CN104900731A - 红外光电探测器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外探测器及其制造方法，该红外探测器包括衬底、下接触层、周期性的量子点量子阱混杂结构、上接触层、顶部环状电极及底部环状电极；其中，下接触层外延于衬底上；周期性的量子点量子阱混杂结构外延于下接触层上；上接触层外延于周期性的量子点量子阱混杂结构上；底部环状电极形成于刻蚀上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构而露出的下接触层的表面；顶部环状电极形成于刻蚀上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构而剩余的上接触层的表面。本发明的红外光电探测器能响应正入射光，并具有低暗电流、高响应率及探测率的优点。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造领域，尤其涉及一种红外光电探测器及其制造方法。
背景技术
半导体红外光电探测器作为一种重要的传感器核心部件，在国防、科研及民用电子产品等诸多领域有着广泛应用。红外探测器，特别是长波长的红外探测器，由于受到材料特性和生长外延的诸多限，其制难以得到成品率高、性能优良的理想器件，目前的商用半导体红外探测器主要为光导型的HgCdTe探测器光导型量子阱探测器(QWIP)，但光导型器件缺点在于暗电流较大，容易使外部读出电路的电容饱和，此外HgCdTe材料的均匀性也限制了其制备大规模面阵的应用。随着外延手段的成熟，以分子束外延为代表生长手段，使得大面积均匀生长材料和精确能带设计工程成为可能，在此背景下光伏型量子级联探测器应运而生。通过特殊能级设计使得半导体导带中产生非对称的束缚能级结构，从而使红外探测器可以工作在光伏模式下，克服了光导器件大暗电流的瓶颈。但传统的多量子阱与量子级联器件，由于其为导带子带跃迁器件，电子光跃迁其受限于所谓的跃迁选择定则，以致其在不制备外部光栅耦合结构时无法有效响应正入射光，这大大增加了器件工艺复杂度以及器件成本亦限制其在大规模焦平面上的应用。综上，研制一种低暗电流、高响应率探测率、正入射光响应的半导体红外探测器已经成为本领域的主要工作。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种红外光电探测器及其制造方法，以使该红外光电探测器能响应正入射光，并具有低暗电流、高响应率及探测率的优点。
(二)技术方案
本发明提供一种红外探测器，其包括：
衬底；
下接触层，外延于衬底之上；
周期性的量子点量子阱混杂结构，外延于下接触层之上；
上接触层，外延于周期性的量子点量子阱混杂结构之上；
底部环状电极，形成于刻蚀上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构而露出的下接触层的表面；
顶部环状电极，形成于刻蚀上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构而剩余的上接触层的表面。
本发明还提供一种红外探测器的制造方法，该方法包括：
S1，在衬底上外延下接触层；
S2，在下接触层上外延周期性重复的量子点量子阱混杂级联结构；
S3，在量子点量子阱混杂级联结构之上外延上接触层；
S4，从上至下对上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构进行刻蚀，刻蚀至下接触层表面，形成红外探测器台面；
S5，在刻蚀上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构而剩余的上接触层表面制备顶部环状电极，在刻蚀上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构而露出的下接触层表面制备底部环状电极。
(三)有益效果
