CN104576805B - 一种基于InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器，其包括GaSb衬底、沉积于GaSb衬底上的外延结构、钝化层、金属电极，所述外延结构从下至上依次为GaSb缓冲层、n型InAs/GaSb超晶格接触层、第一M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层、p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层、第一p型InAs/GaSb超晶格接触层、p型InAs/GaSb超晶格中波红外吸收层、第二M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层、p型InAs/GaSb超晶格短波红外吸收层、第二p型InAs/GaSb超晶格接触层和盖层。该探测器具有pMp?p?π?M?n异质结构，具有低串扰、低暗电流、高探测率的优点。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种基于InAs/GaSbII类短波(1～3μm)/中波(3～5μm)/长波(8～14μm)三色红外探测器。
背景技术
红外探测器在战略预警、战术报警、夜视、制导、通讯、气象、地球资源探测、工业探伤、医学、光谱、测温、大气监测等军用和民用领域都有广泛的应用。随着探测技术的发展和对探测效果要求的提高，当前红外探测技术向着获取更多目标信息的方向发展。目前，国内外第三代红外探测器的重要发展方向之一就是实现多波段同时探测。如果一个探测系统能在多个波段获取目标信息，就可以对复杂的背景进行抑制，提高对目标的探测效果。在预警、搜索和跟踪系统中能明显的降低虚警率，显著提高探测系统的性能和在各武器平台的通用性；在医学诊断、安防监控和天文监测等领域能更好的识别目标，提高获取目标信息的准确性。
目前，市场上已经存在碲镉汞和量子阱双色红外探测器，但是以上两种探测器都存在着明显的缺点。为克服以上两种材料的缺陷，一种新的材料体系-InAs/GaSbII类超晶格材料引起了相关研究技术人员的广泛关注。InAs/GaSbII类超晶格材料因其特殊的能带结构，能够克服碲镉汞红外探测器均匀性差、遂穿电流低和量子阱红外探测器量子效率低的缺陷，因此被认为第三代红外探测的候选材料。
目前，不同波段信号通道间的串扰是多色红外探测器的一个主要问题，它限制了探测器的偏压应用范围。有报道称，利用非极性势垒层阻挡不同通道间的光生载流子迁移可以缓解多色探测器的串扰问题。当前所报道的多色器件多采用nBn等结构来缓解不同通道间的串扰问题。2007年美国西北大学M.Razeghi等人提出了一种M型的超晶格结构，即在InAs/GaSb超晶格的GaSb层插入一AlSb层。其单元器件，中波5μm在77K下已做到量子效率大于70％，探测率达1013数量级，并实现了室温探测。长波10μm在77K下，量子效率大于35％，探测率达1011数量级。
与nBn结构相比，pMp结构具有明显的优势：(1)M型超晶格结构能够灵活的调整能带结构，以实现活性层与势垒层间的理想能带分布，从而降低器件的遂穿电流；(2)M型结构中的各层都是II类超晶格材料，在实际材料生长过程中易于获得高质量的超晶格薄膜；(3)pMp结构中的光生少子是高迁移率的电子，电子具有比空穴更大的迁移率和扩散长度，有利于提高探测器的量子效率；(4)p型材料的本征性能比n型材料更稳定。此外，将M型结构引入传统的PIN器件结构形成p-π-M-n器件结构，该结构可以明显的提高器件的微分阻抗和量子效率。所以该结构在红外长波、甚长波波段探测领域比传统的PIN结构相比具有更高的探测率和实用性。
发明内容
本发明的目的是结合pMp器件结构和p-π-M-n器件结构的优点，提供一种低串扰、低暗电流、高探测率、具有pMp-p-π-M-n器件结构的基于InAs/GaSbII类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于InAs/GaSbII类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器，包括GaSb衬底、沉积于GaSb衬底上的外延结构、钝化层、金属电极，其中：外延结构从下至上依次为GaSb缓冲层、n型InAs/GaSb超晶格接触层、第一M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层、p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层、第一p型InAs/GaSb超晶格接触层、p型InAs/GaSb超晶格中波红外吸收层、第二M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层、p型InAs/GaSb超晶格短波红外吸收层、第二p型InAs/GaSb超晶格接触层和盖层，外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，台阶的深度分别至n型InAs/GaSb超晶格接触层和第一p型InAs/GaSb超晶格接触层；电极包括金属下电极、金属中电极和金属上电极，金属下电极与n型InAs/GaSb超晶格接触层欧姆接触，金属中电极与第一p型InAs/GaSb超晶格接触层欧姆接触，金属上电极形成于台阶的上方，与盖层欧姆接触。
本发明中，所述GaSb衬底采用(001)方向的n型GaSb衬底或(001)方向的GaAs衬底等其他衬底。
本发明中，所述GaSb缓冲层的厚度为0.5～1μm；材料为采用Te进行n型掺杂的GaSb材料，其中Te掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
