CN107393997A - 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及其制造方法，所述探测器包括衬底、量子阱单元、上电极、上电极欧姆接触层、介质层、下电极和下电极欧姆接触层，所述衬底表面含有竖直的凸起物，所述下电极位于下电极欧姆接触层的上方，且下电极周边为介质层，所述量子阱单元采用外延生长法沉积在所述衬底表面下电极和介质层之外的区域，位于衬底表面凸起物上的量子阱单元为多面体，所述上电极通过上电极欧姆接触层和量子阱单元的最下层连接，其中，欧姆接触层通过离子注入工艺形成。本发明提供的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器具有多个吸收面，有效地提高了量子阱红外探测器的吸收效率。
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，为了提高量子阱红外探测器的精准性，就必须要保证尽可能多的入射光进入量子阱内被吸收，因此，防止入射光的损耗已经成为量子阱探测器急需解决的问题。
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造方法，该量子阱红外探测器表面含有竖直的凸起物，采用外延法生长量子阱单元时，凸起物上的量子阱因为生长速度不同，会形成多个表面，使得量子阱红外探测器具有多个吸收面，有效地提高了量子阱红外探测器的吸收效率。
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，包括衬底、量子阱单元、上电极、上电极欧姆接触层、介质层、下电极和下电极欧姆接触层，所述衬底表面含有竖直的凸起物，含有竖直凸起物的衬底表面通过离子注入形成下电极欧姆接触层，所述下电极位于下电极欧姆接触层的上方，且下电极周边为介质层，所述量子阱单元采用外延生长法沉积在所述衬底表面下电极和介质层之外的区域，位于衬底表面凸起物上的量子阱单元为多面体，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，所述下电极通过下电极欧姆接触层和量子阱单元的最下层连接。
进一步地，所述衬底表面凸起物在衬底表面呈网状分布，且每个凸起物之间有间隙。
进一步地，所述衬底表面凸起物在衬底表面呈条形分布，且每条凸起物之间有间隙。
进一步地，所述衬底表面凸起物为多个条形凸起连接成的一个整体。
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。
进一步地，所述衬底为硅衬底。
进一步地，所述上电极和下电极为Pt金属。
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：在衬底上表面图形化形成竖直的凸起物；
S02：对上述衬底表面进行离子注入，形成下电极欧姆接触层，在掺杂表面区域生长介质层并图形化，在上述图形化区域填充下电极；
S03：去除多余的介质层，仅保留位于下电极周边的介质层；
S04：在衬底上表面下电极及其周边介质层以外的地方，采用外延生长法形成量子阱单元；
S05：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。
本发明的有益效果为：在硅衬底上图形化形成多个凸起物，在含有凸起物的表面上采用外延生长法形成量子阱单元的过程中，因为不同晶面的外延生长速度不同，生成了多面体的量子阱单元；多面体的量子阱单元具有多个光吸收面，可以有效地吸收入射光，并且当入射在其中一个吸收面上的入射光被反射之后还可以被另外的吸收面吸收，大大提高可量子阱红外探测器的吸收效率。
附图说明
图1为衬底上凸起物为条形分布的衬底剖面图。
图2为衬底上凸起物呈整体的蛇形分布的俯视图。
图3为衬底上凸起物呈网状分布的俯视图。
图4为上电极和下电极位于衬底表面凸起物上的剖面示意图。
图5为上电极和下电极位于衬底表面凸起物下方的水平衬底上的剖面示意图。
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，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，包括衬底、量子阱单元、上电极、上电极欧姆接触层、介质层、下电极和下电极欧姆接触层，衬底表面含有竖直的凸起物，含有竖直凸起物的衬底表面通过离子注入形成下电极欧姆接触层，下电极位于下电极欧姆接触层的上方，且下电极周边为介质层，量子阱单元采用外延生长法沉积在所述衬底表面下电极和介质层之外的区域，位于衬底表面凸起物上的量子阱单元为多面体，上电极欧姆接触层位于量子阱单元的最上层中，且上电极欧姆接触层上方为上电极，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。
其中，衬底采用硅衬底，因为在外延生长过程中，硅衬底不同晶面上的原子密度不同，导致其外延生长速度不同，在含有凸起的衬底上，凸起物和硅衬底平面上对应的晶面不同，因此会形成多面体的量子阱单元。
其中，衬底表面的凸起物采用图形化的方式形成，在形成凸起物的过程中，凸起物可以在衬底表面呈网状分布且每个凸起物之间有间隙，也可以在衬底表面呈条形分布且每条凸起物之间有间隙，或者衬底表面凸起物为多个条形凸起连接成的一个整体，形成具有规则形状或者不规则形状的凸起物，例如在衬底表面形成蛇形的一个整体的凸起物。凸起物可以是规则的正方体或多面体，也可以是不规则的多面体。总之，只要含有竖直的凸起物，在外延生长过程中就会有晶面的差异，从而形成具有多面体的量子阱单元。
如图1所示，为衬底上凸起物为条形分布的衬底剖面图，在衬底表面通过图形化形成多条凸起物，并且条形凸起物之间具有一定的间隔。如图2所示，为衬底上凸起物呈整体的蛇形分布的俯视图，整个凸起为一个整体，在衬底表面上按照一定的规则或者路线实现凸起。如图3所示，为衬底上凸起物呈网状分布的俯视图，在衬底表面上形成多个凸起物，并且每个凸起物之间具有一定的间隙，从而使得所有凸起物呈网状分布。衬底表面的凸起物和位于凸起物下方的衬底表面的晶面不同，生长量子阱单元的速度也不同，因此，在生长量子阱单元的过程中，会在凸起物上形成具有多面体的量子阱单元，量子阱单元具有多个表面就意味着其具有多个吸收面，在入射光入射的过程中，入射光可以被多个吸收面吸收，同时，被吸收面反射的光还可以成为其他吸收面的二次入射光。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，量子阱单元的表面具有多个吸收面，大大提高了入射光的吸收率。