1.本发明提供的红外探测器能响应正入射光。在光吸收势阱中引入自组装量子点，利用点阱混杂结构中的电子束缚能级代替传统的单一量子阱束缚能级，有效得克服了子带选择定则的限制，使得本发明中所提供的探测器可以在不加任何光耦合结构前提下，有效地进行正入射光吸收并跃迁产生光生电子。
2、本发明提供的红外探测器提高了响应率与探测率。量子点量子阱混杂结构包括一个光吸收势阱和多个电子弛豫势阱，同一周期内两个相邻电子弛豫势阱的能级相差一个纵光学声子能量，使得电子能够以斜跃迁的方式传输，保证了电子能以较大几率从光吸收势阱注入到电子弛豫势阱，并且也降低了电子从跃迁终态回填至基态的几率；相邻两个周期中，本周期的光吸收势阱与上一周期中最后一个电子弛豫势阱的能级相同，使得电子在相邻周期能共振隧穿，使光吸收势阱与电子弛豫势阱更好的耦合，改善了器件的电输运性能，提高了器件的响应率与探测率。
3、本发明提供的红外探测器在电子斜跃迁及共振隧穿的过程中都是未加偏压的，故具有低暗电流的特点。
附图说明
图1为本发明提供的红外探测器的结构示意图。
图2为本发明提供的红外探测器的量子点量子阱混合结构一个周期内的生长次序的示意图。
图3为本发明提供的红外探测器的一个周期内的导带能带结构图以及光生电子输运原理图。
图4为本发明提供的红外探测器制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供一种红外探测器，其包括衬底1、下接触层2、周期性的量子点量子阱混杂结构3、上接触层4、顶部环状电极5及底部环状电极6，该红外光电探测器能响应正入射光，并具有低暗电流、高响应率及探测率的优点。
如图1所示，图1是本发明提供的红外探测器的结构示意图，结合具体实施例，该红外探测器包括衬底1、下接触层2、周期性的量子点量子阱混杂结构3、上接触层4、顶部环状电极5及底部环状电极6。其中，
衬底1采用半绝缘的磷化铟(InP)材料。
下接触层2外延于衬底1上，具有缓冲的作用，下接触层2为电子施主杂质Si重掺杂的铟镓砷(InGaAs)外延层。
周期性的量子点量子阱混杂结构3外延于下接触层2上，量子点量子阱混杂结构3包括势垒层、势阱层及量子点量子阱混杂层，每个周期中的势垒层、势阱层以及量子点量子阱混杂层构成了相互耦合的啁啾超晶格结构，在本实施例中，每个啁啾超晶格结构包含了6个势垒层，3个势阱层和2个量子点量子阱混杂层，其中，势垒层的材料为铟铝砷(InAlAs)，势阱层的材料为铟镓砷(InGaAs)，2个量子点量子阱混杂层的材料为两步应变补偿法所生长的砷化铟(InAs)量子点砷化镓(GaAs)量子阱的混杂结构；量子点量子阱混杂结构3按照功能分为光子吸收势阱和电子弛豫势阱，光吸收势阱及最后一个电子弛豫势阱为量子点量子阱混杂结构，其他电子弛豫势阱为量子阱，相邻两个周期中，本周期的光吸收势阱与上一周期中最后一个电子弛豫势阱的能级相同，同一周期内两个相邻电子弛豫势阱的能级相差一个纵光学声子能量，光子吸收势阱和电子弛豫势阱之间通过电子斜跃迁和共振隧穿进行电子的耦合输运，光生电子将从吸收区混杂结构的基态能级斜跃迁至相邻量子阱中更高能量的束缚态上，完成从吸收势阱到弛豫势阱的耦合，同时，最后一个弛豫势阱的电子束缚态位置在吸收区基态附近，使得电子通过共振隧穿进入到下一个周期中。在此步骤中，点阱混杂结构中的电子束缚能级代替传统的单一量子阱束缚能级，有效得克服了子带选择定则的限制，使得探测器可以在不加任何光耦合结构前提下，有效地进行正入射光吸收并跃迁产生光生电子；同时，采用量子点量子阱混合结构，使得在同一周期内，电子能够以斜跃迁的方式进行传输，在相邻周期内，电子能够以共振隧穿的方式进行传输，改善了器件的电输运性能，提高了器件的响应率与探测率；另外，电子斜跃迁及共振隧穿的过程中都是未加偏压的，故具有低暗电流的特点。
上接触层4外延于周期性的量子点量子阱混杂结构3之上，上接触层4为电子施主杂质硅重掺杂的铟镓砷(InGaAs)外延层。
底部环状电极6，其制备于刻蚀上接触层4和周期性的量子点量子阱混杂结构3而露出的下接触层2的表面，底部环状电极的材料为钛金合金；
