CN110634891A - 红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外探测器，包括：N型衬底；探测部，设置于所述N型衬底上，所述探测部包括多个叠层设置的探测单元；上电极，设置于所述探测部上；下电极，设置于所述N型衬底上。其中，所述探测单元包括N型接触层，以及依序叠层设置在所述N型接触层上的N型超晶格导电层、超晶格吸收层、P型超晶格导电层及P型接触层，相邻所述探测单元间形成隧道结。本发明还公开了一种红外探测器的制作方法。本发明的红外探测器通过多个探测单元对光子进行有效吸收，保证了量子效率且加工简单，减小了红外探测器的加工的难度，此外还有效降低了暗电流。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体地，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或InAs/InAsSb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。
锑化物超晶格红外探测器通常都在低温下(如77K)工作。如果能够提高器件的工作温度，就能够降低制冷机功耗、缩小组件尺寸、延长系统寿命、以及减少制冷时间。但温度升高一般会导致探测器的暗电流增加、扩散长度减小、量子效率降低。为了克服这些不利因素，现有技术方案之一是采用基于锑化物的带间级联型探测器，其通过InAs/AlSb多级啁啾超晶格和GaSb/AlSb隧穿区连接多个InAs/GaSb超晶格吸收区，在350K的温度下也获得了探测信号。但该探测器使用了InAs/AlSb多级啁啾超晶格和GaSb/AlSb隧穿区帮助载流子输运，InAs/AlSb多级啁啾超晶格和GaSb/AlSb隧穿区的形成工艺复杂，使得目前的锑化物级联型探测器在设计、生长和加工上都存在一定困难，影响了器件的实用性。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种设计简单、实用性较好的红外探测器及其制备方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
根据本发明的一方面，提供了一种红外探测器，包括：
N型衬底；
探测部，设置于所述N型衬底上，所述探测部包括多个叠层设置的探测单元；其中，所述探测单元为P-I-N型结构，相邻所述探测单元间形成隧道结；
上电极，设置于所述探测部上；
下电极，设置于所述N型衬底上；
所述红外探测器工作时，所述探测单元吸收待测红外光信号并且所述探测单元将所述待测红外光信号转换为电信号，所述电信号通过所述隧道结进行传输。
进一步地，所述探测单元包括N型接触层，以及依序叠层设置在所述N型接触层上的N型超晶格导电层、超晶格吸收层、P型超晶格导电层及P型接触层；其中，所述探测单元的P型接触层与相邻所述探测单元的N型接触层形成所述隧道结。
进一步地，所述超晶格吸收层的厚度为100～500nm。
进一步地，所述N型超晶格导电层的材料包括N型的InAs/GaSb超晶格材料或者N型的InAs/InAsSb超晶格材料；
和/或，所述超晶格吸收层的材料包括未掺杂的InAs/GaSb超晶格材料或未掺杂的InAs/InAsSb超晶格材料；
和/或，所述P型超晶格导电层的材料包括P型的InAs/GaSb超晶格材料或P型的InAs/InAsSb超晶格材料；
和/或，所述N型衬底为N型GaSb衬底或者N型的InAs衬底；
和/或，所述N型接触层为N型InAs接触层；
和/或，所述P型接触层为P型GaSb接触层。
进一步地，所述探测部包括2-100个所述探测单元。
根据本发明的另一方面，还提供了上述的红外探测器的制作方法，所述制作方法包括：
S10、提供一N型衬底；
S20、在所述N型衬底上形成多个叠层设置的探测单元以形成探测部；其中，所述探测单元为P-I-N型结构，相邻所述探测单元间形成隧道结；
S30、在所述探测部上形成上电极；
S40、在所述N型衬底上形成下电极。
进一步地，所述步骤S20包括：
S21、制作形成N型接触层；
S22、在所述N型接触层上形成N型超晶格导电层；
S23、在所述N型超晶格导电层上形成超晶格吸收层；
S24、在所述超晶格吸收层上形成P型超晶格导电层；
S25、在所述P型超晶格导电层上形成P型接触层；
S26、在所述P型接触层上重复步骤S21至步骤S25至少一次；其中，所述探测单元的P型接触层与相邻所述探测单元的N型接触层形成所述隧道结。
进一步地，所述超晶格吸收层的厚度为100～500nm。
