CN112531047A - 红外探测器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种红外探测器及其制作方法。所述红外探测器的N型吸收层(12)为N型InAs材料或者N型InAs/InPSb超晶格，并且所述红外探测器的N型势垒层(13)为N型InPSb材料。本发明的器件结构中完全不含Al，避免了含Al材料的氧化，降低了材料生长和加工的难度，提升了器件稳定性和可靠性。

Description

红外探测器及其制作方法
技术领域
本发明属于光电以及半导体技术领域，具体地讲，涉及一种红外探测器及其制作方法。
背景技术
短波红外探测器的截止波长的范围为1微米～3微米，其可用于光纤通讯、安防成像、工业检测、气体探测等领域，具有广泛的应用前景和重要的商业价值。目前，常见的短波红外探测器主要是基于铟镓砷(InGaAs)材料和碲镉汞(HgCdTe)材料。InGaAs材料在1.7微米处性能最好，此时InGaAs材料与磷化铟(InP)衬底晶格匹配。但由于材料质量的原因，InGaAs探测器的波长拓展至2微米～3微米时性能急剧下降。HgCdTe材料质量好，并且少子寿命长，其制备的短波探测器性能优异，但因为材料价格昂贵，目前主要限制于军事用途。
锑化物超晶格(InAs/GaSb)是短波红外探测材料的另一选择，其具有量子效率高、暗电流小、带隙可调和材料均匀性好等优点。但目前短波锑化物红外探测器基本上采用含铝(Al)材料，例如AlSb或AlAsSb，通过AlSb来调谐波长，以实现1微米～3微米的探测。但是含Al材料极易氧化，这增加了红外探测器的生长和加工难度，影响器件的稳定性。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种不含Al的红外探测器及其制作方法。
根据本发明的实施例的一方面提供的红外探测器，其中，所述红外探测器的N型吸收层为N型InAs材料或者N型InAs/InPSb超晶格，并且所述红外探测器的N型势垒层为N型InPSb材料。
在上述一方面提供的红外探测器的一个示例中，所述N型势垒层的带宽大于所述N型吸收层的有效带宽，并且所述N型势垒层的价带与所述N型吸收层的价带平齐。
在上述一方面提供的红外探测器的一个示例中，所述红外探测器还包括衬底、N型接触层、P型接触层、第一电极以及第二电极；其中，所述N型接触层、所述N型吸收层、所述N型势垒层、所述P型接触层沿远离所述衬底的方向依序层叠设置在所述衬底上，所述第一电极与所述N型接触层接触，所述第二电极设置在所述P型接触层上。
在上述一方面提供的红外探测器的一个示例中，所述N型吸收层、所述N型势垒层以及所述P型接触层的局部被刻蚀去除，以形成露出所述N型接触层的台面结构，所述第一电极设置在露出的所述N型接触层上。
在上述一方面提供的红外探测器的一个示例中，所述衬底为N型InAs衬底或者N型GaSb衬底，和/或所述N型接触层为N型InAs材料或者N型InAsSb材料，和/或所述P型接触层为P型InPSb材料或者P型GaSb材料。
根据本发明的实施例的另一方面提供的红外探测器的制作方法，其包括：利用N型InAs材料或者N型InAs/InPSb超晶格制作形成所述红外探测器的N型吸收层，并且利用N型InPSb材料制作形成所述红外探测器的N型势垒层。
在上述另一方面提供的红外探测器的制作方法的一个示例中，所述N型势垒层的带宽大于所述N型吸收层的有效带宽，并且所述N型势垒层的价带与所述N型吸收层的价带平齐。
在上述另一方面提供的红外探测器的制作方法的一个示例中，在制作形成所述N型吸收层之前，所述制作方法还包括：在衬底上制作形成N型接触层；利用N型InAs材料或者N型InAs/InPSb超晶格制作形成所述红外探测器的N型吸收层，具体包括：利用N型InAs材料或者N型InAs/InPSb超晶格在所述N型接触层上制作形成所述N型吸收层；利用N型InPSb材料制作形成所述红外探测器的N型势垒层，具体包括：利用N型InPSb材料在所述N型吸收层上制作形成所述N型势垒层；在制作形成所述N型势垒层之后，所述制作方法还包括：在所述N型势垒层上制作形成P型接触层；沉积形成与所述N型接触层接触的第一电极，并在所述P型接触层上沉积形成第二电极。
在上述另一方面提供的红外探测器的制作方法的一个示例中，所述沉积形成与所述N型接触层接触的第一电极，具体包括：对所述P型接触层、所述N型势垒层以及所述N型吸收层进行局部刻蚀，以形成露出所述N型接触层的台面结构；在露出的所述N型接触层上沉积形成第一电极。
在上述另一方面提供的红外探测器的制作方法的一个示例中，所述衬底为N型InAs衬底或者N型GaSb衬底，和/或所述N型接触层为N型InAs材料或者N型InAsSb材料，和/或所述P型接触层为P型InPSb材料或者P型GaSb材料。
