CN104617166A - 基于Si衬底的InGaAs红外探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Si衬底的InGaAs红外探测器及其制备方法。该红外探测器包括直接生长在Si衬底的外延结构层以及与所述外延结构层连接的P型、N型电极，所述外延结构层包括在Si衬底上依次生长的过渡层、缓冲层、下掺杂层、吸收层和上掺杂层。该制备方法包括：在Si衬底上直接依次生长外延层；以及对所述外延层进行台面刻蚀，并制备N型、P型电极，形成所述红外探测器。藉由本发明的设计，不仅可最大程度的发挥Si衬底热导性好在高功率器件中的优势及充分利用Si衬底易于与硅基电子电路大面积集成和成本低等优点，还可避免复杂键合工艺以及在键合过程中由热应力引起的界面缺陷和界面电阻。

Description

基于Si衬底的InGaAs红外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种分子束外延方法在Si衬底上直接生长形成的InGaAs红外探测器及其制备方法，属于光探测器技术领域。

背景技术

以红外辐射信息为基础的红外探测技术，能够区分各个物体或者一个物体的各个部分的红外辐射差异，把物体表面发射的红外辐射分布转变成所需要的信息，比如可见光信息等，从而将人类的感知领域扩展到裸眼看不到的区域。因此，红外探测技术在军事和民用领域都具有非常重要的应用和研究价值。红外探测器是红外系统、热成像系统的核心组成部分。制备红外探测器的材料从传统的锑化铟(InSb)、 硅化铂(PtSi)、碲镉汞(HgCdTe)发展到III-V族材料。 InGaAs 材料是一种优良的红外光电探测材料。InGaAs材料可以探测范围在900nm-1650nm的红外波段，而且可直接生长在InP衬底上，外延材料具有较好的均匀性和稳定性。在常温下InGaAs 探测器具有很高的性能, 较高的优值因子和探测率，较低的暗电流密度。InGaAs探测器可以摆脱制冷的制约, 在仪器小型化、降低红外系统成本等方面具有很大的竞争力。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。InGaAs器件材料与器件的抗辐照性能好，而且制备工艺过程与Si 工艺兼容。目前已经被广泛用于在光纤通信和可视系统里。

在很多应用中，将红外探测器集成到硅基电子电路上能够增加一些额外的功能，提供优异的性能，而且能降低成本。此外，InGaAs-InP基探测器的热阻抗是限制其最大光电流的一个因素，尤其是在微波频率应用时。而Si衬底热导性好，在300K时，Si的热导率(1.5W/cm²·K)比InP热导率( 0.68W/cm²·K)的两倍还大随着温度的增加，这一比率还会更大。因此，用Si做支撑衬底在高功率器件中能具有获得更高的饱和电流密度，进而增大探测的动态范围。目前，在硅衬底上制作InGaAs探测器，最直接的方法就是晶片键合，其首先在InP衬底上衬底上生长InGaAs探测器，然后将InGaAs探测器外延剥离掉，键合到Si衬底上，制备工艺复杂，并且高温键合方法在键合时热膨胀会引起界面缺陷增加和界面电阻增大等诸多问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于Si衬底的InGaAs红外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：

一种基于Si衬底的InGaAs红外探测器，包括直接生长在Si衬底的外延结构层以及与所述外延结构层连接的P型、N型电极，所述外延结构层包括在Si衬底上依次生长的过渡层、缓冲层、下掺杂层、吸收层和上掺杂层。

进一步的，所述过渡层的材质优选自Ga_1-xIn_xP，0 ≤x≤1，并且沿逐渐远离Si衬底的方向，x的取值呈线性或台阶式增加。

尤为优选的，所述过渡层包括在Si衬底上依次生长的第一过渡层和第二过渡层。

其中，所述第一过渡层的材质为GaP。

其中，所述第二过渡层的材质选自Ga_1-xIn_xP，其中x 含量按照远离第一过渡层的方向呈线性或台阶式增加。

进一步的，在第二过渡层与第一过渡层、缓冲层的交界处x分别为0、1，亦即，在第二过渡层与第一过渡层、缓冲层的交界处，第二过渡层的晶格常数分别与第一过渡层、缓冲层晶格匹配。