顶部环状电极5，其制备于刻蚀上接触层4和周期性的量子点量子阱混杂结构3而剩余的上接触层4的表面，顶部环状电极5的材料为钛金合金。
如图2所示，图2为依照本发明实施例的红外探测器的量子点量子阱混合结构一个周期内的生长次序的示意图，在外延每个周期的量子点量子阱混杂级联结构时，从下至上包括：
采用分子束外延工艺，生长出第一势垒层B1，厚度为5.3nm；
采用分子束外延工艺，在第一势垒层B1上生长出第一量子点量子阱混杂层D1，厚度为5.8nm；
采用分子束外延工艺，在第一量子点量子阱混杂层D1上生长出第二势垒层B2，厚度为2.1nm；
采用分子束外延工艺，在第二势垒层B2上生长出第一势阱层W1，厚度为2.3nm；
采用分子束外延工艺，在第一势阱层W1上生长出第三势垒层B3，厚度为4.6nm；
采用分子束外延工艺，在第三势垒层B3上生长出第二势阱层W2，厚度为2.9nm；
采用分子束外延工艺，在第二势阱层W2上生长出第四势垒层B4，厚度为3.3nm；
采用分子束外延工艺，在第四势垒层B4上生长出第三势阱层W3，厚度为3.5nm；
采用分子束外延工艺，在第三势阱层W3上生长出第五势垒层B5，厚度为2.3nm；
采用分子束外延工艺，在第五势垒层B5上生长出第二量子点量子阱混杂层D2，厚度为5.4nm；
采用分子束外延工艺，在第二量子点量子阱混杂层D2上生长出第六势垒层B6，厚度为5.3nm。
如图3所示，图3为本发明提供的红外探测器的一个周期内的导带能带结构图以及光生电子输运原理图。结合具体实施例，单个量子点量子阱混杂级联结构包括了一个光吸收势阱和四个电子弛豫势阱。光吸收阱为量子阱量子点混杂结构，其中E1为电子的基态能级，在9×1017cm-3掺杂的条件下，该势阱中费米能级EF位置在E1之上，未有光照时，大量电子占据在基态E1上；电子弛豫势阱中包含E2，E3，E4，E5四个能级，相邻能级之间能量上相差势阱材料的一个纵光学声子能量。E2，E3，E4所在的势阱为不掺杂的InGaAs量子阱，E5所在的势阱为9×1017cm-3掺杂的量子点量子阱混杂结构。该设计使得E5与下一周期的光吸收区的基态能级之间有较高的隧穿几率，以保证光生电子输运畅通。当有正入射光照时，最左侧的量子点量子阱混杂结构光吸收区中，处于E1能级上的电子斜跃迁至相邻量子阱中的E2能级上。随后电子在点声子作用下，迅速通过E2，E3，E4，进入到E5之中，然后再通过电子的共振隧穿进入到下一个周期光吸收区的基态能级上。以上过程都是在未加偏压下进行的，故具有低暗电流的特点，此外，阱混杂结构中的电子束缚能级代替传统的单一量子阱束缚能级，有效得克服了子带选择定则的限制，使得探测器可以在不加任何光耦合结构前提下，有效地进行正入射光吸收并跃迁产生光生电子，在同一周期内，电子能够以斜跃迁的方式进行传输，在相邻周期内，电子能够以共振隧穿的方式进行传输，改善了器件的电输运性能，提高了器件的响应率与探测率。
如图4所示，图4为本发明提供的红外探测器制造方法的流程图，结合具体实施例，方法包括：
S1，在磷化铟(InP)衬底上外延晶格匹配的铟镓砷(In0.48Ga0.52As)下接触层，作为缓冲层，厚度为500微米，在外延的同时，掺入电子施主杂质Si，浓度为9×1018cm-3。
S2，在衬底上外延周期性重复的量子点量子阱混杂级联结构，级联结构包括6个铟铝砷(In0.47Al0.53As)势垒层、3个铟镓砷(In0.48Ga0.52As)势阱层和2个量子点量子阱混杂层，量子点量子阱混杂层为两步应变补偿法所生长的砷化铟量子点砷化镓量子阱的混杂结构，在外延每个周期的量子点量子阱混杂级联结构时，从下至上包括：
采用分子束外延工艺，生长出第一势垒层B1，厚度为5.3nm；
采用分子束外延工艺，在第一势垒层B1上生长出第一量子点量子阱混杂层D1，厚度为5.8nm；
采用分子束外延工艺，在第一量子点量子阱混杂层D1上生长出第二势垒层B2，厚度为2.1nm；
采用分子束外延工艺，在第二势垒层B2上生长出第一势阱层W1，厚度为2.3nm；
采用分子束外延工艺，在第一势阱层W1上生长出第三势垒层B3，厚度为4.6nm；
