CN100492670C - 波长扩展InGaAs探测器及阵列宽带缓冲层和窗口层及制作方法 - Google Patents

波长扩展InGaAs探测器及阵列宽带缓冲层和窗口层及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于波长扩展InGaAs光电探测器及其阵列的宽禁带透明缓冲层及窗口层及制作方法，包括采用禁带宽度大于波长扩展InGaAs材料且适合采用分子束外延方法生长又方便控制的含铝三元或四元系材料体系、可有效避免失配位错且适合于背面进光的透明梯度渐变缓冲层结构以及适合正面进光并可减小表面复合和提高量子效率的透明窗口层结构。本发明的宽禁带缓冲层及窗口层结构既适合于采用背面进光及倒扣封装结构的单元或阵列器件，也适合于采用常规正面进光结构的单元或阵列器件，具有很好的通用性。

Description

波长扩展InGaAs探测器及阵列宽带缓冲层和窗口层及制作方法
技术领域
本发明涉及一种波长扩展InGaAs探测器及阵列宽带缓冲层和窗口层及制作方法，更确切地说涉及一种用于波长扩展InxGa1-xAs(0.53<x<1)光电探测器及其阵列的宽禁带透明缓冲层及窗口层结构及实现方法，本发明属于半导体光电子材料及器件领域。
背景技术
与InP衬底晶格匹配的In0.53Ga0.47As三元系材料具有直接带隙和高电子迁移率的特点，其室温下的禁带宽度约0.75eV，对应的波长约1.65μm，恰好可以覆盖光纤通信波段，因此采用In0.53Ga0.47As三元系材料制作的光电探测器在光通信领域获得了普遍应用，并且在遥感、传感和成像等方面也有重要用途。对于InxGa1-xAs三元系材料，改变其中III族元素In的组分值x(即改变两种III族元素In和Ga的比例)可以使其禁带宽度在0.36～1.42eV之间连续变化(其禁带宽度Eg与In组分x的关系为：Eg(eV)＝1.42-1.49x-0.43x2)，特别是x>0.53的材料，其对应的波长可扩展到>1.65μm的波段，例如：当x值增加到0.8时，材料的响应波长可扩展到约2.5μm，当x值增加到1(即过渡到二元系InAs)时，材料的响应波长可扩展到约3.5μm(响应波长λ(μm)＝1.24/[1.42-1.49x-0.43x2])。波长扩展的InxGa1-xAs探测器在遥感等领域有着更广泛的用途。但是，随着In组分值x的增加，InxGa1-xAs三元系材料的晶格常数会相应增加，当x>0.53后，InxGa1-xAs三元系材料与其最常用的InP衬底之间会产生相应的晶格正失配，而当失配较大时就会引起失配位错的产生、增殖和延伸，从而影响外延材料的质量。为解决此问题，人们常在InxGa1-xAs三元系材料和衬底之间插入相应的缓冲层。例如，要生长x＝0.8的In0.8Ga0.2As三元系材料，可以在InP衬底和In0.8Ga0.2As三元系材料之间生长一层组分渐变的InxGa1-xAs三元系材料，其组分值x由0.53连续或阶跃变化到0.8，这样就可明显抑制位错，改善外延层的质量。采用这种缓冲层技术的探测器已达到了较好的性能，但存在一个严重的缺陷，即对于要探测的光波长来说，这一层InxGa1-xAs缓冲层是不透明的(或吸收很大)，这样对于常采用背面(衬底面)进光及倒扣封装方案的阵列及焦平面探测器而言，这种缓冲层结构就不适合。为解决此问题，人们也采用InAsxP1-x等宽禁带(相对光吸收层而言)材料来作为缓冲层，这种含有两种V族元素的三元系材料较适合采用HVPE、MOCVD等气相生工艺生长，但对气态源分子束外延就不太适合，这是因为：对气态源分子束外延而言一方面连续和频繁变化V族元素的束流强度较困难，不易稳定，两种V族元素之间的比例也很难精确控制，操作上实现起来会有问题；另一方面连续和频繁变化V族元素的束流强度会使V族生长源的消耗大大增加(束流变化和控制中增加了大量无谓的排放)；对固态源分子束外延而言连续精确控制两种V族元素之间的比例也有很高难度。
