CN114975645A - 一种稀土掺杂iii-v族半导体结构及其光电探测器结构 - Google Patents

一种稀土掺杂iii-v族半导体结构及其光电探测器结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稀土掺杂III‑V族半导体结构，包括依次层叠设置的半导体衬底、N型掺杂半导体层、稀土掺杂III‑V族半导体层和P型掺杂半导体层。本发明还公开了一种基于稀土掺杂III‑V族半导体结构的光电探测器结构，包括稀土掺杂III‑V族半导体结构，以及分别位于N型掺杂半导体层上表面的底部电极和位于P型掺杂半导体层上表面的顶部电极。稀土掺杂III‑V族半导体层中的稀土离子在III‑V族半导体禁带中引入带间能级，实现亚带隙吸收和与半导体基体之间的双向能量传递。基于稀土掺杂III‑V族半导体材料的光电探测器，可用作包括光通讯波段(1.31‑1.55μm)在内的室温可见‑近红外多波段探测。

Description

一种稀土掺杂III-V族半导体结构及其光电探测器结构
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种稀土掺杂III-V族半导体结构及基于稀土掺杂III-V族半导体结构的光电探测器结构。
背景技术
近红外光是指电磁频谱中波长介于0.78-2.5 μm的电磁辐射，位于可见光和中红外光之间，在军事、遥感、通信、生命科学和宇宙探索等领域有着广泛应用。红外探测器根据工作原理可分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器尽管结构简单、成本低廉，但粗糙的探测精度限制了其应用。光子探测器的工作原理是，材料内部光电子跃迁使得电子能量状态重新分布，最终产生一个可观测的电信号输出。光子探测器根据结构不同可分为：光电二极管、超晶格探测器和量子阱探测器。分子束外延等技术可以对半导体材料进行精细的结构控制和能带调谐，使得复杂的超晶格探测器和量子阱探测器实现良好的探测能力，但是依赖于高端的制造设备和工艺技术，成本较高。Si基光电二极管易与电路集成，应用广泛，但在红外光谱区探测范围狭窄、响应度差。近几年来，人工智能、大数据、智慧城市等领域对红外信息的探测和智能感知提出了更高的要求，大幅降低红外光电探测器的尺寸、重量、功耗和价格以及提高探测性能等难题亟待解决。因此，为了满足上述需求，需要寻找具有变革性特征的红外探测器件。
由于稀土元素铒离子 (Er3+) 在1535 nm附近的特征发光处于光纤吸收光谱损耗的极小值窗口，与通讯波段良好兼容，近年来，掺铒光纤在光通讯领域得到广泛应用。当稀土元素Er掺入半导体材料时，会在禁带中引入带间能级。由于Er3+特殊的能级结构，处于基态 (4I15/2) 的Er3+能够吸收与通讯波段兼容的1535 nm波长光子跃迁至第一激发态(4I13/2)。激发态Er3+跃迁回基态时，经内部转移机制将能量传递给半导体基体，激发产生非平衡载流子被陷阱能级俘获形成束缚激子，进一步吸收入射光能量解离产生自由电子-空穴对，在外电场作用下定向移动形成光电流，进而实现对入射光的探测。此外，当Er掺杂浓度超过半导体材料溶解度极限时，会析出纳米尺度半金属颗粒。在量子限制效应作用下，半金属颗粒价带和导带之间的能带重叠打开。形成的亚带隙能够吸收近红外光子，从而实现对近红外光的探测。这种亚带隙光电转化能力使得稀土掺杂半导体材料受到越来越多的关注。
III-V族化合物半导体作为一种直接带隙材料，具有高的吸收系数，高的载流子迁移率。相较于间接带隙半导体材料中载流子的快速非辐射复合过程，III-V族化合物半导体展现出更为优异的光电特性。然而，由于其本征带隙限制，对能量低于带隙的入射光无响应能力，例如GaAs和InP，对于能量低于其带隙的近红外光尤其是光通讯波段 (1.31-1.55 μm) 没有吸收，从而无法应用于该波段的光电探测。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种稀土掺杂III-V族半导体结构，包括依次层叠设置的半导体衬底、N型掺杂半导体层、稀土掺杂III-V族半导体层和P型掺杂半导体层。
