CN114373822B - 一种具有重掺杂层谐振腔的ii类超晶格光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器及其制备方法，属于光电探测器制备技术领域。本发明公开了一种具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器，在原有的II类超晶格光电探测器的衬底和超晶格层之间设计了P型重掺杂反射层、在超晶格层和金属电极之间设计了N型重掺杂图案层，形成重掺杂光调制谐振腔，该谐振腔结构可以通过控制掺杂直接外延得出，用于调制和增强器件的光吸收性能，提升探测器的探测性能。本发明提出的重掺杂谐振腔的II类超晶格光电探测器，提出了一种新的光学谐振腔和探测器结构结合方式，为提高光吸收增强探测器性能提供了新的思路。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器制备技术领域，涉及一种具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器及其制备方法。
背景技术
任何温度高于绝对零度的物体都在向外界释放红外辐射，该辐射能量可以通过红外探测器进行探测和成像。目前红外探测器已经发展到以更大面阵、更小像元、更低功耗为核心的第三代，其中Ⅱ类超晶格红外探测器由于其拥有带隙可调，俄歇复合抑制，良好的大面积均匀性等优点，成为第三代探测器重的重要候选。
但是Ⅱ型超晶格红外探测器依旧面临着暗电流大、光吸收效率低等缺陷，从而极大地限制Ⅱ型超晶格红外探测器的应用。研究者已经通过引入电子势垒结构、增加光吸收取厚度等手段来优化器件结构、降低暗电流和光吸收效率，但是目前的常规的技术手段会导致材料质量下降，使得制备成本极大增加。
因此，通过光学谐振结构在不改变吸收层厚度的前提下，增强超晶格探测器的吸收性能变的很有必要，常规的金属等离子体光学谐振腔通常需要在超晶格材料两端蒸镀贵金属以激发谐振，增加了制备难度且不完全兼容传统版半导体制备工艺。重掺杂层谐振腔可以在不引入金属材料的前提下，通过控制掺杂浓度，直接在外延片上形成光学谐振腔，在不引入贵金属的前提下，用于调制和增强器件的光吸收性能，提升探测器性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器；本发明的目的之二在于提供一种具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1.一种具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器，所述光电探测器从下到上依次包括：衬底层、过渡层、P型重掺杂反射层、接触层I、吸收层、接触层Ⅱ、N型重掺杂图案层；
所述光电探测器还包括设置在P型重掺杂反射层和N型重掺杂图案层上的金属电极；
所述接触层I为P掺杂超晶格，所述接触层Ⅱ为N掺杂超晶格。
优选的，所述衬底层为N型GaSb衬底层，过渡层为P型掺杂GaSb过渡层，所述吸收层为弱N型非掺杂超晶格吸收层，所述金属电极为由Ti、Pt和Au形成的Ti/Pt/Au合金。
优选的，所述重掺杂反射层为GaSb材料、厚度为600～1800nm、掺杂浓度的数量级为1019cm3。
优选的，所述重掺杂图案层为InAs材料、厚度为10～40nm、掺杂浓度的数量级为1019cm3。
优选的，所述接触层I的材料为InAs/GaSb超晶格、掺杂浓度的数量级为1018cm3；所述接触层Ⅱ的材料为InAs/GaSb超晶格、掺杂浓度的数量级为1018cm3。
优选的，所述N型重掺杂图案层的图案能够与P型重掺杂反射层形成光学谐振腔，将红外辐射束缚在吸收层中。
优选的，所述N型重掺杂图案层的图案包括矩形、环形或三角形中的任意一种。
2.上述II类超晶格光电探测器的制备方法，通过分子束外延生长方法、光刻掩膜和湿法刻蚀工艺进行制备，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在衬底上生长过渡层：将GaSb材料在衬底层上用Be进行浓度数量级为1018cm3的P掺杂；
(2)在过渡层上生长重掺杂反射层：将GaSb材料在过渡层上用Be进行浓度数量级为1019cm3、厚度为800～1500nm的P掺杂；
(3)在重掺杂反射层上生长接触层I：将InAs/GaSb材料在重掺杂反射层上用Be进行浓度数量级为1018cm3、厚度为300～1000nm的P掺杂；
(4)在接触层I上生长吸收层：将厚度为1000～4000nm的InAs/GaSb材料生长在接触层I上；
