CN114361282A - 红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外探测器及其制备方法，该红外探测器包括依次生长在InP衬底上的第一接触层、倍增层、电荷层、第一吸收层、第二接触层、第三接触层、第二吸收层和第四接触层。第一接触层为p+InP；倍增层为不掺杂InP；电荷层为n型InP；第一吸收层为不掺杂In0.53Ga0.47As；第二接触层为n+InP；第三接触层为n+In0.53Ga0.47As；第二吸收层包括势垒层和n型InAs量子点层；势垒层为不掺杂In0.53Ga0.47As；第四接触层为n+In0.53Ga0.47As。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子材料与器件领域，特别涉及一种红外探测器。
背景技术
红外探测器分为主动式红外探测器和被动式红外探测器，主动式红外探测器通过向探测目标发射红外线进行探测，而被动式红外探测器则是把探测目标发出的红外线放大转化为可见光。主动式依靠反射光，其作用距离较近；而被动式可探测的距离较远。
近红外波段1064nm(Nanometer，纳米)、1550nm等波长的激光器功率、重频等性能都要优于中红外、远红外等波段，所以激光主动探测一般采用近红外波段。雪崩光电二极管APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)作为一种具有内部增益的探测器，可以进行单光子量级的高灵敏探测。结合高重频脉冲激光发射可以开展激光主动探测，对目标的距离信息进行探测，从而实现对目标的三维探测。在自动驾驶、目标三维探测等方面具有重要的应用。硅雪崩探测器对1064nm信号的探测效率较低，对1550nm信号不能实现探测；而InGaAs雪崩探测器对上述信号的探测效率都较高，典型的单一近红外InGaAs雪崩探测器的结构如图1所示。
中红外波段包含了众多探测目标的温度特性，所以是目前被动红外成像所采用的优选波段，在温度筛查、工业检测、环境监测方面有着广发的应用。常见的中红外波段被动探测器包括二类超晶格探测器、带间跃迁探测器等。典型的单一中红外InAs/InGaAs量子点探测器结构如图2所示。
在一些探测场景中需要同时包括中红外波段的被动式成像和近红外波段的激光主动成像来实现对目标的准确探测。中红外波段的被动成像和近红外波段的激光主动成像一般采用两类不同的探测器，在探测系统中也需要不同的光学、结构部件实现对应的功能，这使得同时包括中红外被动成像和近红外激光主动成像的探测系统的复杂度很高，在很多场合的应用有所限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中中红外波段主动式探测器和近红外波段被动式探测器在同一应用场景中同时使用导致的结构过于复杂的缺陷，提供一种红外探测器。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供了一种红外探测器，所述红外探测器包括依次生长在InP衬底上的第一接触层、倍增层、电荷层、第一吸收层、第二接触层、第三接触层、第二吸收层和第四接触层；
所述第一接触层为p+InP；所述倍增层为不掺杂InP；所述电荷层为n型InP；所述第一吸收层为不掺杂In0.53Ga0.47As；所述第二接触层为n+InP；所述第三接触层为n+In0.53Ga0.47As；所述第二吸收层包括势垒层和n型InAs量子点层；所述势垒层为不掺杂In0.53Ga0.47As；所述第四接触层为n+In0.53Ga0.47As。
较佳地，所述势垒层和所述n型InAs量子点层交替排列，所述第二吸收层内的最上层和最下层均为所述势垒层；所述n型InAs量子点层的数量为30-100层；
和/或，
所述InAs量子点层的厚度为3-5原子层；
和/或，
所述InAs量子点层的浓度范围为1×1017-5×1017cm-3；
和/或，
所述InAs量子点层的厚度范围为20-50nm。
较佳地，所述第一接触层的浓度范围为1×1018-5×1018cm-3；
和/或，
所述电荷层的浓度范围为1×1017-3×1017cm-3；
和/或，
所述第二接触层的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3；
和/或，
所述第三接触层的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3；
和/或，
所述第四接触层的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3。
