CN103346197A - 一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器及其制备方法 - Google Patents

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田武
吴峰
戴江南
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Abstract

本发明公开一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器及其制备方法，该探测器结构包括蓝宝石衬底；在蓝宝石衬底上依次生长的低温AlN成核层、高温AlN缓冲层、本征AlGaN层、n型AlGaN下接触层、AlGaN/GaN多量子阱层以及n型AlGaN上接触层；n型AlGaN上接触层之上的二维金属光栅层。本发明的优点在于：利用Plasmon近场增强效应，在表面形成电场方向平行于量子阱生长方向的电子、光子耦合共振波，提高量子阱对正入射光的吸收能力，从而提升红外探测器的探测效率。同时，利用Plasmon增强耦合光栅的选频特性，实现信号的滤波，降低噪声的影响，减少暗电流，增强红外探测器的灵敏度。

Description

一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及一种表面等离子体增强的铝镓氮(AlGaN)基量子阱子带间跃迁红外探测器及制备方法，可广泛用于光电探测等领域。
背景技术
中红外波段包含两个大气窗口，分别在3-5μm、8-12μm，工作在这一波段的探测器可以提供红外侦察、制导等军事用途，广泛应用于资源卫星、气象卫星以及高性能红外成像。
近年来，第三代宽禁带半导体氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)材料体系AlGaN/GaN多量子阱红外探测器，由于材料生长、探测波段和器件性能的优势逐渐成为研究和应用领域的热点。相比于窄禁带半导体砷化镓(GaAs)、砷化铝(AlAs)材料体系，氮化物材料有更高的热导率和击穿场强，并且其拥有更好耐高温、抗腐蚀性能。相比于目前广泛使用的II-VI族碲镉汞材料红外探测器而言，AlGaN基量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetector-QWIP)有着明显的优势。基于III-IV材料的AlGaN基量子阱红外探测器可以通过对势阱宽度和势垒高度进行人工裁剪，在量子阱子带之间形成合适的光跃迁进行红外光的吸收探测。其探测器光谱响应窄，容易实现双色或多色单片集成。红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。III族氮化物材料的AlGaN基量子阱红外探测器由于半导体器件工艺成熟，很容易利用其制作单色或者多色焦平面器件。
然而，AlGaN基量子阱红外探测器会受到子带间跃迁选择定则的限制，量子阱只能吸收电场方向平行于量子阱生长方向的红外光，也就是说探测器在正入射条件下无法正常工作。通常实验中采用45°端面磨角的耦合方式解决这个问题，尽管这种方式简单有效，但是这种方法只能运用于单片测试，无法应用于焦平面阵列中。因此设计制作表面光耦合器，实现正入射条件下可工作的单元器件是AlGaN基量子阱红外探测器亟待解决的问题，也是实现焦平面红外探测阵列的基础。
传统的一维光栅可以通过光栅结构处光的折射和衍射，使入射光产生平行于量子阱方向的光分量，但耦合效率较低。在一维光栅的基础上，将周期结构拓展到二维结构，可以得到耦合效率更高的二维光栅结构。实验发现，金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元(surface plasmon polariton, SPP), 一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。同时，如果在金属表面引入周期性、准周期性、或者其他排列方式的纳米结构时,表面等离子体波会受到复杂多样且可控制的调控,包括速度、色散、群速度色散、散射、衍射、干涉等在内的许多传输性质将发生改变。当光正入射到金属光栅上时，二维金属光栅可以在其表面形成金属自由电子和入射光子的耦合共振波，其电场方向平行于量子阱的生长方向，且在近场范围内有增强作用，而量子阱的位置正好处于近场范围内，所以量子阱不仅可以吸收到光子，而且光强会得到增强。
发明内容
本发明的目的在于解决上述提到的关键问题，设计并制作出用于探测波长为3-5μm红外光的基于表面等离子体激元近场增强效应耦合光栅的AlGaN基量子阱子带间跃迁红外探测器，本发明的另一目的是提供一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器制备方法。在AlGaN基量子阱红外探测器表面制作二维周期性光栅结构，满足表面等离子体激元的激发条件，实现对光的耦合增强。同时通过合理设计光栅阵列的尺寸、周期等结构参数，可以实现探测波长的筛选，减少其他波段的光入射带来的干扰。
