CN102176489A - 晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法 - Google Patents

晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法，包括：采用分子束外延法或金属有机物气相外延法，在衬底上生长晶格匹配的缓冲层、光吸收层和宽禁带帽层得到光电探测器件外延结构；其中，生长过程中对光吸收层的带隙进行裁剪设定，在满足应用中对光电探测器长波端截止波长要求的前提下选取宽带隙。本发明材料生长方法简单，通过对光电探测器光吸收层带隙的裁剪设定，在基本不改变原有器件设计的前提下显著改善器件性能，探测率改善3倍以上；既适合一些不同种类的III-V族化合物材料体系光电探测器件的制作，也适合其他类型的光电器件及电子器件的制作及拓展到其他材料体系，具有良好的应用前景。

Description

晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法
技术领域
本发明属于半导体光电探测器外延结构领域，特别涉及一种晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法。
背景技术
半导体光电探测器一般属于量子型的探测器，其发明已有百余年历史，可以采用各种半导体材料，在众多领域都有重要应用。半导体光电探测器的结构已由简单的体材料发展到复杂的异质结、量子阱、超晶格等微结构材料，涉及的波长范围由早期在可见-近红外的狭窄波段拓展到整个紫外、可见、近红外、中红外乃至远红外波段，材料体系也包含VI、III-V、II-VI、IV-VI及有机化合物等等，也有光导、光伏等多种类型，不一而足，最常见的是基于pn结的光伏型光电探测器。目前典型的采用III-V族化合物材料的pn结型光电探测器一般是在InP、GaAs、GaSb、InAs等衬底上用外延方法上制作，其基本结构包括一个导电缓冲层(可兼作下接触层)、一个低掺杂(或非故意掺杂)的光吸收层和一个帽层，在帽层中可以采用外延原位掺杂、外延后扩散掺杂或离子注入等方法形成pn结。一般帽层希望采用禁带较宽的材料以利于透光和提高器件性能。
为提高材料生长质量，在缓冲层、光吸收层和帽层材料的选择上优先考虑与衬底晶格匹配的体系，这样可以提高器件性能和避免一系列由于晶格失配造成的困难。以短波红外波段常用的III-V族材料InP和InGaAs为例：探测器的光吸收层采用与InP衬底晶格匹配的In0.53Ga0.47As三元系，缓冲层和帽层可以用InP，也可以用禁带更宽的晶格匹配In0.52Al0.48As三元系。In0.53Ga0.47As三元系材料在室温下的带隙约0.75eV，对应的带隙波长约1.65μm，因此探测器的峰值响应波长可达约1.6μm，且在约1-1.6μm的波段上有平坦的响应，在此波段上其内量子效率可大于90％且基本维持不变。对于需要宽波段响应的应用，这种具有宽谱平坦响应的特点十分有利，但由于In0.53Ga0.47As材料的带隙相对较窄，器件的暗电流会较高，实际应用中要降低暗电流只能靠降低工作温度，给一些应用场合带来困难。再拿这个波段上的In0.53Ga0.47As探测器和Si探测器做个比较：Si的带隙约1.12eV对应的截止波长约1.1μm。对于同样探测约1μm左右的光而言，这两种探测器可以具有相同的量子效率或光响应，而由于Si的带隙要明显大于In0.53Ga0.47As，Si探测器的暗电流要低数个量级，因此在系统性能方面会有十分显著的优势。而对于需要探测波长大于Si的带隙波长的光如1.3μm的光时，Si探测器就无能为力了。然而注意到，在许多应用场合下人们并不需要很宽的光谱响应，例如：对航天遥感中1.36μm和1.12μm附近水汽波段的探测，约0.1μm的响应谱宽就足以符合要求；再如：医学光治疗研究中单态氧的荧光检测需要探测的光的中心波长在1.27μm，需要的光谱带宽仅几十纳米，显然这些应用中是无法采用Si探测器的。这些应用系统中还常要求探测光谱范围尽量窄以减小干扰，在使用宽响应光谱探测器的情况下这就需要使用窄带带通滤光片等方法加以实现，这一方面加大了光损耗和系统复杂程度，另一方面也没有充分发挥器件的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法，该材料的生长方法简单，通过对光电探测器光吸收层带隙的裁剪设定，在基本不改变原有器件设计的前提下显著改善器件性能，探测率改善3倍以上，材料生长和器件芯片加工工艺也基本维持不变；既适合一些不同种类的III-V族化合物材料体系光电探测器件的制作，也适合其他类型的光电器件及电子器件的制作及拓展到其他材料体系，具有良好的应用前景。
本发明的一种裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法，包括：
采用分子束外延法或金属有机物气相外延法，在衬底上生长晶格匹配的缓冲层、光吸收层和宽禁带帽层得到光电探测器件外延结构；其中，生长过程中对光吸收层的带隙进行裁剪设定，在满足应用中对光电探测器长波端截止波长要求的前提下选取宽带隙。
所述衬底为半绝缘或高掺杂导电衬底，材料为InP。
所述缓冲层材料为与衬底晶格匹配的InP、In0.52Al0.48As或In0.53Ga0.47As，厚度为0.2-2微米。
所述光吸收层为非故意掺杂或低掺杂n型，材料为与衬底晶格匹配的四元系InAlGaAs或InGaAsP，厚度为1-3微米。
所述宽禁带帽层为非故意掺杂或低掺杂n型，或是高掺杂p型，材料为与衬底晶格匹配的InP或In0.52Al0.48As，厚度为0.5-1微米。
所述对光吸收层的带隙进行裁剪设定，光吸收层材料为四元系InAlGaAs时，在应用中需将材料的带隙由In0.53Ga0.47As的0.75eV调整到0.9eV使其截止波长减小到1.38μm，则Al组分由0增加至8％，Ga组分由47％减小8％至39％，In的组分保持不变，使四元系的组分达到In0.53Al0.08Ga0.39As。
