短波红外成像芯片及其形成方法与相关技术

本技术提供一种短波红外成像芯片及其形成方法，短波红外成像芯片包括短波红外二极管和读出电路，短波红外二极管包括辅助成核层、缓冲层和铟镓砷PN结，读出电路包括MOS管，MOS管的一源/漏极连接铟镓砷PN结的N极。本技术提供的短波红外成像芯片及其形成方法，其短波红外二极管具有辅助成核层和缓冲层，在辅助成核层的诱导结晶作用下可以适用于多种的衬底，由于辅助成核层以及缓冲层的作用使短波红外二极管及其形成方式可以利用多种尺寸、多种材料的衬底，降低对衬底的要求，可提高短波红外成像芯片的应用设计的灵活性；通过短波红外二极管与读出电路的连接直接集成于衬底上，可减少器件所占用的面积，从而可提高短波红外成像芯片的像素密度。

权利要求书

1.一种短波红外成像芯片，其特征在于，所述短波红外成像芯片包括：

短波红外二极管，所述短波红外二极管位于衬底上，所述短波红外二级管包括辅助成核层、缓冲层和铟镓砷PN结，所述辅助成核层用于诱导结晶，所述缓冲层设置在所述辅助成核层上，所述铟镓砷PN结设置在所述缓冲层上；

读出电路，所述读出电路位于所述衬底上，所述读出电路包括MOS管，所述MOS管的一源/漏极连接所述铟镓砷PN结的N极。

2.如权利要求1所述短波红外成像芯片，其特征在于，所述读出电路还包括浅沟道隔离结构，所述浅沟道隔离结构设置在所述MOS管的源/漏极的侧面。

3.如权利要求1所述短波红外成像芯片，其特征在于，所述短波红外二极管还包括保护层，所述保护层形成于与所述衬底相对的所述短波红外二极管的外表面，所述保护层的材料包括氧化硅、氮化硅和/或氧化铝，所述保护层的厚度为10nm～100nm。

4.如权利要求1所述短波红外成像芯片，其特征在于，所述辅助成核层为氧化钼层或钼层，所述辅助成核层的厚度为1nm～50nm；所述缓冲层为磷化铟层，所述缓冲层的厚度为50nm～500nm。

5.如权利要求1-4中任意一项所述短波红外成像芯片，其特征在于，所述铟镓砷PN结包括：铟镓砷层以及位于所述铟镓砷层上的磷化铟层，所述磷化铟层形成有磷化铟PN结。

6.一种短波红外成像芯片的形成方法，其特征在于，所述短波红外成像芯片的形成方法包括：

在衬底上形成短波红外二极管，所述短波红外二极管包括依次形成的用于诱导结晶的辅助成核层、缓冲层、铟镓砷PN结；

在所述衬底上形成读出电路，所述读出电路包括MOS管，所述MOS管的一源/漏极连接所述铟镓砷PN结的N极。

7.如权利要求6所述短波红外成像芯片的形成方法，其特征在于，在形成所述读出电路时，在所述MOS管的源/漏极的侧面形成浅沟道隔离结构。

8.如权利要求6所述短波红外成像芯片的形成方法，其特征在于，在形成所述短波红外二极管后，在所述短波红外二极管与所述衬底相对的外表面形成保护层，所述保护层的材料包括氧化硅、氮化硅和/或氧化铝，所述保护层的厚度为0.5nm～5nm。

9.如权利要求6-8中任意一项所述短波红外成像芯片的形成方法，其特征在于，所述缓冲层的形成方法包括：

形成铟层，对所述铟层进行图形化；

形成扩散阻挡层，所述扩散阻挡层覆盖在图形化后的所述铟层上；

进行缓冲层形成工艺，使含磷气体通过所述扩散阻挡层与所述铟层反应形成磷化铟层，所述缓冲层形成工艺包括：反应环境为含磷气体与氢气，反应温度为400℃～700℃；

去除所述扩散阻挡层。

10.如权利要求6-8中任意一项所述短波红外成像芯片的形成方法，其特征在于，所述铟镓砷PN结的形成方法包括：

通过化学气相外延形成铟镓砷层；

在所述铟镓砷层上形成磷化铟PN结，所述磷化铟PN结包括P区和N区，所述N区为通过化学气相外延形成的磷化铟层，所述P区为通过二甲基锌或二乙基锌在所述磷化铟层中扩散形成。

