CN109285911B - 一种短波/中波/长波三波段红外探测器及其制备方法 - Google Patents
一种短波/中波/长波三波段红外探测器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种短波/中波/长波三波段红外探测器，其结构包括GaSb衬底、沉积于GaSb衬底上的外延结构、钝化层、金属电极，所述外延结构从下至上依次为Te掺杂的GaSb缓冲层、n型InAs/GaSb超晶格接触层、M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层、p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层、p型InAs/GaSb超晶格接触层、p型GaSb接触层、p型InAs/InAsSb超晶格接触层、未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层、n型InAs/InAsSb超晶格接触层、n型GaSb接触层、n型InAs0.91Sb0.09接触层、非掺杂的InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层、p型InAs0.91Sb0.09接触层。该探测器具有P‑π‑M‑N型InAs/GaSb超晶格、PIN型InAs/InAsSb超晶格和PIN型InAsSb异质结构，具有高探测率、高响应度、高量子效率、低暗电流、低串扰等优点，可提高红外探测器性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料及器件领域，涉及一种短波/中波/长波三波段红外探测器。
背景技术
红外探测器在弹道导弹预警、空空导弹导引头、激光雷达、夜视、通信、高分卫星成像、医学、大气监测、工业等军民两用领域具有广泛的应用。随着探测技术的发展和对探测效果要求的提高，当前红外探测技术向着获取更多目标信息的方向发展，从而对红外探测器的性能提出了更高要求。目前，国内外第三代红外探测器的重要发展方向之一就是实现多波段同时探测。如果一个探测系统能在多个波段获取目标信息，就可以对复杂的背景进行抑制，提升对目标的探测效果。多波段红外探测器在预警、搜索和跟踪系统中能明显的降低虚警率，显著提高探测系统的性能和在各武器平台的通用性；在医学诊断、安防监控和天文监测等领域能更好的识别目标，提高获取目标信息的准确性。
目前，碲镉汞和多量子阱是两种主要的多波段红外探测器，但是以上两种探测器都存在着明显的缺点。碲镉汞材料的大面积均匀性差，多量子阱需要复杂的耦合结构，量子效率低。20世纪70年代，III-V族应变层超晶格以其独特的优点成为红外探测领域的一个研究热点。与传统红外探测材料HgCdTe相比，InAs/GaSb T2SLs(InAs/GaSb II类超晶格)具有特殊的错开型能带结构，具有低成本、大面积均匀性好、响应波段范围宽、隧穿电流小、俄歇复合率低等优点，能够克服碲镉汞红外探测器均匀性差和量子阱红外探测器量子效率低的缺陷，在红外探测领域具有广泛的应用前景。
InAsxSb1-x是一种典型的III-V族三元化合物半导体材料，也是目前发现的禁带宽度最小的本征型III-V族化合物半导体。在室温下InAsxSb1-x的禁带宽度可到0.099eV(对应截止波长为12.5μm)甚至更小。InAsxSb1-x的结构稳定，As与Sb和In之间都是稳定的共价键结合，InAsxSb1-x的载流子迁移率比HgxCd1-xTe的高，而且介电常数和室温下的自扩散系数(约5.2×10-16cm2/s)都比较小，因此InAsSb已成为制作红外光电探测器和光学气体传感器的重要候选材料。其中InAs/InAsSb窄带隙应变层超晶格的响应波长(禁带宽度)的控制是由Sb组分的多少决定，它能够覆盖与InAs/GaSb超晶格相同的红外波段，所以在相同的波长范围内工作，相比于InAs/GaSb II类超晶格，InAs/InAsSb超晶格体系具有更长的少子寿命，利于减少隧穿效应，降低暗电流，提高工作性能。
国内对InAsSb光电红外探测器的研究与国际相比存在很大的差距。只有极少数关于InAsSb薄膜及以其为基础的探测器的报道，且多为As含量极少的InAsSb材料。由于InAsSb材料中Sb组分的控制比较难，所以为了降低晶格失配，生长高质量的InAsSb外延层也成为一个难题。
发明内容
本发明旨在提供一种具有高探测率、高响应度、高量子效率、高载流子迁移率、低暗电流、低串扰等优点的短波/中波/长波三波段红外探测器。
本发明的另一个目的是提供一种具有低暗电流、高探测率、高响应度、高量子效率、高载流子迁移率、低串扰等优点的短波/中波/长波三波段红外探测器的制备方法。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种短波/中波/长波三波段红外探测器，包括GaSb衬底、沉积于GaSb衬底上的外延结构、钝化层、金属电极，所述外延结构从下至上包括依次连接的Te掺杂的GaSb缓冲层、n型InAs/GaSb超晶格接触层、M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层、p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层、p型InAs/GaSb超晶格接触层、p型GaSb接触层(第一缓冲层)、p型InAs/InAsSb超晶格接触层、未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层、n型InAs/InAsSb超晶格接触层、n型GaSb接触层(第二缓冲层)、n型InAs0.91Sb0.09接触层、非掺杂的InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层、p型InAs0.91Sb0.09接触层(盖层)，外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，台阶的深度分别至n型InAs/GaSb超晶格接触层或Te掺杂GaSb缓冲层和n型InAs0.91Sb0.09接触层或n型GaSb接触层，金属电极包括金属下电极、金属中电极和金属上电极，金属下电极与Te掺杂GaSb缓冲层形成欧姆接触，金属中电极n型GaSb接触层形成欧姆接触，金属上电极形成于台阶的上方，与P型InAsSb接触层形成欧姆接触。