采用分子束外延工艺，在第三势垒层B3上生长出第二势阱层W2，厚度为2.9nm；
采用分子束外延工艺，在第二势阱层W2上生长出第四势垒层B4，厚度为3.3nm；
采用分子束外延工艺，在第四势垒层B4上生长出第三势阱层W3，厚度为3.5nm；
采用分子束外延工艺，在第三势阱层W3上生长出第五势垒层B5，厚度为2.3nm；
采用分子束外延工艺，在第五势垒层B5上生长出第二量子点量子阱混杂层D2，厚度为5.4nm；
采用分子束外延工艺，在第二量子点量子阱混杂层D2上生长出第六势垒层B6，厚度为5.3nm；
其中，只在量子点量子阱混杂层中进行掺杂电子施主杂质Si，浓度为9×1017cm-3，量子点量子阱混杂级联结构的重复次数大于等于30个，本例中量子点量子阱混杂级联结构的重复次数为30个，总厚度为963nm。量子点量子阱混杂结构按照功能分为光子吸收势阱和电子弛豫势阱，光吸收势阱及最后一个电子弛豫势阱为量子点量子阱混杂结构，其他电子弛豫势阱为量子阱，相邻两个周期中，本周期的光吸收势阱与上一周期中最后一个电子弛豫势阱的能级相同，同一周期内两个相邻电子弛豫势阱的能级相差一个纵光学声子能量，光子吸收势阱和电子弛豫势阱之间通过电子斜跃迁和共振隧穿进行电子的耦合输运，光生电子将从吸收区混杂结构的基态能级斜跃迁至相邻量子阱中更高能量的束缚态上，完成从吸收势阱到弛豫势阱的耦合，同时，最后一个弛豫势阱的电子束缚态位置在吸收区基态附近，使得电子通过共振隧穿进入到下一个周期中。本方法利用点阱混杂结构中的电子束缚能级代替传统的单一量子阱束缚能级，有效得克服了子带选择定则的限制，使得探测器可以在不加任何光耦合结构前提下，有效地进行正入射光吸收并跃迁产生光生电子；同时，采用量子点量子阱混合结构，使得在同一周期内，电子能够以斜跃迁的方式进行传输，在相邻周期内，电子能够以共振隧穿的方式进行传输，改善了器件的电输运性能，提高了器件的响应率与探测率；另外，电子斜跃迁及共振隧穿的过程中都是未加偏压的，故具有低暗电流的特点。
S3，在量子点量子阱混杂级联结构之上外延上接触层，材料为磷化铟(InP)晶格匹配的铟镓砷(In0.48Ga0.52As)，厚度为200nm，在外延的同时，掺入电子施主杂质Si，浓度为9×1018cm-3。
S4，从上至下对上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构进行刻蚀，刻蚀至下接触层表面，形成红外探测器台面。
S5，在刻蚀上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构而剩余的上接触层表面制备顶部环状电极，在刻蚀上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构而露出的下接触层表面制备底部环状电极，在刻蚀上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构而剩余的上接触层表面制备顶部环状电极，本例中采用电子束蒸发的方式制备钛金合金电极，由于上下接触层皆为施主重掺杂，金属电极与半导体之间为欧姆接触。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种红外探测器，其特征在于，该红外探测器包括：
衬底(1)；
下接触层(2)，外延于衬底(1)之上；
周期性的量子点量子阱混杂结构(3)，外延于下接触层(2)之上；
上接触层(4)，外延于周期性的量子点量子阱混杂结构(3)之上；
底部环状电极(6)，形成于刻蚀上接触层(4)和周期性的量子点量子阱混杂结构(3)而露出的下接触层(2)的表面；
顶部环状电极(5)，形成于刻蚀上接触层(4)和周期性的量子点量子阱混杂结构(3)而剩余的上接触层(4)的表面。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述衬底为半绝缘的磷化铟材料。
3.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述下接触层(2)为电子施主杂质Si重掺杂的铟镓砷外延层。
