CN104409556A - 一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器及其制备方法 - Google Patents

一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器及其制备方法。本发明的量子阱红外探测器的多量子阱为包含多个周期的复合势垒和势阱，其中，复合势垒为包括平带势垒和尖峰势垒的双层结构；通过极化调制的方法形成平带势垒，平带势垒以上的能级相互耦合形成准连续态，进而形成光电流的通路；通过增加平带势垒的厚度，可以在光电流信号强度基本不变的情况下，抑制暗电流的背景噪声，进而提高信噪比。本发明利用低温精细外延设备控制有源区界面以及各层厚度，可以获得高质量的外延晶片；多量子阱采用III族氮化物材料，可以实现全红外光谱窗口的光子探测；本发明的探测器在液氦温区成功探测到光电流信号，具有广阔的应用前景。

Description

一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及红外探测器技术，尤其涉及一种基于氮化物半导体的复合势垒量子阱红外探测器及其制备方法。
背景技术
量子阱红外探测器是利用半导体多量子阱或者超晶格材料的子带间跃迁制成的探测器。具有响应速度快、稳定性好、抗辐射和易于制作大面积焦平面阵列等优点。传统的量子阱红外探测器及其大规模阵列已经在第一代半导体(Si、Ge)以及第二代半导体(III族砷化物半导体)中实现，在精确制导、红外成像、热成像等军用和民用领域具有极其广泛的应用。但由于其禁带宽度覆盖范围的限制，现有的量子阱红外探测器只能满足波长大于2.3μm红外波段的探测，无法应用于光通信(1.3μm或1.55μm)领域。
III族氮化物材料属于第三代半导体材料，以GaN、AlN、InN二元合金，InGaN、AlGaN、InAlN三元合金以及InAlGaN四元合金为主要成员。其禁带宽度在0.7eV-6.2eV范围连续可调，并且具有极高的击穿电场、高电子饱和迁移速度、高热导率、更强的抗辐射能力以及更短的弛豫时间(飞秒量级)。氮化物材料制备的量子阱红外探测器，可以实现从1μm到亚毫米波(THz)波段的全红外光谱探测，并将传统的量子阱红外探测器的响应时间进一步提高两个数量级，在超快光通信和光调制领域有广阔的应用前景。氮化物具有紫外扩展特性，可用于制备单片多色集成的探测器，实现超低虚警率、超快响应时间、更小元器件体积以及更高分辨率红外成像。
由于氮化物同质衬底制备困难，现阶段大面积同质外延生长氮化物成本极高。因此，目前制备氮化物材料主要是利用分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等手段，在蓝宝石、碳化硅以及单晶硅等衬底上进行异质外延生长。由于外延膜与衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，异质外延制备的氮化物材料晶体质量较差，位错密度可达107-109cm-2，形成了高密度的暗电流通道，在液氦温区下暗电流密度通常达到A·cm-2的量级，远远大于光电流密度，不利于探测器提取光电流信号。同时，氮化物材料体系固有的自发极化和压电极化诱导的内建电场(极化场)使得导带边倾斜，形成三角形势垒，不利于光电流信号的提取。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种氮化物复合势垒的结构，通过极化调制的方法形成平带势垒，从而实现氮化物的束缚态-准连续态子带间跃迁的量子阱红外探测器，既有利于抑制暗电流的背景噪声，又有利于光电流信号的提取。
本发明的一个目的在于提供一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器。
本发明的氮化物复合势垒量子阱红外探测器包括：衬底、缓冲层、底电极接触层、多量子阱、顶电极接触层、底电极、顶电极和钝化层；其中，在衬底上生长缓冲层；在缓冲层上生长底电极接触层；在底电极接触层的一部分上依次为多量子阱、顶电极接触层和顶电极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在多量子阱、顶电极接触层和顶电极的侧面覆盖有钝化层，以及在底电极的侧面覆盖有钝化层；多量子阱为包含多个周期的复合势垒和势阱，其中，复合势垒为包括平带势垒和尖峰势垒的双层结构。
