CN103383976B - 石墨烯增强型InGaAs红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯增强型InGaAs红外探测器，解决现有红外探测器探测范围窄和较高暗电流的技术问题。该石墨烯增强型InGaAs红外探测器结构为：在衬底上依次生长的缓冲层、扩展波长的InGaAs吸收层、石墨烯盖层，构成pin探测器结构。本发明公开了在衬底上以两步法生长失配缓冲层的方法。采用适合金属有机物化学气相沉积技术生长又方便控制并且禁带宽度大于扩展波长InGaAs材料的InAsP或InAlAs三元系材料，可有效避免失配位错且适合于背面进光的透明缓冲层结构。本发明提出了使用石墨烯作为InGaAs红外探测器的盖层来扩展探测范围和降低暗电流的方法，实现对探测器性能的提高，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光电子材料与器件应用领域，具体涉及一种应用石墨烯薄膜作为盖层的，宽波段的石墨烯增强型InGaAs红外探测器。
背景技术
InGaAs探测器是目前最为重要的短波红外探测器之一，探测范围窄和较高暗电流是制约其发展和应用的主要问题。近年来宽波段InGaAs材料器件结构设计已成为国际半导体光探测研究领域的最新热点研究方向。研究发现由于InGaAs材料为全组分直接带隙材料，通过提高In组分，可有效扩展探测器的应用范围。但提高In组分同时必然导致InGaAs材料与衬底产生晶格失配，而当失配较大时则会引起位错缺陷，降低InGaAs外延材料的质量，导致探测器性能下降。因此，如果希望得到高质量的InGaAs材料，需要在衬底与吸收层间生长适当的缓冲层，以降低吸收层中的缺陷密度。
为了减少衬底与吸收层之间的晶格失配带来的位错缺陷，目前主要采用在两层间插入组分渐变（或跃变）的InGaAs缓冲层的方法。采用该方法可有效抑制位错，改善吸收层的质量，从而使探测器性能得到改善，但该方法需要生长非常厚的缓冲层后才能生长所需要组分的吸收层。此外，由于InGaAs缓冲层是不透明的，对于常采用背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。
到目前为止，InGaAs探测器中盖层材料使用最为广泛的是InP。但随着现代光电子器件的不断发展和新型材料的大量使用，这种传统的盖层材料暴露出越来越多的问题。首先，In是一种稀有金属元素，随着使用量的增加，其价格逐年攀升。另外，InP单晶生长较难，易碎，且迁移率较难进一步提高，其器件性能已接近极限水平。此外，由于InP盖层的引入，会带来入射光在多界面间的多次反射，削弱进入吸收层的光，因此严重影响InGaAs红外探测器对光信号的高效吸收与转换。
发明内容
本发明的目的在于针对现有InGaAs红外探测器存在的缺陷，提供一种能够显著降低暗电流并扩展探测范围的石墨烯增强型InGaAs红外探测器。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
石墨烯增强型InGaAs红外探测器，其结构为：在衬底上依次生长的缓冲层、扩展波长的InGaAs吸收层、石墨烯盖层，构成pin探测器结构。
在上述技术方案中，所述缓冲层、扩展波长的InGaAs吸收层是采用金属有机化合物气相沉积技术在衬底上依次生长的；所述石墨烯盖层是采用有机化合物气相沉积技术生长的。
在上述技术方案中，所述衬底为掺S的n型InP或掺S的n型GaAs单晶衬底。
在上述技术方案中，所述缓冲层为掺Si的InAsP或掺Si的InAlAs三元系材料。
在上述技术方案中，所述缓冲层的厚度为1μm到2μm。
在上述技术方案中，所述扩展波长的InGaAs吸收层中In组分大于0.53。
在上述技术方案中，所述扩展波长的InGaAs吸收层的厚度为2.5μm到3.5μm。
在上述技术方案中，所述石墨烯盖层为单层或多层p型石墨烯。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的石墨烯增强型InGaAs红外探测器与现有InGaAs红外探测器相比，主要区别是采用石墨烯作为InGaAs红外探测器的盖层，可以有效的降低InGaAs探测器的暗电流，从而降低了对InGaAs材料外延生长的要求。并且可以提高器件的光电转换效率并在更广泛的波长范围工作。同时，由于石墨烯极高的载流子迁移率可以很快速的探测信号。本发明实现了对InGaAs红外探测器的暗电流显著抑制及探测范围的扩展，从而实现对探测器性能的提高。
