CN113035992A - 互补势垒超晶格长波红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种互补势垒超晶格长波红外探测器自下而上顺次包括：衬底、缓冲层、n型InAsSb层、电子势垒层、吸收层、空穴势垒层、n型接触层和盖层；所述空穴势垒层自下而上包括：p型掺杂空穴势垒区和n型掺杂空穴势垒区；所述互补势垒超晶格长波红外探测器还包括上电极和下电极，上电极设置在所述盖层上；下电极设置在所述缓冲层上。本公开能够抑制长波探测器G‑R电流、降低器件开启电压。
Description
技术领域
本公开涉及半导体芯片制造领域，尤其涉及一种互补势垒超晶格长波红外探测器。
背景技术
目前，主流的长波探测器材料包括碲镉汞、量子阱(QWIP)和InAs/GaSb超晶格。
但是，碲镉汞材料在长波波段大面积均匀性差，良品率低；QWIP利用子带间跃迁，量子效率低，且根据跃迁选择定则不能接收正入射的光，需要在表面制作光栅，增加了工艺的复杂性。
因此，InAs/GaSb超晶格成为了最为瞩目的第三代探测器材料。InAs/GaSb超晶格带隙可通过改变超晶格组分灵活调节，并且具有较大的电子有效质量、低的俄歇复合速率和高量子效率的优点。且成熟的III-V族工艺与读出电路兼容，更容易制备出性能良好的焦平面阵列。长波探测器的暗电流来源主要有体暗电流和表面漏电流。其中，体暗电流包括扩散成分、产生-复合(G-R)电流成分和隧穿电流成分，具体包括直接隧穿和间接隧穿暗电流。
当前制约InAs/GaSb超晶格长波探测器暗电流进一步降低的主要是G-R暗电流。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种互补势垒超晶格长波红外探测器，以解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种互补势垒超晶格长波红外探测器，自下而上顺次包括：衬底、缓冲层、n型InAsSb层、电子势垒层、吸收区、空穴势垒层、n型接触层和盖层；所述空穴势垒层自下而上包括：p型掺杂空穴势垒区和n型掺杂空穴势垒区；上电极，设置在所述盖层上；下电极，设置所述缓冲层上。
在本公开的一些实施例中，所述p型掺杂空穴势垒区的厚度为80nm～200nm；所述p型掺杂空穴势垒区自下而上的渐变掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1014cm-3；所述n型掺杂空穴势垒区的厚度为300nm～400nm；所述n型掺杂空穴势垒区自下而上的渐变掺杂浓度为1×1014cm-3～2×1016cm-3。
在本公开的一些实施例中，所述n型InAsSb层的厚度为150nm～250nm；所述n型InAsSb层自下而上的n型渐变掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1017cm-3；所述n型InAsSb层与所述电子势垒层形成II型能带排列，所述II型能带排列为所述电子势垒层的价带高于所述n型InAsSb层的导带。
在本公开的一些实施例中，所述电子势垒层和所述吸收区为InAs/GaSb超晶格结构，所述吸收区的InAs/GaSb超晶格结构组分达到的截止波长为9～12μm，所述电子势垒层的InAs/GaSb超晶格结构组分达到的截止波长是3～5μm。
在本公开的一些实施例中，所述p型掺杂空穴势垒区和所述n型掺杂空穴势垒区为InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格结构。
在本公开的一些实施例中，所述电子势垒层的厚度为200nm～300nm；所述电子势垒层为p型掺杂，所述电子势垒层自下而上的p型渐变掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1016cm-3。
在本公开的一些实施例中，所述电子势垒层与所述吸收区的能带排列为所述电子势垒层的材料带隙大于两倍的所述吸收区的材料带隙；所述电子势垒层价带带边能量小于等于所述吸收区价带带边能量。
在本公开的一些实施例中，所述缓冲层的厚度为500nm～800nm；所述缓冲层自下而上的p型渐变掺杂浓度为3×1018cm-3～5×1017cm-3。
在本公开的一些实施例中，所述吸收区的厚度为2～2.5μm，所述吸收区为p型弱掺杂，掺杂浓度为1×1016cm-3～3×1016cm-3。
