CN111430497B - 用于中红外波段的半导体光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于中红外波段的半导体光电探测器及其制备方法，该结构包括：依次层叠的衬底层、阴极接触层、集电层、InAs/GaSb超晶格吸收层、电子阻挡层及阳极接触层；阴极，形成于阴极接触层上；阳极，形成于阳极接触层上；共面波导电极，分别与阴极及阳极电连接。本发明采用InAs/GaSb材料体系作为半导体光电探测器的吸收层可将光电探测器的测试波长延伸至中红外波段，当形成的电子基态能级与空穴基态能级之差小于中红外波长的光子对应的能量时，就能吸收中红外波长的光，从而实现对中红外波段的覆盖；另外，通过调节吸收层中InAs层和GaSb层的厚度，使探测器具有一定的波长可调节范围；再者采用单行载流子(电子)结构，能够实现更高的响应速度。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，特别是涉及一种用于中红外波段的半导体光电探测器及其制备方法。
背景技术
随着中红外光频率技术和自由空间通信等新兴领域的发展，对于高速中红外光电探测器的需求将日益增加。近年来，中红外高速探测器已经成为国内外学者的研究热点。基于量子阱、带间级联以及量子级结构的高速中红外探测器已被相继报导。
然而，目前这些器件的频率响应带宽还相对较低。为了实现具有更高频率响应带宽的中红外探测器，需要展开更多的研究工作。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于中红外波段的半导体光电探测器及其制备方法，用于解决现有技术中红外波段的半导体光电探测器频率响应带宽较低等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于中红外波段的半导体光电探测器，所述光电探测器至少包括：
依次层叠的衬底层、阴极接触层、集电层、InAs/GaSb超晶格吸收层、电子阻挡层及阳极接触层；其中；所述InAs/GaSb超晶格吸收层用于吸收光子，以在其内部激发电子-空穴对；所述电子阻挡层用于阻挡电子向阳极方向扩散；
阴极，形成于所述阴极接触层上，且所述阴极与所述阴极接触层之间形成欧姆接触；
所述阳极，形成于所述阳极接触层上，且所述阳极与所述阳极接触层之间形成欧姆接触；
共面波导电极，分别与所述阴极及所述阳极电连接。
可选地，所述衬底层包括GaSb衬底层，所述阴极接触层包括N型重掺杂阴极接触层，所述阳极接触层包括P型重掺杂阳极接触层，所述集电层包括本征集电层，所述电子阻挡层包括P型重掺杂宽带隙的电子阻挡层。
可选地，所述集电层包括多个周期性重复的InAs/AlSb超晶格本征集电层。
可选地，所述阴极接触层包括多个周期性重复的InAs/GaSb超晶格阴极接触层，及形成于其上的多个周期性重复的InAs/AlSb超晶格阴极接触层；所述阳极接触层包括GaSb阳极接触层；所述电子阻挡层包括多个周期性重复的AlAs0.08Sb0.92/GaSb超晶格电子阻挡层。
可选地，所述InAs/GaSb超晶格阴极接触层每个周期中InAs层的厚度介于1nm～10nm之间，GaSb层的厚度介于1nm～10nm之间，所述InAs/GaSb超晶格阴极接触层的总厚度介于98nm～100nm之间；所述InAs/AlSb超晶格阴极接触层每个周期中InAs层的厚度介于1nm～10nm之间，AlSb层的厚度介于1nm～10nm之间，所述InAs/AlSb超晶格阴极接触层的总厚度介于98nm～100nm之间；所述InAs/AlSb超晶格本征集电层每个周期中InAs层的厚度介于1nm～10nm之间，AlSb层的厚度介于1nm～10nm之间，所述InAs/AlSb超晶格本征集电层的总厚度介于426nm～440nm之间；所述AlAs0.08Sb0.92/GaSb超晶格电子阻挡层每个周期中AlAs0.08Sb0.92层的厚度介于1nm～10nm之间，GaSb层的厚度介于1nm～10nm之间，所述电子阻挡层包括9～11个周期的所述AlAs0.08Sb0.92/GaSb超晶格电子阻挡层；所述GaSb阳极接触层的厚度介于18nm～22nm之间。
