CN107706261A - 一种叠层双色红外焦平面探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种叠层双色红外焦平面探测器及其制备方法，属于半导体光电子器件技术领域。本发明将分布布拉格反射镜结构引入叠层InAs/GaSb双色超晶格结构光敏芯片中，分别对叠层双色光敏吸收区未完全吸收的红外光进行反射，使之重新返回吸收区本发明。通过对叠层双色红外探测器的两个通道采用反射镜层，提高了芯片相应通道的光电吸收效率，达到了提高器件性能指标的目的，同时相应减少了外延生长第一通道外延结构层和第二通道外延结构层的难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种叠层双色红外焦平面探测器及其制备方法，属于半导体光电子器件技术领域。
背景技术
随着红外技术的进步，对叠层双色红外探测器件的需求日益增强。采用叠层双色红外探测器，相对于采用分离探测器或并列镶嵌式的红外探测器，红外系统在获取目标信息的同时性、同空间位置方面有显著优势。该种探测器可使所制备的红外系统具有结构紧凑、功耗小、易于实现光学共口径探测的特点。对于典型的叠层双色红外探测器光敏芯片结构，InAs/GaSb二类超晶格结构是近年来得到广泛关注并获得快速发展进步的一种芯片结构。该种探测器自2004年德国IAF研究所报道首个达工程化应用的中波红外焦平面成像单色样机后，经十多年的发展，国内外均有在中波/中波红外、中波/长波红外、短波/中波红外工作的多种叠层双色红外探测器样机。该型单色红外器件也达到了商用化水平，实现了工程应用。
此种红外焦平面探测器阵列光敏芯片的典型结构特点是，在GaSb单晶衬底上，采用分子束外延方法，交替生长具有完整晶格结构的InAs、GaSb薄层，薄层的厚度通常在几个到十几个原子层厚度。此种超晶格结构可以分为2组，每组薄层的厚度不同，通过厚度的调节，分别实现光敏芯片对2个波段入射红外光的响应。芯片结构相对入射红外光，相对较短波长敏感的一组薄层(称为“蓝色通道”)在上，相对较长波长敏感的一组薄层(称为“红色通道”)在下。
由于InAs、GaSb外延薄膜的晶体完整性，以及InAs、GaSb界面的完整性，对于该种红外焦平面探测器光敏芯片的响应特性具有决定性作用，所以分子束外延方法是通常优选采用的方法。但该方法不足之处是生长速度慢，因而在“红”、“蓝”两组通道的生长厚度方面，实际厚度受到局限。这种局限使得难于保证入射红外光的完全吸收；另一个“红”“蓝”通道厚度生长的局限性在于，由于InAs、GaSb存在晶格常数差别，外延生长的厚度受到生长临界厚度限制，这种厚度有限对红外吸收的影响，当响应波长处于中长波时，即当吸收波长变长时，表现更加明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种叠层双色红外焦平面探测器，以解决目前叠层双色红外焦平面探测器由于通道的生长厚度受限导致入射红外光无法完全吸收的问题；本发明还提供了一种叠层双色红外焦平面探测器制备方法。
本发明为解决上述技术问题而提供一种叠层双色红外焦平面探测器，探测器方案一：该探测器包括衬底(101)，在衬底(101)上面依次为外延缓冲层(102)、第一通道电极层(103)、第一通道外延结构层(104)、第一通道反射镜层(105)、第二通道外延结构层(107)、盖帽层(108)、第二通道电极层(109)和第二通道反射镜层(110)，第一通道外延结构层(104)的红外吸收转换中心波长比第二通道外延结构层(107)的红外吸收转换中心波长短。
本发明通过对叠层双色红外探测器的两个通道采用反射镜层，提高了芯片相应通道的光电吸收效率，达到了提高器件性能指标的目的，同时相应减少了外延生长第一通道外延结构层和第二通道外延结构层的难度。
探测器方案二：在探测器方案一的基础上，所述第一通道反射镜层(105)为分布布拉格反射镜，由GaSb和AlSb薄层交替组成，且第一通道反射镜层(105)的反射中心波长与第一通道外延结构层(104)反射中心波长相等。
本发明在通常InAs/GaSb叠层双色光敏芯片结构中，替代了原GaSb缓冲层或GaSb接触层，并融入了新的谐振反射功能。
探测器方案三：在探测器方案一的基础上，所述第二通道反射镜层(110)为分布布拉格反射镜，由TiO2和Ge薄层交替组成，且第二通道反射镜层(110)的反射中心波长与第二通道外延结构层(107)反射中心波长相等。
探测器方案四：在探测器方案三的基础上，所述的TiO2和Ge薄层采用溅射方法制备得到。