对于InxGa1-xAs探测器，在正面进光时人们常希望采用宽禁带(相对光吸收层而言)材料作为帽层，即构成所谓透明窗口层，一方面这层材料对于所探测的光波长透明，有助于提高量子效率，另一方面也有利于减小表面复合，改善暗电流特性。对于与InP衬底晶格匹配的In0.53Ga0.47As探测器，人们可就采用InP作为窗口层，这样就避免了晶格失配问题，效果也很好，但对于波长扩展的InxGa1-xAs探测器，就存在与缓冲层类似的问题：InP作为窗口层有较大的失配；InAsxP1-x作为窗口层存在生长问题；InxGa1-xAs不透明不能实现窗口的功能。
针对波长扩展InxGa1-xAs探测器及其阵列的缓冲层和窗口层工艺实现中存在的问题，本发明旨在提供一种普适的方案，可以实现宽禁带透明缓冲层及窗口层结构，并适合于采用特定的分子束外延工艺实现。
发明内容
本发明提供一种用于波长扩展InxGa1-xAs探测器及其阵列的宽禁带透明缓冲层及窗口层结构以及采用分子束外延工艺实现这些结构的方法：通过外延材料体系的选择使其具有适合分子束外延工艺实现以及宽禁带透明的功能；采用合适的缓冲层结构设计使其在衬底与InGaAs波长扩展光吸收层之间达到良好的缓冲效果；在此基础上利用生长条件宽松的材料组分实现宽禁带透明窗口层结构；给出这些结构的分子束外延工艺实现方法及其关键点；以下分别介绍：
一、缓冲层及窗口层材料体系的选择
与InP衬底晶格匹配的In0.53Ga0.47As三元系材料的晶格常数约为5.87，响应截止波长约1.65μm，如要将其响应截止波长扩展至约2.5μm(为说明方便以下均以此为例，本发明实际上不只限制于2.5μm，需要扩展到其他波长可依此类推)，则In的组分值要增加到约0.8，晶格常数相应增加至约为5.98，由此产生约1.9％的晶格失配，为此需要有合适的缓冲层和窗口层材料体系。经细致分析可以得出：晶格常数可在此范围内变化并且有兼容性的材料体系有InGaAs、InGaAsP、InAsP等多种。为使所选材料体系相对于In0.8Ga0.2As三元系材料有宽禁带透明的特点，InGaAs体系本身可以排除。前已述及，InGaAsP、InAsP等材料体系含有两种V族元素，对缓冲层等结构而言不太适合应用分子束外延工艺生长，为此，本发明提出采用含铝的三元InAlAs或四元InAlGaAs材料体系来实现所需的结构。
InyAl1-yAs材料体系当In组分值为0.52时可以与InP衬底晶格匹配且为直接带隙，增加In的组分值则其晶格常数相应增加并保持直接带隙的特点，与InxGa1-xAs材料体系十分相似，当In组分值增加到约0.8时就可以与In0.8Ga0.2As达到晶格匹配。我们同时注意到：对InyAl1-yAs和InxGa1-xAs这两种三元系材料，在分子束外延生长中Al和Ga这两种元素具有十分相近的粘附系数，为此可以采用统一的外延参数进行生长，从而可以保证材料生长工艺上方便地实现。在相同的In组分值下，InyAl1-yAs三元系材料的禁带宽度始终大于InyGa1-yAs三元系材料，如In组分值达到0.8时，InyAl1-yAs三元系材料的禁带宽度有约0.85eV，显著高于InxGa1-xAs三元系材料的约0.5eV，因此可以确保宽禁带透明缓冲层及窗口层结构的实现。对于应用于波长扩展InxGa1-xAs光电探测器及其阵列的宽禁带透明缓冲层及窗口层结构，所需的InyAl1-yAs三元系材料的Al组分值≤0.48，特别是窗口层的Al组分更低，这样也避免了高Al组分材料可能带来的易氧化和特性不稳定等问题，器件的可靠性可以有充分的保证，掺杂方面也不会带来问题。