CN113594290B - 一种延伸波长响应截止探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种延伸波长响应截止探测器及其制作方法，采用背入式p‑i‑i‑n或n‑i‑i‑p的延伸波长探测器结构，也即，所述探测器结构包括双本征吸收层结构，所述双本征吸收层结构包括晶格匹配本征吸收层和晶格微失配本征吸收层，将两种本征吸收层相结合；其中，晶格匹配本征吸收层用以提升整体量子效率，晶格微失配本征吸收层的厚度控制在晶格弛豫临界厚度范围内，以达到完全应变，显著降低失配位错缺陷，实现在扩展响应截止波长的同时也可有效抑制探测器暗电流。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制作技术，尤其涉及一种延伸波长响应截止探测器及其制作方法。
背景技术
截止波长1.7μm的InP基InGaAs探测器材料晶格匹配、技术较为成熟，能够满足众多应用需求。但1.7μm以上的短波红外谱段，由于特征谱线丰富，在光谱检测、遥感分析等应用领域具有重要价值。然而，对于短波红外InGaAs探测器，当响应截止波长超过1.7μm，将面临材料晶格失配问题。例如，当截止波长延伸至1.9μm，吸收层的晶格失配度将达到～+6000ppm水平，极易在外延生长过程中引入失配位错缺陷，造成暗电流显著增大。
通常，延伸波长InGaAs探测器主要采用组分渐变缓冲层或超晶格缓冲结构来抑制晶格失配缺陷，但事实上，由于InGaAs吸收层厚度远大于临界厚度，晶格弛豫极难避免，一旦发生弛豫，探测器暗电流必然增大。
因此，如何解决探测器暗电流较大成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种延伸波长响应截止探测器及其制作方法，以解决现有技术中延伸波长响应截止探测器存在的暗电流较大的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种延伸波长响应截止探测器，包括：
衬底；
位于衬底上的下接触层；
位于所述下接触层背离所述衬底表面的双本征吸收层；
位于所述双本征吸收层表面的上接触层；
位于所述上接触层表面的介质膜；
位于所述上接触层内的接触区；
贯穿所述介质膜与所述接触区电性连接的第一电极；
贯穿所述介质膜、所述上接触层、所述双本征吸收层，与所述下接触层电性连接的第二电极；
其中，所述双本征吸收层包括晶格匹配本征吸收层和晶格微失配本征吸收层，以及位于两者之间的界面缓冲层。
优选地，所述衬底为N型掺杂衬底或当所述延伸波长响应截止探测器采用P-on-N结构，所述衬底为SI型半绝缘衬底，所述双本征吸收层沿背离衬底的方向依次包括：
晶格匹配本征吸收层、界面缓冲层和晶格微失配本征吸收层。
优选地，所述衬底为P型掺杂衬底或当所述延伸波长响应截止探测器采用N-on-P结构，所述衬底为SI型半绝缘衬底，所述双本征吸收层沿背离衬底的方向依次包括：
晶格微失配本征吸收层、界面缓冲层和晶格匹配本征吸收层。
优选地，所述晶格匹配本征吸收层为In0.53Ga0.47As，响应波长范围在1.7μm以下光谱。
优选地，所述晶格匹配本征吸收层的背景载流子浓度小于或等于5×1015cm-3。
优选地，所述晶格匹配本征吸收层的厚度范围为0.5μm～3.0μm，包括端点值。
优选地，所述晶格微失配本征吸收层为InxGa1-xAs(0.53＜x≤0.63)，响应波长范围在1.7μm到1.9μm之间的光谱。
优选地，所述晶格微失配本征吸收层的背景载流子浓度小于或等于5×1015cm-3。
优选地，所述晶格微失配本征吸收层的厚度范围为0.5μm～2.5μm，包括端点值，且所述双本征吸收层的总厚度不大于3.5μm。
优选地，所述界面缓冲层为非掺杂的本征InyGa1-yAs组分渐变层，其中，In组分线性渐变或梯度渐变，0.53＜y≤x。
本发明还提供一种延伸波长响应截止探测器制作方法，用于制作形成上面任意一项所述的延伸波长响应截止探测器，所述制作方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次生长形成下接触层、双本征吸收层、上接触层，所述双本征吸收层包括晶格匹配本征吸收层和晶格微失配本征吸收层，以及位于两者之间的界面缓冲层；