本发明的第二通道反射镜层选用SiO2和Ge组成，利用了背入射时入射光方位特点，故不需要采用晶体共晶生长方法，且在已知红外光学材料中SiO2和Ge在红外波段折射率相差很大，易于DBR制作；相对于采用金属反射膜来实现提高红色通道吸收目的的技术方法，其不会对后续工序，如In柱互连，造成短路的不良影响。
探测器方案五：在探测器方案二的基础上，所述的外延缓冲层(102)、第一通道外延结构层(104)、第一通道反射镜层(105)和第二通道外延结构层(107)均采用分子束外延生长方法，在衬底(101)上依共晶生长获得。
探测器方案六：在探测器方案一的基础上，所述的外延缓冲层(102)、第一通道外延结构层(104)和第二通道外延结构层(107)均由III-V族半导体材料体系中，晶格常数为0.61nm的InAs、GaSb和AlSb薄层交替组成。
探测器方案七：在探测器方案一的基础上，所述的探测器还包括位于第一通道电极层(103)和第二通道电极层(109)之间的公用电极层(106)。
探测器方案八：在探测器方案七的基础上，所述的第一通道电极层(103)、第二通道电极层(109)和公用电极层(106)均采用Ti/Au或Ti/Pt/Au结构。
本发明还提供了一种叠层双色红外焦平面探测器的制备方法，方法方案一：该制备方法包括以下步骤：
1)在GaSb衬底(201)表面生长GaSb缓冲层(202)；
2)依次生长第一InAs/GaSb超晶格结构、第二InAs/GaSb超晶格结构和第三InAs/GaSb超晶格结构，形成短波红外通道外延结构层(203)，其中第一InAs/GaSb超晶格结构中的InAs掺杂有Si，第三InAs/GaSb超晶格结构中的GaSb掺杂有Be；
3)依次生长AlSb/GaSb结构，形成短波红外通道反射镜层(204)，AlSb/GaSb结构中的GaSb掺杂有Be；
4)依次生长第四InAs/GaSb超晶格结构、第五InAs/GaSb超晶格结构和第六InAs/GaSb超晶格结构，形成中波红外通道外延结构层(205)，其中第四InAs/GaSb超晶格结构中的GaSb掺杂有Be，第六InAs/GaSb超晶格结构中的InAs掺杂有Si；
5)生长InAs结构，形成盖帽层(206)，InAs结构中掺杂有Si；
6)依次溅射沉积Ge/TiO2结构，形成中波红外通道反射镜层(207)；
7)光刻和等离子增强反应离子刻蚀生成电极窗口；
8)溅射沉积金属电极薄膜Ti/Pt/Au；
9)剥离法成型电极(208)。
方法方案二：在方法方案一的基础上，所述步骤9)得到的电极(208)包括短波红外通道电极、公用电极和中波红外通道电极。
附图说明
图1是本发明叠层双色红外焦平面探测器结构示意图；
图2是本发明实施例中的叠层双色红外焦平面探测器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
本发明一种叠层双色红外焦平面探测器的实施例
本发明对叠层双色红外探测器的两个通道均采用反射镜层，以提高相应通道的光电吸收效率。如图1所示，本发明的叠层双色红外焦平面探测器包括衬底101，在衬底101上面依次为外延缓冲层102、第一通道电极层103、第一通道外延结构层104、第一通道反射镜层105、公用电极层106、第二通道外延结构层107、盖帽层108、第二通道电极层109和第二通道反射镜层110，第一通道外延结构层104的中心波长比第二通道外延结构层107的中心波长短。
其中第一通道反射镜层105和第二通道反射镜层110均采用分布布拉格反射镜(DBR—Distributed Bragg Reflector)，DBR是由两种不同折射率的材料以交替方式排列，形成周期性结构，形成的一种具有波长选择性的反射镜。每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。其特点是可以由介质材料构成、反射中心波长可设计、可以在外延薄膜中以单晶薄膜形式构成而保证晶体晶格完整性和一致性等特点。
