CN107180889B - 一种提高光吸收率的量子阱红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，包括硅衬底、量子阱单元、上电极、上电极欧姆接触层、下电极，下电极欧姆接触层和绝缘层，所述硅衬底表面为三角形凹槽，所述量子阱单元沉积在所述硅衬底表面上，所述上电极通过上电极欧姆接触层和量子阱单元的最上层连接，所述下电极通过下电极欧姆接触层和量子阱单元的最下层连接，且所述下电极与所述硅衬底以及量子阱单元的其他层之间通过所述绝缘层进行隔离其中，欧姆接触层通过离子注入方式形成。本发明提供的量子阱红外探测器表面为三角形凹槽，使得入射到三角形凹槽其中一个面上的红外光被反射至另外一个面吸收，提高了红外光的吸收效率。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器领域，具体涉及一种提高光吸收率的量子阱红外探测器及其制作方法。
背景技术
传统带间光吸收指电子吸收光子后，从价带跃迁到导带，从而产生一个光生电子空穴对，这些光生载流子在外加偏压的作用下，被收集形成光电流，这是传统基于带间吸收半导体光电探测器的基本原理。这种吸收要求光子的能量大于材料的禁带宽度，而对于红外光来讲，红外光波长长，相对应的能量小，需要材料具有很小的禁带宽度才能发生这种光吸收，因此，在基于传统带间吸收的红外探测器的制作过程中，材料的选择收到很大的限制，一般只能选用HgCdTe材料，但是中Hg-Te键比较脆弱，导致红外探测器的制作不容易。
量子阱红外探测器通过量子阱结构与掺杂的设计，在量子阱内形成特定的子能级，利用量子阱导带(或价带)内子能带间或子能带到扩展态间的电子(或空穴)跃迁。这样在红外光的作用下，可以发生量子阱内子能级之间或者子能级到连续态之间的跃迁，这些受激发的载流子在偏压作用下被收集形成光电流。因此，量子阱红外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。
但是在量子阱红外探测器使用过程中，入射的红外光一部分进入量子阱内部，一部分在进入量子阱之前发生反射，这就导致入射的红外光利用率低，造成量子阱红外探测器的探测结果发生偏差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高光吸收率的量子阱红外探测器及其制作方法，本发明的量子阱红外探测器的红外光入射区域为三角形凹槽，使得入射到三角形凹槽其中一个面上的红外光被反射至另外一个面吸收，提高了红外光的吸收效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其中，包括硅衬底、量子阱单元、上电极、上电极欧姆接触层、下电极，下电极欧姆接触层和绝缘层，所述硅衬底表面为三角形凹槽，作为红外光的入射区域，所述量子阱单元沉积在所述硅衬底表面上，所述上电极欧姆接触层位于所述量子阱单元的最上层中，且所述上电极欧姆接触层上方为上电极，所述下电极欧姆接触层位于量子阱单元的最下层，所述下电极通过所述下电极欧姆接触层与量子阱单元的最下层连接，且所述下电极与所述硅衬底以及量子阱单元的其他层之间通过所述绝缘层进行隔离。
进一步地，所述硅衬底的表面为(100)晶面。
进一步地，所述硅衬底在碱性溶液中进行腐蚀，形成三角形凹槽。
进一步地，所述碱性溶液为EPW或KOH或NH4OH或TMAH。
进一步地，所述上电极和下电极为Pt。
进一步地，所述量子阱单元为GaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于GaAs层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为GaAs层。
进一步地，所述量子阱单元为InGaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于InGaAs层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为InGaAs层。
进一步地，所述量子阱单元为Si层和SixGe1-x层交替形成，其中，SixGe1-x层的厚度小于Si层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为Si层。
一种提高光吸收率的量子阱红外探测器的制作方法，步骤如下：
S01：在硅衬底表面上生长一层绝缘层；
S02：以绝缘层为掩膜，将硅衬底放入碱性溶液中刻蚀，形成表面具有三角形凹槽的硅衬底，去除下电极所在位置以外的绝缘层；
S03：采用外延生长法在含有三角形凹槽的硅衬底表面生长量子阱单元；
