CN109494277A - 一种长波红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长波红外探测器，其组成包括：衬底、外延薄膜和横向导电电极，所述的衬底上方为外延薄膜，所述的外延薄膜上形成掺杂区域，所述的掺杂区域形成纵向量子阱阵列，所述的纵向量子阱阵列上设置有一对横向导电电极，所述的横向导电电极之间通过导线连接电流表和电池。该装置将MSM探测器的快响特点与量子阱的长波红外响应特点结合起来，当量子阱深度足够大时能够对信号光充分吸收，且无须复杂的光耦合结构工艺，极大地简化了工艺流程，减少了制作难度，增加了光响应效率，由于采用离子注入掺杂工艺形成量子阱结构，因此衬底选择范围广，同时外延结构生长工艺和制作工艺简单，易于集成。
Description
技术领域
本发明涉及多量子阱红外探测器技术领域，具体为一种长波红外探测器及其制作方法。
背景技术
MSM光电探测器具有响应速度快，工艺简单，成本低，易于集成，寄生电容小等优点，具有其它探测器不可替代的作用，但是，由于MSM探测器的制作仅限于带间跃迁且具有较宽带隙的半导体材料，因此其响应波段仅限于紫外可见至短波红外波段，限制了它在长波红外波段的应用。虽然组分掺杂量子阱/点和调制掺杂量子阱材料的子带吸收可以响应长波红外光，但各有缺点，使之难以应用于MSM光电探测器件中；
对于组分掺杂的常规多量子阱/点结构，由于MSM探测器是光电子横向输运器件，量子阱在横向上是非量子化而不响应长波红外波段，且横向上掺杂的连续性而不能用于横向传输光电子信号；而目前量子点结构探测器的量子效率小于1％，也使得它在MSM探测器方面的应用受到限制。
掺杂调制的多量子阱也具有长波红外响应，但由于采用MOCVD或MBE外延生长的薄膜，只能在垂直于生长方向的面内进行掺杂。根据量子阱子带跃迁的选择定则，仅当光的电矢量垂直于量子阱生长面时才响应。因此对调制掺杂多量子阱来说，它只能响应非垂直入射的光，且只能采用纵向输运的方式进行光探测。另外，由于调制掺杂只能形成量子阱结构，因此横向上为连续掺杂，不能用于光电子的横向传输器件。
因此，基于当前电子束/离子束刻蚀、离子注入掺杂等成熟的工艺条件，能够实现的纵向掺杂量子阱阵列结构，可以满足对垂直入射信号光的响应和横向输运两大要求：纵向量子阱，能够在无须表面耦合工艺的基础上对入射信号光响应，当纵向量子阱足够深时，能够提高光响应；在横向上，由于阵列结构，因此在横向偏压条件下，易于形成光电子的横向输运。
总之，纵向掺杂形成的量子阱阵列MSM光电探测器件，在MSM探测器高速响应的基础上，可以实现有效的长波红外探测，扩展了MSM器件的响应波长，是具有显著实用价值的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长波红外探测器及其制作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种长波红外探测器，其组成包括：衬底、外延薄膜和横向导电电极，所述的衬底上方为外延薄膜，所述的外延薄膜上形成掺杂区域，所述的掺杂区域形成纵向量子阱阵列，所述的纵向量子阱阵列上设置有一对横向导电电极，所述的横向导电电极之间通过导线连接电流表和电池。
优选的，所述的长波红外探测器，所述的纵向量子阱阵列的外延薄膜利用离子注入掺杂技术形成的纵向n型掺杂的量子阱阵列，其中，纵向掺杂深度0.1-10微米，每一孔径1-30纳米，n型掺杂浓度≥1017cm-3，其中，纵向掺杂量子阱阵列中，各量子阱分别具有相同的深度、孔径和掺杂浓度值。
优选的，所述的长波红外探测器，所述的衬底为高质量的半导体单晶材料衬底或透明玻璃及石英衬底或塑料衬底或柔性衬底，所述的柔性衬底为不锈钢柔性衬底或聚酯膜柔性衬底。
优选的，所述的长波红外探测器，所述的横向导电电极，是制作在外延薄膜表面的横向金属或铟锡氧化物半导体透明导电膜叉指电极。
优选的，所述的长波红外探测器的其制作方法，首先，利用金属有机气相沉积或分子束外延薄膜生长技术，在衬底上，外延一层或两层本征或非故意P型掺杂的半导体外延薄膜，其中，外延层厚度0.1-10微米，掺杂浓度≤1016cm-3量级，P型掺杂材料因半导体外延薄膜不同而不同；
