CN104576811B - 近中红外波双色探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近中红外波双色探测器及其制备方法。该探测器包括:探测波长为0.7‑1.6微米的近红外响应单元、探测波段为3‑5微米的中红外响应单元以及用以与所述近红外响应单元和中红外响应单元配合的电极等;其典型的制备方法包括:在衬底正面上依次生长缓冲层、近红外响应单元、共用接触层、中红外响应单元和顶电极接触层形成外延层;以及,在共用接触层和顶电极接触层上制作顶电极和共用电极,在衬底背面制作底电极等。本发明的探测器在红外光谱照射下能够观察到明显的响应电流,可独立或同时进行近、中红外波段的探测,且器件结构简单,体积小,成本低廉,具有广泛应用前景。

Description

近中红外波双色探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导体红外探测器特别涉及一种近中红外波双色探测器件及制作方法,属于新型半导体器件领域。
背景技术
红外线自从被发现以来,在人们生活各个领域中的作用都变得越来越重要。不同的红外波段有不同的用处。如果一个系统可以同时对两个波段进行探测,那么可对复杂的环境进行高分辨的识别,从而提高探测效果。双色红外探测器可以降低多波段探测系统光学部分的复杂性和成本,是红外探测器的发展方向。
现在的双色探测器基本都集中于对中远波段的双色测探,而专门用于对近中波段进行探测的半导体器件迄今还很少,这也是本领域的研究热点之一。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种近中红外波双色探测器及其制备方法,以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的,本发明采用的技术方案包括:
一种近中红外波双色探测器,其包括:
探测波长为0.7-1.6微米的近红外响应单元,包括以In0.53Ga0.47As作为吸收层的PIN结构;
探测波段为3-5微米的中红外响应单元,包括InxAl1-xAs/InyGa1-yAs量子阱结构,0.53≤y<1,1<x≤0.52;
以及,电极,用以与所述近红外响应单元和中红外响应单元配合。
作为较为优选的实施方案之一,所述近中红外波双色探测器包括依次形成于衬底正面上的缓冲层、近红外响应单元、共用接触层、中红外响应单元以及顶电极接触层,其中所述衬底背面设置有底电极,所述顶电极接触层和共用接触层上分别设置有顶电极和共用电极。
较佳的,所述衬底背面上设置有电流扩展和/或抗反射层,所述底电极分布在所述电流扩展和/或抗反射层上。
作为较为优选的实施方案之一,可以采用ITO作为电流扩展层以及抗反层淀积在衬底背面,并在其上制作底电极。
进一步的,所述衬底采用重掺杂p型InP衬底。尤为优选的,所述衬底的厚度在100微米到600微米之间。
进一步的,所述缓冲层的材质选自重掺杂p型InP材料,且载流子浓度为5×1018~5×1019cm-3。尤为优选的,所述缓冲层的厚度在0.1微米到2微米之间,
进一步的,所述近红外响应单元包括依次形成的p型InP层、吸收层、n型InP层,其中吸收层的材质选自本征In0.53Ga0.47As材料,载流子浓度为1x1014~1x1017cm-3。尤为优选的,所述吸收层的厚度为0.5微米到3微米。其中,p型、n型InP层系分别作为近红外响应单元的发射和集电区。
进一步的,所述共用接触层及顶电极接触层的材质选自重掺杂n型InP材料,载流子载流子浓度为1×1018~5×1018cm-3。尤为优选的,所述共用接触层及顶电极接触层的厚度为0.2微米到1.5微米。
进一步的,所述中红外响应包括依次形成的第一n型InP渐变层、InxAl1-xAs/InyGa1-yAs量子阱结构和第二n型InP渐变层。
尤为优选的,所述量子阱结构的周期为10~50,其中InxAl1-xAs材料不掺杂,而InyGa1- yAs为n型掺杂,且载流子浓度为5×1017~3×1018cm-3
更进一步的,其中InxAl1-xAs材料的厚度为30纳米到60纳米之间。
更进一步的,其中InyGa1-yAs材料的厚度为3纳米至7纳米之间。
尤为优选的,第一、第二n型InP渐变层的掺杂浓度为5×1017~2×1018cm-3
其中,近红外响应单元使用底电极和共用电极,中红外响应单元使用顶电极和共用电极。
其中,近红外波长由In0.53Ga0.47As材料带宽决定,中红外波长由InxAl1-xAs/InyGa1-yAs量子阱阱内基态与激发态的能极差决定。
