CN103811580B - InGaAs红外光探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种InGaAs红外光探测器。该InGaAs红外光探测器包括：半导体衬底，其两面抛光；依次沉积于半导体衬底上表面的下掺杂层、吸收层、上掺杂层、金属光栅层；其中：吸收层为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料；金属光栅层为一维周期性亚波长光栅；下掺杂层和上掺杂层均为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与吸收层构成pin结构，从下掺杂层和上掺杂层分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号。本发明InGaAs红外光探测器利用一维周期性金属光栅激发表面等离子体效应和瑞利伍德异常效应，使得可以在不损失吸收率的情况下，增强器件的响应速度。

Description

InGaAs红外光探测器

技术领域

本发明涉及光探测器技术领域，尤其涉及一种InGaAs红外光探测器。

背景技术

红外探测器是红外系统、热成像系统的核心组成部分，InGaAs材料是一种优良的近红外光电探测材料。在近红外探测领域，可应用于1μm～3μm波段的材料体系主要有基于碲镉汞(HgCdTe)、锑化铟(InSb)和铟镓砷(InGaAs)等。

HgCdTe探测器通过能带裁剪可以工作在1μm～3μm波段，受背景限制的影响，通常要求制冷温度到150K以下，此材料系中较弱的Te-Hg键会带来一系列的问题，如材料的大面积均匀性问题、工艺过程稳定性以及空间应用辐照问题；InSb探测器覆盖波长在1μm～5μm范围，应用其工作在2.5μm以下需要抑制长波响应，由于InSb的带隙小，为降低环境热辐射影响，需要制冷到80K以下；在InAs或GaSb衬底上基于晶格匹配体系外延生长的含锑多元系InAsPSb、InGaAsSb等材料，InAs组分增加会使四元材料系存在不互溶隙，导致异质结的带阶下降。而InGaAs探测器具有体系稳定、制冷要求低的特点。

InGaAs探测器在较高的工作温度具有较高的探测率，具有较高的信噪比、较低的功耗和较长寿命并有利于系统的小型化；同时InGaAs外延材料具有较好的均匀性和稳定性，器件制备工艺过程与Si工艺兼容，材料与器件的抗辐照性能好；近红外InGaAs材料体系吸收层具有低的本底载流子浓度和高迁移率，有利于在近红外波段获得平滑的量子效率。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有的采用薄层的InGaAs材料作为吸收区可降低器件的暗电流，但是InGaAs材料厚度的降低将带来光吸收的减小和量子效率的降低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于表面等离子体和瑞利伍德异常效应增强吸收的InGaAs红外光探测器，以在保证光吸收和量子效率的前提下，减小InGaAs材料的厚度。

(二)技术方案

本发明InGaAs红外光探测器包括：半导体衬底，其两面抛光；依次沉积于半导体衬底上表面的下掺杂层、吸收层、上掺杂层、金属光栅层；其中：吸收层为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料；金属光栅层为一维周期性亚波长光栅；下掺杂层和上掺杂层均为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与吸收层构成pin结构，从下掺杂层和上掺杂层分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明InGaAs红外光探测器利用一维周期性金属光栅激发表面等离子体效应和瑞利伍德异常效应，使得可以在不损失吸收率的情况下，减薄吸收层，降低暗电流，增强器件的响应速度。此外，还可针对吸收边进行优化设计，弥补吸收边量子效率低，起到平滑量子效率的作用，对于提高近红外探测性能具有十分重要的意义。