与此相似，InAlGaAs含铝四元系材料具有与InAlAs类同的特点，也可以作为实现禁带透明缓冲层及窗口层结构的材料体系，但由于其增加了一种元素，分子束外延生长中会难控制一些。以下的叙述均以InyAl1-yAs三元系材料加以说明(专利不限制于InyAl1-yAs三元系材料，对InAlGaAs含铝四元系材料可依此类推)。此InyAl1-yAs三元系宽禁带透明缓冲层及窗口层结构也可应用于采用GaAs衬底的InGaAs探测器及其阵列，但这时在同样的In组分下衬底与光吸收层间的失配会更大，缓冲层需要从更高的Al组分开始进行缓变。
二、缓冲层结构
缓冲层结构有多层分层渐变、梯度连续渐变以及超晶格等多种形式，在分子束外延生长中采用InyAl1-yAs三元系材料体系时均可以实现，考虑到晶格失配较大时希望采用较厚的缓冲层以达到较好的缓冲效果以及生长工艺中更容易和方便控制，我们推荐采用梯度连续渐变缓冲层结构(阶跃渐变缓冲层结构也可采用类似的方法生长，只需相应阶跃改变组分值即可)，即生长中由与InP衬底晶格匹配的In0.52Al0.48As三元系材料出发，在生长中连续地增加In的组分值(相应连续地降低Al的组分值)，使之连续过渡到In0.8Al0.2As三元系材料，然后就可在其之上生长晶格与之相匹配的In0.8Ga0.2As光吸收层材料。
三、窗口层结构
生长完In0.8Ga0.2As光吸收层材料后，可继续采用前面生长InAlAs缓冲层结束时所用的生长参数生长In0.8Al0.2As宽禁带透明窗口层，生长参数的一致性即可充分保证所生长窗口层与In0.8Ga0.2As光吸收层晶格匹配(或失配很小)。
四、缓冲层及窗口层结构的分子束外延工艺实现
采用分子束外延工艺实现前述缓冲层结构需要对In和Al的束流强度进行连续变化，而缓冲层的厚度一般达数微米，因此可以采用对In和Al束源同时连续分别缓慢升温和降温的方法实现，也可以采用对In和Al束源单独连续缓慢升温或降温的方法实现。考虑到分子束外延中In和Al的粘附系数有较大的差别以及不同束源本身的特性，变化In束源改变组分值的效果更大。例如：在经校正后In0.52Al0.48As的生长速率约为每小时1微米时，如所需缓冲层总厚度为3微米，则可对In束源采用0.002℃/s的速率升温20℃，同时对Al束源采用0.004℃/s的速率降温40℃，这样可使In和Al束源强度的变化同步进行，使得缓冲层生长结束时InAlAs的In组分达到约0.8；也可对In束源采用0.001℃/s的速率升温10℃，同时对Al束源采用0.002℃/s的速率降温20℃，使得缓冲层生长结束时InAlAs的含铝三元或四元异质材料的In组分达到约0.80。具体的升降温数值可以根据实际组分要求经标定后确定。生长窗口层时In和Al束源的强度无需变化，只要采用缓冲层生长结束时所用的InAlAs生长参数即可。
综上所述，在衬底和波长扩展的InxGa1-xAs三元系吸收材料层之间插入禁带宽度大于波长扩展InxGa1-xAs光吸收层材料的含铝三元或四元异质材料体系的缓冲层，在波长扩展的InxGa1-xAs三元系光吸收层材料上沉积含铝三元或四元透明异质材料层作为窗口层；
所述的衬底为InP或GaAs；
所述的波长扩展InxGa1-xAs光吸收层中0.53<x<1；
所述的禁带宽度大于波长扩展InxGa1-xAs光吸收层材料的含铝三元或四元异质材料为InyGa1-yAs和InyGa1-yGaAs，式中0.52<y<1。
所述波长扩展InxGa1-xAs光吸收层中x＝0.8，即波长扩展光吸收层组成为In0.8Ga0.2As。
以[100]晶向单晶InP单晶作为衬底；插入的缓冲层是以与InP衬底晶格匹配的In0.52Al0.48As含铝三元材料的参数出发，连续地增加In的组分值，使之连续过渡到In0.8Al0.2As三元系材料。
