Come realizzare una giunzione PN del chip fotosensibile 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 invia le tue richieste asales@ganwafer.com. In quanto materiale semiconduttore a banda proibita diretta, InSb ha una piccola massa effettiva di elettroni, un'elevata mobilità e una stretta banda proibita (0,17eV a 300K e 0,23eV a 77K). A bassa temperatura, InSb ha un elevato coefficiente di assorbimento della luce infrarossa (~10¹⁴cm^-1), un'efficienza quantistica maggiore o uguale all'80% e un'elevata mobilità della portante (un~10⁵cm²∙V^-1∙s^-1).

Con il continuo sviluppo della tecnologia di rilevamento a infrarossi, i chip fotosensibili basati su materiali InSb hanno sperimentato il processo di sviluppo dai chip unitari ai chip multi-elemento, line array e area array. Dopo il processo di interconnessione flip-chip, il chip fotosensibile e il circuito di elaborazione del segnale vengono combinati insieme e posizionati sul piano focale del sistema ottico, che costituisce il componente principale del rilevamento del segnale a infrarossi. Nella realizzazione della conversione fotoelettrica, le prestazioni del chip fotosensibile InSb sono uno dei fattori chiave che determinano il livello di rilevamento del rivelatore sul piano focale. Nella preparazione del chip fotosensibile InSb area array, la qualità della giunzione PN e l'efficace isolamento delle unità pixel fotosensibili sono le chiavi fondamentali per la preparazione del chip area array. Tra questi, il processo di preparazione della giunzione PN è suddiviso in un processo di diffusione, un processo di impiantazione ionica e un processo di epitassia, che sono tecnologie tradizionali per la fabbricazione del rivelatore a infrarossi InSb. Per diverse tecniche di fabbricazione della giunzione PN, anche le corrispondenti tecniche di fabbricazione della struttura della matrice di superficie sono diverse. La tecnologia di produzione del chip fotosensibile viene introdotta secondo i processi di preparazione della giunzione PN.

1. Processo di diffusione termica

Il processo di diffusione termica è il primo metodo di processo sviluppato e maturo. Il principio del processo è ottenere energia sufficiente affinché gli atomi dell'elemento drogante entrino nel cristallo di antimonide di indio e occupino i posti vacanti del reticolo attraverso il metodo del riscaldamento ad alta temperatura, in modo da realizzare il drogaggio dell'elemento e la modifica del materiale. La tecnologia del processo di diffusione è matura e l'attrezzatura è semplice, ma la capacità di controllo delle impurità droganti è scarsa. Pertanto, la ripetibilità tra lotti e tra substrati InSb nello stesso lotto è relativamente scarsa e il controllo dell'uniformità della diffusione dell'array su ampia area è scarso; c'è una grave diffusione laterale durante l'incorporazione verticale di elementi di impurità nel materiale, come mostrato nella figura 1. Pertanto, nella preparazione di un chip fotosensibile InSb area array, è solitamente necessario utilizzare una tecnica di incisione a umido o incisione a secco tecnica per preparare una matrice sul piano focale di giunzione mesa (FPA).

Fig. 1 Diagramma degli effetti della diffusione laterale

2. Processo di impianto ionico

Il processo di impiantazione ionica è nato dalla necessità di giunzioni PN più performanti. Il processo di impianto ionizza gli elementi di impurità in particelle ad alta energia attraverso i componenti della sorgente di ionizzazione dell'apparecchiatura e impianta ioni ad alta energia con un'energia elevata fino a chilogrammi e trilioni nel materiale del substrato attraverso tubazioni come tubi di accelerazione, in modo da realizzare il drogaggio dei componenti del materiale e modificare le proprietà del materiale. Dal processo di realizzazione del processo e dal principio di processo si può sapere che nel processo di drogaggio del materiale del substrato nel processo di diffusione, la concentrazione di drogaggio sulla superficie del materiale è la più alta. All'aumentare della profondità di drogaggio, la concentrazione di drogante diminuisce gradualmente e il processo di diffusione diventa una giunzione graduale. Durante il processo di formazione della giunzione del processo di impianto, le particelle ad alta energia sono ostacolate da nuclei ed elettroni internucleari dopo essere state impiantate nel materiale del substrato e decelerano gradualmente e rimangono a una certa profondità. Impiantare la concentrazione più alta in una posizione nella gamma dell'impianto diversa dalla superficie del materiale del substrato. La distribuzione degli elementi impiantati è relativamente concentrata e la giunzione PN formata è una struttura di giunzione brusca. Se il processo è adeguatamente progettato, è possibile ottenere una giunzione PN con prestazioni eccellenti e ridurre la corrente di rumore del dispositivo.