在本公开的一些实施例中，所述缓冲层和所述n型InAsSb层的材料均为GaSb或InAsSb；所述盖层材料为InAs。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开互补势垒超晶格长波红外探测器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开提供的互补势垒超晶格长波红外探测器能够抑制长波探测器G-R电流、降低器件开启电压，具有较高的探测率，满足高性能长波红外探测的要求。
(2)本公开中空穴势垒层采用分段不同极性的渐变掺杂，可以将耗尽层引入到宽带隙材料中，从而有效地降低G-R电流和隧穿暗电流。
(3)本公开中电子势垒层区价带带边能量小于等于吸收区区价带带边能量，使得多子空穴无阻碍地被n型InAsSb层收集，电子势垒层区导带形成的势垒高度大于吸收区的两倍，足以阻挡光生电子的输运。
(4)本公开中空穴势垒层先p型后n型的渐变掺杂，使得电学结(掺杂极性不同形成的结)与冶金结(吸收区/势垒区形成的异质结)分离，将耗尽区移入到宽带隙的空穴势垒区中，减小了G-R暗电流。
(5)本公开中空穴势垒层通过厚度以及掺杂调控，使p型掺杂空穴势垒区没有在导带形成弯曲，不会影响光生电子的收集，以能够获取较小的开启电压。
附图说明
图1为本公开实施例互补势垒超晶格长波红外探测器的示意图。
图2是本公开实施例的未形成半导体接触时各区域材料带边位置示意图。
图3是本公开实施例在77K温度下互补势垒长波超晶格形成半导体接触后在零偏压下的能带图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
100-衬底；
200-缓冲层；
300-n型InAsSb层；
400-电子势垒层；
500-吸收区；
600-空穴势垒层；
601-p型掺杂空穴势垒区；
602-n型掺杂空穴势垒区；
700-n型接触层；
800-盖层；
901-上电极；
902-下电极。
具体实施方式
本公开提供了一种互补势垒超晶格长波红外探测器自下而上顺次包括：衬底、缓冲层、n型InAsSb层、电子势垒层、吸收区、空穴势垒层、n型接触层和盖层；所述空穴势垒层自下而上包括：p型掺杂空穴势垒区和n型掺杂空穴势垒区；所述互补势垒超晶格长波红外探测器还包括上电极和下电极，上电极设置在所述盖层上；下电极设置在所述缓冲层上。本公开能够抑制长波探测器G-R电流、降低器件开启电压。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种互补势垒超晶格长波红外探测器。图1为本公开实施例互补势垒超晶格长波红外探测器的示意图。如图1所示，本公开互补势垒超晶格长波红外探测器，自下而上顺次包括：衬底、缓冲层、n型InAsSb层、电子势垒层、吸收区、空穴势垒层、n型接触层和盖层；所述空穴势垒层自下而上包括：p型掺杂空穴势垒区和n型掺杂空穴势垒区。所述互补势垒超晶格长波红外探测器还包括上电极和下电极，上电极设置在所述盖层上；下电极设置在所述缓冲层上。
实施例
在P型GaSb衬底100上利用分子束外延设备生长一层渐变掺杂的P型GaSb缓冲层200作为底部接触层。然后，在P型GaSb缓冲层200上生长n型渐变掺杂的n型InAsSb层300来移除吸收区过剩空穴。在n型InAsSb层300之上生长InAs/GaSb超晶格材料的电子势垒层400，用来阻挡n型InAsSb层300的反向注入电子。接下来，在电子势垒层之上生长InAs/GaSb超晶格材料的吸收区吸收区500，自下而上从P到N渐变掺杂的InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格材料组成的空穴势垒层600，进一步地，空穴势垒层600自下而上包括：p型掺杂空穴势垒区601和n型掺杂空穴势垒区602。在n型掺杂空穴势垒区602之上生长渐变n型掺杂的n型接触层700，n型接触层700与空穴势垒层600的组分相同，但掺杂浓度并不相同。最后，在n型接触层700之上沉积重N型掺杂的InAs材料的盖层800。上电极901设置在盖层800上。下电极902设置在缓冲层200上。
本实施例提供的互补势垒超晶格长波红外探测器中各个区域均采用分子束外延设备进行生长，并对各个区域的材料组分、周期厚度、掺杂类型及浓度进行精确控制，有效抑制体暗电流，降低开启电压，具有较高的探测率，能够满足高性能长波红外探测的要求。以下分别对各个区域的材料组分、周期厚度、掺杂类型及浓度进行具体介绍。
图2展示了未掺杂情况下各区域材料在未形成器件时其导带、价带带边能量的相对位置关系。关于各个区域的材料组分具体如下介绍。
缓冲层200的材料为GaSb或InAsSb。
n型InAsSb层300的材料为GaSb或InAsSb。可选地，n型InAsSb层的材料为InAs0.91Sb0.09。