所述近中红外波双色探测器的制备方法包括:
在衬底正面上依次生长缓冲层、近红外响应单元、共用接触层、中红外响应单元和顶电极接触层形成外延层;
对所述外延层进行刻蚀,直至在共用接触层上形成台面,再在共用接触层和顶电极接触层上制作顶电极和共用电极;
在衬底背面上形成电流扩展和/或抗反射层,并在电流扩展和/或抗反射层刻蚀出电极图形结构,以及,依据所述电极图形结构在电流扩展和/或抗反射层上制作底电极。
作为较为优选的实施方案之一,所述制备方法还可包括:在顶电极接触层和共用接触层上淀积Au/Ge/Ni/Au金属,并在350~400℃退火2min~5min形成欧姆接触,从而形成所述顶电极和共用电极。
与现有技术相比,本发明的优点至少在于:提供的近中红外波双色探测器在红外光谱照射下能够观察到明显的响应电流,可独立或同时进行近、中红外波段的探测,且器件结构简单,体积小,成本低廉,具有广泛应用前景。
附图说明
图1a为本发明一典型实施例中一种近中红外波双色探测器的平面结构示意图;
图1b为图1a所示探测器中PIN InGaAs近红外响应单元的结构示意图;
图1c为图1a所示探测器中红外探测区域的InAlAs/InGaAs量子阱结构示意图;
图2为本发明一典型实施例中一种近中红外波双色探测器的制备工艺流程图。
具体实施方式
本发明的一个方面提供了一种近中红外波双色探测器,其可实现近、中波段红外线的同时探测。
进一步的,在一些实施方案之中,本发明的双色探测器可以InP基材料为主,可以在保证高质量材料的基础上,制作近中红外探测器。
更进一步的,在一些更为具体的实施方案之中,本发明提供了基于InP衬底的,InGaAs和InGaAs/InAlAs量子阱集成的双色探测器,其基本结构可以包括衬底、缓冲层、近红外响应区域、共用接触层、中红外响应区域、顶电极接触层、ITO电流扩展层和金属电极等。
其中,在近红外波段,InGaAs在此波长附近的吸收系数高,可实现较高的红外探测性能。
其中,在中红外波段,与InP匹配的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As利用量子阱的电子带内跃迁,可实现较高的中红外探测性能,特别是可以进行波长约为3.9um的红外波,而通过增加和减少InGaAs及InAlAs材料的In组分,制作出的应变超晶格能使探测波长覆盖3~5um范围。
进一步的,以PIN InGaAs近红外探测结构和InGaAs/InAlAs量子阱中红外探测结构为基础进行近中红外波双色探测器的制作,可以充分保证材料外延的质量,减少因材料匹配度问题产生的缺陷等问题,进而提高双色探测器性能。
更为具体的,在一些实施案例之中,采用重掺杂p型InP做衬底,以In0.53Ga0.47As为吸收层的PIN结构作为近红外探测区域,重掺杂n型InP作为共用及顶电极接触层,组分可变的InxAl1-xAs/InyGa1-yAs量子阱结构作为中红外探测区域;ITO作为光入射面的电流扩展层和抗反层。
所述近中红外波双色探测器采用In0.53Ga0.47As材料作为近红外响应区域的吸收层,探测波长为0.7-1.6微米,与InP衬底晶格匹配,可以减小材料缺陷,降低器件暗电流;中红外响应区域由InxAl1-xAs/InyGa1-yAs量子阱结构构成,带内电子跃迁是其探测原理,其中y≥0.53,x≤0.52,构成应力补偿量子阱,可大大降低材料生长难度,提高器件分辨率,探测波段为3-5微米;近红外探测区域由p型和n型掺杂InP材料作为集电区和发射区,可降低载流子的表面复合;中红外探测区域,n型InP作为接触层和量子阱层的渐变层,有利于提高器件的响应。本器件采用三电极设计,分为顶电极、共用电极和底电极,其中近红外响应区域使用底电极和共用电极,中红外响应区域使用顶电极和共用电极。顶电极和共用电极由Au/Ge/Ni/Au材料构成;底电极淀积在ITO上,由Ni/Au或Ni材料构成。
以下结合附图及实施案例对本发明的技术方案作进一步的说明。
请参阅图1所示,在一实施例中,一种近中红外波双色探测器可以包括:
一衬底层10,所述衬底层材料为重掺杂p型InP;
一缓冲层20,该缓冲层生长在衬底10上,所述缓冲层材料为重掺杂p型InP;
一近红外响应区30,该近红外响应区30生长在缓冲层20上,所述近红外响应区30结构为一p型InP层301,一本征In0.53Ga0.48As吸收层302,一n型InP层303;
一共用接触层40,该共用接触层40生长在红外响应区30上,所述共用接触层40为重掺杂n型InP;
