CN104733561A

CN104733561A - 一种新型氮化物量子阱红外探测器及其制备方法

Info

Publication number: CN104733561A
Application number: CN201510127695.4A
Authority: CN
Inventors: 王新强; 荣新; 沈波; 陈广; 郑显通; 王平; 许福军; 秦志新
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2035-03-23
Also published as: CN104733561B

Abstract

本发明公开了一种新型氮化物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，在衬底上的掩膜层具有周期性排布的孔洞结构，纳米柱阵列从孔洞中生长出来，多量子阱生长在纳米柱阵列的顶部和侧面，分别对应为半极性面和非极性面多量子阱。其中，多量子阱生长于位错密度极低的纳米柱阵列上，可实现极高晶体质量的多量子阱结构；半极性面和非极性面多量子阱的极化场强度远低于传统极性面多量子阱的极化场强度，可实现高效光电流信号的提取；正面入射探测器表面即可有光电响应，省去传统量子阱红外探测器制备表面光栅结构或端面45°抛光的工艺；多量子阱材料采用第三代半导体材料，可实现全红外光谱窗口的光子探测，具有广阔的应用前景。

Description

一种新型氮化物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，尤其涉及一种新型氮化物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，具有稳定性好、响应速度快、抗辐射和易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，在精确制导和红外成像等军用、民用领域具有极广泛的应用。但是由于其材料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。

氮化物半导体材料是第三代半导体材料，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。此外，氮化物还具有紫外扩展特性，可以用于制备单片集成的紫外-红外双色探测器，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的成像。

当前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)等方法，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量级，形成了高密度的暗电流通道，不利于光电流信号的提取。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)抑制了载流子的纵向输运，极大程度地降低了信噪比。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种新型氮化物量子阱红外探测器，其多量子阱生长在纳米柱阵列的顶部(半极性面)和侧面(非极性面)。多量子阱生长于位错密度极低的纳米柱阵列上，可实现极高晶体质量的多量子阱结构；半极性面和非极性面多量子阱的极化场强度远低于传统极性面多量子阱的极化场强度，可实现高效光电流信号的提取。

本发明的一个目的在于提供一种新型氮化物量子阱红外探测器。

本发明的氮化物量子阱红外探测器包括：衬底、缓冲层、底电极接触层、复合层、底电极、顶电极和钝化层；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复合层和顶电极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在顶电极和底电极的侧面覆盖有钝化层；其中，复合层包括掩膜层、纳米柱阵列、多量子阱和顶电极接触层，掩膜层具有周期性排布的孔洞结构，纳米柱阵列从掩膜层中的孔洞中生长出来，在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱，在多量子阱的顶部生长顶电极接触层。

本发明的衬底是适宜生长III族氮化物且成本低廉的衬底，主要包括蓝宝石，(111)面单晶硅、碳化硅等；本发明的缓冲层是介于衬底和底电极接触层之间的插入层，其结构是周期性的氮化物超晶格，其作用是释放外延层的晶格应变，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；本发明的底电极接触层和顶电极接触层为n型掺杂的III族氮化物材料；本发明的掩膜层为采用纳米压印方法或聚焦离子束刻蚀方法等制备的含有周期性排布的孔洞结构，为减少漏电，掩膜层选取绝缘材料，孔洞的周期在500～1000nm之间，孔洞的直径在50～500nm之间；本发明的纳米柱阵列从掩膜层的孔洞中生长出来，材料采用氮化物半导体材料，纳米柱的高度在300～1000nm之间；顶电极接触层从多量子阱的顶部生长并逐渐变宽直至相互合并形成薄膜；本发明的底电极和顶电极为可以让红外光透过的欧姆接触电极，其结构为环形电极或ITO透明电极等；本发明的钝化层选取绝缘材料。

本发明的多量子阱生长在纳米柱阵列的顶部和侧面；其中，生长在纳米柱阵列的顶部的多量子阱为半极性面多量子阱，生长在纳米柱阵列的侧面的多量子阱为非极性面多量子阱。传统的氮化物量子阱红外探测器的多量子阱生长在氮化物的c面，为极性面多量子阱，晶体质量差，而且极化场使得导带边倾斜，不利于光电流的纵向输运。相比于传统极性面多量子阱结构，纳米柱阵列结构利用半极性面多量子阱和非极性面多量子阱极大地提高了材料的生长质量，极大地降低了极化场对光电流输运的不利影响，更有利于光电流信号的提取。