以[100]晶向单晶InP单晶作为衬底；插入的缓冲层是以与InP衬底晶格匹配的In0.52Al0.48As含铝的四元材料的参数出发，连续增加In的组分值，使之连续过渡到In0.8Al0.2GaAs四元系材料。
在波长扩展的In0.8Ga0.2As光吸收层上沉积的宽禁带透明窗口材料为In0.8Ga0.2As三元系材料。
在波长扩展的In0.8Ga0.2As光吸收层上沉积的宽禁带透明窗口材料为In0.8Al0.2GaAs四元系材料。
本发明提供的缓冲层和窗口层制作优点是：
采用禁带宽度大于波长扩展InxGa1-xAs光吸收层材料的含铝三元或四元系异质材料体系；
探测器生长时在此材料体系上应用了可有效抑制失配位错且适合于背面进光的透明梯度渐变缓冲层结构；
探测器生长时在此材料体系上应用了可以减小表面复合并提高量子效率的透明窗口层结构，适合于正面进光；
所述的缓冲层及/或窗口层结构采用特定的分子束外延工艺进行生长。
附图说明
图1是本发明提供的一种用于波长扩展InGaAs探测器及其阵列的宽禁带透明含铝三元或四元系材料的缓冲层及窗口层结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图的实施例进一步说明本发明的实质性特点和先进性，但绝非限制本发明，也即本发明绝非局限于实施例。
实施例：一种采用InAlAs梯度渐变宽禁带透明缓冲层及InAlAs宽禁带透明窗口层的波长扩展InGaAs光电探测器阵列外延材料
实施步骤：
1、需要InGaAs波长扩展探测器阵列的截止波长为2.5μm(为说明方便以下均以此为例，实施例不限制于2.5μm，需要扩展到其他波长可依此类推)，因此选择InGaAs光吸收层的In组分约为0.8；
2、需要InGaAs波长扩展探测器及其阵列的材料既能满足正面进光要求，同时也能适用于背面进光结构，因此采用[100]晶向的半绝缘InP单晶作为衬底；
3、探测器采用P on N(P型材料在N型材料之上)结构(对N on P结构可依此类推)，因此对InyAl1-yAs宽禁带透明梯度渐变缓冲层用Si进行N型高掺杂(同时也作为下接触层)，In0.8Ga0.2As波长扩展光吸收层用Si进行N型低掺杂，In0.8Al0.2As宽禁带透明窗口层用Be进行P型高掺杂；
4、外延生长采用常规分子束外延方法，在对Epi-Ready InP衬底进行脱附处理后先生长InyAl1-yAs宽禁带透明梯度渐变缓冲层，即由晶格匹配的In0.52Al0.48As材料的生长参数开始，在生长过程中对In束源采用0.002℃/s的速率连续升温20℃，同时对Al束源采用0.004℃/s的速率连续降温40℃，所需总时间10000秒(具体升降温幅度、速率及总时间可以根据实际要求进行调整，例如：在希望缓冲层薄一些但保持升降温幅度不变时可以相应增加升降温的速率，但仍维持一定比例关系)，同时用Si进行高掺杂，掺杂浓度控制在1～2×1018cm-3，缓冲层总厚度约3微米；
5、在缓冲层上用In0.8Ga0.2As材料的生长参数生长低掺杂光吸收层，掺杂浓度控制在～5×1016cm-3(或不掺杂)，厚度约2微米(或根据实际需要进行调整)；
6、在波长扩展In0.8Ga0.2As低掺杂光吸收层上用In0.8Al0.2As材料的生长参数(即与In0.52Al0.48As材料的生长参数相比In的束源温度提高20℃，Al的束源温度降低40℃)生长Be高掺杂In0.8Al0.2As窗口层，掺杂浓度控制在1～2×1018cm-3，厚度约1微米；
7、结束生长，在保护气氛下降温，最后取出外延材料进行必要的测试和用于单元或阵列及焦平面器件制作。

Claims (9)