本发明的多量子阱为包含多个周期的复合势垒和势阱；其中，复合势垒为双层结构，包括一个较厚的平带势垒和一个超薄的尖峰势垒。平带势垒的厚度在10～40nm之间，尖峰势垒的厚度在1～5nm之间。传统的氮化物量子阱红外探测器的多量子阱包括多个周期的势阱和一定厚度的单层势垒，单层势垒的导带边形状为三角形，不利于载流子纵向输运。相比于传统单层势垒的多量子阱结构，复合势垒的多量子阱可以实现束缚态-准连续态的子带间跃迁，更有利于光电流信号的提取；同时，复合势垒的多量子阱结构，可以通过在一定范围内增加平带势垒的厚度，同时保持尖峰势垒的厚度不变，在光电流信号强度不变的情况下，极大程度的抑制暗电流的背景噪声，提高信噪比。多量子阱的材料采用III族氮化物。
本发明基于极化调制的方法形成平带势垒，平带势垒的导带边水平，在平带势垒的区域，极化电荷产生的极化电场相互抵消。通过能带理论模拟计算，对多量子阱的平带势垒、尖峰势垒以及势阱的材料和厚度进行模拟和优化，使极化电荷在平带势垒的区域产生的极化电场相互抵消，即平带势垒的区域的极化电场为零，实现平带势垒的导带边水平。通过极化调制的方法形成平带势垒，平带势垒以上的能级相互耦合形成准连续态，进而形成极便于纵向输运的光电流的通路。
其中，本发明的缓冲层介于衬底和底电极接触层之间，其结构是周期性的氮化物超晶格，其作用是缓解多量子阱的应变状态，阻断衬底的部分位错继续向上延伸，进而提高材料的外延生长质量。在异质外延情况下，由于晶格常数不匹配，多量子阱通常处于一定的张应变或压应变状态下，通过引入缓冲层，可以有效调节应力分布，释放晶格应变。
本发明的另一个目的在于提供一种复合势垒量子阱红外探测器的制备方法。
本发明的复合势垒量子阱红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)根据实际需要，通过能带理论模拟计算，对量子阱红外探测器的结构进行模拟和优化，从而得到优化参数；
2)对衬底进行预处理，使其可以直接用于外延生长；
3)利用精细外延生长设备，按照步骤1)中的优化参数，在衬底上进行外延生长，包括在衬底上依次生长：缓冲层、底电极接触层、作为有源区的多量子阱和顶电极接触层，得到外延晶片；
4)利用材料表征设备对外延晶片的晶体质量、表面形貌以及界面情况的性能进行表征反馈，如果外延晶片的性能不满足需要，则优化生长条件，返回步骤1)重新制备，直到获得符合要求的外延晶片，进入步骤5)；
5)测试外延晶片的光吸收谱，确定光响应波段范围，如果光响应波段不符合实际需要，则返回步骤1)重新制备，直到光响应波段符合实际需要，进入步骤6)；
6)制备探测器单元，包括对外延晶片进行台面刻蚀、电极蒸镀以及侧边钝化等步骤；
7)对探测器单元进行封装；
8)测试探测器的光电流谱，获取探测器的性能信息。
其中，在步骤1)中，根据探测范围的需要，采用薛定谔方程和泊松方程迭代数值求解的方法进行模拟计算；计算的优化参数包括：多量子阱的平带势垒、尖峰势垒、势阱的材料、厚度和周期数；底电极接触层材料和厚度；以及顶电极接触层的材料和厚度。其中，平带势垒的形成是基于极化调制的方法，通过能带理论模拟计算，对多量子阱结构的平带势垒、尖峰势垒、势阱的材料和厚度进行模拟和优化，使极化电荷在平带势垒区域产生的极化电场相互抵消，实现平带势垒导带边水平。优化参数确保第一子带有足够载流子占据，从而确保平带势垒区域的导带边水平。
在步骤2)对衬底的预处理包括：①通过化学腐蚀和清洗，除去衬底的表面的氧化层和有机物；②在外延设备腔体中对衬底进行高温烘烤，除去表面的杂质原子；③采用氢化物气相外延HVPE或者MOCVD方法在衬底上生长一层模板材料，模板材料一般为氮化物厚膜。
步骤3)中，采用精细外延设备(如分子束外延MBE)进行制备，获得有源区的界面锐利度更高。具体包括以下步骤：①生长周期性的氮化物超晶格作为缓冲层，从而起到应力调控，释放晶格应变的作用；②生长底电极接触层，生长时应进行n型掺杂以降低接触电阻，考虑到台面刻蚀容差，厚度应不小于200nm；③按步骤1)中模拟计算得到的优化参数生长多量子阱；④生长顶电极接触层，为确保顶电极接触层和底电极接触层的功函数一致，一般顶电极接触层采用与底电极接触层相同的材料和掺杂浓度。