2、本发明提供的石墨烯增强型InGaAs红外探测器，采用金属有机物化学气相沉积技术，通过两步法在衬底上生长失配缓冲层，并以掺Si的InAsP或InAlAs三元系材料作为缓冲层材料，可有效避免失配位错且适合于从背面进光的透明缓冲层结构。并且，在衬底上生长缓冲层时，由于临界厚度较小，即在外延生长过程中，外延层内的应变释放很快，在较小厚度范围内即可以获得很高的弛豫度，这有望提高在其上生长的InGaAs吸收层材料质量，获得低缺陷密度的光吸收层材料，从而使探测器性能进一步提高。
附图说明
图1为本发明所述的石墨烯增强型InGaAs红外探测器结构示意图。
具体实施方式
本发明的发明思想是：
本发明是为提高InGaAs红外探测器的光电性能，提供一种既能够拓展探测器的应用范围，又能对器件的暗电流显著抑制而光电转换效率显著提高的新型探测器结构。本发明的InGaAs红外探测器是采用掺S的n型InP或GaAs作为衬底，掺Si的InAsP或InAlAs三元系材料作为缓冲层，扩展波长的InGaAs材料作为吸收层，p型石墨烯作为盖层；在掺S的n型InP或GaAs衬底上利用两步法生长一层掺Si的InAsP或InAlAs三元系材料作为缓冲层；然后再生长一层低掺杂、扩展波长的InGaAs光吸收层材料；最后在其上生长单层或多层石墨烯盖层，构成pin探测器结构。这样可以减少由于晶格失配引起的缺陷。此外，利用石墨烯透光性及耦合光子等方式来增加吸收层中的载流子传输通道，增强光子的有效吸收转换，进而提高InGaAs红外探测器的光伏效应。综上所述，采用该技术制备的宽波段InGaAs红外探测器性能将明显改善。
本发明的InGaAs红外探测器是采用石墨烯作为盖层。石墨烯是一种零带隙半导体材料，其透光性较好，光谱吸收范围可以从紫外到太赫兹频段，因此采用石墨烯为盖层，该InGaAs红外探测器可以在一个更广泛的波长范围内工作。此外，石墨烯具有超高的载流子迁移率，由于响应时间受载流子迁移率所决定，故以石墨烯为盖层的光电探测器响应速度很快。在pin探测器结构中采用石墨烯盖层能避免光穿过时在p区内产生光生载流子，使入射光较完全透射过盖层材料，在吸收层被有效收集。这样盖层就成为了透明窗口薄膜，有利于提高响应度。同时利用石墨烯优良的载流子迁移性能，可以使激发空穴迅速迁移到石墨烯片层结构中，而不是积累在InGaAs材料周围，这就降低了电子与空穴复合的概率，从而提高了InGaAs红外探测器探测性能。
下面结合附图对本发明做以详细说明。
结合附图1说明，石墨烯增强型InGaAs红外探测器，其结构为：在衬底上依次生长的缓冲层、扩展波长的InGaAs吸收层（即i层）、石墨烯盖层，构成pin探测器结构。所述衬底为掺S的n型InP或GaAs单晶衬底。所述缓冲层为掺Si的InAsP或InAlAs三元系材料，厚度为1μm到2μm。所述扩展波长的InGaAs吸收层中In组分大于0.53，即InxGa1-xAs，0.53<x<1，厚度为2.5μm到3.5μm。所述石墨烯盖层为单层或多层p型石墨烯。所述缓冲层、扩展波长的InGaAs吸收层是采用金属有机化合物气相沉积技术（MOCVD）在衬底上依次生长的；所述石墨烯盖层是采用有机化合物气相沉积技术（CVD）生长的。
具体实施方式一
一种截止波长为2.6μm的石墨烯增强型InGaAs红外探测器结构为：在n型GaAs衬底上依次生长厚度约为1μm、Si掺杂浓度为2×1018cm-3的n型InAs0.60P0.40缓冲层，继续生长厚度为2.5μm、Si掺杂浓度为8×1016cm-3（低掺杂）的n型In0.82Ga0.18As吸收层，最后生长单层p型石墨烯盖层，形成pin探测器结构。
