CN108231926A - 一种红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种红外探测器，从下至上依次包括：衬底、p型InAs/GaSb超晶格下接触层、p型InAs/GaSb超晶格吸收层、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层、p型InAs/GaSb超晶格上接触层；以及，设置于p型InAs/GaSb超晶格下接触层的上端面的下电极和设置于p型InAs/GaSb超晶格上接触层的上端面的上电极。本发明使用无Al的InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs W型超晶格作为势垒层，材料容易外延生长，并且长期稳定性和可靠型较高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种红外探测器的结构改进。
背景技术
红外辐射探测是红外技术的重要组成部分，广泛应用于热成像、卫星遥感、气体监测、光通讯、光谱分析等领域。锑化物InAs/GaSb二类超晶格红外探测器由于具有均匀性好、俄歇复合率低、波长调节范围大等特点被认为是制备第三代红外探测器最理想的选择之一。相对于碲镉汞红外探测器(HgCdTe)，它的均匀性重复性更好、成本更低、在甚长波段性能更好；相对于量子阱红外探测器(QWIP)，它的量子效率更高、暗电流更小、工艺更简单。
半导体红外探测器根据器件结构通常分为光伏型和光电导型。最近几年，随着对锑化物探测器的深入研究和探测机理的深入理解，红外探测器家族涌现出一种具有全新量子结构的器件，即势垒型红外探测器。它的工作原理是在无光照下，半导体中的多子被势垒层阻拦使得暗电流被抑制；在有光照下，吸收层产生的少子电流不会被阻挡而顺利到达电极产生信号。势垒型探测器通过能带工程和材料工程的运用极大的减小了探测器暗电流，增强了探测能力，提高了器件工作温度。
目前报道的锑化物势垒型红外探测器包括nBn型器件和pMp型器件。nBn器件的典型结构是采用n型InAsSb吸收层，AlAsSb势垒层(Barrier)，n型InAsSb接触层，所以简写为nBn型器件，其势垒层能够阻挡电子通过而允许空穴通过。该结构被以色列的SCD公司采用而业已商业化。pMp器件的典型结构采用p型InAs/GaSb超晶格吸收层，GaSb/InAs/GaSb/AlSb M型超晶格势垒层(得名M型是因其能带排列形似英文字母M)，p型InAs/GaSb超晶格接触层，所以简写为pMp型器件，其势垒层能够阻挡空穴而允许电子通过。该结构于2009年被美国西北大学报道。尽管nBn和pMp的器件性能较传统器件有一定提升，但是，由于势垒层均使用了含铝(Al)的材料(nBn中采用的AlAsSb和pMp中采用的AlSb)，而Al极易氧化，增加了势垒型探测器的生长和加工难度，影响了器件的稳定性和可靠性。
发明内容
针对目前势垒型红外探测器技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种无铝(Al)的pWp势垒型锑化物超晶格红外探测器，能有效提升探测器性能，降低材料生长和加工难度，确保器件的可靠性。其中W型势垒层采用了InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格，其能带排列形似英文字母W。
本发明这种红外探测器，从下至上依次包括：衬底、p型InAs/GaSb超晶格下接触层、p型InAs/GaSb超晶格吸收层、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层、p型InAs/GaSb超晶格上接触层；以及，设置于所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层的上端面的下电极和设置于所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层的上端面的上电极。
其中，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层由InGaAs、InAs、InAsSb、和InAs材料层依次交替组成，厚度为0.1～2μm；所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层平均晶格参数与所述衬底匹配。
其中，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层有效带宽对应波长为2～5μm。
其中，所述InGaAs、InAs、InAsSb和InAs材料层的交替周期为100～1000。
其中，所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层、所述p型InAs/GaSb超晶格吸收层、所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层均与所述衬底晶格匹配。
本发明还提供这种红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
在所述GaSb或InAs衬底上依次生长p型InAs/GaSb超晶格下接触层、p型InAs/GaSb超晶格吸收层、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层、p型InAs/GaSb超晶格上接触层；
沉积电极：在所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层的上端面、所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层的上端面分别沉积下电极、上电极。
其中，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层由InGaAs、InAs、InAsSb、和InAs材料层依次交替组成，厚度为0.1～2μm；所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层平均晶格参数与所述衬底匹配。
其中，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层有效带宽对应波长为2～5μm。
其中，所述InGaAs、InAs、InAsSb和InAs材料层的交替周期为100～1000。
其中，所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层、所述p型InAs/GaSb超晶格吸收层、所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层均与所述衬底晶格匹配。
其中，在所述沉积电极步骤之前，还包括台面刻蚀步骤和钝化步骤。
其中，所述生长步骤采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延工艺。
有益效果：