附图说明

图1为根据本发明实施例InGaAs红外光探测器的剖面示意图；

图2为根据本发明实施例第一种InGaAs红外光探测器中一维周期性光栅的立体图；

图3为在光栅的单元横截面为长方形，高度为100纳米，占空比为0.5，入射光为横向磁场(TM)模式下，探测器吸收增强随着周期和波长变化的灰度图；

图4为在光栅的单元横截面为长方形，高度为100纳米，占空比为0.5，入射光为横向电场(TE)模式下，探测器吸收增强随着周期和波长变化的灰度图；

图5为光栅的单元横截面为长方形，周期为400纳米，占空比为0.3时，光栅高度分别为40纳米、60纳米和120纳米时，光的吸收增强随波长变化的曲线；

图6为光栅的单元横截面为长方形，周期为400纳米，高度为120纳米，占空比为0.3，波长为1.32μm时，吸收强度和吸收增强随吸收层厚度变化的曲线。

【本发明主要元件符号说明】

100-InGaAs红外光探测器；101-入射光波；

102-半导体衬底；103-缓冲层；

104-下掺杂层；105-吸收层；

106-上掺杂层；107-金属光栅层；

108-等离子体波。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明采用金属亚波长结构与薄层InGaAs材料相结合，利用亚波长人工结构实现对光的局域限制达到吸收增强的作用，为实现InGaAs探测器暗电流降低和量子效率的提高提供了新的方法。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种InGaAs红外光探测器。该InGaAs红外光探测器基于pin探测器原理而工作的，本征或低掺杂浓度的InGaAs层吸收红外波长的光子，激发产生电子和空穴对，并在外电场的作用下形成光电流。

图1为根据本发明实施例InGaAs红外光探测器的结构示意图。请参照图1，本实施例InGaAs红外光探测器100包括：半导体衬底102，其两面抛光；依次沉积于半导体衬底102上表面的缓冲层103、下掺杂层104、吸收层105、上掺杂层106、金属光栅层107。其中：所述吸收层105为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料，即掺杂浓度低于5×10¹⁶／cm³以下；所述金属光栅层107为一维周期性亚波长光栅；所述下掺杂层104和上掺杂层106均为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与吸收层105构成pin结构，此处，重掺杂表示掺杂浓度高于5×10¹⁷／cm³，从该下掺杂层104和上掺杂层106分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号。

请参照图1，本实施例所述的InGaAs红外探测器件100，在光子探测过程中，所述的入射光波101的波长范围为1μm～2.6μm波段。入射光波101包含的光子穿过半导体衬底102、缓冲层103、下掺杂层104，到达吸收层105。其中：

(1)第一部分光子被吸收层105吸收，激发电子空穴对，在下掺杂层104和上掺杂层106外加偏压作用下使得电子空穴对被收集形成光电流。没有被吸收的光子经过上掺杂层106，入射到金属光栅层107；

(2)第二部分光子在金属光栅层107的上表面和／或下表面形成表面等离子体波108，形成的等离子体波108沿朝向衬底102的方向电场强度成指数衰减，在吸收层105处存在具有较大电场强度的表面等离子体波，该表面等离子体波能够被吸收层105吸收形成光电流；

(3)第三部分光子在金属光栅层107激发瑞利伍德异常效应，发生掠射，在吸收层105处激发波导模式被吸收；

(4)第四部分在金属光栅层107和上掺杂层106之间的界面发生反射朝向衬底方向返回，在返回的光程中再次被吸收层105吸收。

以下分别对本实施例InGaAs红外光探测器100的各个组成部分进行详细说明。

半导体衬底102的材料可以是InP、GaAs、或Si等。在实际应用中InGaAs红外探测器件100，半导体衬底未沉积薄膜的一面可引入介质层和针对探测波长的增透膜来提高探测器的吸收率。

在生长晶格不匹配的InGaAs吸收层材料时，缓冲层103起到应力释放的作用，其材料会根据半导体衬底102和下掺杂层104材料进行不同的选择，其材料可以是InGaAs材料，也可以是其他材料，或者没有该缓冲层，均可以实现本发明。

本发明所述的InGaAs红外探测器件100的下掺杂层104和上掺杂层106两者所对应的材料可以为相同材料，也可以为不同材料；但两层的掺杂类型不同，且均能够和吸收层105构成pin结构。

吸收层105所对应的材料为InGaAs材料，且可以通过改变InGaAs中In的组分对探测器件100的探测范围进行调整，随着In的组分增加会延伸探测的截止波长。

金属光栅层107上的光栅结构为一维周期性亚波长光栅。该一维周期性亚波长光栅的单元横截面可以是正方形、长方形、梯形、三角形、圆弧形、规则及不规则多边形，且横截面也可成周期性渐变。其中，该周期性光栅的占空比介于0.3～0.7之间，高度介于20nm～200nm之间。