所述对光吸收层的带隙进行裁剪设定，光吸收层材料为四元系InGaAsP时，在应用中需将材料的带隙由In0.53Ga0.47As的0.75eV调整到0.9eV使其截止波长减小到1.38μm，则In组分由53％增加14％至67％，Ga组分由47％减小14％至33％，同时减少29％的As组分和引入29％的P组分，使四元系的组分达到In0.67Ga0.33As0.71P0.29。
所述方法不仅限于InP衬底及InAlGaAs或InGaAsP晶格匹配材料体系，也可以拓展到其他衬底和与其匹配的材料体系。
本发明的出发点和优点在于：(1)在III-V族晶格匹配的材料体系中一些四元系可以在维持晶格常数不变的情况下改变带隙，而在材料生长中采用合适的策略可以使这些四元系材料的生长较为方便，从而不显著增加材料生长的难度；(2)对于光电探测器等器件而言，增加材料的带隙有利于减小其本征载流子浓度，从而显著降低器件的暗电流(漏电流)和提高其击穿电压，大大改善器件性能，这样与采用较窄带隙的材料相比，在保证同样性能的前提下器件就可以有更高的工作温度，从而大大降低系统的复杂程度。
有益效果
(1)本发明材料生长方法简单，通过对光电探测器光吸收层带隙的裁剪设定，在基本不改变原有器件设计的前提下显著改善器件性能，探测率改善3倍以上，材料生长和器件芯片加工工艺也基本维持不变；
(2)本发明设定探测器的长波端截止波长有利于提高器件的抗干扰特性，对简化系统设计和提高系统性能也十分有利；
(3)本发明既适合一些不同种类的III-V族化合物材料体系光电探测器件的制作，也适合其他类型的光电器件及电子器件的制作及拓展到其他材料体系，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的实施示意图，其中，1为衬底，2为缓冲层，3为裁剪设定带隙的光吸收层，4为宽禁带帽层。
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)采用分子束外延法(MBE)在InP衬底上生长包括缓冲层、光吸收层和宽禁带帽层的晶格匹配光电探测器外延结构。InP衬底采用半绝缘导电类型；缓冲层选用禁带较窄的In0.53Ga0.47As，厚度为200纳米，掺杂及其浓度根据器件的最终要求确定；光吸收层为非故意掺杂，采用对其带隙裁剪设定的四元系的InAlGaAs，厚度为1微米；宽禁带帽层可为非故意掺杂，材料为In0.52Al0.48As，厚度为0.5微米；
(2)四元系InAlGaAs光吸收层的组分和带隙的裁剪设定根据所需器件的长波截止波长要求决定。在与InP衬底晶格匹配情况下InAlGaAs四元系可以看成两个晶格匹配三元系In0.52Al0.48As和In0.53Ga0.47As的混晶，其组分可表示为(In0.52Al0.48As)x(In0.53Ga0.47As)y(x+y＝1)。例如：在保持晶格匹配的前提下需要将材料的带隙由In0.53Ga0.47As的0.75eV调整到0.9eV使其截止波长减小到1.38μm，则Al组分需由0增加到8％，同时Ga组分由47％减小8％至39％，In的组分基本维持不变，即使四元系的组分达到In0.53Al0.08Ga0.39As，相当于x＝0.167，y＝0.833，在此情况下器件的暗电流可以减少一个量级以上，探测率改善3倍以上；
(3)用MBE方法生长In0.53Al0.08Ga0.39As光吸收层时，考虑到Al和Ga在生长中具有相近的粘附系数，因此其生长参数仍可由生长晶格匹配的In0.52Al0.48As和In0.53Ga0.47As三元系的生长条件初步确定，即维持In和As的束流条件不变，将Al束流减小到生长晶格匹配的In0.52Al0.48As时的16.7％，同时将Ga束流减小到生长晶格匹配的In0.53Ga0.47As时的83.3％，这样即可保持晶格匹配生长条件并维持生长速率和V/III比等参数基本不变，最终的生长条件可以根据X-ray晶格参数的测试再进行微调。
实施例2
(1)采用金属有机物气相外延MOVPE法在InP衬底上生长包括缓冲层、光吸收层和宽禁带帽层的晶格匹配光电探测器外延结构。InP衬底采用N型高掺杂导电类型；缓冲层选用InP材料以适合背面进光要求，厚度为2000纳米，掺杂及其浓度也可根据器件的最终要求确定；光吸收层为低掺杂n型，采用对其带隙裁剪设定的四元系的InGaAsP，厚度为3微米；宽禁带帽层为为高掺杂p型，材料为InP，厚度为1微米；
(2)四元系InGaAsP光吸收层的组分和带隙的裁剪设定根据所需器件的长波截止波长要求决定。在与InP衬底晶格匹配情况下InGaAsP四元系可以看成二元系InP和晶格匹配三元系In0.53Ga0.47As的混晶，其组分可表示为(InP)x(In0.53Ga0.47As)y(x+y＝1)。例如：在保持晶格匹配的前提下需要将材料的带隙由In0.53Ga0.47As的0.75eV调整到0.9eV使其截止波长减小到1.38μm，则In组分需由53％增加14％至67％，Ga组分由47％减小14％至33％，同时相应减少29％的As组分和引入29％的P组分，使四元系的组分达到In0.67Ga0.33As0.71P0.29，相当于x＝0.29，y＝0.71，在此情况下器件的暗电流可以减少一个量级以上，探测率改善3倍以上；
(3)用MOVPE方法生长In0.67Ga0.33As0.71P0.29光吸收层时，In、Ga、As和P的生长源流量参数需要参照InP和In0.53Ga0.47As的生长参数同步调节以达到所设定的组分，并保持合适的V/III比和生长速率。最终的生长条件可以根据X-ray晶格参数的测试再进行微调。
需要进一步说明的是，本发明需采用晶格匹配的材料体系以确保所生长材料的高质量，由前述实施方案可见，采用此四元系光吸收层的器件其后续工艺可以完全相同。除此之外，此种方案不仅适合正面进光的单元或阵列器件，也适合于采用倒扣封装的背面进光单元或阵列器件，实现方式相当灵活。