有益效果：本发明的红外探测器中完全不含Al，避免了含Al材料的氧化，降低了材料生长和加工的难度，提升了器件稳定性和可靠性。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的实施例的红外探测器的结构示意图；
图2是根据本发明的实施例的红外探测器的能带示意图；
图3是根据本发明的实施例的红外探测器中InPSb势垒层与InAs/InPSb超晶格各自的导带EC和价带EV的相对位置比对图；
图4a至图4d是根据本发明的实施例的红外探测器的制作方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的具体实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”、“根据”等表示“至少部分地基于”、“至少部分地根据”。术语“实施例”、“一个示例”、“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”、“另一实施例”、“另一个示例”、“又一个示例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。
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，而省略了关系不大的其他细节。
如背景技术中所述，现有的短波锑化物红外探测器基本上采用含铝(Al)材料，例如AlSb或者AlAsSb，但是含Al材料极易氧化，这增加了红外探测器的生长和加工难度，影响器件的稳定性。
因此，为了解决上述问题，根据本发明的实施例提供了一种红外探测器及其制作方法。在该红外探测器中，采用无Al的InPSb作为电子势垒层，并采用无Al的InAs/InPSb超晶格作为吸收层，很好的利用了InPSb作为InAs材料天然电子势垒的优势。因此，根据本发明的实施例提供了一种不含Al的锑化物红外探测器，从而可以降低红外探测器的生长和加工难度，并且不会影响器件的稳定性。
以下将结合附图来详细描述根据本发明的实施例的红外探测器。
图1是根据本发明的实施例的红外探测器的结构示意图。
参阅图1所示，根据本发明的实施例提供的红外探测器，其包括：衬底10；从下而上叠层设置在衬底10上(即沿远离所述衬底的方向依次层叠设置)的N型接触层11、N型吸收层12、N型势垒层13和P型接触层14；以及第一电极15和第二电极16；其中，所述第一电极15设置在所述N型接触层11上，所述第二电极16设置在所述P型接触层14上。
在一个示例中，所述衬底10可以为N型InAs衬底或N型GaSb衬底。
在一个示例中，所述N型接触层11可以为N型InAs或N型InAsSb材料，所述N型接触层11的厚度可以为0.2μm～0.5μm，掺杂源可以选用Si或Te，掺杂浓度可以为1×1018cm-3～1×1019cm-3。
在一个示例中，所述N型吸收层12可以为N型InAs材料或N型InAs/InPSb超晶格，所述N型吸收层12的厚度可以为2μm～5μm，掺杂源可以选用Si或Te，掺杂浓度可以为1×1016cm-3～1×1017cm-3，对应带宽可以为0.4eV～0.6eV。
在一个示例中，所述N型势垒层13可以为N型InPSb材料，所述N型势垒层13的厚度可以为0.1μm～0.5μm，掺杂源可以选用Si或Te，掺杂浓度可以为5×1015cm-3～2×1016cm-3。
在一个示例中，所述P型接触层14可以为P型InPSb或P型GaSb材料，所述P型接触层14的厚度可以为0.2μm～0.5μm，掺杂源可以选用Zn或Be，掺杂浓度可以为1×1018cm-3～1×1019cm-3。
以下对根据本发明的实施例的红外探测器的能带进行详细描述。图2是根据本发明的实施例的红外探测器的能带的示意图。
一并参照图1和图2，所述N型势垒层13的带宽大于所述N型吸收层12的有效带宽，且所述N型势垒层13的价带EV与N型吸收层12的价带EV平齐，构成电子势垒。这样在器件工作时，在N型吸收层12产生的噪声热电子被N型势垒层13的势垒阻挡，有效抑制了器件的暗电流；同时对于在N型吸收层12吸收光信号产生的电子空穴对，电子被N型接触层11收集，空穴越过N型势垒层13后被P型接触层14收集。也就是说，含有电子势垒的异质结构能够抑制探测器的暗电流和噪声，同时也保证了光电流的正常吸收，从而提高了红外探测器的探测性能。
现有的短波锑化物红外探测器无论是势垒层和吸收层都含有Al。而在根据本发明的实施例的红外探测器中，采用无Al的InPSb作为电子势垒层(即N型势垒层13)，采用无Al的InAs/InPSb超晶格作为吸收层(即N型吸收层12)，很好的利用了InPSb作为InAs材料天然电子势垒的优势，其能带排布如图3所示。图3是根据本发明的实施例的红外探测器中InPSb势垒层与InAs/InPSb超晶格各自的导带EC和价带EV的相对位置比对图。