较佳地，所述第一接触层的厚度范围为300-800nm，
和/或，
所述倍增层的厚度范围为1-2μm，
和/或，
所述电荷层的厚度范围为100-300nm，
和/或，
所述第一吸收层的厚度范围为1-2μm，
和/或，
所述第二接触层的厚度范围为200-500nm，
和/或，
所述第三接触层的厚度范围为200-500nm，
和/或，
所述第四接触层的厚度范围为300-800nm。
较佳地，所述第一接触层上设有p型接触电极；所述第三接触层和所述第四接触层上均设有n型接触电极。
本发明还提供了一种红外探测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：
在InP衬底上依次生长第一接触层、倍增层、电荷层、第一吸收层、第二接触层、第三接触层、第二吸收层和第四接触层；
所述第一接触层为p+InP；所述倍增层为不掺杂InP；所述电荷层为n型InP；所述第一吸收层为不掺杂In0.53Ga0.47As；所述第二接触层为n+InP；所述第三接触层为n+In0.53Ga0.47As；所述第二吸收层包括至少一个势垒层和n型InAs量子点层；所述势垒层为不掺杂In0.53Ga0.47As；所述第四接触层为n+In0.53Ga0.47As。
较佳地，所述势垒层和所述n型InAs量子点层交替排列，所述第二吸收层和所述第三接触层、所述第四接触层的连接部均为所述势垒层；所述n型InAs量子点层的数量为30-100层；
和/或，
所述InAs量子点层的厚度为3-5原子层；
和/或，
所述InAs量子点层的浓度范围为1×1017-5×1017cm-3；
和/或，
所述InAs量子点层的厚度范围为20-50nm。
较佳地，所述第一接触层的浓度范围为1×1018-5×1018cm-3；
和/或，
所述电荷层的浓度范围为1×1017-3×1017cm-3；
和/或，
所述第二接触层的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3；
和/或，
所述第三接触层的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3；
和/或，
所述第四接触层的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3。
较佳地，所述第一接触层厚度范围为300-800nm，
和/或，
所述倍增层的厚度范围为1-2μm，
和/或，
所述电荷层的厚度范围为100-300nm，
和/或，
所述第一吸收层的厚度范围为1-2μm，
和/或，
所述第二接触层的厚度范围为200-500nm，
和/或，
所述第三接触层的厚度范围为200-500nm，
和/或，
所述第四接触层的厚度范围为300-800nm。
较佳地，在所述第一接触层上设置p型接触电极；在所述第三接触层和所述第四接触层上均设置n型接触电极。
本发明的积极进步效果在于，本发明实施例中集成近红外主动探测器和中红外被动探测器，使得红外探测器能够同时采用近红外激光主动探测和中红外被动成像探测，提升了探测器使用的自由度，并降低了复杂度与探测器制造成本。
附图说明
图1为典型的单一近红外InGaAs雪崩探测器的结构示意图。
图2为典型的单一中红外InAs/InGaAs量子点探测器的结构示意图。
图3为本发明实施例1的红外探测器的结构示意图。
图4为本发明实施例2的红外探测器的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
参见图3-4所示，本实施例的红外探测器包括：依次生长在InP衬底1上的第一接触层2、倍增层3、电荷层4、第一吸收层5、第二接触层6、第三接触层7、第二吸收层8和第四接触层9。
第一接触层2为p+InP；倍增层3为不掺杂InP；电荷层4为n型InP；第一吸收层5为不掺杂In0.53Ga0.47As；第二接触层6为n+InP；第三接触层7为n+In0.53Ga0.47As；第二吸收层8包括势垒层81和n型InAs量子点层82；势垒层81为不掺杂In0.53Ga0.47As；第四接触层9为n+In0.53Ga0.47As。
在一个实施例中，本实施例的红外探测器为单片集成双波段探测器，即通过单片外延的方式集成近红外雪崩探测功能和中红外被动探测功能。因此为了能同时实现两种功能，红外探测器设置了2层吸收层，分别为第一吸收层5和第二吸收层8，第一吸收层5为不掺杂In0.53Ga0.47As，因此能够吸收入射光中能量大的光子即近红外光以实现近红外探测；而入射光中能量小的光子即中红外光不被第一吸收层5吸收，其穿过第一吸收层5后到达第二吸收层8，且能被包括势垒层81和n型InAs量子点层82的第二吸收层8吸收，实现中红外被动探测功能。其中，近红外光的波长范围为0.95μm～1.7μm，中红外的波长范围为3μm～5μm。