(5)在吸收层上生长接触层Ⅱ：将InAs/GaSb材料在吸收层上用Si进行浓度数量级为1018cm3的N掺杂；
(6)在接触层Ⅱ上生长重掺杂层：将InAs材料在接触层Ⅱ上用Si进行厚度为10～40nm、浓度数量级为1019cm3的N掺杂形成外延薄膜；
(7)利用紫外光刻将掩膜图案转移到外延薄膜上，并通过湿法刻蚀至P型接触层即接触层Ⅰ上，制备成单元超晶格探测器台面；
(8)分别在N型重掺杂图案层和P型重掺杂反射层上制备金属电极：在N型重掺杂图案层和P型重掺杂反射层上，利用光刻掩膜、磁控溅射的方法制备金属电极；
(9)依次利用激光直写掩膜和湿法刻蚀工艺，在N型重掺杂层刻蚀出图案(与P型重掺杂反射层形成共振调制腔)。
本发明的有益效果在于：本发明公开了一种具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器，在原有的II类超晶格光电探测器上设置了由P型重掺杂反射层(在衬底和超晶格层吸收层之间设计了P型重掺杂反射层)和N型重掺杂图案层(在超晶格层吸收层和金属电极之间设计了N型重掺杂图案层)形成重掺杂光调制谐振腔，从而增强器件的光吸收性能，且该谐振腔结构可以通过控制掺杂直接外延得出，用于调制和增强器件的光吸收性能，提升探测器的探测性能。因此本发明提出的重掺杂谐振腔的II类超晶格光电探测器，优化了光学谐振腔和探测器结构结合方式，提升探测器的光吸收效率，为增强探测器性能提供了新的思路。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明制备的具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器的结构图；
图2为实施例1中制备的具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器(具有重掺杂结构)以及常用的II类超晶格光电探测器(不具有重掺杂结构)对不同波长的吸收对比图；
图3为实施例2中制备的具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器(具有重掺杂结构)以及常用的II类超晶格光电探测器(不具有重掺杂结构)对不同波长的吸收对比图；
图4为实施例3中制备的具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器(具有重掺杂结构)以及常用的II类超晶格光电探测器(不具有重掺杂结构)对不同波长的吸收对比图；
其中1为衬底层、2为过渡层、3为P型重掺杂反射层、4为接触层I、5为吸收层、6为接触层Ⅱ、7为N型重掺杂图案层、8为金属电极。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
通过分子束外延生长方法、光刻掩膜和湿法刻蚀工艺制备具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器，具体方法如下所示：
(1)在衬底上生长过渡层：将GaSb材料在N型GaSb衬底层上用Be进行浓度为1×1018cm3的P掺杂形成P型掺杂GaSb过渡层；
(2)在过渡层上生长重掺杂反射层：将GaSb材料在P型掺杂GaSb过渡层上用Be进行浓度为1×1019cm3、厚度为800nm的P掺杂形成重掺杂反射层；
(3)在重掺杂反射层上生长接触层I：将InAs/GaSb材料在重掺杂反射层上用Be进行浓度为/1×1018cm3、厚度为30nm的P掺杂形成接触层I；
(4)在接触层I上生长吸收层：将厚度为100nm的InAs/GaSb材料生长在接触层I上形成弱N型非掺杂超晶格吸收层；
(5)在吸收层上生长接触层Ⅱ：将InAs/GaSb材料在吸收层上用Si进行浓度为1×1018cm3的N掺杂形成接触层Ⅱ，厚度为30nm；
(6)在接触层Ⅱ上生长重掺杂层：将InAs材料在接触层Ⅱ上用Si进行厚度为20nm、浓度为1×1019cm3的N掺杂形成重掺杂层；
(7)依次利用紫外光刻将掩膜图案转移到外延薄膜上，并通过湿法刻蚀至P型接触层即接触层Ⅰ上，制备成单元超晶格探测器台面；
(8)在N型重掺杂图案层上制备金属电极：在N型重掺杂图案层上，利用光刻掩膜、磁控溅射的方法制备金属电极。
(9)利用激光直写掩膜和湿法刻蚀工艺，在N型重掺杂层刻蚀出三角形阵列图案(与P型重掺杂反射层形成共振调制腔)。
实施例2
通过分子束外延生长方法、光刻掩膜和湿法刻蚀工艺制备具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器，具体方法如下所示：