其中，采用外延法生长量子阱过程中，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。
上电极的作用为引出量子阱单元最上层的电信号，当量子阱单元沉积完成时，在量子阱单元的最上层上方制作上电极，并且上电极和量子阱单元最上层接触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，上电极可以位于衬底表面的凸起物上，也可以位于衬底表面凸起物下方的水平衬底上。
下电极的作用为引出量子阱单元最下层的电信号，通过下电极欧姆接触层和量子阱单元的最下层连接。在外延生长量子阱单元之前，对衬底的所有表面通过离子注入形成下电极欧姆接触层，即下电极欧姆接触层覆盖了衬底的全部表面，包括凸起物和位于凸起物下方的衬底水平面，在下电极欧姆接触层上形成一层介质层，并在介质层中图形化填充下电极，此时，下电极被制作在下电极欧姆接触层上，并且周围为介质层，在之后的外延生长步骤中，含有下电极和介质层的区域不再进行外延生长。虽然下电极位于衬底的上方，但是衬底表面已经通过离子注入形式形成电导通模式，所以下电极可以与衬底表面其他部分量子阱单元的最下层实现电导通。其中，下电极可以位于衬底表面的凸起物上，也可以位于衬底表面凸起物下方的水平衬底上。
如图4所示，为上电极和下电极位于衬底表面凸起物上的剖面示意图。
如图5所示，为上电极和下电极位于衬底表面凸起物下方的水平衬底上的剖面示意图。
本发明还提供了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：在衬底上表面图形化形成竖直的凸起物，其中，衬底表面凸起物在衬底表面呈网状分布或者条形分布或者为一个整体；
S02：对上述衬底所有表面采用离子注入工艺注入磷离子或者硼离子，形成下电极欧姆接触层，在掺杂表面区域生长介质层并图形化，在上述图形化区域填充下电极，其中，介质层为氧化硅之类的绝缘层，下电极可以为Pt金属，且可以位于衬底表面的凸起物上，也可以位于衬底表面凸起物下方的水平衬底上。
S03：去除多余的介质层，仅保留位于下电极周边的介质层，位于下电极周边的介质层是为了保护下电极，并将下电极与周围隔离开来；
S04：在衬底上表面下电极及其周边介质层以外的地方，采用外延生长法形成量子阱单元，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。
S05：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，上电极为Pt金属，且可以位于衬底表面的凸起物上，也可以位于衬底表面凸起物下方的水平衬底上。。
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 (10)
1.一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，包括衬底、量子阱单元、上电极、上电极欧姆接触层、介质层、下电极和下电极欧姆接触层，所述衬底表面含有竖直的凸起物，含有竖直凸起物的衬底表面通过离子注入形成下电极欧姆接触层，所述下电极位于下电极欧姆接触层的上方，且下电极周边为介质层，所述量子阱单元采用外延生长法沉积在所述衬底表面下电极和介质层之外的区域，位于衬底表面凸起物上的量子阱单元为多面体，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，所述下电极通过下电极欧姆接触层和量子阱单元的最下层连接。
2.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，所述衬底表面凸起物在衬底表面呈网状分布，且每个凸起物之间有间隙。
3.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，所述衬底表面凸起物在衬底表面呈条形分布，且每条凸起物之间有间隙。
4.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，所述衬底表面凸起物为多个条形凸起连接成的一个整体。
5.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，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所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，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所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，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.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，所述衬底为硅衬底。
9.根据权利要求1所述的一种提高光吸收率的量子阱红外探测器，其特征在于，所述上电极和下电极为Pt金属。
10.一种制作权利要求1所述的提高光吸收率的量子阱红外探测器的方法，步骤如下：
S01：在衬底上表面图形化形成竖直的凸起物；
S02：对上述衬底表面进行离子注入，形成下电极欧姆接触层，在掺杂表面区域生长介质层并图形化，在上述图形化区域填充下电极；
S03：去除多余的介质层，仅保留位于下电极周边的介质层；
S04：在衬底上表面下电极及其周边介质层以外的地方，采用外延生长法形成量子阱单元；
S05：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。
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- 2017-06-27 CN CN201710498986.3A patent/CN107393997B/zh active Active
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