CN109216485B - 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、多个第二电极及从下而上依次设置于衬底上的吸收层、第一势垒层、第二势垒层，第一电极与衬底连接，第二势垒层包括阵列设置的多个半导体层，多个半导体层与多个第二电极一一对应，每个半导体层与一个第二电极连接。所述制备方法包括：提供一衬底；从下而上依次在衬底上生长形成吸收层、第一势垒层、第二势垒层；刻蚀第二势垒层，以形成阵列设置的多个半导体层；分别在衬底上沉积第一电极、在多个半导体层上沉积多个第二电极。所述红外探测器中只对第二势垒层进行刻蚀，在不破坏吸收层的情况下实现器件的电学隔离，简化了器件工艺、提高了器件的可靠性。
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。
现有的锑化物红外探测器均采用台面结构，也就是采用刻蚀手段实现探测器单元间的电学隔离。通常情况下刻蚀都要穿过探测器吸收层到达下接触层，即深刻蚀。由于锑化物材料体系加工工艺和钝化手段尚不成熟，在台面刻蚀中产生的侧壁损伤、表面氧化以及沾污等因素造成锑化物超晶格探测器表面漏电流较高，器件的暗电流控制较差，尤其是在长波甚长波段。这是目前制约锑化物红外探测器实用化的一个重要因素。
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，能够在不破坏吸收层的情况下实现器件的电学隔离，简化了加工工艺、提高了器件的可靠性。
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、多个第二电极及从下而上依次设置于所述衬底上的吸收层、第一势垒层、第二势垒层，所述第一电极与所述衬底连接，所述第二势垒层包括阵列设置的多个半导体层，所述多个半导体层与所述多个第二电极一一对应，每个所述半导体层与一个所述第二电极连接。
进一步地，所述第一势垒层的顶部具有阵列设置的多个脊形部，所述多个脊形部与所述多个半导体层一一对应，每个所述脊形部上设置有一个所述半导体层。
进一步地，所述吸收层为n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，所述第一势垒层为n型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述第一势垒层中InAs层与GaSb层的交替周期为20～500，和/或所述第一势垒层的厚度为0.1～2μm。
进一步地，所述第一势垒层的有效带宽大于所述吸收层的有效带宽。
进一步地，所述第二势垒层为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述第二势垒层中InAs层与GaSb层的交替周期为20～500，和/或所述第二势垒层的厚度为0.1～2μm。
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吸收层、第一势垒层、第二势垒层；
刻蚀所述第二势垒层，以形成阵列设置的多个半导体层；
分别在所述衬底上沉积第一电极、在所述多个半导体层上沉积多个第二电极，所述多个第二电极与所述多个半导体层一一对应。
进一步地，在刻蚀所述第二势垒层，以形成阵列设置的多个半导体层步骤之后，所述制备方法还包括：
刻蚀所述第一势垒层，以使得所述第一势垒层的顶部具有阵列设置的多个脊形部，所述多个脊形部与所述多个半导体层一一对应。
进一步地，在刻蚀所述第一势垒层后，所述制备方法还包括对所述多个脊形部、所述多个半导体层的侧面及所述第一势垒层位于相邻两个所述脊形部之间的区域进行钝化。
本发明提供的红外探测器包括衬底、第一电极、多个第二电极、吸收层、第一势垒层、第二势垒层，所述第二势垒层包括阵列设置的多个半导体层，所述多个半导体层与所述多个第二电极一一对应，每个所述半导体层与一个所述第二电极连接，所述红外探测器中只对第二势垒层进行刻蚀，在不破坏吸收层的情况下实现器件的电学隔离，简化了器件工艺、提高了器件的可靠性。
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、多个第二电极3及从下而上依次设置于衬底1上的吸收层4、第一势垒层5、第二势垒层6，第一电极2与衬底1连接，第二势垒层6包括阵列设置的多个半导体层61，多个半导体层61与多个第二电极3一一对应，每个半导体层61与一个第二电极3连接。其中，第二电极3设置于半导体层61的顶部。
具体的，衬底1的材质为n型的GaSb或InAs。吸收层4位于衬底1的上表面，其中，衬底1未被吸收层4完全覆盖，衬底1未被吸收层4覆盖的区域用于设置第一电极2，即吸收层4和第一电极2分别间隔的设置于衬底1的上表面。
吸收层4为n型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为1×1015～1×1018cm-3。吸收层4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4的有效带宽对应的波长为3～25μm，其总厚度为1～8μm。