步骤4)中，采用X射线衍射摇摆曲线半高宽FWHM的大小表征材料位错密度的螺型分量和刃型分量的大小，采用高精度X射线衍射相分析以及高精度透射电子显微镜来表征多量子阱的界面锐利度，采用原子力显微镜表征材料表面的粗糙度RMS；材料表面的粗糙度RMS小于1nm，摇摆曲线半高宽FWHM(002)面小于200arcsec、(102)面小于600arcsec，衍射卫星峰级次大于8，界面无互扩散作用，以及表面原子台阶清晰的样品较为合适。
步骤5)中，根据子带间跃迁原理，探测器只对电矢量在多量子阱的界面法线方向有分量的偏振光(p偏振光)有响应，因此应将外延晶片两端面进行45°抛光，以形成波导结构；或者采用表面光栅的方法增加电矢量的纵向分量，s偏振光作为背景光，p偏振光作为信号光，利用公式(1)得到光吸收谱。
α = - ln ( T p T s ) - - - ( 1 )
其中，α为吸收系数，Tp为p偏振光透射光强，Ts为s偏振光透射光强。
步骤6)中，对台面进行刻蚀，以露出底电极接触层的表面，从而蒸镀电极，实现载流子在多量子阱的纵向输运；侧边钝化的目的是防止暗电流通过台面侧边形成有效通路增加暗电流密度。
步骤7)中，封装工艺包括连接热沉和引线两个步骤。
通过步骤8)的测试，证明本发明的复合势垒量子阱红外探测器具有更高的信噪比，并通过优化生长条件和工艺条件，在液氦温区成功地观测到了明显的光电流信号。
本发明的优点：
(1)通过极化调制的方法形成平带势垒，平带势垒以上的能级相互耦合形成准连续态，进而形成极其便于纵向输运的光电流的通路；
(2)通过在一定范围内增加平带势垒的厚度，可以在光电流信号强度基本不变的情况下，极大程度的抑制暗电流的背景噪声，提高信噪比；
(3)利用缓冲层调节有源区的应力分布，可以尽可能地降低应力组态对光电探测的影响；
(4)利用高温外延设备获得高晶体质量衬底，利用低温精细外延设备控制有源区界面以及各层厚度，尽可能获得高质量的外延晶片；
(5)多量子阱采用III族氮化物材料，可以实现全红外光谱窗口的光子探测。
附图说明
图1为本发明的复合势垒量子阱红外探测器的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明的复合势垒量子阱红外探测器的一个实施例的多量子阱的3个周期的能带图；
图3为本发明的复合势垒量子阱红外探测器的一个实施例的外延晶片的结构示意图；
图4为本发明的复合势垒量子阱红外探测器的一个实施例的光吸收谱；
图5为本发明的复合势垒量子阱红外探测器的一个实施例的封装的截面图；
图6为本发明的复合势垒量子阱红外探测器的一个实施例的光电流谱。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
本实施例中，制备20个周期的(Al0.25Ga0.75N/Al0.5Ga0.5N)/GaN复合势垒量子阱红外探测器。
如图1所示，本实施例的复合势垒量子阱红外探测器包括：衬底1、缓冲层2、底电极接触层3、多量子阱4、顶电极接触层5、顶电极6、底电极7以及钝化层8；其中，在衬底1之上依次为缓冲层2和底电极接触层3；在底电极接触层3的一部分上依次为多量子阱4、顶电极接触层5和顶电极6；在底电极接触层3的一部分上为底电极7；在多量子阱、顶电极接触层和顶电极的侧面覆盖有钝化层，以及在底电极的侧面覆盖有钝化层。
在本实施例中，衬底1采用蓝宝石；缓冲层2为20周期的AlN/GaN短周期超晶格；底电极接触层3为500nm厚的硅掺杂Al0.25Ga0.75N，电子浓度为5×1018cm-3；多量子阱4为20周期的(Al0.25Ga0.75N/Al0.5Ga0.5N)/GaN，其中，复合势垒为(Al0.25Ga0.75N/Al0.5Ga0.5N)，平带势垒为厚度16nm的Al0.25Ga0.75N，尖峰势垒为厚度1.8nm的Al0.5Ga0.5N，势阱为厚度1.8nm的GaN，多量子阱4的势垒或者势阱中为重掺杂；顶电极接触层5为厚度50nm的硅掺杂Al0.25Ga0.75N，电子浓度为5×1018cm-3；顶电极6和底电极7为Ti(20nm)/Al(175nm)/Ni(45nm)/Au(500nm)结构；以及钝化层8为厚度400nm的SiO2。