4.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述周期性的量子点量子阱混杂结构(3)，在每个周期中至少包括多个势垒层、多个势阱层及多个量子点量子阱混杂层，其中，每个周期中的多个势垒层、多个势阱层以及多个量子点量子阱混杂层构成了相互耦合的啁啾超晶格结构。
5.根据权利要求4所述的红外探测器，其特征在于，所述势垒层采用的材料为铟铝砷，所述势阱层采用的材料为铟镓砷，所述量子点量子阱混杂层为砷化铟量子点砷化镓量子阱的混杂结构。
6.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述周期性的量子点量子阱混杂结构(3)，在每个周期中包括一个光吸收势阱和多个电子弛豫势阱，其中，光吸收势阱及最后一个电子弛豫势阱为量子点量子阱混杂结构，其他电子弛豫势阱为量子阱。
7.根据权利要求6所述的红外探测器，其特征在于，相邻两个周期中，本周期的光吸收势阱与上一周期中最后一个电子弛豫势阱的能级相同，同一周期内两个相邻电子弛豫势阱的能级相差一个纵光学声子能量。
8.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述上接触层(4)为电子施主杂质Si重掺杂的铟镓砷外延层。
9.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述顶部环状电极(5)以及底部环状电极(6)均采用钛金合金。
10.一种红外探测器的制造方法，其特征在于，方法包括：
S1，在衬底上外延下接触层；
S2，在下接触层上外延周期性重复的量子点量子阱混杂级联结构；
S3，在量子点量子阱混杂级联结构之上外延上接触层；
S4，从上至下对上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构进行刻蚀，刻蚀至下接触层表面，形成红外探测器台面；
S5，在刻蚀上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构而剩余的上接触层表面制备顶部环状电极，在刻蚀上接触层和周期性的量子点量子阱混杂结构而露出的下接触层表面制备底部环状电极。
11.根据权利要求10所述的红外探测器的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，在外延每个周期的量子点量子阱混杂级联结构时，从下至上包括：
采用分子束外延工艺，生长出第一势垒层(B1)，厚度为5.3nm；
采用分子束外延工艺，在第一势垒层(B1)上生长出第一量子点量子阱混杂层(D1)，厚度为5.8nm；
采用分子束外延工艺，在第一量子点量子阱混杂层(D1)上生长出第二势垒层(B2)，厚度为2.1nm；
采用分子束外延工艺，在第二势垒层(B2)上生长出第一势阱层(W1)，厚度为2.3nm；
采用分子束外延工艺，在第一势阱层(W1)上生长出第三势垒层(B3)，厚度为4.6nm；
采用分子束外延工艺，在第三势垒层(B3)上生长出第二势阱层(W2)，厚度为2.9nm；
采用分子束外延工艺，在第二势阱层(W2)上生长出第四势垒层(B4)，厚度为3.3nm；
采用分子束外延工艺，在第四势垒层(B4)上生长出第三势阱层(W3)，厚度为3.5nm；
采用分子束外延工艺，在第三势阱层(W3)上生长出第五势垒层(B5)，厚度为2.3nm；
采用分子束外延工艺，在第五势垒层(B5)上生长出第二量子点量子阱混杂层(D2)，厚度为5.4nm；
采用分子束外延工艺，在第二量子点量子阱混杂层(D2)上生长出第六势垒层(B6)，厚度为5.3nm；
其中，只在量子点量子阱混杂层中进行掺杂电子施主杂质Si，浓度为9×1017cm-3，量子点量子阱混杂级联结构的重复次数大于等于30个。
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