优选地，稀土掺杂III-V族半导体层中，稀土元素的掺杂浓度为1016-1021 cm-3。
优选地，稀土掺杂III-V族半导体层中的稀土元素包括Er、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb、Lu、Y或Sc中的一种或几种。
优选地，形成稀土掺杂III-V族半导体层的III-V族化合物中，IIIA族元素包括Al、Ga和In中的一种或多种，VA族元素包括P、As、Sb和Bi中的一种或多种。
优选地，N型掺杂半导体层为III-V族半导体层，掺杂源为Si或Te，掺杂浓度为1017-1019 cm-3。
优选地，P型掺杂半导体层为III-V族半导体层，掺杂源为Be或C，掺杂浓度为1017-1020 cm-3。
优选地，N型重掺杂半导体层的厚度为200-3000 nm，稀土掺杂III-V族半导体层的厚度为100-2000 nm，P型掺杂半导体层的厚度为100-1000 nm。
优选地，还包括设置在所述半导体衬底和所述N型掺杂半导体层之间的半导体缓冲层。
优选地，所述半导体缓冲层、N型半导体层、稀土掺杂III-V族半导体层和P型半导体层是采用外延法在所述半导体衬底上依次全外延生长得到的。
本发明还提供了一种光电探测器结构，包括稀土掺杂III-V族半导体结构，以及分别位于N型掺杂半导体层上表面的底部电极和位于P型掺杂半导体层上表面的顶部电极，其中，N型掺杂半导体层与底部电极形成N型欧姆接触，P型掺杂半导体层与所述顶部电极形成P型欧姆接触。
优选地，底部电极形状为环形电极，顶部电极形状包括圆形、方形和叉指型，电极厚度为50-200 nm。
优选地，光电探测器结构能够用作包括光通讯波段 (1.31-1.55 μm) 在内的可见-近红外多波段室温探测。
有益效果
本发明提供的一种稀土掺杂III-V族半导体结构用作光电探测器吸收层时，稀土离子在半导体禁带中引入带间能级。稀土离子能够吸收光注入能量，将其传递至半导体基体，激发产生的非平衡载流子被陷阱能级俘获形成束缚激子，进一步吸收能量解离形成自由电子-空穴对。此外，稀土元素与半导体基体形成的纳米尺度半金属颗粒在量子限制效应作用下，价带与导带之间的重叠逐渐打开，价带电子在入射光驱动下跃迁至导带形成自由电子空穴对，在外加电场作用下定向移动形成光电流，实现对入射光的探测。
因此，稀土掺杂III-V族半导体可以实现包括光通讯波段 (1.31-1.55 μm) 在内的可见-近红外多波段室温光电响应和探测。并且，通过控制稀土掺杂元素种类和浓度，可以实现对引入缺陷能级的位置，半金属颗粒尺寸，稀土掺杂III-V族半导体材料吸收系数和探测器探测性能的调控。
在本发明中，采用稀土掺杂III-V族半导体结构作为光电探测器吸收层，利用稀土离子在半导体禁带中形成的带间能级和量子限制效应引入的带隙打开，增强了本征III-V族半导体在可见-近红外范围尤其是光通讯波段的响应能力，提供了一种变革性的基于稀土掺杂III-V族半导体材料的室温可见-近红外光电探测器结构。
附图说明
图1是本发明中稀土掺杂III-V族半导体结构的示意图。
图2是本发明中基于稀土掺杂III-V族半导体结构的光电探测器结构示意图。
图3是本发明中基于稀土掺杂III-V族半导体结构的光电探测器结构俯视示意图。
图4 (a) 是根据本发明实施例1所制备的稀土掺杂III-V族半导体结构的示意图；(b) 是对应的X射线衍射图。
图5是本发明实施例1稀土掺杂III-V族半导体结构的透射电子显微镜图。