为了确保第一吸收层5吸收近红外光，第二吸收层8吸收中红外光，所以使用于吸收近红外光的吸收层即第一吸收层5靠近入射光的方向，用于吸收中红外光的吸收层即第二吸收层8远离入射光的方向。
在一个实施例中，第二吸收层8采用量子阱红外探测材质，由于量子阱红外探测材质只能对入射光与探测器表面呈一定角度的入射光进行吸收，因此需要通过增加表面光栅等手段才能实现其对正入射光的吸收。
在一个实施例中，第二吸收层采用量子点红外探测材质，量子点红外探测材质可以对垂直入射光进行吸收。因此，本实施例的红外探测器设置n型InAs量子点层82实现单片集成双波段探测。
作为一种较佳的实施方式，参见图4，第二吸收层8由若干个子层构成，每个子层中有一势垒层81和一n型InAs量子点层82，且每个子层中的两者上下顺序均一致，因此势垒层81和n型InAs量子点层82呈交替排列。而第二吸收层8和第三接触层7、第四接触层9的连接部均为势垒层81，也即势垒层81的数量比n型InAs量子点层的数量多一层，n型InAs量子点层82的数量为30-100层。
作为可选的实施方式，第二吸收层8中的InAs量子点层82的厚度为3-5原子层且浓度范围为1×1017-5×1017cm-3；势垒层81的厚度范围为20-50nm。
作为可选的实施方式，第一接触层2的浓度范围为1×1018-5×1018cm-3；电荷层4的浓度范围为1×1017-3×1017cm-3；第二接触层6的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3；第三接触层7的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3；第四接触层9的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3。
作为可选的实施方式，第一接触层2的厚度范围为300-800nm，倍增层3的厚度范围为1-2μm，电荷层4的厚度范围为100-300nm，第一吸收层5的厚度范围为1-2μm，第二接触层6的厚度范围为200-500nm，第三接触层7的厚度范围为200-500nm，第四接触层9的厚度范围为300-800nm。
作为可选可选的实施方式，第一接触层2上包括p型接触电极10；第三接触层7和第四接触层9上分别包括n型接触电极11和n型接触电极12。
具体地，本实施例的红外探测器中集成的、用于实现近红外雪崩探测功能的近红外主动探测器为双极型器件，即需要pn结(即p型半导体与n型半导体在同一块半导体基片上的交界面形成的空间电荷区)；而红外探测器中集成的、用于实现中红外被动探测功能的中红外被动探测器是单极型器件，为全n型结构，在两个器件中间的接触层需要n型接触电极供上下两个器件共用。因此，本实施例将近红外主动探测器的p型接触电极设置于整个探测器结构的最下方，而由于倍增层3需要更靠近n型层，所以位于InGaAs吸收层的下方，更靠近入射光方向。
本实施例的红外探测器在单片集成近红外雪崩探测器和中红外被动探测器，使得红外探测器能够同时采用近红外激光主动探测和中红外被动成像探测，提升了探测器使用的自由度，并降低了复杂度与探测器制造成本。此外，本实施例的红外探测器通过直接外延的方法生长在同一片衬底上，有利于实现批量生产。
实施例2
参见图4所示，根据实施例1中的红外探测器结构，本实施例具体示出一于单片上集成有近红外In0.53Ga0.47As/InP雪崩探测器和中红外探测器结构的红外探测器100。
其中，本实施例中的红外探测器100的InP衬底1上，依次生长有厚度为500nm且浓度为3×1018cm-3的p+InP材质的第一接触层2、厚度为1μm且为不掺杂InP材质的倍增层3、厚度为200nm且浓度为1×1017cm-3的n型InP材质的电荷层4、厚度为1.5μm且为不掺杂In0.53Ga0.47As材质的第一吸收层5、厚度为200nm且浓度为1×1018cm-3的第二接触层6、厚度为200nm且浓度为1×1018cm-3的n+In0.53Ga0.47As材质的第三接触层7即下接触层、第二吸收层8和厚度为300nm且浓度为2×1018cm-3的n+In0.53Ga0.47As材质的第四接触层9即上接触层。其中，第二吸收层8由41层厚度为30nm且为不掺杂In0.53Ga0.47As材质的势垒层81和40层厚度为4原子层且浓度为的n型InAs量子点层82构成，势垒层81与n型InAs量子点层82交替排列。此外，第一接触层2上设置有p型欧姆接触金属，第三接触层7和第四接触层9上设置有n型欧姆接触金属。