在所述上接触层中形成接触区；
在所述上接触层表面形成介质膜；
形成第一电极和第二电极，所述第一电极贯穿所述介质膜，并与所述接触区电性连接，所述第二电极贯穿所述介质膜、所述上接触层和所述双本征吸收层，与所述下接触层电性连接。
优选地，当所述延伸波长响应截止探测器采用P-on-N结构，所述上接触层采用扩散工艺形成。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的延伸波长响应截止探测器，采用背入式p-i-i-n或n-i-i-p的延伸波长探测器结构，也即，所述探测器结构包括双本征吸收层结构，所述双本征吸收层结构包括晶格匹配本征吸收层和晶格微失配本征吸收层，将两种本征吸收层相结合；其中，晶格匹配本征吸收层用以提升整体量子效率，晶格微失配本征吸收层的厚度控制在晶格弛豫临界厚度范围内，以达到完全应变，显著降低失配位错缺陷，实现在扩展响应截止波长的同时也可有效抑制探测器暗电流。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种延伸波长响应截止探测器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种延伸波长响应截止探测器制作方法流程图；
图3为In组分不同时对应的光谱响应曲线示意图；
图4为本发明实施例提供的双本征吸收层探测器p-i-i-n型能带结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中延伸波长响应截止探测器的暗电流较大。
发明人发现，出现上述现象的原因是，现有技术中延伸波长响应截止探测器，由于响应截止波长超过截止波长，而面临晶格失配问题，现有技术中，为了解决晶格失配问题，通常采用组分渐变缓冲层或超晶格缓冲结构来抑制晶格失配，但是由于本征吸收层的厚度远大于临界厚度，所以存在晶格弛豫问题，而一旦发生弛豫，探测器暗电流又会增大。
基于此，本发明提供一种延伸波长响应截止探测器，包括：
衬底；
位于衬底上的下接触层；
位于所述下接触层背离所述衬底表面的双本征吸收层；
位于所述双本征吸收层表面的上接触层；
位于所述上接触层表面的介质膜；
位于所述上接触层内的接触区；
贯穿所述介质膜与所述接触区电性连接的第一电极；
贯穿所述介质膜、所述上接触层、所述双本征吸收层，与所述下接触层电性连接的第二电极；
其中，所述双本征吸收层包括晶格匹配本征吸收层和晶格微失配本征吸收层，以及位于两者之间的界面缓冲层。
本发明提供的延伸波长响应截止探测器，采用背入式p-i-i-n或n-i-i-p的延伸波长探测器结构，也即，所述探测器结构包括双本征吸收层结构，所述双本征吸收层结构包括晶格匹配本征吸收层和晶格微失配本征吸收层，将两种本征吸收层相结合；其中，晶格匹配本征吸收层用以提升整体量子效率，晶格微失配本征吸收层的厚度控制在晶格弛豫临界厚度范围内，以达到完全应变，显著降低失配位错缺陷，实现在扩展响应截止波长的同时也可有效抑制探测器暗电流。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种适用于制作短波红外焦平面的延伸波长响应截止探测器，采用双本征吸收层设计，将完全应变的晶格微失配本征吸收层与晶格匹配本征吸收层相结合，实现扩展响应截止波长的同时，能够有效抑制探测器暗电流。
具体的，本发明实施例中提供一种延伸波长响应截止探测器，包括：
衬底；
位于衬底上的下接触层；
位于所述下接触层背离所述衬底表面的双本征吸收层；
位于所述双本征吸收层表面的上接触层；
位于所述上接触层表面的介质膜；
位于所述上接触层内的接触区；
贯穿所述介质膜与所述接触区电性连接的第一电极；
贯穿所述介质膜、所述上接触层、所述双本征吸收层，与所述下接触层电性连接的第二电极；
其中，所述双本征吸收层包括晶格匹配本征吸收层和晶格微失配本征吸收层，以及位于两者之间的界面缓冲层。