可选地，所述阴极接触层的掺杂浓度介于0.9×1018cm-3～1.1×1018cm-3之间；所述阳极接触层的掺杂浓度介于4.8×1018cm-3～5.2×1018cm-3之间；所述电子阻挡层的掺杂浓度介于1.8×1018cm-3～2.2×1018cm-3之间。
可选地，所述InAs/GaSb超晶格吸收层包括多个周期性重复的InAs/GaSb超晶格吸收层，多个周期性重复的所述InAs/GaSb超晶格吸收层为浓度依次增大的P型掺杂。
可选地，所述InAs/GaSb超晶格吸收层包括50个周期性重复的InAs/GaSb超晶格吸收层，每个周期中InAs的厚度介于1nm～10nm之间，GaSb层的厚度介于1nm～10nm之间；其中，第1至第20个周期为本征型，第21至第30个周期为掺杂浓度介于0.9×1017cm-3～1.1×1017cm-3之间的P型掺杂，第31至第40个周期为掺杂浓度介于0.9×1018cm-3～1.1×1018cm-3之间的P型掺杂，第41至第50个周期为掺杂浓度介于1.9×1018cm-3～2.1×1018cm-3之间的P型掺杂。
本发明还提供一种用于中红外波段的半导体光电探测器的制备方法，所述制备方法至少包括：
利用分子束外延方法在衬底层上依次生长阴极接触层、集电层、InAs/GaSb超晶格吸收层、电子阻挡层及阳极接触层；
利用电子束蒸发技术在所述阳极接触层的上表面蒸镀钛、铂、金，构成阳极；
利用湿法刻蚀自所述阳极向下依次刻蚀，刻蚀面停止在所述阴极接触层内，以形成凸出于所述阴极接触层的柱状台阶；
利用电子束蒸发技术在所述阴极接触层的表面依次蒸镀钛、铂、金，构成阴极；
于所述阴极接触层上形成一层绝缘层，并利用电镀技术在所述绝缘层上电镀共面波导电极，所述共面波导电极与所述阳极及所述阴极电连接。
可选地，形成所述柱状台阶后，还包括对所述柱状台阶的侧壁进行钝化处理的步骤；所述柱状台阶的直径为20μm，所述阳极的钛、铂、金的厚度分别为20nm、20nm、80nm；所述阴极的钛、铂、金的厚度分别为20nm、20nm、80nm；所述共面波导电极的材料包括金，所述绝缘层的材料包括SU-8。
如上所述，本发明的用于中红外波段的半导体光电探测器及其制备方法，采用InAs/GaSb材料体系作为半导体光电探测器的吸收层可将光电探测器的测试波长延伸至中红外波段，当形成的电子基态能级与空穴基态能级之差小于中红外波长的光子对应的能量时，就能吸收中红外波长的光，从而实现对中红外波段的覆盖；另外，通过调节吸收层中InAs层和GaSb层的厚度，使探测器具有一定的波长可调节范围；再者采用单行载流子(电子)结构，能够实现更高的响应速度。
附图说明
图1至图5显示为本发明的用于中红外波段的半导体光电探测器的制备方法各步骤呈现的结构示意图，其中图5还显示为本发明的用于中红外波段的半导体光电探测器的结构示意图。
元件标号说明
10 衬底层
11 阴极接触层
12 集电层
13 InAs/GaSb超晶格吸收层
14 电子阻挡层
15 阳极接触层
16 阳极
17 柱状台阶
18 阴极
19 绝缘层
20 共面波导电极
21 入射光
