CN110311000B - 二类超晶格雪崩光电探测器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种二类超晶格雪崩光电探测器及其制备方法，包括：衬底；缓冲层，位于所述衬底上；N型欧姆接触层，位于所述缓冲层上，为N型InAs/GaSb超晶格；雪崩倍增层，覆于部分所述欧姆接触层之上，未被覆盖的欧姆接触层形成一台面；光吸收层，位于所述雪崩倍增层上，为InAs/GaSb超晶格，用于探测红外光；P型欧姆接触层，位于所述光吸收层上；钝化层，覆于所述台面的部分上表面并开设有第一电极窗口，同时覆盖所述P型欧姆接触层上表面边缘处，并开设有第二电极窗口；以及还覆于所述雪崩倍增层、光吸收层、P型欧姆接触层的侧面；P电极，位于所述第二电极窗口内，居中裸露P型欧姆接触层区域作为通光孔；以及N电极，位于所述台面上的第一电极窗口内。

Description

二类超晶格雪崩光电探测器及其制作方法
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种二类超晶格雪崩光电探测器及其制作方法，其为红外波段的倍增区与吸收区分离的InAs/GaSb二类超晶格雪崩光电探测器。
背景技术
红外探测技术不论在军事领域还是民用领域均有非常广泛的应用。在现代军事领域中，被动红外探测技术由于其准确可靠、反应迅速、保密性强、抗电子干扰性强等无可比拟的优势，越来越被人们所重视。在遥感、导航、火灾监控等民用领域，红外探测技术也发挥着重要的作用。对于InAs/GaSb二类超晶格材料来说，由于其独特的能带结构，InAs材料导带底能量比GaSb材料价带顶能量大约低0.2eV，因此具备了很多独特的性质。InAs/GaSb二类超晶格作为红外探测器量子效率高，均匀性好，基于较为成熟的III/V族半导体生长工艺成本低，生长质量好，吸收带隙可调，是理想的红外探测材料。而且InAs和GaSb的晶格常数接近，通过调节InAs和GaSb的厚度和界面类型，仍然能够与GaSb衬底匹配。
然而由于大气环境的复杂性，在大气层中传输的红外光会被CO，CO2，水蒸气等吸收，造成信号大幅度的衰减，降低探测效率。雪崩光电探测器因为能够显著提高光探测的响应度，因此在光纤传输、制导感测、激光雷达等军民领域被广泛应用。综合考虑以上因素，使用InAs/GaSb二类超晶格材料制作雪崩光电探测器，能够在探测红外光的同时，提供更高的响应度，从而满足极端条件下的工作要求。但是红外波段的InAs/GaSb超晶格材料禁带宽度窄，外加高电压后暗电流大，会降低信噪比。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种二类超晶格雪崩光电探测器及其制作方法，以缓解现有技术中雪崩光电探测器中红外波段的InAs/GaSb超晶格材料禁带宽度窄，外加高电压后暗电流大，会降低信噪比等技术问题。
(二)技术方案
本公开的一个方面，提供一种二类超晶格雪崩光电探测器，包括：衬底1，制备材料包括GaSb；缓冲层2，位于所述衬底上，制备材料包括不掺杂的GaSb；N型欧姆接触层3，位于所述缓冲层上，制备材料包括N型InAs/GaSb超晶格；雪崩倍增层4，覆于部分所述欧姆接触层3之上，未被覆盖的欧姆接触层3形成一台面；光吸收层5，位于所述雪崩倍增层4上，制备材料包括InAs/GaSb超晶格，用于探测红外光；P型欧姆接触层6，位于所述光吸收层5上；钝化层7，覆于所述台面的部分上表面并开设有第一电极窗口，同时覆盖所述P型欧姆接触层6上表面边缘处，并开设有第二电极窗口；以及还覆于所述雪崩倍增层4、光吸收层、P型欧姆接触层6的侧面；P电极8，位于所述第二电极窗口内，居中裸露P型欧姆接触层6区域作为通光孔7a；以及N电极9，位于所述台面上的第一电极窗口内。
