CN101976696B - 用于拓展In0.53Ga0.47As探测器及其阵列短波响应的材料体系及其制备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于拓展In_0.53Ga_0.47As探测器及其阵列短波响应的材料体系及其制备，采用禁带宽度大于In_0.53Ga_0.47As吸收层材料且大于常规InP的含铝砷化物材料作为上下接触层材料体系实现拓展In_0.53Ga_0.47As探测器及其阵列短波响应。本发明采用宽禁带透明上接触层和下接触层材料体系，可以减小表面复合并提高量子效率，可利用分子束外延方法或金属有机物气相外延方法无需As/P切换而不间断生长，有利于在生长过程中保持平整的表面态，保证材料的高质量生长，可降低器件噪声，具有很好的通用性。

Description

用于拓展In0.53Ga0.47As探测器及其阵列短波响应的材料体系及其制备

技术领域

本发明属于In_0.53Ga_0.47As探测器的制备领域，特别涉及一种用于拓展In_0.53Ga_0.47As探测器及其阵列短波响应的材料体系及其制备。

背景技术

与InP衬底晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As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In_0.53Ga_0.47As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。

最常见的In_0.53Ga_0.47As探测器结构为PIN型，衬底或缓冲层材料作N型下接触层，In_0.53Ga_0.47As作为不掺杂或低掺杂I型吸收层，再加上一层P型上接触层。在常规正面进光时上接触层材料作为窗口层，而对常采用背面（衬底面）进光及倒扣封装方案的阵列探测器而言，下接触层材料同时作为窗口层。对于InGaAs探测器窗口层材料的选择而言，一般希望采用具有较宽禁带的材料作为透明窗口层。一方面窗口层材料禁带宽度要大于吸收层材料，这样可以提高量子效率，另一方面也希望窗口层材料禁带宽度在大于吸收层材料的基础上越大越好，可以拓展器件的短波响应范围，也有利于减小表面复合，改善暗电流特性。传统的In_0.53Ga_0.47As光电探测器采用InP材料作为上接触层和下接触层，对于正面进光或背面进光的器件而言，器件响应光谱的短波截止波长分别受到上接触层或下接触层InP材料禁带宽度的限制。室温下InP的禁带宽度约1.35eV，它将吸收波长小于0.91μm的光，从而限制了探测器对更短波长光的吸收。

在In_0.53Ga_0.47As光电探测器及其阵列的实际应用中，器件噪声是一个非常重要的参数，器件噪声中的重要一部分是1/f噪声，一般认为PN结异质界面处的位错和互扩散是其噪声的重要来源。若采用InP作为窗口层，在InGaAs吸收层与InP窗口层之间存在V族元素As/P的异质界面，无论是分子束外延还是金属有机物气相外延技术，在进行材料生长时生长完InGaAs吸收层关掉As源后，V族元素As的含量需要一段时间才能慢慢从系统中减少，存在所谓“记忆效应”，一方面非常容易残留在InP窗口层中发生混杂，形成多元化合物；另一方面如果要保证As没有残留，则需要在生长InGaAs关闭As源后与生长InP前中断一段时间，但是在这段时间内InGaAs材料表面将没有As源进行保护，材料维持在高温下容易发生分解，即使在P源保护下也较容易形成材料混杂。所以在探测器结构材料选取时也有必要考虑到异质结界面质量对器件噪声影响的问题。

同时，固态源分子束外延技术在生长含磷化合物材料时候存在特殊的困难，因为固态磷有红磷和白磷两种形态，两者的蒸气压之差达到了10⁵量级，因此用传统的固态源分子束外延技术很难精确控制它的束流强度。虽然目前已经出现了新型固态磷源裂解炉技术，但仍有很多分子束外延系统不能生长磷源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于拓展In_0.53Ga_0.47As探测器及其阵列短波响应的材料体系及其制备，本发明采用宽禁带透明上接触层和下接触层材料体系，可以减小表面复合并提高量子效率，可利用分子束外延方法或金属有机物气相外延方法无需As/P切换而不间断生长，有利于在生长过程中保持平整的表面态，保证材料的高质量生长，可降低器件噪声，具有很好的通用性。