S04：在量子阱单元的最上层边缘生长上电极，对位于上电极正下方的量子阱单元的最上层区域进行离子注入形成上电极欧姆接触层；
S05：刻蚀绝缘层上方的量子阱单元，停止于绝缘层，形成凹槽，并且凹槽的横截面积小于绝缘层的横截面积，先在位于量子阱单元最下层以上的凹槽四周沉积绝缘层，再在凹槽中填充下电极，对下电极与量子阱单元最下层的接触区域进行离子注入，形成下电极欧姆接触层，其中，下电极通过下电极欧姆接触层与量子阱单元的最下层连接，下电极与所述硅衬底以及量子阱单元的其他层之间通过绝缘层进行隔离。
一种提高光吸收率的量子阱红外探测器的制作方法，步骤如下：
S01：在硅衬底表面上生长一层绝缘层，并在绝缘层的边缘制作下电极；
S02：以绝缘层为掩膜，将硅衬底放入碱性溶液中刻蚀，形成表面具有三角形凹槽的硅衬底，去除下电极所在位置以外的绝缘层，且绝缘层的面积大于下电极的面积；
S03：采用外延生长法在含有三角形凹槽的硅衬底表面生长量子阱单元；
S04：在量子阱单元的最上层边缘生长上电极，对位于上电极正下方的量子阱单元的最上层区域进行离子注入形成上电极欧姆接触层；
S05：刻蚀下电极上方的量子阱单元，停止于下电极，形成凹槽，先在位于量子阱单元最下层以上的凹槽四周沉积绝缘层，再在凹槽中填充PAD，对下电极与量子阱单元最下层的接触区域进行离子注入，形成下电极欧姆接触层，其中，下电极通过下电极欧姆接触层与量子阱单元的最下层连接，下电极与所述硅衬底以及量子阱单元的其他层之间通过绝缘层进行隔离。
本发明的有益效果为：利用硅衬底不同晶面在碱性溶液中腐蚀速度不同的特点，将腐蚀速度最大的(100)晶面作为硅衬底的表面，通过在碱性溶液中腐蚀形成三角形凹槽；将量子阱单元沉积在三角形凹槽上方，红外光入射在三角形凹槽上，当入射在三角形凹槽其中一个面上的红外光发生发射时，反射光刚好被反射到三角形凹槽另外一个面上进行入射，通过三角形凹槽的形状设计，使得量子阱红外探测器的光吸收率大大提高。
附图说明
图1为实施例1中一种提高光吸收率的量子阱红外探测器的结构示意图。
图2为实施例1中一种提高光吸收率的量子阱红外探测器的结构示意图。
1硅衬底，2量子阱单元，3上电极，31上电极欧姆接触层，4下电极，41下电极欧姆接触层，42PAD，5绝缘层。
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，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，包括硅衬底、量子阱单元、上电极、上电极欧姆接触层、下电极，下电极欧姆接触层和绝缘层。其中，硅衬底的表面为(100)晶面，在EPW、KOH、NH4OH或TMAH等碱性溶液中，硅衬底不同晶面的腐蚀速度不同，其中(100)晶面的腐蚀速度最快，因此，在碱性溶液中，硅衬底不同晶面的各项异性腐蚀速度使得硅衬底表面形成三角形凹槽。在硅衬底表面沉积量子阱单元，量子阱单元可以为GaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于GaAs层的厚度，且量子阱单元的最上层和最下层均为GaAs层，也可以为InGaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于InGaAs层的厚度，且量子阱单元的最上层和最下层均为InGaAs层，还可以为Si层和SixGe1-x层交替形成，其中，SixGe1-x层的厚度小于Si层的厚度，且量子阱单元的最上层和最下层均为Si层。位于硅衬底表面三角形凹槽中的量子阱单元作为本发明量子阱红外探测器的入射区域，当红外光垂直于三角形凹槽其中一个面入射时，一部分入射光进入量子阱单元中，一部分入射光被反射，而被反射的这部分光刚好被反射到三角形凹槽的另一个面上，该反射光作为二次入射光再次被量子阱单元吸收。在量子阱红外探测器的使用过程中只有入射到量子阱单元的这部分光是有效的，在传统的量子阱红外探测器中，量子阱单元的表面为水平的，因此，入射光被反射的部分就会被浪费掉，导致入射光利用率低，而在本发明中，量子阱单元的表面为三角形凹槽，大大增大了其表面积，同时，其中一个表面的反射光可以作为另一个表面的入射光进行二次入射，大大提高了入射光的吸收率。
其中，上电极用于引出量子阱单元的最上层，因此，上电极与量子阱单元的最上层连接，并且两者连接的区域通过离子注入工艺注入硼离子或者磷离子，形成高浓度掺杂区，以形成上电级欧姆接触层。
其中，下电极用于引出量子阱单元的最下层，因此，下电极与量子阱单元的最下层连接，而量子阱单元的最下层位于整个量子阱单元的最下端，若要将最下层引出，可以在最下层中制作下电极，并通过PAD将其引出到量子阱单元之外，也可以直接在量子阱单元中制作贯穿量子阱单元的下电极，直接将量子阱单元的最下层引出。同样，下电极与量子阱单元的最下层连接区域通过离子注入工艺注入硼离子或者磷离子，形成高浓度掺杂区，以形成下电级欧姆接触层。在制作下电极过程红，必须保证下电极通过下电极欧姆接触层与量子阱单元的最下层连接，下电极与硅衬底以及量子阱单元的其他层之间通过绝缘层进行隔离。