参照图3，InPSb材料与InAs材料的价带EV天然平齐，导带EC相差0.2eV。而InAs/InPSb超晶格形成微带后的价带EV与InPSb势垒的EV平齐，构成理想的电子势垒型异质结，导带EC介于InAs和InPSb之间，可以通过厚度灵活的调节吸收波长，截止波长为2微米～3微米，可覆盖大部分短波红外的范围。
以下对根据本发明的实施例的红外探测器的制程进行详细说明。图4a至图4d是根据本发明的实施例的红外探测器的制作方法的制程图。
参照图4a，提供一衬底10。在一个示例中，所述衬底10可以选用N型InAs衬底或者N型GaSb的衬底。
参照图4b，在所述衬底10上从下而上地依次生长形成叠层的N型接触层11、N型吸收层12、N型势垒层13、以及P型接触层14。
在一个示例中，采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺在所述衬底10上从下而上地依次生长形成N型接触层11、N型吸收层12、N型势垒层13、以及P型接触层14。具体地，以金属有机物化学气相沉积工艺作为生长工艺，生长源为TMIn、TMSb、AsH3以及PH3，n型掺杂源为SiH4，p型掺杂源为DEZn，生长温度设置为约600℃，反应室压力设置为200Torr。在高温处理除去步骤S1中衬底10表面的杂质后，从下而上在衬底10上依次生长：
(1)N型接触层11。在一个示例中，N型接触层11为N型InAs材料，厚度为0.2μm，掺Si，掺杂浓度为1×1018cm-3。
(2)N型吸收层12。在一个示例中，N型吸收层12为N型InAs材料，厚度为2μm，掺Si，掺杂浓度为1×1016cm-3，对应带宽为0.4eV。
(3)N型势垒层13。在一个示例中，N型势垒层13为N型InPSb材料，厚度为0.1μm，掺Si，掺杂浓度为5×1015cm-3。
(4)P型接触层14。在一个示例中，P型接触层14为P型InPSb材料，厚度为0.2μm，掺Zn，掺杂浓度为1×1018cm。
这里，采用了MOCVD工艺作为N型接触层11、N型吸收层12、N型势垒层13、以及P型接触层14的生长工艺，获得的红外探测器截止波长约为3μm。由于MOCVD工艺产能大、成本低，采用该工艺能够减小成本，提高制作的红外探测器的性价比。
在另一个示例中，使用分子束外延工艺作为生长工艺，生长源为固态单质源Ga、In、As、P以及Sb，n型掺杂源为Te，p型掺杂源为Be，生长温度约为400℃。在衬底10经过除气去杂后，从下而上在衬底10上依次生长：
(1)N型接触层11。在一个示例中，N型接触层11为N型InAsSb材料，厚度为0.5μm，掺Te，掺杂浓度为1×1019cm-3。
(2)N型吸收层12。在一个示例中，N型吸收层12为N型InAs/InPSb超晶格，厚度为5μm，掺Te，掺杂浓度为1×1017cm-3，对应带宽为0.5eV。
(3)N型势垒层13。在一个示例中，N型势垒层13为N型InPSb材料，厚度为0.5μm，掺Te，掺杂浓度为2×1016cm-3。
(4)P型接触层14。在一个示例中，P型接触层14为P型GaSb材料，厚度为0.5μm，掺Be，掺杂浓度为1×1019cm-3。
在采用MBE工艺作为生长工艺的情况下，获得的红外探测器的截止波长约为2.5μm。由于MBE工艺能形成陡峭界面，此工艺获得的短波红外探测器的性能较高。
参照图4c，对所述P型接触层14、所述N型势垒层13、所述N型吸收层12进行局部刻蚀，形成露出了所述N型接触层11的台面结构A。
在一个示例中，采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺对所述P型接触层14、所述N型势垒层13、所述N型吸收层12进行局部刻蚀，使所述N型接触层11露出，从而形成台面结构A。
在另一个示例中，采用湿法腐蚀工艺对所述P型接触层14、所述N型势垒层13、所述N型吸收层12进行局部刻蚀，使所述N型接触层11露出，从而形成台面结构A。
参照图4d，在所述N型接触层11上沉积第一电极15，并在所述P型接触层14上沉积第二电极16。
在一个示例中，采用电子束蒸发工艺在露出的所述N型接触层11上沉积所述第一电极15，在所述P型接触层14上沉积所述第二电极16。其中，第一电极15和第二电极16均为Ti
Figure BDA0002849112700000071
/Pt
Figure BDA0002849112700000072
/Au
Figure BDA0002849112700000073
组合。
在另一个示例中，采用电子束蒸发工艺在露出的所述N型接触层11上沉积所述第一电极15，在所述P型接触层14上沉积所述第二电极16。其中，第一电极15和第二电极16均为Ti
Figure BDA0002849112700000074
/Pt
Figure BDA0002849112700000075
/Au
Figure BDA0002849112700000076
组合。
综上所述，根据本发明的实施例的红外探测器及其制作方法，器件结构中完全不含Al，避免了含Al材料的氧化，降低了材料生长和加工的难度，提升了器件稳定性和可靠性。