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图4及图5所示，本实施例提供一种用于中红外波段的半导体光电探测器，所述光电探测器至少包括：
依次层叠的衬底层10、阴极接触层11、集电层12、InAs/GaSb超晶格吸收层13、电子阻挡层14及阳极接触层15；其中，所述InAs/GaSb超晶格吸收层13用于吸收光子，以在其内部激发电子-空穴对；所述电子阻挡层14用于阻挡电子向阳极16方向扩散；
阴极18，形成于所述阴极接触层11上，且所述阴极18与所述阴极接触层11之间形成欧姆接触；
所述阳极16，形成于所述阳极接触层15上，且所述阳极16与所述阳极接触层15之间形成欧姆接触；
共面波导电极20，分别与所述阴极18及所述阳极16电连接。
本实施例的半导体光电探测器的吸收层利用InAs和GaSb形成有效带隙低于原材料带隙的二类超晶格结构以及分离的能级，通过调节吸收层中InAs层和GaSb层的厚度可以实现InAs/GaSb材料体系吸收波长截止在不同的波段，大约为3μm～32μm之间，因此采用InAs/GaSb材料体系作为半导体光电探测器的吸收层可将光电探测器的测试波长延伸至中红外波段，当形成的电子基态能级与空穴基态能级之差小于中红外波长的光子对应的能量时，就能吸收中红外波长的光，从而实现对中红外波段的覆盖。
作为示例，所述InAs/GaSb超晶格吸收层13包括多个周期性重复的InAs/GaSb超晶格吸收层，多个周期性重复的所述InAs/GaSb超晶格吸收层为浓度依次增大的P型掺杂。相对于现有PIN结构的半导体光电探测器结构，光吸收区位于I型本征区，器件的响应时间主要受限于电子和空穴共同的渡越时间(其中，尤其是空穴的较长的渡越时间占主导)，本实施例中将光吸收区设置于由InAs/GaSb材料体系形成的P型超晶格吸收层中，当入射光激发一对电子空穴对之后，电子和空穴在电场作用下分别向阴极接触层和阳极接触层运动，而P型掺杂的InAs/GaSb超晶格吸收层可使光生空穴作为多数载流子在较短的时间内弛豫，从而让速度更快的电子主导器件的响应速度，以提高光电探测器的响应速度；另外，采用掺杂浓度依次增大的掺杂方式可在吸收层之间产生一个“准电场”，加快光生电子从吸收区到达集电层的时间，从而更进一步提高探测器的响应速度。
作为进一步较佳的示例，所述InAs/GaSb超晶格吸收层13包括50个周期性重复的InAs/GaSb超晶格吸收层，每个周期中InAs的厚度介于1nm～10nm之间，GaSb层的厚度介于1nm～10nm之间；其中，第1至第20个周期为本征型，第21至第30个周期为掺杂浓度介于0.9×1017cm-3～1.1×1017cm-3之间的P型掺杂，第31至第40个周期为掺杂浓度介于0.9×1018cm-3～1.1×1018cm-3之间的P型掺杂，第41至第50个周期为掺杂浓度介于1.9×1018cm-3～2.1×1018cm-3之间的P型掺杂。本实施例中，所述InAs/GaSb超晶格吸收层13为50个周期性重复的InAs/GaSb超晶格吸收层，每个周期中InAs的厚度为2.4nm，GaSb层的厚度为2.1nm；其中，第1至第20个周期为本征型，第21至第30个周期的掺杂浓度为1.0×1017cm-3的P型掺杂，第31至第40个周期的掺杂浓度为1.0×1018cm-3的P型掺杂，第41至第50个周期的掺杂浓度为2.0×1018cm-3的P型掺杂。