进一步的，所述第一过渡层厚度不大于1.5μm，优选为50nm~1.5μm。

进一步的，所述第二过渡层的厚度不大于3μm，优选为200nm~3μm。

进一步的，所述缓冲层的材质优选自InP。

进一步的，所述吸收层的材质优选自不掺杂的InGaAs 材料。

进一步的，所述下掺杂层、上掺杂层的材质选自不同掺杂类型的InP材料，例如可分别选自掺杂类型为N⁺ 、P⁺的InP材料。

进一步的，所述下掺杂层、吸收层及上掺杂层组合形成PIN光电探测器结构。

进一步的，所述红外探测器表面还设有抗反膜或增透膜。

进一步的，所述Si衬底和外延结构层设于N型电极和P型电极之间。

前述任一种基于Si衬底的InGaAs红外探测器的制备方法，其包括：

在Si衬底上直接依次生长过渡层、缓冲层、下掺杂层、吸收层和上掺杂层，从而形成外延层；

以及，对所述外延层进行台面刻蚀，并制备N型、P型电极，形成所述红外探测器。

进一步的，其中系采用分子束外延法生长所述外延层。

进一步的，其中系优选采用干法刻蚀进行台面刻蚀。

进一步的，该制备方法还可包括：在所述红外探测器表面还设有抗反膜或增透膜，例如，在所述P型电极表面设置抗反膜或增透膜。

很容易理解的，该制备方法还包括一系列尺寸外形及适于安装的封装工艺步骤，以形成完整的红外探测器结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过采用分子束外延等方法在Si衬底上直接生长InGaAs红外探测器，特别是通过生长组分渐变的III-V化合物Ga_1-xIn_xP，不断改变III族源的流量逐步将晶格过渡到InP的晶格常数，不仅可最大程度的发挥Si衬底热导性好在高功率器件中的优势及充分利用Si衬底易于与硅基电子电路大面积集成和成本低等优点，还可避免复杂键合工艺以及键合过程中由热应力引起的界面缺陷和界面电阻。

附图说明

以下结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的说明，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，其中：

图1为本发明实施例1中一种InGaAs红外探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例2中一种InGaAs红外探测器内第二过渡层的结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术存在的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出了本发明的技术方案，其主要是利用分子束外延等方法在Si衬底上直接生长InGaAs红外探测器，其中通过生长组分渐变的III-V化合物Ga_1-xIn_xP，不断改变III族源流量逐步将晶格过渡到InP的晶格常数，实现了在Si衬底上直接生长的InGaAs红外探测器，即硅基InGaAs红外探测器。

为使本发明能更明显易理解，以下结合若干实施例详细说明如下：

请参阅图1，在本发明的一实施例中，该InGaAs红外探测器包括从下到上依次设置的衬底、第一过渡层，第二过渡层，InP缓冲层、下掺杂层、吸收层、上掺杂层。

其中，该器件还包括在对生长完的外延结构进行台面刻蚀后，再制备的N型电极，P型电极。

进一步的，该器件还包括设置在P型电极表面的抗反膜。

其中，第二过渡层是组分渐变的III-V化合物Ga_1-xIn_xP。吸收层为不掺杂的InGaAs 材料，下掺杂层和上掺杂层是掺杂类型分别为N⁺ 和P⁺的InP材料，该三者在Si衬底上形成PIN结构光电探测器。

在本实施例中系以不掺杂InGaAs材料的做吸收层为例来进行说明，当然，在其他实施例中，吸收层也可以用量子点，量子阱等其他结构。

下面详细介绍本实施例在硅衬底上直接生长InGaAs红外探测器的制作方法，其可以包括如下步骤：

采用分子束外延方法（MBE）按照远离Si 衬底的方向在Si衬底第一过渡层，第二过渡层，InP缓冲层、下掺杂层、吸收层、上掺杂层。

第一过渡层：在P型带偏角的Si衬底上生长GaP作为第一过渡层。可以采用的生长方法有增强原子迁移外延（MEE）和MBE相结合的方法。首先用低温MEE生长1~30个原子层的GaP成核层消除孪晶和堆叠层错，生长温度为300~500℃。然后用MBE方法生长更厚的GaP，掩埋晶格失配产生的反相畴和失配位错，生长温度为450~600℃。 第一过渡层的厚度为50nm~1μm。或者先用MBE方法生长1~10ML的GaP以消除Ga原子可能造成的背腐蚀。在其他实施中，本领域技术人员可知，上述外延层的生长还可以金属有机气相外延（MOCVD），先生长一层Si缓冲层，再在缓冲层上生长GaP过渡层。上述外延层的生长还可以在生长过程退火，以优化材料质量。

第二过渡层：在第一过渡层上生长多层Ga_1-xIn_xP 作为第二过渡层，0 ≤ x≤1。为了实现所述第一过渡层晶格匹配地过渡至InP缓冲层，所述x 含量按照远离第一过渡层的方向呈台阶式增加，增加的速率为3～ 40%。

例如，请参阅图2 所示，本实施的第二过渡层包括24 层Ga_1-xIn_xP，从第一层Ga_0.96In_0.04P 开始，按照远离第一过渡层的方向，往上生长一层Ga_1-xIn_xP，每生长一层y 增加0.04，如此y 按照同样的增幅增加23次，最终完成InP的生长。令最后的x=1，此时的Ga_1-xIn_xP与InP晶格匹配。