本发明所述的InGaAs红外探测器件100的金属光栅层107的材料是对入射光波反射很强且吸收较弱的金属，且应有很大的负折射率，如Au、Ag、Al等；且金属光栅层的厚度为20nm～5000nm。

本发明所采用的金属半导体界面结构，可使垂直入射的光在金属半导体界面处激发表面等离子体波，它是一种非辐射状态的电磁波，被束缚在金属光栅层107和上掺杂层106的界面附近。表面等离子体波的激发波长可通过改变一维周期性亚波长光栅的周期进行调整，由于所激发的表面等离子体波的电场强度沿着朝向衬底的方向成指数衰减，故对于所设计的吸收层105需要和金属光栅层107表面较近，即上掺杂层的厚度足够薄，一般情况下小于200nm。在界面附近的近场范围内，表面等离子体波对电场有增强作用，使得吸收层105中有很大的电场增强，从而增强光的吸收。

金属光栅层107／上掺杂层106界面的表面等离子体模式的激发必须满足特定的波矢匹配条件，不能简单的通过入射光照射光滑表面来激发。我们在金属光栅层107中采用一维周期性亚波长阵列结构，来达到波矢匹配，从而激发表面等离子体。波矢匹配条件要求：

${\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{spp}}=\stackrel{\→}{k}\sin \mathrm{\θ}\±i\·\stackrel{\→}{g}---\left(1\right)$

其中，和分别为表面等离子体波矢和入射光波在半导体材料中的波矢，θ为入射光波的入射角。为金属表面光栅所提供的单位布拉格波矢，i为整数。此外存在如下关系：

$\left|\stackrel{\→}{k}\right|=\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{spp}}}---\left(2\right)$

$\left|{\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{spp}}\right|=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{spp}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_s}}---\left(3\right)$

$\left|\stackrel{\→}{g}\right|=\left|\frac{2\mathrm{\π}}{\stackrel{\→}{P}}\right|---\left(4\right)$

其中，λ_spp是入射光波在真空中的波长，ε_m和ε_s分别为金属光栅层107和上掺杂层106材料的介电常数。P为一维周期性亚波长光栅的周期。

基于公式1～4，可以得出以下公式5：

$\left|\stackrel{\→}{P}\right|=\left|\frac{2\mathrm{\πi}}{{\stackrel{\→}{k}}_{\mathrm{spp}}-\stackrel{\→}{k}\sin \mathrm{\θ}}\right|---\left(5\right)$

因此当探测的目标波长确定时，可根据公式5选取适当的一维周期性亚波长光栅的周期。

金属光栅在激发表面等离子体的同时，也会激发瑞利伍德异常效应，即使入射光在金属光栅层107和上掺杂层106表面发生掠射，产生平行于金属界面的传播的光。沿水平方向传播的光增加了光与吸收层105之间的相互作用距离，增强了光的吸收，其中瑞利伍德异常激发波长的位置和一维周期性亚波长光栅周期之间满足：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{RA}}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}}=\frac{P}{m}---\left(6\right)$

其中λ_RA为瑞利伍德异常激发位置的波长，m为整数。

基于上述实施例，以下给出几种具体的InGaAs红外光探测器：

(1)第一种InGaAs红外光探测器：

如图1所示，基于表面等离子体和瑞利伍德异常效应增强吸收的InGaAs红外探测器件100，其包括一层半导体衬底102，半导体衬底102的材料可以是InP、GaAs、或Si等；一位于所述衬底层上的缓冲层103；一位于所述缓冲层上的下掺杂层104，且该层连接探测器的电极；一位于所述下掺杂层上的吸收层105，且该层为本征掺杂或低浓度掺杂；一位于所述吸收层上的上掺杂层106，且该层连接探测器电极；一位于所述上掺杂层106上的金属光栅层107，该金属光栅层107中具有一维周期性光栅结构。

