[发明专利]高性能晶圆级硫化铅近红外光敏薄膜及其制备方法

说明书

一种高性能晶圆级硫化铅近红外光敏薄膜及其制备方法，属于光电子器件领域。首先，对选取基底材料的表面进行清洁处理。其次，在高背景真空度下，将气化后的氧化剂引入真空蒸镀腔体，在洁净基底表面缓慢沉积PbS薄膜，获得颗粒适中、结构疏松、取向一致的微观结构。最后，在一定温度和压强条件下，载气携带碘蒸汽敏化处理S2所述PbS薄膜，得高性能晶圆级PbS光敏薄膜。本发明制备方法简单、制备成本低廉、重复性好，可实现晶圆级PbS光敏薄膜的制备，利于大规模商业化生产；制备PbS光敏薄膜光电探测率高，600K黑体室温峰值探测率8×10¹⁰Jones；本发明制备PbS光敏薄膜表面光滑，晶圆级光敏面内相应不均匀性5％，满足制备PbS百万像素级阵列成像系统的要求。

技术领域

本发明属于光电子器件领域，涉及一种红外光导型探测器光敏薄膜及其制备方法。具体是指采用真空物理低温氧化沉积技术制备对近红外(1～3μm)辐射敏感硫化铅(PbS)光敏薄膜。所述的高性能是指室温峰值探测率(D*)不低于8×10¹⁰Jones。

背景技术

红外焦平面探测器是将不可见的红外辐射转变为可视图像，是探测、识别和分析物体红外信息的核心部件。非制冷红外探测器无需制冷装置，能够在室温状态下工作，具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点，在工业检测、制程控制、城市监控、消防安保、交通管理、气车无人驾驶等领域得到了广泛的应用。

硫化铅(PbS)已被证实可用于开发非制冷近红(1-3μm)外光子型探测器，具有非常广泛的应用前景。2001年，美国Litton Electro-Optical Systems公司采用湿化学制备方法成功制备出混成式320×240像素规模、30μm像元尺寸PbS近红外光导型焦平面成像系统，开启了非制冷光子型成像系统大规模研发的序幕(T.Beystrum,N.Jacksen,M.Sutton,etal.,Low cost 320×240Lead Salt Focal Plane Array,Proc.SPIE:Infrared ImagingSystems:Design,Analysis,Modeling,and Testing XII,2001,4372,96-104)。作为制备铅盐薄膜的标准工艺，湿化学(CBD)制备PbS技术较为成熟，辅助于温和的中低温氧化处理工艺(称之为敏化工艺)，可获得高灵敏度的PbS近红外探测器，满足军事领域对器件性能的苛刻要求。然而，湿化学PbS光敏薄膜存在工艺复杂、薄膜表面粗糙、均匀度差、制作成本高、可重复操控性差、难于实现大面积制备等问题，极大限制了PbS百万像素级阵列成像系统的发展，成为湿化学制备技术无法逾越的障碍(T.H.Johnson,Lead Salt Detectors AndArrays PbS And PbSe,Proc.SPIE 0443：Infrared Detectors,1983，60-94；司俊杰，制备红外探测器光敏铅盐薄膜的方法，CN200610156551.2，2009.11.04；孙维国，胡荣武，硫化铅多晶薄膜的激光敏化方法，CN87102141，1991.05.15；陈松，亚红，孟锦等，一种可实现自校功能的硫化铅红外探测器，CN201620725303.4，2018.03.27；山奇，史智，肖竹，硫化铅红外探测器，CN94218772.5，19960110；邓宏，陈金菊，韦敏，李国伟，一种(200)择优取向硫化铅薄膜的制备方法，CN101792930B，2011.12.21；石磊，孙喜桂，沈向丞等，一种化学液相法制备硫化铅薄膜的方法，CN109559977A，实质审查的生效2019.03.01)。相比与CBD方法，物理工艺虽然易于制备大面积、表面光滑、均匀度高的光敏薄膜，是突破湿化学工艺的技术壁垒最理想的替代技术。

然而，现有制备PbS薄膜的物理工艺，如热蒸发法、磁控溅射法、分子束外延法、化学气象沉积法等制造的PbS探测器不仅灵敏度低(比CBD工艺器件低一个量级)，而且缺乏重现性，成为物理制备工艺产业化应用的最大技术壁垒(J.V.Morgan,U.S.3,026,218,1962。)因此，开发高性能、晶圆级PbS光敏薄膜物理制备技术是推进百万像素级近红外非制冷成像系统的关键。

发明内容