需要说明的是，本实施例中双本征吸收层中的晶格微失配本征吸收层的厚度限制在发生晶格弛豫的临界厚度，从而避免因为吸收层的厚度较厚，发生弛豫，造成探测器暗电流增大。
本发明实施例中不限定双本征吸收层的具体结构，可选的，当衬底为N型掺杂衬底或当所述延伸波长响应截止探测器采用P-on-N结构，所述衬底为SI型半绝缘衬底时，所述双本征吸收层沿背离衬底的方向依次包括：晶格匹配本征吸收层、界面缓冲层和晶格微失配本征吸收层。当衬底为P型掺杂衬底或P型半绝缘衬底，所述双本征吸收层沿背离衬底的方向依次包括：晶格微失配本征吸收层、界面缓冲层和晶格匹配本征吸收层。
为了更加清楚说明本发明实施例提供的延伸波长响应截止探测器，请参见图1，图1为衬底为N型掺杂衬底的探测器结构示意图；所述N型掺杂衬底可以是掺杂S的InP单晶衬底。而本实施例中所述延伸波长响应截止探测器为微失配延伸波长响应截止InGaAs探测器，本实施例中所述微失配为泛定义，其中，In0.53Ga0.47As与InP是晶格完全匹配的，当In组分大于0.53，将出现晶格失配，一般而言，失配度在1000ppm以内可以称之为准匹配，失配度低于10000ppm可称为微失配，超过10000ppm为大失配。
对应的，InGaAs探测器中其他层的材质均与InGaAs相关进行限定。如下接触层的材质为掺杂Si或S的n+InP、或者可以是InxAl1-xAs，x＝0.52，与InP晶格匹配，一方面，与衬底匹配，另一方面与形成在其表面的晶格匹配本征吸收层进行晶格匹配，本实施例中可选的，下接触层的施主浓度为2×1018cm-3～8×1018cm-3，所述下接触层的厚度可以为0.2μm～1.0μm，包括端点值。
本发明实施例中晶格匹配本征吸收层为晶格匹配In0.53Ga0.47As本征吸收层，可选的，晶格匹配本征吸收层的背景载流子浓度小于或等于5×1015cm-3，厚度范围为0.5μm～3.0μm，包括端点值。
位于晶格匹配本征吸收层背离衬底表面的界面缓冲层，界面缓冲层用于实现晶格匹配本征吸收层到晶格微失配本征吸收层的晶格缓冲过渡，本实施例中不限定界面缓冲层的结构和材质，可选的，界面缓冲层可以采用非掺杂的本征InyGa1-yAs组分渐变层，0.53＜y≤x。其中x为晶格微失配本征吸收层材质InxGa1-xAs(0.53＜x≤0.63)中的x取值。
需要说明的是，本实施例中不限定界面缓冲层In组分的渐变方式，可选的，In组分可以按照线性渐变或可以按照梯度渐变。In组分的渐变方式为沿着晶格匹配本征吸收层指向晶格微失配本征吸收层的方向逐渐增加，以实现晶格过渡，由晶格匹配本征吸收层过渡至晶格微失配本征吸收层。
本实施例中不限定界面缓冲层的具体厚度，而晶格微失配本征吸收层采用InxGa1-xAs(0.53＜x≤0.63)形成，其响应波长范围在1.7μm到1.9μm之间的光谱，从而实现延伸波长探测器，将现有技术中截止波长为1.7μm的探测器的截止波长延伸至1.9μm。为实现上述目的，本实施例中晶格微失配本征吸收层的背景载流子浓度小于或等于5×1015cm-3。本实施例中，所述晶格微失配本征吸收层的厚度范围为0.5μm～2.5μm，包括端点值。将晶格微失配本征吸收层的厚度限制在发生晶格弛豫临界厚度范围内。需要说明的是，为了避免发生晶格弛豫，造成探测器暗电流增加，本实施例中可选的，双本征吸收层的总厚度不大于3.5μm，所述双本征吸收层的总厚度为晶格匹配本征吸收层的厚度、界面缓冲层的厚度和晶格微失配本征吸收层的厚度之和。
位于晶格微失配本征吸收层上还包括N型掺杂InP或InxAl1-xAs，x＝0.52，与InP晶格匹配的上接触层，本实施例中可以采用扩散工艺制作形成所述上接触层，因此，本实施例中上接触层也可以称作n-InP扩散顶层，同样，该层结构采用N型掺杂形成，施主元素可以是Si或S，施主浓度为1×1015cm-3～5×1015cm-3。
在上接触层中，还包括P型接触区，所述P型接触区为P型Zn接触区，所述P型接触区用于与后续电极进行电性连接，形成完整器件。本实施例中不限定P型Zn接触区的施主浓度，根据实际需求进行设置即可。
