CN115132874A - 一种新型的长波红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种新型的长波红外探测器，涉及半导体领域。本申请是一种基于平面结构的pπMp型锑化物二类超晶格红外探测器的新型结构，InAs/GaSb超晶格结构作为接触层和吸收层，InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格结构作为势垒层，所述接触层、所述吸收层和所述势垒层均为p型区域。本申请对势垒层材料进行了筛选，并对器件各层进行优化，在保证量子效率的前提下有效抑制了暗电流水平，保证了器件的工作性能。本申请含有T2SL结构体系可以采用分子束外延和金属有机物化学沉积等外延生长工具制备，制备工艺简单。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种新型的长波红外探测器及其制备方法。
背景技术
从第二次世界大战开始，军事装备应用的迫切需求极大地促进了红外探测器技术的发展，红外焦平面探测器在各类军用及民用红外成像系统中发挥着关键的作用，如夜视侦查、战略预警、目标识别与跟踪、医疗诊断、气象预告等。目前碲镉汞探测器(HgCdTe,MCT)已经发展出第四代，量子阱红外探测器(QWIP)和II类超晶格(T2SL)红外探测器正向第四代发展。随着军事技术对抗快速发展的需要及民用红外设备的普及，高性能红外探测材料是发展高性能红外成像系统的关键。近年来发展起来的锑化物T2SL材料基于成熟的III-V族半导体材料生长技术及器件工艺，避免了MCT材料生长困难及高成本的缺点，且拥有接近HgCdTe探测器的量子效率及宽谱响应等一系列优点，成为替代HgCdTe及量子阱红外探测器的最优选材料。
在红外焦平面探测系统中，暗电流水平是衡量器件性能的重要参数之一。在超晶格红外探测器中，主要的暗电流机制有扩散电流、产生复合电流、直接隧穿电流和陷阱辅助隧穿电流。寻找一种适当的势垒层结构材料，可以有效降低器件的暗电流水平，提升探测器工作性能。
发明内容
本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种新型的长波红外探测器，是一种新型锑化物二类超晶格红外探测器结构，其整体结构为pπMp结构，至少包括接触层、吸收层和势垒层，其中，InAs/GaSb超晶格结构作为接触层和吸收层，InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格结构作为势垒层，所述接触层、所述吸收层和所述势垒层均为p型区域。
可选地，所述接触层和所述吸收层中的InAs/GaSb材料通过控制InAs和GaSb的厚度有效控制其禁带宽度，使得波长范围可覆盖长波范围。
可选地，所述势垒层中的InAs/GaSb/AlSb/GaSb材料通过控制InAs、GaSb和AlSb的厚度有效控制其禁带宽度，保证其带隙较大能起到阻碍多数载流子移动的作用。
可选地，采用以InAs/GaSb超晶格结构作为接触层，需要一定的外加偏压才能开始少数载流子的收集。
可选地，所述InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格结构通过在GaSb层中间插入AlSb层形成M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb势垒结构。
可选地，所述pπMp结构均掺杂Be元素，其中，所述吸收层为弱掺杂，掺杂浓度为1×1016cm-3；所述接触层为重掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3；所述势垒层介于所述吸收层和所述接触层之间，掺杂浓度为1×1015cm-3。
可选地，所述新型的长波红外探测器包括沿设定方向依次分布的GaSb衬底、GaSb缓冲层、InAs/GaSb超晶格下接触层、InAs/GaSb超晶格吸收层、InAs/GaSb/AlSb/GaSb M型超晶格势垒层和InAs/GaSb超晶格上接触层。
根据本申请的另一个方面，提供了一种制备所述新型的长波红外探测器的方法，其特征在于，按照下述步骤进行操作：
步骤100，在GaSb衬底上生长GaSb缓冲层，p型掺杂；
步骤200，在缓冲层上生长超晶格结构作下接触层，p型掺杂，该超晶格结构为13MLInAs/7ML GaSb；
步骤300，在下接触层上生长超晶格结构作吸收层，p型掺杂，该超晶格结构为13MLInAs/7ML GaSb；
步骤400，在吸收层上生长超晶格结构作为势垒层，p型掺杂，该超晶格结构为6MLInAs/3ML GaSb/5ML AlSb/3ML GaSb；
步骤500，在势垒层上生长超晶格结构作上接触层，p型掺杂，该超晶格结构为13MLInAs/7ML GaSb；
步骤600，电极对应在下接触层与缓冲层之间，以及上接触层上方进行安装。
可选地，所述步骤100中，在GaSb衬底上生长200nm GaSb缓冲层，掺杂浓度为1×1018cm-3；
所述步骤200中，在缓冲层上生长500nm超晶格结构作下接触层，掺杂浓度为1×1018cm-3；
所述步骤300中，在下接触层上生长2400nm超晶格结构作吸收层，掺杂浓度为1×1016cm-3；
所述步骤400中，在吸收层上生长800nm超晶格结构作为势垒层，掺杂浓度为1×1015cm-3；
