Comment faire la jonction PN de la puce photosensible 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/; ou envoyez vos demandes àsales@ganwafer.com. En tant que matériau semi-conducteur à bande interdite directe, InSb a une petite masse effective d'électrons, une mobilité élevée et une bande interdite étroite (0,17eV à 300K et 0,23eV à 77K). A basse température, InSb a un coefficient d'absorption élevé pour la lumière infrarouge (~10¹⁴cm^-1), une efficacité quantique supérieure ou égale à 80%, et une grande mobilité des porteurs (un~10⁵cm²∙V^-1∙s^-1).

Avec le développement continu de la technologie de détection infrarouge, les puces photosensibles basées sur des matériaux InSb ont connu le processus de développement des puces unitaires aux puces multi-éléments, line array et area array. Après le processus d'interconnexion flip-chip, la puce photosensible et le circuit de traitement du signal sont combinés et placés sur le plan focal du système optique, qui constitue le composant central de la détection de signal infrarouge. Dans la réalisation de la conversion photoélectrique, les performances de la puce photosensible InSb sont l'un des facteurs clés qui déterminent le niveau de détection du détecteur à plan focal. Lors de la préparation de la puce photosensible à matrice de zones InSb, la qualité de la jonction PN et l'isolation efficace des unités de pixels photosensibles sont les éléments clés de la préparation de la puce à matrice de zones. Parmi eux, le processus de préparation de la jonction PN est divisé en un processus de diffusion, un processus d'implantation ionique et un processus d'épitaxie, qui sont des technologies courantes pour la fabrication de détecteur infrarouge InSb. Pour différentes techniques de fabrication de jonction PN, les techniques de fabrication de structure de réseau de surface correspondantes sont également différentes. La technologie de fabrication de la puce photosensible est introduite selon des procédés de préparation de jonction PN.

1. Processus de diffusion thermique

Le procédé de diffusion thermique est la première méthode de procédé développée et mature. Le principe du processus est d'obtenir suffisamment d'énergie pour que les atomes de l'élément dopant pénètrent dans le cristal d'antimoniure d'indium et occupent les lacunes du réseau grâce à la méthode de chauffage à haute température, afin de réaliser le dopage de l'élément et la modification du matériau. La technologie du processus de diffusion est mature et l'équipement est simple, mais la capacité de contrôle des impuretés de dopage est faible. Par conséquent, la répétabilité entre les lots et entre les substrats InSb dans le même lot est relativement médiocre, et le contrôle de l'uniformité de la diffusion du réseau à grande surface est médiocre ; il y a une importante diffusion latérale lors de l'incorporation verticale d'éléments d'impuretés dans le matériau, comme le montre la figure 1. Par conséquent, dans la préparation d'une puce photosensible à matrice de zones InSb, il est généralement nécessaire d'utiliser une technique de gravure humide ou une gravure sèche technique pour préparer un réseau plan focal à jonction mesa (FPA).

Fig. 1 Diagramme des effets de la diffusion latérale

2. Processus d'implantation ionique

Le procédé d'implantation ionique est né du besoin de jonctions PN plus performantes. Le processus d'implantation ionise les éléments d'impuretés en particules à haute énergie à travers les composants de source d'ions de l'équipement, et implante des ions à haute énergie avec une énergie élevée allant jusqu'à des kilogrammes et des billions dans le matériau du substrat à travers des pipelines tels que des tubes d'accélération, de manière à réaliser le dopage des composants du matériau et modifier les propriétés du matériau. On peut savoir d'après le processus de réalisation du processus et le principe du processus que dans le processus de dopage du matériau de substrat dans le processus de diffusion, la concentration de dopage à la surface du matériau est la plus élevée. Au fur et à mesure que la profondeur de dopage augmente, la concentration de dopage diminue progressivement et le processus de diffusion devient une jonction graduée. Pendant le processus de formation de jonction du processus d'implantation, les particules à haute énergie sont gênées par les noyaux et les électrons internucléaires après avoir été implantées dans le matériau du substrat, et ralentissent progressivement et restent à une certaine profondeur. Implantez la concentration la plus élevée à un emplacement dans la plage d'implantation autre que la surface du matériau de substrat. La distribution des éléments implantés est relativement concentrée et la jonction PN formée est une structure de jonction abrupte. Si le processus est correctement conçu, une jonction PN avec d'excellentes performances peut être obtenue et le courant de bruit de l'appareil peut être réduit.

