CN110896113B - 红外光探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外光探测器，包括第一电极、多个第二电极、N型衬底以及依序叠层于N型衬底的第一表面上的N型超晶格吸收层、N型超晶格势垒层和N型超晶格接触层，N型超晶格接触层中形成有多个P型超晶格接触部，多个P型超晶格接触部彼此独立，第一电极设置于N型衬底的与第一表面相对的第二表面上，多个第二电极彼此独立，每个P型超晶格接触部上设置对应的一个第二电极。本发明还公开了如上述的红外光探测器的制作方法。本发明解决了如何将平面结构整合到锑化物二类超晶格异质结红外探测器的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种红外光探测器及其制作方法。
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。锑化物二类超晶格(包括InAs/GaSb超晶格和InAs/InAsSb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。
目前国内外报道的及实用化的锑化物红外探测器均采用台面结构(参阅图1)，也就是采用刻蚀手段实现探测器单元(图1中M1、M2)间的电学隔离。刻蚀工艺将连接两个探测器单元间极性相同的材料去除(图1中C指出的部分)，从而实现器件的独立工作。但由于锑化物材料体系的加工工艺和钝化手段尚不成熟，在台面刻蚀中产生的侧壁损伤、表面氧化以及沾污等因素会使锑化物超晶格探测器表面漏电流较高、器件的暗电流控制较差，导致产品良率低下。
与台面结构对应的是平面结构(参阅图2)，其通过扩散或注入工艺形成与主体材料(图2中的N)掺杂极性相反的局部区域(图2中的P)，从而形成pn结的同时，实现了相邻探测器单元间的电学隔离。平面结构探测器通常用宽带材料作为表面盖层，并不暴露窄带隙的吸收层，可以很好的抑制表面漏电。虽然平面结构在HgCdTe、InSb、InGaAs等红外探测器阵列中均有广泛应用，但目前在锑化物超晶格探测器中尚未见文献报道。因为目前成熟的锑化物超晶格探测器都采用了复杂的异质结结构，所以对探测器的组成材料的厚度、掺杂浓度和带阶对齐均有极高的要求。而常规的平面工艺技术很难实现复杂而有效的异质结结构。所以虽然平面结构具有改善探测器的表面漏电以及简化制备工艺等明显的优势，但无法整合到锑化物异质结红外探测器的制备工艺中。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明公开了一种红外光探测器及其制作方法，以解决如何将平面结构整合到锑化物二类超晶格异质结红外探测器的问题。
为了达到上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
本发明的一方面公开了一种红外光探测器，包括第一电极、多个第二电极、N型衬底以及依序叠层于所述N型衬底的第一表面上的N型超晶格吸收层、N型超晶格势垒层和N型超晶格接触层，所述N型超晶格接触层中形成有多个P型超晶格接触部，多个所述P型超晶格接触部彼此独立，所述第一电极设置于所述N型衬底的与所述第一表面相对的第二表面上，多个所述第二电极彼此独立，每个所述P型超晶格接触部上设置对应的一个所述第二电极。
优选地，所述红外光探测器还包括设置在所述N型超晶格接触层上的绝缘层，所述绝缘层中具有多个开口，每个所述P型超晶格接触部正对着一个开口。
优选地，所述N型超晶格接触层包括彼此独立的多个掺杂区，所述掺杂区被进行P型掺杂以形成所述P型超晶格接触部。
