Làm thế nào để tạo điểm nối PN của chip cảm quang InSb?

insb wafer

Làm thế nào để tạo điểm nối PN của chip cảm quang 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/; hoặc gửi yêu cầu của bạn đếnsales@ganwafer.com. Là vật liệu bán dẫn vùng cấm trực tiếp, InSb có khối lượng hiệu dụng điện tử nhỏ, độ linh động cao và vùng cấm hẹp (0,17eV ở 300K và 0,23eV ở 77K). Ở nhiệt độ thấp, InSb có hệ số hấp thụ ánh sáng hồng ngoại cao (~ 1014cm-1), hiệu suất lượng tử lớn hơn hoặc bằng 80% và độ linh động của sóng mang cao (un ~ 105cm2∙ V-1∙ s-1).

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ dò tìm tia hồng ngoại, các chip cảm quang dựa trên vật liệu InSb đã trải qua quá trình phát triển từ chip đơn vị đến chip đa phần tử, mảng dòng và mảng diện tích. Sau quá trình kết nối chip lật, chip cảm quang và mạch xử lý tín hiệu được kết hợp với nhau và đặt trên mặt phẳng tiêu điểm của hệ thống quang học, cấu thành thành phần cốt lõi của phát hiện tín hiệu hồng ngoại. Trong việc thực hiện chuyển đổi quang điện, hiệu suất của chip cảm quang InSb là một trong những yếu tố quan trọng quyết định mức độ phát hiện của máy dò mặt phẳng tiêu điểm. Trong quá trình chuẩn bị chip cảm quang mảng khu vực InSb, chất lượng của điểm nối PN và khả năng cách ly hiệu quả của các đơn vị pixel cảm quang là chìa khóa cốt lõi để chuẩn bị chip mảng khu vực. Trong số đó, quy trình chuẩn bị của điểm nối PN được chia thành quy trình khuếch tán, quy trình cấy ion và quy trình epitaxy, là những công nghệ chính để chế tạo đầu báo hồng ngoại InSb. Đối với các kỹ thuật chế tạo mối nối PN khác nhau thì kỹ thuật chế tạo cấu trúc mảng bề mặt tương ứng cũng khác nhau. Công nghệ sản xuất chip cảm quang được giới thiệu theo quy trình chuẩn bị mối nối PN.

1. Quá trình khuếch tán nhiệt

Quá trình khuếch tán nhiệt là phương pháp quá trình phát triển và trưởng thành đầu tiên. Nguyên tắc của quá trình là thu được đủ năng lượng để các nguyên tử nguyên tố pha tạp đi vào tinh thể antimonide indium và chiếm các khoảng trống của mạng tinh thể thông qua phương pháp gia nhiệt ở nhiệt độ cao, để nhận ra sự pha tạp nguyên tố và biến đổi vật liệu. Quá trình khuếch tán công nghệ đã thuần thục, thiết bị đơn giản nhưng khả năng kiểm soát tạp chất pha tạp kém. Do đó, độ lặp lại giữa các lô và giữa các chất nền InSb trong cùng một lô là tương đối kém, và việc kiểm soát tính đồng nhất của sự khuếch tán mảng diện tích lớn là kém; Có sự khuếch tán theo bên nghiêm trọng trong quá trình kết hợp thẳng đứng các phần tử tạp chất vào vật liệu, như thể hiện trong hình 1. Do đó, để chuẩn bị chip cảm quang mảng khu vực InSb, thường cần sử dụng kỹ thuật khắc ướt hoặc khắc khô. kỹ thuật chuẩn bị mảng mặt phẳng tiêu điểm tiếp giáp mesa (FPA).

Effect Diagram of Lateral Diffusion

Hình 1 Sơ đồ ảnh hưởng của sự khuếch tán bên

2. Quy trình cấy ion

Quá trình cấy ion được sinh ra do nhu cầu về các mối nối PN hiệu suất cao hơn. Quá trình cấy ghép ion hóa các phần tử tạp chất thành các phần tử năng lượng cao thông qua các thành phần nguồn ion của thiết bị và cấy các ion năng lượng cao với năng lượng cao lên đến hàng kg và hàng nghìn tỷ vào vật liệu nền thông qua các đường ống như ống tăng tốc, để nhận ra sự pha tạp của các thành phần vật liệu và thay đổi tính chất vật liệu. Từ quá trình thực hiện quá trình và nguyên lý quá trình có thể biết rằng trong quá trình pha tạp vật liệu nền trong quá trình khuếch tán, nồng độ pha tạp trên bề mặt vật liệu là cao nhất. Khi độ sâu pha tạp càng sâu, nồng độ pha tạp giảm dần, và quá trình khuếch tán trở thành một điểm tiếp giáp phân cấp. Trong quá trình hình thành mối nối của quá trình cấy ghép, các hạt năng lượng cao bị cản trở bởi hạt nhân và các điện tử giữa hạt nhân sau khi được cấy vào vật liệu nền, và giảm dần tốc độ và ở một độ sâu nhất định. Cấy nồng độ cao nhất tại một vị trí trong phạm vi cấy ghép ngoài bề mặt của vật liệu nền. Sự phân bố của các phần tử được cấy ghép là tương đối tập trung, và mối nối PN được hình thành là một cấu trúc mối nối đột ngột. Nếu quy trình được thiết kế đúng, có thể thu được một điểm nối PN với hiệu suất tuyệt vời và dòng điện nhiễu của thiết bị có thể được giảm bớt.