上述探测器中，钝化层覆盖所述的台阶，并连接却不覆盖所述的金属下电极、金属中电极和金属上电极。
上述探测器中，所述GaSb衬底采用(001)方向的n型GaSb衬底或者(001)方向的GaAs衬底。
上述探测器中，所述Te掺杂的GaSb缓冲层的厚度为0.5～1μm，材料为采用Te进行n型掺杂的GaSb材料，其中Te掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
上述探测器中，所述n型InAs/GaSb超晶格接触层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为0.4～0.6μm，其中，InAs势阱层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为1～2×1018cm-3，各组分层厚度可以根据具体的需要进行调节，一般InAs势阱层为10～15ML(monolayer，原子层)，GaSb势垒层为5～8ML。
上述探测器中，所述M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层总厚度为0.3～0.8μm，其中，InAs层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为1～2×1018cm-3，该M型超晶格结构中，InAs层一般为10～20ML，而GaSb层和AlSb层一般为1～5ML。
上述探测器中，所述p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层由交替生长的GaSb势垒层和InAs势阱层组成，总厚度为1～6μm，其中，InAs势阱层和GaSb势垒层均为本征层，不进行掺杂，该超晶格结构中，各组分层厚度可以根据具体的需要进行调节，一般InAs势阱层一般为10～15ML，GaSb势垒层为8～12ML。
上述探测器中，所述p型InAs/GaSb超晶格接触层由交替生长的GaSb势垒层和InAs势阱层组成，总厚度为0.4～0.6μm，其中，GaSb势垒层的材料为掺杂元素Be的GaSb材料，Be掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
上述探测器中，所述p型GaSb接触层(第一缓冲层)的厚度为0.5～1μm，材料为采用Be进行p型掺杂的GaSb材料，其中Be掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
上述探测器中，所述P型InAs/InAsSb超晶格接触层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6ML InAs0.73Sb0.27层组成，总厚度为0.4～0.9μm，其中，InAs层的材料采用Be掺杂的InAs材料，掺杂浓度为1～2×1018cm-3，各组分层厚度可以根据具体的需要进行调节，本发明中其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML。
上述探测器中，所述未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6ML InAs0.73Sb0.27层组成，总厚度为2～6μm，其中，InAs层和InAs0.73Sb0.27层均为本征层，不进行掺杂，各组分层厚度可以根据具体的需要进行调节，本发明中其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML。
上述探测器中，所述n型InAs/InAsSb超晶格接触层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6ML InAs0.73Sb0.27层组成，总厚度为0.4～0.9μm，其中，InAs层的材料为掺杂元素Si的InAs材料，Si掺杂浓度为1～2×1018cm-3，各组分层厚度可以根据具体的需要进行调节，本发明中其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML。
上述探测器中，所述n型GaSb接触层(第二缓冲层)厚度为0.5～1μm，材料为采用Te进行n型掺杂的GaSb材料，其掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
上述探测器中，所述n型InAs0.91Sb0.09接触层的厚度为0.3～0.8μmn，n型InAs0.91Sb0.09接触层采用Si掺杂的InAs0.91Sb0.09材料，掺杂浓度为1～2×108cm-3。
上述探测器中，所述非掺杂的InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层的厚度为2～6μm，非掺杂的InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层采用本征的InAs0.91Sb0.09材料。
上述探测器中，所述p型InAs0.91Sb0.09接触层的厚度为0.3～0.8μm，p型InAs0.91Sb0.09接触层采用Be掺杂的InAs0.91Sb0.09材料，掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