本发明中，所述n型InAs/GaSb超晶格接触层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为0.4～0.6μm。其中：InAs势阱层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为1～2×1018cm-3，各组分层厚度可以根据具体的需要进行调节，一般InAs势阱层为10～15ML，GaSb势垒层为5～8ML。
本发明中，所述第一M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层总厚度为0.3～0.8μm。其中，InAs层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为1～2×1018cm-3。该M型超晶格结构中，InAs层一般为10～20ML，而GaSb层、AlSb层和GaSb层一般为1～5ML。
本发明中，所述p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为1～6μm。其中，InAs势阱层和GaSb势垒层均为本征层，不进行掺杂。该超晶格结构中，各组分层厚度可以根据具体的需要进行调节，一般InAs势阱层为10～15ML，GaSb势垒层为5～8ML。
本发明中，所述第一p型InAs/GaSb超晶格接触层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为0.4～0.6μm。其中，GaSb势垒层的材料为掺杂元素Be的GaSb材料，Be掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
本发明中，所述p型InAs/GaSb超晶格中波红外吸收层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为1～6μm。其中，InAs势阱层和GaSb势垒层均为本征层，不进行掺杂。该超晶格结构中，各组分层厚度可以根据具体的需要进行调节，一般InAs势阱层为8～10ML，GaSb势垒层为8～12ML。
本发明中，所述第二M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层总厚度为0.3～0.8μm。其中，GaSb层的材料采用Be掺杂的GaSb材料，掺杂浓度为1～2×1018cm-3。该M型超晶格结构中，InAs层一般为10～20ML，而GaSb层、AlSb层和GaSb层一般为1～5ML。
本发明中，所述p型InAs/GaSb超晶格短波红外吸收层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为1～6μm。其中，InAs势阱层和GaSb势垒层均为本征层，不进行掺杂。该超晶格结构中，一般InAs势阱层为5～7ML，GaSb势垒层为8～10ML。
本发明中，所述第二p型InAs/GaSb超晶格接触层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为0.4～0.6μm。其中，GaSb势垒层的材料为掺杂元素Be的GaSb材料，Be掺杂浓度为1～2×1018cm-3。该超晶格结构中，各组分层厚度可以根据具体的需要进行调节。一般InAs势阱层为8～10ML，GaSb势垒层为8～12ML。
本发明中，所述盖层采用p型掺杂的GaSb材料，掺杂元素为Be，掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
本发明中，在超晶格材料生长完成以后，使用标准光刻技术和ICP刻蚀制作台面。在台面制作结束后，分别在顶部、中部和底部接触层上蒸镀Ti/Pt/Au电极，并使用SU-8光刻胶钝化，以减小器件表面漏电流。
本发明中，所述探测器通过偏压调制来收集不同波段的信号，其具体实施如下：当在顶部电极加正偏压时中波红外吸收区的光生空穴收集到中部电极，光生电子收集到顶部电极。而短波红外吸收区的光生空穴被M空穴势垒层阻挡不能到达中部电极，从而减少光谱串扰。相反，当在顶部加负偏压时短波红外吸收区的光生空穴收集到顶部电极，光生电子收集到中部电极，而中波红外吸收区的光生空穴被M空穴势垒层阻挡。长波红外区的偏压加在中部和底部电极之间完成信号收集。
本发明提供的InAs/GaSb超晶格三色红外光电探测器具有以下有益效果：
1、通过合适的器件能带结构设计，在探测器吸收区之间生长M型超晶格作为探测器的势垒区，同样有效的抑制由于生长缺陷所带来的产生-复合暗电流以及隧穿暗电流，从而提高探测器的性能。
2、M型超晶格作为探测器的空穴势垒区，在调制偏压提取信号时能够很好地抑制不同信号间的串扰。
3、该探测器结构中通过掺杂以电子为少数载流子，电子具有比空穴更大的迁移率和扩散长度，有利于提高探测器的量子效率。
4、该InAs/GaSb超晶格红外光电探测器具有pMp-p-π-M-n异质结构，其中pMp结构为短波/中波双色探测区，p-π-M-n结构为单色长波探测区。
5、该探测器通过偏压调制，可分别得到短波、中波和长波信号。
附图说明
图1是短波/中波/长波三色InAs/GaSb超晶格红外探测器结构示意图；
图2是短波/中波/长波三色InAs/GaSb超晶格红外探测器结构的能带结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明基于M型超晶格势垒层能带的特殊性，可显著抑制耗尽层中的产生-复合暗电流以及陷阱中心隧穿暗电流，从而使光电流增强，实现对探测器探测率D*的提高；M型超晶格势垒层的存在，在调制偏压提取信号时能够很好地抑制不同信号间的串扰。
如图1和图2所示，本发明提供的InAs/GaSb超晶格三色红外光电探测器包括GaSb衬底1、沉积于GaSb衬底1上的外延结构、金属下电极12、金属中电极13、金属上电极14和钝化层15，其中：
