¿Cómo hacer la unión PN del chip fotosensible InSb?

insb wafer

¿Cómo hacer la unión PN del chip fotosensible InSb?

In terms of mid-infrared detection in the 3-5um band, detectors based on InSb materials stand out from many material devices due to their mature material technology, high sensitivity, and good stability. InSb has become the preferred material for the preparation of mid-wave infrared detectors. Ganwafer can supply InSb wafers for infrared detectors, more specifications please view: https://www.ganwafer.com/product/insb-wafer/; o envía tus consultas asales@ganwafer.com. Como material semiconductor de banda prohibida directa, el InSb tiene una masa efectiva de electrones pequeña, alta movilidad y banda prohibida estrecha (0,17 eV a 300 K y 0,23 eV a 77 K). A baja temperatura, el InSb tiene un alto coeficiente de absorción para la luz infrarroja (~1014cm-1), una eficiencia cuántica mayor o igual al 80%, y una alta movilidad de la portadora (un~105cm2∙V-1∙s-1)

Con el desarrollo continuo de la tecnología de detección infrarroja, los chips fotosensibles basados ​​en materiales InSb han experimentado el proceso de desarrollo desde chips unitarios hasta chips multielemento, de matriz lineal y de matriz de área. Después del proceso de interconexión flip-chip, el chip fotosensible y el circuito de procesamiento de señales se combinan y se colocan en el plano focal del sistema óptico, que constituye el componente central de la detección de señales infrarrojas. En la realización de la conversión fotoeléctrica, el rendimiento del chip fotosensible InSb es uno de los factores clave que determinan el nivel de detección del detector de plano focal. En la preparación del chip fotosensible de matriz de área InSb, la calidad de la unión PN y el aislamiento efectivo de las unidades de píxeles fotosensibles son las claves fundamentales para la preparación del chip de matriz de área. Entre ellos, el proceso de preparación de la unión PN se divide en un proceso de difusión, un proceso de implantación de iones y un proceso de epitaxia, que son las principales tecnologías para la fabricación de detectores de infrarrojos InSb. Para diferentes técnicas de fabricación de uniones PN, las correspondientes técnicas de fabricación de estructuras de matriz de superficie también son diferentes. La tecnología de fabricación del chip fotosensible se introduce de acuerdo con los procesos de preparación de uniones PN.

1. Proceso de difusión térmica

El proceso de difusión térmica es el primer método de proceso desarrollado y maduro. El principio del proceso es obtener suficiente energía para que los átomos del elemento dopante entren en el cristal de antimonuro de indio y ocupen las vacantes de la red mediante el método de calentamiento a alta temperatura, para realizar el dopaje del elemento y la modificación del material. La tecnología del proceso de difusión está madura y el equipo es simple, pero la capacidad de control de las impurezas dopantes es deficiente. Por lo tanto, la repetibilidad entre lotes y entre sustratos de InSb en el mismo lote es relativamente mala y el control de uniformidad de la difusión de matriz de área grande es pobre; existe una importante difusión lateral durante la incorporación vertical de elementos de impureza en el material, como se muestra en la figura 1. Por lo tanto, en la preparación de un chip fotosensible de matriz de área de InSb, generalmente es necesario utilizar una técnica de grabado en húmedo o un grabado en seco. técnica para preparar una matriz de plano focal de unión de mesa (FPA).

Effect Diagram of Lateral Diffusion

Fig. 1 Diagrama de efectos de la difusión lateral

2. Proceso de implantación de iones

El proceso de implantación de iones nació de la necesidad de uniones PN de mayor rendimiento. El proceso de implantación ioniza los elementos de impureza en partículas de alta energía a través de los componentes de fuente de iones del equipo, e implanta iones de alta energía con alta energía de hasta kilogramos y trillones en el material del sustrato a través de tuberías como tubos de aceleración, a fin de realizar el dopaje de los componentes del material y cambiar las propiedades del material. Se puede saber a partir del proceso de realización del proceso y el principio del proceso que en el proceso de dopado del material del sustrato en el proceso de difusión, la concentración de dopado en la superficie del material es la más alta. A medida que aumenta la profundidad de dopaje, la concentración de dopaje disminuye gradualmente y el proceso de difusión se convierte en una unión graduada. Durante el proceso de formación de la unión del proceso de implantación, las partículas de alta energía se ven obstaculizadas por los núcleos y los electrones internucleares después de implantarse en el material del sustrato, y gradualmente se desaceleran y permanecen a cierta profundidad. Implante la concentración más alta en una ubicación en el rango de implante que no sea la superficie del material del sustrato. La distribución de los elementos implantados está relativamente concentrada y la unión PN formada es una estructura de unión abrupta. Si el proceso está correctamente diseñado, se puede obtener una unión PN con un excelente rendimiento y se puede reducir la corriente de ruido del dispositivo.