一种制备上述短波/中波/长波三波段红外探测器的方法，包括以下步骤：
(1)将外延级的GaSb衬底装入分子束外延系统的进样室于200℃下进行低温除气处理2小时，再进入缓冲室内于500℃下进行高温除气处理40～90分钟；
(2)将除气后的GaSb衬底转入生长室去除氧化层，N型GaSb(001)衬底在Sb2保护下升温，在衬底表面出现脱氧点时，在590℃～640℃下进行15-30分钟的脱氧，除去GaSb衬底表面上的氧化物，作为外延层的承载体；
(3)在外延层的承载体上生长外延结构，在外延结构材料生长完成以后，使用标准光刻技术和ICP(感应耦合等离子体)干法刻蚀制作台阶，在台阶制作结束后，分别台阶在顶部、中部和底部接触层上溅射Ti/Pt/Au合金电极，并使用硫化和二氧化硅或者SU-8光刻胶钝化，以减小器件表面漏电流。
优选地，去除氧化层的过程中，当GaSb衬底超过370℃后，通入Sb保护束流，Sb保护束流大小10-6Torr量级，并通过RHEED(reflection high-energy electron diffraction，反射式高能电子衍射仪)对去除氧化的效果进行实时监测。
与现有技术相比，本发明提供的短波/中波/长波三波段红外探测器具有以下有益效果：
1.本发明提供的一种短波/中波/长波三波段红外探测器，通过根据相应波长来设定InAsSb中的Sb组分、InAs/InAsSb超晶格各组分层厚度和InAs/GaSb超晶格各组分层厚度等参数来提高短波/中波/长波三波段红外探测器材料对探测波长的精确响应，从而使本发明的三波段红外探测器材料能够实现对三种不同的波长范围同时进行探测，大大减少了环境对三波段红外探测器的探测限制，提高了探测效果。
2.利用非极性势垒层阻挡不同通道间的光生载流子迁移可以缓解多波段探测器的串扰问题。通过合适的器件能带结构设计，即在P-π-M-N器件结构中设计M型超晶格结构，空穴势垒层和电子势垒层的设计能够有效地抑制产生-复合暗电流以及隧穿暗电流，从而提高探测器的性能，而且M型超晶格结构能够灵活的调整能带结构，以实现活性层与势垒层间的理想能带分布，从而降低器件的隧穿电流。此外，将M型结构引入传统的PIN器件结构形成P-π-M-N器件结构，该结构可以明显地提高器件的微分阻抗和量子效率，所以该器件结构在长波红外波段与传统的PIN器件结构相比具有更高的探测率和实用性。
3.本发明提供的三波段红外探测器，基于InAsSb的红外光电材料和InAs/GaSb超晶格材料均与GaSb衬底晶格匹配，从而应力问题可以忽略，其中基于InAsSb的红外材料结构(PIN型InAs/InAsSb超晶格和PIN型InAsSb异质结构)可以在相同的生长温度下外延生长，避免了由于外延生长温度的不同所造成的器件内部缺陷的增加，降低了暗电流，有利于提高探测器的量子效率。此外，相对于InAsSb材料的NBN型结构的探测器，PIN型探测器外延生长结构简单，易重复操作，在绝对响应度和量子效率方面测得到的数值更高，效果更好。
附图说明
图1为该三波段红外光电探测器结构示意图。
图2为实施例1所述器件结构中PIN型InAsSb结构的绝对响应光谱。
图3为实施例1所述器件结构中PIN型InAs/InAsSb超晶格结构的绝对响应光谱。
图4为实施例1所述器件结构中P-π-M-N型InAs/GaSb超晶格结构的相对响应光谱(a)和绝对响应光谱(b)。
图1中，1—GaSb衬底、2—Te掺杂的GaSb缓冲层、3—n型InAs/GaSb超晶格接触层、4—M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层、5—p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层、6—p型InAs/GaSb超晶格接触层、7—p型GaSb接触层、8—p型InAs/InAsSb超晶格接触层、9—未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层、10—n型InAs/InAsSb超晶格接触层、11—n型GaSb接触层、12—n型InAs0.91Sb0.09接触层、13—非掺杂的InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层、14—p型InAs0.91Sb0.09接触层，15—金属下电极、16—金属中电极、17—金属上电极、18—钝化层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明，附图构成本申请的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明三波段红外探测器的器件结构中短波红外InAsSb的器件结构由之前的nBn型变为PIN型，并且金属中电极位置发生变化。首先，相对于InAsSb材料的NBN型结构的探测器，PIN型探测器外延生长结构简单，易重复操作，在绝对响应度和量子效率方面测得到的数值更高，效果更好。其次，短波红外吸收区的偏压加在上部和中部金属电极之间完成信号收集，中波与长波波段由于P-π-M-N型InAs/GaSb超晶格中M型超晶格势垒层的存在，在调制偏压提取信号时能够很好地抑制不同信号间的串扰。
本发明基于势垒层能带的特殊性，可以显著抑制耗尽层的产生-复合暗电流以及陷阱中心隧穿暗电流，从而使光电流增强，实现对探测器探测率D*的提高。势垒层的存在，在调制偏压提取信号时能够很好地抑制不同信号间的串扰。
结合图1，本发明所述的短波/中波/长波三波段红外光电探测器，包括GaSb衬底1、沉积于GaSb衬底1上的外延结构、金属下电极15、金属中电极16、金属上电极17和钝化层18，其中：
