CN109148638A - 红外探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种红外探测器及其制备方法，所述红外探测器包括衬底、第一电极、第二电极及从下而上依次设置于所述衬底上的接触层、空穴势垒层、吸收层、电子势垒层，所述第一电极与所述接触层连接，所述第二电极与所述电子势垒层连接，所述空穴势垒层为InGaAs/InAsSb超晶格。所述红外探测器的制备方法包括：提供一衬底；从下而上依次在所述衬底上生长形成接触层、空穴势垒层、吸收层、电子势垒层，所述空穴势垒层为InGaAs/InAsSb超晶格；分别在所述接触层上沉积第一电极、在所述电子势垒层上沉积第二电极。本发明提供的红外探测器的空穴势垒层为InGaAs/InAsSb超晶格，空穴势垒层中不含铝，降低了材料生长和加工的难度、提升了稳定性和可靠性。

Description

红外探测器及其制备方法
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及其制备方法。
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。
目前，锑化物红外探测器在势垒层的选择上都无一例外的使用含铝(Al)的材料。由于Al极易氧化，在势垒层中使用含铝(Al)的材料会增加锑化物探测器的生长和加工难度，影响器件的稳定性和可靠性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种红外探测器及其制备方法，所述红外探测器的空穴势垒层不含铝，降低了材料生长和加工的难度、提升了稳定性和可靠性。
本发明提出的具体技术方案为：提供一种红外探测器，所述红外探测器包括衬底、第一电极、第二电极及从下而上依次设置于所述衬底上的接触层、空穴势垒层、吸收层、电子势垒层，所述第一电极与所述接触层连接，所述第二电极与所述电子势垒层连接，所述空穴势垒层为InGaAs/InAsSb超晶格。
进一步地，所述空穴势垒层中InGaAs层与InAsSb层的交替周期为20～500，和/或所述空穴势垒层的厚度为0.1～1μm。
进一步地，所述接触层为n型掺杂的InGaAs/InAsSb超晶格，所述接触层中InGaAs层与InAsSb层的交替周期为20～500，和/或所述接触层的厚度为0.1～1μm。
进一步地，所述吸收层为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述吸收层中InAs层与GaSb层的交替周期为100～2000，和/或所述吸收层的厚度为1～8μm。
进一步地，所述电子势垒层为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述电子势垒层中InAs层与GaSb层的交替周期为20～500，和/或所述电子势垒层的厚度为0.1～2μm。
进一步地，所述电子势垒层中InAs层的厚度小于所述吸收层中InAs层的厚度。
进一步地，所述衬底的材质为GaSb或InAs。
本发明还提供了一种红外探测器的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
从下而上依次在所述衬底上生长形成接触层、空穴势垒层、吸收层、电子势垒层，所述空穴势垒层为InGaAs/InAsSb超晶格；
分别在所述接触层上沉积第一电极、在所述电子势垒层上沉积第二电极。
进一步地，所述吸收层为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述吸收层中InAs层与GaSb层的交替周期为100～2000，和/或所述吸收层的厚度为1～8μm。
进一步地，所述电子势垒层为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述电子势垒层中InAs层与GaSb层的交替周期为20～500，和/或所述电子势垒层的厚度为0.1～2μm。
本发明提供的红外探测器包括衬底、第一电极、第二电极及从下而上依次设置于所述衬底上的接触层、空穴势垒层、吸收层、电子势垒层，其中，所述空穴势垒层为InGaAs/InAsSb超晶格，空穴势垒层中不含铝，降低了材料生长和加工的难度、提升了稳定性和可靠性。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1为红外探测器的结构示意图；
图2为红外探测器的能带示意图；
图3为红外探测器的的制备方法流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为局限于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
实施例1
参照图1，本实施例提供的红外探测器包括衬底1、第一电极2、第二电极3及从下而上依次设置于衬底1上的接触层4、空穴势垒层5、吸收层6、电子势垒层7。第一电极2与接触层4连接，第二电极3与电子势垒层7连接，空穴势垒层5为InGaAs/InAsSb超晶格。
具体的，衬底1的材质为GaSb或InAs。接触层4位于衬底1的上表面，其为n型掺杂的InGaAs/InAsSb超晶格，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。接触层4由InGaAs层与InAsSb层交替排列而成，其中，InGaAs层与InAsSb层的交替周期为20～500。接触层4的平均晶格参数与衬底1晶格匹配，其有效带宽对应的波长为2～5μm，其厚度为0.1～1μm。