以下通过具体实施例对本发明的制作方法做进一步描述。
实施例1
如图1所示，本发明提供的一种量子阱红外探测器的制作方法，具体步骤如下：
S01：选择表面为(100)晶面的硅衬底1，此时，衬底表面水平，在硅衬底表面上通过化学气相沉积法生长一层氧化硅绝缘层5。
S02：去除硅衬底表面中间部分的氧化硅绝缘层，以剩余氧化硅绝缘层为掩膜，将硅衬底放入KOH碱性溶液中刻蚀，因为，硅衬底中(100)面在碱性溶液中腐蚀速度最快，最终形成表面具有三角形凹槽的硅衬底，去除下电极所在位置以外的氧化绝缘层，且绝缘层的面积大于下电极的面积，保证绝缘层可以完全隔离硅衬底和下电极。
S03：采用外延生长法在含有三角形凹槽的硅衬底表面交替生长GaAs层和AlxGa1- xAs层形成量子阱单元2，并且AlxGa1-xAs层的厚度小于GaAs层的厚度，且量子阱单元的最上层和最下层均为GaAs层。
S04：在量子阱单元的最上层边缘生长上电极Pt，对位于上电极3正下方的量子阱单元的最上层区域进行硼离子注入形成上电极欧姆接触层31。
S05：刻蚀绝缘层上方的量子阱单元，形成凹槽，停止于绝缘层，并且凹槽的横截面积小于绝缘层的横截面积，在量子阱单元最下层以上的凹槽四周沉积一层绝缘层，再在凹槽中填充下电极Pt，此时，下电极4的下端为步骤S02中剩余的绝缘层，并且与量子阱单元的最下层连接，针对下电极与量子阱单元的最下层接触区域，采用硼离子注入工艺形成下电极欧姆接触层41；此时，下电极通过下电极欧姆接触层与量子阱单元的最下层连接，下电极与硅衬底以及量子阱单元的其他层之间通过绝缘层进行隔离。
采用本实施例制作的量子阱红外探测器的结构如图1所示。
实施例2
本发明提供的一种量子阱红外探测器的制作方法，具体步骤如下：
S01：选择表面为(100)晶面的硅衬底1，此时，衬底表面水平，在硅衬底表面上通过化学气相沉积法生长一层绝缘层5，并在绝缘层的边缘制作下电极4。
S02：去除硅衬底表面中间部分的绝缘层，以剩余绝缘层为掩膜，将硅衬底放入EPW碱性溶液中刻蚀，因为，硅衬底中(100)面在碱性溶液中腐蚀速度最快，最终形成表面具有三角形凹槽的硅衬底，去除下电极所在位置以外的氧化绝缘层。
S03：采用外延生长法在含有三角形凹槽的硅衬底表面交替生长InGaAs层和AlxGa1-xAs层形成量子阱单元2，并且AlxGa1-xAs层的厚度小于InGaAs层的厚度，且量子阱单元的最上层和最下层均为InGaAs层；
S04：在量子阱单元的最上层边缘生长上电极3，对位于上电极正下方的量子阱单元的最上层区域进行磷离子注入形成上电极欧姆接触层31；
S05：刻蚀下电极上方的量子阱单元，形成凹槽，停止于绝缘层，并且凹槽的横截面积小于下电极的横截面积，在量子阱单元最下层以上的凹槽四周沉积一层绝缘层，再在凹槽中填充导电的铝金属，形成PAD 42，此时，下电极的下端为绝缘层，并且与量子阱单元的最下层连接，针对下电极与量子阱单元的最下层接触区域，采用磷离子注入工艺形成下电极欧姆接触层41；此时，下电极通过下电极欧姆接触层与量子阱单元的最下层连接，下电极与硅衬底以及量子阱单元的其他层之间通过绝缘层进行隔离。
采用本实施例制作的量子阱红外探测器的结构如图2所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (14)
1.一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，步骤如下：
S01：在硅衬底表面上生长一层绝缘层；
S02：以绝缘层为掩膜，将硅衬底放入碱性溶液中刻蚀，形成表面具有三角形凹槽的硅衬底，去除下电极所在位置以外的绝缘层；
S03：采用外延生长法在含有三角形凹槽的硅衬底表面生长量子阱单元；
S04：在量子阱单元的最上层边缘生长上电极，对位于上电极正下方的量子阱单元的最上层区域进行离子注入形成上电极欧姆接触层；
S05：刻蚀绝缘层上方的量子阱单元，停止于绝缘层，形成凹槽，并且凹槽的横截面积小于绝缘层的横截面积，先在位于量子阱单元最下层以上的凹槽四周沉积绝缘层，再在凹槽中填充下电极，对下电极与量子阱单元最下层的接触区域进行离子注入，形成下电极欧姆接触层，其中，下电极通过下电极欧姆接触层与量子阱单元的最下层连接，下电极与所述硅衬底以及量子阱单元的其他层之间通过绝缘层进行隔离。
2.根据权利要求1所述的一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述硅衬底的表面为(100)晶面。
