CN103383977A - 宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，属于光电子材料与器件领域，解决了现有InGaAs红外探测器由于晶格失配产生缺陷，导致探测器性能明显下降的问题。本发明的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，包括依次生长在GaAs衬底上的缓冲层、吸收层和盖层，所述缓冲层为掺Si的InAsP，厚度为0.5-1.5μm，所述吸收层为低掺杂Si的In0.82Ga0.18As，厚度为2.5-3.5μm，所述盖层为掺Be的InAlAs，厚度为0.5-1.5μm。本发明的红外探测器具有高量子效率、高探测率，能够满足正面进光、背面进光及倒扣封装结构。

Description

宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器
技术领域
本发明涉及一种宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，属于光电子材料与器件领域。
背景技术
由于InGaAs材料制成的探测器具有灵敏度高、响应速度快、抗辐照特性良好、室温工作等优点，使其成为近红外波段空间遥感的理想材料。对于空间遥感用探测器来说，研究的重点在于抑制噪声，降低器件的暗电流，提高探测率。
目前在InGaAs红外探测器结构设计中，特别是半导体光伏型红外探测器中，都采用pin结构，包括n型衬底、吸收层i层是不同组分的InGaAs、p型盖层、正负金属电极。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。但是，提高In组分必然导致InGaAs材料与衬底产生晶格失配，而当失配较大时就会引起位错缺陷，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，则一方面需要寻找到适合生长高质量InGaAs材料的衬底，另一方面则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。
相对于InP衬底，GaAs衬底价格要低，可以有效降低器件的制备成本；并且GaAs衬底质量要好于InP衬底，其机械强度更高，容易保证器件在后续工艺过程中较低的损伤率；更为重要是，GaAs衬底相对于InP衬底而言，其成熟的制备工艺保证了衬底在较大尺寸范围内具有很好的均匀性，缺陷密度显著降低，这就减少了在生长过程中衬底对外延层质量的影响；同时，室温下GaAs(1.42eV)禁带宽度比InP(1.35eV)要大，采用背光辐照时能够探测的波长更短，并且避免了腐蚀衬底的工艺。
为了减少衬底与吸收层之间的晶格失配带来的的位错缺陷，目前主要采用在两层间插入组分渐变（或跃变）的InGaAs缓冲层。这样就可有效抑制位错，改善吸收层的质量。但是，虽然采用该技术的探测器的性能得到改善，但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，缓冲层厚度至少需要3μm以上。此外，对于要探测的光波长来说，InGaAs缓冲层是不透明的，因此不能满足采用背面进光及倒扣封装方案的阵列及焦平面探测器的要求。
发明内容
本发明的目的是解决现有InGaAs红外探测器的晶格失配产生缺陷，导致探测器性能明显下降的问题，提供一种宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器。
本发明的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，包括依次生长在GaAs衬底上的缓冲层、吸收层和盖层，所述缓冲层为掺Si的InAsP，厚度为0.5-1.5μm，所述吸收层为低掺杂Si的In0.82Ga0.18As，厚度为2.5-3.5μm，所述盖层为掺Be的InAlAs，厚度为0.5-1.5μm。
优选的，所述GaAs衬底为高掺杂n型GaAs单晶衬底。
优选的，所述InAsP为InAs0.60P0.40。
优选的，所述InAlAs的In组分与In0.82Ga0.18As的In组分相同。
优选的，所述缓冲层Si的掺杂浓度为2×1018cm-3。
优选的，所述吸收层Si的掺杂浓度为8×1016cm-3。
优选的，所述盖层Be的掺杂浓度为8×1017cm-3。
优选的，所述缓冲层、吸收层和盖层均采用金属有机物化学气相沉积技术生长。
优选的，所述缓冲层采用两步法生长制备，两步生长温度分别为450℃和580℃。
优选的，所述吸收层的生长温度为550℃。
本发明的有益效果：
(1)本发明的红外探测器采用n型GaAs衬底，掺Si的InAs0.60P0.40作为缓冲层，In0.82Ga0.18As作为吸收层(i层)，p型In0.82Al0.18As作为盖层，构成pin结构，可有效抑制失配位错并减小表面复合及提高量子效率；
(2)本发明的红外探测器既能满足正面进光要求，同时也能适用于背面进光及倒扣封装结构，具有很好的通用性，拓展了探测器的应用范围；
(3)本发明的红外探测器能够显著抑制暗电流、显著增强光电流，对光信号的波长具有灵敏的选择作用，实现红外探测器探测率的提高。
附图说明
图1为本发明的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器的结构示意图。