技术说明书

短波红外成像芯片及其形成方法

技术领域

本技术涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种短波红外成像芯片及其形成方法。

背景技术

短波红外成像技术涵盖700nm到约2500nm的波长范围，虽然人眼无法看到此波长范围的光线，但其仍以可见光范围中相同的方式，即反射光或光子而不是辐射光子，从而与周围物体相互作用。因此，短波红外成像类似于可见光黑白成像，可产生对比度较高且易于识别的图像，在光谱学、激光成像、微光成像、安全识别、遥感、夜视等方面具有重要的应用前景。目前可商业应用的短波红外成像芯片主要采用包括铟镓砷化物作为光敏材料而形成的短波红外二极管，通常可涵盖900nm到1700nm的波长范围。

现有技术常以磷化铟(InP)晶片为衬底，采用金属有机气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)等外延工艺在其上生长高质量的铟镓砷(InGaAs)膜层，进而可制作完成的短波红外光电二极管阵列，然后专门设计实现成像功能的硅基读出集成电路(ROIC)。但是，由于硅基与InP两者之间工艺不相兼容，因此生产该芯片还需要形成将两者封装在一起的内置突起(In-bump)等的三围堆叠结构。此外，InGaAs的晶格尺寸与InP相近，可在InP上高质量外延生长，但InP晶片成本高昂，且晶片尺寸较小；同时，In-bump等封装工艺使单个像素尺寸难以缩小，使得目前短波红外成像芯片价格高昂且成

像像素低、分辨率较差，限制了其推广应用。

因此，如何降低短波红外二极管的成本是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

技术内容

本技术的目的在于提供一种短波红外二极管及其形成方法，解决短波红外二极管的成本较高的问题。

为了解决上述问题，本技术提供一种短波红外成像芯片，所述短波红外成像芯片包括短波红外二极管和读出电路，所述短波红外二极管位于衬底上，所述短波红外二极管包括辅助成核层、缓冲层和铟镓砷PN结，所述辅助成核层用于诱导结晶，所述缓冲层设置在所述辅助成核层上，所述铟镓砷PN结设置在所述缓冲层上，所述读出电路位于所述衬底上，所述读出电路包括MOS管，所述MOS管的一源/漏极连接所述铟镓砷PN结的N极。

可选的，在所述短波红外成像芯片中，所述读出电路还包括浅沟道隔离结构，所述浅沟道隔离结构设置在所述MOS管的源/漏极的侧面。

可选的，在所述短波红外成像芯片中，所述短波红外二极管还包括保护层，所述保护层形成于与所述衬底相对的所述短波红外二极管的外表面，所述保护层的材料包括氧化硅、氮化硅和/或氧化铝，所述保护层的厚度为10nm～100nm。

可选的，在所述短波红外成像芯片中，所述辅助成核层为氧化钼层或钼层，所述辅助成核层的厚度为1nm～50nm；所述缓冲层为磷化铟层，所述缓冲层的厚度为50nm～500nm。

可选的，在所述短波红外成像芯片中，所述铟镓砷PN结包括：铟镓砷层以及位于所述铟镓砷层上的磷化铟层，所述磷化铟层形成有磷化铟PN结。

本技术还提供一种短波红外成像芯片的形成方法，所述短波红外成像芯片的形成方法包括：

在衬底上形成短波红外二极管，所述短波红外二极管包括依次形成的用于诱导结晶的辅助成核层、缓冲层、铟镓砷PN结；

在所述衬底上形成读出电路，所述读出电路包括MOS管，所述MOS管的一源/漏极连接所述铟镓砷PN结的N极。

可选的，在所述短波红外成像芯片的形成方法中，在形成所述读出电路时，在所述MOS管的源/漏极的侧面形成浅沟道隔离结构。

可选的，在所述短波红外成像芯片的形成方法中，在形成所述短波红外二极管后，在所述短波红外二极管与所述衬底相对的外表面形成保护层，所述保护层的材料包括氧化硅、氮化硅和/或氧化铝，所述保护层的厚度为0.5nm～5nm。

可选的，在所述短波红外成像芯片的形成方法中，所述缓冲层的形成方法包括：

形成铟层，对所述铟层进行图形化；

形成扩散阻挡层，所述扩散阻挡层覆盖在图形化后的所述铟层上；

进行缓冲层形成工艺使含磷气体通过所述扩散阻挡层与所述铟层反应形成磷化铟层，所述缓冲层形成工艺包括：反应环境为含磷气体与氢气，反应温度为400℃～700℃；

去除所述扩散阻挡层。

可选的，在所述短波红外成像芯片的形成方法中，所述铟镓砷PN结的形成方法包括：

通过化学气体外延形成铟镓砷层；

在所述铟镓砷层上形成磷化铟PN结，所述磷化铟PN结包括P区和N区，所述N区为通过化学气相外延形成的磷化铟层，所述P区为通过二甲基锌或二乙基锌在所述磷化铟层中扩散形成。