CN111799343B - 多色红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多色红外探测器，包括n型衬底以及依序层叠设置于n型衬底上的第一n型接触层、n型蓝色通道吸收层、p型空穴势垒层、p型绿色通道吸收层、n型电子势垒层、n型红色通道吸收层和第二n型接触层，第一n型接触层上还设有第一电极，第二n型接触层上设有与第一电极对应的第二电极，其中，n型蓝色通道吸收层、p型空穴势垒层和p型绿色通道吸收层的导带相互平齐，p型绿色通道吸收层、n型电子势垒层和n型红色通道吸收层的价带相互平齐。本发明还公开了上述探测器的制作方法。本发明解决了现有红外探测器的吸收波段较少的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种多色红外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(InAs/GaSb或InAs/InAsSb)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、在长波甚长波段性能更好；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，锑化物二类超晶格红外探测器业已实现产业化。
第三代红外探测系统的一大特征是具有双色甚至多色探测能力。相对于传统的单色探测，多色红外探测器能够同时提供多个红外波段的信息，可以获得目标绝对温度，抑制背景干扰，增加探测和识别距离，降低虚警率，显著提高系统的性能和在各种武器平台上的通用性。对于双色红外探测器，一般采用两个PN结背靠背放在一起的形式，每个PN结对应一个吸收波段，通常波长较短的波段称为蓝色通道，放置于更接近入射光方向，波长较长的波段称为红色通道，放置于蓝色通道之后。而三色探测器则在蓝色通道和红色通道中间再增加一个绿色通道。三色探测在碲镉汞探测器中有报道，但在锑化物二类超晶格探测器中几乎为空白。仅有的报道是2017年美国西北大学提出的一种基于p型吸收区和空穴势垒层的锑化物短波/短波/中波三色探测器(A.Haddadi et al,Optics Letter42,4275,2017)，其能带结构如图1所示，其中p型红色通道用P-Red表示，p型绿色通道用P-Green表示，p型蓝色通道用P-Blue表示，而空穴势垒用B表示。该器件在正偏压下红色通道P-Red工作，零偏压下绿色通道P-Green工作，负偏压下蓝色通道P-Blue工作。但由于在P-Green和P-Blue之间不存在势垒，而且都是p型材料，导致两个通道间的串音较大；而且由于没有势垒，蓝色通道的器件性能相对于相同波段的单色探测器不是最优。因此，有必要研发一种更佳的锑化物超晶格三色红外探测器，采用全新的结构，使每个波段都能在最佳条件下工作，并通过简单的偏压选择实现三色探测。
发明内容
为了达到上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种多色红外探测器，包括n型衬底以及依序层叠设置于所述n型衬底上的第一n型接触层、n型蓝色通道吸收层、p型空穴势垒层、p型绿色通道吸收层、n型电子势垒层、n型红色通道吸收层和第二n型接触层，所述第一n型接触层上还设有第一电极，所述第二n型接触层上设有与所述第一电极对应的第二电极，其中，所述n型蓝色通道吸收层、所述p型空穴势垒层和所述p型绿色通道吸收层的导带相互平齐，所述p型绿色通道吸收层、所述n型电子势垒层和所述n型红色通道吸收层的价带相互平齐。
优选地，所述p型空穴势垒层、所述n型蓝色通道吸收层和所述p型绿色通道吸收层的有效带宽依序递减。
优选地，所述n型电子势垒层、所述p型绿色通道吸收层和所述n型红色通道吸收层的有效带宽依序递减。
优选地，所述第一n型接触层、所述n型蓝色通道吸收层、所述n型电子势垒层、所述n型红色通道吸收层和所述第二n型接触层的材料为掺杂Si的n型InAs/GaSb超晶格和/或InAs/InAsSb超晶格。
优选地，所述p型空穴势垒层的材料为掺杂Zn或Be的p型InAs/AlSb超晶格或InAsP/InAsSb超晶格。
优选地，所述p型绿色通道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n型衬底的材料为n型GaSb或InAs。
本发明还公开了上述多色红外探测器的制作方法，所述制作方法包括：
