CN111129187B - 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、P型衬底以及依序叠层于P型衬底的第一表面上的P型超晶格吸收层、P型超晶格势垒层和超晶格接触层，超晶格接触层包括彼此独立的多个N型超晶格接触部和包围各个N型超晶格接触部的P型超晶格隔离部，第一电极设置于P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N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、P型衬底以及依序叠层于所述P型衬底的第一表面上的P型超晶格吸收层、P型超晶格势垒层和超晶格接触层，所述超晶格接触层包括彼此独立的多个N型超晶格接触部和包围各个所述N型超晶格接触部的P型超晶格隔离部，所述第一电极设置于所述P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N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P型超晶格势垒层和所述N型超晶格接触部的有效带宽大于所述P型超晶格吸收层的有效带宽。
优选地，所述P型超晶格吸收层的材料为掺杂Zn或Be的P型InAs/GaSb超晶格或InAs/InAsSb超晶格。
优选地，所述P型超晶格势垒层的材料为掺杂Zn或Be的P型InAsP/InAsSb超晶格。
优选地，所述N型超晶格接触部的材料为掺杂Si的N型InAsP/InAsSb超晶格。
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P型衬底的第一表面上形成依序叠层的P型超晶格吸收层、P型超晶格势垒层和超晶格接触层；
对所述超晶格接触层进行掺杂处理，以形成彼此独立的多个N型超晶格接触部和包围各个所述N型超晶格接触部的P型超晶格隔离部；
在每个所述N型超晶格接触部上形成对应的第二电极；
在所述P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。
优选地，所述超晶格接触层为掺杂Si的N型InAsP/InAsSb超晶格。
优选地，对所述超晶格接触层进行掺杂处理的方法包括：
在所述超晶格接触层上形成彼此独立的多个掩盖部；
对所述超晶格接触层的未被所述掩盖部掩盖的部分进行P型掺杂以形成所述P型超晶格隔离部，其中，所述超晶格接触层的被所述掩盖部掩盖的部分形成所述N型超晶格接触部；
将所述掩盖部去除。
优选地，在所述超晶格接触层上形成彼此独立的多个掩盖部的方法包括：
在所述超晶格接触层上形成掩膜层；
对所述掩膜层进行曝光、显影、刻蚀处理，以形成多个掩盖部。
优选地，所述P型超晶格势垒层和所述N型超晶格接触部的有效带宽大于所述P型超晶格吸收层的有效带宽。
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，在超晶格接触层中形成的横向PN结的暗电流小于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，超晶格势垒层与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。
更进一步地，本发明中超晶格吸收层采用了P型半导体，与传统的N型半导体相比，少子寿命更长，能够降低暗电流，提高了量子效率，进一步提升了红外光探测器的灵敏度。
更进一步地，本发明中超晶格势垒层和超晶格接触层均由InAsP/InAsSb超晶格构成，与传统的空穴势垒材料如InAs/AlSb超晶格、InAs/GaSb/AlSb超晶格、以及AlAsSb等材料相比，InAsP/InAsSb超晶格材料更容易进行生长和加工，而且具有更好的P型掺杂效率，容易将N型材料反型为P型材料。
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为本发明红外光探测器的结构示意图；
图4为本发明红外光探测器的俯视图；
图5为本发明的红外光探测器的制作流程图；
图6a至图6d为本发明的P型掺杂工艺的示意图。
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，本发明公开的红外光探测器包括第一电极A、多个第二电极B、P型衬底1以及依序叠层于所述P型衬底1的第一表面上的P型超晶格吸收层2、P型超晶格势垒层3和超晶格接触层4。其中，所述超晶格接触层4包括彼此独立的多个N型超晶格接触部4a和包围各个所述N型超晶格接触部4a的P型超晶格隔离部4b(如图4所示)，以此在所述超晶格接触层4中形成了横向PN结，该PN结的电流小于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。其中，所述第一电极A设置于所述P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，每个所述第二电极B设于对应的每个所述N型超晶格接触部4a上。
