CN109817754A - 一种制作InSb红外探测器的材料结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制作InSb红外探测器的材料结构及其制备方法，该材料结构包括衬底、以及在衬底上依次生长的防漏电缓冲层、n型InSb重掺杂层、InSb本征吸收层、p型InSb轻掺杂层、p型AlInSb势垒层和p型InSb重掺杂层。制备方法是在衬底上采用MBE的方法依次生长防漏电缓冲层、n型InSb重掺杂层等。本发明通过防漏电缓冲层减少了InSb的缺陷密度和漏电流，采用p型重掺杂势垒层，降低了InSb红外探测器的在反偏电压下的暗电流和工作时的噪声电流，提高了探测率和最高工作温度。
Description
技术领域
本发明涉及制备红外线探测器的半导体材料技术领域，具体涉及一种制作InSb红外探测器的材料结构及其制备方法，和使用该材料结构制备的InSb红外探测器。
背景技术
红外探测器主要包括碲镉汞(TeCrHg)，锑化铟(InSb)等体材料红外探测器，以及量子点、量子阱、超晶格等二维结构材料红外探测器，其中在中红外波段，碲镉汞(TeCrHg)的探测率是最高的，所以目前应用广泛。但是，碲镉汞(TeCrHg)材料没有合适的衬底，并且Hg元素在生长过程中易扩散，因此制备高质量的碲镉汞(TeCrHg)材料比较困难，这些因素导致在制造大面积焦平面红外探测器的时候成品率较低，成本较高，同时碲镉汞(TeCrHg)红外探测器的工作温度较低，需要相应制冷设备来提供工作环境，这就促使人们不断寻找可以替换的新材料。
锑化铟(InSb)材料作为Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体材料，禁带宽度为0.17eV，使得它在中红外探测器领域能够有所应用。相比于TeCrHg材料，InSb材料制备的红外探测器具有更好的力学性能，更高的工作温度，更广泛的衬底材料，更方便的生产过程。目前大部分的InSb红外探测器材料都是采用PIN的结构，这种结构的暗电流会比较大，会降低器件的工作温度，因此InSb材料制造红外探测器的研究主要集中在如何减少暗电流，降低噪声，提高工作温度等方面。
InSb材料制备的红外探测器主要应用在中红外波段，目前主要的困难在于室温下工作时探测率较低。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种减少暗电流、降低噪声、提高工作温度的制作InSb红外探测器的材料结构。研究发现，室温下工作时，InSb材料制备的红外探测器的漏电流太大，因此降低了探测率，所以本发明采用InAlSb/InSb的超晶格的方法制备红外探测器可以利用其Al组分的变化增加InSb的势垒高度，将电子限制在InSb层中，从而减少其漏电流，提高室温探测率。采用AlInSb三元合金作为接触层与过渡层之间的势垒，能够有效的阻止InSb表面电子形成的漏电流，从而有效地降低的了InSb红外探测器暗电流，提高了器件的探测率和工作温度。
本发明提供的一种制作InSb红外探测器的材料结构，包括衬底(10)、防漏电缓冲层(20)、n型InSb重掺杂层(30)、InSb本征吸收层(40)、p型InSb轻掺杂层(50)、p型AlInSb势垒层(60)和p型InSb重掺杂层(70)；
防漏电缓冲层(20)为InSb/InAlSb的超晶格结构，生长在衬底(10)上；防漏电缓冲层(20)的结构为第一InAlSb层，其上生长第一InSb层，第一InSb层上再生长第二InAlSb层，第二InAlSb层上生长第二InSb层，第二InSb层上生长第三InAlSb层，第三InAlSb层上生长第三InSb层；
n型InSb重掺杂层(30)生长在防漏电缓冲层(20)上；
InSb本征吸收层(40)生长在n型InSb重掺杂层(30)上；
p型InSb轻掺杂层(50)生长在InSb本征吸收层(40)上；
p型AlInSb势垒层(60)生长在p型InSb轻掺杂层(50)上；
p型InSb重掺杂层(70)生长在p型AlInSb势垒层(60)上。
上述材料结构中，通过加入势垒层来阻挡电子的移动，降低了InSb红外探测器在反偏电压下的暗电流和工作时的噪声电流，提高了InSb红外探测器的探测率和最高工作温度，为室温下工作的InSb红外探测器提供了基础。
可选或优选的，上述材料结构中，所述衬底(10)的材料是半绝缘的(001)晶向的GaAs单晶衬底。半绝缘的衬底可以有效减少底部漏电流，对红外探测器是及其重要的，而且GaAs单晶衬底力学性能很好，价格便宜，可以降低红外探测器的成本。
可选或优选的，上述材料结构中，所述n型InSb重掺杂层(30)的掺杂浓度是2～4×1018cm-3，厚度为1000nm，掺杂剂是Te。该参数范围的n型InSb重掺杂层可以与金属电极形成较好的欧姆接触，减少接触电阻，提高红外探测器的探测率。
