CN111799350B - 双色红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双色红外探测器，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型蓝色通道层、p型连接层、n型红色通道层和第二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。本发明还公开了上述双色红外探测器的制作方法。本发明解决了在双色红外探测器中，当一个通道工作时另一个通道产生的少子容易扩散至工作的通道上，从而产生较大的串音的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种双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。双色探测器能够同时提供两个红外波段的信息，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。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，通常波长较短的红外波段称为蓝色通道，放置于更接近入射光方向，波长较长的红外波段称为红色通道，放置于蓝色通道之后。正偏压时一个波段工作，反偏压时另一个波段工作。2008年美国西北大学提出了一个锑化物超晶格的双色探测器(Pierre-Yves Delaunay et al,Applied PhysicsLetter 92,111112,2008)，该器件基于两个背靠背的同质pin结，存在暗电流高、串音大等缺点。2012年美国西北大学又提出了一个中长波锑化物超晶格双色探测器(Edward Kwei-wei Huang et al,Optics Letter 37,4744,2012，类似结构见Zhi Jiang et al,InfraredPhysics&Technology 86,159,2017)。如图1所示，每个波段均采用了双异质结结构，其中吸收区采用弱p型掺杂，用p-表示，为np-pp-n结构。图中R表示红色通道探测器、B表示蓝色通道探测器、C表示两个通道的红外光吸收层、多个箭头表示红外光的入射方向。参阅图1可知该双色红外探测器的两个PN结的位置置于红外光吸收层C的两侧，而红外光吸收层C置于整个双色红外探测器的中间。由于两个通道的红外光吸收层C全部为p型材料，没有势垒的限制，该结构会导致的问题是当一个通道工作时另一个通道产生的少子容易扩散至工作的通道上，从而产生较大的串音。因此有必要研发一种新的锑化物双色红外探测器，采用全新而简单的结构形式，增加势垒，抑制串扰、减小暗电流并提高探测器的综合性能。
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：
一种双色红外探测器，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型蓝色通道层、p型连接层、n型红色通道层和第二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。
优选地，所述n型蓝色通道层包括依序层叠设置于所述第一n型接触层上的n型蓝色通道吸收层和n型蓝色通道势垒层；
所述n型红色通道层包括依序层叠设置于所述p型连接层上的n型红色通道势垒层和n型红色通道吸收层。
优选地，所述n型蓝色通道吸收层、所述n型蓝色通道势垒层、所述n型红色通道势垒层、所述n型红色通道吸收层和所述p型连接层的价带相互平齐。
优选地，所述p型连接层、所述n型蓝色通道势垒层和所述n型蓝色通道吸收层的有效带宽依序递减；所述p型连接层、所述n型红色通道势垒层和所述n型红色通道吸收层的有效带宽依序递减。
优选地，所述n型蓝色通道吸收层的有效带宽大于所述n型红色通道吸收层的有效带宽。
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型蓝色通道势垒层、所述n型红色通道势垒层、所述n型红色通道吸收层和所述第二n型接触层为掺杂Si的n型InAs/GaSb超晶格和/或n型InAs/InAsSb超晶格，所述p型连接层为掺杂Zn或Be的p型InAs/GaSb超晶格或p型InAs/InAsSb超晶格。
优选地，所述n型衬底为n型GaSb或InAs。
本发明还提供了一种双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、n型蓝色通道势垒层、p型连接层、n型红色通道势垒层、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型红色通道势垒层、所述p型连接层、所述n型蓝色通道势垒层、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n型蓝色通道势垒层、所述n型红色通道势垒层、所述n型红色通道吸收层和所述p型连接层的价带相互平齐。
优选地，所述p型连接层、所述n型蓝色通道势垒层和所述n型蓝色通道吸收层的有效带宽依序递减；所述p型连接层、所述n型红色通道势垒层和所述n型红色通道吸收层的有效带宽依序递减；所述n型蓝色通道吸收层的有效带宽大于所述n型红色通道吸收层的有效带宽。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的p型连接层放置在探测器的中间，而异质结和吸收区被置于p型连接层的两侧，电子势垒包括异质结势垒和PN结势垒，从而使电子势垒最大化，实现了当一个波段的器件在工作时，另一波段对应的器件吸收层产生的少子难以越过势垒，最大程度上抑制了电学串扰。
(2)本发明的双色探测器每个波段(蓝色通道和红色通道)均采用了n型吸收层和n型电子势垒层，与p型连接层一起构成单异质结结构，能够较好的抑制暗电流，价带的平齐保证了光电流的输运，而且器件结构比较简单。
(3)本发明中光信号从衬底一侧入射，通过本发明的带宽设计，保证了蓝色通道对应的信号被n型蓝色通道吸收层完全吸收，而红色通道对应的信号在到达n型红色通道吸收层前不会被吸收。这样保证了各自波段的量子效率，减小了光学串扰。
附图说明
图1为现有技术中的双色红外探测器的结构示意图；
图2为本发明的双色红外探测器的结构示意图；
图3至图6为本发明的双色红外探测器的制作流程图；