(1)本发明使用无Al的InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs W型超晶格作为势垒层，相对于现有的GaSb/InAs/GaSb/AlSb M型超晶格，材料更易外延生长，器件更易加工制备，并且长期稳定性和可靠型更高；
(2)本发明采用了设计独特的pWp结构，其中W型势垒和p型吸收层的导带差ΔEc接近0eV，而价带差ΔEv大于0.2eV，这样探测器在无光照下空穴电流被W型势垒层阻拦使得暗电流被抑制，在有光照下，吸收层产生的少子电流不会被阻挡而顺利到达电极产生信号，保证了器件的最佳性能；
(3)本发明的探测器采用p型InAs/GaSb超晶格作为吸收层，也就是在工作状态下少子为电子，这样器件的少子扩散长度长，量子效率高，暗电流低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1为本发明红外探测器的结构示意图。
图2为本发明红外探测器的能带示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
参阅图1所示，在本发明的一典型实施案例中提供了一种无铝的pWp势垒型锑化物超晶格红外探测器结构，其从下至上依次包括：GaSb或InAs衬底10、p型InAs/GaSb超晶格下接触层11、p型InAs/GaSb超晶格吸收层12、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层13、p型InAs/GaSb超晶格上接触层14；以及，设置于所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层11的上端面的下电极16，和设置于所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层14的上端面的上电极15。
其中，所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层11形成于GaSb或InAs衬底10的上端面，由InAs和GaSb材料层交替组成，交替周期可为20～500；并且与起始衬底10晶格匹配，厚度为0.1～2μm，掺杂方式为p型均匀掺杂，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。
其中，所述p型InAs/GaSb超晶格吸收层12由InAs和GaSb材料层交替层叠组成，交替周期可为100～2000；p型InAs/GaSb超晶格吸收层与起始衬底10晶格匹配，其有效带宽对应波长为3～25μm，总厚度为1～8μm，掺杂方式为p型均匀掺杂，掺杂浓度为1×1015～1×1018cm-3。
其中，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层13由InGaAs、InAs、InAsSb、和InAs薄层按顺序交替组成，交替周期可为100～1000；并且平均晶格参数与起始衬底10匹配，其有效带宽对应波长为2～5μm，总厚度为0.1～2μm，掺杂方式为非掺或p型均匀掺杂。
结合图2所示，p型InAs/GaSb超晶格吸收层12由InAs薄层和GaSb薄层交替形成并构成二类能带结构；而InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层13由InGaAs、InAs、InAsSb、和InAs薄层按顺序交替组成，其能带排列形似英文字母W。p型InAs/GaSb超晶格吸收层和所述W型的InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层的导带差ΔEc接近0eV，而价带差ΔEv大于0.2eV，这样探测器在无光照下空穴电流被W型势垒层阻拦使得暗电流被抑制，在有光照下，吸收层产生的少子电流不会被阻挡而顺利到达电极产生信号，保证了器件的最佳性能。
进一步地，所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层14由InAs和GaSb材料层交替组成，交替周期可为20～500；并且与起始衬底10晶格匹配，厚度为0.1～2μm，掺杂方式为p型均匀掺杂，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。
其中，所述下电极16与所述InAs/GaSb超晶格下接触层11的上端面连接，所述上电极15与InAs/GaSb超晶格上接触层14的上端面连接。
本发明还提供了一种无Al的pWp势垒型锑化物超晶格红外探测器的制备方法，其可以包括如下步骤：
S1，选用金属有机物化学气相沉积和分子束外延工艺中的任一种，在GaSb或InAs衬底10上依次外延生长p型InAs/GaSb超晶格下接触层11、p型InAs/GaSb超晶格吸收层12、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层13、以及p型InAs/GaSb超晶格上接触层14。
S2：在所述外延片上进行台面制作，并沉积介质膜进行台面和侧壁钝化。选用湿法腐蚀、感应耦合等离子体刻蚀、反应离子刻蚀工艺的任一种制作所述台面；选用等离子体增强化学气相沉积工艺制作形成所述介质钝化膜。
S3：最后选用电子束蒸发工艺，在所述InAs/GaSb超晶格下接触层11的上端面沉积下电极16，在所述InAs/GaSb超晶格上接触层14的上端面沉积上电极15。
本发明提供的一种无Al的pWp势垒型锑化物超晶格红外探测器及其制备方法适合于制备单元分立器件，也适合于制备焦平面探测器阵列(FPA)等。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
实施例1
使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)作为生长工艺，提供InAs衬底10，生长源为TEGa、TMIn、TMSb和AsH3，p型掺杂源为DEZn。生长温度约500℃，反应室压力为100Torr。在高温处理除去衬底表面杂质后，按照如图1所示的红外探测器结构依次生长：
(1)100个交替周期InAs/GaSb超晶格下接触层11，InAs厚度4.8nm，GaSb厚度2.4nm，也即总厚度0.72μm，在InAs和GaSb中掺Zn，平均浓度为2×1018cm-3；
(2)250个交替周期InAs/GaSb超晶格吸收层12，InAs厚度4.8nm，GaSb厚度2.4nm，也即总厚度1.8μm，在InAs和GaSb中掺Zn，平均浓度为2×1017cm-3；
(3)150个交替周期InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层13,其中InGaAs中Ga组分40％，InAsSb中Sb组分25％，按生长顺序InGaAs厚度0.6nm，InAs厚度0.6nm，InAsSb厚度1.5nm，InAs厚度0.6nm，也即总厚度0.495μm，各层掺Zn，平均浓度为1×1016cm-3；
(4)100周期InAs/GaSb超晶格上接触层14，InAs厚度4.8nm，GaSb厚度2.4nm，也即总厚度0.72μm，在InAs和GaSb中掺Zn，平均浓度为2×1018cm-3。