如图3所示，本发明的红外光探测器中，所述P型超晶格势垒层3设于所述超晶格接触层4与P型超晶格吸收层2之间，而且所述P型超晶格势垒层3和所述N型超晶格接触部4a的有效带宽大于所述P型超晶格吸收层2的有效带宽。因此，所述P型超晶格吸收层2与所述P型超晶格势垒层3之间形成了异质结结构，从而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。
本发明中，所述P型超晶格吸收层2的材料为掺杂Zn(锌)或Be(铍)的P型InAs/GaSb超晶格或InAs/InAsSb超晶格，所述P型超晶格势垒层3的材料为掺杂Zn或Be的P型InAsP/InAsSb超晶格，所述N型超晶格接触部4a的材料为掺杂Si(硅)的N型InAsP/InAsSb超晶格。本发明中超晶格势垒层和超晶格接触层均由InAsP/InAsSb超晶格构成，与传统的空穴势垒材料如InAs/AlSb超晶格、InAs/GaSb/AlSb超晶格、以及AlAsSb等材料相比，InAsP/InAsSb超晶格材料更容易进行生长和加工，而且具有更好的P型掺杂效率，容易将N型材料反型为P型材料。
本发明还提供了上述红外光探测器的制作方法，如图5所示，该制作方法包括：
步骤S1、在P型衬底1(优选为P型InAs衬底)的第一表面上形成依序叠层的P型超晶格吸收层2、P型超晶格势垒层3和超晶格接触层4。其中，所述超晶格接触层4为N型掺杂的InAsP/InAsSb超晶格层，N型掺杂源为Si。具体地，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、AsH3和PH3，N型掺杂源为SiH4，P型掺杂源为DEZn，生长温度为600℃，反应室压力为200Torr。在高温处理除去P型衬底1的表面杂质后，依次生长(参阅图6a)；
P型超晶格吸收层2，包括4.0μm厚的InAs/GaSb超晶格，各层掺Zn，掺杂浓度为5×1015cm-3，对应带宽为0.12eV；
P型超晶格势垒层3，包括0.5μm厚的InAsP/InAsSb超晶格，各层掺Zn，掺杂浓度为1×1017cm-3，对应带宽为0.25eV；
超晶格接触层4，包括0.5μm厚的InAsP/InAsSb超晶格，各层掺Si，掺杂浓度为2×1018cm-3，对应带宽为0.25eV。
步骤S2、对所述超晶格接触层4进行掺杂处理，以形成彼此独立的多个N型超晶格接触部4a和包围各个所述N型超晶格接触部4a的P型超晶格隔离部4b。该步骤具体包括：
步骤S21、采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)作为生长工艺，在所述超晶格接触层4上形成氮化硅掩膜层Y后，进行曝光、显影、刻蚀处理，以形成多个掩盖部5(参阅图6b)。其中，生长温度为200度，厚度为200nm。
步骤S22、对所述超晶格接触层4的未被所述掩盖部5掩盖的部分进行P型掺杂以形成所述P型超晶格隔离部4b(参阅图6c)，其中，所述超晶格接触层4的被所述掩盖部5掩盖的部分(未被P型掺杂的N型超晶格部分)形成所述N型超晶格接触部4a。其中，采用MOCVD工艺进行P型掺杂，工艺温度为600℃，掺杂源为DEZn(二乙基锌)，掺杂浓度为1×1019cm-3。
步骤S23、采用湿法腐蚀工艺将所述掩盖部5去除，暴露出未被掺杂的N型超晶格接触部4a(参阅图6d)。
步骤S3、在每个所述N型超晶格接触部4a上形成对应的第二电极B。
步骤S4、在所述P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。
在步骤S3和步骤S4中均采用电子束蒸发工艺，把Ti、Pt、Au依序叠层组合形成金属电极。其中，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，能够减少工艺成本，提高了产品的性价比。而且，本实施例中P型超晶格吸收层2的材料为InAs/GaSb超晶格，截至波长约10μm，可用于探测长波红外波段的长波红外焦平面探测器阵列。
基于上述实施例的基本步骤，以下提供红外光探测器制作方法的另一种实施例。
参阅图5以及图6a至图6d，该制作方法包括：
步骤S1、在P型衬底1(优选为P型GaSb衬底)的第一表面上形成依序叠层的P型超晶格吸收层2、P型超晶格势垒层3和超晶格接触层4。其中，所述超晶格接触层4为N型掺杂的InAsP/InAsSb超晶格层，N型掺杂源为Si。具体地，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、Ga、As、Sb，N型掺杂源为Si，P型掺杂源为Be，生长温度为400℃，反应室压力为200Torr。在高温处理除去P型衬底1的表面杂质后，依次生长：
P型超晶格吸收层2，包括2.0μm厚的InAs/InAsSb超晶格，各层掺Be，掺杂浓度为2×1016cm-3，对应带宽为0.25eV；
P型超晶格势垒层3，包括0.25μm厚的InAsP/InAsSb超晶格，各层掺Be，掺杂浓度为2×1017cm-3，对应带宽为0.45eV；
超晶格接触层4，包括0.25μm厚的InAsP/InAsSb超晶格，各层掺Be，掺杂浓度为5×1018cm-3，对应带宽为0.45eV。