具体地，本实施例的红外探测器100基于InP衬底，以InGaAs作为光吸收层材料实现近红外单光子雪崩探测，以InGaAs/InAlAs量子阱作为中红外波段的被动探测吸收层，并采用InAs/InGaAs量子点结构保持与InP衬底的主体晶格匹配使InAs量子点保持应变，不会影响材料质量。
本实施例的红外探测器在单片集成近红外雪崩探测器和中红外被动探测器，使得红外探测器能够同时采用近红外激光主动探测和中红外被动成像探测，提升了探测器使用的自由度，并降低了复杂度与探测器制造成本。
实施例3
本实施例描述了一种红外探测器的制备方法，可用于制备上述任一实施例提供的红外探测器100。其包括步骤：
在InP衬底1上依次生长第一接触层2、倍增层3、电荷层4、第一吸收层5、第二接触层6、第三接触层7、第二吸收层8和第四接触层9；
第一接触层2为p+InP；倍增层3为不掺杂InP；电荷层4为n型InP；第一吸收层5为不掺杂In0.53Ga0.47As；第二接触层6为n+InP；第三接触层7为n+In0.53Ga0.47As；第二吸收层8包括势垒层81和n型InAs量子点层82；势垒层81为不掺杂In0.53Ga0.47As；第四接触层9为n+In0.53Ga0.47As。
作为一种可选的实施方式，参见图2，第二吸收层8由若干个子层构成，每个子层中的有一势垒层81和一n型InAs量子点层82，且每个子层中的两者上下顺序均一致，因此势垒层81和n型InAs量子点层82呈交替排列。而第二吸收层8和第三接触层7、第四接触层9的连接部均为势垒层81，也即势垒层81的数量比n型InAs量子点层的数量多一层，n型InAs量子点层82的数量为30-100层。
作为可选的实施方式，第二吸收层8中的InAs量子点层82的厚度为3-5原子层且浓度范围为1×1017-5×1017cm-3；势垒层81的厚度范围为20-50nm。
作为可选的实施方式，第一接触层2的浓度范围为1×1018-5×1018cm-3；电荷层4的浓度范围为1×1017-3×1017cm-3；第二接触层6的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3；第三接触层7的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3；第四接触层9的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3。
作为可选的实施方式，第一接触层2的厚度范围为300-800nm，倍增层3的厚度范围为1-2μm，电荷层4的厚度范围为100-300nm，第一吸收层5的厚度范围为1-2μm，第二接触层6的厚度范围为200-500nm，第三接触层7的厚度范围为200-500nm，第四接触层9的厚度范围为300-800nm。
作为可选的实施方式，第一接触层2上包括p型接触电极10；第三接触层7和第四接触层9上分别包括n型接触电极11和n型接触电极12。
此外，本实施例的制备方法中采用分子束外延或金属有机化学气相沉积等方法制备一体化生长在InP衬底上的红外探测器，由于分子束外延及金属有机化学气相沉积方法均为本领域的惯用手段，故不作具体说明。
通过本实施例的红外探测器的制备方法，能够在单片集成近红外雪崩探测器和中红外被动探测器，使得红外探测器能够同时采用近红外激光主动探测和中红外被动成像探测，提升了探测器使用的自由度，并降低了复杂度与探测器制造成本。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种红外探测器，其特征在于，所述红外探测器包括依次生长在InP衬底上的第一接触层、倍增层、电荷层、第一吸收层、第二接触层、第三接触层、第二吸收层和第四接触层；
所述第一接触层为p+InP；所述倍增层为不掺杂InP；所述电荷层为n型InP；所述第一吸收层为不掺杂In0.53Ga0.47As；所述第二接触层为n+InP；所述第三接触层为n+In0.53Ga0.47As；所述第二吸收层包括势垒层和n型InAs量子点层；所述势垒层为不掺杂In0.53Ga0.47As；所述第四接触层为n+In0.53Ga0.47As。
2.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述势垒层和所述n型InAs量子点层交替排列，所述第二吸收层内的最上层和最下层均为所述势垒层；所述n型InAs量子点层的数量为30-100层；
和/或，
所述InAs量子点层的厚度为3-5原子层；