优选地，所述掺杂区被进行P型掺杂的方式是以Zn扩散于所述掺杂区内，其中，Zn在所述掺杂区内的扩散速度大于Zn在所述N型超晶格势垒层内的扩散速度，Zn扩散至所述N型超晶格接触层和所述N型超晶格势垒层的接触面。
优选地，所述N型超晶格势垒层、所述N型超晶格接触层和所述N型超晶格吸收层的有效带宽依序递减。
优选地，所述N型超晶格吸收层、所述N型超晶格势垒层和所述N型超晶格接触层的材料均为掺杂Si的N型的InAs/GaSb超晶格材料或N型的InAs/InAsSb超晶格材料。
在本发明的另一方面公开了一种红外光探测器的制作方法，所述制作方法包括：
在N型衬底的第一表面上形成依序叠层的N型超晶格吸收层、N型超晶格势垒层和N型超晶格接触层；
在所述N型超晶格接触层中形成多个P型超晶格接触部，多个所述P型超晶格接触部彼此独立；
在所述N型衬底的与所述第一表面相对的第二表面上形成第一电极；
在每个所述P型超晶格接触部上形成对应的第二电极。
优选地，所述在所述N型超晶格接触层中形成多个P型超晶格接触部的方法包括：
在所述N型超晶格接触层上形成绝缘层；
在所述绝缘层中形成多个开口；
通过所述开口对所述N型超晶格接触层的与所述开口正对的掺杂区进行P型掺杂，以形成多个所述P型超晶格接触部。
优选地，所述通过所述开口对所述N型超晶格接触层的与所述开口正对的掺杂区进行P型掺杂的方法包括：通过所述开口以Zn扩散于所述掺杂区内，其中，Zn在所述掺杂区内的扩散速度大于Zn在所述N型超晶格势垒层内的扩散速度，Zn扩散至所述N型超晶格接触层和所述N型超晶格势垒层的接触面。
优选地，所述N型超晶格吸收层、所述N型超晶格势垒层和所述N型超晶格接触层的材料均为掺杂Si的N型的InAs/GaSb超晶格材料或N型的InAs/InAsSb超晶格材料，其中，所述N型超晶格势垒层、所述N型超晶格接触层和所述N型超晶格吸收层的有效带宽依序递减。
本发明的红外光探测器采用了平面结构来取代了现有的台面结构，并采用了单异质结，从而简化了红外光探测器的结构和制作工艺，降低了生产成本，提升了红外光探测器的可靠性。
进一步地，在N型超晶格接触层中形成的横向PN结的暗电流小于由N型超晶格吸收层造成的本征暗电流，较好地抑制了红外光探测器的表面漏电。
更进一步地，N型超晶格势垒层与N型超晶格吸收层之间形成了异质结，能有效地抑制产生复合电流和隧穿电流，使得红外光探测器只有本征的扩散电流。
附图说明
图1为背景技术中所述的台面结构的示意图；
图2为背景技术中所述的平面结构的示意图；
图3为本发明实施例的红外光探测器的结构示意图；
图4为本发明的红外光探测器的制作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如图3所示，作为本发明的一种实施例，本实施例公开的红外光探测器包括第一电极A、多个第二电极B、N型衬底1以及依序叠层于所述N型衬底1的第一表面上的N型超晶格吸收层2、N型超晶格势垒层3、N型超晶格接触层4和绝缘层5。其中，所述绝缘层5具有多个开口51，每个开口51在所述N型超晶格接触层4上限定了正对着所述开口51的掺杂区(图中未示出)，每个掺杂区之间是相互独立的。通过所述开口51在所述掺杂区进行P型掺杂以形成独立的P型超晶格接触部4a。
其中，所述N型超晶格势垒层3、所述N型超晶格接触层4和所述N型超晶格吸收层2的有效带宽依序递减，以此形成了简单的异质结结构。
所述第一电极A设置于所述N型衬底1的与所述第一表面相对的第二表面上。多个所述第二电极B彼此独立，每个所述P型超晶格接触部4a上设置对应的一个所述第二电极B。