Ion Implantation

Fig. 2 Diagrama esquemático de la implantación de iones

Para la preparación de chips fotosensibles infrarrojos basados ​​en InSb, la ventaja del proceso de implantación de iones es que la energía y la dosis de implantación se pueden controlar libremente, y la cantidad y profundidad de las impurezas implantadas se pueden controlar con precisión, a fin de lograr niveles extremadamente bajos y superficiales. implantación de unión. Las impurezas implantadas inciden casi verticalmente en el material base de acuerdo con el patrón de la máscara, y no habrá una difusión lateral importante; el equipo está altamente automatizado, lo que puede lograr un dopaje uniforme en un área grande, con buena repetibilidad, lo que garantiza la precisión y la repetibilidad del dopaje. Se puede seleccionar con precisión una única impureza para garantizar la pureza del elemento dopante. En comparación con el proceso de difusión, el proceso de implantación de iones no requiere tratamiento a alta temperatura y el tiempo de proceso es más corto que el proceso de difusión, lo que puede mejorar efectivamente la eficiencia de producción de los chips fotosensibles InSb.

En vista de las ventajas de la colimación de dopaje vertical de la implantación de iones, la estructura del chip fotosensible de matriz de área emparejado con el proceso de implantación de iones es generalmente una estructura de unión plana. El proceso de implantación de iones combinado con la estructura de unión plana tiene las siguientes ventajas:

1) Reducir los pasos del proceso, como los procesos de fotolitografía, corrosión y grabado involucrados en el aislamiento de píxeles;

2) La integridad de la matriz de superficie fotosensible es mejor, no es fácil que aparezcan burbujas en el proceso posterior de interconexión y dispensación, y la capacidad de respuesta al estrés es más fuerte en el proceso de esmerilado, pulido y adelgazamiento;

3) No es necesario preparar una estructura de ranura para lograr el aislamiento de píxeles, lo que puede reducir la distancia del centro del píxel y reducir el tamaño del chip de matriz de área InSb. Por lo tanto, se reduce el tamaño de la estructura de refrigeración y Dewar de soporte, y se reducen el consumo de energía y el costo.

3. Proceso de epitaxia InSb

A juzgar por el rendimiento exhibido por las películas epitaxiales actuales, la epitaxia es una tecnología prometedora de fabricación de matriz de plano focal de InSb. El crecimiento epitaxial es una tecnología de preparación para hacer crecer una nueva capa monocristalina de acuerdo con la orientación original del cristal en un sustrato de InSb monocristalino cuya superficie ha sido cuidadosamente procesada a una temperatura inferior al punto de fusión del cristal. Una característica importante de la tecnología epitaxial es que durante la preparación de la capa de cristal epitaxial de InSb, la concentración de impurezas en la capa se puede ajustar controlando el contenido de impurezas en la reacción, que no se ve afectado por el tipo de sustrato y el nivel de dopaje de impurezas. . Por lo tanto, cuando la unión PN se forma mediante esta técnica, la distribución de impurezas puede estar cerca de la distribución de impurezas abrupta ideal. Los métodos de proceso de epitaxia comúnmente utilizados incluyen MBE, MOCVD, LPE y MSE, etc.

Growth Principle of MBE Epitaxial Layer

Fig. 3 Diagrama esquemático del principio de crecimiento de la capa epitaxial MBE

El proceso epitaxial puede proporcionar estructuras de dispositivos más avanzadas. La ventaja de la tecnología epitaxial es que el tipo de conductividad del semiconductor desarrollado se puede controlar a pedido durante el proceso de cristalización epitaxial de InSb, y la cantidad de impurezas dopantes se puede ajustar en cualquier momento. Tiene un crecimiento uniforme, dopaje in situ, control en tiempo real y no es necesario reducir. Debido a las ventajas de la delgadez y otras ventajas, se pueden diseñar y fabricar diferentes estructuras de dispositivos controlando los parámetros del dispositivo en el proceso de epitaxia, de modo que para realizar la fabricación de dispositivos de trabajo de alta temperatura y dispositivos de trabajo de doble banda policromática.

Dado que el proceso epitaxial adopta el método de crecimiento de chip completo, solo se puede utilizar para la preparación de dispositivos de estructura de unión mesa.

Para obtener más información, contáctenos por correo electrónico a sales@ganwafer.com y tech@ganwafer.com.

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