CN101847672A - 10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器及其制作方法 - Google Patents

10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器及其制作方法 Download PDF

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刘小宇
马文全
张艳华
种明
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Abstract

本发明提供一种10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器的制作方法，包括如下步骤：(A)将一衬底烘干、脱氧，以其作为量子阱红外探测器的承载体；(B)利用外延设备在衬底上依次生长N型掺杂的下欧姆接触层、量子阱层，以及N型掺杂的上欧姆接触层；(C)采用光刻及湿法刻蚀技术，将量子阱层及上欧姆接触层的一侧刻蚀，使下欧姆接触层的一侧形成一台面；(D)采用机械抛光的方法，将衬底及下欧姆接触层远离台面的一侧抛成45°抛角，形成入射光窗口；(E)烘干；(F)在上欧姆接触层的表面压焊第一n型电极；(G)在下欧姆接触层一侧形成的台面上压焊第二n型电极。

Description

10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体光电子器件领域，提供了一种10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器及其制作方法。
背景技术
甚长波红外探测器在战略预警、大气温度及相对湿度轮廓探测、大气少量元素分布及空间探测方面具有重要的应用。而在此波段，传统的红外探测器材料HgCdTe面临困难。这是因为，随着波长增大，HgCdTe材料的生长与器件工艺制作难度急剧增加，在甚长波波段尤为明显。而GaAs/AlGaAs量子阱结构以其低的1/f噪声和高输出阻抗的良好性能以及成熟的材料生长和器件处理工艺所带来的低成本和高均匀性成为该波段较为理想的探测器材料。
与单色探测器相比，双色和多色探测器对于识别复杂环境下的复杂目标具有明显的优势，因而是红外探测器发展的趋势之一。在双色及多色探测器的研究和应用中，以GaAs/AlGaAs为代表的量子阱材料也以其在约3-30微米范围内实现特定探测波长方面优秀的调控能力具有极强的竞争力。
传统的双色量子阱红外探测器大都采用三端欧姆接触电极结构。这一方面降低了焦平面阵列的填充因子，同时更极大地增加了焦平面器件工艺的难度。本发明是仅依靠一个量子阱周期，运用两端的电极结构实现对长波和甚长波波段的同时探测。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能实现10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器的制作方法，通过一个量子阱的周期结构，在一定偏压下，得到分别处在长波和甚长波两个波段，强度相等的两个光响应峰，简单的克服了单色探测中的虚警问题。
本发明是通过以下步骤实现的：
本发明提供一种10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器的制作方法，包括如下步骤：
(A)将一衬底烘干、脱氧，以其作为量子阱红外探测器的承载体；
(B)利用外延设备在衬底上依次生长N型掺杂的下欧姆接触层、量子阱层，以及N型掺杂的上欧姆接触层；
(C)采用光刻及湿法刻蚀技术，将量子阱层及上欧姆接触层的一侧刻蚀，使下欧姆接触层的一侧形成一台面；
(D)采用机械抛光的方法，将衬底及下欧姆接触层远离台面的一侧抛成45°抛角，形成入射光窗口；
(E)烘干；
(F)在上欧姆接触层的表面压焊第一n型电极；
(F)在下欧姆接触层一侧形成的台面上压焊第二n型电极。
其中衬底是在400℃下烘干，上、下欧姆接触层及量子阱层均是在600℃下生长。
其中衬底为GaAs半绝缘衬底。
其中上、下欧姆接触层的厚度分别为0.5微米，以硅作为n型掺杂源，掺杂浓度5.0×1011cm-3。
其中量子阱层为一个量子阱周期结构，周期数为50，该量子阱层的材料为GaAs/AlxGa1-xAs，该GaAs为势阱结构，该AlxGa1-xAs为势垒结构，该50个周期的量子阱层的最上层再覆盖一层AlxGa1-xAs层。