本实施例中，所述N型超晶格接触层4内部形成了pn结，由此实现了相邻的红外光探测器单元之间的电学隔离。由于覆盖所述N型超晶格吸收层2的所述N型超晶格势垒层3和所述N型超晶格接触层4的有效带宽大于所述N型超晶格吸收层2，而暗电流密度通常与有效带宽呈反比关系。所以在N型超晶格接触层4中形成的横向PN结的暗电流小于由所述N型超晶格吸收层2造成的本征暗电流，较好地抑制了红外光探测器的表面漏电。而且，所述N型超晶格势垒层3与所述N型超晶格吸收层2之间形成异质结，能有效地抑制产生复合电流和隧穿电流，使得该红外光探测器只有本征的扩散电流。
进一步地，所述N型超晶格吸收层2、所述N型超晶格势垒层3和所述N型超晶格接触层4的材料均为掺杂Si的N型的InAs/GaSb超晶格材料或N型的InAs/InAsSb超晶格材料。
上述实施例中，所述掺杂区被进行P型掺杂的方式是以Zn扩散于所述掺杂区内。其中，Zn在所述掺杂区内的扩散速度大于Zn在所述N型超晶格势垒层3内的扩散速度。其原因在于，所述N型超晶格势垒层3的有效带宽大于所述N型超晶格接触层4，由于功能层的宽带越大采用的InAs层就越薄，导致Zn的扩散速度越慢。所以Zn在所述N型超晶格接触层4中的扩散速度较快，在所述N型超晶格势垒层3中的扩散速度较慢，从而实现了Zn扩散的自动终止效果。而且Zn在所述N型超晶格接触层4中的扩散速度是已知的，所述N型超晶格接触层4的厚度也可以通过常规测量得出精准的数值，因此控制Zn的扩散时间能够使Zn扩散至所述N型超晶格接触层4和所述N型超晶格势垒层3的接触面，使红外光探测器具有最佳性能，而且提高了P型掺杂工艺中的Zn扩散的均匀性和重复性。
如图4所示，本发明还公开了如上述的红外光探测器的制作方法。该制作方法包括如下步骤：
步骤S1、在N型衬底1的第一表面上形成依序叠层的N型超晶格吸收层2、N型超晶格势垒层3和N型超晶格接触层4。
步骤S2、在所述N型超晶格接触层4中形成多个P型超晶格接触部4a，多个所述P型超晶格接触部4a彼此独立。
步骤S3、在所述N型衬底1的与所述第一表面相对的第二表面上形成第一电极A。
步骤S4、在每个所述P型超晶格接触部4a上形成对应的第二电极B。
基于上述基本步骤，本发明提供了2种具体的实施方法。
实施例1
步骤S1、提供一N型衬底1，所述N型衬底1优选为N型InAs衬底，掺杂浓度为1×1019cm-3，在所述N型衬底1的第一表面上形成依序叠层的N型超晶格吸收层2、N型超晶格势垒层3和N型超晶格接触层4。
具体地，优选采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。生长温度为600℃，反应室压力为200Torr。在高温处理除去N型衬底1表面杂质后，依次生长N型超晶格吸收层2、N型超晶格势垒层3和N型超晶格接触层4。
其中，所述N型超晶格吸收层2包括2.0μm厚的InAs/GaSb超晶格，各层掺Si，掺杂浓度为1×1015cm-3，对应带宽为0.25eV；
所述N型超晶格势垒层3包括0.2μm厚的InAs/GaSb超晶格，各层掺Si，掺杂浓度为1×1016cm-3，对应带宽为0.4eV；
所述N型超晶格接触层4包括0.2μm厚的InAs/GaSb超晶格，各层掺Si，掺杂浓度为1×1017cm-3，对应带宽为0.3eV。
步骤S2、在所述N型超晶格接触层4上沉积介质材料氮化硅，优选采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)作为生长工艺，氮化硅生长温度为200度，厚度为200nm，以形成绝缘层5。所述绝缘层5沉积完成后采用湿法腐蚀工艺在局部区域形成多个开口51。通过所述多个开口51，在所述N型超晶格接触层4上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)实施Zn扩散工艺，形成P型超晶格接触部4a。