(1)在衬底上生长过渡层：将GaSb材料在N型GaSb衬底层上用Be进行浓度为1×1018cm3的P掺杂形成P型掺杂GaSb过渡层；
(2)在过渡层上生长重掺杂反射层：将GaSb材料在P型掺杂GaSb过渡层上用Be进行浓度为1×1019cm3、厚度为1000nm的P掺杂形成重掺杂反射层；
(3)在重掺杂反射层上生长接触层I：将InAs/GaSb材料在重掺杂反射层上用Be进行浓度为3×1018cm3、厚度为50nm的P掺杂形成接触层I；
(4)在接触层I上生长吸收层：将厚度为200nm的InAs/GaSb材料生长在接触层I上形成弱N型非掺杂超晶格吸收层；
(5)在吸收层上生长接触层Ⅱ：将InAs/GaSb材料在吸收层上用Si进行浓度为2×1018cm3的N掺杂形成接触层Ⅱ，厚度为50nm；
(6)在接触层Ⅱ上生长重掺杂层：将InAs材料在接触层Ⅱ上用Si进行厚度为10nm、浓度为1×1019cm3的N掺杂形成重掺杂层；
(7)利用紫外光刻将掩膜图案转移到外延薄膜上，并通过湿法刻蚀至P型接触层即接触层Ⅰ上，制备成单元超晶格探测器台面；
(8)在N型重掺杂图案层上制备金属电极：在N型重掺杂图案层上，利用光刻掩膜、磁控溅射的方法制备金属电极。
(9)依次利用激光直写掩膜和湿法刻蚀工艺，在N型重掺杂层刻蚀出圆形阵列图案(与P型重掺杂反射层形成共振调制腔)。
实施例3
通过分子束外延生长方法、光刻掩膜和湿法刻蚀工艺制备具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器，具体方法如下所示：
(1)在衬底上生长过渡层：将GaSb材料在N型GaSb衬底层上用Be进行浓度为9×1018cm3的P掺杂形成P型掺杂GaSb过渡层；
(2)在过渡层上生长重掺杂反射层：将GaSb材料在P型掺杂GaSb过渡层上用Be进行浓度为9×1019cm3、厚度为1500nm的P掺杂形成重掺杂反射层；
(3)在重掺杂反射层上生长接触层I：将InAs/GaSb材料在重掺杂反射层上用Be进行浓度为9×1018cm3、厚度为100nm的P掺杂形成接触层I；
(4)在接触层I上生长吸收层：将厚度为400nm的InAs/GaSb材料生长在接触层I上形成弱N型非掺杂超晶格吸收层；
(5)在吸收层上生长接触层Ⅱ：将InAs/GaSb材料在吸收层上用Si进行浓度为9×1018cm3的N掺杂形成接触层Ⅱ，厚度为100nm；
(6)在接触层Ⅱ上生长重掺杂层：将InAs材料在接触层Ⅱ上用Si进行厚度为40nm、浓度为9×1019cm3的N掺杂形成重掺杂层；
(7)利用紫外光刻将掩膜图案转移到外延薄膜上，并通过湿法刻蚀至P型接触层即接触层Ⅰ上，制备成单元超晶格探测器台面；
(8)在N型重掺杂图案层上制备金属电极：在N型重掺杂图案层上，利用光刻掩膜、磁控溅射的方法制备金属电极；
(9)依次利用激光直写掩膜和湿法刻蚀工艺，在N型重掺杂层刻蚀出矩形阵列图案(与P型重掺杂反射层形成共振调制腔)。
本发明制备的具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器，其结构如图1所示，其中1为衬底层、2为过渡层、3为P型重掺杂反射层、4为接触层I、5为吸收层、6为接触层Ⅱ、7为N型重掺杂图案层、8为金属电极。
图2为实施例1中制备的具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器(具有重掺杂结构)以及常用的II类超晶格光电探测器(不具有重掺杂结构)对不同波长的光的吸收对比图。从图2可以看出，相比于常用的II类超晶格光电探测器(不具有重掺杂结构)，本发明实施例1中制备的具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器(具有重掺杂结构)对3.5um波长的光的吸收明显增强，在峰值处接近于100％。