进一步地，所述步骤S20采用金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺在所述N型衬底上形成所述探测部。
进一步地，所述N型超晶格导电层的材料包括N型的InAs/GaSb超晶格材料或者N型的InAs/InAsSb超晶格材料；
和/或，所述超晶格吸收层的材料包括未掺杂的InAs/GaSb超晶格材料或未掺杂的InAs/InAsSb超晶格材料；
和/或，所述P型超晶格导电层的材料包括P型的InAs/GaSb超晶格材料或P型的InAs/InAsSb超晶格材料；
和/或，所述N型衬底为N型GaSb衬底或者N型的InAs衬底；
和/或，所述N型接触层为N型InAs接触层；
和/或，所述P型接触层为P型GaSb接触层。
本发明的有益效果：
(1)本发明将探测部进行了有效简化，将探测部设计为由多个P-I-N型结构的探测单元形成，相邻探测单元间形成隧道结，通过多个探测单元对光子进行有效吸收和传输，确保量子效率，且加工简单，减小了红外探测器的加工的难度；
(2)此外本发明通过减小探测单元吸收区的长度有效降低了暗电流。
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是根据本发明的实施例一的红外探测器的结构示意图；
图2是根据本发明的实施例二的红外探测器的制作方法的流程图；
图3是根据本发明的实施例二步骤S20的流程图。
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限制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。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。
实施例一
图1是根据本发明的实施例一的红外探测器的结构示意图。
参照图1，本发明的第一实施例提出了一种红外探测器。所述红外探测器包括：N型衬底100、探测部200、上电极300及下电极400。探测部200设置于N型衬底100上。上电极300设置于探测部200上。下电极400设置于N型衬底100上。可以理解的是，本发明并不限制于此，根据本发明的实施例的红外探测器还可以包括其它必要的部件。
具体地，探测部200包括多个叠层设置的探测单元210。其中，探测单元210采用的是P-I-N型结构，在现有半导体技术中，P-I-N型结构是半导体光电探测器的一种常用结构，通常包括P型区、N型区以及P型区和N型区之间的本征层，其探测器原理是P型区和N型区间施加反向偏压产生耗尽区，耗尽区的电场使光生载流子产生定向运行形成电流。P-I-N型结构的优势在于将耗尽区拉大，有利于空间电场区域的扩大，这样光生载流子的有效区域增大，有利于提高响应速度和探测器的灵敏度。进一步地，相邻探测单元210间形成隧道结，当红外探测器工作时，探测单元210吸收待测红外光信号并且探测单元210将待测红外光信号转换为电信号，电信号通过隧道结进行传输。
作为本发明的一种实施方式，探测部200包括2-100个探测单元210。具体探测单元210的数量需要根据实际需要进行设计。
作为本发明的一种实施方式，探测单元210包括N型接触层211，以及依序叠层设置在所述N型接触层211上的N型超晶格导电层212、超晶格吸收层213、P型超晶格导电层214及P型接触层215。其中，探测单元的P型接触层215与相邻探测单元的N型接触层211形成可传输电信号的隧道结。
现有技术中，探测器大都采用含Al的材料制成，含Al材料极易氧化，影响探测器的实用性。因此，作为本发明的一种实施方式，探测单元210采用不含Al的材料制成。
作为本发明的一种实施方式，N型超晶格导电层212的材料包括N型的InAs/GaSb超晶格材料或者N型的InAs/InAsSb超晶格材料。超晶格吸收层213的材料包括未掺杂的InAs/GaSb超晶格材料或未掺杂的InAs/InAsSb超晶格材料。P型超晶格导电层214的材料包括P型的InAs/GaSb超晶格材料或P型的InAs/InAsSb超晶格材料。
作为本发明的一种实施方式，N型衬底100为N型GaSb衬底或者N型的InAs衬底。
作为本发明的一种实施方式，N型接触层211为N型InAs接触层。P型接触层215为P型GaSb接触层。
作为本发明的一种实施方式，上电极300采用
组合或者
组合。
作为本发明的一种实施方式，下电极400设置于N型衬底100上的未被探测部200占据的区域。也就是说下电极400与探测部200彼此独立且不重复。进一步地，下电极400采用
组合或者
组合。
作为本发明的一种实施方式，探测部200可采用金属有机化学气相沉积工艺或分子束外延工艺在N型衬底上形成。