可选或优选的，上述材料结构中，所述InSb本征吸收层(40)是非故意掺杂的InSb薄膜，厚度为1000nm。该参数范围的InSb本征吸收层吸收红外辐射效果更好，产生光生载流子，在外电压的作用下获得信号。
本发明的目的之二，是提供以上任一所述材料结构的制备方法，操作简单，成本低。
上述材料结构的制备方法步骤如下：
步骤1：在衬底(10)上采用MBE的方法生长防漏电缓冲层(20)；
步骤2：在防漏电缓冲层(20)上采用MBE的方法生长n型InSb重掺杂层(30)；
步骤3：在n型InSb重掺杂层(30)上采用MBE的方法生长InSb本征吸收层(40)；
步骤4：在InSb本征吸收层(40)上采用MBE的方法生长p型InSb轻掺杂层(50)；
步骤5：在p型InSb轻掺杂层(50)上采用MBE的方法生长p型AlInSb势垒层(60)；
步骤6：在p型AlInSb势垒层(60)上采用MBE的方法生长p型InSb重掺杂层(70)，完成制备。
本发明的目的之三，是提供一种InSb红外探测器，具有暗电流低，探测率高、室温下即可工作的优点。该InSb红外探测器含有以上任意所述的材料结构。
本发明具有以下有益效果：
本发明制备InSb红外探测器的材料结构，采用InAlSb/InSb的超晶格的方法制备红外探测器可以利用其Al组分的变化增加InSb的势垒高度，将电子限制在InSb层中，从而减少其漏电流，提高室温探测率。采用AlInSb三元合金作为接触层与过渡层之间的势垒，能够有效的阻止InSb表面电子形成的漏电流，从而有效地降低的了InSb红外探测器暗电流，提高了器件的探测率和工作温度。另外，采用半绝缘的GaAs衬底来减少器件的成本。
附图说明
图1是实施例中制作InSb红外探测器的材料结构示意图；
图2是图1中的防漏电缓冲层20的结构示意图；
图3是制作InSb红外探测器的材料结构的制备流程图。
10衬底，20防漏电缓冲层，30n型InSb重掺杂层，40InSb本征吸收层，50p型InSb轻掺杂层，60p型AlInSb势垒层，70p型InSb重掺杂层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术构思作进一步说明，便于本领域技术人员更好地实施本发明。
请参阅图1及图2所示，一种制作InSb红外探测器的材料结构，其包括：
一衬底10，所述衬底10的材料是半绝缘的(001)晶向的GaAs单晶衬底；
半绝缘的衬底可以有效减少底部漏电流，对红外探测器是及其重要的，而且GaAs单晶衬底力学性能很好，价格便宜，可以降低红外探测器的成本。
一防漏电缓冲层20，其生长在衬底10上，该防漏电缓冲层20包括：第一InAlSb层，其上生长第一InSb层，第一InSb层上再生长第二InAlSb层，第二InAlSb层上生长第二InSb层，第二InSb层上生长第三InAlSb层，第三InAlSb层上生长第三InSb层。参见图2。
一n型InSb重掺杂层30，其生长在缓冲层20上，所述n型InSb重掺杂层30的掺杂浓度是2～4×1018cm-3，厚度为1000nm，掺杂剂是Te，该层主要是作为电荷传导层与金属电极形成较好的欧姆接触，减少接触电阻，提高红外探测器的探测率。
一InSb本征吸收层40，其生长在n型InSb重掺杂层30上，所述InSb本征吸收层40是非故意掺杂的InSb薄膜，厚度为1000nm，该层主要是用来吸收红外辐射，产生光生载流子，在外电压的作用下获得信号。
一p型InSb轻掺杂层50，其生长在InSb本征吸收层40上，所述p型InSb轻掺杂层50的掺杂浓度是2～4×1016cm-3，厚度为500nm，掺杂剂是Be，该层主要是作为重掺杂层和吸收层之间的过渡区域，有效防止掺杂源扩散到本征吸收区，有利于提高探测率。
一p型AlInSb势垒层60，生长在p型InSb轻掺杂层50上，所述p型AlInSb势垒层60的Al摩尔组分是0.17～0.20，掺杂浓度是2～4×1018cm-3，厚度为15nm～25nm，掺杂剂是Be。该层主要作用是提高导带的势垒，抑制InSb表面漏电流以及俄歇复合产生的漏电流，有效减少了暗电流和噪声，提高了探测器的探测率和工作温度。
一p型InSb重掺杂层70，生长在p型AlInSb势垒层60上，所述p型InSb重掺杂层70的掺杂浓度是2～4×1018cm-3，厚度为500nm，掺杂剂是Be，该层主要是作为电荷传导层与金属电极形成较好的欧姆接触，减少接触电阻，提高红外探测器的探测率。
分子束外延是一种新的晶体生长技术，简称为MBE。其方法是将半导体衬底和装有不同元素的半导体单晶物质喷射炉放置在超高真空的生长腔体中，由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄(可至单原子层)的单晶薄膜。该方法生长温度较低，能严格控制外延层的层厚、组分和掺杂浓度，可以生长出质量较好的外延材料。
