CN114373826A - 一种具有表面光调制层的ii类超晶格多色光电探测器及其制备方法 - Google Patents

一种具有表面光调制层的ii类超晶格多色光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有表面光调制层的II类超晶格多色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表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器，主要是在常规II类超晶格光电探测器的InAs帽层表面设计制备光调制层，该光调制层具有调制吸收光谱的性能，可以实现多个波段的响应增强，能够在片上多色探测集成等方面改善常规II类超晶格光电探测器。

Description

一种具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器及其制 备方法
技术领域
本发明属于技术领域，涉及一种具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器及其制备方法。
背景技术
红外多波段集成成像技术是军事、预警系统的重要支撑技术之一。多波段片上集成即通过材料结构设计，在同一个芯片上实现多波段同时成像，该技术可以能明显降低了系统虚警率。目前中远红外的多色探测主要是依靠带隙可调的碲镉汞背靠背结构实现。目前高质量的碲镉汞薄膜只能在碲锌镉衬底上进行，但是由于碲锌镉本身极低的热导率，低层错能，界面切应力大等缺陷，导致大面积高质量碲镉汞成品率低。
作为第三代材料，Ⅱ类超晶格由于其俄歇复合抑制、良好的大面阵均匀性有望成为碲镉汞的代替者。但是利用Ⅱ类超晶格背靠背结构的制备片上多色探测器，要求较大的Ⅱ类超晶格材料的厚度，导致器件暗电流和通道串扰严重，影响了探测器性能。
因此需要通过引入表面光调制层对Ⅱ类超晶格光电探测器进行结构改进，以便在原有Ⅱ类超晶格材料生长工艺的前提下，调制探测器的光吸收区间、增强其光吸收率、减少通道之间的信号串扰，实现高精度的片上多色探测集成。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器；本发明的目的之二在于提供一种具有表面光调制层的II类超晶格多色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：
1.一种具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器，所述超晶格光电探测器包括II类超晶格光电探测器以及设置于所述II类超晶格光电探测器InAs帽层表面的光调制层。
优选的，所述光调制层的结构为非对称矩形、梯形或米字型阵列中的任意一种，所述光调制层的材料为Au。
优选的，所述光调制层为II类超晶格光电探测器顶端的微阵列结构，厚度为30～100nm。
进一步优选的，所述II类超晶格光电探测器包括外延薄膜和金属电极。
进一步优选的，从下到上，所述外延薄膜包括GaSb衬底层、P掺杂的GaSb缓冲层、P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层、InAs/GaSb超晶格吸收层、N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层和N掺杂的InAs帽层。
优选的，所述金属电极分别设置在所述外延薄膜的P掺杂的GaSb缓冲层和N掺杂的InAs帽层上。
2.上述II类超晶格多色光电探测器的制备方法，所述制备方法为：依次利用激光直写掩膜、磁控溅射的方法在II类超晶格光电探测器的InAs帽层上制备厚度为30～100nm、周期为5～6um的Au光调制层。
优选的，所述II类超晶格多色光电探测器按照如下方法制备：
(1)在GaSb衬底层上生长P掺杂的GaSb缓冲层：在GaSb衬底层上用Be进行P掺杂，生长形成P掺杂的GaSb缓冲层；
(2)在P掺杂的GaSb缓冲层上生长P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层：在P掺杂的GaSb缓冲层上用Be进行厚度为1～2um的P掺杂，生长形成P掺杂的、厚度为300～1000nm的InAs/GaSb超晶格接触层；
(3)在P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上生长InAs/GaSb超晶格吸收层：在接触层上采用InAs/GaSb进行生长，形成呈弱P型、厚度为1～4um的吸收层；
(4)在InAs/GaSb超晶格吸收层上生长N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层：在InAs/GaSb超晶格吸收层上用Si进行N掺杂，生长形成N掺杂的、厚度为300～1000nm的InAs/GaSb超晶格接触层；
(5)在N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上生长N掺杂的InAs帽层：在N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上用Si进行N掺杂，生长形成N掺杂的、厚度为10～40nm的InAs帽层，得到外延薄膜；
(6)利用紫外光刻将单元台面掩膜图案转移到外延薄膜上，并通过湿法刻蚀至N掺杂的InAs帽层，制备单元超晶格探测器台面；
(7)依次利用紫外光刻掩膜、磁控溅射的方法在P掺杂的GaSb缓冲层上和InAs帽层上制备金属电极。
优选的，步骤(1)和步骤(2)中所述P掺杂的掺杂浓度的数量级为1018cm3。
优选的，步骤(3)中所述吸收层的浓度的数量级为1015cm3。
优选的，步骤(4)和步骤(5)中所述N掺杂的掺杂浓度的数量级为1018cm3。
优选的，所述金属电极的材料为Ti/Pt/Au合金。
本发明的有益效果在于：
1、本发明公开了一种具有表面非均匀微阵列的II类超晶格多色光电探测器，主要是在常规II类超晶格光电探测器的InAs帽层表面制备光调制层，该光调制层具有调制吸收光谱的性能，可以实现多个波段的响应增强，能够在片上多色探测集成等方面改善常规II类超晶格光电探测器。