在本公开实施例中，所述雪崩倍增层4由下至上包括：电荷层4a，制备材料包括N型InAlAs/AlInAsSb；雪崩倍增区4b，制备材料包括不掺杂的I型InAlAs/AlInAsSb；以及电荷截止层4c，制备材料包括P型InAlAs/AlInAsSb。
在本公开实施例中，所述P型欧姆接触层6，由下至上包括：下欧姆接触层6a，制备材料包括P型InAs/GaSb超晶格；以及上欧姆接触层6b，制备材料包括P型InAs。
在本公开实施例中，所述电荷层4a，雪崩倍增区4b，以及电荷截止层4c的制备材料均由InAlAs和AlInAsSb材料交替排列、多周期重复组成。
在本公开实施例中，每个周期内所述的InAlAs材料中In的组分为0.90～0.92；Al的组分为0.08～0.10；每个周期内所述的AlInAsSb材料中Al和Sb的组分为0.4～0.6，In和As的组分为0.4～0.6。
在本公开实施例中，所述InAlAs材料的厚度为8～12nm，所述AlInAsSb材料的厚度为8～12nm。
在本公开实施例中，所述电荷层4a的掺杂浓度为5×1017～1×1018cm-3，所述雪崩倍增区4b非有意掺杂，所述电荷截止层4c的掺杂浓度为5×1017～1×1018cm-3。
在本公开实施例中，所述钝化层7的制备材料包括ZnS。
在本公开的另一方面，提供一种二类超晶格雪崩光电探测器的制备方法，用于制备如上任一项所述的二类超晶格雪崩光电探测器，所述二类超晶格雪崩光电探测器的制备方法，包括：步骤A：制备外延片；步骤B：在步骤A制备好的外延片上去除边缘部分至N型欧姆接触层3形成台面结构并制备钝化层；以及步骤C：在步骤B加工完台面结构的外延片上制作电极及通光孔，完成二类超晶格雪崩光电探测器的制作。
在本公开实施例中，所述步骤A中，在GaSb衬底1上面，依次外延生长缓冲层2，N型欧姆接触层3，雪崩倍增层4，光吸收层5，以及P型欧姆接触层6；所述步骤B中，运用半导体工艺技术进行台面结构的加工，把加工后的外延片放入60℃的(NH4)2S溶液中浸泡10min作为钝化前的处理，接着采用电子束沉积的方法将外延片沉积400±30nm的钝化层，光刻并腐蚀钝化层预留通光孔和用于制作电极的第一电极窗口和第二电极窗口。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开二类超晶格雪崩光电探测器及其制作方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)能够响应短波到长波红外并提供雪崩增益；
(2)既能扩展波长范围，又能保持较低的暗电流，从而提高探测器的性能；
(3)能提高信噪比。
附图说明
图1是本公开实施例二类超晶格雪崩光电探测器的结构示意图。
图2是本公开实施例二类超晶格雪崩光电探测器的更具体的结构示意图。
图3是本公开实施例二类超晶格雪崩光电探测器的制备方法流程图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-衬底；2-缓冲层；3-N型欧姆接触层；4-雪崩倍增层；
4a-电荷层；4b-雪崩倍增区；4c-电荷截止层；5-光吸收层；
6-P型欧姆接触层；6a-下姆接触层；6b-上欧姆接触层；
7-钝化层；7a-通光孔；8-P电极；9-N电极。
具体实施方式
本公开提供了一种二类超晶格雪崩光电探测器及其制作方法，采用晶格常数与GaSb衬底匹配的InAlAs和AlInAsSb多元化合物，因为他们特殊的能带结构，把他们交替排列在一起形成阶梯状导带，实现依次倍增的作用。同时由于InAlAs和AlInAsSb的带隙较大，在高电压下暗电流更低。使用InAs/GaSb超晶格作为光吸收区和InAlAs/AlInAsSb交替结构作为倍增区组成的雪崩光电探测器能够实现红外短波到长波的高灵敏低噪声探测。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种二类超晶格雪崩光电探测器，结合图1和图2所示，所述二类超晶格雪崩光电探测器，包括：