其中，Zn扩散工艺的扩散温度为600℃，扩散源为DEZn，并控制扩散时间使扩散深度为0.2μm，使Zn扩散至所述N型超晶格接触层4和所述N型超晶格势垒层3的接触面。通过Zn扩散形成的所述P型超晶格接触部4a的掺杂浓度为1×1019cm-3。
步骤S3、在所述N型衬底1的与所述第一表面相对的第二表面上形成第一电极A。优选地，采用电子束蒸发工艺，把Ti、Pt、Au依序叠层组合形成的金属电极。所述Ti的厚度为
所述Pt的厚度为
所述Au的厚度为
步骤S4、在每个所述P型超晶格接触部4a上形成对应的第二电极B。优选地，采用电子束蒸发工艺，把Ti、Pt、Au依序叠层组合形成的金属电极。所述Ti的厚度为
所述Pt的厚度为
所述Au的厚度为
本实施例中生长采用了工业化的MOCVD工艺，能够减小成本，提高性价比。N型超晶格吸收层2构成材料为InAs/GaSb超晶格，截至波长约5μm，为中波红外波段。整体工艺流程比较适合做中波红外焦平面探测器阵列。
实施例2
步骤S1、提供一N型衬底1，所述N型衬底1优选为N型GaSb衬底，掺杂浓度为1×1018cm-3，在所述N型衬底1的第一表面上形成依序叠层的N型超晶格吸收层2、N型超晶格势垒层3和N型超晶格接触层4。
具体地，优选采用分子束外延工艺(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。生长温度为400℃。对N型衬底1除气去杂后，依次生长N型超晶格吸收层2、N型超晶格势垒层3和N型超晶格接触层4。
其中，所述N型超晶格吸收层2包括4.0μm厚的InAs/InAsSb超晶格，各层掺Si，掺杂浓度为1×1014cm-3，对应带宽为0.12eV；
所述N型超晶格势垒层3包括0.5μm厚的InAs/InAsSb超晶格，各层掺Si，掺杂浓度为1×1015cm-3，对应带宽为0.35eV；
所述N型超晶格接触层4包括0.5μm厚的InAs/InAsSb超晶格，各层掺Si，掺杂浓度为1×1016cm-3，对应带宽为0.25eV。
步骤S2、在所述N型超晶格接触层4上沉积介质材料氧化硅，优选采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)作为生长工艺，氧化硅生长温度为350度，厚度为300nm，以形成绝缘层5。所述绝缘层5沉积完成后采用反应离子刻蚀(RIE)工艺在局部区域形成多个开口51。通过所述多个开口51，在所述N型超晶格接触层4上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)实施Zn扩散工艺，形成P型超晶格接触部4a。
其中，Zn扩散工艺的扩散温度为400℃，扩散源为DEZn，并控制扩散时间使扩散深度为0.5μm，使Zn扩散至所述N型超晶格接触层4和所述N型超晶格势垒层3的接触面。通过Zn扩散形成的所述P型超晶格接触部4a的掺杂浓度为1×1018cm-3。
步骤S3、在所述N型衬底1的与所述第一表面相对的第二表面上形成第一电极A。优选地，采用电子束蒸发工艺，把Ti、Pt、Au依序叠层组合形成的金属电极。所述Ti的厚度为
所述Pt的厚度为
所述Au的厚度为
步骤S4、在每个所述P型超晶格接触部4a上形成对应的第二电极B。优选地，采用电子束蒸发工艺，把Ti、Pt、Au依序叠层组合形成的金属电极。所述Ti的厚度为
所述Pt的厚度为
所述Au的厚度为
本实施例中使用较为常见的MBE工艺，N型超晶格吸收层2构成材料为无Ga的InAs/InAsSb超晶格，截至波长约10μm，为长波红外波段，并采用中波材料做表面保护，能有效抑制表面漏电。由于MBE工艺能形成陡峭界面，该实施例提供的长波锑化物超晶格探测器性能较高。