本实施方式首先以掺S的n型GaAs为衬底，采用MOCVD系统在GaAs衬底上使用两步法生长掺Si的InAs0.60P0.40缓冲层，先在温度为450℃时生长一层约100nm的InAs0.60P0.40，然后升高温度至580℃，在升温过程中缓冲层InAs0.60P0.40退火重结晶，释放由晶格失配所造成的应力，变成下一步生长的界面；再在550℃恒温3-5分钟后，继续生长一层2.5μm低掺杂n型In0.82Ga0.18As吸收层；最后通过CVD方法在吸收层表面直接沉积C原子生长石墨烯薄膜材料，并用HNO3对石墨烯进行p型掺杂，形成pin探测器结构。
具体实施方式二
一种截止波长为2.6μm的石墨烯增强型InGaAs红外探测器结构为：在n型InP衬底上依次生长厚度约为2μm、Si掺杂浓度为2×1018cm-3的n型In0.82Al0.18As缓冲层，继续生长厚度为3.5μm、Si掺杂浓度为8×1016cm-3（低掺杂）的n型In0.82Ga0.18As吸收层，最后生长多层p型石墨烯盖层，形成pin探测器结构。
本实施方式首先以掺S的n型InP为衬底，采用MOCVD系统在InP衬底上使用两步法生长掺Si的In0.82Al0.18As缓冲层，先在温度为450℃时生长一层约200nm的In0.82Al0.18As，然后升高温度至580℃，在升温过程中缓冲层In0.82Al0.18As退火重结晶，释放由晶格失配所造成的应力，变成下一步生长的界面；再在550℃恒温3-5分钟后，继续生长一层3.5μm低掺杂n型In0.82Ga0.18As吸收层；最后通过CVD方法在吸收层表面直接沉积C原子生长石墨烯薄膜材料，并用HNO3对石墨烯进行p型掺杂，形成pin探测器结构。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.石墨烯增强型InGaAs红外探测器，其特征在于，其结构为：在衬底上依次生长的缓冲层、扩展波长的InGaAs吸收层、石墨烯盖层，构成pin探测器结构；
所述石墨烯盖层为单层或多层p型石墨烯。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强型InGaAs红外探测器，其特征在于，所述缓冲层、扩展波长的InGaAs吸收层是采用金属有机化合物气相沉积技术在衬底上依次生长的；所述石墨烯盖层是采用有机化合物气相沉积技术生长的。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯增强型InGaAs红外探测器，其特征在于，所述衬底为掺S的n型InP或掺S的n型GaAs单晶衬底。
4.根据权利要求1或2所述的石墨烯增强型InGaAs红外探测器，其特征在于，所述缓冲层为掺Si的InAsP或掺Si的InAlAs三元系材料。
5.根据权利要求4所述的石墨烯增强型InGaAs红外探测器，其特征在于，所述缓冲层的厚度为1μm到2μm。
6.根据权利要求1或2所述的石墨烯增强型InGaAs红外探测器，其特征在于，所述扩展波长的InGaAs吸收层中In组分大于0.53。
7.根据权利要求6所述的石墨烯增强型InGaAs红外探测器，其特征在于，所述扩展波长的InGaAs吸收层的厚度为2.5μm到3.5μm。
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| US5387796A (en) * | 1993-05-26 | 1995-02-07 | Epitaxx, Inc. | Low leakage current photodetector arrays |
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Patent Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| US5387796A (en) * | 1993-05-26 | 1995-02-07 | Epitaxx, Inc. | Low leakage current photodetector arrays |
| CN101527308A (zh) * | 2009-04-10 | 2009-09-09 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种平面结构铟镓砷阵列红外探测器 |
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