其次，在上述半导体外延薄膜表面，制作掩蔽膜SiO2膜或光刻胶；
然后，利用电子束/离子束光刻蚀技术，在掩蔽膜上刻蚀出1-30纳米的孔阵列，露出半导体外延薄膜，其中，30纳米≤相邻孔中心间距≤100纳米，同时相邻孔边缘最近距离≥30纳米，阵列形状可根据不同要求进行设计；
再者，在垂直表面方向上，利用离子注入掺杂技术，经过表面孔阵列注入n型掺杂材料，沿垂直表面方向上，在外延薄膜上形成直径1-30纳米的纵向n型重掺杂区域，掺杂区域形成纵向量子阱阵列，其中，掺杂浓度≥1017cm-3且均匀，离子注入深度0.1-10微米且均匀；
最后，除去掩蔽膜，在半导体外延薄膜制作横向导电电极，另外，当信号光采用背面入射时，半导体衬底进行减薄工艺处理。
优选的，所述的长波红外探测器的其制作方法，所述的高质量半导体单晶衬底为Si、GaAs、InP、GaN、GaSb、SiC、Ge、Al2O3、C的任一种，P型掺杂材料因半导体外延薄膜不同而不同，当采用高质量半导体单晶为衬底时，外延单晶薄膜材料选择如下：
Si基：Si，SiGe，SiC；
GaAs基：GaAs，GaAlAs，AlAs，GaP，GaAsP，GaAlAs/GaAs，GaAs/GaAsP；
InP基：InP，InGaAsP，InGaAs，InGaAs/InP，InGaAsP/InP，GaAsSb，GaAsSb/InP；
GaN基：GaN，GaAlN，AlN，InGaN，InN，GaAlN/GaN，InGaN/GaN；
GaSb基：GaSb，AlGaSb，InGaSb，AlGaSb/GaSb；
SiC基：SiC，GaN，AlN，C；
Al2O3基：Al2O3，ZnO，GaN，GaAlN，GaAlN/GaN；
C基：C；
优选的，所述的长波红外探测器的其制作方法，所述的衬底为透明玻璃和石英衬底或塑料衬底或柔性衬底，此时纵向掺杂量子阱阵列的外延薄膜材料是高阻非晶半导体材料，如下任一种：非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶碳化硅、非晶砷化镓、非晶碳。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该装置将MSM探测器的快响特点与量子阱的长波红外响应特点结合起来，将MSM探测器的响应波长延伸到了长波红外波段，由于量子阱方向与光入射方向一致，因此能够直接响应垂直入的信号光，当量子阱深度足够大时能够对信号光充分吸收，且无须复杂的光耦合结构工艺，如耦合光栅等，极大地简化了工艺流程，减少了制作难度，增加了光响应效率，由于重掺杂区域深入到材料内部，因此偏压条件下将形成利于电子输运的均匀电场，且偏压较大时因电子倍增而能形成光增益，由于采用离子注入掺杂工艺形成量子阱结构，因此衬底选择范围广，从单晶半导体到非晶半导体均可用于本发明，同时外延结构生长工艺和制作工艺简单，易于集成。
附图说明
图1是本发明纵向掺杂量子阱阵列MSM探测器的工作原理图；
图2是本发明纵向掺杂量子阱阵列MSM探测器的结构示意图；
图3是纵向掺杂量子阱阵列部分的纵向剖面图。
图中：1、衬底，2、外延薄膜，3、横向导电电极，4、纵向量子阱阵列，5、电流表，6、电池。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：
实施例1：
一种长波红外探测器，其组成包括：衬底1、外延薄膜2和横向导电电极3，所述的衬底1上方为外延薄膜2，所述的外延薄膜2上形成掺杂区域，所述的掺杂区域形成纵向量子阱阵列4，所述的纵向量子阱阵列4上设置有一对横向导电电极3，所述的横向导电电极3之间通过导线连接电流表5和电池6。
实施例2：
根据实施例1所述的长波红外探测器，所述的纵向量子阱阵列4的外延薄膜利用离子注入掺杂技术形成的纵向n型掺杂的量子阱阵列，其中，纵向掺杂深度0.1-10微米，每一孔径1-30纳米，n型掺杂浓度≥1017cm-3，其中，纵向掺杂量子阱阵列中，各量子阱分别具有相同的深度、孔径和掺杂浓度值。
实施例3：
根据实施例1或2所述的长波红外探测器，所述的衬底1为高质量的半导体单晶材料衬底或透明玻璃及石英衬底或塑料衬底或柔性衬底，所述的柔性衬底为不锈钢柔性衬底或聚酯膜柔性衬底。