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)
1.一种红外光探测器，其特征在于，包括第一电极(A)、多个第二电极(B)、N型衬底(1)以及依序叠层于所述N型衬底(1)的第一表面上的N型超晶格吸收层(2)、N型超晶格势垒层(3)和N型超晶格接触层(4)，所述N型超晶格接触层(4)中形成有多个P型超晶格接触部(4a)，多个所述P型超晶格接触部(4a)彼此独立，所述第一电极(A)设置于所述N型衬底(1)的与所述第一表面相对的第二表面上，多个所述第二电极(B)彼此独立，每个所述P型超晶格接触部(4a)上设置对应的一个所述第二电极(B)；
其中，所述N型超晶格势垒层(3)、所述N型超晶格接触层(4)和所述N型超晶格吸收层(2)的有效带宽依序递减；
其中，所述N型超晶格吸收层(2)、所述N型超晶格势垒层(3)和所述N型超晶格接触层(4)的材料均为掺杂Si的N型的InAs/GaSb超晶格材料或N型的InAs/InAsSb超晶格材料。
2.根据权利要求1所述的红外光探测器，其特征在于，所述红外光探测器还包括设置在所述N型超晶格接触层(4)上的绝缘层(5)，所述绝缘层(5)中具有多个开口(51)，每个所述P型超晶格接触部(4a)正对着一个开口(51)。
3.根据权利要求1或2所述的红外光探测器，其特征在于，所述N型超晶格接触层(4)包括彼此独立的多个掺杂区，所述掺杂区被进行P型掺杂以形成所述P型超晶格接触部(4a)。
4.根据权利要求3所述的红外光探测器，其特征在于，所述掺杂区被进行P型掺杂的方式是以Zn扩散于所述掺杂区内，其中，Zn在所述掺杂区内的扩散速度大于Zn在所述N型超晶格势垒层(3)内的扩散速度，Zn扩散至所述N型超晶格接触层(4)和所述N型超晶格势垒层(3)的接触面。
5.一种红外光探测器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在N型衬底(1)的第一表面上形成依序叠层的N型超晶格吸收层(2)、N型超晶格势垒层(3)和N型超晶格接触层(4)；
在所述N型超晶格接触层(4)中形成多个P型超晶格接触部(4a)，多个所述P型超晶格接触部(4a)彼此独立；
在所述N型衬底(1)的与所述第一表面相对的第二表面上形成第一电极(A)；
在每个所述P型超晶格接触部(4a)上形成对应的第二电极(B)；
其中，所述N型超晶格吸收层(2)、所述N型超晶格势垒层(3)和所述N型超晶格接触层(4)的材料均为掺杂Si的N型的InAs/GaSb超晶格材料或N型的InAs/InAsSb超晶格材料，其中，所述N型超晶格势垒层(3)、所述N型超晶格接触层(4)和所述N型超晶格吸收层(2)的有效带宽依序递减。
6.根据权利要求5所述的红外光探测器的制作方法，其特征在于，所述在所述N型超晶格接触层(4)中形成多个P型超晶格接触部(4a)的方法包括：
在所述N型超晶格接触层(4)上形成绝缘层(5)；
在所述绝缘层(5)中形成多个开口(51)；
通过所述开口(51)对所述N型超晶格接触层(4)的与所述开口(51)正对的掺杂区进行P型掺杂，以形成多个所述P型超晶格接触部(4a)。
7.根据权利要求6所述的红外光探测器的制作方法，其特征在于，所述通过所述开口(51)对所述N型超晶格接触层(4)的与所述开口(51)正对的掺杂区进行P型掺杂的方法包括：通过所述开口(51)以Zn扩散于所述掺杂区内，其中，Zn在所述掺杂区内的扩散速度大于Zn在所述N型超晶格势垒层(3)内的扩散速度，Zn扩散至所述N型超晶格接触层(4)和所述N型超晶格势垒层(3)的接触面。
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