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为本发明的具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器的结构图；
图2为本发明制备具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器结构的俯视图；
图3为实施例1制备的具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器光调制层的SEM表征示意图；
图4为本发明实施例1中制备的具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器(有光调制层的结构)和常用的II类超晶格光电探测器(无光调制层的结构)对不同波长的光的吸收对比图；
图5为本发明实施例2中制备的具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器(有光调制层的结构)和常用的II类超晶格光电探测器(无光调制层的结构)对不同波长的光的吸收对比图；
图6为本发明实施例3中制备的具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器(有光调制层的结构)和常用的II类超晶格光电探测器(无光调制层的结构)对不同波长的光的吸收对比图；
其中1为GaSb衬底层、2为P掺杂的GaSb缓冲层、3为P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层、4为InAs/GaSb超晶格吸收层、5为N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层、6为N掺杂的InAs帽层、7为光调制层、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
一种具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器，制备方法如下所示：
1、制备II类超晶格光电探测器：
(1)在GaSb衬底层上生长P掺杂的GaSb缓冲层：在GaSb衬底层上用Be进行掺杂浓度为2×1018cm3的P掺杂，生长形成P掺杂的GaSb缓冲层；
(2)在P掺杂的GaSb缓冲层上生长P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层：在P掺杂的GaSb缓冲层上用Be进行掺杂浓度为1×1018cm3的P掺杂、厚度为1um，生长形成P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层，厚度为400nm；
(3)在P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上生长InAs/GaSb超晶格吸收层：在接触层上采用InAs/GaSb进行生长，形成呈弱P型、浓度为1×1018cm3、厚度为2um的吸收层；
(4)在InAs/GaSb超晶格吸收层上生长N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层：在InAs/GaSb超晶格吸收层上用Si进行掺杂浓度为1×1018cm3的N掺杂，生长形成N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层厚度为500nm；
(5)在N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上生长N掺杂的InAs帽层：在N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上用Si进行掺杂浓度为1×1018cm3的N掺杂，生长形成N掺杂的InAs帽层，厚度为20nm；
(6)利用紫外光刻将单元台面掩膜图案转移到外延薄膜(由从下到上，外延薄膜包括GaSb衬底层、P掺杂的GaSb缓冲层、P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层、InAs/GaSb超晶格吸收层、N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层和N掺杂的InAs帽层)上，并通过湿法刻蚀至N掺杂的InAs帽层，制备单元超晶格探测器台面；
(7)依次利用紫外光刻掩膜、磁控溅射的方法在P掺杂的GaSb缓冲层和InAs帽层上制备金属电极(金属电极的材料为Ti/Pt/Au合金，其中Ti、Pt和Au的厚度为50nm、50nm和300nm)。
2、制备具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器：依次利用激光直写掩膜、磁控溅射的方式在II类超晶格光电探测器的InAs帽层上制备厚度为30nm、周期为3um的Au光调制图案层。
实施例2
一种具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器，制备方法如下所示：
1、制备II类超晶格光电探测器：
(1)在GaSb衬底层上生长P掺杂的GaSb缓冲层：在GaSb衬底层上用Be进行掺杂浓度为2×1018cm3的P掺杂，生长形成P掺杂的GaSb缓冲层；
(2)在P掺杂的GaSb缓冲层上生长P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层：在P掺杂的GaSb缓冲层上用Be进行掺杂浓度为3×1018cm3的P掺杂、厚度为2um，生长形成P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层，厚度为300nm；
(3)在P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上生长InAs/GaSb超晶格吸收层：在接触层上采用InAs/GaSb进行生长，形成呈弱P型、浓度为5×1015cm3、厚度为4um的吸收层；