第一势垒层5位于吸收层4的上表面，第一势垒层5为n型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为1×1014～1×1018cm-3。第一势垒层5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。第一势垒层5的厚度为0.1～2μm。第一势垒层5的有效带宽大于吸收层4的有效带宽。
第一势垒层5的顶部具有阵列设置的多个脊形部51，多个脊形部51与多个半导体层61一一对应，每个脊形部51上设置有一个半导体层61。
第二势垒层6为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3。第二势垒层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20～500。第二势垒层6的厚度为0.1～2μm。
本实施例中的红外探测器具有以下优点：
(1)采用浅刻蚀工艺，能够在不破坏吸收层4的情况下实现器件的电学隔离，简化了器件工艺、提高了器件可靠性；
(2)第一势垒层5和第二势垒层6均采用宽带的InAs/GaSb超晶格结构，能够有效抑制表面漏电流，减小少子的表面复合；
(3)第一势垒层5和第二势垒层6形成无Al的单异质结结构，能够有效抑制器件的本征暗电流，保证器件的量子效率。
实施例2
参照图2，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n型的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)吸收层4，吸收层4为n型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂剂为Si，掺杂平均浓度为1×1016cm-3。吸收层4的总厚度为2.0μm，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；
(2)第一势垒层5，第一势垒层5为n型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂剂为Si，掺杂平均浓度为5×1015cm-3。第一势垒层5的总厚度为0.2μm，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50；
(3)第二势垒层6，第二势垒层6为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂剂为Zn，掺杂平均浓度为5×1017cm-3。第二势垒层6的总厚度为0.2μm，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50。
步骤S3、刻蚀第二势垒层6，以形成阵列设置的多个半导体层61。
其中，步骤S3还包括刻蚀第一势垒层5，以使得第一势垒层5的顶部具有阵列设置的多个脊形部51，多个脊形部51与多个半导体层61一一对应。采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺对第二势垒层6进行刻蚀直至刻蚀至第一势垒层5，第一势垒层5的刻蚀深度为0.1μm，以形成阵列设置的多个半导体层61和阵列设置的多个脊形部51。
在刻蚀第二势垒层6后，步骤S3还包括对多个脊形部51、多个半导体层61的侧面及第一势垒层5位于相邻两个脊形部51之间的区域进行钝化。其中，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺在多个脊形部51、多个半导体层61的侧面、衬底1的表面及第一势垒层5位于相邻两个脊形部51之间的区域沉积SiO2钝化层，再使用标准光刻和反应离子刻蚀(RIE)工艺选择性刻蚀SiO2钝化层以暴露出衬底1和多个半导体层61。
步骤S4、分别在衬底1上沉积第一电极2、在多个半导体层61上沉积多个第二电极3，多个第二电极3与多个半导体层61一一对应。
其中，步骤S4中的沉积工艺为电子束蒸发工艺，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工业化的MOCVD工艺，能够减小成本，提高性价比，吸收层4的截至波长为5μm，第一势垒层5和第二势垒层6有效带宽对应的波长为3μm，整体工艺流程比较适合做焦平面探测器阵列。
实施例3
参照图2，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n型的GaSb。
步骤S2、使用分子束外延(MBE)工艺作为生长工艺，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，生长温度约为400℃。在衬底1除气去杂后，从下而上在衬底1上依次生长：
(1)吸收层4，吸收层4为n型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂剂为Si，掺杂平均浓度为1×1017cm-3。吸收层4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；