在整个本说明书中使用的术语“示例性”、“示例”等意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。
以上结合附图详细描述了本发明的实施例的可选实施方式，但是，本发明的实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的实施例的技术构思范围内，可以对本发明的实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的实施例的保护范围。
本说明书内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本说明书内容。对于本领域普通技术人员来说，对本说明书内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本说明书内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (10)

1.一种红外探测器，其特征在于，所述红外探测器的N型吸收层(12)为N型InAs材料或者N型InAs/InPSb超晶格，并且所述红外探测器的N型势垒层(13)为N型InPSb材料。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述N型势垒层(13)的带宽大于所述N型吸收层(12)的有效带宽，并且所述N型势垒层(13)的价带与所述N型吸收层(12)的价带平齐。
3.根据权利要求1或2所述的红外探测器，其特征在于，所述红外探测器还包括衬底(10)、N型接触层(11)、P型接触层(14)、第一电极(15)以及第二电极(16)；其中，所述N型接触层(11)、所述N型吸收层(12)、所述N型势垒层(13)、所述P型接触层(14)沿远离所述衬底(10)的方向依序层叠设置在所述衬底(10)上，所述第一电极(15)与所述N型接触层(11)接触，所述第二电极(16)设置在所述P型接触层(14)上。
4.根据权利要求3所述的红外探测器，其特征在于，所述N型吸收层(12)、所述N型势垒层(13)以及所述P型接触层(14)的局部被刻蚀去除，以形成露出所述N型接触层(11)的台面结构(A)，所述第一电极(15)设置在露出的所述N型接触层(11)上。
5.根据权利要求3所述的红外探测器，其特征在于，所述衬底(10)为N型InAs衬底或者N型GaSb衬底，和/或所述N型接触层(11)为N型InAs材料或者N型InAsSb材料，和/或所述P型接触层(14)为P型InPSb材料或者P型GaSb材料。
6.一种红外探测器的制作方法，其特征在于，包括：利用N型InAs材料或者N型InAs/InPSb超晶格制作形成所述红外探测器的N型吸收层(12)，并且利用N型InPSb材料制作形成所述红外探测器的N型势垒层(13)。
7.根据权利要求6所述的红外探测器的制作方法，其特征在于，所述N型势垒层(13)的带宽大于所述N型吸收层(12)的有效带宽，并且所述N型势垒层(13)的价带与所述N型吸收层(12)的价带平齐。
8.根据权利要求6或7所述的红外探测器的制作方法，其特征在于，
在制作形成所述N型吸收层(12)之前，所述制作方法还包括：在衬底(10)上制作形成N型接触层(11)；
利用N型InAs材料或者N型InAs/InPSb超晶格制作形成所述红外探测器的N型吸收层(12)，具体包括：利用N型InAs材料或者N型InAs/InPSb超晶格在所述N型接触层(11)上制作形成所述N型吸收层(12)；
利用N型InPSb材料制作形成所述红外探测器的N型势垒层(13)，具体包括：利用N型InPSb材料在所述N型吸收层(12)上制作形成所述N型势垒层(13)；
在制作形成所述N型势垒层(13)之后，所述制作方法还包括：在所述N型势垒层(13)上制作形成P型接触层(14)；沉积形成与所述N型接触层(11)接触的第一电极(15)，并在所述P型接触层(14)上沉积形成第二电极(16)。
9.根据权利要求8所述的红外探测器的制作方法，其特征在于，所述沉积形成与所述N型接触层(11)接触的第一电极(15)，具体包括：
对所述P型接触层(14)、所述N型势垒层(13)以及所述N型吸收层(12)进行局部刻蚀，以形成露出所述N型接触层(11)的台面结构(A)；
在露出的所述N型接触层(11)上沉积形成第一电极(15)。
10.根据权利要求8所述的红外探测器的制作方法，其特征在于，所述衬底(10)为N型InAs衬底或者N型GaSb衬底，和/或所述N型接触层(11)为N型InAs材料或者N型InAsSb材料，和/或所述P型接触层(14)为P型InPSb材料或者P型GaSb材料。
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