作为示例，所述衬底层10包括GaSb衬底层，所述阴极接触层11包括N型重掺杂阴极接触层，所述阳极接触层15包括P型重掺杂阳极接触层，所述集电层12包括本征集电层，所述电子阻挡层14包括P型重掺杂宽带隙的电子阻挡层。所述本征集电层可以有效减小探测器的电容，增大探测器的RC带宽。所述衬底层采用晶格匹配的GaSb衬底层，可有效降低界面缺陷与位错引起的暗电流等问题，提高探测器的探测精度。较佳地，所述阴极接触层11的掺杂浓度介于0.9×1018cm-3～1.1×1018cm-3之间；所述阳极接触层15的掺杂浓度介于4.8×1018cm-3～5.2×1018cm-3之间；所述电子阻挡层14的掺杂浓度介于1.8×1018cm-3～2.2×1018cm-3之间。本实施例中，选取所述阴极接触层11的掺杂浓度为1.0×1018cm-3；所述阳极接触层15的掺杂浓度为5.0×1018cm-3；所述电子阻挡层14的掺杂浓度为2.0×1018cm-3。
较佳地，所述集电层12包括多个周期性重复的InAs/AlSb超晶格本征集电层。优选地，所述阴极接触层11包括多个周期性重复的InAs/GaSb超晶格阴极接触层，及形成于其上的多个周期性重复的InAs/AlSb超晶格阴极接触层；所述阳极接触层15包括GaSb阳极接触层；所述电子阻挡层14包括多个周期性重复的AlAs0.08Sb0.92/GaSb超晶格电子阻挡层。采用InAs/GaSb材料及InAs/AlSb材料作为阴极接触层，InAs/AlSb阴极接触层起过渡作用，避免InAs/AlSb超晶格本征集电层和InAs/GaSb超晶格阴极接触层在能带上产生突变从而影响载流子的输运。
更优地，所述InAs/GaSb超晶格阴极接触层每个周期中InAs层的厚度介于1nm～10nm之间，GaSb层的厚度介于1nm～10nm之间，所述InAs/GaSb超晶格阴极接触层的总厚度介于98nm～100nm之间；所述InAs/AlSb超晶格阴极接触层每个周期中InAs层的厚度介于1nm～10nm之间，AlSb层的厚度介于1nm～10nm之间，所述InAs/AlSb超晶格阴极接触层的总厚度介于98nm～100nm之间；所述InAs/AlSb超晶格本征集电层每个周期中InAs层的厚度介于1nm～10nm之间，AlSb层的厚度介于1nm～10nm之间，所述InAs/AlSb超晶格本征集电层的总厚度介于426nm～440nm之间；所述AlAs0.08Sb0.92/GaSb超晶格电子阻挡层每个周期中AlAs0.08Sb0.92层的厚度介于1nm～10nm之间，GaSb层的厚度介于1nm～10nm之间，所述电子阻挡层包括9～11个周期的所述AlAs0.08Sb0.92/GaSb超晶格电子阻挡层；所述GaSb阳极接触层的厚度介于18nm～22nm之间。本实施例中，各项参数选取为：所述InAs/GaSb超晶格阴极接触层每个周期中InAs层的厚度为1.5nm，GaSb层的厚度为1.5nm，所述InAs/GaSb超晶格阴极接触层的总厚度为99nm；所述InAs/AlSb超晶格阴极接触层每个周期中InAs层的厚度为2.95nm，AlSb层的厚度为1.55nm，所述InAs/AlSb超晶格阴极接触层的总厚度为99nm；所述InAs/AlSb超晶格本征集电层每个周期中InAs层的厚度为2.95nm，AlSb层的厚度为1.55nm，所述InAs/AlSb超晶格本征集电层的总厚度为427.5nm；所述AlAs0.08Sb0.92/GaSb超晶格电子阻挡层每个周期中AlAs0.08Sb0.92层的厚度为1.52nm，GaSb层的厚度为2.1nm，所述电子阻挡层为10个周期的所述AlAs0.08Sb0.92/GaSb超晶格电子阻挡层；所述GaSb阳极接触层的厚度为20nm。
实施例二
如图1至图5所示，本实施例提供一种用于中红外波段的半导体光电探测器的制备方法，采用本制备方法可以制备实施例一所述的用于中红外波段的半导体光电探测器，制得的光电探测器所能达到的有益效果可参照实施例一，在此不做赘述。
所述制备方法包括：