图7为本发明的双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双色红外探测器的结构。如图2所示，本发明的双色红外探测器的基本结构包括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型蓝色通道层3、p型连接层4、n型红色通道层5和第二n型接触层6。所述第一n型接触层2上还设有第一电极7，所述第二n型接触层6上设有与所述第一电极7对应的第二电极8。根据上述结构所知，本发明的双色红外探测器的p型连接层4放置于整体探测器的中间，而所述n型蓝色通道层3与所述p型连接层4之间，以及所述n型红色通道层5与所述p型连接层4之间形成的PN结位于所述p型连接层4层的两侧，再加上所述n型蓝色通道势垒层32和所述n型蓝色通道吸收层31之间的电子势垒(对应蓝色通道)，以及所述n型红色通道势垒层51和所述n型红色通道吸收层52之间的电子势垒(对应红色通道)，从而使电子势垒最大化，实现了当一个波段的器件在工作时，另一波段对应的器件吸收层产生的少子难以越过势垒，最大程度上抑制了电学串扰。
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2所示，本实施例中所述n型蓝色通道层3包括依序层叠设置于所述第一n型接触层2上的n型蓝色通道吸收层31和n型蓝色通道势垒层32。所述n型红色通道层5包括依序层叠设置于所述p型连接层4上的n型红色通道势垒层51和n型红色通道吸收层52。本实施例中所述n型蓝色通道吸收层31和所述n型红色通道吸收层52放置于整体探测器的两侧边缘；
而且如图2所示，所述n型蓝色通道吸收层31和所述p型连接层4之间，以及所述n型红色通道吸收层52和所述p型连接层4之间分别设有n型蓝色通道势垒层32和n型红色通道势垒层51，从而使n型吸收层、n型势垒层和p型的连接层层叠在一起，形成了单异质结结构，能够较好的抑制暗电流，保证光电流的输运，简化探测器的结构。
进一步地，如图7所示，本实施例的双色红外探测器的各功能层的带宽设计为：
所述p型连接层4、所述n型蓝色通道势垒层32和所述n型蓝色通道吸收层31之间的有效带宽依序递减；
所述p型连接层4、所述n型红色通道势垒层51和所述n型红色通道吸收层52之间的有效带宽依序递减。
所述n型蓝色通道吸收层31的有效带宽大于所述n型红色通道吸收层52的有效带宽。
其中，所述n型蓝色通道吸收层31、所述n型蓝色通道势垒层32、所述p型连接层4、所述n型红色通道势垒层51、所述n型红色通道吸收层52的价带相互平齐，这样当吸收区在吸收光子产生光电流后电子在导带上向某一侧的电极运动，而空穴在价带上向p型连接层运动，价带平齐使得空穴的收集不受阻碍，从而实现了光信号的有效提取。
从图7可以看到，假如所述n型红色通道吸收层52工作时，所述n型蓝色通道吸收层31产生的电子要影响所述红色通道吸收层52而发生串扰，则电子在导带上必须要越过所述n型蓝色通道吸收层31与所述n型蓝色通道势垒层32的电子势垒以及所述n型蓝色通道势垒层32与所述p型连接层4产生的PN结势垒。由于势垒较高，这个物理过程相对图1中的情形极难发生，所以本发明的设置能够有效抑制串扰。
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31、所述n型蓝色通道势垒层32、所述n型红色通道势垒层51、所述n型红色通道吸收层52和所述第二n型接触层6为掺杂Si的n型InAs/GaSb超晶格和/或n型InAs/InAsSb超晶格。所述p型连接层4为掺杂Zn或Be的p型InAs/GaSb超晶格或p型InAs/InAsSb超晶格。所述n型衬底1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31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n型蓝色通道势垒层32的厚度为0.3μm～0.5μm，掺杂浓度为2×1016cm-3～1×1017cm-3，对应带宽为0.4eV～0.5eV；
所述p型连接层4的厚度为0.5μm～1μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1018cm-3，对应带宽为0.5eV～0.6eV；
所述n型红色通道势垒层51的厚度为0.3μm～0.5μm，掺杂浓度为2×1016cm-3～1×1017cm-3，对应带宽为0.3eV～0.5eV；
所述n型红色通道吸收层52的厚度为2μm～3μm，掺杂浓度为2×1015cm-3～5×1016cm-3，对应带宽为0.12eV～0.25eV；
所述第二n型接触层6的厚度为0.2μm～0.5μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1018cm-3，对应带宽为0.12eV～0.25eV。
本实施例的双色红外探测器的各功能层为掺杂的InAs/GaSb超晶格，通过合理的带宽设计保证了蓝色通道对应的光信号(光信号从衬底一侧入射)被n型超晶格蓝色通道吸收层完全吸收，而红色通道对应的光信号在到达n型超晶格红色通道吸收层前不会被吸收。这样保证了各自波段的量子效率，减小了光学串扰。
实施例2
本实施例具体说明实施例1的双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。
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和AsH3，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。在高温处理除去所述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31、n型蓝色通道势垒层32、p型连接层4、n型红色通道势垒层51、n型红色通道吸收层52和第二n型接触层6；
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0.4eV；
所述n型蓝色通道吸收层31为2μm厚度的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为2×1015cm-3，对应带宽为0.45eV；
所述n型蓝色通道势垒层32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0.5eV；
所述p型连接层4为0.5μm厚度的InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为1×1018cm-3(掺杂Zn)，对应带宽为0.6eV；