本发明的另一个目的在于提供一种新型氮化物量子阱红外探测器的制备方法。

本发明的氮化物量子阱红外探测器的制备方法，包括以下步骤：

1)优化参数：根据实际需要，通过数值模拟计算，得到量子阱红外探测器结构的优化参数；

2)制备图形化衬底：包括在衬底上依次生长缓冲层和底电极接触层，并按照步骤1)中的优化参数，利用图形化制备技术制备具有周期性排布的孔洞结构的掩膜层，形成图形化衬底；

3)生长外延晶片：利用精细外延生长设备，按照步骤1)中的优化参数，在图形化衬底上，从掩膜层中的孔洞中生长纳米柱阵列，在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱，在多量子阱的顶部生长顶电极接触层；

4)测试反馈：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测试反馈，并测试外延晶片的光吸收谱，确定光响应波段范围。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，直到获得符合设计要求的外延晶片，进入步骤5)；

5)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；

6)对探测器单元进行封装，包括连接热沉和引线，封装后对探测器单元进行测试以获取探测器单元的性能信息。

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自洽求解的方法进行模拟计算；得到优化参数：图形化衬底的周期和孔洞的直径，多量子阱的势垒、势阱的材料、厚度和周期数，底电极接触层和顶电极接触层的材料和厚度。

步骤2)中，制备图形化衬底包括：①清洗衬底使表面洁净可用于外延生长；②在洁净的衬底上生长缓冲层；③在缓冲层上生长底电极接触层，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；④按照步骤1)中优化参数得到的图形化衬底的周期和孔洞的直径，利用纳米压印方法或聚焦离子束刻蚀方法等制备掩膜层。

步骤3)中，采用精细外延设备进行制备，获得高质量外延晶片，具体包括：①清洗图形化衬底使表面洁净可用于外延生长；②在图形化衬底上从掩膜层中的孔洞中生长纳米柱阵列；③在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱；④在多量子阱的顶部生长顶电极接触层，要求多量子阱的顶部生长并逐渐变宽直至相互合并形成薄膜，顶电极接触层的材料和掺杂浓度与底电极接触层相同。

步骤4)中，采用X射线衍射的摇摆曲线半高宽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，采用高精度透射电子显微镜HR-TEM表征多量子阱的界面锐利度，采用原子力显微镜AFM表征材料的表面粗糙度RMS，采用傅里叶变换红外光谱仪FTIR测试红外光吸收谱；其中，摇摆曲线半高宽FWHM(002)面小于200arcsec，(102)面小于600arcsec，HR-TEM测试界面无互扩散，AFM测试表面原子台阶清晰，RMS不大于1nm，FTIR光响应波段满足设计要求的晶片较为合适。

步骤5)中，台面刻蚀，以露出底电极接触层的表面；电极蒸镀，并快速退火以使电极与相应电极接触层形成欧姆接触，并要求电极可以让红外光透过；侧边钝化，防止暗电流通过台面侧边形成有效通路以降低背景噪声。

本发明的优点

(1)本发明生长的纳米柱阵列是一种位错密度极低的结构，在纳米柱阵列上同质外延生长多量子阱可实现晶体质量极高的多量子阱结构；

(2)本发明生长在c面图形化衬底上，通过纳米柱阵列的方法可直接构建半极性面和非极性面多量子阱，避免了在非极性面衬底上外延生长难度大且晶体质量差的难题；

(3)通过半极性面和非极性面多量子阱结构极大地降低了极化场对光电流输运的不利影响，可实现高效光电流信号的提取；

(4)正面入射探测器表面即可有光电响应，相比于传统量子阱红外探测器，省去了制备表面光栅结构或端面45°抛光的工艺；

(5)多量子阱材料采用第三代半导体材料，可以实现全红外光谱窗口的光子探测。

附图说明

图1为本发明的氮化物量子阱红外探测器的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的氮化物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3～图6为本发明的氮化物量子阱红外探测器的一个实施例的外延生长过程的局部微观流程图；图3为掩膜层的示意图，其中，(a)为掩膜层的俯视图，(b)为沿图(a)中A-A’线的剖面图；图4为生长纳米柱阵列的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为沿图(a)中A-A’线的剖面图；图5为生长多量子阱的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为沿图(a)中A-A’线的剖面图；图6为生长顶电极接触层的示意图其中，(a)为俯视图，(b)为沿图(a)中A-A’线的剖面图；