实施例4：
根据实施例1或2或3所述的长波红外探测器，所述的横向导电电极3，是制作在外延薄膜表面的横向金属或铟锡氧化物半导体透明导电膜叉指电极。
实施例5：
根据实施例1或2或3或4所述的长波红外探测器的其制作方法，首先，利用金属有机气相沉积或分子束外延薄膜生长技术，在衬底上，外延一层或两层本征或非故意P型掺杂的半导体外延薄膜，其中，外延层厚度0.1-10微米，掺杂浓度≤1016cm-3量级，P型掺杂材料因半导体外延薄膜不同而不同；
其次，在上述半导体外延薄膜表面，制作掩蔽膜SiO2膜或光刻胶；
然后，利用电子束/离子束光刻蚀技术，在掩蔽膜上刻蚀出1-30纳米的孔阵列，露出半导体外延薄膜，其中，30纳米≤相邻孔中心间距≤100纳米，同时相邻孔边缘最近距离≥30纳米，阵列形状可根据不同要求进行设计；
再者，在垂直表面方向上，利用离子注入掺杂技术，经过表面孔阵列注入n型掺杂材料，沿垂直表面方向上，在外延薄膜上形成直径1-30纳米的纵向n型重掺杂区域，掺杂区域形成纵向量子阱阵列，其中，掺杂浓度≥1017cm-3且均匀，离子注入深度0.1-10微米且均匀；
最后，除去掩蔽膜，在半导体外延薄膜制作横向导电电极，另外，当信号光采用背面入射时，半导体衬底进行减薄工艺处理。
实施例6：
根据实施例1或2或3或4或5所述的长波红外探测器的其制作方法，所述的高质量半导体单晶衬底为Si、GaAs、InP、GaN、GaSb、SiC、Ge、Al2O3(蓝宝石)、C(金刚石)的任一种，P型掺杂材料因半导体外延薄膜不同而不同，当采用高质量半导体单晶为衬底时，外延单晶薄膜材料选择如下：
Si基：Si，SiGe，SiC；
GaAs基：GaAs，GaAlAs，AlAs，GaP，GaAsP，GaAlAs/GaAs，GaAs/GaAsP；
InP基：InP，InGaAsP，InGaAs，InGaAs/InP，InGaAsP/InP，GaAsSb，GaAsSb/InP；
GaN基：GaN，GaAlN，AlN，InGaN，InN，GaAlN/GaN，InGaN/GaN；
GaSb基：GaSb，AlGaSb，InGaSb，AlGaSb/GaSb；
SiC基：SiC，GaN，AlN，C；
Al2O3基：Al2O3，ZnO，GaN，GaAlN，GaAlN/GaN；
C基：C；
实施例7：
根据实施例1或2或3或4或5或6所述的长波红外探测器的其制作方法，所述的衬底为透明玻璃和石英衬底或塑料衬底或柔性衬底，此时纵向掺杂量子阱阵列的外延薄膜材料是高阻非晶半导体材料，如下任一种：非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶碳化硅、非晶砷化镓、非晶碳。
实施例8：
根据实施例1或2或3或4或5或6或7所述的长波红外探测器的其制作方法，下面结合图对本发明纵向掺杂量子阱阵列MSM探测器的光电探测原理进行阐述：见图1，首先，在纵向掺杂形成的量子阱内，形成2-3个束缚态，其余激发态处于阱口附近或处于连续态，在红外信号光照射下，处于束缚态上的电子向处于阱口或连续态的激发态跃迁，形成自由光电子；然后，在横向偏压条件下，处于激发态的自由光电子被收集形成光电流。
为进一步清晰阐述该探测器的工作原理，下面以Si基纵向掺杂的多量子阱阵列为实施例进行阐述。
1.纵向掺杂的量子阱阵列的制备：
(1)半导体外延薄膜的生长：
利用金属有机气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)薄膜生长技术，在半绝缘Si衬底1上外延生长3微米厚的Si薄膜2，外延薄膜2的P型掺杂浓度为1015cm-3。
(2)纵向掺杂形成量子阱阵列的过程：
首先在Si外延薄膜2上，制作一层厚度0.3-2微米的SiO2层；其次电子束/离子束光刻蚀技术，在掩蔽膜上刻蚀出直径5纳米、孔中心间距50纳米的孔阵列，露出Si外延薄膜2；然后利用离子注入掺杂技术，经上述孔阵列垂直注入n型掺杂材料，形成掺杂均匀、深度约3微米的量子阱阵列，利用湿法刻蚀除去SiO2膜，得到纵向掺杂的量子阱阵列4，见图3。其中n型掺杂浓度1018cm-3。
(3)电极的制作：
在量子阱阵列4上，制作横向金属叉指电极3，见图2。