所述外延结构包括依次连接的Te掺杂的GaSb缓冲层2、n型InAs/GaSb超晶格接触层3、M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层4、p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层5、p型InAs/GaSb超晶格接触层6、p型GaSb接触层7(第一缓冲层)、p型InAs/InAsSb超晶格接触层8、未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层9、n型InAs/InAsSb超晶格接触层10、n型GaSb接触层11(第二缓冲层)、n型InAs0.91Sb0.09接触层12、非掺杂的InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层13和p型InAs0.91Sb0.09接触层14(盖层)，该外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，第一台阶从Te掺杂GaSb缓冲层2至n型GaSb接触层11(第二缓冲层)，第二台阶从n型GaSb接触层11(第二缓冲层)至p型InAsSb接触层14(盖层)。
所述金属下电极15与Te掺杂GaSb缓冲层2形成欧姆接触，金属中电极16与n型GaSb接触层11形成欧姆接触，金属上电极17位于p型InAs0.91Sb0.09接触层14的上方，与p型InAs0.91Sb0.09接触层14形成欧姆接触。
所述钝化层18形成于衬底1(当刻蚀到衬底1形成台阶时需要在衬底1设置钝化层18)以及外延结构上的台阶除金属下电极15、金属中电极16、金属上电极17外的其他位置。
此三波段红外探测器的器件结构中短波红外InAsSb的器件结构由之前的nBn型变为PIN型，有利于器件结构的重复性外延生长，获得更高的绝对响应度和量子效率，并且金属中电极位置发生变化，短波红外吸收区的偏压加在上部和中部金属电极之间完成信号收集，中波与长波波段由于P-π-M-N型InAs/GaSb超晶格中M型超晶格势垒层的存在，在调制偏压提取信号时能够很好地抑制不同信号间的串扰。
实施例1
本发明实施例中，将除气后的N型GaSb(001)衬底转入生长室内进行升温去除氧化层，衬底温度超过370℃后，通入Sb保护束流，Sb保护束流大小在10-6Torr量级，通过RHEED进行实时监测，在衬底表面出现脱氧点时的温度590℃基础上加30℃即620℃，进行25分钟的脱去氧化层。
本发明实施例中，所述n型掺杂GaSb缓冲层2生长于GaSb衬底1之上，厚度为1.1μm。其中，GaSb缓冲层中Te掺杂浓度接近2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述n型InAs/GaSb超晶格接触层3生长于n型掺杂GaSb缓冲层2上，其厚度为0.5μm。该层由交替生长的GaSb势垒层和InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为7ML，InAs厚度为14ML，InAs势阱层中Si掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层4生长在n型InAs/GaSb超晶格接触层3之上，其厚度为0.5μm。该M型超晶格结构由18ML InAs/3MLGaSb/5ML AlSb/3ML GaSb结构构成，其中InAs层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层5生长在M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层4的上面，其厚度为2μm，该层由交替生长的GaSb势垒层和InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为7ML，InAs厚度为14ML，超晶格100％截止波长为～12.8μm。
本发明实施例中，所述p型InAs/GaSb超晶格接触层6生长在p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层5上面，总厚度为0.5μm，Be掺杂浓度为1×1018cm-3。该层由交替生长的GaSb势垒层和InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为7ML，InAs厚度为14ML，GaSb势垒层中Be掺杂浓度为1×1018cm-3。
本发明实施例中，所述p型GaSb接触层(第一缓冲层)7生长在p型InAs/GaSb超晶格接触层6上面，其厚度为0.57μm。其中，GaSb缓冲层中Be掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述p型InAs/InAsSb超晶格接触层8生长在p型GaSb接触层(第一缓冲层)7上面，其厚度为0.677μm。该层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6MLInAs0.73Sb0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML，InAs层中Be掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层9生长在p型InAs/InAsSb超晶格接触层8上面，其厚度为4.2μm。该层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6MLInAs0.73Sb0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML，超晶格100％截止波长为～5.5μm。