本发明的实施例的探测部200的每个探测单元210都基于一个无Al的P-I-N结构，探测单元210间通过前一级的P型GaSb接触层和后一级的N型InAs接触层形成的隧道结连接，相比于目前已有的InAs/AlSb多级啁啾超晶格和GaSb/AlSb隧穿区的连接方式，在设计上进行了有效简化，减小了材料生长和器件加工的难度，且多个探测单元210的级联结构可对光子进行有效吸收，保证了量子效率。
为了减小暗电流，作为本发明的一种实施方式，本发明的超晶格吸收层213的厚度小于超晶格吸收层213在工作温度下的少子扩散长度。优选地，超晶格吸收层213的厚度为100～500nm，而现有技术的探测器的吸收层厚度通常都在2μm以上，当探测器的吸收层厚度小于少子扩散长度时，探测器的暗电流与吸收层厚度成正比。本发明的超晶格吸收层213厚度仅100～500nm，因此可以有效减小器件暗电流。
本发明的实施例的红外探测器通过多个探测单元210的级联结构对光子进行有效吸收，保证了量子效率，还有效降低了暗电流，且P-I-N型结构的探测单元可采用金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺制成，加工简单，减小了红外探测器的加工的难度。
实施例二
图2是根据本发明的实施例二的红外探测器的制作方法的流程图。
参照图2，本发明的实施例二提出了一种红外探测器的制作方法。所述制作方法包括：
S10、提供一N型衬底100；
S20、在所述N型衬底100上形成多个叠层设置的探测单元210以形成探测部200；其中，所述探测单元210为P-I-N型结构，相邻探测单元210间形成隧道结；
具体地，步骤S20中可采用金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺在所述N型衬底100上形成所述探测部200。即可采用金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺在所述N型衬底100上形成多个叠层设置的探测单元210。
S30、在所述探测部200上形成上电极300；
S40、在所述N型衬底100上形成下电极400。
可以理解的是，下电极400设置于N型衬底100上的未被探测部200占据的区域。也就是说下电极400与探测部200彼此独立且不重复。
具体地，步骤S10中N型衬底100为N型GaSb衬底或者N型的InAs衬底。
图3是根据本发明的实施例二步骤S20的流程图。
参照图3，步骤S20具体包括：
S21、制作形成N型接触层211；
作为本发明的一种实施方式，步骤S21中，N型接触层211为N型InAs接触层。
S22、在所述N型接触层211上形成N型超晶格导电层212；
作为本发明的一种实施方式，步骤S22中，N型超晶格导电层212的材料包括N型的InAs/GaSb超晶格材料或者N型的InAs/InAsSb超晶格材料。
S23、在所述N型超晶格导电层212上形成超晶格吸收层213；
作为本发明的一种实施方式，步骤S23中，超晶格吸收层213的材料包括未掺杂的InAs/GaSb超晶格材料或未掺杂的InAs/InAsSb超晶格材料。
S24、在所述超晶格吸收层213上形成P型超晶格导电层214；
作为本发明的一种实施方式，步骤S24中，P型超晶格导电层214的材料包括P型的InAs/GaSb超晶格材料或P型的InAs/InAsSb超晶格材料。
S25、在所述P型超晶格导电层上214形成P型接触层215；
作为本发明的一种实施方式，步骤S25中，P型接触层215为P型GaSb接触层。
步骤S21至步骤S25完成一个探测单元210的制作。
S26、在所述P型接触层215上重复步骤S21至步骤S25至少一次；其中，所述探测单元210的P型接触层215与相邻所述探测单元210的N型接触层211形成所述隧道结。
步骤S26重复步骤S21至步骤S25形成多个层叠设置的探测单元210以形成探测部200。作为本发明的一种实施方式，探测部200包括2-100个探测单元210。
步骤S30可采用电子束蒸发工艺形成上电极300。作为本发明的一种实施方式，上电极300采用
组合或者
组合。
步骤S40可采用电子束蒸发工艺形成下电极400。作为本发明的一种实施方式，下电极400采用
组合或者组合。
为了减小暗电流，作为本发明的一种实施方式，本发明的超晶格吸收层213的厚度小于超晶格吸收层213在工作温度下的少子扩散长度。优选地，超晶格吸收层213的厚度为100～500nm，而现有技术的探测器的吸收层厚度通常都在2μm以上，当探测器的吸收层厚度小于少子扩散长度时，探测器的暗电流与吸收层厚度成正比。本发明的超晶格吸收层213的厚度仅100～500nm，因此可以有效减小器件暗电流。本发明的实施例的红外探测器通过多个探测单元210的级联结构对光子进行有效吸收，保证了量子效率，还有效降低了暗电流。
