CN113646906B - 用于探测器的超晶格吸收体 - Google Patents
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Abstract
公开了一种红外探测器，其包括具有多个InGaAsSb层的超晶格吸收体，以实现高量子效率和长载流子寿命。具有不同铟(In)含量X和/或砷(As)含量y的InxGa1‑xAsySb1‑y，具有不同的带隙和/或晶格常数。当X和Y的组合一定时，它保持相同的晶格常数，但带隙可能发生变化。含量分级改变了InGaAsSb的每一层或每几层的含量。这些多个InGaAsSb层与InAs、InGaAs、InAsSb层或另一个InGaAsSb层一起形成超晶格的周期。具有不同铟含量和/或砷含量的单层InxGa1‑xAsySb1‑y与InAs、InGaAs、InAsSb层或另一InGaAsSb层的特定组合提供了具有不同微带带隙的超晶格，而整个结构仍可能与GaSb或InAs基底晶格匹配。InGaAsSb层和InAs、InGaAs、InAsSb层或另一InGaAsSb层的重复生长形成用于红外探测器的超晶格吸收体。所述n型掺杂或p型掺杂的吸收体与诸如阻挡层的其它功能层或其它类型掺杂层以及接触层结合，构成红外探测器件。
Description
技术领域
本申请总体上涉及光电探测器，具体涉及一种红外光电探测器的吸收体。
背景技术
Ⅱ型破开带隙(破隙)超晶格探测器是近年来研究的热点。红外探测器通常具有吸收红外辐射的吸收层和与金属电极接触的接触层。诸如阻挡层和蚀刻中止层之类的其它功能层也可以插入到外延结构中。探测器的吸收体可以掺杂为n型导电体、p型导电体或部分n型导电体和部分p型导电体。吸收体是探测器最敏感的部分。探测器的性能在很大程度上取决于吸收体材料的光电特性。具有高吸收系数和长载流子寿命的吸收体材料是高性能探测器的关键。碲化汞镉(MCT)和锑化铟(InSb)是目前最常用的红外探测器吸收体材料。MCT具有可调带隙，其覆盖了从中红外波长到很长的红外波长的范围。InSb主要用于中波长探测。破隙InAs/Ga(In)Sb超晶格被提出，是因为理论上它是一种能提供比MCT更长的少数载流子寿命、但具有相近的吸收系数的材料体系。它也非常灵活，可以从2μm-32μm调整敏感波长，覆盖了最感兴趣的红外辐射范围。
超晶格是由两种材料组成的周期结构。通常，一层的厚度是几纳米。如果超晶格是由两种具有不同带隙的半导体材料构成，那么所形成的每个量子阱都会引入新的能级结构，这些能级结构是影响电荷在整个超晶格结构中隧穿行为的条件。两种不同的半导体材料交替外延在彼此上以在生长方向上形成周期性结构。在InAs/Ga(In)Sb超晶格中，这两种材料具体是指InAs和Ga(In)Sb。
还有其他锑基材料可作为吸收材料。Ⅱ型探测器的研究主要集中在InAs/Ga(In)Sb基超晶格结构和InAs/InAsSb基超晶格结构作为吸收体。InAs/Ga(In)Sb超晶格被预测具有比传统红外材料MCT更长的少数载流子寿命。然而由于Ga相关缺陷存在，InAs/Ga(In)Sb基超晶格少数载流子寿命仍然很短。相比InAs/Ga(In)Sb基超晶格，InAs/InAsSb超晶格作为无Ga超晶格被证实具有较长的少数载流子寿命，被用于红外探测器，但由于结构的周期厚度较大，电子和空穴的包络函数减弱，量子效率将大大降低。近年来，人们提出了一种新型的超晶格结构InGaAs/InAsSb，它在中波长范围内具有长的少数载流子寿命和高的量子效率。
在InAs/GaInSb超晶格中，铟/镓的含量以及InAs和GaSb层的厚度可以调节从而达到指定的截止波长。这些参数还改变了探测器的有效质量、残余应变、电子与空穴包络函数的重叠等，因此可以通过改变这些参数的组合来优化探测器的性能。InAs/InAsSb超晶格的情况也是如此。可以通过调节InAsSb层的As含量和InAs层和InAsSb层的厚度来优化探测器。
在这些传统的超晶格结构中，形成超晶格的两种材料总是在一个周期内的层中保持其带隙和晶格常数。例如，在InAs层中，InAs始终保持相同的带隙和晶格常数；在GaSb层中，GaSb始终保持相同的带隙和晶格常数。对于含有诸如InGaSb、InGaAs和InAsSb等三元化合物物的结构，元素的含量始终保持不变。然后，它们在超晶格中保持相同的带隙和晶格常数。