Fig. 2 Diagramma schematico dell'impianto ionico

Per la preparazione di chip fotosensibili a infrarossi basati su InSb, il vantaggio del processo di impianto ionico è che l'energia e la dose di impianto possono essere controllate liberamente e la quantità e la profondità delle impurità impiantate possono essere controllate con precisione, in modo da ottenere risultati estremamente bassi e poco profondi impianto di giunzione. Le impurità impiantate sono incidenti quasi verticalmente nel materiale di base secondo il modello della maschera e non ci sarà una grave diffusione laterale; l'apparecchiatura è altamente automatizzata, in grado di ottenere un drogaggio uniforme in un'ampia area, con una buona ripetibilità, garantendo l'accuratezza e la ripetibilità del doping. Una singola impurità può essere accuratamente selezionata per garantire la purezza dell'elemento drogante. Rispetto al processo di diffusione, il processo di impiantazione ionica non richiede un trattamento ad alta temperatura e il tempo di processo è più breve del processo di diffusione, il che può migliorare efficacemente l'efficienza di produzione dei chip fotosensibili InSb.

In considerazione dei vantaggi della collimazione di drogaggio verticale dell'impianto di ioni, la struttura del chip fotosensibile dell'array di aree abbinato al processo di impianto di ioni è generalmente una struttura a giunzione planare. Il processo di impiantazione ionica combinato con la struttura della giunzione planare presenta i seguenti vantaggi:

1) Ridurre le fasi del processo come fotolitografia, corrosione e processi di incisione coinvolti nell'isolamento dei pixel;

2) L'integrità della matrice di superficie fotosensibile è migliore, non è facile che appaiano bolle nel successivo processo di interconnessione e erogazione e la capacità di risposta allo stress è più forte nel processo di molatura, lucidatura e assottigliamento;

3) Non è necessario preparare una struttura scanalata per ottenere l'isolamento dei pixel, che può ridurre la distanza centrale dei pixel e ridurre le dimensioni del chip dell'array dell'area InSb. In tal modo, le dimensioni del Dewar di supporto e della struttura di refrigerazione sono ridotte e il consumo di energia e i costi sono ridotti.

3. Processo di epitassia InSb

A giudicare dalle prestazioni esibite dagli attuali film epitassiali, l'epitassia è una promettente tecnologia di fabbricazione di array sul piano focale InSb. La crescita epitassiale è una tecnologia di preparazione per far crescere un nuovo strato di cristallo singolo secondo l'orientamento del cristallo originale su un substrato InSb a cristallo singolo la cui superficie è stata accuratamente lavorata a una temperatura inferiore al punto di fusione del cristallo. Una caratteristica importante della tecnologia epitassiale è che durante la preparazione dello strato cristallino epitassiale InSb, la concentrazione di impurità nello strato può essere regolata controllando il contenuto di impurità nella reazione, che non è influenzato dal tipo di substrato e dal livello di drogaggio delle impurità . Pertanto, quando la giunzione PN è formata con questa tecnica, la distribuzione delle impurità può essere vicina alla distribuzione ideale delle impurità improvvise. I metodi di processo dell'epitassia comunemente usati includono MBE, MOCVD, LPE e MSE ecc.

Fig. 3 Diagramma schematico del principio di crescita dello strato epitassiale MBE

Il processo epitassiale può fornire strutture del dispositivo più avanzate. Il vantaggio della tecnologia epitassiale è che il tipo di conducibilità del semiconduttore cresciuto può essere controllato su richiesta durante il processo di cristallizzazione epitassiale InSb e la quantità di drogaggio delle impurità può essere regolata in qualsiasi momento. Ha una crescita uniforme, drogaggio in situ, controllo in tempo reale e nessuna necessità di riduzione A causa dei vantaggi della magrezza e di altri vantaggi, è possibile progettare e fabbricare diverse strutture del dispositivo controllando i parametri del dispositivo nel processo di epitassia, così come per realizzare la fabbricazione di dispositivi di lavoro ad alta temperatura e dispositivi di lavoro a doppia banda policromatica.

Poiché il processo epitassiale adotta il metodo di crescita del chip intero, può essere utilizzato solo per la preparazione di dispositivi con struttura a giunzione mesa.

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