Claims (7)

1.一种晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法，包括：
采用分子束外延法或金属有机物气相外延法，在衬底上生长晶格匹配的缓冲层、光吸收层和宽禁带帽层得到光电探测器件外延结构；其中，生长过程中对光吸收层的带隙进行裁剪设定，在满足应用中对光电探测器长波端截止波长要求的前提下选取宽带隙。
2.根据权利要求1所述的一种晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法，其特征在于：所述衬底为半绝缘或高掺杂导电衬底，材料为InP。
3.根据权利要求1所述的一种晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法，其特征在于：所述缓冲层材料为与衬底晶格匹配的InP、In0.52Al0.48As或In0.53Ga0.47As，厚度为0.2-2微米。
4.根据权利要求1所述的一种晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法，其特征在于：所述光吸收层为非故意掺杂或低掺杂n型，材料为与衬底晶格匹配的四元系InAlGaAs或InGaAsP，厚度为1-3微米。
5.根据权利要求1所述的一种晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法，其特征在于：所述宽禁带帽层为非故意掺杂或低掺杂n型，或是高掺杂p型，材料为与衬底晶格匹配的InP或In0.52Al0.48As，厚度为0.5-1微米。
6.根据权利要求1所述的一种晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法，其特征在于：所述对光吸收层的带隙进行裁剪设定，光吸收层材料为四元系InAlGaAs时，在应用中需将材料的带隙由In0.53Ga0.47As的0.75eV调整到0.9eV使其截止波长减小到1.38μm，则Al组分由0增加至8％，Ga组分由47％减小8％至39％，In的组分保持不变，使四元系的组分达到In0.53Al0.08Ga0.39As。
7.根据权利要求1所述的一种晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法，其特征在于：所述对光吸收层的带隙进行裁剪设定，光吸收层材料为四元系InGaAsP时，在应用中需将材料的带隙由In0.53Ga0.47As的0.75eV调整到0.9eV使其截止波长减小到1.38μm，则In组分由53％增加14％至67％，Ga组分由47％减小14％至33％，同时减少29％的As组分和引入29％的P组分，使四元系的组分达到In0.67Ga0.33As0.71P0.29。
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