本发明的技术方案为：一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器，该探测器结构包括蓝宝石衬底；在蓝宝石衬底上依次生长的低温AlN成核层、高温AlN缓冲层、本征AlGaN层、n型AlGaN下接触层、AlGaN/GaN多量子阱层以及n型AlGaN上接触层；n型AlGaN上接触层之上的二维金属光栅层。AlGaN/GaN多量子阱结构的Al组分为30%~40%，GaN势阱厚度为2~3nm，AlGaN势垒厚度为6~8nm，量子阱个数为20~40。二维金属光栅为圆柱形空气孔阵列，圆柱孔直径为1~2μm。二维金属光栅为方形空气孔阵列，孔边长为1~3μm。二维金属光栅为正方形排列，阵列周期为2~3μm。二维金属光栅为六角形，阵列周期为3~4μm。二维金属光栅，材料为Au或者Ag，厚度为100nm~150nm。
一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器制备方法，其步骤为：(1)利用MOCVD在蓝宝石衬底上依次外延生长低温AlN成核层、高温AlN缓冲层、本征AlGaN层、硅掺杂n型AlGaN下接触层、AlGaN/GaN多量子阱层以及n型AlGaN上接触层；(2)采用光刻、电子束蒸发、ICP刻蚀技术，在上接触层上制作上电极层；(3)采用光刻、电子束蒸发、ICP刻蚀技术，在下接触层上制作下电极层；(4)采用光刻、电子束蒸发等技术制作二维金属光栅结构。
高温AlN缓冲层为脉冲原子层沉积方法生长，氨气通入时间占总气体通入时间的40%，脉冲原子层沉积的循环周期数为200~300。 
本发明的优点在于：采用AlGaN/GaN多量子阱制作红外探测器，提高探测器的耐高温、耐高压、抗腐蚀性能。利用等离子体激元(Plasmon)近场增强效应，在表面形成电场方向平行于量子阱生长方向的电子、光子耦合共振波，提高量子阱对正入射光的吸收能力，从而提升红外探测器的探测效率。同时，利用Plasmon增强耦合光栅的选频特性，实现信号的滤波，降低噪声的影响，减少暗电流，增强红外探测器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器结构剖视示意图，图中所示的二维光栅结构为正方形排列的圆形空气孔阵列；
图2为本发明高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器结构俯视示意图，图中所示的二维光栅结构为正方形排列的圆形空气孔阵列；
图3为本发明高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器Comsol Multiphysics软件模拟仿真响应曲线，图中曲线对应的二维光栅结构为六角形排列的圆形空气孔阵列；
图4为本发明高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器入射波长4.7μm时的电磁场分布图，图中曲线对应的二维光栅结构为六角形排列的圆形空气孔阵列。
图中：1—蓝宝石衬底、2—低温AlN成核层、3—高温AlN缓冲层、4—本征AlGaN层、5—n型AlGaN下接触层、6—下电极、7—AlGaN/GaN多量子阱、8—n型AlGaN上接触层、9—上电极、10—金属光栅、11—空气孔。
具体实施方式
一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器及其制备方法，其器件结构包括：(1)蓝宝石衬底；(2)在衬底上依次生长的低温AlN成核层、高温AlN缓冲层、本征AlGaN层、n型AlGaN下接触层、AlGaN/GaN多量子阱层以及n型AlGaN上接触层；(3)位于上接触层之上的二维金属光栅。
多量子阱结构为20~40个周期的AlGaN/GaN多量子阱结构，其中Al组分为30%~40%，GaN势阱厚度为2~3nm，AlGaN势垒厚度为6~8nm。
二维金属光栅为圆柱孔或者方形孔阵列，阵列为正方形或者六角排列。金属材料为金(Au)或者银(Ag)。其尺寸大小通过COMSOL Multiphysics软件模拟计算获得最佳值。通过模拟结果可以看出，当用于3~5μm大气窗口的红外探测时，若采用圆柱孔阵列二维金属光栅，圆柱孔直径为1~2μm，若为正方形排列，阵列周期为2~3μm，若为六角排列，阵列周期为3~4μm，金属膜厚为100nm~150nm；若采用方形孔阵列二维金属光栅，孔边长为1~3μm；若为正方形排列，周期为2~3μm，若为六角形排列，周期为3~4μm，金属膜厚为100nm~150nm，如图3、4。