(4)在InAs/GaSb超晶格吸收层上生长N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层：在InAs/GaSb超晶格吸收层上用Si进行掺杂浓度为2×1018cm3的N掺杂，生长形成N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层厚度为300nm；
(5)在N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上生长N掺杂的InAs帽层：在N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上用Si进行掺杂浓度为2×1018cm3的N掺杂，生长形成N掺杂的InAs帽层，厚度为10nm；
(6)利用紫外光刻将单元台面掩膜图案转移到外延薄膜(由从下到上，外延薄膜包括GaSb衬底层、P掺杂的GaSb缓冲层、P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层、InAs/GaSb超晶格吸收层、N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层和N掺杂的InAs帽层)上，并通过湿法刻蚀至N掺杂的InAs帽层，制备单元超晶格探测器台面；
(7)依次利用紫外光刻掩膜、磁控溅射的方法在P掺杂的GaSb缓冲层和InAs帽层上制备金属电极(金属电极的材料为Ti/Pt/Au合金，其中Ti、Pt和Au的厚度为10nm、10nm和500nm)。
2、制备具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器：依次利用激光直写掩膜、磁控溅射的方式在II类超晶格光电探测器的InAs帽层上制备厚度为30nm、周期为5um的Au光调制层。
实施例3
一种具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器，制备方法如下所示：
1、制备II类超晶格光电探测器：
(1)在GaSb衬底层上生长P掺杂的GaSb缓冲层：在GaSb衬底层上用Be进行掺杂浓度为2×1018cm3的P掺杂，生长形成P掺杂的GaSb缓冲层；
(2)在P掺杂的GaSb缓冲层上生长P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层：在P掺杂的GaSb缓冲层上用Be进行掺杂浓度为9×1018cm3的P掺杂、厚度为1um，生长形成P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层，厚度为1000nm；
(3)在P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上生长InAs/GaSb超晶格吸收层：在接触层上采用InAs/GaSb进行生长，形成呈弱P型、浓度为9×1015cm3、厚度为4um的吸收层；
(4)在InAs/GaSb超晶格吸收层上生长N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层：在InAs/GaSb超晶格吸收层上用Si进行掺杂浓度为9×1018cm3的N掺杂，生长形成N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层厚度为1000nm；
(5)在N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上生长N掺杂的InAs帽层：在N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上用Si进行掺杂浓度为9×1018cm3的N掺杂，生长形成N掺杂的InAs帽层，厚度为40nm；
(6)利用紫外光刻将单元台面掩膜图案转移到外延薄膜(由从下到上，外延薄膜包括GaSb衬底层、P掺杂的GaSb缓冲层、P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层、InAs/GaSb超晶格吸收层、N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层和N掺杂的InAs帽层)上，并通过湿法刻蚀至N掺杂的InAs帽层，制备单元超晶格探测器台面；
(7)依次利用紫外光刻掩膜、磁控溅射的方法在P掺杂的GaSb缓冲层和InAs帽层上制备金属电极(金属电极的材料为Ti/Pt/Au合金，其中Ti、Pt和Au的厚度为50nm、50nm和300nm)。
2、制备具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器：依次利用激光直写掩膜、磁控溅射的方式在II类超晶格光电探测器的InAs帽层上制备厚度为30nm、周期为6um的Au的光调制层。
本发明的具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器的结构如图1所示，俯视图如图2所示，其中1为GaSb衬底层、2为P掺杂的GaSb缓冲层、3为P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层、4为InAs/GaSb超晶格吸收层、5为N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层、6为N掺杂的InAs帽层、7为光调制层、8为金属电极。
图3为实施例1制备的具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器光调制层的SEM表征示意图，其中该光调制层中Au光栅调制层周期为3um，金光调制结构为2um。
图4为本发明实施例1中制备的具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器(有光调制层的结构)和常用的II类超晶格光电探测器(无光调制层的结构)对不同波长的光的吸收对比图。从图4可以看出，相比于常用的II类超晶格光电探测器(无光调制层的结构)，实施例1中制备的具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器(有光调制层的结构)对不同波长的光的吸收具有20～70％的增强效果，并且在对波长为3.2um和4.0um的光存在吸收尖峰，并且拥有良好的窄带宽特性，说明本发明制备的具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器能够实现双色探测。