工作过程
将器件放置在≤100K的低温环境中，红外信号光照射到量子阱阵列4上，将金属叉指电极3加上偏压，信号光将处于基态和第一激发态的束缚态电子，激发到第二激发态的连续态，在偏压下，光电子横向漂移至叉指电极3，获得光电流信号。
本发明的核心在于，利用电子束/离子束光刻蚀技术和离子注入掺杂技术，在半导体外延薄膜上纵向掺杂而形成量子阱阵列，通过横向偏压实现该MSM结构对长波红外波段的探测。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种长波红外探测器，其组成包括：衬底(1)、外延薄膜(2)和横向导电电极(3)，其特征是：所述的衬底(1)上方为外延薄膜(2)，所述的外延薄膜(2)上形成掺杂区域，所述的掺杂区域形成纵向量子阱阵列(4)，所述的纵向量子阱阵列(4)上设置有一对横向导电电极(3)，所述的横向导电电极(3)之间通过导线连接电流表(5)和电池(6)。
2.根据权利要求1所述的长波红外探测器，其特征是：所述的纵向量子阱阵列(4)的外延薄膜利用离子注入掺杂技术形成的纵向n型掺杂的量子阱阵列，其中，纵向掺杂深度0.1-10微米，每一孔径1-30纳米，n型掺杂浓度≥1017cm-3，其中，纵向掺杂量子阱阵列中，各量子阱分别具有相同的深度、孔径和掺杂浓度值。
3.根据权利要求1所述的长波红外探测器，其特征是：所述的衬底(1)为高质量的半导体单晶材料衬底或透明玻璃及石英衬底或塑料衬底或柔性衬底，所述的柔性衬底为不锈钢柔性衬底或聚酯膜柔性衬底。
4.根据权利要求1所述的长波红外探测器，其特征是：所述的横向导电电极(3)，是制作在外延薄膜表面的横向金属或铟锡氧化物半导体透明导电膜叉指电极。
5.根据权利要求3所述的长波红外探测器的其制作方法，其特征是：首先，利用金属有机气相沉积或分子束外延薄膜生长技术，在衬底上，外延一层或两层本征或非故意P型掺杂的半导体外延薄膜，其中，外延层厚度0.1-10微米，掺杂浓度≤1016cm-3量级，P型掺杂材料因半导体外延薄膜不同而不同；
其次，在上述半导体外延薄膜表面，制作掩蔽膜SiO2膜或光刻胶；
然后，利用电子束/离子束光刻蚀技术，在掩蔽膜上刻蚀出1-30纳米的孔阵列，露出半导体外延薄膜，其中，30纳米≤相邻孔中心间距≤100纳米，同时相邻孔边缘最近距离≥30纳米，阵列形状可根据不同要求进行设计；
再者，在垂直表面方向上，利用离子注入掺杂技术，经过表面孔阵列注入n型掺杂材料，沿垂直表面方向上，在外延薄膜上形成直径1-30纳米的纵向n型重掺杂区域，掺杂区域形成纵向量子阱阵列，其中，掺杂浓度≥1017cm-3且均匀，离子注入深度0.1-10微米且均匀；
最后，除去掩蔽膜，在半导体外延薄膜制作横向导电电极，另外，当信号光采用背面入射时，半导体衬底进行减薄工艺处理。
6.根据权利要求5所述的长波红外探测器的其制作方法，其特征是：所述的高质量半导体单晶衬底为Si、GaAs、InP、GaN、GaSb、SiC、Ge、Al2O3、C的任一种，P型掺杂材料因半导体外延薄膜不同而不同，当采用高质量半导体单晶为衬底时，外延单晶薄膜材料选择如下：
Si基：Si，SiGe，SiC；
GaAs基：GaAs，GaAlAs，AlAs，GaP，GaAsP，GaAlAs/GaAs，GaAs/GaAsP；
InP基：InP，InGaAsP，InGaAs，InGaAs/InP，InGaAsP/InP，GaAsSb，GaAsSb/InP；
GaN基：GaN，GaAlN，AlN，InGaN，InN，GaAlN/GaN，InGaN/GaN；
GaSb基：GaSb，AlGaSb，InGaSb，AlGaSb/GaSb；
SiC基：SiC，GaN，AlN，C；
Al2O3基：Al2O3，ZnO，GaN，GaAlN，GaAlN/GaN；
C基：C。
7.根据权利要求5所述的长波红外探测器的其制作方法，其特征是：所述的衬底为透明玻璃和石英衬底或塑料衬底或柔性衬底，此时纵向掺杂量子阱阵列的外延薄膜材料是高阻非晶半导体材料，如下任一种：非晶硅、非晶锗、非晶锗硅、非晶碳化硅、非晶砷化镓、非晶碳。
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