和/或，
所述InAs量子点层的浓度范围为1×1017-5×1017cm-3；
和/或，
所述InAs量子点层的厚度范围为20-50nm。
3.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述第一接触层的浓度范围为1×1018-5×1018cm-3；
和/或，
所述电荷层的浓度范围为1×1017-3×1017cm-3；
和/或，
所述第二接触层的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3；
和/或，
所述第三接触层的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3；
和/或，
所述第四接触层的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3。
4.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述第一接触层的厚度范围为300-800nm，
和/或，
所述倍增层的厚度范围为1-2μm，
和/或，
所述电荷层的厚度范围为100-300nm，
和/或，
所述第一吸收层的厚度范围为1-2μm，
和/或，
所述第二接触层的厚度范围为200-500nm，
和/或，
所述第三接触层的厚度范围为200-500nm，
和/或，
所述第四接触层的厚度范围为300-800nm。
5.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述第一接触层上设有p型接触电极；所述第三接触层和所述第四接触层上均设有n型接触电极。
6.一种红外探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：
在InP衬底上依次生长第一接触层、倍增层、电荷层、第一吸收层、第二接触层、第三接触层、第二吸收层和第四接触层；
所述第一接触层为p+InP；所述倍增层为不掺杂InP；所述电荷层为n型InP；所述第一吸收层为不掺杂In0.53Ga0.47As；所述第二接触层为n+InP；所述第三接触层为n+In0.53Ga0.47As；所述第二吸收层包括至少一个势垒层和n型InAs量子点层；所述势垒层为不掺杂In0.53Ga0.47As；所述第四接触层为n+In0.53Ga0.47As。
7.如权利要求6所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，所述势垒层和所述n型InAs量子点层交替排列，所述第二吸收层内的最上层和最下层均为所述势垒层；所述n型InAs量子点层的数量为30-100层；
和/或，
所述InAs量子点层的厚度为3-5原子层；
和/或，
所述InAs量子点层的浓度范围为1×1017-5×1017cm-3；
和/或，
所述InAs量子点层的厚度范围为20-50nm。
8.如权利要求6所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，所述第一接触层的浓度范围为1×1018-5×1018cm-3；
和/或，
所述电荷层的浓度范围为1×1017-3×1017cm-3；
和/或，
所述第二接触层的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3；
和/或，
所述第三接触层的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3；
和/或，
所述第四接触层的浓度范围为5×1017-2×1018cm-3。
9.如权利要求6所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，所述第一接触层厚度范围为300-800nm，
和/或，
所述倍增层的厚度范围为1-2μm，
和/或，
所述电荷层的厚度范围为100-300nm，
和/或，
所述第一吸收层的厚度范围为1-2μm，
和/或，
所述第二接触层的厚度范围为200-500nm，
和/或，
所述第三接触层的厚度范围为200-500nm，
和/或，
所述第四接触层的厚度范围为300-800nm。
10.如权利要求6所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述第一接触层上设置p型接触电极；在所述第三接触层和所述第四接触层上均设置n型接触电极。
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