步骤S2、对所述超晶格接触层4进行掺杂处理，以形成彼此独立的多个N型超晶格接触部4a和包围各个所述N型超晶格接触部4a的P型超晶格隔离部4b。该步骤具体包括：
步骤S21、采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)作为生长工艺，在所述超晶格接触层4上形成氧化硅掩膜层Y后，进行曝光、显影、刻蚀处理，以形成多个掩盖部5。其中，生长温度为350度，厚度为300nm。
步骤S22、对所述超晶格接触层4的未被所述掩盖部5掩盖的部分进行P型掺杂以形成所述P型超晶格隔离部4b，其中，所述超晶格接触层4的被所述掩盖部5掩盖的部分形成所述N型超晶格接触部4a。其中，采用MOCVD工艺进行P型掺杂，工艺温度为600℃，掺杂源为DEZn(二乙基锌)，掺杂浓度为2×1019cm-3。
步骤S23、采用湿法腐蚀工艺将所述掩盖部5去除，暴露出未被掺杂的N型超晶格接触部4a。
步骤S3、在每个所述N型超晶格接触部4a上形成对应的第二电极B。
步骤S4、在所述P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。
在步骤S3和步骤S4中均采用电子束蒸发工艺，把Ti、Pt、Au依序叠层组合形成金属电极。其中，Ti的厚度为
所述Pt的厚度为
所述Au的厚度为
本实施例中使用了较常见的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5μm，为中波红外波段，并采用短波材料做表面保护，能有效抑制表面漏电。由于MBE工艺能形成陡峭界面，该实施例提供的中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 (6)
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）、P型衬底（1）以及依序叠层于所述P型衬底（1）的第一表面上的P型超晶格吸收层（2）、P型超晶格势垒层（3）和超晶格接触层（4），所述超晶格接触层（4）包括彼此独立的多个N型超晶格接触部（4a）和包围各个所述N型超晶格接触部（4a）的P型超晶格隔离部（4b），所述第一电极（A）设置于所述P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N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P型超晶格吸收层（2）的材料为掺杂Zn或Be的P型InAs/GaSb超晶格或InAs/InAsSb超晶格；
其中，所述P型超晶格势垒层（3）的材料为掺杂Zn或Be的P型InAsP/InAsSb超晶格；
其中，所述N型超晶格接触部（4a）的材料为掺杂Si的N型InAsP/InAsSb超晶格。
2.根据权利要求1所述的红外光探测器，其特征在于，所述P型超晶格势垒层（3）和所述N型超晶格接触部（4a）的有效带宽大于所述P型超晶格吸收层（2）的有效带宽。
3.一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P型衬底（1）的第一表面上形成依序叠层的P型超晶格吸收层（2）、P型超晶格势垒层（3）和超晶格接触层（4），所述超晶格接触层（4）为掺杂Si的N型InAsP/InAsSb超晶格；
对所述超晶格接触层（4）进行掺杂处理，以形成彼此独立的多个N型超晶格接触部（4a）和包围各个所述N型超晶格接触部（4a）的P型超晶格隔离部（4b）；
在每个所述N型超晶格接触部（4a）上形成对应的第二电极（B）；
在所述P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）；
其中，所述P型超晶格吸收层（2）的材料为掺杂Zn或Be的P型InAs/GaSb超晶格或InAs/InAsSb超晶格；
其中，所述P型超晶格势垒层（3）的材料为掺杂Zn或Be的P型InAsP/InAsSb超晶格；
其中，所述N型超晶格接触部（4a）的材料为掺杂Si的N型InAsP/InAsSb超晶格。
4.根据权利要求3所述的红外光探测器的制作方法，其特征在于，对所述超晶格接触层（4）进行掺杂处理的方法包括：
在所述超晶格接触层（4）上形成彼此独立的多个掩盖部（5）；
对所述超晶格接触层（4）的未被所述掩盖部（5）掩盖的部分进行P型掺杂以形成所述P型超晶格隔离部（4b），其中，所述超晶格接触层（4）的被所述掩盖部（5）掩盖的部分形成所述N型超晶格接触部（4a）；
将所述掩盖部（5）去除。
5.根据权利要求4所述的红外光探测器的制作方法，其特征在于，在所述超晶格接触层（4）上形成彼此独立的多个掩盖部（5）的方法包括：
在所述超晶格接触层（4）上形成掩膜层（Y）；
对所述掩膜层（Y）进行曝光、显影、刻蚀处理，以形成多个掩盖部（5）。
6.根据权利要求3所述的红外光探测器的制作方法，其特征在于，所述P型超晶格势垒层（3）和所述N型超晶格接触部（4a）的有效带宽大于所述P型超晶格吸收层（2）的有效带宽。
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