一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器的制备方法包括：(1)利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在蓝宝石衬底上依次外延生长低温AlN成核层、高温AlN缓冲层、本征AlGaN层、硅(Si)掺杂n型AlGaN下接触层、AlGaN/GaN多量子阱层以及n型AlGaN上接触层；(2)采用光刻、电子束蒸发、电感耦合等离子体(ICP)刻蚀等技术，在上接触层上制作上电极层；(3)采用光刻、电子束蒸发、ICP刻蚀等技术，在下接触层上制作下电极层；(4)采用光刻、电子束蒸发等技术制作二维金属光栅结构。
本发明包括材料生长和器件制作两个步骤。
本发明的材料生长步骤：
步骤1，在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，生长低温AlN成核层。
将衬底温度降低为720°C，保持生长压力40Torr，氢气流量为3500sccm，氨气流量为2500sccm，向反应室通入流量为0.9μmol/min的铝源，生长厚度为20nm的低温AlN成核层。
步骤2，在低温AlN成核层上，采用脉冲原子层沉积的方法生长高温AlN本征层。
首先将生长温度升高到1100℃，保持生长压力40Torr，氢气流量为2000sccm，氨气流量为1750sccm，向反应室温入流量为3.9μmol/min的铝源，采用脉冲原子层沉积的方法，仅通入Al源0.15分钟，同时通入Al源、氨气0.1分钟，此步骤重复进行200次，生长厚度为100nm的AlN层。之后保持温度不变，氨气流量变为2500sccm，向反应室温入流量为3.7μmol/min的铝源，生长厚度为300nm的高温AlN成核层。
步骤3，在高温 AlN本征层上，生长本征的AlGaN层。
生长温度降低至1000℃，保持生长压力40Torr，氢气流量为2000sccm，氨气流量2500sccm，向反在室同时通入流量为4.2μmol/min的铝源、3.8μmol/min的镓源，生长厚度为100nm的本征AlGaN层。
步骤4，在本征AlGaN层上，生长n型AlGaN下接触层。
生长温度保持在1000℃，保持生长压力40Torr，氨气流量2500sccm，向反在室同时通入流量为4.2μmol/min的铝源、3.8μmol/min的镓源，同时通入20μmol/min的硅烷，生长厚度为100nm的n型AlGaN下接触层。
步骤5，在n型AlGaN下接触层上生长AlGaN/GaN多量子阱有源区。
生长温度降低至900℃，保持生长压力40Torr，氨气流量2500sccm，先向反应室通入3μmol/min的铝源、2μmol/min的镓源，生长6nm的AlGaN势垒层，之后关闭铝源，保持其余不变，生长2nm的GaN势阱层。重复上述两个过程，生长20~40个周期的AlGaN/GaN多量子阱有源层。
步骤6，生长n型AlGaN上接触层。
生长温度升高至950℃，保持生长压力40Torr，氨气流量2500sccm，向反在室同时通入流量为4.2μmol/min的铝源、3.8μmol/min的镓源，同时通入20μmol/min的硅烷，生长厚度为20nm的n型AlGaN上接触层。
本发明的器件制作步骤：
步骤1，在n型AlGaN上接触层上采用ICP工艺刻蚀台面至n型AlGaN层下接触层。
采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备淀积厚度约为300nm的二氧化硅(SiO2)层来作为刻蚀掩模层。由于对AlGaN材料的刻蚀速率较慢，增加该步骤是为了在样片上形成SiO2和光刻胶共同起作用的双层掩模图形，更有利于保护未刻蚀区域表面；对样片甩正胶，转速为5000r/min，时间为45s，然后再在温度为90℃的烘箱中烘15min， 通过光刻以及显影形成刻蚀所需的图形；采用ICP干法刻蚀，形成台面，刻蚀时采用的ICP功率为100W,偏压为1l0V，压力为12Torr，刻蚀时间为400s;采用丙酮去除刻蚀后的正胶，然后在BOE中浸泡1min去除SiO2掩膜，最后用去离子水清洗干净并用氮气吹干，除去刻蚀后的掩摸层。
步骤2，在n型AlGaN下接触层上光刻出下电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发n型欧姆接触金属，形成下电极。
为了更好地剥离金属，首先在样片上甩黏附剂，转速为8000r/min，时间为30s，在温度为160℃的高温烘箱中烘20min; 然后再在该样品上甩正胶，转速为5000r/min，时间为45s，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得下电极图形；采用等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，该步骤大大提高了剥离的成品率，而后采用电子束蒸发设备淀积Ti/Al/Ti/Au四层金属；
在丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干。将样片放入到快速退火炉中，首先向退火炉内通入氮气10min左右，然后在氮气气氛，温度为870℃条件下进行40s的高温退火，形成下电极。