本发明实施例中，所述n型InAs/InAsSb超晶格接触层10生长在未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层9上面，总厚度为0.677μm。该层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6ML InAs0.73Sb0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML，InAs层中Si掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述n型GaSb接触层(第二缓冲层)11生长在n型InAs/InAsSb超晶格接触层10上面，其厚度为0.57μm，材料为采用Te进行n型掺杂的GaSb材料，其掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述n型InAs0.91Sb0.09接触层12生长在n型GaSb接触层(第二缓冲层)11上面，其厚度为0.33μm，Si掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述非掺杂InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层13生长在InAs0.91Sb0.09接触层12上面，其厚度为2μm，其50％响应截止波长为～3.8μm。
本发明实施例中，所述p型InAs0.91Sb0.09接触层14生长在非掺杂InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层13上面，其厚度为0.33μm，Be掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述台阶经ICP干法刻蚀形成。金属下电极15、金属中电极16和金属上电极17是采用溅射的Ti/Pt/Au，其厚度分别为50nm/50nm/300nm。
本发明实施例中，所述钝化层18用SU-8光刻胶，厚度为600nm。
图2为实施例1所述器件结构中PIN型InAsSb结构的绝对响应光谱。零偏压，温度为77K时，PIN型InAsSb单元探测器50％响应截止波长为3.8μm，峰值响应率为0.474A/W。
图3为实施例1所述器件结构中PIN型InAs/InAsSb超晶格结构的绝对响应光谱。零偏压，温度为77K时，PIN型InAs/InAsSb超晶格探测器件50％响应截止波长为5.1μm，100％响应截止波长为5.5μm，属于中波区域，台面尺寸为200μm×200μm时，单元器件峰值响应率为0.52A/W。
图4为实施例1所述器件结构中P-π-M-N型InAs/GaSb超晶格结构的相对响应光谱(a)和绝对响应光谱(b)。零偏压，温度为77K时，P-π-M-N型InAs/GaSb超晶格结构100％响应截止波长约为12.8μm，单元器件峰值响应率为0.72A/W。
实施例2
本发明实施例中，将除气后的N型GaSb(001)衬底转入生长室内进行升温去除氧化层，衬底温度超过370℃后，通入Sb保护束流，Sb保护束流大小在10-6Torr量级，通过REED进行实时监测，在衬底表面出现脱氧点时的温度600℃基础上加30℃即630℃，进行20分钟的脱氧。
本发明实施例中，所述n型掺杂GaSb缓冲层2生长于GaSb衬底1之上，厚度为0.92μm。其中，GaSb缓冲层中Te掺杂浓度接近2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述n型InAs/GaSb超晶格接触层3生长于n型掺杂GaSb缓冲层2上面，其厚度为0.53μm。该层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为7ML，InAs厚度为14ML，InAs势阱层中Si掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层4生长在n型InAs/GaSb超晶格接触层3上面，其厚度为0.52μm。该M型超晶格结构由18ML InAs/3MLGaSb/5ML AlSb/3ML GaSb结构构成，其中InAs层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层5生长在M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层4上面，其厚度为3μm，该层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为7ML，InAs厚度为14ML。
本发明实施例中，所述p型InAs/GaSb超晶格接触层6生长在p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层5上面，总厚度为0.53μm，Be掺杂浓度为1×1018cm-3。该层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为7ML，InAs厚度为14ML，GaSb势垒层中Be掺杂浓度为1×1018cm-3。
本发明实施例中，所述p型GaSb接触层(第一缓冲层)7生长在p型InAs/GaSb超晶格接触层6上面，其厚度为0.7μm。其中，GaSb缓冲层中Be掺杂浓度接近2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述p型InAs/InAsSb超晶格接触层8生长在p型GaSb接触层(第一缓冲层)7上面，其厚度为0.677μm。该层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6MLInAs0.73Sb0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML，InAs层中Be掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层9生长在p型InAs/InAsSb超晶格接触层8上面，其厚度为4.2μm。该层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6MLInAs0.73Sb0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML。