电子势垒层400的材料为InAs/GaSb超晶格结构，以阻挡吸收区电子反向输运。InAs/GaSb超晶格结构材料组分在导带形成电子势垒的同时与吸收区价带能带匹配，例如：8ML InAs/8ML GaSb超晶格结构。
吸收区500为InAs/GaSb超晶格结构。通过调节InAs/GaSb超晶格结构材料组分，达到截止波长为9～12μm的长波探测，例如：10ML InAs/5MLGaSb超晶格结构。
空穴势垒层600中p型掺杂空穴势垒区601和n型掺杂空穴势垒区602为InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格结构。所选InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格结构材料组分在价带保证形成空穴势垒的同时，不影响导带光生载流子的输运，例如：16ML InAs/2ML GaSb/3MLAlSb/2MLGaSb超晶格结构。
盖层800的材料为InAs。
上电极901和下电极902的材料为电子束蒸发或者溅射得到的Ti/Pt/Au金属。
关于各个区域的周期厚度、掺杂类型及浓度具体如下介绍。
缓冲层200的厚度为500nm～800nm；缓冲层200为p型重掺杂，渐变掺杂浓度自下而上为3×1018cm-3～5×1017cm-3。
n型InAsSb层300的厚度为100nm～300nm，优选200nm。n型InAsSb层300为n型掺杂，渐变掺杂浓度自下而上为5×1017cm-3～1×1017cm-3；n型InAsSb层300与电子势垒层400形成II型能带排列，所述II型能带排列为所述电子势垒层的价带高于所述n型InAsSb层的导带。
电子势垒层400的厚度为200nm～300nm；电子势垒层400为p型渐变掺杂，掺杂浓度由底部的1×1017cm-3变化到顶部的5×1016cm-3
吸收区500的厚度为2～2.5μm，吸收区500为p型弱掺杂，掺杂浓度为1×1016cm-3～3×1016cm-3。
其中，电子势垒层400与吸收区500的能带排列为电子势垒层400的材料带隙大于两倍的吸收区500的材料带隙。电子势垒层400区价带带边能量小于等于吸收区500区价带带边能量。
空穴势垒层600中p型掺杂空穴势垒区601的厚度为80nm～200nm；p型掺杂空穴势垒区601自下而上的渐变掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1014cm-3；空穴势垒层600中n型掺杂空穴势垒区602的厚度为300nm～400nm；n型掺杂空穴势垒区602自下而上的渐变掺杂浓度为1×1014cm-3～2×1016cm-3。
实施例
本实施例提供的互补势垒超晶格长波红外探测器中缓冲层200的厚度为500nm，n型InAsSb层300的厚度为200nm，电子势垒层400的厚度200～300nm，吸收区500的厚度为2000nm，空穴势垒层的总厚度为450nm，分成两段(p型掺杂空穴势垒区601和n型掺杂空穴势垒区602)进行不同极性的掺杂，分别p型掺杂空穴势垒区601的厚度为100nm，n型掺杂空穴势垒区602的厚度为350nm，n型接触层700的厚度为500nm，盖层800的厚度为30nm。
吸收区500采用弱p型掺杂，掺杂浓度为1×1016cm-3～3×1016cm-3；优选为2×1016cm-3，使得本征偏n型的吸收区的少子改为扩散长度更大的电子。n型接触层700和盖层800均采用n型重掺杂以和金属电极之间形成良好的欧姆接触，掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3。其余部分区域，具体包括缓冲层200，n型InAsSb层300，电子势垒层400，空穴势垒层600均采用线性渐变掺杂。
缓冲层200底部p型掺杂浓度为3×1018cm-3，缓冲层200顶部与n型InAsSb层300交界处p型掺杂浓度为5×1017cm-3。n型InAsSb层300底部n型掺杂浓度为5×1017cm-3，n型InAsSb层300顶部与电子势垒层400交界处n型掺杂浓度为1×1017cm-3。电子势垒层400底部p型掺杂浓度为1×1017cm-3，电子势垒层400顶部与吸收区500交界处p型掺杂浓度为5×1016cm-3。
空穴势垒层600采用分段进行不同极性的掺杂，可以将耗尽层引入到宽带隙材料中，从而有效地降低G-R电流和隧穿暗电流。这里本领域技术人员可以理解的是，上文所指的耗尽层一般为p型和n型材料接触形成的一个电荷耗尽的区域，并不是一种实际的材料。上文所指的宽带隙材料是指空穴势垒层600采用的超晶格材料组分形成的禁带宽度大。