如图1所示，步骤S1：利用分子束外延方法在衬底层10上依次生长阴极接触层11、集电层12、InAs/GaSb超晶格吸收层13、电子阻挡层14及阳极接触层15。
本实施例中，上述各层所采用的材料、厚度以及掺杂浓度等参数如表1所示：
表1
如图2所示，步骤S2：用电子束蒸发技术在所述阳极接触层15的上表面蒸镀钛、铂、金，构成阳极16。本实施例中选取所述阳极16的钛、铂、金的厚度分别为20nm、20nm、80nm。
如图3所示，步骤S3：利用湿法刻蚀自所述阳极16向下依次刻蚀，刻蚀面停止在所述阴极接触层内11，以形成凸出于所述阴极接触层11的柱状台阶17。本实施例中选取所述柱状台阶17为直径为20μm的圆柱形台阶。
作为示例，形成所述柱状台阶17后，还需要对所述柱状台阶17的侧壁进行钝化处理，钝化处理采用的绝缘材料为SU-8。
如图4所示，步骤S4：利用电子束蒸发技术在所述阴极接触层11的表面依次蒸镀钛、铂、金，构成阴极18。本实施例中选取所述阴极18的钛、铂、金的厚度分别为20nm、20nm、80nm。
如图5所示，步骤S5：于所述阴极接触层11上形成一层绝缘层19，并利用电镀技术在所述绝缘层19上电镀共面波导电极20，所述共面波导电极20与所述阳极16及所述阴极18电连接。本实施例中所述共面波导电极20的材料选择为金，所述绝缘层19的材料选择为SU-8。
实验表明，通过上述步骤制备而成的半导体光电探测器室温下在中红外波段(入射光21)(3-5微米)的响应度为约0.03-0.07A/W，其3dB带宽值在-5V偏压下能够达到6.58GHz。
综上所述，本发明提供一种用于中红外波段的半导体光电探测器及其制备方法，采用InAs/GaSb材料体系作为半导体光电探测器的吸收层可将光电探测器的测试波长延伸至中红外波段，当形成的电子基态能级与空穴基态能级之差小于中红外波长的光子对应的能量时，就能吸收中红外波长的光，从而实现对中红外波段的覆盖；另外，通过调节吸收层中InAs层和GaSb层的厚度，使探测器具有一定的波长可调节范围；再者采用单行载流子(电子)结构，能够实现更高的响应速度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种用于中红外波段的半导体光电探测器，其特征在于，所述光电探测器至少包括：
依次层叠的衬底层、阴极接触层、集电层、InAs/GaSb超晶格吸收层、电子阻挡层及阳极接触层；其中，所述InAs/GaSb超晶格吸收层用于吸收光子，以在其内部激发电子-空穴对，所述InAs/GaSb超晶格吸收层包括多个周期性重复的InAs/GaSb超晶格吸收层，多个周期性重复的所述InAs/GaSb超晶格吸收层为浓度依次增大的P型掺杂；所述电子阻挡层用于阻挡电子向阳极方向扩散；
阴极，形成于所述阴极接触层上，且所述阴极与所述阴极接触层之间形成欧姆接触；
所述阳极，形成于所述阳极接触层上，且所述阳极与所述阳极接触层之间形成欧姆接触；
共面波导电极，分别与所述阴极及所述阳极电连接。
2.根据权利要求1所述的用于中红外波段的半导体光电探测器，其特征在于：所述衬底层包括GaSb衬底层，所述阴极接触层包括N型重掺杂阴极接触层，所述阳极接触层包括P型重掺杂阳极接触层，所述集电层包括本征集电层，所述电子阻挡层包括P型重掺杂宽带隙的电子阻挡层。
3.根据权利要求2所述的用于中红外波段的半导体光电探测器，其特征在于：所述集电层包括多个周期性重复的InAs/AlSb超晶格本征集电层。
4.根据权利要求3所述的用于中红外波段的半导体光电探测器，其特征在于：所述阴极接触层包括多个周期性重复的InAs/GaSb超晶格阴极接触层，及形成于其上的多个周期性重复的InAs/AlSb超晶格阴极接触层；所述阳极接触层包括GaSb阳极接触层；所述电子阻挡层包括多个周期性重复的AlAs0.08Sb0.92/GaSb超晶格电子阻挡层。