其中量子阱层的量子阱周期结构中，作为势阱的GaAs层厚度为7纳米，以硅做n型掺杂源，掺杂浓度为3.0×1017cm-3。
其中量子阱层的量子阱周期结构中，作为势垒的AlxGa1-xAs层的铝组分x选用0.14，厚度为60纳米。
其中第一、第二n型电极的材料为Au/Ge/Ni。
附图说明
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作详细的描述，其中：
图1给出了量子阱红外探测器的器件结构图；
图2给出了量子阱红外探测器的材料生长结构图；
图3给出了量子阱红外探测器台面结构示意图；
图4给出了量子阱红外探测器3.5V偏压下的光电流谱图；
图5给出了量子阱红外探测器在不偏压下的光电流谱图；
图6给出了量子阱红外探测器在正负偏压下较长波长光电流谱峰值与较短波长光电流谱峰值比。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器的制作方法，包括如下步骤：
(A)将一衬底10在400℃下烘干、580℃下脱氧，以其作为量子阱红外探测器的承载体；其中衬底10为GaAs半绝缘衬底；
(B)利用外延设备在衬底10上依次生长N型掺杂的下欧姆接触层11、量子阱层12，以及N型掺杂的上欧姆接触层13，如图2所示；上、下欧姆接触层11，13和量子阱层12在600℃下生长。GaAs外延生长的最佳温度为600±20℃。如果生长温度高于630℃，则会由于GaAs的分解、脱附而使生长速率减小，而且会由于As的脱附升高，致使表面容易出现富Ga状态，呈现Ga滴状表面，导致外延材料的质量下降。当生长温度较低时，原子迁移率下降，容易导致三维岛状生长以及空位和原子团等的形成。本结构选择600℃作为材料生长温度。上、下欧姆接触层11、13的厚度分别为0.5微米，以硅作为n型掺杂源，掺杂浓度5.0×1017cm-3，相对较低的掺杂浓度和生长厚度是为了减少自由载流子吸收。红外光进入量子阱层12之后会在上、下欧姆接触层11，13之间多次反射，较强的自由载流子吸收会降低探测器的外量子效率；其中下欧姆接触层11一方面用于制作电极，传导电流，另一方面起到了缓冲层的作用，缓冲了衬底与外延层之间的应力。量子阱层12为一个量子阱周期结构，周期数为50，该量子阱层12的材料为GaAs/AlxGa1-xAs，该GaAs为势阱结构，该AlxGa1-xAs为势垒结构，该50个周期的量子阱层的最上层再覆盖一层AlxGa1-xAs层；其中量子阱层12的量子阱周期结构中，作为势阱的GaAs层厚度为7纳米，以硅做n型掺杂源，掺杂浓度为3.0×1017cm-3；增宽势阱层可以使量子阱的第一激发态下沉，从势垒层以上逐渐落入阱中。从而使得量子阱中光电子的跃迁为束缚态到束缚态或束缚态到准束缚态，这有助于减小探测器的暗电流，进而降低噪声，达到增大探测率的目的。文中的势阱层厚度使得量子阱中第一激发态落入阱中，减小了暗电流的同时，也为实现双色同时探测创造了条件。量子阱层12的量子阱周期结构中，作为势垒的AlxGa1-xAs层的铝组分x选用0.14，厚度为60纳米。由于铝组分大于0.45时，AlxGa1-xAs材料由直接带隙转为间接带隙，因此量子阱结构中，铝组分大小应满足x＜0.45。铝组分的大小决定了AlxGa1-xAs材料的禁带宽度，进而决定了量子阱的势垒高度。而量子阱的势垒高度与探测器的探测波长联系紧密。因此铝组分大小是探测器的关键参数。势垒厚度设计为60纳米是为了减小作为暗电流形成机制之一的隧穿电流，从而提高探测性能。选取该铝组分、势阱宽度和势阱中的掺杂浓度，有效地调整了量子阱中光电子跃迁的跃迁矩阵元，从而利用一个量子阱周期结构实现了对两个波段的同时探测，光电流具有两个光响应峰。
欧姆接触层GaAs的生长速率为1ML/s(1分子层/每秒)。量子阱势垒层Al0.14Ga0.86As的生长速率也选择为1ML/s，其中AlAs的速率为0.14ML/s，GaAs的速率为0.86ML/s。为减小生长中的停顿，下欧姆接触层11及势阱层GaAs的生长速率选为0.86ML/s。上欧姆接触层13的生长速率为1ML/s。
As阀选择130，使得V/III的束流比为20左右。适当的V/III束流比是改善材料生长质量的重要因素。较高的V/III束流比不仅会引入杂质，而且过多的As会阻碍Al原子的表面迁移，易于形成三维岛状生长。
(C)采用光刻及湿法刻蚀技术，将量子阱层12及上欧姆接触层13的一侧刻蚀，使下欧姆接触层11的一侧形成一台面111；