在n型衬底上依序层叠形成第一n型接触层、n型蓝色通道吸收层、p型空穴势垒层、p型绿色通道吸收层、n型电子势垒层、n型红色通道吸收层和第二n型接触层；
对所述第二n型接触层、所述n型红色通道吸收层、所述n型电子势垒层、所述p型绿色通道吸收层、所述p型空穴势垒层、所述n型蓝色通道吸收层进行局部刻蚀，使所述第一n型接触层露出，以形成探测器台面结构；
在所述第一n型接触层上形成第一电极，在所述第二n型接触层上形成第二电极。
优选地，所述n型蓝色通道吸收层、所述p型空穴势垒层和所述p型绿色通道吸收层的导带相互平齐的同时，所述p型绿色通道吸收层、所述n型电子势垒层和所述n型红色通道吸收层的价带也相互平齐。
优选地，所述p型空穴势垒层、所述n型蓝色通道吸收层和所述p型绿色通道吸收层的有效带宽依序递减；和/或所述n型电子势垒层、所述p型绿色通道吸收层和所述n型红色通道吸收层的有效带宽依序递减。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的多色红外探测器采用NPN结构，分别对应了蓝色通道，绿色通道和红色通道，并利用能带工程在蓝色通道和绿色通道间插入空穴势垒，在绿色通道和红色通道间插入电子势垒，从而可以利用不同的偏压选择对不同波段的探测，并且很好的抑制了串音。
(2)本发明的多色红外探测器每个波段均为单异质结结构，通过势垒的插入很好的抑制了暗电流，并且不影响光电流的顺利收集，性能和相同波段的单色探测器相当，保证了每个波段探测器的性能。
(3)本发明的多色红外探测器的蓝色通道，绿色通道和红色通道之间的带宽依序递减，能够应用于不同波段的组合，如短波、中波和长波，具有较好的通用性。
附图说明
图1为现有的多色探测器各功能层的能带示意图
图2为本发明的多色红外探测器的结构示意图；
图3至图6为本发明的多色红外探测器的制作流程图；
图7为本发明的多色红外探测器的各功能层的能带示意图。
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。
以下结合附图来说明本发明的多色红外探测器的结构。如图2所示，本发明的多色红外探测器的基本结构包括包括n型衬底1以及依序层叠设置于所述n型衬底1上的第一n型接触层2、n型蓝色通道吸收层3、p型空穴势垒层4、p型绿色通道吸收层5、n型电子势垒层6、n型红色通道吸收层7和第二n型接触层8。所述第一n型接触层2上还设有第一电极9，所述第二n型接触层8上设有与所述第一电极9对应的第二电极10。其中，如图7所示，所述n型蓝色通道吸收层3、所述p型空穴势垒层4和所述p型绿色通道吸收层5的导带相互平齐，保证了电子在导带上的顺利输运，所述p型绿色通道吸收层5、所述n型电子势垒层6和所述n型红色通道吸收层7的价带相互平齐，保证了空穴在价带上的顺利输运。
本发明的多色红外探测器采用NPN结构，分别对应了蓝色通道，绿色通道和红色通道，并利用能带工程在蓝色通道和绿色通道间插入空穴势垒，在绿色通道和红色通道间插入电子势垒，从而可以利用不同的偏压实现对不同波段的探测，并且很好的抑制了串音。以下具体说明本发明的多色红外探测器的工作原理，原理说明中所谓正偏压的定义为所述第一电极9的电压大于所述第二电极10的电压，反之为反偏压。
本发明的多色红外探测器处于小正偏压下(如0.1V)，红色通道处于正偏状态不能工作，蓝色通道的少子无法越过空穴势垒不能工作，此时仅反偏状态的绿色通道正常工作；
本发明的多色红外探测器处于大正偏压下(如0.5V)，红色通道处于正偏状态不能工作，蓝色通道的少子在偏压作用下能够越过空穴势垒开始工作，加上反偏状态的绿色通道，此时绿色通道和蓝色通道均能正常工作；
本发明的多色红外探测器处于小反偏压下(如-0.1V)，蓝色通道处于正偏状态不能工作，绿色通道的少子无法越过电子势垒不能工作，此时仅反偏状态的红色通道正常工作；
本发明的多色红外探测器处于大反偏压下(如-0.5V)，蓝色通道处于正偏状态不能工作，绿色通道的少子在偏压作用下能够越过电子势垒开始工作，加上反偏状态的红色通道，此时红色通道和绿色通道均能正常工作。
于是，本发明的多色红外探测器可以利用偏压的改变实现对不同波段的选择。
基于上述基本结构，以下说明本发明的具体实施例。
实施例1
如图7所示，本实施例的多色红外探测器中，所述p型空穴势垒层4、所述n型蓝色通道吸收层3和所述p型绿色通道吸收层5的有效带宽依序递减，且所述n型电子势垒层6、所述p型绿色通道吸收层5和所述n型红色通道吸收层7的有效带宽依序递减，从而每个波段均形成了单异质结结构，通过势垒的插入很好的抑制了暗电流，并且不影响光电流的顺利收集，保证了每个波段探测器的性能，而且可应用于不同波段的组合，如短波、中波和长波，具有极强的通用性。