图6是本发明实施例1中稀土掺杂III-V族半导体结构室温下采用532 nm激光激发，在可见-近红外波段的光致发光光谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明提供一种稀土掺杂III-V族半导体结构，如图1所示，包括依次层叠设置的半导体衬底1、N型掺杂半导体层2、稀土掺杂III-V族半导体层3和P型掺杂半导体层4。稀土掺杂III-V族半导体层是将稀土元素掺杂到III-V族化合物中，从而形成掺杂半导体层。稀土元素的掺杂浓度为1016-1021 cm-3。该掺杂半导体层根据稀土元素的掺杂浓度不同可以形成两种掺杂效果：当稀土元素的掺杂浓度在1017 cm-3及以下时，稀土元素以原子或离子形式掺杂在III-V族半导体中提供可自由移动的载流子；当稀土元素的掺杂浓度在1018 cm-3及以上时，稀土元素与V族元素形成稳定的化合物并以纳米点、纳米线或纳米片等纳米结构的形式与III-V族半导体共格形成复合材料。
III-V族化合物半导体作为一种直接带隙材料，具有高的吸收系数，高的载流子迁移率，合适的禁带宽度。相较于间接带隙的半导体材料中载流子的快速非辐射复合过程，III-V族化合物半导体展现出更为优异的光电特性使其在光电子器件，包括激光器，光电探测器尤其是光通讯领域展现出广泛的应用前景。然而，由于其本征带隙限制，对能量低于带隙的光无响应能力，例如GaAs和InP，对于能量低于其带隙的近红外光尤其是光通讯波段(1.31-1.55 μm)没有吸收，从而无法应用于该波段的光电探测。在本发明中，掺杂的稀土离子或纳米结构在半导体禁带中引入新的带间能级，通过稀土离子吸收注入光能量，经内部能量转移机制传递给半导体基体，激发产生非平衡载流子，被缺陷能级俘获形成束缚激子，进一步吸收能量解离形成自由电子空穴对。另外，在量子限制效应作用下纳米尺度的半金属颗粒带隙重叠打开，价带电子在入射光驱动下跃迁至导带形成自由电子空穴对，在外加电场作用下定向移动形成光电流，实现对亚带隙入射光的响应和探测。同时，基于III-V族半导体亚带隙的光电子器件还具有低的暗电流密度，高的击穿电压等优势，可以获得更高的信噪比和灵敏度。
本发明对于半导体衬底1没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的半导体衬底即可，在本发明中，半导体衬底1优选如GaAs衬底或InP衬底。
在本发明中，稀土掺杂III-V族半导体层中的稀土元素包括Er、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb、Lu、Y或Sc中的一种或多种。优选地，稀土元素为Er、Gd或Sm。而形成稀土掺杂III-V族半导体层的III-V族化合物中，IIIA族元素包括Al、Ga和In中的一种或多种，VA族元素包括P、As、Sb和Bi中的一种或多种。优选地，III-V族化合物包括AlAs、AlSb、GaAs、GaSb、InAs和InSb，或者包括由至少两种这些化合物形成的多元化合物或数字合金，具体的，如所述多元化合物和数字合金的化学式可以为In1-x-yGaxAlyAs（0<x<1，0<y<1）或AlxGa1-xSb（0<x<1）。在本发明中，所述数字合金具体是指由若干种极薄的半导体层组成的超晶格，例如AlSb和GaSb，这两种材料以几个原子层的厚度交替设置，整体可以看作一种具有均匀组分的合金，若AlSb的厚度为a，GaSb的厚度为b，x=a/(a+b)，则其化学式为AlxGa1- xSb。
N型掺杂半导体层2即在本征半导体层基础上加入掺杂源，形成电子为多数载流子的N型半导体，其费米能级因掺杂而提高，与P型半导体一起实现器件结构的能带倾斜从而实现器件工作中偏压的调节。在本发明中，N型掺杂半导体层中的半导体优选III-V族半导体，而掺杂源为Si或Te。掺杂源的掺杂浓度为1017-1019 cm-3。