衬底1，制备材料包括GaSb；
缓冲层2，位于所述衬底上，制备材料包括不掺杂的GaSb；
N型欧姆接触层3，位于所述缓冲层上，制备材料包括N型InAs/GaSb超晶格；
雪崩倍增层4，覆于部分所述欧姆接触层3之上，未被覆盖的欧姆接触层3形成一台面，所述雪崩倍增层4由下至上包括：
电荷层4a，制备材料包括N型InAlAs/AlInAsSb；
雪崩倍增区4b，制备材料包括不掺杂的I型InAlAs/AlInAsSb；
电荷截止层4c，制备材料包括P型InAlAs/AlInAsSb；
光吸收层5，位于所述雪崩倍增层4上，制备材料包括InAs/GaSb超晶格，用于探测红外光；
P型欧姆接触层6，位于所述光吸收层5上，由下至上包括：
下欧姆接触层6a，制备材料包括P型InAs/GaSb超晶格；
上欧姆接触层6b，制备材料包括P型InAs；
钝化层7，覆于所述台面的部分上表面并开设有第一电极窗口，同时覆盖所述P型欧姆接触层6上表面边缘处，并开设有第二电极窗口；以及还覆于所述雪崩倍增层4、光吸收层、P型欧姆接触层6的侧面；
P电极8，位于所述P型欧姆接触层6上表面的第二电极窗口内，居中裸露P型欧姆接触层6区域作为通光孔7a；
N电极9，位于所述台面上的第一电极窗口内；
在本公开实施例中，所述电荷层4a，雪崩倍增区4b，以及电荷截止层4c的制备材料均由InAlAs和AlInAsSb材料交替排列、周期重复多次组成；每个周期内所述的InAlAs材料中In的组分为0.90～0.92，Al的组分为0.08～0.10；每个周期内所述的AlInAsSb材料中Al和Sb的组分为0.4～0.6，In和As的组分为0.4～0.6。
雪崩倍增层所述InAlAs材料的厚度为8～12nm，雪崩倍增层所述AlInAsSb材料的厚度为8～12nm。
雪崩倍增层中所述N型电荷层4a的掺杂浓度为5×1017～1×1018cm-3，所述雪崩倍增区(本征层)4b非有意掺杂，所述P型电荷截止层4c的掺杂浓度为5×1017～1×1018cm-3。
所述光吸收层5由InAs/GaSb超晶格材料制成，所述InAs/GaSb超晶格材料由交替生长的InAs层和GaSb层组成，所述InAs层和GaSb层的厚度由所要制造的雪崩光电探测器的工作波段确定。
所述N型欧姆接触层的掺杂浓度为5×1017～2×1018cm-3，所述P型欧姆接触层的掺杂浓度为5×1017～2×1018cm-3。
所述钝化层由ZnS制成，或者其他任何具有抑制表面电流作用的材料制成。
本公开的优点在于，其光吸收层采用了InAs/GaSb超晶格，这种材料能够通过调整GaSb与InAs的厚度，使带隙覆盖从短波红外到长波红外。利用吸收区与倍增区分离的结构又保证了带隙较窄的吸收区中电场强度低，既能扩展波长范围，又能保持较低的暗电流，从而提高探测器的性能。
雪崩倍增层采用InAlAs/AlInAsSb交替结构，由于InAlAs和AlInAsSb的晶格常数与GaSb衬底匹配，因此能够生长出高质量的材料，有利于提高器件性能。InAlAs和AlInAsSb由于其独特的能带结构，吸收区产生的光电子可以在InAlAs和AlInAsSb中阶梯加速，然后在下一个InAlAs层中碰撞电离，并循环重复该过程多次直到离开雪崩倍增层。
电荷截止层在光吸收层和倍增层之间，由P型掺杂的InAlAs/AlInAsSb交替结构组成，使得加在器件上的大部分电场分布于N型电极和截止层之间，不但让倍增区保持了高电场，利于电子的倍增，还能使得光吸收层的电场较小，减小暗电流。
在本公开中，还提供一种二类超晶格雪崩光电探测器的制备方法，用于制备以上所述的二类超晶格雪崩光电探测器，如图3所示，所述二类超晶格雪崩光电探测器的制备方法，包括：
步骤A：制备外延片；