空穴势垒层5位于接触层4的上表面且位于接触层4的一端，空穴势垒层5由InGaAs层与InAsSb层交替排列而成，空穴势垒层5的掺杂方式为非掺杂或n型掺杂。InGaAs层与InAsSb层的交替周期为20～500。空穴势垒层5的平均晶格参数与衬底1晶格匹配，其有效带宽对应的波长为2～5μm，其厚度为0.1～1μm。本实施例中，空穴势垒层5的材料组分和厚度均与接触层4相同。其中，第一电极2位于接触层4的上表面且位于接触层4的另一端。
吸收层6位于空穴势垒层的上表面，其为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为1×1015～1×1018cm-3。吸收层6由InAs层与GaSb层交替排列而成，其中，InAs层与GaSb层的交替周期为100～2000。吸收层6与衬底1晶格匹配，其有效带宽对应波长为3～25μm，其厚度为1～8μm。
电子势垒层7位于吸收层6的上表面，其为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。电子势垒层7由InAs层与GaSb层交替排列而成，其中，InAs层与GaSb层的交替周期为20～500。电子势垒层7与衬底1晶格匹配，其厚度为0.1～2μm。本实施例中，电子势垒层7中InAs层的厚度小于吸收层6中InAs层的厚度。其中，第二电极3位于电子势垒层7的上表面。
参照图2，空穴势垒层5和电子势垒层7与吸收层6之间组成双异质结构，其中，InGaAs/InAsSb超晶格为空穴势垒而InAs/GaSb超晶格为电子势垒，这样可以有效抑制暗电流；而且通过巧妙的能带设计，在有光照情形下，吸收层6产生的光电流不会被阻挡而顺利到达电极产生信号，保证了红外探测器的最佳性能。
本实施例中的红外探测器具有以下优点：
(1)通过使用无Al的InGaAs/InAsSb超晶格作为空穴势垒层5，降低了材料生长和加工的难度、提升了稳定性和可靠性；
(2)空穴势垒层5和电子势垒层7与吸收层6之间组成双异质结构，通过InAs/GaSb超晶格电子势垒层和InGaAs/InAsSb超晶格空穴势垒层共同抑制暗电流，并且在有光照情形下，吸收层6产生的光电流不会被阻挡而顺利到达电极产生信号，保证了红外探测器的最佳性能；
(3)采用p型InAs/GaSb超晶格作为吸收层7，即在工作状态下少子为电子，这样红外探测器的扩散长度长、量子效率高、暗电流低。
实施例2
参照图3，本实施例提供了一种实施例1中红外探测器的制备方法，所述制备方法包括：
步骤S1、提供一衬底1，其中，衬底1的材质为InAs。
步骤S2、使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺作为生长工艺，生长源为TMGa、TMIn、TMSb和AsH3，n型掺杂源为SiH4，p型掺杂源为DEZn，生长温度约为600℃，反应室压力为200Torr。在高温处理除去衬底1表面的杂质后，从下而上在衬底1上依次生长：
(1)接触层4，接触层4为n型掺杂的InGaAs/InAsSb超晶格，掺杂剂为Si，掺杂平均浓度为5×1017cm-3。InGaAs层中Ga的组分为25％，InAsSb层中Sb的组分为20％。接触层4的总厚度为0.3μm，其中，InGaAs层的厚度为1.5nm，InAsSb层的厚度为1.5nm，InGaAs层与InAsSb层的交替周期为100；
(2)空穴势垒层5，空穴势垒层5为非掺杂的InGaAs/InAsSb超晶格。InGaAs层中Ga的组分为25％，InAsSb层中Sb的组分为20％。空穴势垒层5的总厚度为0.3μm，其中，InGaAs层的厚度为1.5nm，InAsSb层的厚度为1.5nm，InGaAs层与InAsSb层的交替周期为100；
(3)吸收层6，吸收层6为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂剂为Zn，掺杂平均浓度为1×1016cm-3。吸收层6的总厚度为2μm，其中，InAs层的厚度为2.5nm，GaSb层的厚度为2.5nm，InAs层与GaSb层的交替周期为400；
(4)电子势垒层7，电子势垒层7为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂剂为Zn，掺杂平均浓度为5×1017cm-3。电子势垒层7的总厚度为0.4μm，其中，InAs层的厚度为1.5nm，GaSb层的厚度为2.5nm，InAs层与GaSb层的交替周期为100。
本实施例中步骤S2还包括采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺制作台面，刻蚀至露出接触层4，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介质钝化层直至露出接触层4和电子势垒层7。
步骤S3、用电子束蒸发工艺在接触层4露出的一端的表面沉积第一电极2，在电子势垒层7的表面沉积第二电极3。其中，第一电极2和第二电极3均为组合。
本实施例中生长采用了MOCVD工艺能够减小成本、提高性价比，吸收层6的截至波长约为5μm，整体工艺流程比较适合制作焦平面探测器阵列。
实施例3
本实施例提供了一种实施例1中红外探测器的另一种制备方法，所述制备方法包括：
步骤S1、提供一衬底1，其中，衬底1的材质为GaSb。
步骤S2、使用分子束外延工艺(MBE)作为生长工艺，生长源为固态单质源Ga、In、As和Sb，n型掺杂源为Si，p型掺杂源为Be，生长温度约400℃。在衬底1除气去杂后，从下而上在衬底1上依次生长：