图中，1、盖层，2、缓冲层，3、吸收层，4、GaAs衬底。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本实施方式的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器包括：依次生长在n型GaAs衬底1上的缓冲层2、吸收层3和盖层4，所述缓冲层2为0.5-1.5μm掺Si的InAsP，所述吸收层3为2.5-3.5μm低掺杂Si的In0.82Ga0.18As，所述盖层4为0.5-1.5μm掺Be的InAlAs；n型GaAs衬底1工艺成熟、质量高，可降低器件成本、减小衬底缺陷对器件暗电流的影响；采用两步法生长InAsP缓冲层2，并采用了禁带宽度大于InGaAs材料且适合采用金属有机物化学气相沉积技术生长又方便控制的InAsP和InAlP三元系材料分别作为缓冲层2和盖层4的材料，可有效避免失配位错，使红外探测器具有适合背面进光的透明缓冲层2结构以及适合正面进光并可减小表面复合和提高量子效率的透明盖层4结构，扩展了应用和范围。
本实施方式的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器为pin结构，GaAs衬底1为n层，低掺杂的In0.82Ga0.18As为i层，掺Be的InAlAs为p层。
本实施方式中，n型GaAs衬底1可采用高掺杂n型GaAs单晶衬底；InAsP可采用与吸收层3晶格匹配的InAs0.60P0.40，InAlAs的In组分一般与In0.82Ga0.18As的In组分相同。
本实施方式中，缓冲层2的Si掺杂浓度可采用2×1018cm-3，吸收层3的掺杂浓度可采用8×1016cm-3，盖层4的Be掺杂浓度可采用8×1017cm-3。
本实施方式中，一般的，缓冲层2、吸收层3和盖层4均采用金属有机物化学气相沉积技术生长，其中，缓冲层2采用两步法生长制备，两步生长温度分别为450℃和580℃，吸收层3的生长温度为550℃。
实施例
步骤一、采用MOCVD系统在掺S的n型GaAs衬底1上先在温度为450℃时生长一层约100nm的Si掺杂浓度为2×1018cm-3的InAs0.60P0.40缓冲层2，然后升高温度至580℃，在升温过程中InAs0.60P0.40缓冲层2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，缓冲层2的厚度为1μm；
步骤二、在550℃恒温3-5分钟后，在上述界面上生长一层3μm的Si掺杂浓度为8×1016cm-3的n型In0.82Ga0.18As吸收层3；
步骤三、在吸收层3上生长1μm的Be掺杂浓度为2×1017cm-3的p型In0.82Al0.18As盖层4，得到pin结构的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器。
显然，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，包括依次生长在GaAs衬底(1)上的缓冲层(2)、吸收层(3)和盖层(4)，其特征在于，所述缓冲层(2)为掺Si的InAsP，厚度为0.5-1.5μm，所述吸收层(3)为低掺杂Si的In0.82Ga0.18As，厚度为2.5-3.5μm，所述盖层(4)为掺Be的InAlAs，厚度为0.5-1.5μm。
2.根据权利要求1所述的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，其特征在于，所述GaAs衬底(1)为高掺杂n型GaAs单晶衬底。
3.根据权利要求1所述的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，其特征在于，所述InAsP为InAs0.60P0.40。
4.根据权利要求1所述的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，其特征在于，所述InAlAs的In组分与In0.82Ga0.18As的In组分相同。
5.根据权利要求1所述的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，其特征在于，所述缓冲层(2)Si的掺杂浓度为2×1018cm-3。
6.根据权利要求1所述的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，其特征在于，所述吸收层(3)Si的掺杂浓度为8×1016cm-3。
7.根据权利要求1所述的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，其特征在于，所述盖层(4)Be的掺杂浓度为8×1017cm-3。
8.根据权利要求1所述的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，其特征在于，所述缓冲层(2)、吸收层(3)和盖层(4)均采用金属有机物化学气相沉积技术生长。
9.根据权利要求1所述的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，其特征在于，所述缓冲层(2)采用两步法生长制备，两步生长温度分别为450℃和580℃。
10.根据权利要求1所述的宽探测波段的InGaAs/GaAs红外探测器，其特征在于，所述吸收层(3)的生长温度为550℃。
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