1、一种包括缓冲层和窗口层的用于波长扩展InGaAs光电探测器及其阵列的宽禁带的结构，其特征在于在衬底和波长扩展的InxGa1-xAs三元系吸收材料层之间插入禁带宽度大于波长扩展InxGa1-xAs光吸收层材料的含铝三元或四元异质材料体系的缓冲层，在波长扩展的InxGa1-xAs三元系光吸收层材料上沉积含铝三元或四元透明异质材料层作为窗口层；
所述的衬底为InP或GaAs；
所述的波长扩展InxGa1-xAs光吸收层中0.53<x<1；
所述的禁带宽度大于波长扩展InxGa1-xAs光吸收层材料的含铝三元或四元异质材料为InyAl1-yAs和InyAl1-yGaAs，式中0.52<y<1。
2、按权利要求1所述的包括缓冲层和窗口层的用于波长扩展InGaAs光电探测器及其阵列的宽禁带的结构，其特征在于所述波长扩展InxGa1-xAs光吸收层中x＝0.8，即波长扩展光吸收层组成为In0.8Ga0.2As。
3、按权利要求1或2所述的包括缓冲层和窗口层的用于波长扩展InGaAs光电探测器及其阵列的宽禁带的结构，其特征在于以[100]晶向的InP单晶作为衬底；插入的缓冲层是以与InP衬底晶格匹配的In0.52Al0.48As含铝三元材料的参数出发，连续地增加In的组分值，使之连续过渡到In0.8Al0.2As三元系材料。
4、按权利要求1或2所述的包括缓冲层和窗口层的用于波长扩展InGaAs光电探测器及其阵列的宽禁带的结构，其特征在于以[100]晶向单晶InP单晶作为衬底；插入的缓冲层是以与InP衬底晶格匹配的In0.52Al0.48GaAs含铝的四元材料的参数出发，连续增加In的组分值，使之连续过渡到In0.8Al0.2GaAs四元系材料。
5、按权利要求3所述的包括缓冲层和窗口层的用于波长扩展InGaAs光电探测器及其阵列的宽禁带的结构，其特征在于在波长扩展的光吸收层上沉积的宽禁带透明窗口材料为In0.8Al0.2As三元系材料。
6、按权利要求4所述的包括缓冲层和窗口层的用于波长扩展InGaAs光电探测器及其阵列的宽禁带的结构，其特征在于在波长扩展的光吸收层上沉积的宽禁带透明窗口材料为In0.8Al0.2GaAs四元系材料。
7、制作如权利要求1或2所述的包括缓冲层和窗口层的用于波长扩展InGaAs光电探测器及其阵列的宽禁带的结构的方法，其特征在于：
①采用[100]晶向InP或GaAs单晶作为衬底；
②探测器采用P型材料在N型材料之上结构或采用N型材料在P型材料之上结构，在衬底上生长宽禁带梯度渐变缓冲层，它是从晶格参数匹配的In0.52Al0.48As材料的生长参数为出发点，制作梯度渐变缓冲层；
③以步骤②的In0.52Al0.48As生长参数开始，In束源采用0.002℃/s的速率连续升温20℃，同时对A1束源采用0.004℃/s的速率连续降温40℃，使In束源和A1束源强度变化同步进行，使缓冲层生长结束时连续过渡到In0.8Al0.2As三元系材料；
④接着在In0.8Al0.2As三元系材料层上生长出与之晶格匹配的In0.8Ga0.2As光吸收层材料；
⑤最后在In0.8Ga0.2As光吸收层上用步骤③所述的In0.8Al0.2As材料生长参数，生长出In0.8Al0.2As窗口层。
8、按权利要求7所述的包括缓冲层和窗口层的用于波长扩展InGaAs光电探测器及其阵列的宽禁带结构的制作方法，其特征在于所述的In0.8Al0.2As宽禁带透明渐变缓冲层为Si掺杂，掺杂浓度为(1～2)×1018cm-3，缓冲层总厚度为3微米。
9、按权利要求7所述的包括缓冲层和窗口层的用于波长扩展InGaAs光电探测器及其阵列的宽禁带结构的制作方法，其特征在于窗口层为Be掺杂的In0.8Al0.2As，掺杂浓度为(1～2)×1018cm-3，厚度为1微米。
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