5.根据权利要求4所述的用于中红外波段的半导体光电探测器，其特征在于：所述InAs/GaSb超晶格阴极接触层每个周期中InAs层的厚度介于1nm～10nm之间，GaSb层的厚度介于1nm～10nm之间，所述InAs/GaSb超晶格阴极接触层的总厚度介于98nm～100nm之间；所述InAs/AlSb超晶格阴极接触层每个周期中InAs层的厚度介于1nm～10nm之间，AlSb层的厚度介于1nm～10nm之间，所述InAs/AlSb超晶格阴极接触层的总厚度介于98nm～100nm之间；所述InAs/AlSb超晶格本征集电层每个周期中InAs层的厚度介于1nm～10nm之间，AlSb层的厚度介于1nm～10nm之间，所述InAs/AlSb超晶格本征集电层的总厚度介于426nm～440nm之间；所述AlAs0.08Sb0.92/GaSb超晶格电子阻挡层每个周期中AlAs0.08Sb0.92层的厚度介于1nm～10nm之间，GaSb层的厚度介于1nm～10nm之间，所述电子阻挡层包括9～11个周期的所述AlAs0.08Sb0.92/GaSb超晶格电子阻挡层；所述GaSb阳极接触层的厚度介于18nm～22nm之间。
6.根据权利要求2所述的用于中红外波段的半导体光电探测器，其特征在于：所述阴极接触层的掺杂浓度介于0.9×1018cm-3～1.1×1018cm-3之间；所述阳极接触层的掺杂浓度介于4.8×1018cm-3～5.2×1018cm-3之间；所述电子阻挡层的掺杂浓度介于1.8×1018cm-3～2.2×1018cm-3之间。
7.根据权利要求1所述的用于中红外波段的半导体光电探测器，其特征在于：所述InAs/GaSb超晶格吸收层包括50个周期性重复的InAs/GaSb超晶格吸收层，每个周期中InAs的厚度介于1nm～10nm之间，GaSb层的厚度介于1nm～10nm之间；其中，第1至第20个周期为本征型，第21至第30个周期为掺杂浓度介于0.9×1017cm-3～1.1×1017cm-3之间的P型掺杂，第31至第40个周期为掺杂浓度介于0.9×1018cm-3～1.1×1018cm-3之间的P型掺杂，第41至第50个周期为掺杂浓度介于1.9×1018cm-3～2.1×1018cm-3之间的P型掺杂。
8.一种权利要求1～7任意一项所述的用于中红外波段的半导体光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：
利用分子束外延方法在衬底层上依次生长阴极接触层、集电层、InAs/GaSb超晶格吸收层、电子阻挡层及阳极接触层；
利用电子束蒸发技术在所述阳极接触层的上表面蒸镀钛、铂、金，构成阳极；
利用湿法刻蚀自所述阳极向下依次刻蚀，刻蚀面停止在所述阴极接触层内，以形成凸出于所述阴极接触层的柱状台阶；
利用电子束蒸发技术在所述阴极接触层的表面依次蒸镀钛、铂、金，构成阴极；
于所述阴极接触层上形成一层绝缘层，并利用电镀技术在所述绝缘层上电镀共面波导电极，所述共面波导电极与所述阳极及所述阴极电连接。
9.根据权利要求8所述的用于中红外波段的半导体光电探测器的制备方法，其特征在于：形成所述柱状台阶后，还包括对所述柱状台阶的侧壁进行钝化处理的步骤；所述柱状台阶的直径为20μm，所述阳极的钛、铂、金的厚度分别为20nm、20nm、80nm；所述阴极的钛、铂、金的厚度分别为20nm、20nm、80nm；所述共面波导电极的材料包括金，所述绝缘层的材料包括SU-8。
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