请参阅图3，并结合参阅图1和图2所示，一种InSb红外探测器材料结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在衬底10上采用MBE的方法生长防漏电缓冲层20，所述衬底10的材料是半绝缘的(001)晶向的GaAs单晶衬底，该缓冲层20包括：衬底10上生长第一InAlSb层，其上生长第一InSb层，第一InSb层上再生长第二InAlSb层，第二InAlSb层上生长第二InSb层，第二InSb层上生长第三InAlSb层，第三InAlSb层上生长第三InSb层；
步骤2：在防漏电缓冲层20上采用MBE的方法生长n型InSb重掺杂层30，所述n型InSb重掺杂层30的掺杂浓度是2～4×1018cm-3，厚度为1000nm，掺杂剂是Te。
步骤3：在n型InSb重掺杂层30上采用MBE的方法生长InSb本征吸收层40，所述InSb本征吸收层40是非故意掺杂的InSb薄膜，厚度为1000nm。
步骤4：在InSb本征吸收层40上采用MBE的方法生长p型InSb轻掺杂层50，所述p型InSb轻掺杂层50的掺杂浓度是2～4×1016cm-3，厚度为500nm，掺杂剂是Be。
步骤5：在p型InSb轻掺杂层50上采用MBE的方法生长p型AlInSb势垒层60，所述p型AlInSb势垒层60的Al摩尔组分是0.17-0.20，掺杂浓度是2～4×1018cm-3，厚度为15nm～25nm，掺杂剂是Be。
步骤6：在p型AlInSb势垒层60上采用MBE的方法生长p型InSb重掺杂层70，所述p型InSb重掺杂层70的掺杂浓度是2～4×1018cm-3，厚度为500nm，掺杂剂是Be，完成制备。
采用InAlSb/InSb的超晶格的方法制备红外探测器可以利用其Al组分的变化增加InSb的势垒高度，将电子限制在InSb层中，从而减少其漏电流，提高室温检测率。采用AlInSb三元合金作为接触层与过渡层之间的势垒，能够有效的阻止InSb表面电子形成的漏电流，从而有效地降低的了InSb红外探测器暗电流，提高了器件的探测率和工作温度。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种制作InSb红外探测器的材料结构，其特征在于，包括衬底(10)、防漏电缓冲层(20)、n型InSb重掺杂层(30)、InSb本征吸收层(40)、p型InSb轻掺杂层(50)、p型AlInSb势垒层(60)和p型InSb重掺杂层(70)；
防漏电缓冲层(20)为InSb/InAlSb的超晶格结构，生长在衬底(10)上；防漏电缓冲层(20)的结构为第一InAlSb层，其上生长第一InSb层，第一InSb层上再生长第二InAlSb层，第二InAlSb层上生长第二InSb层，第二InSb层上生长第三InAlSb层，第三InAlSb层上生长第三InSb层；
n型InSb重掺杂层(30)生长在防漏电缓冲层(20)上；
InSb本征吸收层(40)生长在n型InSb重掺杂层(30)上；
p型InSb轻掺杂层(50)生长在InSb本征吸收层(40)上；
p型AlInSb势垒层(60)生长在p型InSb轻掺杂层(50)上；
p型InSb重掺杂层(70)生长在p型AlInSb势垒层(60)上。
2.根据权利要求1所述的材料结构，其特征在于，所述衬底(10)的材料是半绝缘的(001)晶向的GaAs单晶衬底。
3.根据权利要求1所述的材料结构，其特征在于，所述n型InSb重掺杂层(30)的掺杂浓度是2-4×1018cm-3，厚度为1000nm，掺杂剂是Te。
4.根据权利要求1所述的材料结构，其特征在于，所述InSb本征吸收层(40)是非故意掺杂的InSb薄膜，厚度为1000nm。
5.权利要求1～4任一所述材料结构的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：在衬底(10)上采用MBE的方法生长防漏电缓冲层(20)；
步骤2：在防漏电缓冲层(20)上采用MBE的方法生长n型InSb重掺杂层(30)；
步骤3：在n型InSb重掺杂层(30)上采用MBE的方法生长InSb本征吸收层(40)；
步骤4：在InSb本征吸收层(40)上采用MBE的方法生长p型InSb轻掺杂层(50)；
步骤5：在p型InSb轻掺杂层(50)上采用MBE的方法生长p型AlInSb势垒层(60)；
步骤6：在p型AlInSb势垒层(60)上采用MBE的方法生长p型InSb重掺杂层(70)，完成制备。
6.一种InSb红外探测器，其特征在于，含有权利要求1～4任一所述的材料结构。
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