Ion Implantation

Hình 2 Sơ đồ về Cấy ghép Ion

Để điều chế chip cảm quang hồng ngoại dựa trên InSb, lợi thế của quá trình cấy ion là năng lượng và liều lượng cấy có thể được kiểm soát tự do, số lượng và độ sâu của tạp chất được cấy ghép có thể được kiểm soát chính xác, để đạt được mức cực thấp và nông sự cấy ghép. Các tạp chất được cấy gần như đến thẳng đứng vào vật liệu cơ bản theo kiểu mặt nạ, và sẽ không có hiện tượng khuếch tán theo chiều nghiêm trọng; thiết bị có tính tự động hóa cao, có thể đạt được sự pha tạp đồng nhất trong một khu vực rộng lớn, với độ lặp lại tốt, đảm bảo độ chính xác và độ lặp lại của việc pha tạp. Một tạp chất duy nhất có thể được lựa chọn chính xác để đảm bảo độ tinh khiết của nguyên tố pha tạp. So với quá trình khuếch tán, quá trình cấy ion không yêu cầu xử lý nhiệt độ cao, và thời gian xử lý ngắn hơn quá trình khuếch tán, có thể cải thiện hiệu quả sản xuất chip cảm quang InSb.

Theo quan điểm của những ưu điểm của sự chuẩn trực pha tạp theo chiều dọc của quá trình cấy ion, cấu trúc của chip cảm quang mảng diện tích phù hợp với quá trình cấy ion nói chung là cấu trúc tiếp giáp phẳng. Quá trình cấy ion kết hợp với cấu trúc mối nối phẳng có những ưu điểm sau:

1) Giảm các bước quy trình như quá trình quang khắc, ăn mòn và khắc liên quan đến cách ly pixel;

2) Tính toàn vẹn của mảng bề mặt cảm quang tốt hơn, không dễ xuất hiện bong bóng trong quá trình liên kết và pha chế sau này, và khả năng ứng suất mạnh hơn trong quá trình mài, đánh bóng và làm mỏng;

3) Không cần chuẩn bị cấu trúc rãnh để đạt được sự cô lập pixel, điều này có thể làm giảm khoảng cách trung tâm pixel và giảm kích thước của chip mảng khu vực InSb. Do đó, kích thước của cấu trúc làm lạnh và Dewar hỗ trợ được giảm bớt, đồng thời giảm tiêu thụ điện năng và chi phí.

3. Quy trình InSb Epitaxy

Đánh giá từ hiệu suất được thể hiện bởi các phim epitaxy hiện tại, epitaxy là một công nghệ chế tạo mảng mặt phẳng tiêu điểm InSb đầy hứa hẹn. Tăng trưởng theo trục là công nghệ chuẩn bị nuôi cấy lớp đơn tinh thể mới theo hướng tinh thể ban đầu trên chất nền InSb đơn tinh thể có bề mặt đã được xử lý cẩn thận ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của tinh thể. Một tính năng quan trọng của công nghệ biểu mô là trong quá trình chuẩn bị lớp tinh thể biểu mô InSb, nồng độ tạp chất trong lớp có thể được điều chỉnh bằng cách kiểm soát hàm lượng tạp chất trong phản ứng, không bị ảnh hưởng bởi loại chất nền và mức độ pha tạp tạp chất. . Do đó, khi tiếp giáp PN được hình thành bằng kỹ thuật này, sự phân bố tạp chất có thể gần với sự phân bố tạp chất đột ngột lý tưởng. Các phương pháp quy trình epitaxy thường được sử dụng bao gồm MBE, MOCVD, LPE và MSE, v.v.

Growth Principle of MBE Epitaxial Layer

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý tăng trưởng của lớp biểu bì MBE

Quy trình biểu mô có thể cung cấp các cấu trúc thiết bị tiên tiến hơn. Ưu điểm của công nghệ biểu mô là loại độ dẫn điện của chất bán dẫn phát triển có thể được kiểm soát theo yêu cầu trong quá trình kết tinh biểu mô InSb và lượng tạp chất pha tạp có thể được điều chỉnh bất cứ lúc nào. Nó có tốc độ tăng trưởng đồng đều, pha tạp tại chỗ, kiểm soát thời gian thực và không cần giảm Do ưu điểm về độ mỏng và các ưu điểm khác, các cấu trúc thiết bị khác nhau có thể được thiết kế và chế tạo bằng cách kiểm soát các thông số thiết bị trong quy trình epitaxy, như vậy để thực hiện việc chế tạo các thiết bị làm việc ở nhiệt độ cao và các thiết bị làm việc dải đa sắc kép.

Vì quy trình biểu mô áp dụng phương pháp tăng trưởng toàn bộ chip, nên nó chỉ có thể được sử dụng để chuẩn bị các thiết bị cấu trúc tiếp giáp mesa.

Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email sales@ganwafer.comtech@ganwafer.com.

Chia sẻ bài này