同样的，图5和图6分别为对实施例2和实施例3中制备的具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器(有光调制层的结构)与常用的II类超晶格光电探测器(无光调制层的结构)对不同波长的光的吸收对比图。图5在4um、6um、10um三个波长处实现加强共振吸收，实现片上三色探测。图6则在4.5um和8.5um中红外和远红外区域实现双色探测。因此通过设计制备不同的光调制层，本发明制备的具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器可以在多个波长形有效的吸收增幅(有光调制层的结构)，对片上多波段集成提供一种解决方案。
综上所述，本发明公开了一种具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器，主要是在常规II类超晶格光电探测器的InAs帽层表面设计制备光调制层，该光调制层具有调制吸收光谱的性能，可以实现多个波段的响应增强，能够在片上多色探测集成等方面改善常规II类超晶格光电探测器。
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 (10)

1.一种具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器，其特征在于，所述具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器包括II类超晶格光电探测器以及设置于II类超晶格光电探测器InAs帽层表面的光调制层。
2.根据权利要求1所述具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器，其特征在于，所述光调制层的结构为非对称矩形、梯形或米字型阵列中的任意一种，所述光调制层的材料为Au。
3.根据权利要求1所述具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器，其特征在于，所述光调制层为II类超晶格光电探测器顶端的的微阵列结构，厚度为30～100nm。
4.根据权利要求3所述具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器，其特征在于，所述II类超晶格光电探测器包括外延薄膜和金属电极；
从下到上，所述外延薄膜包括GaSb衬底层、P掺杂的GaSb缓冲层、P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层、InAs/GaSb超晶格吸收层、N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层和N掺杂的InAs帽层；
所述金属电极设置在所述外延薄膜的P掺杂的GaSb缓冲层和N掺杂的InAs帽层上。
5.权利要求1～4任一项所述具有表面光调制层的II类超晶格多色光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：依次利用激光直写掩膜、磁控溅射的方法在II类超晶格光电探测器的InAs帽层上制备厚度为30～100nm、周期为5～6um的Au光调制层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述II类超晶格多色光电探测器按照如下方法制备：
(1)在GaSb衬底层上生长P掺杂的GaSb缓冲层：在GaSb衬底层上用Be进行P掺杂，生长形成P掺杂的GaSb缓冲层；
(2)在P掺杂的GaSb缓冲层上生长P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层：在P掺杂的GaSb缓冲层上用Be进行厚度为1～2um的P掺杂，生长形成P掺杂的、厚度为300～1000nm的InAs/GaSb超晶格接触层；
(3)在P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上生长InAs/GaSb超晶格吸收层：在接触层上采用InAs/GaSb进行生长，形成呈弱P型、厚度为1～4um的吸收层；
(4)在InAs/GaSb超晶格吸收层上生长N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层：在InAs/GaSb超晶格吸收层上用Si进行N掺杂，生长形成N掺杂的、厚度为300～1000nm的InAs/GaSb超晶格接触层；
(5)在N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上生长N掺杂的InAs帽层：在N掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层上用Si进行N掺杂，生长形成N掺杂的、厚度为10～40nm的InAs帽层，得到外延薄膜；
(6)利用紫外光刻将单元台面掩膜图案转移到外延薄膜上，并通过湿法刻蚀至P掺杂的InAs/GaSb超晶格接触层，制备单元超晶格探测器台面；
(7)依次利用紫外光刻掩膜、磁控溅射的方法在P掺杂的GaSb缓冲层上和InAs帽层上制备金属电极。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中所述P掺杂的掺杂浓度的数量级为1018cm3。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述吸收层的浓度的数量级为1015cm3。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)和步骤(5)中所述N掺杂的掺杂浓度的数量级为1018cm3。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述金属电极的材料为Ti/Pt/Au合金。
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