本实施例的复合势垒量子阱红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)根据实际需要，通过能带理论模拟计算，对量子阱红外探测器的结构进行模拟和优化，得到优化参数，多量子阱为20个周期，其中3个周期的能带图如图2所示，其中，实线代表导带边，40是单周期的导带边，41是复合势垒的导带边，42是平带势垒的导带边，43是尖峰势垒的导带边，44是势阱的导带边；点划线代表费米能级45；虚线代表能级，46是第一子带(束缚态)，47是准连续态(激发态相互耦合形成)。由图2可见，第一子带46有足够载流子占据，平带势垒的导带边42水平。
2)对衬底进行预处理，使其可以直接用于外延生长。首先，以蓝宝石作为衬底，将衬底1置于30％的HF溶液中浸泡10分钟去除表面氧化层，用去离子水反复冲洗后吹干，再经过丙酮超声3分钟去除表面有机物，用酒精超声洗净表面残余丙酮，用去离子水洗净表面残余酒精，用洁净的氮气吹干，露出洁净的表面；然后，将已洁净的衬底1传入MOCVD设备中，在1050℃条件下对衬底1进行高温烘烤10分钟，除去表面的杂质原子；在1050℃生长条件下，在衬底1上外延生长高质量的2.5μm的AlN厚膜作为模板材料，经优化，位错密度一般在107cm-2左右。
3)利用MBE设备进行复合势垒量子阱红外探测器结构的外延生长，精确控制生长条件，使得生长模式一直保持在台阶流生长模式，如图3所示，在预处理后的衬底1上依次生长缓冲层2(20周期的AlN/GaN短周期超晶格)，底电极接触层3(500nm厚的硅掺杂Al0.25Ga0.75N，电子浓度为5×1018cm-3)，多量子阱4(20周期的Al0.25Ga0.75N(16nm)/Al0.5Ga0.5N(1.8nm)/GaN(1.8nm)多量子阱)和顶电极接触层5(50nm的硅掺杂Al0.25Ga0.75N，电子浓度为5×1018cm-3)，得到外延晶片。
4)利用材料表征设备对外延晶片的晶体质量、表面形貌以及界面情况进行表征反馈。生长完毕后，首先利用30％的稀盐酸溶液腐蚀掉表面的金属残余，利用X射线衍射XRD(002)与(102)摇摆曲线表征材料的晶体质量，经优化，外延晶片的晶体质量一般为(002)面150arcsec，(102)面500arcsec；利用高分辨XRD和透射电子显微镜TEM表征多量子阱的周期性和界面锐利程度，经优化，XRD谱线一般可以观测到10级以上的卫星峰，TEM图一般表现为各周期均匀一致且界面清晰无明显互扩散现象，表明界面状况良好；利用原子力显微镜AFM观察表面形貌，经优化，AFM形貌一般可以观测到的表面单层原子台阶，表明外延生长模式为层状台阶流模式。
5)通过傅立叶变换红外谱仪FTIR测试晶片的光吸收谱，确定可能的光响应波段范围。将所得的外延晶片切成5mm×5mm见方，如图4所示，背面以及两侧端面抛光制成波导结构18，红外光源(1～10μm)经过线偏振片形成p态和s态的偏振光19，经过波导后进入InSb探测器探测透射光强，利用公式，得到光吸收谱，在图4中以虚线表示，由于蓝宝石衬底1与外延生长层存在折射率差，会形成等周期的干涉，对谱图进行拟合，可以得到除去干涉信号的光吸收谱，在图4中以实线表示，图4所示的光吸收峰，对应第一子带46到准连续态47之间的跃迁。
6)制备探测器单元，包括对外延晶片进行台面刻蚀、电极蒸镀以及侧边钝化等步骤。利用光刻以及等离子体刻蚀ICP等工艺，将图3所示的外延晶片刻蚀进行台面刻蚀，从而露出一部分底电极接触层，形成如图1所示的台面结构，台面大小为200μm×200μm，刻蚀深度为600nm；然后在台面上和台面下分别利用电子束蒸发EBM设备蒸镀Ti(20nm)/Al(175nm)/Ni(45nm)/Au(500nm)结构，并进行800℃快速热退火，形成欧姆接触的顶电极6和底电极7，为防止侧边漏电，用400nm的SiO2进行侧边钝化形成钝化层8，并在顶电极6和底电极7上刻蚀出窗口方便引线。
7)对探测器单元进行封装。如图5所示，将由上述方法制备得到的探测器单元抛光成波导结构，用低温胶固定在等腰直角三角形的黄铜块热沉20的斜面上，用金线21从探测器单元的顶电极6和底电极7分别引线至跳线板的电极22上，并用导线23将相应的跳线板电极接在测试设备24上，测试设备包含电压源、电流表、红外光源、温控系统和真空系统等。
8)测试探测器的光电流谱，获取探测器的性能信息。对封装好的探测器单元进行FTIR测试，一般在低温(5K～100K)、有红外光照射下，调节不同温度、不同偏压进行测试光电流谱，如图6所示，可以测试到3～5μm范围内的光电流谱信号，表明本发明的探测器具有广阔的应用前景。