本发明实施例中，所述n型InAs/InAsSb超晶格接触层10生长在未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层9上面，总厚度为0.677μm。该层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6ML InAs0.73Sb0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML，InAs层中Si掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述n型GaSb接触层(第二缓冲层)11生长在n型InAs/InAsSb超晶格接触层10上面，其厚度为0.57μm，材料为采用Te进行n型掺杂的GaSb材料，其掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述n型InAs0.91Sb0.09接触层12生长在n型GaSb接触层(第二缓冲层)11上面，其厚度为0.44μm，Si掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述非掺杂InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层13生长在n型InAs0.91Sb0.09接触层12上面，其厚度为2μm。
本发明实施例中，所述p型InAs0.91Sb0.09接触层14生长在非掺杂InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层13上面，其厚度为0.36μm，Be掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述台阶经ICP干法刻蚀形成。金属下电极15、金属中电极16和金属上电极17采用溅射的Ti/Pt/Au，其厚度分别为50nm/50nm/300nm。
本发明实施例中，所述钝化层18用SU-8光刻胶，厚度为550nm。
实施例3
本发明实施例中，将除气后的N型GaSb(001)衬底转入生长室内进行升温去除氧化层，衬底温度超过370℃后，通入Sb保护束流，Sb保护束流大小在10-6Torr量级，通过REED进行实时监测，在衬底表面出现脱氧点时的温度600℃基础上加30℃即630℃，进行22分钟的脱氧。
本发明实施例中，所述n型掺杂GaSb缓冲层2生长于GaSb衬底1之上，厚度为0.88μm。其中，GaSb缓冲层中Te掺杂浓度接近2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述n型InAs/GaSb超晶格接触层3生长于n型掺杂GaSb缓冲层2上面，其厚度为0.5μm。该层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为7ML，InAs厚度为14ML，InAs势阱层中Si掺杂浓度为1.8×1018cm-3。
本发明实施例中，所述M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层4生长在n型InAs/GaSb超晶格接触层3上面，其厚度为0.5μm。该M型超晶格结构由18ML InAs/3MLGaSb/5ML AlSb/3ML GaSb结构构成，其中InAs层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层5生长在M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层4上面，其厚度为2μm，该层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为7ML，InAs厚度为14ML。
本发明实施例中，所述p型InAs/GaSb超晶格接触层6生长在p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层5上面，总厚度为0.5μm，Be掺杂浓度为1×1018cm-3。该层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，其中每层GaSb厚度为7ML，InAs厚度为14ML，GaSb势垒层中Be掺杂浓度为1×1018cm-3。
本发明实施例中，所述p型GaSb接触层(第一缓冲层)7生长在p型InAs/GaSb超晶格接触层6上面，其厚度为0.82μm。其中，GaSb缓冲层中Be掺杂浓度接近2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述p型InAs/InAsSb超晶格接触层8生长在p型GaSb接触层(第一缓冲层)7上面，其厚度为0.677μm。该层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6MLInAs0.73Sb0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML，InAs层中Be掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层9生长在p型InAs/InAsSb超晶格接触层8上面，其厚度为4.2μm。该层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6MLInAs0.73Sb0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML。