为了更加清楚地描述本发明的技术方案，下面通过具体的实施例对本发明的技术方案进行更加详细的描述。
实施例三
本发明的第三实施例提出了一种红外探测器的制备方法，所述制备方法包括：
步骤S10、提供一N型衬底100，其中，N型衬底100的材质为N型InAs衬底。
步骤S20、使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)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。在本实施例中，生长温度约600℃，反应室压力为500Torr。在高温处理除去N型衬底100表面的杂质后，在衬底上形成多个叠层设置的探测单元210以形成探测部200。在本实施例中，探测部200包括3个叠层设置的探测单元210。
具体地，步骤S20包括：
步骤S21、制作形成厚度为50nm的N型InAs接触层，掺杂剂为Si，掺杂平均浓度为5×1017cm-3。
步骤S22、制作形成厚度为50nm的N型InAs/GaSb超晶格导电层，掺杂剂为Si，掺杂平均浓度为5×1017cm-3。
步骤S23、制作形成厚度为500nm的InAs/GaSb超晶格吸收层，不掺杂。其中InAs/GaSb超晶格的截止波长为10μm。
步骤S24、制作形成厚度为50nm的P型InAs/GaSb超晶格导电层，掺杂剂为Zn，掺杂平均浓度为5×1017cm-3。
步骤S25、制作形成厚度为50nm的P型GaSb接触层，掺杂剂为Zn，掺杂平均浓度为5×1017cm-3。
步骤S26、在步骤S25形成的P型GaSb接触层上重复步骤S21至步骤S25两次。即最终在N型衬底100上形成3个叠层设置的探测单元210。
可以理解的是，本发明的实施例还可以其它必要的步骤，例如，完成步骤S20形成探测部200之后，采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺制备红外探测器台面单元，刻蚀深度为2.1μm，直至暴露出N型InAs衬底。
步骤S30采用电子束蒸发工艺在探测部200上沉积上电极300。作为本发明的一种实施方式，上电极300采用
组合。
步骤S40采用电子束蒸发工艺在N型InAs衬底上沉积下电极400。作为本发明的一种实施方式，下电极400采用组合。
本实施例中红外探测器的截止波长为长波，采用了3周期的探测单元210，并且超晶格吸收层213的厚度为500nm，小于该超晶格吸收层213在工作温度范围下的少子扩散长度1μm，因此有效减小暗电流。红外探测器的工作温度也从77K提升至100K以上。红外探测器制备采用了工业化的MOCVD工艺，并使用干法刻蚀工艺，制作简单。本实施例整体工艺流程比较适合做高温工作焦平面探测器阵列。
实施例四
本发明的第四实施例提出了另一种红外探测器的制备方法，所述制备方法包括：
步骤S10、提供一N型衬底100，其中，N型衬底100的材质为N型GaSb衬底。
步骤S20、使用分子束外延技术(MBE)作为生长工艺，生长源为固态单质源In、As和Sb，N型掺杂源为Si，P型掺杂源为Be。在本实施例中，生长温度约500℃。
具体地，步骤S20包括：
步骤S21、制作形成厚度为20nm的N型InAs接触层，掺杂剂为Si，掺杂平均浓度为2×1018cm-3。
步骤S22、制作形成厚度为20nm的N型InAs/InAsSb超晶格导电层，掺杂剂为Si，掺杂平均浓度为2×1018cm-3。
步骤S23、制作形成厚度为100nm的InAs/InAsSb超晶格吸收层，不掺杂。其中InAs/InAsSb超晶格的截止波长为5μm。
步骤S24、制作形成厚度为20nm的P型InAs/InAsSb超晶格导电层，掺杂剂为Be，掺杂平均浓度为2×1018cm-3。
步骤S25、制作形成厚度为20nm的P型GaSb接触层，掺杂剂为Be，掺杂平均浓度为2×1018cm-3。
步骤S26、在步骤S25形成的P型GaSb接触层上重复步骤S21至步骤S25二十四次。即最终在N型衬底100上形成25个叠层设置的探测单元210。
可以理解的是，本发明的实施例还可以包括其它必要的步骤，例如，完成步骤S20形成探测部200之后，采用湿法腐蚀工艺制备红外探测器台面单元，刻蚀深度为4.5μm，直至暴露出N型InAs衬底。
步骤S30采用电子束蒸发工艺在探测部上沉积上电极300。作为本发明的一种实施方式，上电极300采用
组合。
步骤S40采用电子束蒸发工艺在N型GaSb衬底100上沉积下电极400。作为本发明的一种实施方式，下电极400采用