进一步地，所述第一n型接触层2、所述n型蓝色通道吸收层3、所述n型电子势垒层6、所述n型红色通道吸收层7和所述第二n型接触层8的材料为掺杂Si的n型InAs/GaSb超晶格和/或InAs/InAsSb超晶格。所述p型空穴势垒层4的材料为掺杂Zn或Be的p型InAs/AlSb超晶格或InAsP/InAsSb超晶格。所述p型绿色通道吸收层5的材料为掺杂Zn或Be的p型InAs/GaSb超晶格或InAs/InAsSb超晶格。所述n型衬底1的材料为n型GaSb或InAs。
具体地，所述第一n型接触层2的厚度为0.2μm～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1018cm-3，对应带宽为0.4eV～0.45eV；
所述n型蓝色通道吸收层3的厚度为2μm～2.5μm，掺杂浓度为2×1015cm-3～5×1016cm-3，对应带宽为0.25eV～0.45eV；
所述p型空穴势垒层4的厚度为0.3μm～0.5μm，掺杂浓度为2×1016cm-3～2×1017cm-3，对应带宽为0.4eV～0.6eV；
所述p型绿色通道吸收层5的厚度为2μm～3μm，掺杂浓度为2×1015cm-3～5×1016cm-3，对应带宽为0.16eV～0.25eV；
所述n型电子势垒层6的厚度为0.3μm～0.5μm，掺杂浓度为2×1016cm-3～2×1017cm-3，对应带宽为0.3eV～0.4eV；
所述n型红色通道吸收层7的厚度为2μm～3μm，掺杂浓度为2×1015cm-3～5×1016cm-3，对应带宽为0.1eV～0.12eV；
所述第二n型接触层8的厚度为0.2μm～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1018cm-3，对应带宽为0.1eV～0.12eV。
其中，如图7所示，所述n型蓝色通道吸收层3、所述p型空穴势垒层4和所述p型绿色通道吸收层5之间的导带相互平齐，即导带差ΔEc为0，保证了电子在导带上的顺利输运。所述p型绿色通道吸收层5、所述n型电子势垒层6、和所述n型红色通道吸收层7之间的价带相互平齐，即价带差ΔEv为0，保证了空穴在价带上的顺利输运。该实施例中，小正偏压下(如0.1V)，绿色通道工作，大正偏压下(如0.5V)，绿色通道和蓝色通道同时工作，小反偏压下(如-0.1V)，红色通道工作，大反偏压下(如-0.5V)，红色通道和绿色通道同时工作。在小偏压下都是带宽较小的通道工作，而大偏压下都是带宽较大的通道开始工作。因为偏压越大暗电流越高，这样保证了带宽较小的通道总是有较低的暗电流，从而保证了其探测性能。
实施例2
本实施例具体说明实施例1的多色红外探测器的制作方法。
如图3至图6所示，该制作方法包括：
步骤S1、提供n型衬底1，所述n型衬底1的材质为n型InAs，厚度为500μm，掺杂浓度为5×1016cm-3(掺杂Si)。
步骤S2、使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺作为生长工艺，生长源为TMGa、TMIn、TMSb、AsH3和PH3，n型掺杂源为SiH4，p型掺杂源为DEZn，生长温度约为600℃，反应室压力为200Torr。在高温处理除去N型衬底1表面的杂质后，在所述N型衬底1上依序层叠形成第一n型接触层2、n型蓝色通道吸收层3、p型空穴势垒层4、p型绿色通道吸收层5、n型电子势垒层6、n型红色通道吸收层7和第二n型接触层8；
具体地，所述第一n型接触层2为0.2μm厚度的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为1×1018cm-3(掺杂Si)，对应带宽为0.45eV；
所述n型蓝色通道吸收层3为2μm厚度的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为2×1015cm-3(掺杂Si)，对应带宽为0.45eV；
所述p型空穴势垒层4为0.3μm厚度的InAsP/InAsSb超晶格，掺杂浓度为2×1016cm-3(掺杂Zn)，对应带宽为0.6eV；
所述p型绿色通道吸收层5为2μm厚度的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为2×1015cm-3(掺杂Zn)，对应带宽为0.25eV；