具体而言，如图2所示，衬底采用GaSb衬底201，外延缓冲层在GaSb衬底表面生长GaSb缓冲层202，第一通道外延结构层指的是短波红外(1.0-3.0微米)通道外延结构层203，简称PIN蓝色通道，由InAs/GaSb超晶格结构并辅以必要的势垒结构组成，采用分子束外延生长方法，在GaSb衬底201上依共晶生长获得；第一通道反射镜层指的是短波红外(1.0-3.0微米)通道反射层，简称蓝色通道DBR 204，由GaSb、AlSb薄层交替生长组成，每一薄层具有1/4蓝色通道中心波长光学厚度，实现DBR层反射率的优化；第二通道外延结构层指的是中波红外(3.0-5.0微米)通道外延结构层205，简称PIN红色通道，由InAs/GaSb超晶格结构并辅以必要的势垒结构组成，采用分子束外延生长方法，在GaSb衬底201上依共晶生长获得；第二通道反射镜层指的是中波红外(3.0-5.0微米)通道反射层，简称红色通道DBR 207，由SiO2、Ge薄层交替沉积组成，每一薄层具有1/4红色通道中心波长光学厚度，由溅射相应SiO2、Ge介质材料获得。
第一通道电极层103、公用电极层106和第二通道电极层109均称为电极208，此种结构为三电极结构，也可将电极106省却。此时，该结构变形为单电极结构，通过分时积分，实现双色探测功能。电极208采用金属Ti/Au或Ti/Pt/Au，由溅射或蒸发相应金属方法获得；是在衬底上采用分子束外延方法实现整个外延薄膜结构后，通过微电子图形转移和金属薄膜制备的方法实现。
本发明通过采用DBR结构，可以减少相应光电转换层的有效厚度，由于红、蓝通道光电转换层要求无位错、因而相对减少了外延生长红、蓝通道层的困难；蓝色通道DBR选用GaSb、AlSb薄层组成，均为6.1A III-V族半导体，且为该类半导体材料中折射率差别最大的两种，有利于DBR的制备和反射率优化；蓝色通道DBR结构，是在通常InAs/GaSb叠层双色光敏芯片结构中，替代了原GaSb缓冲层或GaSb接触层，并融入了新的谐振反射功能，扩展了原结构的功能；红色通道DBR选用SiO2和Ge组成，利用了背入射时入射光方位特点，故不需要采用晶体共晶生长方法，且在已知红外光学材料中SiO2和Ge在红外波段折射率相差很大，易于DBR制作；红色通道DBR选用的SiO2和Ge，均为介质材料，相对于采用金属反射膜来实现提高红色通道吸收目的的技术方法，其不会对后续工序，如In柱互连，造成短路的不良影响。
本发明一种叠层双色红外焦平面探测器制备方法的实施例
本实施例的制备方法针对的叠层双色红外焦平面探测器如图2所示，具体的结构已在探测器实施例中进行说明，这里不再赘述。下面以短波长(1.0-3.0微米和中波长(3.0-5.0微米)作为叠层双色红外焦平面探测器的两个工作波长为例，该实施例中的叠层双色红外焦平面探测器具体制备过程如下：
步骤1：选用(100)GaSb衬底201，经表面清洗，放入分子束外延设备中，进行表面脱氧。
步骤2：选用合适生长条件，在衬底表面生长GaSb缓冲层202，厚800nm。
步骤3：依次生长4ML 1.2nm InAs(Si掺杂1×1018/cm3)/8ML 2.4nm GaSb超晶格结构，计500nm厚；4ML 1.2nm InAs/8ML 2.4nm GaSb超晶格结构，计1000nm厚；4ML 1.2nmInAs/8ML 2.4nm GaSb(Be掺杂1×1018/cm3)超晶格结构，计500nm厚。
以上结构形成PIN蓝色(短波红外1.0-3.0微米)通道203。
步骤4：依次生长8个周期的179.6nm AlSb(Be掺杂1×1018/cm3)/155.8nm GaSb(Be掺杂1×1018/cm3)结构，计2.683μm。
以上结构形成蓝色通道DBR 204，对中心波长2.4μm短波红外，反射率可达30％。
步骤5：依次生长8ML 2.4nm InAs/8ML 2.4nm GaSb(Be掺杂1×1018/cm3)超晶格结构，计500nm厚；8ML 2.4nm InAs/8ML 2.4nm GaSb超晶格结构，计1500nm厚；8ML 2.4nmInAs(Si掺杂1×1018/cm3)/8ML 2.4nm GaSb超晶格结构，计500nm厚。
以上结构形成PIN红色(中波红外3.0-5.0微米)通道205。
步骤6：生长20nm InAs(Si掺杂1×1018/cm3)盖帽层206。
步骤7：依次溅射沉积3个周期的278.5nm Ge/481.4nm TiO2结构，计2.28μm。
以上结构形成红色通道DBR 207，对中心波长4.4μm中波红外，反射率可达70％。
步骤8：光刻和等离子增强反应离子刻蚀生成电极窗口。
步骤9：溅射沉积金属电极薄膜100nm Ti/100nm Pt/1μm Au。
步骤10：剥离法成型电极208，电极208可以是包括蓝色通道电极层、公用电极层和红色通道电极层的三电极结构，也可以是包括蓝色通道电极层和红色通道电极层的单电极结构。