P型掺杂半导体层4即在本征半导体层基础上加入掺杂源，形成空穴为多数载流子的P型半导体，其费米能级因掺杂而降低，与N型半导体一起实现器件结构的能带倾斜从而实现器件工作中偏压的调节。当N型掺杂半导体层、稀土掺杂半导体层和P型掺杂半导体层依次叠加在一起的时候构成最基本的光电探测器件结构，其中稀土掺杂半导体层的主要功能是吸收待测光，光被吸收后产生激子即电子-空穴对，在N型半导体层和P型半导体层共同作用下能带倾斜，从而利于电子和空穴分别向N型和P型半导体层迁移，形成光电流，通过外加电压测量光电流，完成光电探测的整个过程。在本发明中，P型掺杂半导体层中的半导体优选III-V族半导体，而掺杂源为Be或C。掺杂源的掺杂浓度为1017-1020 cm-3。在本发明中，各层的厚度没有特殊限定，根据实际需要选择合适的厚度即可。优选地，N型掺杂半导体层的厚度为200-3000 nm，稀土掺杂III-V族半导体层的厚度为100-2000 nm，P型掺杂半导体层的厚度为100-1000 nm。
在本发明中，在半导体衬底1和N型掺杂半导体层2之间还可设置半导体缓冲层，可以有效改善生长过程中由脱氧所引入的表面粗糙度，获得原子级平整表面，进一步获得高质量外延薄膜，从而获得高质量的多层结构。半导体缓冲层一般采用与半导体衬底1材料相同的或者异质外延与衬底晶格常数相同的半导体材料，其厚度为20-200 nm。
在本发明中，半导体缓冲层、N型掺杂半导体层、稀土掺杂III-V族半导体层和P型半导体层是采用外延法在半导体衬底上依次全外延生长得到。本发明采用全外延的方法制备半导体结构，不需要借助其他镀膜技术也不需要样品转移，有利于提高半导体结构的界面质量。
在本发明中，对于制备半导体结构所用分子束外延法的具体操作方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。具体的，外延生长N型掺杂半导体层的温度为400-600℃，背景真空度为1×10-7-1×10-10 torr，生长速率为0.8-1.2 μm/h；外延生长稀土掺杂III-V族半导体层的温度为400-600℃，背景真空度为1×10-7-1×10-10 torr，半导体生长速率为0.8-1.2 μm/h，稀土源炉温度范围根据掺杂浓度设置在700-1500℃之间。外延生长P型掺杂半导体层的温度为400-600℃，背景真空度为1×10-7-1×10-10 torr，生长速率为0.8-1.2 μm/h。
本发明还提供了一种基于稀土掺杂III-V族半导体结构的光电探测器结构，如图2所示，包括上述半导体结构，以及分别位于N型掺杂半导体层上表面台面的底部电极和位于P型掺杂半导体层上表面的顶部电极。其中，N型掺杂半导体层与底部电极之间形成N型欧姆接触，P型掺杂半导体层与顶部电极之间形成P型欧姆接触。将稀土元素（如Er）与III-V族半导体，尤其是宽禁带的III-V族半导体结合起来，就可以利用宽禁带半导体材料能承受较高工作电压的优点，获得同时具有高的工作电压和亚带隙探测能力的光电材料，进而实现可室温工作的光电探测器件。而Er掺杂引入的多能级使得这类器件具有灵活的探测能力，可以覆盖从可见光到近红外多个波段的探测，其中包括应用更为广泛的通讯波段。加上III-V族半导体成熟的器件加工工艺，可以解决器件小型化和集成度的要求，实现基于稀土掺杂III-V族半导体的阵列探测和成像。
在本发明中，可采用光刻法刻蚀至N型掺杂半导体层形成台面结构，然后采用光刻法和电子束蒸镀工艺制备底部电极和顶部电极。
在本发明中，所用电极材料为钛和金或其他常用电极材料。底部电极形状为环形，顶部电极形状包括圆形、方形、叉指型等常用形状，如图3所示。电极层设置的厚度可根据实际需要进行调整，作为优选的技术方案，电极层厚度为50-200 nm。光电探测器能够实现包括通讯波段在内的室温可见-近红外多波段探测。本发明对于所述制备表面电极所用光刻和电子束蒸镀法的具体操作方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