本发明实施例中，所述n型InAs/InAsSb超晶格接触层10生长在未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层9上面，总厚度为0.677μm。该层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6ML InAs0.73Sb0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML，InAs层中Si掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述n型GaSb接触层(第二缓冲层)11生长在n型InAs/InAsSb超晶格接触层10上面，其厚度为0.6μm，材料为采用Te进行n型掺杂的GaSb材料，其掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述n型InAs0.91Sb0.09接触层12生长在n型GaSb接触层(第二缓冲层)11上面，其厚度为0.36μm，Si掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述非掺杂InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层13生长在n型InAs0.91Sb0.09接触层12上面，其厚度为1.8μm。
本发明实施例中，所述p型InAs0.91Sb0.09接触层14生长在非掺杂InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层13上面，其厚度为0.33μm，Be掺杂浓度为2×1018cm-3。
本发明实施例中，所述台阶经ICP干法刻蚀形成。金属下电极15、金属中电极16和金属上电极17用溅射的Ti/Pt/Au，其厚度分别为50nm/50nm/300nm。
本发明实施例中，所述钝化层18用SU-8光刻胶，厚度为580nm。
本发明所有实施例中，通过以上所述步骤获得的探测器(包括具体的详细结构、数据)，并对所述探测器进行探测，通过偏压调制来收集不同波段的信号，可分别得到短波、中波和长波三波段信号，短波红外吸收区的偏压加在上部和中部电极之间完成信号收集。
由于本征红外吸收层材料质量的提高，热辐射背景等非探测红外光源在本征吸收层所产生的暗电流减小。此外，通过M型势垒层，暗电流得到进一步抑制。同时，由于钝化层的存在，使得表面态引起的表面漏电流得到抑制。三方面同时作用，使得红外探测器的探测率得到提高，不同信号间的串扰也得到了明显抑制。
综上所述，本发明提供的短波/中波/长波三波段红外光电探测器中，M型势垒层的引入可有效地降低探测器的产生-复合暗电流以及隧穿暗电流，此外，势垒层对于各信号间的串扰也起到明显的抑制作用。本发明完成了一种高探测率、高响应度、高量子效率、高载流子迁移率、低暗电流和低串扰的新型短波(1～3μm)、中波(3～5μm)和长波(8～14μm)的三波段红外光电探测器原型器件结构设计。
Claims (17)
1.一种短波/中波/长波三波段红外探测器，其特征在于，包括GaSb衬底、沉积于GaSb衬底上的外延结构、钝化层、金属电极，所述外延结构从下至上包括依次连接的Te掺杂的GaSb缓冲层、n型InAs/GaSb超晶格接触层、M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层、p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层、p型InAs/GaSb超晶格接触层、p型GaSb接触层、p型InAs/InAsSb超晶格接触层、未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层、n型InAs/InAsSb超晶格接触层、n型GaSb接触层、n型InAs0.91Sb0.09接触层、非掺杂的InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层、p型InAs0.91Sb0.09接触层，外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，台阶的深度分别至n型InAs/GaSb超晶格接触层或Te掺杂GaSb缓冲层和n型InAs0.91Sb0.09接触层或n型GaSb接触层，金属电极包括金属下电极、金属中电极和金属上电极，金属下电极与Te掺杂GaSb缓冲层形成欧姆接触，金属中电极n型GaSb接触层形成欧姆接触，金属上电极形成于台阶的上方，与P型InAsSb接触层形成欧姆接触。
2.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，钝化层覆盖所述的台阶，并连接却不覆盖所述的金属下电极、金属中电极和金属上电极。
3.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，GaSb衬底采用(001)方向的n型GaSb衬底或者(001)方向的GaAs衬底。
4. 如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，Te掺杂的GaSb缓冲层的厚度为0.5~1μm，材料为采用Te进行n型掺杂的GaSb材料，其中Te掺杂浓度为1~2×1018 cm-3。