所述n型电子势垒层6为0.3μm厚度的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为2×1016cm-3(掺杂Si)，对应带宽为0.4eV；
所述n型红色通道吸收层7为2μm厚度的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为2×1015cm-3(掺杂Si)，对应带宽为0.12eV；
所述第二n型接触层8为0.2μm厚度的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为1×1018cm-3(掺杂Si)，对应带宽为0.12eV；
其中，如图7所示，所述n型蓝色通道吸收层3、所述p型空穴势垒层4和所述p型绿色通道吸收层5之间的导带相互平齐，即导带差ΔEc为0。所述p型绿色通道吸收层5、所述n型电子势垒层6、和所述n型红色通道吸收层7之间的价带相互平齐，即价带差ΔEv为0。
步骤S3、采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺对所述第二n型接触层(8)、所述n型红色通道吸收层7、所述n型电子势垒层6、所述p型绿色通道吸收层5、所述p型空穴势垒层4、所述n型蓝色通道吸收层3进行局部刻蚀，使所述第一n型接触层2露出，以形成探测器台面结构A。
步骤S4、用电子束蒸发工艺在所述第一n型接触层2上形成第一电极9，在所述第二n型接触层8上形成第二电极10；其中，第一电极9和第二电极10均为
组合。
本实施例中蓝色通道吸收层带宽0.45eV，对应波长2.8μm，为短波红外波段，绿色通道吸收层带宽0.25eV，对应波长5.0μm，为中波红外波段，红色通道吸收层带宽0.12eV，对应波长10.3μm，为长波红外波段，因而本实施例的器件为短波/中波/长波三色红外探测器。生长采用了MOCVD工艺，能够减小成本、提高性价比，整体工艺流程比较适合制作焦平面探测器阵列。
实施例3
本实施例具体说明实施例1的多色红外探测器的另一种制作方法。
如图3至图6所示，该制作方法包括：
步骤S1、提供n型衬底1，所述n型衬底1的材质为n型GaSb，厚度为500μm，掺杂浓度为2×1018cm-3(掺杂Si)。
步骤S2、使用分子束外延工艺(MBE)作为生长工艺，生长源为固态单质源In、Al、As和Sb，n型掺杂源为Si，p型掺杂源为Be，生长温度约400℃。在高温处理除去N型衬底1表面的杂质后，在所述N型衬底1上依序层叠形成第一n型接触层2、n型蓝色通道吸收层3、p型空穴势垒层4、p型绿色通道吸收层5、n型电子势垒层6、n型红色通道吸收层7和第二n型接触层8；
具体地，所述第一n型接触层2为0.5μm厚度的InAs/InAsSb超晶格，掺杂浓度为2×1018cm-3(掺杂Si)，对应带宽为0.4eV；
所述n型蓝色通道吸收层3为2.5μm厚度的InAs/InAsSb超晶格，掺杂浓度为5×1016cm-3(掺杂Si)，对应带宽为0.25eV；
所述p型空穴势垒层4为0.5μm厚度的InAs/AlSb超晶格，掺杂浓度为2×1017cm-3(掺杂Be)，对应带宽为0.4eV；
所述p型绿色通道吸收层5为3μm厚度的InAs/InAsSb超晶格，掺杂浓度为5×1016cm-3(掺杂Be)，对应带宽为0.16eV；
所述n型电子势垒层6为0.5μm厚度的InAs/InAsSb超晶格，掺杂浓度为2×1017cm-3(掺杂Si)，对应带宽为0.3eV；
所述n型红色通道吸收层7为3μm厚度的InAs/InAsSb超晶格，掺杂浓度为5×1016cm-3(掺杂Si)，对应带宽为0.1eV；
所述第二n型接触层8为0.5μm厚度的InAs/InAsSb超晶格，掺杂浓度为2×1018cm-3(掺杂Si)，对应带宽为0.1eV；
其中，如图7所示，所述n型蓝色通道吸收层3、所述p型空穴势垒层4和所述p型绿色通道吸收层5之间的导带相互平齐，即导带差ΔEc为0。所述p型绿色通道吸收层5、所述n型电子势垒层6、和所述n型红色通道吸收层7之间的价带相互平齐，即价带差ΔEv为0。
步骤S3、采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺对所述第二n型接触层8、所述n型红色通道吸收层7、所述n型电子势垒层6、所述p型绿色通道吸收层5、所述p型空穴势垒层4、所述n型蓝色通道吸收层3进行局部刻蚀，使所述第一n型接触层2露出，以形成探测器台面结构A。