实施例1：
(1) 对 (100) 晶面的GaAs衬底进行脱氧处理15 min，脱氧处理过程中，GaAs衬底的表面温度为600℃；
(2) 采用分子束外延法，580℃条件下在GaAs衬底上外延生长GaAs缓冲层，厚度为20-100 nm，生长速率为1 μm/h。该缓冲层目的为平滑衬底表面；
(3) 在背景真空度为1×10-7-1×10-8 torr、580℃条件下，采用分子束外延法在GaAs缓冲层上外延生长N型掺杂GaAs层，掺杂源为Si，即Si:GaAs层，掺杂源的含量为5×1018cm-3，生长速率为1 μm/h，厚度为200 nm；
(3) 在背景真空度为1×10-7-1× 10-8 torr、580℃条件下，采用分子束外延法在N型掺杂GaAs层上外延生长Er掺杂GaAs层，厚度为1 μm，生长速率为1 μm/h，Er掺杂源炉温度为1200℃，掺杂为共沉积模式，即同时打开Er、Ga和As源炉的挡板；
(4) 采用分子束外延法，背景真空度为1×10-7-1× 10-8 torr、580℃条件下，在Er掺杂GaAs层上外延生长P型掺杂GaAs层，掺杂源为Be，即Be:GaAs层，掺杂源的含量为2×1019 cm-3，生长速率为1 μm/h，厚度为100 nm。
稀土掺杂III-V族半导体结构作为光电探测器件光敏层，晶体质量直接影响器件探测性能。图4 (a)是本发明实施例1中稀土掺杂III-V族半导体结构的示意图，图4 (b) 是对应的X射线衍射图。Er元素掺杂到GaAs中时，与As元素形成ErAs纳米颗粒，分布在GaAs半导体层中，且ErAs与GaAs共格存在不影响整体晶体质量。由图4 (b) 可知，Er掺杂GaAs层为高质量的单晶薄膜，且晶向与GaAs薄膜以及GaAs衬底保持一致。
图5是Er掺杂GaAs层透射电子显微镜图。由图5可知，Er掺杂GaAs层在N型掺杂GaAs层上的外延质量良好，界面处连续无缺陷。Er原子的掺杂比例为13 vol%（掺杂浓度约为1×1021 cm-3），在GaAs层中，ErAs形成纳米级近似球形颗粒，分布均匀。
图6是本发明实施例1中Er掺杂GaAs层的光致发光光谱。从图6可知，室温下采用532 nm激光激发，分别在382 nm, 409 nm, 549 nm, 659 nm, 800 nm, 855 nm, 980 nm,1320 nm和1535 nm处观察到PL发光峰，分别属于Er3+不同激发态能级跃迁至基态时的发光。随着Er掺杂浓度升高，发光强度逐渐增强，峰位保持不变。
实施例2：
(1) 对 (100) 晶面的InP衬底进行脱氧处理15 min，脱氧处理过程中，InP衬底的表面温度为540℃；
(2) 在背景真空度为1×10-7-1× 10-8 torr、490℃条件下，采用分子束外延法在InP衬底外延生长N型掺杂In0.52Al0.48As层，掺杂源为Si，掺杂源的含量为2×1018 cm-3，生长速率为1 μm/h，厚度为200 nm；
(3) 在背景真空度为1×10-7-1×10-8 torr、490℃条件下，采用分子束外延法在N型掺杂In0.52Al0.48As层上外延生长Er掺杂In0.52Al0.48As层，Er掺杂源炉温度为1100℃，Er原子的掺杂比例约为3 vol%（掺杂浓度约为1×1020 cm-3），掺杂为共沉积模式，即同时打开Er、In、Al和As源炉的挡板，厚度为1500 nm，生长速率为1 μm/h；
(4) 采用分子束外延法，背景真空度为1×10-7-1×10-8 torr、490℃条件下，在所述Er掺杂In0.52Al0.48As层上外延生长P型掺杂层，掺杂源为Be，掺杂源的含量为1×1018 cm-3，生长速率为1 μm/h；