在Ga_1-xIn_xP上面再生长一层InP 缓冲层，完成第二过渡层的制作。其中，每一层过渡层的厚度为50~300nm。生长温度为450~550℃，V/III为30~90。

在其他实施例当中，第二过渡层还可以采用线性增加的方式实现，即在一组分渐变过渡层实现组分从GaP到InP的过渡。

InP缓冲层的生长：在完成第二过渡层的生长后，在其上生长一层InP 缓冲层，厚度为100nm~1μm。用来阻挡第二过渡层的位错和帮助释放残余应力，

下掺杂层的生长: 在InP缓冲层上生长N⁺-InP下掺杂。掺杂浓度为1×10¹⁸ ~1×10¹⁹/cm³，厚度为100 nm ~500nm, 生长速率是0.5~1.5ml/s。

吸收层的生长：吸收层采用不掺杂的InGaAs，厚度是800nm~2000nm，生长速率是0.5~1.5ml/s。

上掺杂层的生长: 在吸收层上生长P⁺-InP上掺杂层，掺杂浓度是5×10¹⁸/cm³~3×10¹⁹ /cm³，厚度为100nm~500nm。上掺杂层与吸收层和下掺杂层构成PIN结构。

用干法刻蚀方法在生长完的结构上刻蚀出N⁺-InP下掺杂，N⁺-InP台面上通过电子束蒸发的方法制备Ni/AuGe/Ni/Au  N型电极；通过磁控溅射方法在上掺杂层P⁺-InP台面上制备P型Pd/Zn/Pd/Au电极，最后利用光学镀膜法在探测器表面制备TiO₂/SiO₂增透膜，以减小样品表面的反射率提高光子的利用率，最终形成Si衬底上直接生长的InGaAs红外探测器，    其在使用过程中散热性能好，器件性能稳定。

当然，在其他实施例中，Si衬底上直接生长的InGaAs红外探测器也可以为如Si衬底上直接生长包括InGaAs/InGaAsP双色红外探测器或者其他量子阱或量子点红外探测器。

本发明不仅利用了Si衬底热导性好在高功率器件中的优势，还避免了复杂的键合制备工艺以及键合过程中由热应力引起的界面缺陷和界面电阻，同时利用了Si衬底有利于与硅基电子电路大面积集成和成本低等优点。

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 (10)

1. 一种基于Si衬底的InGaAs红外探测器，其特征在于包括直接生长在Si衬底的外延结构层以及与所述外延结构层连接的P型、N型电极，所述外延结构层包括在Si衬底上依次生长的过渡层、缓冲层、下掺杂层、吸收层和上掺杂层。

2. 根据权利要求1所述基于Si衬底的InGaAs红外探测器，其特征在于所述过渡层的材质选自Ga_1-xIn_xP， 0 ≤x≤1，并且沿逐渐远离Si衬底的方向，x的取值呈线性或台阶式增加。

3. 根据权利要求2所述基于Si衬底的InGaAs红外探测器，其特征在于所述过渡层包括在Si衬底上依次生长的第一过渡层和第二过渡层，所述第一过渡层的材质为GaP，所述第二过渡层的材质选自Ga_1-xIn_xP，其中在第二过渡层与第一过渡层、缓冲层的交界处x分别为0、1。

4. 根据权利要求2所述基于Si衬底的InGaAs红外探测器，其特征在于所述第一过渡层厚度不大于1.5μm，所述第二过渡层的厚度不大于3μm。

5. 根据权利要求1或2所述基于Si衬底的InGaAs红外探测器，其特征在于所述缓冲层的材质包括InP。

6. 根据权利要求1所述基于Si衬底的InGaAs红外探测器，其特征在于所述吸收层的材质包括不掺杂的InGaAs 材料。

7. 根据权利要求1所述基于Si衬底的InGaAs红外探测器，其特征在于所述下掺杂层、上掺杂层的材质包括掺杂类型分别为N⁺ 、P⁺的InP材料。

8. 根据权利要求1或7所述基于Si衬底的InGaAs红外探测器，其特征在于所述下掺杂层、吸收层及上掺杂层组合形成PIN光电探测器结构。

9. 根据权利要求1-4、6-7中任一项所述基于Si衬底的InGaAs红外探测器，其特征在于所述红外探测器表面还设有抗反膜或增透膜。

10. 权利要求1-9中任一项所述基于Si衬底的InGaAs红外探测器的制备方法，其特征在于包括：在Si衬底上直接依次生长过渡层、缓冲层、下掺杂层、吸收层和上掺杂层，从而形成外延层；以及，对所述外延层进行台面刻蚀，并制备N型、P型电极，形成所述红外探测器。