其中，于吸收区500之上的p型掺杂空穴势垒区601采用p型渐变掺杂，掺杂浓度从下到上为1×1016cm-3～1×1014cm-3；n型掺杂空穴势垒区602采用n型渐变掺杂，掺杂浓度从下到上是1×1014cm-3～2×1016cm-3。按照掺杂方式和厚度定义形成的器件能带如图3所示。
本实施例提供的互补势垒超晶格长波红外探测器中，电子势垒层400和n型InAsSb层300形成II类能带排列，吸收区500中的过剩空穴可以通过电子势垒层400和n型InAsSb层300之间的断带隙轻松移除。同时，n型InAsSb层300中导带的电子可以直接流入电子势垒层400超晶格的价带。而且，p型单极电子势垒阻挡了n型InAsSb层300中的电子向吸收区500的注入，并使吸收区500中向左流动的电子偏转回顶部n型接触层700，如图3所示。PN结形成在电子势垒层400和n型InAsSb层300之间，不会在吸收区500形成空间电荷区。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开互补势垒超晶格长波红外探测器有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种能够抑制长波探测器G-R电流、降低器件开启电压的互补势垒超晶格长波红外探测器，可以广泛应用于红外侦查，红外预警及远程导弹等重大装备领域。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种互补势垒超晶格长波红外探测器，自下而上顺次包括：衬底、缓冲层、n型InAsSb层、电子势垒层、吸收区、空穴势垒层、n型接触层和盖层；所述空穴势垒层自下而上包括：p型掺杂空穴势垒区和n型掺杂空穴势垒区；
上电极，设置在所述盖层上；
下电极，设置所述缓冲层上。
2.根据权利要求1所述的互补势垒超晶格长波红外探测器，其中，所述p型掺杂空穴势垒区的厚度为80nm～200nm；所述p型掺杂空穴势垒区自下而上的渐变掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1014cm-3；所述n型掺杂空穴势垒区的厚度为300nm～400nm；所述n型掺杂空穴势垒区自下而上的渐变掺杂浓度为1×1014cm-3～2×1016cm-3。
3.根据权利要求1所述的互补势垒超晶格长波红外探测器，其中，所述n型InAsSb层的厚度为150nm～250nm；所述n型InAsSb层自下而上的n型渐变掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1017cm-3；所述n型InAsSb层与所述电子势垒层形成II型能带排列，所述II型能带排列为所述电子势垒层的价带高于所述n型InAsSb层的导带。
4.根据权利要求1所述的互补势垒超晶格长波红外探测器，其中所述电子势垒层和所述吸收区为InAs/GaSb超晶格结构，所述吸收区的InAs/GaSb超晶格结构组分达到的截止波长为9～12μm，所述电子势垒层的InAs/GaSb超晶格结构组分达到的截止波长是3～5μm。
5.根据权利要求1所述的互补势垒超晶格长波红外探测器，其中，所述p型掺杂空穴势垒区和所述n型掺杂空穴势垒区为InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格结构。
6.根据权利要求1所述的互补势垒超晶格长波红外探测器，其中，所述电子势垒层的厚度为200nm～300nm；所述电子势垒层自下而上的p型渐变掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1016cm-3。
7.根据权利要求1所述的互补势垒超晶格长波红外探测器，其中，所述电子势垒层与所述吸收区的能带排列为所述电子势垒层的材料带隙大于两倍的所述吸收区的材料带隙；所述电子势垒层价带带边能量小于等于所述吸收区价带带边能量。
8.根据权利要求1所述的互补势垒超晶格长波红外探测器，其中，所述缓冲层的厚度为500nm～800nm；所述缓冲层自下而上的p型渐变掺杂浓度为3×1018cm-3～5×1017cm-3。
9.根据权利要求1所述的互补势垒超晶格长波红外探测器，其中，所述吸收区的厚度为2～2.5μm，所述吸收区为p型弱掺杂，掺杂浓度为1×1016cm-3～3×1016cm-3。
10.根据权利要求1所述的互补势垒超晶格长波红外探测器，其中，所述缓冲层和所述n型InAsSb层的材料均为GaSb或InAsSb；所述盖层材料为InAs。
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