5.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，n型InAs/GaSb超晶格接触层由交替生长的GaSb势垒层/InAs势阱层组成，总厚度为0.4~0.6μm，其中，InAs势阱层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为1~2×1018cm-3，InAs势阱层为10~15ML（monolayer），GaSb势垒层为5~8ML（monolayer）。
6. 如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻挡层总厚度为0.3~0.8μm，其中，InAs层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为1~2×1018cm-3， InAs层为10~20ML（monolayer），而GaSb层和AlSb层为1~5ML（monolayer）。
7.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，p型InAs/GaSb超晶格长波红外吸收层由交替生长的GaSb势垒层和InAs势阱层组成，总厚度为1~6μm，其中，InAs势阱层和GaSb势垒层均为本征层，不进行掺杂，InAs势阱层为10~15ML（monolayer），GaSb势垒层为8~12ML（monolayer）。
8. 如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，p型InAs/GaSb超晶格接触层由交替生长的GaSb势垒层和InAs势阱层组成，总厚度为0.4~0.6μm，其中，GaSb势垒层的材料为掺杂元素Be的GaSb材料，Be掺杂浓度为1~2×1018 cm-3。
9. 如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，p型GaSb接触层的厚度为0.5~1μm，材料为采用Be进行p型掺杂的GaSb材料，其中Be掺杂浓度为1~2×1018 cm-3。
10. 如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，P型InAs/InAsSb超晶格接触层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6ML InAs0.73Sb0.27层组成，总厚度为0.4~0.9μm，其中，InAs层的材料采用Be掺杂的InAs材料，掺杂浓度为1~2×1018cm-3，每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6 ML。
11. 如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6ML InAs0.73Sb0.27层组成，总厚度为2~6μm，其中，InAs层和InAs0.73Sb0.27层均为本征层，不进行掺杂，每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML。
12. 如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，n型InAs/InAsSb超晶格接触层由交替生长的19.2ML InAs层和9.6ML InAs0.73Sb0.27层组成，总厚度为0.4~0.9μm，其中，InAs层的材料为掺杂元素Si的InAs材料，Si掺杂浓度为1~2×1018cm-3，每层InAs厚度为19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度为9.6ML。
13. 如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，n型GaSb接触层厚度为0.5~1μm，材料为采用Te进行n型掺杂的GaSb材料，其掺杂浓度为1~2×1018 cm-3。
14.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，n型InAs0.91Sb0.09接触层的厚度为0.3~0.8μm，n型InAs0.91Sb0.09接触层采用Si掺杂的InAs0.91Sb0.09材料，掺杂浓度为1~2×108cm-3。
15. 如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，非掺杂的InAs0.91Sb0.09短波红外吸收层，总厚度为2~6 μm。
16.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，p型InAs0.91Sb0.09接触层的厚度为0.3~0.8μm，p型InAs0.91Sb0.09接触层采用Be掺杂的InAs0.91Sb0.09材料，掺杂浓度为1~2×1018cm-3。
17.一种制备如权利要求1-16任一所述的红外探测器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将外延级的GaSb衬底装入分子束外延系统的进样室于200°C下进行低温除气处理2小时，再进入缓冲室内于500°C下进行高温除气处理40~90 分钟；
（2）将除气后的GaSb衬底转入生长室去除氧化层，N型GaSb (001)衬底在Sb2保护下升温，在衬底表面出现脱氧点时，在590°C~640°C下进行15-30分钟的脱氧，除去GaSb衬底表面上的氧化物，作为外延层的承载体；
（3）在外延层的承载体上生长外延结构，在外延结构材料生长完成以后，使用标准光刻技术和感应耦合等离子体干法刻蚀制作台阶，在台阶制作结束后，在台阶上溅射Ti/Pt/Au合金制备金属电极。
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