3.根据权利要求1所述的一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述碱性溶液为EPW或KOH或NH4OH或TMAH。
4.根据权利要求1所述的一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述上电极和下电极为Pt。
5.根据权利要求1所述的一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述量子阱单元为GaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于GaAs层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为GaAs层。
6.根据权利要求1所述的一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述量子阱单元为InGaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于InGaAs层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为InGaAs层。
7.根据权利要求1所述的一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述量子阱单元为Si层和SixGe1-x层交替形成，其中，SixGe1-x层的厚度小于Si层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为Si层。
8.一种制作 提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，步骤如下：
S01：在硅衬底表面上生长一层绝缘层，并在绝缘层的边缘制作下电极；
S02：以绝缘层为掩膜，将硅衬底放入碱性溶液中刻蚀，形成表面具有三角形凹槽的硅衬底，去除下电极所在位置以外的绝缘层；
S03：采用外延生长法在含有三角形凹槽的硅衬底表面生长量子阱单元；
S04：在量子阱单元的最上层边缘生长上电极，对位于上电极正下方的量子阱单元的最上层区域进行离子注入形成上电极欧姆接触层；
S05：刻蚀下电极上方的量子阱单元，停止于下电极，形成凹槽，先在位于量子阱单元最下层以上的凹槽四周沉积绝缘层，再在凹槽中填充PAD，对下电极与量子阱单元最下层的接触区域进行离子注入，形成下电极欧姆接触层，其中，下电极通过下电极欧姆接触层与量子阱单元的最下层连接，下电极与所述硅衬底以及量子阱单元的其他层之间通过绝缘层进行隔离。
9.根据权利要求8所述的一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述硅衬底的表面为(100)晶面。
10.根据权利要求8所述的一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述碱性溶液为EPW或KOH或NH4OH或TMAH。
11.根据权利要求8所述的一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述上电极和下电极为Pt。
12.根据权利要求8所述的一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述量子阱单元为GaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于GaAs层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为GaAs层。
13.根据权利要求8所述的一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述量子阱单元为InGaAs层和AlxGa1-xAs层交替形成，其中，AlxGa1-xAs层的厚度小于InGaAs层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为InGaAs层。
14.根据权利要求8所述的一种制作提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，其特征在于，所述量子阱单元为Si层和SixGe1-x层交替形成，其中，SixGe1-x层的厚度小于Si层的厚度，且所述量子阱单元的最上层和最下层均为Si层。
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