一中红外响应区50,该中红外响应区50生长在共用接触层40上,所述中红外响应区50结构为两n型InP渐变层501;一InxAl1-xAs/InyGa1-yAs量子阱,其中InxAl1-xAs 502为垒层,n型掺杂InyGa1-yAs 503为阱层;
一顶电极接触层60,该接触层60生长在中红外响应区50上,所述接触层60为重掺杂n型InP;
在重掺杂n型InP共用和顶电极接触层上,制作Au/Ge/Ni/Au金属70;
一ITO电流扩展和抗反层80,该ITO层制作在衬底10背面。下金属电极90制作在ITO层的一小块区域,材料为Ni或Ni/Au。
请参阅图1及图2,该近中红外波双色探测器的制作方法可以包括如下具体步骤:
步骤1:利用薄膜外延生长设备在p+-InP衬底上生长外延层。依次生长制作一缓冲层、一近红外响应区、一共用接触层、一中红外响应区和一顶电极接触层;
步骤2:在顶电极接触层上淀积一层SiO2作为掩膜层;
步骤3:在SiO2上光刻做出开口,使用干法或湿法刻蚀,在共用接触层刻蚀出台面;
步骤4:使用电子束蒸发的方法在顶电极和共用接触层上淀积Au/Ge/Ni/Au金属,并进行退火;
步骤5:衬底减薄并抛光;
步骤6:在背面淀积制作ITO薄膜,并进行退火,降低衬底与ITO薄膜的接触电阻;
步骤7:在ITO上淀积SiO2并光刻;
步骤8:在ITO薄膜的一部分区域淀积Ni或Ni/Au金属电极,并进行退火。
经测试表明,本实施例的该近中红外波双色探测器在红外光谱,特别是近、中红外光照射下能够观察到明显的响应电流,可独立或同时进行近、中红外波段的探测,且器件结构简单,体积小,成本低廉。
应当理解,上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种近中红外波双色探测器,其特征在于包括依次形成于衬底正面上的缓冲层、近红外响应单元、共用接触层、中红外响应单元以及顶电极接触层,所述衬底背面设置有底电极,所述顶电极接触层和共用接触层上分别设置有顶电极和共用电极;
其中,所述近红外响应单元为探测波长为0.7-1.6微米的近红外响应单元,包括以In0.53Ga0.47As作为吸收层的PIN结构;
所述中红外响应单元为探测波段为3-5微米的中红外响应单元,包括InxAl1-xAs/InyGa1-yAs量子阱结构,0.53≤y<1,1<x≤0.52。
2.根据权利要求1所述的近中红外波双色探测器,其特征在于所述衬底背面上设置有电流扩展和/或抗反射层,所述底电极分布在所述电流扩展和/或抗反射层上。
3.根据权利要求1所述的近中红外波双色探测器,其特征在于所述衬底采用重掺杂p型InP衬底。
4.根据权利要求1所述的近中红外波双色探测器,其特征在于所述缓冲层的材质选自重掺杂p型InP材料,且载流子浓度为5×1018~5×1019cm-3
5.根据权利要求1-3中任一项所述的近中红外波双色探测器,其特征在于所述近红外响应单元包括依次形成的p型InP层、吸收层、n型InP层,其中吸收层的材质选自本征In0.53Ga0.47As材料,载流子浓度为1×1014~1×1017cm-3
6.根据权利要求1所述的近中红外波双色探测器,其特征在于所述共用接触层及顶电极接触层的材质选自重掺杂n型InP材料,载流子载流子浓度为1×1018~5×1018cm-3
7.根据权利要求1-3中任一项所述的近中红外波双色探测器,其特征在于所述中红外响应包括依次形成的第一n型InP渐变层、InxAl1-xAs/InyGa1-yAs量子阱结构和第二n型InP渐变层;
所述量子阱结构的周期为10~50,其中InxAl1-xAs材料不掺杂,而InyGa1-yAs为n型掺杂,且载流子浓度为5×1017~3×1018cm-3
第一、第二n型InP渐变层的掺杂浓度为5×1017~2×1018cm-3
8.权利要求1-7中任一项所述的近中红外波双色探测器的制备方法,其特征在于包括:
在衬底正面上依次生长缓冲层、近红外响应单元、共用接触层、中红外响应单元和顶电极接触层形成外延层;
对所述外延层进行刻蚀,直至在共用接触层上形成台面,再在共用接触层和顶电极接触层上 制作顶电极和共用电极;
在衬底背面上形成电流扩展和/或抗反射层,并在电流扩展和/或抗反射层刻蚀出电极图形结构,以及,依据所述电极图形结构在电流扩展和/或抗反射层上制作底电极。
9.根据权利要求8所述的近中红外波双色探测器的制备方法,其特征在于包括:在顶电极接触层和共用接触层上淀积Au/Ge/Ni/Au金属,并在350~400℃退火2min~5min形成欧姆接触,从而形成所述顶电极和共用电极。
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