所述步骤500中，在势垒层上生长500nm超晶格结构作上接触层，掺杂浓度为1×1018cm-3。
本申请的新型的长波红外探测器，是一种基于平面结构的pπMp型锑化物二类超晶格红外探测器的新型结构，InAs/GaSb超晶格结构作为接触层和吸收层，InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格结构作为势垒层，所述接触层、所述吸收层和所述势垒层均为p型区域。本申请对势垒层材料进行了筛选，并对器件各层进行优化，在保证量子效率的前提下有效抑制了暗电流水平，保证了器件的工作性能。本申请含有T2SL结构体系可以采用分子束外延和金属有机物化学沉积等外延生长工具制备，制备工艺简单。
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本申请一个实施例的一种新型的长波红外探测器的外延结构示意图；
图2是本申请一种新型的长波红外探测器的示意性能带图；
图3是在77K条件下，对本申请的下接触层施加-0.2V的偏压，优化前及优化后的暗电流水平及量子效率图。
图1中各符号表示含义如下：
1-InAs/GaSb超晶格上接触层；
2-InAs/GaSb/AlSb/GaSb M型超晶格势垒层；
3-InAs/GaSb超晶格吸收层；
4-InAs/GaSb超晶格下接触层；
5-GaSb缓冲层；
6-GaSb衬底。
具体实施方式
图1是根据本申请一个实施例的一种新型的长波红外探测器的外延结构示意图。
参见图1，本实施例提供了一种新型的长波红外探测器，是一种新型锑化物二类超晶格红外探测器结构，其整体结构为pπMp结构，至少包括接触层、吸收层和势垒层。其中，InAs/GaSb超晶格结构作为接触层和吸收层，InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格结构作为势垒层，所述接触层、所述吸收层和所述势垒层均为p型区域。
对于势垒层Barrier，通过在GaSb层中间插入AlSb层形成M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb势垒结构，并通过控制InAs、GaSb和AlSb的厚度使得器件性能达到最优。对于两端的接触层，选择p型重掺杂以保证少子类型。
更具体地，所述接触层和所述吸收层中的InAs/GaSb材料通过控制InAs和GaSb的厚度有效控制其禁带宽度，使得波长范围可覆盖长波范围。
更具体地，所述势垒层中的InAs/GaSb/AlSb/GaSb材料通过控制InAs、GaSb和AlSb的厚度有效控制其禁带宽度，保证其带隙较大能起到阻碍多数载流子移动的作用。
本申请的新型的长波红外探测器，是一种基于平面结构的pπMp型锑化物二类超晶格红外探测器的新型结构。本申请对势垒层材料进行了筛选，并对器件各层进行掺杂、厚度等参数水平进行优化，在保证量子效率的前提下有效抑制了暗电流水平，保证了器件的工作性能。
更具体地，整个pπMp结构均掺杂Be元素，其中，所述吸收层为弱掺杂，掺杂浓度为1×1016cm-3；所述接触层为重掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3；所述势垒层介于所述吸收层和所述接触层之间，掺杂浓度为1×1015cm-3。本申请主要针对势垒层材料进行筛选和优化，确保选取得到的势垒层材料可以在价带形成较大的空穴势垒的同时，器件具有较高的量子效率。
本实施例中，如图1所示，所述新型的长波红外探测器包括沿设定方向依次分布的GaSb衬底1、GaSb缓冲层2、InAs/GaSb超晶格下接触层3、InAs/GaSb超晶格吸收层4、InAs/GaSb/AlSb/GaSb M型超晶格势垒层5和InAs/GaSb超晶格上接触层6。
图2是本申请一种新型的长波红外探测器的示意性能带图。图2可以清楚的看到，势垒区在价带形成了一个很高的空穴势垒，分割了上接触层和吸收层，阻碍了上接触层注入的多数空穴扩散进入吸收层，避免了其对吸收层光激发过程的影响。同时，势垒区的导带也存在势垒，该势垒是由吸收区和势垒区同型掺杂引起的，两个区域掺杂浓度的差异大小会影响导带势垒的大小。由于吸收层和上接触层为同种超晶格材料，该导带势垒的存在起到了一定的阻碍作用，故在低偏压条件下暗电流密度很小。
虽然在较低的偏压下暗电流性质较好，但此时的光生载流子无法克服势垒被电极收集。该结构只有在达到开启电压才能正常收集光生载流子，这与导带势垒的高度有关，因此该势垒高度不宜过高。本申请所给的势垒层材料的导带势垒高度约为0.2eV，因此只需在-0.2V的偏压下便可收集到较高的光生载流子，大幅降低了器件的工艺要求。所以，本实施例中采用以InAs/GaSb超晶格结构作为接触层时，需要一定的外加偏压才能开始少数载流子的收集。
图3是在77K条件下，对本申请的下接触层施加-0.2V的偏压，优化前及优化后的暗电流水平及量子效率图。理论计算表明，在77K条件下，对器件下接触层施加-0.2V的偏压，优化前，该结构的暗电流密度在10-3～10-2A/cm2，量子效率峰值低于30％；优化后，相同条件下该结构的暗电流密度大小可维持在10-5A/cm2，量子效率峰值可达到42％，在维持较低的暗电流水平的同时，确保了较高的量子效率。
本实施例还提供了制备新型的长波红外探测器的方法，所述含有T2SL结构体系可以采用分子束外延和金属有机物化学沉积等外延生长工具制备。