具体步骤包括甩胶，前烘，曝光，显影，坚膜。光刻之后，只有图3中500×500μm2正方形区域的上欧姆接触层13上方有光刻胶。之后腐蚀GaAs，覆盖光刻胶的正方形区域形成台面。去胶。清洗后进行二次光刻，步骤次序同2。二次光刻以后，仅上图中白色边框部分覆盖光刻胶。蒸镀电极Au/Ge/Ni后带胶剥离，去除光刻胶及覆盖于之上的电极材料，实现了上、下电极之间的隔离。正方形台面作为上电极，其余蒸镀电极的部分作为下电极。
(D)采用机械抛光的方法，将衬底10及下欧姆接触层11的一侧抛成45°抛角，形成入射光窗口；
(E)烘干；
(F)在上欧姆接触层13的表面压焊第一n型电极14；
(F)在下欧姆接触层11一侧形成的台面111上压焊第二n型电极15。
在77K温度下测量不同偏压下的光电流谱。图4是在3.5V偏压下测量到的光电流谱。可以看到在该偏压下，光电流谱具有强度接近相等的两个峰，截止波长分别为11.8微米和14.5微米。从图5中可以对比不同偏压下光电流谱的变化。在较小偏压下，波长较短处的峰强度较大。随着偏压增加，两个峰的强度同时增大，其中波长较长处峰的强度增大得更快。当偏压为3.5V时，光电流谱具有强度相近的两个峰。之后，波长较长处峰的强度占据优势。将较短波长处光电流谱峰的强度表示为R1，较长波长处光电流谱峰的强度表示为R2。R2/R1随偏压变化的趋势如图6所示。可以看到，不论在正偏还是反偏下，随着偏压的增加，强度比R2/R1呈现单调增大的趋势。
本文所述方法的特点在于通过调节势阱的宽度和掺杂浓度以及势垒高度等量子阱参数，仅利用一个量子阱周期结构得到两个光响应峰，从而实现对两个波段的同时探测。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器的制作方法，包括如下步骤：
(A)将一衬底烘干、脱氧，以其作为量子阱红外探测器的承载体；
(B)利用外延设备在衬底上依次生长N型掺杂的下欧姆接触层、量子阱层，以及N型掺杂的上欧姆接触层；
(C)采用光刻及湿法刻蚀技术，将量子阱层及上欧姆接触层的一侧刻蚀，使下欧姆接触层的一侧形成一台面；
(D)采用机械抛光的方法，将衬底及下欧姆接触层远离台面的一侧抛成45°抛角，形成入射光窗口；
(E)烘干；
(F)在上欧姆接触层的表面压焊第一n型电极；
(F)在下欧姆接触层一侧形成的台面上压焊第二n型电极。
2.根据权利要求1所述的10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器的制作方法，其中衬底是在400℃下烘干，上、下欧姆接触层及量子阱层均是在600℃下生长。
3.根据权利要求1所述的10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器的制作方法，其中衬底为GaAs半绝缘衬底。
4.根据权利要求1所述的10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器的制作方法，其中上、下欧姆接触层的厚度分别为0.5微米，以硅作为n型掺杂源，掺杂浓度5.0×1017cm-3。
5.根据权利要求1所述的10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器的制作方法，其中量子阱层为一个量子阱周期结构，周期数为50，该量子阱层的材料为GaAs/AlxGa1-xAs，该GaAs为势阱结构，该AlxGa1-xAs为势垒结构，该50个周期的量子阱层的最上层再覆盖一层AlxGa1-xAs层。
6.根据权利要求5所述的10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器的制作方法，其中量子阱层的量子阱周期结构中，作为势阱的GaAs层厚度为7纳米，以硅做n型掺杂源，掺杂浓度为3.0×1017cm-3。
7.根据权利要求5所述的10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器的制作方法，其中量子阱层的量子阱周期结构中，作为势垒的AlxGa1-xAs层的铝组分x选用0.14，厚度为60纳米。
8.根据权利要求4所述的10-14微米同时响应的双色量子阱红外探测器的制作方法，其中第一、第二n型电极的材料为Au/Ge/Ni。
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