所述n型红色通道势垒层51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0.5eV；
所述n型红色通道吸收层52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0.25eV；
所述第二n型接触层6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0.25eV。
其中，所述n型蓝色通道吸收层31、所述n型蓝色通道势垒层32、所述p型连接层4、所述n型红色通道势垒层51、所述n型红色通道吸收层52的价带相互平齐，即价带差ΔEv为0，如图7所示。
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6、所述n型红色通道吸收层52、所述n型红色通道势垒层51、所述p型连接层4、所述n型蓝色通道势垒层32、所述n型蓝色通道吸收层31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7，在所述第二n型接触层6上形成第二电极8；其中，第一电极7和第二电极8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，红色通道吸收层带宽0.25eV，对应波长5.0μm，为中波红外波段，因而本实施例的器件为中短波双色红外探测器。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的双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。
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、As和Sb，n型掺杂源为Si，p型掺杂源为Be，生长温度约400℃。在高温处理除去所述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31、n型蓝色通道势垒层32、p型连接层4、n型红色通道势垒层51、n型红色通道吸收层52和第二n型接触层6；
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31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n型蓝色通道势垒层32为0.5μm厚度的InAs/InAsSb超晶格，掺杂浓度为1×1017cm-3(掺杂Si)，对应带宽为0.4e；
所述p型连接层4为1.0μm厚度的InAs/InAsSb超晶格，掺杂浓度为2×1018cm-3(掺杂Be)，对应带宽为0.5eV；
所述n型红色通道势垒层51为0.5μm厚度的InAs/InAsSb超晶格，掺杂浓度为1×1017cm-3(掺杂Si)，对应带宽为0.3eV；
所述n型红色通道吸收层52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0.12eV；
所述第二n型接触层6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0.12eV。
其中，所述n型蓝色通道吸收层31、所述n型蓝色通道势垒层32、所述p型连接层4、所述n型红色通道势垒层51、所述n型红色通道吸收层52的价带相互平齐，即价带差ΔEv为0，如图7所示。
步骤S3、采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺对对所述第二n型接触层6、所述n型红色通道吸收层42、所述n型红色通道势垒层51、所述p型连接层4、所述n型蓝色通道势垒层32、所述n型蓝色通道吸收层31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7，在所述第二n型接触层6上形成第二电极8；其中，第一电极7和第二电极8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，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中长波双色红外探测器。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 (5)
1.一种双色红外探测器，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型蓝色通道层(3)、p型连接层(4)、n型红色通道层(5)和第二n型接触层(6)，所述第一n型接触层(2)上还设有第一电极(7)，所述第二n型接触层(6)上设有与所述第一电极(7)对应的第二电极(8)；
其中，所述n型蓝色通道层(3)包括依序层叠设置于所述第一n型接触层(2)上的n型蓝色通道吸收层(31)和n型蓝色通道势垒层(32)；
所述n型红色通道层(5)包括依序层叠设置于所述p型连接层(4)上的n型红色通道势垒层(51)和n型红色通道吸收层(52)；
其中，所述第一n型接触层(2)、所述n型蓝色通道吸收层(31)、所述n型蓝色通道势垒层(32)、所述n型红色通道势垒层(51)、所述n型红色通道吸收层(52)和所述第二n型接触层(6)为掺杂Si的n型InAs/GaSb超晶格和/或n型InAs/InAsSb超晶格，所述p型连接层(4)为掺杂Zn或Be的p型InAs/GaSb超晶格或p型InAs/InAsSb超晶格。
2.根据权利要求1所述的双色红外探测器，其特征在于，所述n型蓝色通道吸收层(31)、所述n型蓝色通道势垒层(32)、所述n型红色通道势垒层(51)、所述n型红色通道吸收层(52)和所述p型连接层(4)的价带相互平齐。
3.根据权利要求2所述的双色红外探测器，其特征在于，所述p型连接层(4)、所述n型蓝色通道势垒层(32)和所述n型蓝色通道吸收层(31)的有效带宽依序递减；所述p型连接层(4)、所述n型红色通道势垒层(51)和所述n型红色通道吸收层(52)的有效带宽依序递减。
4.根据权利要求2所述的双色红外探测器，其特征在于，所述n型蓝色通道吸收层(31)的有效带宽大于所述n型红色通道吸收层(52)的有效带宽。
5.根据权利要求1所述的双色红外探测器，其特征在于，所述n型衬底(1)为n型GaSb或InAs。
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