图2为根据本发明实施例第一种InGaAs红外光探测器中一维周期性光栅的立体图。请参照图2，该一维周期性光栅结构的周期为p，条宽为w，高度为h，占空比为w／p。

此外，一维周期性光栅结构的单元横截面可以是正方形、长方形、梯形、三角形、圆弧形、规则及不规则多边形，且横截面也可成固定不变的或周期性渐变的。入射光波101的波长范围为1μm-2.6μm波段，从半导体衬底102一侧入射，并最终被探测器所吸收。缓冲层103的材料会根据半导体衬底102和下掺杂层104材料进行不同的选择，且该缓冲层在生长晶格不匹配的InGaAs材料吸收层时起到应力释放的作用。下掺杂层104和上掺杂层106所对应的材料可以为相同材料，也可以为不同材料，但两层的掺杂类型不同，且能够和吸收层105构成pin结构。吸收层105所对应的材料为InGaAs材料，可以通过改变InGaAs中In的组分对探测器件100的探测范围进行调整，增加In的组分会延伸探测的截止波长。

入射光波101可分解为横向磁场(TM)模式和横向电场(TE)模式的入射光波，对两种模式下的光吸收增强效果分别讨论。

1、图3为在光栅的单元横截面为长方形，高度为100纳米，占空比为0.5，入射光为横向磁场(TM)模式下，探测器吸收增强随着周期和波长变化的灰度图。图3中，背景等高线灰度图为时域有限差分(FDTD)算法计算得到的吸收增强值，实线代表了从一阶到五阶表面等离子体模式的解析解，虚线代表了从一阶到五阶瑞利伍德异常的解析解。

如图3所示，对于横向磁场(TM)模式的入射光波101来说，到达InGaAs红外探测器件100的入射光波101所包含的光子穿过半导体衬底102、缓冲层103、下掺杂层104，到达吸收层105，一部分光子被吸收，激发电子空穴对，在外加偏压作用下使电子空穴对被收集形成光电流。没有被吸收的光子经过上掺杂层106，入射到金属光栅层107，一部分光子在金属光栅层107的上表面和／或下表面形成表面等离子体波108，形成的等离子体波108沿远离金属表面的方向电场强度成指数衰减，在吸收层105处存在具有较大电场强度的表面等离子体波，表面等离子体波能够被吸收层105吸收形成光电流，使得InGaAs红外探测器件100的对入射光波的吸收得到增强，如图3中实线所示，实线代表了从一阶到五阶表面等离子体模式的解析解；一部分光子在金属光栅层107激发瑞利伍德异常效应，发生掠射，即形成水平方向传播的光，水平方向传播的光被吸收层105吸收，水平传播的光增加了光与吸收层105的作用距离，使得InGaAs红外探测器件100对入射光波的吸收得到增强，如图3中虚线所示，虚线代表了从一阶到五阶瑞利伍德异常的解析解；还有一部分光反射回表面，在返回的过程中再次被吸收层105吸收。

2、图4为在光栅的单元横截面为长方形，高度为100纳米，占空比为0.5，入射光为横向电场(TE)模式下，探测器吸收增强随着周期和波长变化的灰度图。背景等高线灰度图为时域有限差分(FDTD)算法计算得到的吸收增强值，虚线代表了从一阶到五阶瑞利伍德异常的解析解。

如图4所示，对于横向电场(TE)模式的入射光波101来说，到达InGaAs红外探测器件100的入射光波101所包含的光子穿过半导体衬底102、缓冲层103、下掺杂层104，到达吸收层105一部分光子被吸收，激发电子空穴对，在外加偏压作用下使得电子空穴对被收集形成光电流。没有被吸收的光子经过上掺杂层106，入射到金属光栅层107，由于横向电场模式无法激发表面等离子体波，一部分光子在金属光栅层激发瑞利伍德异常效应，发生掠射，即形成水平传播的光，水平传播的光被吸收层105吸收，水平传播的光增加了光与吸收层105的作用距离，使得InGaAs红外探测器件100的对入射光波的吸收得到增强，如图4中虚线所示，虚线代表了从一阶到五阶瑞利伍德异常的解析解；还有一部分光反射回表面，在返回的过程中再次被吸收层105吸收。