下面以图1所示的新型的长波红外探测器的制备方法为例，加以说明：按照下述步骤进行操作，
步骤100，在GaSb衬底1上生长200nm GaSb缓冲层2，p型掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3；
步骤200，在缓冲层2上生长500nm超晶格结构作下接触层3，p型掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3，该超晶格结构为13ML InAs/7ML GaSb；
步骤300，在下接触层3上生长2400nm超晶格结构作吸收层4，p型掺杂，掺杂浓度为1×1016cm-3，该超晶格结构为13ML InAs/7ML GaSb；
步骤400，在吸收层4上生长800nm超晶格结构作为势垒层5，p型掺杂，掺杂浓度为1×1015cm-3，该超晶格结构为6ML InAs/3ML GaSb/5ML AlSb/3ML GaSb；
步骤500，在势垒层5上生长500nm超晶格结构作上接触层6，p型掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3，该超晶格结构为13ML InAs/7ML GaSb；
步骤600，电极包括下电极和上电极，下电极可在下接触层3与缓冲层2之间进行安装，上电极在上接触层上方进行安装。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种新型的长波红外探测器，其特征在于，是一种新型锑化物二类超晶格红外探测器结构，其整体结构为pπMp结构，至少包括接触层、吸收层和势垒层，其中，InAs/GaSb超晶格结构作为接触层和吸收层，InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格结构作为势垒层，所述接触层、所述吸收层和所述势垒层均为p型区域。
2.根据权利要求1所述新型的长波红外探测器，其特征在于，所述接触层和所述吸收层中的InAs/GaSb材料通过控制InAs和GaSb的厚度有效控制其禁带宽度，使得波长范围可覆盖长波范围。
3.根据权利要求1所述新型的长波红外探测器，其特征在于，所述势垒层中的InAs/GaSb/AlSb/GaSb材料通过控制InAs、GaSb和AlSb的厚度有效控制其禁带宽度，保证其带隙较大能起到阻碍多数载流子移动的作用。
4.根据权利要求1所述新型的长波红外探测器，其特征在于，采用以InAs/GaSb超晶格结构作为接触层，需要一定的外加偏压才能开始少数载流子的收集。
5.根据权利要求1所述新型的长波红外探测器，其特征在于，所述InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格结构通过在GaSb层中间插入AlSb层形成M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb势垒结构。
6.根据权利要求1所述新型的长波红外探测器，其特征在于，所述pπMp结构均掺杂Be元素，其中，所述吸收层为弱掺杂，掺杂浓度为1×1016cm-3；所述接触层为重掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3；所述势垒层介于所述吸收层和所述接触层之间，掺杂浓度为1×1015cm-3。
7.根据权利要求1-6中任一项所述新型的长波红外探测器，其特征在于，其包括沿设定方向依次分布的GaSb衬底、GaSb缓冲层、InAs/GaSb超晶格下接触层、InAs/GaSb超晶格吸收层、InAs/GaSb/AlSb/GaSb M型超晶格势垒层和InAs/GaSb超晶格上接触层。
8.一种制备根据权利要求7所述新型的长波红外探测器的方法，其特征在于，按照下述步骤进行操作：
步骤100，在GaSb衬底上生长GaSb缓冲层，p型掺杂；
步骤200，在缓冲层上生长超晶格结构作下接触层，p型掺杂，该超晶格结构为13MLInAs/7ML GaSb；
步骤300，在下接触层上生长超晶格结构作吸收层，p型掺杂，该超晶格结构为13MLInAs/7ML GaSb；
步骤400，在吸收层上生长超晶格结构作为势垒层，p型掺杂，该超晶格结构为6MLInAs/3ML GaSb/5ML AlSb/3ML GaSb；
步骤500，在势垒层上生长超晶格结构作上接触层，p型掺杂，该超晶格结构为13MLInAs/7ML GaSb；
步骤600，电极对应在下接触层与缓冲层之间，以及上接触层上方进行安装。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，
所述步骤100中，在GaSb衬底上生长200nm GaSb缓冲层，掺杂浓度为1×1018cm-3；
所述步骤200中，在缓冲层上生长500nm超晶格结构作下接触层，掺杂浓度为1×1018cm-3；
所述步骤300中，在下接触层上生长2400nm超晶格结构作吸收层，掺杂浓度为1×1016cm-3；
所述步骤400中，在吸收层上生长800nm超晶格结构作为势垒层，掺杂浓度为1×1015cm-3；
所述步骤500中，在势垒层上生长500nm超晶格结构作上接触层，掺杂浓度为1×1018cm-3。
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