本发明的一种用于拓展In_0.53Ga_0.47As探测器及其阵列短波响应的材料体系，其特征在于：采用禁带宽度大于In_0.53Ga_0.47As吸收层材料且大于常规InP的含铝砷化物材料作为上下接触层材料体系实现拓展In_0.53Ga_0.47As探测器及其阵列短波响应；上接触层结构的含铝砷化物材料在正面进光时作为窗口层，下接触层结构的含铝砷化物材料在选择腐蚀掉衬底后适用于背面进光。

所述的含铝砷化物材料为InAlAs三元或InAlGaAs四元化合物。

所述InAlAs三元化合物材料体系为In_0.52Al_0.48As。

所述的探测器及其阵列结构不包含磷化物，也可采用不含磷源的材料生长系统进行生长。

本发明的一种用于拓展In_0.53Ga_0.47As探测器及其阵列短波响应的材料体系的制备方法，包括：

（1）采用[100]晶向的半绝缘InP单晶材料作为探测器的衬底，含铝砷化物材料作为宽禁带下接触层并用Si进行高掺杂，In_0.53Ga_0.47As材料作为吸收层进行低掺杂Si或不掺杂，采用含铝砷化物材料作为宽禁带上接触层并用Be进行高掺杂，在吸收层和上接触层之间构成PN结；

（2）外延生长采用常规分子束外延方法，在正式生长之前先采用相同的In束源温度通过预备生长确定在InP衬底上生长晶格匹配的生长条件；

（3）在对可以直接用来外延生长的InP衬底进行氧化物脱附处理后先生长高掺杂Si宽禁带下接触层，然后继续生长低掺杂Si或不掺杂的吸收层，紧接着再生长高掺杂Be宽禁带上接触层；

（4）结束生长，在保护气氛下降温，得到所需In_0.53Ga_0.47As探测器。

所述用Si进行高掺杂的参数为n>2×10¹⁸cm^-3，用Si进行低掺杂或不掺杂的参数为n～2×10¹⁶cm^-3，用Be进行高掺杂的参数为p>2×10¹⁸cm^-3。

所述步骤（3）中的高掺杂Si宽禁带下接触层的厚度为1μm，低掺杂Si或不掺杂的吸收层的厚度为2μm，高掺杂Be宽禁带上接触层的厚度为1μm。

根据上述技术背景的分析，对于常规正面进光的探测器及其阵列而言，其短波响应范围受到上接触层材料禁带宽度的限制；而对于采用背面进光及倒扣封装结构的单元及其阵列而言，若在器件制作时选择腐蚀掉进光口的InP衬底，则其短波响应范围将受到下接触层材料禁带宽度的限制。与InP衬底晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As三元系材料的晶格常数约为5.87

,响应截止波长约1.65μm。经细致分析可以得出：与In_0.53Ga_0.47As材料晶格匹配而禁带宽度大于In_0.53Ga_0.47As并且有兼容性的材料体系有InGaAsP、InP、GaAsSb、InAlGaAs、InAlAs等，其中InAlAs三元系或InAlGaAs四元系含铝砷化物材料可以具有比InP更大的禁带宽度，并与InP衬底及In_0.53Ga_0.47As材料晶格匹配且为直接带隙。In组分为0.52时InAlAs材料与InP晶格匹配，室温下In_0.52Al_0.48As禁带宽度约为1.41eV，对波长大于约0.88μm的光都透明。采用In_0.52Al_0.48As作为In_0.53Ga_0.47As探测器的上接触层可以拓展正面进光器件的短波响应，而In_0.52Al_0.48As作为下接触层则可以在器件制作时选择腐蚀掉进光口的InP衬底后拓展背面进光器件的短波响应。另一方面，In_0.52Al_0.48As与In_0.53Ga_0.47As三元系材料都只含有同一种V族元素As，在材料生长时它们的界面处无需进行As/P切换与生长中断，可以保证获得高质量的异质界面。同时，此结构不包含磷化物，也可采用不含磷源的材料生长系统进行生长，在生长之前的保护只需要采用砷蒸气压即可。

有益效果

本发明采用宽禁带透明上接触层和下接触层材料体系，可以减小表面复合并提高量子效率，既适合于采用常规正面进光结构的单元或阵列器件，也可在选择腐蚀掉衬底后用于采用背面进光及倒扣封装结构的单元或阵列器件，可利用分子束外延方法或金属有机物气相外延方法无需As/P切换而不间断生长，有利于在生长过程中保持平整的表面态，保证材料的高质量生长，可降低器件噪声，同时可采用不含磷源的材料生长系统进行生长，具有很好的通用性。