本发明通过上述方法制备得到的叠层双色红外焦平面探测器，由于蓝色和红色通道采用DBR层，提高了芯片相应通道的光电吸收效率，相对减少了外延生长红、蓝通道层的困难；蓝色通道DBR选用GaSb、AlSb薄层组成，均为6.1A III-V族半导体，且为该类半导体材料中折射率差别最大的两种，有利于DBR的制备和反射率的优化；红色通道DBR选用SiO2和Ge组成，利用了背入射时入射光方位特点，故不需要采用晶体共晶生长方法，且在已知红外光学材料中SiO2和Ge在红外波段折射率相差很大，易于DBR制作；同时红色通道DBR选用的SiO2和Ge，均为介质材料，相对于采用金属反射膜来实现提高红色通道吸收目的的技术方法，其不会对后续工序，如In柱互连，造成短路的不良影响。
Claims (10)
1.一种叠层双色红外焦平面探测器，其特征在于，该探测器包括衬底(101)，在衬底(101)上面依次为外延缓冲层(102)、第一通道电极层(103)、第一通道外延结构层(104)、第一通道反射镜层(105)、第二通道外延结构层(107)、盖帽层(108)、第二通道电极层(109)和第二通道反射镜层(110)，第一通道外延结构层(104)的红外吸收转换中心波长比第二通道外延结构层(107)的红外吸收转换中心波长短。
2.根据权利要求1所述的叠层双色红外焦平面探测器，其特征在于，所述第一通道反射镜层(105)为分布布拉格反射镜，由GaSb和AlSb薄层交替组成，且第一通道反射镜层(105)的反射中心波长与第一通道外延结构层(104)反射中心波长相等。
3.根据权利要求1所述的叠层双色红外焦平面探测器，其特征在于，所述第二通道反射镜层(110)为分布布拉格反射镜，由TiO2和Ge薄层交替组成，且第二通道反射镜层(110)的反射中心波长与第二通道外延结构层(107)反射中心波长相等。
4.根据权利要求3所述的叠层双色红外焦平面探测器，其特征在于，所述的TiO2和Ge薄层采用溅射方法制备得到。
5.根据权利要求2述的叠层双色红外焦平面探测器，其特征在于，所述的外延缓冲层(102)、第一通道外延结构层(104)、第一通道反射镜层(105)和第二通道外延结构层(107)均采用分子束外延生长方法，在衬底(101)上依共晶生长获得。
6.根据权利要求1所述的叠层双色红外焦平面探测器，其特征在于，所述的外延缓冲层(102)、第一通道外延结构层(104)和第二通道外延结构层(107)均由III-V族半导体材料体系中，晶格常数为0.61nm的InAs、GaSb和AlSb薄层交替组成。
7.根据权利要求1所述的叠层双色红外焦平面探测器，其特征在于，所述的探测器还包括位于第一通道电极层(103)和第二通道电极层(109)之间的公用电极层(106)。
8.根据权利要求7所述的叠层双色红外焦平面探测器，其特征在于，所述的第一通道电极层(103)、第二通道电极层(109)和公用电极层(106)均采用Ti/Au或Ti/Pt/Au结构。
9.一种叠层双色红外焦平面探测器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
1)在GaSb衬底(201)表面生长GaSb缓冲层(202)；
2)依次生长第一InAs/GaSb超晶格结构、第二InAs/GaSb超晶格结构和第三InAs/GaSb超晶格结构，形成短波红外通道外延结构层(203)，其中第一InAs/GaSb超晶格结构中的InAs掺杂有Si，第三InAs/GaSb超晶格结构中的GaSb掺杂有Be；
3)依次生长AlSb/GaSb结构，形成短波红外通道反射镜层(204)，AlSb/GaSb结构中的GaSb掺杂有Be；
4)依次生长第四InAs/GaSb超晶格结构、第五InAs/GaSb超晶格结构和第六InAs/GaSb超晶格结构，形成中波红外通道外延结构层(205)，其中第四InAs/GaSb超晶格结构中的GaSb掺杂有Be，第六InAs/GaSb超晶格结构中的InAs掺杂有Si；
5)生长InAs结构，形成盖帽层(206)，InAs结构中掺杂有Si；
6)依次溅射沉积Ge/TiO2结构，形成中波红外通道反射镜层(207)；
7)光刻和等离子增强反应离子刻蚀生成电极窗口；
8)溅射沉积金属电极薄膜Ti/Pt/Au；
9)剥离法成型电极(208)。
10.根据权利要求9所述的叠层双色红外焦平面探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤9)得到的电极(208)包括短波红外通道电极、公用电极和中波红外通道电极。
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