Fig. 2 Schéma de principe de l'implantation ionique

Pour la préparation de puces photosensibles infrarouges à base d'InSb, l'avantage du processus d'implantation ionique est que l'énergie et la dose d'implantation peuvent être librement contrôlées, et la quantité et la profondeur des impuretés implantées peuvent être contrôlées avec précision, de manière à obtenir des résultats extrêmement faibles et peu profonds. implantation de jonction. Les impuretés implantées sont presque verticalement incidentes dans le matériau de base selon le motif du masque, et il n'y aura pas de diffusion latérale sérieuse ; l'équipement est hautement automatisé, ce qui permet d'obtenir un dopage uniforme sur une grande surface, avec une bonne répétabilité, garantissant la précision et la répétabilité du dopage. Une seule impureté peut être sélectionnée avec précision pour assurer la pureté de l'élément dopant. Comparé au processus de diffusion, le processus d'implantation ionique ne nécessite pas de traitement à haute température et le temps de traitement est plus court que le processus de diffusion, ce qui peut améliorer efficacement l'efficacité de production des puces photosensibles InSb.

Compte tenu des avantages de la collimation par dopage vertical de l'implantation ionique, la structure de la puce photosensible à réseau matriciel adaptée au processus d'implantation ionique est généralement une structure de jonction plane. Le processus d'implantation ionique combiné à la structure de jonction plane présente les avantages suivants :

1) Réduire les étapes de processus telles que les processus de photolithographie, de corrosion et de gravure impliqués dans l'isolation des pixels ;

2) L'intégrité du réseau de surface photosensible est meilleure, les bulles ne sont pas faciles à apparaître dans le processus d'interconnexion et de distribution ultérieur, et la capacité de réponse au stress est plus forte dans le processus de meulage, de polissage et d'amincissement ;

3) Il n'est pas nécessaire de préparer une structure de rainure pour obtenir une isolation des pixels, ce qui peut réduire la distance centrale des pixels et réduire la taille de la puce de réseau de zone InSb. Ainsi, la taille de la structure Dewar de support et de réfrigération est réduite, et la consommation d'énergie et le coût sont réduits.

3. Processus d'épitaxie InSb

À en juger par les performances présentées par les films épitaxiaux actuels, l'épitaxie est une technologie prometteuse de fabrication de réseau plan focal InSb. La croissance épitaxiale est une technologie de préparation consistant à faire croître une nouvelle couche monocristalline selon l'orientation cristalline d'origine sur un substrat InSb monocristallin dont la surface a été soigneusement traitée à une température inférieure au point de fusion du cristal. Une caractéristique importante de la technologie épitaxiale est que lors de la préparation de la couche cristalline épitaxiale InSb, la concentration en impuretés dans la couche peut être ajustée en contrôlant la teneur en impuretés dans la réaction, qui n'est pas affectée par le type de substrat et le niveau de dopage des impuretés. . Par conséquent, lorsque la jonction PN est formée par cette technique, la distribution des impuretés peut être proche de la distribution abrupte idéale des impuretés. Les méthodes de processus d'épitaxie couramment utilisées comprennent MBE, MOCVD, LPE et MSE, etc.

Fig. 3 Schéma de principe du principe de croissance de la couche épitaxiale MBE

Le processus épitaxial peut fournir des structures de dispositif plus avancées. L'avantage de la technologie épitaxiale est que le type de conductivité du semi-conducteur développé peut être contrôlé à la demande pendant le processus de cristallisation épitaxiale InSb, et la quantité de dopage d'impuretés peut être ajustée à tout moment. Il a une croissance uniforme, un dopage in situ, un contrôle en temps réel et aucun besoin de réduire En raison des avantages de la minceur et d'autres avantages, différentes structures de dispositif peuvent être conçues et fabriquées en contrôlant les paramètres du dispositif dans le processus d'épitaxie, de manière à pour réaliser la fabrication de dispositifs de travail à haute température et de dispositifs de travail à double bande polychromatique.

Étant donné que le processus épitaxial adopte la méthode de croissance de la puce entière, il ne peut être utilisé que pour la préparation de dispositifs à structure de jonction mesa.

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