组合。
本实施例中红外探测器的截止波长为中波，采用了25周期的探测单元210，并且超晶格吸收层213的厚度为100nm，小于该超晶格吸收层213在工作温度范围下的少子扩散长度200nm，因此有效减小暗电流。红外探测器的工作温度为200K。红外探测器制备采用了使用较为常见的MBE和湿法工艺，制作简单。本实施例整体工艺流程比较适合制作高性能单元器件。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (10)
1.一种红外探测器，其特征在于，包括：
N型衬底；
探测部，设置于所述N型衬底上，所述探测部包括多个叠层设置的探测单元；其中，所述探测单元为P-I-N型结构，相邻所述探测单元间形成隧道结；
上电极，设置于所述探测部上；
下电极，设置于所述N型衬底上；
所述红外探测器工作时，所述探测单元吸收待测红外光信号并且所述探测单元将所述待测红外光信号转换为电信号，所述电信号通过所述隧道结进行传输。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述探测单元包括N型接触层，以及依序叠层设置在所述N型接触层上的N型超晶格导电层、超晶格吸收层、P型超晶格导电层及P型接触层；其中，所述探测单元的P型接触层与相邻所述探测单元的N型接触层形成所述隧道结。
3.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于，所述超晶格吸收层的厚度为100～500nm。
4.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于，所述N型超晶格导电层的材料包括N型的InAs/GaSb超晶格材料或者N型的InAs/InAsSb超晶格材料；
和/或，所述超晶格吸收层的材料包括未掺杂的InAs/GaSb超晶格材料或未掺杂的InAs/InAsSb超晶格材料；
和/或，所述P型超晶格导电层的材料包括P型的InAs/GaSb超晶格材料或P型的InAs/InAsSb超晶格材料；
和/或，所述N型衬底为N型GaSb衬底或者N型的InAs衬底；
和/或，所述N型接触层为N型InAs接触层；
和/或，所述P型接触层为P型GaSb接触层。
5.根据权利要求1至4任一项所述的红外探测器，其特征在于，所述探测部包括2-100个所述探测单元。
6.一种权利要求1至5任一项所述的红外探测器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
S10、提供一N型衬底；
S20、在所述N型衬底上形成多个叠层设置的探测单元以形成探测部；其中，所述探测单元为P-I-N型结构，相邻所述探测单元间形成隧道结；
S30、在所述探测部上形成上电极；
S40、在所述N型衬底上形成下电极。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S20包括：
S21、制作形成N型接触层；
S22、在所述N型接触层上形成N型超晶格导电层；
S23、在所述N型超晶格导电层上形成超晶格吸收层；
S24、在所述超晶格吸收层上形成P型超晶格导电层；
S25、在所述P型超晶格导电层上形成P型接触层；
S26、在所述P型接触层上重复步骤S21至步骤S25至少一次；其中，所述探测单元的P型接触层与相邻所述探测单元的N型接触层形成所述隧道结。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述超晶格吸收层的厚度为100～500nm。
9.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S20采用金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺在所述N型衬底上形成所述探测部。
10.根据权利要求6-9任一项所述的红外探测器，其特征在于，
所述N型超晶格导电层的材料包括N型的InAs/GaSb超晶格材料或者N型的InAs/InAsSb超晶格材料；
和/或，所述超晶格吸收层的材料包括未掺杂的InAs/GaSb超晶格材料或未掺杂的InAs/InAsSb超晶格材料；
和/或，所述P型超晶格导电层的材料包括P型的InAs/GaSb超晶格材料或P型的InAs/InAsSb超晶格材料；
和/或，所述N型衬底为N型GaSb衬底或者N型的InAs衬底；
和/或，所述N型接触层为N型InAs接触层；
和/或，所述P型接触层为P型GaSb接触层。
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