(1)接触层4，接触层4为n型掺杂的InGaAs/InAsSb超晶格，掺杂剂为Si，掺杂平均浓度为2×1018cm-3。InGaAs层中Ga的组分为40％，InAsSb层中Sb的组分为25％。接触层4的总厚度为0.75μm，其中，InGaAs层的厚度为1nm，InAsSb层的厚度为1.5nm，InGaAs层与InAsSb层的交替周期为300；
(2)空穴势垒层5，空穴势垒层5为n型掺杂的InGaAs/InAsSb超晶格，掺杂剂为Si，掺杂平均浓度为1×1016cm-3。InGaAs层中Ga的组分为40％，InAsSb层中Sb的组分为25％。空穴势垒层5的总厚度为0.75μm，其中，InGaAs层的厚度为1nm，InAsSb层的厚度为1.5nm，InGaAs层与InAsSb层的交替周期为300；
(3)吸收层6，吸收层6为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂剂为Be，掺杂平均浓度为5×1016cm-3。吸收层6的总厚度为5.4μm，其中，InAs层的厚度为4.8nm，GaSb层的厚度为2.4nm，InAs层与GaSb层的交替周期为750；
(4)电子势垒层7，电子势垒层7为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂剂为Be，掺杂平均浓度为2×1018cm-3。电子势垒层7的总厚度为1.2μm，其中，InAs层的厚度为2.4nm，GaSb层的厚度为2.4nm，InAs层与GaSb层的交替周期为250。
本实施例中步骤S2还包括采用湿法腐蚀工艺制作台面，刻蚀至露出接触层4，然后采用PECVD工艺沉积Si3N4介质保护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介质保护层直至露出接触层4和电子势垒层7。
步骤S3、用电子束蒸发工艺在接触层4露出的一端的表面沉积第一电极2，在电子势垒层7的表面沉积第二电极3。其中，第一电极2和第二电极3均为组合。
本实施例中使用较为常见的MBE工艺，吸收层6的截至波长约为10μm。由于MBE工艺能形成陡峭界面，本实施例制备得到的红外探测器的性能较高。
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。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种红外探测器，其特征在于，包括衬底、第一电极、第二电极及从下而上依次设置于所述衬底上的接触层、空穴势垒层、吸收层、电子势垒层，所述第一电极与所述接触层连接，所述第二电极与所述电子势垒层连接，所述空穴势垒层为InGaAs/InAsSb超晶格。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述空穴势垒层中InGaAs层与InAsSb层的交替周期为20～500，和/或所述空穴势垒层的厚度为0.1～1μm。
3.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于，所述接触层为n型掺杂的InGaAs/InAsSb超晶格，所述接触层中InGaAs层与InAsSb层的交替周期为20～500，和/或所述接触层的厚度为0.1～1μm。
4.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于，所述吸收层为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述吸收层中InAs层与GaSb层的交替周期为100～2000，和/或所述吸收层的厚度为1～8μm。
5.根据权利要求4所述的红外探测器，其特征在于，所述电子势垒层为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述电子势垒层中InAs层与GaSb层的交替周期为20～500，和/或所述电子势垒层的厚度为0.1～2μm。
6.根据权利要求5所述的红外探测器，其特征在于，所述电子势垒层中InAs层的厚度小于所述吸收层中InAs层的厚度。
7.根据权利要求1-6任一项所述的红外探测器，其特征在于，所述衬底的材质为GaSb或InAs。
8.一种红外探测器的制备方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；
从下而上依次在所述衬底上生长形成接触层、空穴势垒层、吸收层、电子势垒层，所述空穴势垒层为InGaAs/InAsSb超晶格；
分别在所述接触层上沉积第一电极、在所述电子势垒层上沉积第二电极。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述吸收层为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述吸收层中InAs层与GaSb层的交替周期为100～2000，和/或所述吸收层的厚度为1～8μm。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述电子势垒层为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述电子势垒层中InAs层与GaSb层的交替周期为20～500，和/或所述电子势垒层的厚度为0.1～2μm。
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