图7为本发明的氮化物量子阱红外探测器的一个实施例的光吸收谱图；

图8为本发明的氮化物量子阱红外探测器的一个实施例的封装的截面图；

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10个周期的Al_0.3Ga_0.7N/GaN量子阱红外探测器。

如图1所示，本实施例的量子阱红外探测器包括：衬底1、缓冲层2、底电极接触层3、复合层4、顶电极5、底电极6以及钝化层7；在衬底1上生长缓冲层2；在缓冲层2上生长底电极接触层3；在底电极接触层3的一部分上依次为复合层4和顶电极5；在底电极接触层3的一部分上为底电极6；在顶电极5和底电极6的侧面覆盖有钝化层7；其中，复合层4包括：掩膜层40、纳米柱阵列41、多量子阱42和顶电极接触层43。衬底1上依次生长缓冲层2、底电极接触层3和复合层4形成外延晶片如图2所示。

在本实施例中，衬底1采用c面蓝宝石；缓冲层2为20个周期的AlN/GaN短周期超晶格；底电极接触层3为1000nm厚的硅掺杂GaN，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；掩膜层40为通过纳米压印方法制备的呈六方排布的周期性的孔洞结构，相邻孔洞的中心间距为500nm，单个孔洞的直径为300nm；纳米柱阵列41为700nm高的顶部为金字塔状的硅掺杂GaN，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；多量子阱42为10个周期的Al_0.3Ga_0.7N/GaN，其中，势垒Al_0.3Ga_0.7N的厚度为5nm，势阱硅掺杂GaN的厚度为3nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3；顶电极接触层43要求多量子阱的顶部生长并逐渐变宽直至相互合并形成薄膜，薄膜厚度为500nm的硅掺杂GaN，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；顶电极5和底电极6为环形电极，均为欧姆接触，依次蒸镀Ti(20nm)/Al(175nm)/Ni(45nm)/Au(500nm)；钝化层7为厚度500nm的SiO₂。

本实施例的量子阱红外探测器的制备方法，包括以下步骤：

1)针对3～5μm红外大气窗口探测波段，通过数值模拟计算，得到量子阱红外探测器结构的优化参数：图形化衬底的周期为500nm，孔洞的直径300nm，多量子阱的势垒Al_0.3Ga_0.7N的厚度为5nm，多量子阱的势阱硅掺杂GaN的厚度为3nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，多量子阱含有10个周期，底电极接触层和顶电极接触层为硅掺杂GaN，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3。

2)制备图形化衬底：首先，选取c面蓝宝石作为衬底1，将衬底1置于30％的HF溶液中浸泡10分钟后用去离子水冲洗以去除表面氧化层，依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗衬底并用氮气枪吹干；其次，将已洁净的衬底1传入MOCVD设备中，在1050℃条件下对衬底1烘烤10分钟后生长20个周期的AlN/GaN短周期超晶格作为缓冲层2；再次，在MOCVD设备1050℃条件下在缓冲层2上生长1000nm厚的硅掺杂GaN作为底电极接触层3，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，控制生长条件，使得生长模式一直保持在台阶流生长模式；最后，通过纳米压印方法制备呈六方排布的周期性孔洞结构的掩膜层40，形成图形化衬底，如图3所示，相邻孔洞的中心间距为500nm，单个孔洞的直径为300nm。

3)生长外延晶片：首先，依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗图形化衬底并用氮气枪吹干；其次，将已洁净的图形化衬底传入分子束外延MBE设备中，在图形化衬底上从掩膜层的孔洞中生长纳米柱阵列41，如图4所示，纳米柱阵列41为700nm高的顶部为金字塔状的硅掺杂GaN，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；再次，在纳米柱阵列41的顶部(半极性面)和侧面(非极性面)上生长多量子阱42，如图5所示，多量子阱42为10个周期的Al_0.3Ga_0.7N/GaN，其中，势垒Al_0.3Ga_0.7N的厚度为5nm，势阱硅掺杂GaN的厚度为3nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3；最后，在多量子阱42上生长顶电极接触层43，如图6所示，要求多量子阱的顶部生长并逐渐变宽直至相互合并形成薄膜，薄膜的厚度为500nm，材料采用硅掺杂GaN，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3。

4)测试反馈：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测试反馈，并测试外延晶片的光吸收谱，确定光响应波段范围。外延晶片生长完毕后利用30％的稀盐酸溶液腐蚀掉表面的金属残余，经优化，外延晶片的晶体质量一般为摇摆曲线半高宽FWHM(002)面150arcsec，(102)面500arcsec；HR-TEM测试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；AFM测试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，RMS一般为1nm；FTIR光响应波段在3～5μm范围，典型的光吸收谱图如图7所示，其中，大于7μm的吸收峰是蓝宝石衬底的吸收峰，峰位在3.70μm的吸收峰是多量子阱的子带间跃迁的吸收峰，以上结果符合设计要求，进入下一步。