在GaSb衬底1上，采用分子束外延(MBE)设备系统，通过分子束外延方法生长器件结构，但不限定于此种方法。具体步骤如下：
步骤A1：在GaSb衬底1上面，依次外延生长缓冲层2，N型欧姆接触层3，雪崩倍增层4，光吸收层5，以及P型欧姆接触层6；
如图2所示，在GaSb衬底1上面，依次外延生长下面几层：厚度为0.5μm的非有意掺杂的GaSb缓冲层2；载流子浓度为2×1018cm-3，厚度为0.5μm的N型InAs/GaSb超晶格欧姆接触层3；厚度为0.2μm、载流子浓度为2×1018em-3的N型InAlAs/AlInAsSb交替结构电荷层4a；厚度为0.3μm、非有意掺杂的InAlAs/AlInAsSb交替结构雪崩倍增层4b；厚度为50nm、载流子浓度为3×1017cm-3的P型InAlAs/AlInAsSb交替结构电荷截止层4c；非有意掺杂、厚度为1.5μm的InAs/GaSb超晶格光吸收层5；厚度为0.5μm、载流子浓度为2×1018cm-3的P型InAs/GaSb超晶格欧姆接触层6a；厚度为20nm，载流子浓度为2×1018cm-3的P型InAs欧姆接触层6b，制作形成外延片。
以上说明中N型欧姆接触层3，光吸收层5，P型欧姆接触层6a的InAs/GaSb超晶格不限定于某种结构，只要是与GaSb衬底匹配的能吸收红外光的超晶格均可以采用。例如
Figure BDA0002133482690000061
GaAsSb/
Figure BDA0002133482690000062
A1Sb/
Figure BDA0002133482690000063
InAs/
Figure BDA0002133482690000064
AlSb交替组成的短波波段超晶格，或者
Figure BDA0002133482690000065
InAs/
Figure BDA0002133482690000066
GaSb交替组成的中波波段超晶格均可以。
以上说明中InAlAs/AlInAsSb交替结构是由InAlAs层和AlInAsSb层交替排列周期重复组成的。InAlAs中Al的组分为0.08，In的组分为0.92。AlInAsSb中In和As的组分为0.6，Al和Sb的组分为0.4。每个周期中InAlAs的厚度为8-12nm，AlInAsSb的厚度为8-12nm。
步骤B：在步骤A制备好的外延片上去除边缘部分至N型欧姆接触层3形成台面结构并制备钝化层。
运用光刻、腐蚀等半导体工艺技术进行台面结构的加工，把腐蚀完成的外延片放入60℃的(NH4)2S溶液中浸泡10min作为钝化前的处理，接着采用电子束沉积的方法将外延片沉积400±30nm左右的ZnS覆盖在表面，光刻并腐蚀钝化层预留通光孔和用于制作电极的第一电极窗口和第二电极窗口。台面侧壁的ZnS保留形成保护层7。钝化层中的硫元素可以填充材料表面的悬挂键，以降低暗电流。
步骤C：在步骤B加工完台面结构的外延片上制作电极及通光孔，完成二类超晶格雪崩光电探测器的制作；
然后进行光刻分别在N型欧姆接触层3和InAs欧姆接触层6b上溅射Ti/Au制作电极。采用负胶剥离方法去除P电极8和N电极9以外的金属。台面上未覆盖保护层7及P电极8的地方作为通光孔。Ti/Au能与该外延片中高掺杂的层形成良好的欧姆接触。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种二类超晶格雪崩光电探测器及其制作方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种一种二类超晶格雪崩光电探测器及其制作方法，采用晶格常数与GaSb衬底匹配的InAlAs和AlInAsSb多元化合物，因为他们特殊的能带结构，把他们交替排列在一起形成阶梯状导带，实现依次倍增的作用。同时由于InAlAs和AlInAsSb的带隙较大，在高电压下暗电流更低。使用InAs/GaSb超晶格作为光吸收区和InAlAs/AlInAsSb交替结构作为倍增区组成的雪崩光电探测器能够实现红外短波到长波的高灵敏低噪声探测。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种二类超晶格雪崩光电探测器，包括：