图3为实施例2中制备的具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器(具有重掺杂结构)以及常用的II类超晶格光电探测器(不具有重掺杂结构)对不同波长的吸收对比图，图4为实施例3中制备的具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器(具有重掺杂结构)以及常用的II类超晶格光电探测器(不具有重掺杂结构)对不同波长的吸收对比图。通过调整下表面重掺杂层的厚度、调整矩形或三角形等不同的上表面重掺杂图案阵列,获得不同的波段和光吸收效果。从图3中可以看出，相比于常用的II类超晶格光电探测器(不具有重掺杂结构)，实施例2中具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器(具有重掺杂结构)增强波长5.5um，光吸收增强达到90％；从图4中可以看出，相比于常用的II类超晶格光电探测器(不具有重掺杂结构)，实施例3中具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器(具有重掺杂结构)增强波长为7.5um，光吸收增强达到92％。由此说明说明本发明制备的具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器能够增强对光的吸收，进而提升器件性能。
综上所述，本发明公开了一种具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器，在II类超晶格光电探测器的衬底和超晶格层之间设计了P型重掺杂反射层，在超晶格层和金属电极之间设计了N型重掺杂图案层，形成重掺杂光调制谐振腔；且该谐振腔结构可以通过控制掺杂直接外延得出，用于调制和增强器件的光吸收性能，提升探测器的探测性能。因此本发明提出的重掺杂谐振腔的II类超晶格光电探测器，提出了一种新的光学谐振腔和探测器结构结合方式，提升探测器的光吸收效率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种具有重掺杂层谐振腔的II类超晶格光电探测器，其特征在于，所述光电探测器从下到上依次包括：衬底层、过渡层、P型重掺杂反射层、接触层I、吸收层、接触层Ⅱ、N型重掺杂图案层；
所述光电探测器还包括设置在P型重掺杂反射层和N型重掺杂图案层上的金属电极；
所述接触层I为P掺杂超晶格，所述接触层Ⅱ为N掺杂超晶格；
所述重掺杂反射层为GaSb材料、厚度为800～1500nm、掺杂浓度的数量级为1019cm3；
所述重掺杂图案层为InAs材料、厚度为10～40nm、掺杂浓度的数量级为1019cm3；
所述N型重掺杂图案层的图案能够与P型重掺杂反射层形成光学谐振腔，将红外辐射束缚在吸收层中。
2.根据权利要求1所述的II类超晶格光电探测器，其特征在于，所述衬底层为N型GaSb衬底层，过渡层为P型掺杂GaSb过渡层，所述吸收层为弱N型非掺杂超晶格吸收层，所述金属电极为由Ti、Pt和Au形成的Ti/Pt/Au合金。
3.根据权利要求1所述的II类超晶格光电探测器，其特征在于，所述接触层I的材料为InAs/GaSb超晶格、掺杂浓度的数量级为1018cm3；所述接触层Ⅱ的材料为InAs/GaSb超晶格、掺杂浓度的数量级为1018cm3。
4.根据权利要求1所述的II类超晶格光电探测器，其特征在于，所述N型重掺杂图案层的图案包括矩形、环形或三角形中的任意一种。
5.权利要求1～4任一项所述II类超晶格光电探测器的制备方法，其特征在于，通过分子束外延生长方法、光刻掩膜和湿法刻蚀工艺进行制备，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在衬底上生长过渡层：将GaSb材料在衬底层上用Be进行浓度数量级为1018cm3的P掺杂；
(2)在过渡层上生长重掺杂反射层：将GaSb材料在过渡层上用Be进行浓度数量级为1019cm3、厚度为800～1500nm的P掺杂；
(3)在重掺杂反射层上生长接触层I：将InAs/GaSb材料在重掺杂反射层上用Be进行浓度数量级为1018cm3、厚度为300～1000nm的P掺杂；
(4)在接触层I上生长吸收层：将厚度为1000～4000nm的InAs/GaSb材料生长在接触层I上；
(5)在吸收层上生长接触层Ⅱ：将InAs/GaSb材料在吸收层上用Si进行浓度数量级为1018cm3的N掺杂；
(6)在接触层Ⅱ上生长重掺杂层：将InAs材料在接触层Ⅱ上用Si进行厚度为10～40nm、浓度数量级为1019cm3的N掺杂形成外延薄膜；
(7)利用紫外光刻将掩膜图案转移到外延薄膜上，并通过湿法刻蚀至P型接触层即接触层Ⅰ上，制备成单元超晶格探测器台面；
(8)分别在N型重掺杂图案层和P型重掺杂反射层上制备金属电极：在N型重掺杂图案层和P型重掺杂反射层上，利用光刻掩膜、磁控溅射的方法制备金属电极；
(9)依次利用激光直写掩膜和湿法刻蚀工艺，在N型重掺杂层刻蚀出图案。
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