一些专利文件中提出了更复杂的结构，如InAsSb/InGaAsSb超晶格(参见，公开号为US20110037097A1的美国专利)。但InGaAsSb层主要用于应变补偿而不是作为吸收材料。或者，InGaAsSb作为吸收材料，InAsSb作为应变补偿。在第二种情况下，InGaAsSb的带隙决定了吸收波长。在超晶格的一个周期内，这些三元或四元材料的含量保持不变。
发明内容
为了进一步提高少数载流子寿命并保持或提高量子效率，本申请所基于的In(Ga)As(Sb)/InGaAsSb超晶格在每个超晶格周期中具有多个InGaAsSb层。
本申请涉及红外探测器的吸收体材料。吸收体包括具有多个InGaAsSb层的InAs/InGaAsSb超晶格、InGaAs/InGaAsSb超晶格、InAsSb/InGaAsSb或InGaAsSb/InGaAsSb超晶格。超晶格中的InGaAsSb部分每1-10个单层具有的含量不同。每1-10个单层具有相同的带隙和/或晶格常数，而InGaAsSb层的其他部分具有不同的带隙和/或晶格常数。上述其它部分不仅可以具有一个InGaAsSb含量，还可以具有两个或更多个InGaAsSb含量。由此，形成了具有多个InGaAsSb层的InAs/InGaAsSb超晶格。本文中的InGaAsSb含量包括InGaAsSb层中的铟含量和/或砷含量。然后相应地确定镓和锑的含量。具有不同铟含量和/或砷含量的InxGa1-xAsySb1-y单层与InAs、InGaAs或InAsSb层的特定组合提供了具有不同带隙微带的超晶格，但整个结构仍可以与GaSb或InAs基体晶格匹配。InAs、InGaAs或InAsSb层和多个分级的InGaAsSb层形成超晶格的一个周期，并且它们重复一定次数以形成整个超晶格吸收体。
通过数字分级或随机合金分级，在单层级别上调整InGaAsSb含量。
可以通过随机合金分级或数字合金分级来改变/分级合金的含量。为了对InGaAsSb的铟含量进行随机合金含量改变/分级，需要至少两个不同蒸发速率的In或Ga源来进行快速切换。为了对砷含量进行随机合金分级，需要改变带阀裂解炉的阀位置或使用两个砷源或锑源。
数字合金技术被用于通过分子束外延(MBE)来生长三元或四元合金。该技术克服了传统分子束外延生长过程中源炉温度变化、生长中断、新增源炉等复杂过程。例如，通过短周期InAlAs/InGaAs超晶格生长可获得InAlGaAs化合物，通过短周期InGaAs/InGaSb生长可得InGaAsSb化合物，InAs/GaSb、InAsSb/GaSb、InAs/InGaSb或InAsSb/GaAsSb超晶格。子单层级别上的数字合金生长意味着形成超晶格的层厚度小于一个单层厚度。例如，半单层InAsSb和半单层GaAsSb形成一个单层InGaAsSb。通过改变短周期超晶格中这两层的厚度，实现了数字分级。
InxGa1-xAsySb1-y材料具有窄的带隙。超晶格的性质取决于InGaAsSb中X、Y的含量和InGaAsSb的厚度，以及InAs、InGaAs或InAsSb层的厚度和/或InGaAs的铟含量或InAsSb的砷含量。分级的层将具有X1、Y1、X2、Y2、X3、Y3…以及厚度为1、2、3…的Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1、Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2、Inx3Ga1-x3Asy3Sb1-y3，因此有许多参数可以调整。
在每个超晶格周期中加入多个带隙分级的InGaAsSb层的优势是：
1、降低Ga含量以减少Ga相关缺陷，从而提高少子寿命。
2、改变电子/空穴级别，同时保持检测波长不变，调控缺陷能级位置和超晶格带隙相对为主，从而提高少数载流子寿命。
3、操纵周期厚度，以增加电子和空穴包络函数的重叠，从而提高量子效率。
4、操纵电子的电子包络函数，以将其推入InGaAsSb区，使电子和空穴的包络函数有更多的重叠，从而也提高了量子效率。
5、同一周期厚度可达到很长的波长甚至半金属。
附图说明
下面将通过各种示例、计算数据的结果、附图以及应用的细节来进一步理解该应用的益处。
图1示出了一种典型的II型超晶格结构的探测器结构示意图。
图2示出了具有InSb界面的InAs/GaSb超晶格的一个例子的能带排列以及电子和空穴的包络函数。图2还示出了电子和空穴的E(k||)色散(右)。