(2)第一势垒层5，第一势垒层5为n型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂剂为Si，掺杂平均浓度为5×1016cm-3。第一势垒层5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；
(3)第二势垒层6，第二势垒层6为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格，掺杂剂为Be，掺杂平均浓度为2×1018cm-3。第二势垒层6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。
步骤S3、刻蚀第二势垒层6，以形成阵列设置的多个半导体层61。
其中，步骤S3还包括刻蚀第一势垒层5，以使得第一势垒层5的顶部具有阵列设置的多个脊形部51，多个脊形部51与多个半导体层61一一对应。采用湿法腐蚀工艺对第二势垒层6进行刻蚀直至刻蚀至第一势垒层5，第一势垒层5的刻蚀深度为0.8μm，以形成阵列设置的多个半导体层61和阵列设置的多个脊形部51。
在刻蚀第二势垒层6后，步骤S3还包括对多个脊形部51、多个半导体层61的侧面及第一势垒层5位于相邻两个脊形部51之间的区域进行钝化。其中，采用PECVD工艺在多个脊形部51、多个半导体层61的侧面、衬底1的表面及第一势垒层5位于相邻两个脊形部51之间的区域沉积Si3N4钝化层，再使用标准光刻和湿法腐蚀工艺选择性刻蚀Si3N4钝化层以暴露出衬底1和多个半导体层61。
步骤S4、分别在衬底1上沉积第一电极2、在多个半导体层61上沉积多个第二电极3，多个第二电极3与多个半导体层61一一对应。
其中，步骤S4中的沉积工艺为电子束蒸发工艺，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较为常见的MBE工艺，吸收层4的截至波长为10μm，第一势垒层5和第二势垒层6有效带宽对应的波长为5μm，第一势垒层5和第二势垒层6能有效保护吸收层4。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 (8)
1.一种红外探测器，其特征在于，包括衬底、第一电极、多个第二电极及从下而上依次设置于所述衬底上的吸收层、第一势垒层、第二势垒层，所述第一电极与所述衬底连接，所述第二势垒层包括阵列设置的多个半导体层，所述多个半导体层与所述多个第二电极一一对应，每个所述半导体层与一个所述第二电极连接；所述第一势垒层的顶部具有阵列设置的多个脊形部，所述多个脊形部与所述多个半导体层一一对应，每个所述脊形部上设置有一个所述半导体层，所述吸收层为n型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述第一势垒层为n型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述第二势垒层为p型掺杂的InAs/GaSb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。
3.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于，所述第一势垒层中InAs层与GaSb层的交替周期为20～500，和/或所述第一势垒层的厚度为0.1～2μm。
4.根据权利要求3所述的红外探测器，其特征在于，所述第一势垒层的有效带宽大于所述吸收层的有效带宽。
5.根据权利要求4所述的红外探测器，其特征在于，所述第二势垒层中InAs层与GaSb层的交替周期为20～500，和/或所述第二势垒层的厚度为0.1～2μm。
6.根据权利要求1-5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。
7.一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吸收层、第一势垒层、第二势垒层，所述吸收层为n型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述第一势垒层为n型掺杂的InAs/GaSb超晶格，所述第二势垒层为p型掺杂的InAs/GaSb超晶格；
刻蚀所述第二势垒层，以形成阵列设置的多个半导体层；
刻蚀所述第一势垒层，以使得所述第一势垒层的顶部具有阵列设置的多个脊形部，所述多个脊形部与所述多个半导体层一一对应；
分别在所述衬底上沉积第一电极、在所述多个半导体层上沉积多个第二电极，所述多个第二电极与所述多个半导体层一一对应。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在刻蚀所述第一势垒层后，所述制备方法还包括对所述多个脊形部、所述多个半导体层的侧面及所述第一势垒层位于相邻两个所述脊形部之间的区域进行钝化。
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