(5) 采用光刻法确定电极位置，刻蚀至N型掺杂半导体层，形成台面结构。采用电子束蒸镀法分别在N型掺杂半导体层台面处制备底部电极和P型掺杂半导体层上表面制备顶部电极，电极材料为Ti和Au。电极与半导体层之间形成欧姆接触，钛和金的厚度分别为10nm和200 nm，电极形状如图3所示。
本实施例制备的基于稀土掺杂III-V族半导体材料的光电探测器结构，可实现包括光通讯波段 (1.31-1.55 μm) 在内的室温可见-近红外多波段探测，可实现高灵敏度、高响应速度、低噪声等优良探测性能。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种稀土掺杂III-V族半导体结构，其特征在于，包括依次层叠设置的半导体衬底、N型掺杂半导体层、稀土掺杂III-V族半导体层和P型掺杂半导体层。
2.根据权利要求1所述的稀土掺杂III-V族半导体结构，其特征在于，所述稀土掺杂III-V族半导体层中，稀土元素的掺杂浓度为1016-1021 cm-3。
3.根据权利要求1所述的稀土掺杂III-V族半导体结构，其特征在于，所述稀土掺杂III-V族半导体层中的稀土元素包括Er、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb、Lu、Y或Sc中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的稀土掺杂III-V族半导体结构，其特征在于，形成所述稀土掺杂III-V族半导体层的III-V族化合物中，IIIA族元素包括Al、Ga和In中的一种或多种，VA族元素包括P、As、Sb和Bi中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的稀土掺杂III-V族半导体结构，其特征在于，所述N型掺杂半导体层为III-V族半导体层，掺杂源为Si或Te，掺杂浓度为1017-1019 cm-3。
6.根据权利要求1所述的稀土掺杂III-V族半导体结构，其特征在于，所述P型掺杂半导体层为III-V族半导体层，掺杂源为Be或C，掺杂浓度为1017-1020 cm-3。
7.根据权利要求1所述的稀土掺杂III-V族半导体结构，其特征在于，所述N型掺杂半导体层的厚度为200-3000 nm，所述稀土掺杂III-V族半导体层的厚度为100-2000 nm，所述P型掺杂半导体层的厚度为100-1000 nm。
8.根据权利要求1所述的稀土掺杂III-V族半导体结构，其特征在于，还包括设置在所述半导体衬底和所述N型掺杂半导体层之间的半导体缓冲层。
9.根据权利要求8所述的稀土掺杂III-V族半导体结构，其特征在于，所述半导体缓冲层、所述N型半导体层、所述稀土掺杂III-V族半导体层和所述P型半导体层是采用外延法在所述半导体衬底上依次全外延生长得到的。
10.一种光电探测器结构，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的稀土掺杂III-V族半导体结构，以及分别位于所述N型掺杂半导体层上表面台面的底部电极和位于P型掺杂半导体层上表面的顶部电极，其中，所述N型掺杂半导体层与所述底部电极形成N型欧姆接触，所述P型掺杂半导体层与所述顶部电极形成P型欧姆接触。
11.根据权利要求10所述的光电探测器结构，其特征在于，所述底部电极为环形电极，顶部电极形状包括圆形、方形和叉指型，电极厚度为50-200 nm。
12.根据权利要求10所述的光电探测器结构，其特征在于，所述光电探测器结构能够用作包括光通讯波段 (1.31-1.55 μm) 在内的可见-近红外多波段室温探测。
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