图3示出了与GaSb匹配的合金InxGa1-xAsySb1-y晶格相对于成分x和成分y的能带排列的成分依赖性。实线(粗线)和虚线(细线)分别表示计算的价带最大值(VBM)和导带最小值(CBM)能量级别。
图4示出了具有InSb界面的InAs/InGaAsSb超晶格的一个例子的能带排列以及电子和空穴的包络函数。图4还说明了电子和空穴的E(k||)色散(右)。在此，InGaAsSb含量在超晶格的一个周期内是恒定的。
图5示出了具有InSb界面的另一种InAs/InGaAsSb超晶格的能带排列以及电子和空穴的包络函数。图5还示出了电子和空穴的E(k||)色散(右)。这里，InGaAsSb部分具有带隙不同的两层。
图6示出了了另一种具有InSb界面的另一种InAs/InGaAsSb超晶格的能带排列以及电子和空穴的包络函数。图6还示出了电子和空穴的E(k||)色散(右)。这里，InGaAsSb部分具有带隙不同的两层。所设计的微带以中波长(3-5μm)检测为目标。
图7示出了另一种具有InSb界面的另一种InAs/InGaAsSb超晶格的能带排列以及电子和空穴的包络函数。图7还示出了电子和空穴的E(k||)色散(右)。这里，InGaAsSb部分具有三层、但是两个带隙。也就是说，三层中的一层有一个含量，另外两层有另一个含量。设计的微带以长的波长(8-14μm)检测为目标。
图8示出了具有InSb界面的另一种InAs/InGaAsSb超晶格的能带排列以及电子和空穴的包络函数。图8也示出了电子和空穴的E(k||)色散(右)。这里，InGaAsSb部分具有三层、但是两个带隙。设计的微带以长的波长(8-14μm)检测为目标。它与图7所示的结构具有相同的周期厚度，但含量不同。检测波长比图7所示的结构长。
图9示出了具有InSb界面的另一种InAs/InGaAsSb超晶格的能带排列以及电子和空穴的包络函数。图9也示出了电子和空穴的E(k||)色散(右)。这里，InGaAsSb部分具有三层、但是两个带隙。所设计的微带以很长的波长探测为目标。它与图8所示的结构具有相同的周期厚度，但内容不同。检测波长比图8所示的结构长。
图10示出了另一种具有InSb界面的另一种InAs/InGaAsSb超晶格的能带排列以及电子和空穴的包络函数。图10也示出了电子和空穴的E(k||)色散(右)。这里，InGaAsSb部分具有三层、但是两个带隙。它与图8所示的结构具有相同的周期厚度，但含量不同。微带的带隙消失，从而达到半金属范围。
图11示出了具有InSb界面的另一种InAs/InGaAsSb超晶格的能带排列以及电子和空穴的包络函数。图11也示出了电子和空穴的E(k||)色散(右)。这里，InGaAsSb部分具有三层、但是两个带隙。设计的微带以长的波长(8-14μm)检测为目标。该排列与图7所示的结构不同，但是具有相似的微带检测带隙。
图12示出了通过分子束外延(MBE)生长的InGaAsSb层的宽范围内的XRD摇摆曲线，其显示没有相分离。
图13示出了通过分子束外延(MBE)生长的另一InGaAsSb层的宽范围内的XRD摇摆曲线，该曲线显示没有相分离而且与图12所示的层的晶格常数不同。
图14示出了与图13所示的层相同的InGaAsSb层的窄范围内的XRD摇摆曲线。高分辨率扫描显示的条纹表明外延层的高质量。
图15示出了包括10ML GaSb和2ML InGaAsSb的GaSb/InGaAsSb结构的XRD摇摆曲线。清晰的卫星峰(satellite peak)显示了高质量的超晶格生长。
图16示出了包括13ML GaSb和7ML InGaAsSb的InAs/InGaAsSb结构的XRD摇摆曲线。清晰的卫星峰(satellitepeak)显示了高质量的超晶格生长。
图17显示了在77k下测得的两个光致发光光谱(photoluminescence spectrum)。峰值为7.7μm的光谱是用InAs/InGaAsSb超晶格中没有分级的InGaAsSb层的样品制备的。峰值为9μm的光谱是用InAs/InGaAsSb超晶格中具有分级的InGaAsSb层的样品制备的。
将在下面对本申请的详细描述中详细描述附图。
具体实施方式