所述外延结构包括：n型掺杂GaSb缓冲层2、n型InAs/GaSb超晶格接触层3、第一M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层4、p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层5、第一p型InAs/GaSb超晶格接触层6、p型InAs/GaSb超晶格中波红外吸收层7、第二M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层8、p型InAs/GaSb超晶格短波红外吸收层9、第二p型InAs/GaSb超晶格接触层10和盖层11，该外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，台阶的深度分别至n型InAs/GaSb超晶格接触层3和p型InAs/GaSb超晶格接触层6；
所述金属下电极12与n型InAs/GaSb超晶格接触层3欧姆接触，金属中电极13与第一p型InAs/GaSb超晶格接触层6欧姆接触，金属上电极14形成于台阶的上方，与盖层11欧姆接触；
所述钝化层15形成于衬底1以及外延结构上除金属上电极8和金属下电极9之外的其他位置。
本发明中，所述n型掺杂GaSb缓冲层2生长于GaSb衬底1之上，厚度为0.7μm。其中，GaSb缓冲层中Te掺杂浓度为1×1018cm-3。
本发明中，所述n型InAs/GaSb超晶格接触层3生长于n型掺杂GaSb缓冲层2上，其厚度为0.5μm。该层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为7ML，InAs厚度为14ML，InAs势阱层中Si掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明中，所述第一M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层4生长在n型InAs/GaSb超晶格接触层3上。该M型超晶格结构由18MLInAs/3MLGaSb/5MLAlSb/3MLGaSb结构构成，其中InAs层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明中，所述p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层5生长在第一M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层4上，其厚度为2μm，该层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为7ML，InAs厚度为14ML，超晶格截止波长为～11.4μm。
本发明中，所述第一p型InAs/GaSb超晶格接触层6生长在p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层5上，总厚度为0.5μm，Be掺杂浓度为1×1018cm-3。该层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为8ML，InAs厚度为8ML，GaSb势垒层中Be掺杂浓度为1×1018cm-3。
本发明中，所述p型InAs/GaSb超晶格中波红外吸收层7生长在p型InAs/GaSb超晶格接触层6上，其厚度为2μm，该层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为8ML，InAs厚度为8ML，超晶格截止波长为～4.5μm。
本发明中，所述第二M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层8生长在p型InAs/GaSb超晶格中波红外吸收层7上。该M型超晶格结构由15MLInAs/3MLGaSb/5MLAlSb/3MLGaSb结构构成，其中InAs层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明中，所述p型InAs/GaSb超晶格短波红外吸收层9生长在第二M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层8上，其厚度为2μm。该层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为10ML，InAs厚度为5ML，超晶格截止波长为～2.5μm。
本发明中，所述第二p型InAs/GaSb超晶格接触层10生长在p型InAs/GaSb超晶格短波红外吸收层9上，总厚度为0.5μm，该层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为8ML，InAs厚度为8ML，GaSb势垒层中Be掺杂浓度为1×1018cm-3。
本发明中，所述盖层11生长在p型InAs/GaSb超晶格接触层10上，采用p型掺杂的GaSb材料，掺杂元素为Be，掺杂浓度为1×1018cm-3。
本发明中，所述台阶经湿法刻蚀形成。金属下电极12、中电极13和金属下电极14采用电子束蒸发Ti/Pt/Au，其厚度分别为50nm/50nm/300nm。
本发明中，所述钝化层15采用SU-8光刻胶，厚度为300nm。
该探测器通过偏压调制，可分别得到短波、中波和长波三色信号，其具体实施如下：当在顶部电极加正偏压时中波红外吸收区的光生空穴收集到中部电极，光生电子收集到顶部电极。而短波红外吸收区的光生空穴被M空穴势垒层阻挡不能到达中部电极，从而减少光谱串扰。相反，当在顶部加负偏压时短波红外吸收区的光生空穴收集到顶部电极，光生电子收集到中部电极，而中波红外吸收区的光生空穴被M空穴势垒层阻挡。长波红外吸收区的偏压加在中部和底部电极之间完成信号收集。