(2)第二种InGaAs红外光探测器：

如图5所示，为光栅的单元横截面为长方形，周期为400纳米，占空比为0.3，光栅高度分别为40纳米、60纳米和120纳米时，吸收增强随波长变化的曲线。当光栅高度为40纳米时，InGaAs红外探测器件100吸收增强峰值位于波长1.37μm处，与光栅周期400纳米下的表面等离子体模式的解析解相对应，说明表面等离子模式对光的吸收增强起到主导作用；当光栅高度为120纳米时，InGaAs红外探测器件100吸收增强峰值位于波长1.3μm处，与在此光栅周期下的瑞利伍德异常的解析解相对应，说明瑞利伍德异常对光的吸收增强起到主导作用；当光栅高度为60纳米时，InGaAs红外探测器件100吸收增强峰值位于波长1.3μm和1.37μm之间，说明表面等离子体效应和瑞利伍德异常效应同时对光的吸收增强有贡献。

(3)第三种InGaAs红外光探测器：

如图6所示，为光栅周期为400纳米，高度为120纳米，占空比为0.3，波长为1.32μm时，吸收强度和吸收增强随吸收层厚度变化的曲线。对于带有金属纳米结构的InGaAs红外探测器件100，当吸收层105厚度为200纳米时，能够吸收67％的入射光，而只带有平板金层没有纳米结构的InGaAs红外探测器件100，当吸收层105厚度为500纳米时，只能够吸收63％的入射光。可以看出在不改变吸收效果的情况下，加入纳米结构能够减薄超过60％的吸收层厚度，能够有效的降低成本，降低暗电流，增强器件响应速度。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明提结构设计灵活、制备工艺简单的基于表面等离子体和瑞利伍德异常效应的InGaAs红外光探测器，以满足增强光波吸收、降低暗电流、增强响应速度以及增强带尾吸收边应用的需要。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种InGaAs红外光探测器，其特征在于，包括：

半导体衬底，其两面抛光；

依次沉积于半导体衬底上表面的下掺杂层、吸收层、上掺杂层、金属光栅层；

其中：所述吸收层为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料；所述金属光栅层为一维周期性亚波长光栅；所述下掺杂层和上掺杂层均为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与所述吸收层构成pin结构，从所述下掺杂层和上掺杂层分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号；

其中，入射光波入射所述半导体衬底未沉积薄膜的一侧，光波吸收包括以下四部分：

(1)第一部分光子被所述吸收层直接吸收；

(2)第二部分光子在所述金属光栅层的上表面和/或下表面形成表面等离子体波，该表面等离子体波被所述吸收层吸收形成光电流；

(3)第三部分光子在所述金属光栅层激发瑞利伍德异常效应，发生掠射，在所述吸收层处激发波导模式被吸收；

(4)第四部分在所述金属光栅层和上掺杂层之间的界面发生反射朝向衬底方向返回，在返回的光程中再次被所述吸收层吸收。

2.根据权利要求1所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述一维周期性亚波长光栅的周期P满足：

其中，和分别为表面等离子体波矢和入射光波在半导体材料中的波矢，θ为入射光波的入射角，i为整数。

3.根据权利要求1所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述上掺杂层的厚度小于200nm。

4.根据权利要求1所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述瑞利伍德异常激发波长的位置和一维周期性亚波长光栅周期之间满足：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_{RA}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}}=\frac{P}{m}$

其中，λ_RA为瑞利伍德异常激发位置的波长，ε_s为上掺杂层材料的介电常数，m为整数。

5.根据权利要求1所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述一维周期性亚波长光栅的单元横截面为正方形、长方形、梯形、三角形、圆弧形、或周期性渐变的横截面。

6.根据权利要求1所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述一维周期性亚波长光栅的占空比介于0.3～0.7之间，高度介于20nm～200nm之间。

7.根据权利要求1所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述金属光栅层的材料为Au、Ag或Al，其厚度介于20nm～5000nm之间。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，还包括：

缓冲层，生长于所述半导体衬底和所述下掺杂层之间，用于缓解两者之间的应力。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述吸收层的掺杂浓度低于5×10¹⁶/cm³以下，所述下掺杂层和上掺杂层的掺杂浓度高于5×10¹⁷/cm³。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述半导体衬底的材料为InP、GaAs、或Si。