生长完成后，采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)制作台面，然后采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺沉积SiO2介质钝化层进行台面和侧壁钝化，再使用标准光刻和反应离子刻蚀(RIE)工艺选择性刻蚀掉SiO2介质保护层。
最后用电子束蒸发工艺在InAs/GaSb超晶格下接触层11的上端面沉积下电极16，在InAs/GaSb超晶格上接触层14的上端面沉积上电极15。金属为组合。
该实施例中生长采用了工业化的MOCVD工艺，能够减小成本，提高性价比。InAs/GaSb超晶格吸收层截至波长约10μm。整体工艺流程比较适合做焦平面探测器阵列。
实施例2
使用分子束外延工艺(MBE)作为生长工艺，提供GaSb衬底10，生长源为固态单质源Ga、In、As和Sb，p型掺杂源为Be。生长温度约400℃。在衬底除气去杂后按照如图1所示的红外探测器结构依次生长：
(1)250个交替周期InAs/GaSb超晶格下接触层11，InAs厚度4.5nm，GaSb厚度2.1nm，也即总厚度1.65μm，在InAs和GaSb中掺Be，平均浓度为5×1017cm-3；
(2)800个交替周期InAs/GaSb超晶格吸收层12，InAs厚度4.5nm，GaSb厚度2.1nm，也即总厚度5.28μm，在InAs和GaSb中掺Be，平均浓度为5×1016cm-3；
(3)250个交替周期InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层13,其中InGaAs中Ga组分30％，InAsSb中Sb组分40％，按生长顺序InGaAs厚度0.6nm，InAs厚度0.9nm，InAsSb厚度3nm，InAs厚度0.9nm，也即总厚度1.35μm，非掺杂；
(4)250个交替周期InAs/GaSb超晶格上接触层14，InAs厚度4.5nm，GaSb厚度2.1nm，也即总厚度1.65μm，在InAs和GaSb中掺Be，平均浓度为5×1017cm-3。
生长完成后采用湿法腐蚀工艺制作台面，然后采用PECVD工艺沉积Si3N4介质层进行台面和侧壁钝化，再使用标准光刻和湿法腐蚀工艺选择性刻蚀掉Si3N4介质保护层。
最后用电子束蒸发工艺在InAs/GaSb超晶格下接触层11的上端面沉积下电极16，在InAs/GaSb超晶格上接触层14的上端面沉积上电极15。金属为组合。
该实施例中使用较为常见的MBE工艺，InAs/GaSb超晶格吸收层截至波长约9μm。由于MBE工艺能形成陡峭界面，该实施例提供的锑化物超晶格探测器性能较高。
需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种红外探测器，其特征在于，从下至上依次包括：衬底、p型InAs/GaSb超晶格下接触层、p型InAs/GaSb超晶格吸收层、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层、p型InAs/GaSb超晶格上接触层；以及，设置于所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层的上端面的下电极和设置于所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层的上端面的上电极。
2.根据权利要求1所述红外探测器，其特征在于，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层由InGaAs、InAs、InAsSb、和InAs材料层依次交替组成，厚度为0.1～2μm；所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层平均晶格参数与所述衬底匹配。
3.根据权利要求1或2所述红外探测器，其特征在于，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层有效带宽对应波长为2～5μm。
4.根据权利要求1或2所述红外探测器，其特征在于，所述InGaAs、InAs、InAsSb和InAs材料层的交替周期为100～1000。
5.根据权利要求1所述红外探测器，其特征在于，所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层、所述p型InAs/GaSb超晶格吸收层、所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层均与所述衬底晶格匹配。
6.一种红外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在所述GaSb或InAs衬底上依次生长p型InAs/GaSb超晶格下接触层、p型InAs/GaSb超晶格吸收层、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层、p型InAs/GaSb超晶格上接触层；
沉积电极：在所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层的上端面、所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层的上端面分别沉积下电极、上电极。
7.根据权利要求6所述红外探测器的制备方法，其特征在于，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层由InGaAs、InAs、InAsSb、和InAs材料层依次交替组成，厚度为0.1～2μm；所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层平均晶格参数与所述衬底匹配。
8.根据权利要求6或7所述红外探测器的制备方法，其特征在于，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层有效带宽对应波长为2～5μm。
9.根据权利要求6或7所述红外探测器的制备方法，其特征在于，所述InGaAs、InAs、InAsSb和InAs材料层的交替周期为100～1000。
10.根据权利要求6所述红外探测器的制备方法，其特征在于，所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层、所述p型InAs/GaSb超晶格吸收层、所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层均与所述衬底晶格匹配。
11.根据权利要求6所述红外探测器的制备方法，其特征在于，在所述沉积电极步骤之前，还包括台面刻蚀步骤和钝化步骤。
12.根据权利要求6述红外探测器的制备方法，其特征在于，所述生长步骤采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延工艺。
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