最后，所述探测器还包括第一电极和第二电极，用于将探测器与外部电路进行连接，实现光谱探测。本实施例中第一电极包括与P型Zn接触区电性连接的多个像元P电极，第二电极包括与下接触层电性连接的公共N电极。如图1中所示，第一电极与扩散顶层之间还包括介质膜，所述介质膜用于对探测器表面进行钝化，并使得第一电极与扩散顶层之间绝缘。公共N电极与扩散顶层、晶格微失配本征吸收层、界面缓冲层和晶格匹配本征吸收层之间也绝缘设置，其中，绝缘层并未在附图1中示出。
基于相同发明构思，本发明还提供一种延伸波长响应截止探测器的制作方法，如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种延伸波长响应截止探测器制作方法流程图，所述制作方法包括：
S101：提供衬底；
本实施例中不限定衬底的类型，可选的，所述衬底可以是N型掺杂衬底，也可以是SI型半绝缘衬底，一般为掺Fe的InP衬底；还可以是P型掺杂衬底。
S102：在所述衬底上依次生长形成下接触层、双本征吸收层、上接触层；
本实施例中双本征吸收层包括晶格匹配本征吸收层和晶格微失配本征吸收层，以及位于晶格匹配本征吸收层和晶格微失配本征吸收层之间的界面缓冲层。
需要说明的是，双本征吸收层的结构，根据衬底的掺杂(P-on-N或N-on-P结构)类型的不同而设置顺序不同。如衬底为N型掺杂衬底或P-on-N结构的SI型半绝缘衬底，所述双本征吸收层沿背离衬底的方向依次包括：晶格匹配本征吸收层、界面缓冲层和晶格微失配本征吸收层。如衬底为P型掺杂衬底或N-on-P结构的SI型半绝缘衬底，所述双本征吸收层沿背离衬底的方向依次包括：晶格微失配本征吸收层、界面缓冲层和晶格匹配本征吸收层。
本实施例中各层结构的制作方法可采用MOCVD或MBE外延技术，在N型InP单晶衬底上依次生长结构层次，所述结构层次包括：下接触层、双本征吸收层、上接触层。
S103：在所述上接触层中形成接触区；
本实施例中采用扩散工艺形成所述接触区，主要针对N型衬底时进行。当P型衬底时，可以考虑采用其他工艺方法形成所述接触区。当衬底为N型掺杂的InP单晶衬底时，所述接触区为P型Zn扩散。
需要说明的是，接触区制作可以采用先沉积形成SiO2或SiNx介质膜层作为掩膜层，然后通过光刻制作扩散掩膜图形；最后，通过扩散掩膜图形形成接触区。
S104：在所述上接触层表面形成介质膜；
本实施例中可以采用沉积工艺，在上接触层表面沉积SiNx或Al2O3、SiO2介质膜，钝化以保护探测器表面。
S105：形成第一电极和第二电极，所述第一电极贯穿所述介质膜，并与所述接触区电性连接，所述第二电极贯穿所述介质膜、所述上接触层和所述双本征吸收层，与所述下接触层电性连接。
本实施例中，可以采用光刻及湿法或干法刻蚀方式制作像元P电极接触窗口；利用湿法或干法刻蚀方式制作开口，刻蚀至n+InP下接触层；最后再采用Cr/Au或Ti/Pt/Au多层金属制作金-半欧姆接触，形成第一电极和第二电极。
需要说明的是，通过上述工艺形成的延伸波长响应截止探测器的性能，如图3所示，图3为In组分不同时对应的光谱响应曲线示意图。其中，最左侧的虚线代表材料为晶格匹配的In0.53Ga0.47As探测器响应曲线；随着In组分依次增大，光谱响应截止波长逐渐延伸，分别对应中间实线和右边的点划线对应的响应曲线，可见，随着In组分依次增大，可以实现光谱响应截止波长的延伸。也即，增加设置晶格微失配本征吸收层，能够实现光谱响应截止波长的延伸。
而对应图4所示，图4为本发明实施例提供的双本征吸收层探测器p-i-i-n型能带结构示意图。根据TCAD仿真，该结构双本征吸收层次序所形成的能带带阶并不影响少子空穴的载流子输运(如图4)，仍然可获得高量子效率特性。
通过上述实施例可以得知，本发明实施例提供的延伸波长响应截止探测器可以是p-i-i-n型结构，也可以是n-i-i-p型结构，无论哪种结构，采用的均为双本征吸收层结构，完全应变的微失配InxGa1-xAs(0.53＜x≤0.63)本征吸收层与晶格匹配In0.53Ga0.47As本征层相结合；其中，微失配InxGa1-xAs吸收层厚度控制在晶格弛豫临界厚度范围内(0.5～2.5μm)，以达到完全应变，显著降低失配位错缺陷，实现在扩展响应截止波长的同时也可有效抑制探测器暗电流；且晶格匹配In0.53Ga0.47As本征吸收层利于提升探测器响应的整体量子效率。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (12)