步骤3，在n型AlGaN上接触层上光刻出上电极的图形，然后用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发n型欧姆接触金属，形成上电极。
为了更好地剥离金属，首先在样片上甩黏附剂，转速为8000r/min，时间为30s，在温度为160℃的高温烘箱中烘20min; 然后再在该样品上甩正胶，转速为5000r/min，时间为45s，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得上电极图形；采用等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，该步骤大大提高了剥离的成品率，而后采用电子束蒸发设备淀积Ti/Al/Ti/Au四层金属；
在丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干。将样片放入到快速退火炉中，首先向退火炉内通入氮气10min左右，然后在氮气气氛，温度为870℃条件下进行40s的高温退火，形成上电极。
步骤4，在n型AlGaN上接触层上光刻出二维金属光栅的图形，然后利用电子束蒸发工艺，之后通过剥离，形成二维金属孔阵列光栅。
首先在样片上甩黏附剂，转速为8000r/min，时间为60s，在温度为160℃的高温烘箱中烘20min; 然后再在该样品上甩正胶，转速为3000r/min，时间为60s，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得上电极图形；采用等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层。之后采用电子束蒸发设备沉积100nm厚的Au或者Ag金属。然后在丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干，得到二维金属孔阵列光栅。
步骤5，分别在下电极和上电极上制作引线，完成器件制作。

Claims (9)

1.一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器，其特征在于：该探测器结构包括蓝宝石衬底；在蓝宝石衬底上依次生长的低温AlN成核层、高温AlN缓冲层、本征AlGaN层、n型AlGaN下接触层、AlGaN/GaN多量子阱层以及n型AlGaN上接触层；n型AlGaN上接触层之上的二维金属光栅层。
2.根据权利要求1所述的一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器制备方法，其特征在于：AlGaN/GaN多量子阱结构的Al组分为30%~40%，GaN势阱厚度为2~3nm，AlGaN势垒厚度为6~8nm，量子阱个数为20~40。
3.根据权利要求1所述的高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器，其特征在于：二维金属光栅为圆柱形空气孔阵列，圆柱孔直径为1~2μm。
4.根据权利要求1所述的高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器，其特征在于：二维金属光栅为方形空气孔阵列，孔边长为1~3μm。
5.根据权利要求1所述的高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器，其特征在于：二维金属光栅为正方形排列，阵列周期为2~3μm。
6.根据权利要求1所述的高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器，其特征在于：二维金属光栅为六角形排列，阵列周期为3~4μm。
7.根据权利要求1、3、4、5或6所述的高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器，其特征在于：二维金属光栅，材料为Au或者Ag，厚度为100nm~150nm。
8.一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器制备方法，其步骤为：(1)利用MOCVD在蓝宝石衬底上依次外延生长低温AlN成核层、高温AlN缓冲层、本征AlGaN层、硅掺杂n型AlGaN下接触层、AlGaN/GaN多量子阱层以及n型AlGaN上接触层；(2)采用光刻、电子束蒸发、ICP刻蚀技术，在上接触层上制作上电极层；(3)采用光刻、电子束蒸发、ICP刻蚀技术，在下接触层上制作下电极层；(4)采用光刻、电子束蒸发等技术制作二维金属光栅结构。
9.根据权利要求8所述的一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器制备方法，其特征在于：高温AlN缓冲层为脉冲原子层沉积方法生长，氨气通入时间占总气体通入时间的40%，脉冲原子层沉积的循环周期数为200~300。
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