附图说明

图1为本发明提供的一种采用宽禁带上下接触层拓展In_0.53Ga_0.47As光电探测器及其阵列短波响应范围的结构示意图。

图2为本发明提供的一种采用InAlAs作为上下接触层拓展In_0.53Ga_0.47As光电探测器及其阵列短波响应范围的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

（1）需要拓展In_0.53Ga_0.47As探测器阵列的短波响应，并需要探测器阵列结构既能适合正面进光同时也可在选择腐蚀掉衬底后用于背面进光；

（2）采用[100]晶向的半绝缘InP单晶材料作为探测器的衬底，In_0.52Al_0.48As材料作为宽禁带下接触层并用Si进行高掺杂（n>2×10¹⁸cm^-3），In_0.53Ga_0.47As材料作为吸收层进行低掺杂Si或不掺杂（n～2×10¹⁶cm^-3），采用In_0.52Al_0.48As作为宽禁带上接触层并用Be进行高掺杂（p>2×10¹⁸cm^-3），在吸收层和上接触层之间构成PN结；

（3）外延生长采用常规分子束外延方法，在正式生长之前先采用相同的In束源温度通过预备生长确定在InP衬底上生长晶格匹配的In_0.52Al_0.48As和In_0.53Ga_0.47As时的束源炉温度、衬底温度等生长条件，以衬底温度530°C为例；

（4）对可以直接用来外延生长的InP衬底进行高温氧化物脱附处理，然后以衬底温度530°C生长厚度约1μm的高掺杂Si的n型In_0.52Al_0.48As宽禁带下接触层（n>2×10¹⁸cm^-3），无需间断生长过程继续生长厚度约2μm的低掺杂Si或不掺杂的n型In_0.53Ga_0.47As光吸收层（n～2×10¹⁶cm^-3），紧接着再生长厚度约0.6μm高掺杂Be的厚度p型In_0.52Al_0.48As宽禁带上接触层（p>2×10¹⁸cm^-3）；

（5）结束生长，在保护气氛下降温，取出外延材料进行必要的测试和器件工艺制作。

Claims (4)

1.一种用于拓展In_0.53Ga_0.47As探测器及其阵列短波响应的材料体系，其特征在于：采用禁带宽度大于In_0.53Ga_0.47As吸收层材料且大于InP的含铝砷化物材料作为上下接触层材料体系实现拓展In_0.53Ga_0.47As探测器及其阵列短波响应；上接触层结构的含铝砷化物材料在正面进光时作为窗口层，下接触层结构的含铝砷化物材料在选择腐蚀掉衬底后适用于背面进光；其中，含铝砷化物材料为In_0.52Al_0.48As。

2.一种根据权利要求1所述的用于拓展In_0.53Ga_0.47As探测器及其阵列短波响应的材料体系的制备方法，包括：

（1）采用[100]晶向的半绝缘InP单晶材料作为探测器的衬底，含铝砷化物材料作为宽禁带下接触层并用Si进行高掺杂，In_0.53Ga_0.47As材料作为吸收层进行低掺杂Si或不掺杂，采用含铝砷化物材料作为宽禁带上接触层并用Be进行高掺杂，在吸收层和上接触层之间构成PN结；

（2）外延生长采用分子束外延方法，在正式生长之前先采用相同的In束源温度通过预备生长确定在InP衬底上生长晶格匹配的生长条件；

（3）在对可以直接用来外延生长的InP衬底进行氧化物脱附处理后先生长高掺杂Si宽禁带下接触层，然后继续生长低掺杂Si或不掺杂的吸收层，紧接着再生长高掺杂Be宽禁带上接触层；

（4）结束生长，在保护气氛下降温，得到所需In_0.53Ga_0.47As探测器。

3.根据权利要求2所述的一种用于拓展In_0.53Ga_0.47As探测器及其阵列短波响应的材料体系的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中用Si进行高掺杂的参数为n>2×10¹⁸cm^-3，用Si进行低掺杂或不掺杂的参数为n～2×10¹⁶cm^-3，用Be进行高掺杂的参数为p>2×10¹⁸cm^-3。

4.根据权利要求2所述的一种用于拓展In_0.53Ga_0.47As探测器及其阵列短波响应的材料体系的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的高掺杂Si宽禁带下接触层的厚度为1μm，低掺杂Si或不掺杂的吸收层的厚度为2μm，高掺杂Be宽禁带上接触层的厚度为0.6μm。

Images