步骤S4、用电子束蒸发工艺在所述第一n型接触层2上形成第一电极9，在所述第二n型接触层8上形成第二电极10；其中，第一电极9和第二电极10均为
组合。
本实施例中蓝色通道吸收层带宽0.25eV，对应波长5.0μm，为中波红外波段，绿色通道吸收层带宽0.16eV，对应波长8.3μm，为长波红外波段，红色通道吸收层带宽0.1eV，对应波长12.4μm，为长波红外波段，因而本实施例的器件为中波/长波/长波三色红外探测器。由于MBE工艺能形成陡峭界面，本实施例制备得到的红外探测器的性能较高。
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)
1.一种多色红外探测器，其特征在于，包括n型衬底(1)以及依序层叠设置于所述n型衬底(1)上的第一n型接触层(2)、n型蓝色通道吸收层(3)、p型空穴势垒层(4)、p型绿色通道吸收层(5)、n型电子势垒层(6)、n型红色通道吸收层(7)和第二n型接触层(8)，所述第一n型接触层(2)上还设有第一电极(9)，所述第二n型接触层(8)上设有与所述第一电极(9)对应的第二电极(10)，其中，所述n型蓝色通道吸收层(3)、所述p型空穴势垒层(4)和所述p型绿色通道吸收层(5)的导带相互平齐，所述p型绿色通道吸收层(5)、所述n型电子势垒层(6)和所述n型红色通道吸收层(7)的价带相互平齐；
其中，所述第一n型接触层(2)、所述n型蓝色通道吸收层(3)、所述n型电子势垒层(6)、所述n型红色通道吸收层(7)和所述第二n型接触层(8)的材料为掺杂Si的n型InAs/GaSb超晶格和/或InAs/InAsSb超晶格；
其中，所述p型空穴势垒层(4)的材料为掺杂Zn或Be的p型InAs/AlSb超晶格或InAsP/InAsSb超晶格；
其中，所述p型绿色通道吸收层(5)的材料为掺杂Zn或Be的p型InAs/GaSb超晶格或InAs/InAsSb超晶格。
2.根据权利要求1所述的多色红外探测器，其特征在于，所述p型空穴势垒层(4)、所述n型蓝色通道吸收层(3)和所述p型绿色通道吸收层(5)的有效带宽依序递减。
3.根据权利要求1所述的多色红外探测器，其特征在于，所述n型电子势垒层(6)、所述p型绿色通道吸收层(5)和所述n型红色通道吸收层(7)的有效带宽依序递减。
4.根据权利要求1所述的多色红外探测器，其特征在于，所述n型衬底(1)的材料为n型GaSb或InAs。
5.一种多色红外探测器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在n型衬底(1)上依序层叠形成第一n型接触层(2)、n型蓝色通道吸收层(3)、p型空穴势垒层(4)、p型绿色通道吸收层(5)、n型电子势垒层(6)、n型红色通道吸收层(7)和第二n型接触层(8)；
对所述第二n型接触层(8)、所述n型红色通道吸收层(7)、所述n型电子势垒层(6)、所述p型绿色通道吸收层(5)、所述p型空穴势垒层(4)、所述n型蓝色通道吸收层(3)进行局部刻蚀，使所述第一n型接触层(2)露出，以形成探测器台面结构(A)；
在所述第一n型接触层(2)上形成第一电极(9)，在所述第二n型接触层(8)上形成第二电极(10)；
其中，所述第一n型接触层(2)、所述n型蓝色通道吸收层(3)、所述n型电子势垒层(6)、所述n型红色通道吸收层(7)和所述第二n型接触层(8)的材料为掺杂Si的n型InAs/GaSb超晶格和/或InAs/InAsSb超晶格；
其中，所述p型空穴势垒层(4)的材料为掺杂Zn或Be的p型InAs/AlSb超晶格或InAsP/InAsSb超晶格；
其中，所述p型绿色通道吸收层(5)的材料为掺杂Zn或Be的p型InAs/GaSb超晶格或InAs/InAsSb超晶格。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述n型蓝色通道吸收层(3)、所述p型空穴势垒层(4)和所述p型绿色通道吸收层(5)的导带相互平齐的同时，所述p型绿色通道吸收层(5)、所述n型电子势垒层(6)和所述n型红色通道吸收层(7)的价带也相互平齐。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述p型空穴势垒层(4)、所述n型蓝色通道吸收层(3)和所述p型绿色通道吸收层(5)的有效带宽依序递减；和/或所述n型电子势垒层(6)、所述p型绿色通道吸收层(5)和所述n型红色通道吸收层(7)的有效带宽依序递减。
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