面向产业化的红外成像的探测器是多个探测器单元组成的面阵，如320*320面阵的探测器，探测器单元相当于探测器的一个像素。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器，其特征在于，所述量子阱红外探测器包括：衬底、缓冲层、底电极接触层、多量子阱、顶电极接触层、底电极、顶电极和钝化层；其中，在衬底上生长缓冲层；在缓冲层上生长底电极接触层；在底电极接触层的一部分上依次为多量子阱、顶电极接触层和顶电极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在多量子阱、顶电极接触层和顶电极的侧面覆盖有钝化层，以及在底电极的侧面覆盖有钝化层；多量子阱包含多个周期的复合势垒和势阱，其中，复合势垒为包括平带势垒和尖峰势垒的双层结构。
2.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述平带势垒的厚度在10～40nm之间，尖峰势垒的厚度在1～5nm之间。
3.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，通过极化调制的方法形成平带势垒，平带势垒的导带边水平，在平带势垒的区域，极化电荷产生的极化电场相互抵消。
4.一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据实际需要，通过能带理论模拟计算，对量子阱红外探测器的结构进行模拟和优化，从而得到优化参数；
2)对衬底进行预处理，使其能够直接用于外延生长；
3)利用精细外延生长设备，按照步骤1)中的优化参数，在衬底上进行外延生长，包括在衬底上依次生长：缓冲层、底电极接触层、作为有源区的多量子阱和顶电极接触层，得到外延晶片；
4)利用材料表征设备对外延晶片的晶体质量、表面形貌以及界面情况的性能进行表征反馈，如果外延晶片的性能不满足需要，则优化生长条件，返回步骤1)重新制备，直到获得符合要求的外延晶片，进入步骤5)；
5)测试外延晶片的光吸收谱，确定光响应波段范围，如果光响应波段不符合实际需要，则返回步骤1)重新制备，直到光响应波段符合实际需要，进入步骤6)；
6)制备探测器单元，包括对外延晶片进行台面刻蚀、电极蒸镀以及侧边钝化；
7)对探测器单元进行封装；
8)测试探测器的光电流谱，获取探测器的性能信息。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，根据探测范围的需要，采用薛定谔方程和泊松方程迭代数值求解的方法进行模拟计算；计算的优化参数包括：多量子阱的平带势垒、尖峰势垒、势阱的材料、厚度和周期数；底电极接触层材料和厚度；以及顶电极接触层的材料和厚度。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，基于极化调制的方法，通过能带理论模拟计算，对多量子阱结构的平带势垒、尖峰势垒、势阱的材料和厚度，进行模拟和优化，使极化电荷在平带势垒区域产生的极化电场相互抵消，实现平带势垒导带边水平。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，对衬底的预处理包括：①通过化学腐蚀和清洗，除去衬底的表面的氧化层和有机物；②在外延设备腔体中对衬底进行高温烘烤，除去表面的杂质原子；③在衬底上生长一层模板材料，模板材料为氮化物。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，采用X射线衍射摇摆曲线半高宽FWHM的大小表征材料位错密度的螺型分量和刃型分量的大小，采用高精度X射线衍射相分析以及高精度透射电子显微镜来表征多量子阱的界面锐利度，采用原子力显微镜表征材料表面的粗糙度RMS；要求达到材料表面的粗糙度RMS小于1nm，摇摆曲线半高宽FWHM(002)面小于200arcsec、(102)面小于600arcsec，衍射卫星峰级次大于8，界面无互扩散作用，以及表面原子台阶清晰。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，利用s偏振光作为背景光，p偏振光作为信号光，利用公式得到吸收系数谱，其中，α为吸收系数，Tp为p偏振光透射光强，Ts为s偏振光透射光强。
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