衬底(1)，制备材料包括GaSb；
缓冲层(2)，位于所述衬底上，制备材料包括不掺杂的GaSb；
N型欧姆接触层(3)，位于所述缓冲层上，制备材料包括N型InAs/GaSb超晶格；
雪崩倍增层(4)，覆于部分所述欧姆接触层(3)之上，未被覆盖的欧姆接触层(3)形成一台面；
光吸收层(5)，位于所述雪崩倍增层(4)上，制备材料包括InAs/GaSb超晶格，用于探测红外光；
P型欧姆接触层(6)，位于所述光吸收层(5)上；
钝化层(7)，覆于所述台面的部分上表面并开设有第一电极窗口，同时覆盖所述P型欧姆接触层(6)上表面边缘处，并开设有第二电极窗口；以及还覆于所述雪崩倍增层(4)、光吸收层、P型欧姆接触层(6)的侧面；
P电极(8)，位于所述第二电极窗口内，居中裸露P型欧姆接触层(6)区域作为通光孔(7a)；以及
N电极(9)，位于所述台面上的第一电极窗口内；
所述雪崩倍增层(4)由下至上包括：
电荷层(4a)，制备材料包括N型InAlAs/AlInAsSb；
雪崩倍增区(4b)，制备材料包括不掺杂的I型InAlAs/AlInAsSb；以及
电荷截止层(4c)，制备材料包括P型InAlAs/AlInAsSb；
所述电荷层(4a)，雪崩倍增区(4b)，以及电荷截止层(4c)的制备材料均由InAlAs和AlInAsSb材料交替排列、多周期重复组成；每个周期内所述的InAlAs材料中In的组分为0.90～0.92；Al的组分为0.08～0.10；每个周期内所述的AlInAsSb材料中Al和Sb的组分为0.4～0.6，In和As的组分为0.4～0.6。
2.根据权利要求1所述的二类超晶格雪崩光电探测器，所述P型欧姆接触层(6)，由下至上包括：
下欧姆接触层(6a)，制备材料包括P型InAs/GaSb超晶格；以及
上欧姆接触层(6b)，制备材料包括P型InAs。
3.根据权利要求1所述的二类超晶格雪崩光电探测器，所述InAlAs材料的厚度为8～12nm，所述AlInAsSb材料的厚度为8～12nm。
4.根据权利要求1所述的二类超晶格雪崩光电探测器，所述电荷层(4a)的掺杂浓度为5×1017～1×1018cm-3，所述雪崩倍增区(4b)非有意掺杂，所述电荷截止层(4c)的掺杂浓度为5×1017～1×1018cm-3。
5.根据权利要求1所述的二类超晶格雪崩光电探测器，所述钝化层(7)的制备材料包括ZnS。
6.一种二类超晶格雪崩光电探测器的制备方法，用于制备如权利要求1-5任一项所述的二类超晶格雪崩光电探测器，所述二类超晶格雪崩光电探测器的制备方法，包括：
步骤A：制备外延片；
步骤B：在步骤A制备好的外延片上去除边缘部分至N型欧姆接触层(3)形成台面结构并制备钝化层；以及
步骤C：在步骤B加工完台面结构的外延片上制作电极及通光孔，完成二类超晶格雪崩光电探测器的制作。
7.根据权利要求6所述的二类超晶格雪崩光电探测器的制备方法，所述步骤A中，在GaSb衬底(1)上面，依次外延生长缓冲层(2)，N型欧姆接触层(3)，雪崩倍增层(4)，光吸收层(5)，以及P型欧姆接触层(6)；所述步骤B中，运用半导体工艺技术进行台面结构的加工，把加工后的外延片放入60℃的(NH4)2S溶液中浸泡10min作为钝化前的处理，接着采用电子束沉积的方法将外延片沉积400±30nm的钝化层，光刻并腐蚀钝化层预留通光孔和用于制作电极的第一电极窗口和第二电极窗口。
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