经预测，Ⅱ型带隙探测器的性能优于MCT和InSb探测器。GaSb的价带最大能量级别(VBM)高于InAs的导带最小能量级别(CBM)，称之为断裂带隙排列。微带的带隙取决于这两层的厚度。在InGaSb/InAs的情况下，它也依赖于铟的含量，而铟的含量也改变晶格常数。对于应力补偿需要做额外的努力。图1示出了II型探测器的典型结构。吸收体材料为InAs/GaSb超晶格。图2示出了具有InSb界面的InAs(13ML)/GaSb(7ML)超晶格的带隙排列以及电子和空穴的包络函数。电子和空穴主要分离在InAs层和GaSb层。光-电过渡在空间上是分离的。图2(右)显示了这种超晶格的E(k||)色散。小带隙约为0.12eV，截止波长约为10μm。
图3显示InxGa1-xAsySb1-yVBM和CBM随镓含量和砷含量而变化，但保持与GaSb匹配的晶格常数。结果表明，当镓含量大于20％时，InGaAsSb与InAs、InGaAs或InAsSb的带隙排列也会发生断裂。因此，InGaAsSb/In(Ga)As超晶格可以在较短的超晶格周期内实现长波探测。短的超晶格周期提供了高的量子效率。
由于InGaAsSb的窄带隙特性，镓含量可以进一步降低，以达到图4所示的长波长范围。然后减少与镓相关的少数载流子寿命问题。
由于带隙可调，可以设计出在InGaAsSb部分具有渐变带隙的InGaAsSb结构。例如，在图5所示的结构中InGaAsSb具有两个含量，然后是两个带隙层。每层有3个单层(具有相同的含量)，带隙等级约为0.2eV。在超晶格的每个周期都有一个带隙分级的InGaAsSb层，电子的包络函数对InGaAsSb层的穿透更大。电子和空穴的包络函数有更多的重叠，使得这种结构比传统的InAs/GaSb结构具有更高的量子效率。
在图6所示的另一实施例中，可以配置分级的InGaAsSb部分的带隙，使得超晶格可以达到中波长红外探测。
在图7和图11所示的实施例中，InGaAsSb层具有三个分级的层、两个带隙。这两种结构的探测波长与图4和图5所示的结构相似，但VBM和CBM位置不同。最近的研究表明，Ⅱ型超晶格吸收体的缺陷级别位于禁带的某一点上。利用分级的InGaAsSb层，可以根据缺陷级别调整禁带的位置，以减少与缺陷相关的重组。因此，少数载流子寿命增加。
在传统的InAs/GaSb探测器中，可以通过改变InAs和/或GaSb的层厚来扩展探测波长。因此，周期厚度也改变。需要付出更多的努力来平衡应变。通常情况下，需要增加周期厚度以获得更长的探测波长，从而降低量子效率。在本申请的图8、图9和图10所示的实施例中，在不改变周期厚度但改变InGaAsSb层的分级的带排列的情况下，可以达到更长的检测波长，甚至半金属范围。
图4-11所示的上述实施例显示了本申请可以提供的一些益处。由于非常灵活的材料InGaAsSb，因此超晶格的其他性质(例如电子有效质量等)可以被修整。
在一个实施例中，InGaAsSb层具有灵活的生长顺序以满足某些特性要求。例如，InGaAsSb层可以包括InAs/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1的结构，该结构可改变为InAs/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2。在另一示例中，InGaAsSb层可包括具有两个含量组合和四个层的InAs/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2结构。
在实践中，通过分子束外延(MBE)获得了高质量的纯相InGaAsSb(图12-14)。采用特殊设计的分子束外延(MBE)系统对As和Sb的通量进行精确控制，使InGaAsSb层在均匀的子单层级别上进行分级。图15所示的结构只有两个InGaAsSb单层，其含量控制在子单层级别。该结构只有50个周期，但具有很好的XRD卫星峰(satellite peak)和半高宽值(FWHM)，表明这种超晶格结构具有很高的质量。
图16显示了具有13ML InAs和7ML InGaAsSb的红外探测器在实际级别中的InAs/InGaAsSb超晶格。InGaAsSb的含量控制在子单层级别。应变仍然需要平衡，但是XRD仍然表明结构的高质量。图17中在77k处获得的光致发光光谱显示了可达到7μm-9μm检测波长的结构的两个实施例。
吸收体可以集成在标准PIN探测器或单极阻挡探测器中。随着吸收体量子效率的提高和载流子寿命的延长，探测器可以获得更高的性能。
综上所述，具有多个InGaAsSb层的超晶格探测器可以包括具有两部分的超晶格结构以及在每个周期中这两部分之间的界面。其中一部分是InAs、InGaAs或InAsB，另一部分是InGaAsSb。InGaAsSb部分包括若干层。InGaAsSb层具有至少两种不同含量的铟和/或砷。上述每一层具有一到数个InGaAsSb单层。
