光后的光刻胶层进行图案化处理；S4、对SiO2层进行蚀刻，并去除光刻胶层；S5、在SiO2层的间隙内生长InAs/GaSb II类超晶格台；S6、蚀刻去除SiO2层；S7、在InAs/GaSb II类超晶格台的台面及侧壁制备金属电极。本发明针对传统的衬底外延后再进行刻蚀的方法提出改进，提出先对衬底进行刻蚀图形化，再进行外延生长，极大地避免了外延部分化学键的断裂，有效抑制了传统II类超晶格红外探测器存在的较大的表面暗电流。外探测器存在的较大的表面暗电流。外探测器存在的较大的表面暗电流。


技术研发人员：祝连庆 杨懿琛 郑显通 张东亮 柳渊 鹿利单
受保护的技术使用者：广州市南沙区北科光子感知技术研究院
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/8/4