由于本征红外吸收层材料质量的提高，热辐射背景等非探测红外光源在本征吸收层所产生的暗电流产生减小。此外，通过M势垒层，暗电流得到进一步抑制。同时，由于钝化层的存在，使得表面态引起的表面漏电流得到抑制。三方面同时作用，使得红外探测器的探测率得到提高，不同信号间的串扰也得到了明显的抑制。
综上所述，本发明提供的InAs/GaSb超晶格三色红外光电探测器中，M势垒层的引入可有效的降低探测器的产生-复合暗电流以及隧穿暗电流，此外该势垒层对于各信号间的串扰也起到明显的抑制作用。本发明完成了一种低串扰、低暗电流和高探测率的新型短波(1～3μm)/中波(3～5μm)/长波(8～14μm)InAs/GaSbII类超晶格红外探测器原型器件结构设计。
Claims (10)
1.一种基于InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器，包括GaSb衬底、沉积于GaSb衬底上的外延结构、钝化层、金属电极，其特征在于所述外延结构从下至上依次为GaSb缓冲层、n型InAs/GaSb超晶格接触层、第一M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层、p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层、第一p型InAs/GaSb超晶格接触层、p型InAs/GaSb超晶格中波红外吸收层、第二M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层、p型InAs/GaSb超晶格短波红外吸收层、第二p型InAs/GaSb超晶格接触层和盖层，外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，台阶的深度分别至n型InAs/GaSb超晶格接触层和第一p型InAs/GaSb超晶格接触层；电极包括金属下电极、金属中电极和金属上电极，金属下电极与n型InAs/GaSb超晶格接触层欧姆接触，金属中电极与第一p型InAs/GaSb超晶格接触层欧姆接触，金属上电极形成于台阶的上方，与盖层欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器，其特征在于所述GaSb衬底采用(001)方向的n型GaSb衬底。
3.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器，其特征在于所述GaSb缓冲层的厚度为0.5～1μm，材料为采用Te进行n型掺杂的GaSb材料，Te掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器，其特征在于所述n型InAs/GaSb超晶格接触层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为0.4～0.6μm，其中：InAs势阱层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
5.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器，其特征在于所述第一M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层总厚度为0.3～0.8μm，其中：InAs层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为1～2×1018cm-3；所述第二M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层总厚度为0.3～0.8μm，其中：GaSb层的材料采用Be掺杂的GaSb材料，掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
6.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器，其特征在于所述p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为1～6μm。
7.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器，其特征在于所述p型InAs/GaSb超晶格中波红外吸收层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为1～6μm。
8.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器，其特征在于所述p型InAs/GaSb超晶格短波红外吸收层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为1～6μm。
9.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器，其特征在于所述第一p型InAs/GaSb超晶格接触层和第二p型InAs/GaSb超晶格接触层均由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为0.4～0.6μm，其中：GaSb势垒层的材料为掺杂元素Be的GaSb材料，Be掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
10.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的短波/中波/长波三色红外探测器，其特征在于所述盖层采用p型掺杂的GaSb材料，掺杂元素为Be，掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
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