InGaAsSb部分和InAs、InGaAs或InAsSb部分足够薄(0-20nm)，以便它们有效地耦合从而产生微带。超晶格微带的带隙取决于各部分的厚度、InGaAsSb中铟和砷的含量以及这些不同含量的InGaAsSb层的生长顺序。当InGaAsSb以外的另一部分为InGaAs或InAsSb时，微带的带隙还取决于InGaAs部分的铟含量或InAsSb部分的砷含量。
此外，InGaAsSb部分具有若干层，其至少具有两种不同含量。每个部分可以有1-70个单层。
此外，这些层的生长顺序可以是灵活的。例如，具有InAs/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1的实施例可以更改为InAs/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2。
此外，InGaAsSb层与InAs、InGaAs或InAsSb层之间的界面可配置为InSb类似物、GaAs类似物或混合物，以对整个结构进行应变补偿。
此外，超晶格吸收体可以是p掺杂的、n掺杂的或部分p掺杂的和部分n掺杂的。然后将吸收体与其他功能层集成，制成PIN探测器、带阻挡的PIN探测器或单极探测器。
这里已经说明了本申请的有限实施例，但是应当注意，本申请能够在各种其他环境中使用。
Claims (12)
1.一种用于探测器的超晶格吸收体，所述超晶格吸收体包括连续外延的多个材料周期，所述材料周期中的每一个包括：
InAs、InGaAs、InAsSb或InGaAsSb的第一层；以及
多个InGaAsSb的第二层，
其中，所述第二层包括至少两个InGaAsSb层，所述至少两个InGaAsSb层具有至少两个不同的含量组合，具有不同含量组合的所述第二层包括彼此不同的铟含量和/或砷含量，并且所述第二层的铟含量和/或砷含量与所述第一层的铟含量和/或砷含量不同；
其中，所述第二层中的每一层具有InxGa1-xAsySb1-y单层。
2.根据权利要求1所述的超晶格吸收体，其中，所述第二层具有灵活生长顺序，以满足特定性能要求。
3.根据权利要求2所述的超晶格吸收体，其中，所述第二层包括：
InAs/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1结构，或
InAs/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2结构。
4.根据权利要求2所述的超晶格吸收体，其中，所述第二层包括：
InAs/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2/Inx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1/Inx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2结构。
5.根据权利要求1所述的超晶格吸收体，其中所述第一层和所述第二层中的每一层的厚度在0-20nm的范围内，从而使得所述第一层和所述第二层有效地耦合，以产生微带。
6.根据权利要求1所述的超晶格吸收体，其中所述第二层能够在子单层级别中分级，使得所述第二层的铟含量和/或砷含量在所述子单层级别上被控制。
7.根据权利要求1所述的超晶格吸收体，其中每个所述材料周期还包括所述第一层和所述多个InGaAsSb的第二层之间的界面，并且所述界面被配置为是InSb类似物、GaAs类似物或其混合物，以对所述超晶格吸收体进行应变补偿。
8.根据权利要求1所述的超晶格吸收体，其中所述第二层中的每一层具有1-70个InxGa1-xAsySb1-y单层。
9.根据权利要求1所述的超晶格吸收体，其中所述超晶格吸收体被掺杂为n型导电体、p型导电体或部分n型导电体和部分p型导电体。
10.一种红外、PIN或单极探测器，包括权利要求1所述的超晶格吸收体。
11.根据权利要求10所述的探测器，还包括GaSb或InAs基板。
12.根据权利要求10所述的探测器，还包括阻挡层、蚀刻中止层和/或接触层。
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