5)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2所示的外延晶片进行台面刻蚀，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1300nm；然后在台面上和台面下利用电子束蒸发EBM设备蒸镀顶电极5和底电极6，依次蒸镀Ti(20nm)/Al(175nm)/Ni(45nm)/Au(500nm)形成环形电极，中间镂空可使被探测光透过，并进行800℃快速退火形成欧姆接触；为防止侧边漏电，用EBM蒸镀500nm的SiO₂，并利用光刻和BOE溶液在顶电极5和底电极6上刻蚀出窗口方便引线，进行侧边钝化形成钝化层7。

6)对探测器单元进行封装和测试以获取探测器的性能信息：如图8所示，将由上述方法制备得到的探测器单元用低温胶固定在铜块热沉8上，用金线9从探测器单元的顶电极5和底电极6分别引线至跳线板的电极10上，并用金线11将相应的跳线板电极10接在测试分析电路12上即完成对探测器单元的封装过程，其中，测试分析电路12包含直流电压源、前置放大器和温控系统等。对封装好的探测器单元进行FTIR测试，被测试红外光13通过顶电极入射到探测器单元上，一般在低温(5～100K)条件下可以测试到3～5μm范围的光电流响应，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仪是多个探测器单元组成的面阵，如320*320面阵红外成像仪，探测器单元是红外成像仪的一个像素。

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

1.一种氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述氮化物量子阱红外探测器包括：衬底、缓冲层、底电极接触层、复合层、底电极、顶电极和钝化层；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复合层和顶电极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在顶电极和底电极的侧面覆盖有钝化层；其中，复合层包括掩膜层、纳米柱阵列、多量子阱和顶电极接触层，掩膜层具有周期性排布的孔洞结构，纳米柱阵列从掩膜层中的孔洞中生长出来，在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱，在多量子阱的顶部生长顶电极接触层。

2.如权利要求1所述的氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述掩膜层选取绝缘材料；孔洞的周期在500～1000nm之间，孔洞的直径在50～500nm之间。

3.如权利要求1所述的氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述纳米柱阵列的材料采用氮化物半导体材料；纳米柱的高度在300～1000nm之间。

4.如权利要求1所述的氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述顶电极接触层从多量子阱的顶部生长并逐渐变宽直至相互合并形成薄膜。

5.一种氮化物量子阱红外探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

6.如权利要求5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自洽求解的方法进行模拟计算；得到优化参数：图形化衬底的周期和孔洞的直径，多量子阱的势垒、势阱的材料、厚度和周期数，底电极接触层、顶电极接触层的材料和厚度。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，制备图形化衬底包括：①清洗衬底使表面洁净可用于外延生长；②在洁净的衬底上生长缓冲层；③在缓冲层上生长底电极接触层，生长时应进行n型掺杂以降低接触电阻，厚度不小于200nm；④按照步骤1)中优化参数的图形化衬底的周期和孔洞的直径，利用纳米压印方法或聚焦离子束刻蚀方法制备掩膜层。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，具体包括：①清洗图形化衬底使表面洁净可用于外延生长；②在图形化衬底上从掩膜层中的孔洞中生长纳米柱阵列；③在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱；④在多量子阱的顶部生长顶电极接触层，要求多量子阱的顶部生长并逐渐变宽直至相互合并形成薄膜。

9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，采用X射线衍射的摇摆曲线半高宽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，采用高精度透射电子显微镜HR-TEM表征多量子阱的界面锐利度，采用原子力显微镜AFM表征材料的表面粗糙度RMS，采用傅里叶变换红外光谱仪FTIR测试红外光吸收谱；其中，摇摆曲线半高宽FWHM(002)面小于200arcsec，(102)面小于600arcsec，HR-TEM测试界面无互扩散，AFM测试表面原子台阶清晰，RMS不大于1nm，FTIR光响应波段满足设计要求的晶片较为合适。

10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，台面刻蚀，以露出底电极接触层的表面；电极蒸镀，并快速退火以使电极与相应电极接触层形成欧姆接触，并要求电极让红外光透过；侧边钝化，防止暗电流通过台面侧边形成有效通路以降低背景噪声。