1.一种延伸波长响应截止探测器，其特征在于，包括：
衬底；
位于衬底上的下接触层；
位于所述下接触层背离所述衬底表面的双本征吸收层；
位于所述双本征吸收层表面的上接触层；
位于所述上接触层表面的介质膜；
位于所述上接触层内的接触区；
贯穿所述介质膜与所述接触区电性连接的第一电极；
贯穿所述介质膜、所述上接触层、所述双本征吸收层，与所述下接触层电性连接的第二电极；
其中，所述双本征吸收层包括晶格匹配本征吸收层和晶格微失配本征吸收层，以及位于两者之间的界面缓冲层；所述晶格匹配本征吸收层为In0.53Ga0.47As，所述晶格微失配本征吸收层为InxGa1-xAs（0.53＜x≤0.63）；所述晶格微失配本征吸收层的厚度限制在发生晶格弛豫临界厚度范围内。
2.根据权利要求1所述的延伸波长响应截止探测器，其特征在于，所述衬底为N型掺杂衬底或当所述延伸波长响应截止探测器采用P-on-N结构，所述衬底为SI型半绝缘衬底，所述双本征吸收层沿背离衬底的方向依次包括：
晶格匹配本征吸收层、界面缓冲层和晶格微失配本征吸收层。
3.根据权利要求1所述的延伸波长响应截止探测器，其特征在于，所述衬底为P型掺杂衬底或当所述延伸波长响应截止探测器采用N-on-P结构，所述衬底为SI型半绝缘衬底，所述双本征吸收层沿背离衬底的方向依次包括：
晶格微失配本征吸收层、界面缓冲层和晶格匹配本征吸收层。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的延伸波长响应截止探测器，其特征在于，所述晶格匹配本征吸收层响应波长范围在1.7μm以下光谱。
5.根据权利要求4所述的延伸波长响应截止探测器，其特征在于，所述晶格匹配本征吸收层的背景载流子浓度小于或等于5×1015cm-3。
6.根据权利要求4所述的延伸波长响应截止探测器，其特征在于，所述晶格匹配本征吸收层的厚度范围为0.5μm ~3.0μm，包括端点值。
7.根据权利要求4所述的延伸波长响应截止探测器，其特征在于，所述晶格微失配本征吸收层响应波长范围在1.7μm到 1.9μm之间的光谱。
8.根据权利要求7所述的延伸波长响应截止探测器，其特征在于，所述晶格微失配本征吸收层的背景载流子浓度小于或等于5×1015cm-3。
9.根据权利要求7所述的延伸波长响应截止探测器，其特征在于，所述晶格微失配本征吸收层的厚度范围为0.5μm ~2.5μm，包括端点值，且所述双本征吸收层的总厚度不大于3.5μm。
10.根据权利要求7所述的延伸波长响应截止探测器，其特征在于，所述界面缓冲层为非掺杂的本征InyGa1-yAs组分渐变层，其中，In组分线性渐变或梯度渐变，0.53＜y≤x。
11.一种延伸波长响应截止探测器制作方法，其特征在于，用于制作形成权利要求1-10任意一项所述的延伸波长响应截止探测器，所述制作方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次生长形成下接触层、双本征吸收层、上接触层，所述双本征吸收层包括晶格匹配本征吸收层和晶格微失配本征吸收层，以及位于两者之间的界面缓冲层；所述晶格微失配本征吸收层的厚度限制在发生晶格弛豫临界厚度范围内；
在所述上接触层中形成接触区；
在所述上接触层表面形成介质膜；
形成第一电极和第二电极，所述第一电极贯穿所述介质膜，并与所述接触区电性连接，所述第二电极贯穿所述介质膜、所述上接触层和所述双本征吸收层，与所述下接触层电性连接。
12.根据权利要求11所述的延伸波长响应截止探测器制作方法，其特征在于，当所述延伸波长响应截止探测器采用P-on-N结构，所述上接触层采用扩散工艺形成。
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