CN115692537A - 一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器 - Google Patents
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Abstract
一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，包括GaSb衬底、GaSb缓冲层、外延薄膜、上电极、下电极、钝化层，外延薄膜包括下接触层、短波红外吸收层、中波红外吸收层、势垒层、上接触层，能够解决现有双色红外探测器暗电流高、探测性能低的问题，通过将InAs/InAsSb超晶格与本发明的能带结构结合起来，可实现低暗电流、高探测率的双色红外探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，属于半导体光电子器件技术领域。
背景技术
从伪装、干扰等复杂背景环境中有效地识别被测目标，是未来战场监视、情报侦察、空间预警领域的一个重要课题。双色红外探测对于提高目标的探测识别能力，以及实现探测系统智能化和小型化均具有极其重要的意义。
传统的双色红外探测技术大多依赖于光学系统分光的两个独立单色成像器件完成，这样就使得红外探测系统复杂度高、体积大、功耗大以及可靠性降低。因此在提高目标识别能力和降低红外探测系统复杂度、体积、功耗以及提高可靠性等需求驱动下，发展双色红外探测器是必然选择。
目前主流双色红外探测器是碲镉汞红外探测器、QWIP、II类超晶格红外探测器。但是，大面积、高均匀性碲镉汞材料的制备一直是未攻克的难题。QWIP 的局限性在于暗电流高且量子效率低。InAs/GaSb II类超晶格材料的问题在于，含有Ga缺陷，此类缺陷引入Shockley-Read-Hall缺陷能级，降低少子寿命。 InAs/InAsSb II类超晶格材料的优势在于：1)容易通过MBE外延出大面积、高均匀性的材料；2)暗电流低且量子效率高，理论性能超过碲镉汞探测器；3) 不存在Ga缺陷，少子寿命高。
目前主流双色红外探测器是基于“PIN-NIP”或“NIBIN”能带结构。“PIN-NIP”和“NIBIN”双色探测器的台面需刻蚀到下接触层，因此吸收层被刻穿。吸收层侧壁的悬挂键和氧化物形成漏电通道，导致器件暗电流增大和探测性能降低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，主流双色红外探测器采用的能带结构导致吸收层需要被刻穿、容易漏电、器件暗电流增大和探测性能降低的问题，提出了一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，包括GaSb衬底、GaSb缓冲层、外延薄膜、上电极、下电极、钝化层，所述 GaSb缓冲层设置于GaSb衬底上，于GaSb缓冲层上生长外延薄膜，外延薄膜包括下接触层、短波红外吸收层、中波红外吸收层、势垒层、上接触层，所述下接触层设置于GaSb缓冲层上，以外延薄膜为基础进行刻蚀，确定有效像元区，并于有效像元区之外，刻蚀到下接触层，裸露的下接触层区域沉积有下电极，下电极与下接触层形成欧姆接触，于有效像元区之内，像元之间的间隙区域刻蚀到势垒层，形成像元台面，台面顶端的上接触层上沉积有上电极，上电极与上接触层形成欧姆接触。
以外延薄膜为基础刻蚀台面，仅刻蚀至势垒层，刻蚀台面区域为有效像元区。
所述裸露的下接触层区域为有效像元区之外通过刻蚀做出沟槽，下电极沉积于沟槽上。
所述外延薄膜中，包括下接触层、短波红外吸收层、中波红外吸收层、势垒层、上接触层，具体为：n型InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格下接触层、弱n 型InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格短波红外吸收层、弱n型InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层、AlAsSb电子势垒层、n型InAs/InAsSb超晶格上接触层。
所述GaSb衬底为(001)方向的n型GaSb衬底。
所述GaSb缓冲层为n型GaSb缓冲层，外延厚度为0.6～1μm，采用Si 材料进行n型掺杂，掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
n型InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格下接触层由周期性的1.3nm InAs/0.6nmAlAs/1.3nm InAs/1.6nm InAs0.48Sb0.52组成，总厚度为250nm～600nm，InAs层掺杂元素为Si材料，掺杂浓度为1～5×1017cm-3。
弱n型InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格短波红外吸收层由周期性的1.3nm InAs/0.6nm AlAs/1.3nm InAs/1.6nm InAs0.48Sb0.52组成，总厚度为2μm～3μm， InAs层掺杂元素为Si材料，掺杂浓度为1～10×1014cm-3。
弱n型InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层由周期性的2.1nm InAs/1.6nmInAs0.48Sb0.52组成，总厚度为2μm～3μm，InAs层掺杂元素为Si材料，掺杂浓度为1～10×1014cm-3。
AlAsSb电子势垒层是AlAs0.1Sb0.9体材料，不掺杂，厚度为150nm～200nm。
n型InAs/InAsSb超晶格上接触层周期性的2.1nm InAs/1.6nm InAs0.48Sb0.52组成，总厚度为250nm～300nm，InAs层掺杂元素为Si材料，掺杂浓度为1～5×1017cm-3。
还包括钝化层，包覆设计于除上电极、下电极外的其他部分，钝化层为SiO2薄膜，厚度为300nm～800nm。
所述上电极、下电极为Ti/Pt/Au金属层，厚度分别为50nm/50nm/300nm。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，具有高均匀性、大面阵、高探测性能的优点。本发明采用的超晶格材料具有均匀性更高、面积更大的优点，比传统碲镉汞材料更适合做大面阵的焦平面双色红外探测器；本发明采用的InAs/InAsSb II类超晶格材料无Ga 缺陷、载流子寿命高，探测性能比双色QWIP或双色InAs/GaSb II类超晶格探测器高；本发明的像元台面只需刻蚀到势垒层，既不会对吸收层造成刻蚀损伤，也解决了吸收层侧壁漏电通道的问题，降低暗电流，提高探测性能。
附图说明
图1为发明提供的势垒型短中波双色红外探测器结构示意图；
具体实施方式
一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，能够解决现有双色红外探测器暗电流高、探测性能低的问题，通过将 InAs/InAsSb超晶格与本发明的能带结构结合起来，可实现低暗电流、高探测率的双色红外探测，红外探测器的具体结构如下：
包括GaSb衬底、GaSb缓冲层、外延薄膜、上电极、下电极、钝化层，所述GaSb缓冲层设置于GaSb衬底上，于GaSb缓冲层上生长外延薄膜，外延薄膜包括下接触层、短波红外吸收层、中波红外吸收层、势垒层、上接触层，所述下接触层设置于GaSb缓冲层上。
以外延薄膜为基础刻蚀台面，仅刻蚀至势垒层，刻蚀台面区域为有效像元区，台面顶端的上接触层上沉积有上电极；裸露的下接触层区域为有效像元区之外的区域，是通过刻蚀到下接触层而做出的沟槽，下电极沉积于沟槽上。
下面结合说明书附图及优选实施例进行进一步说明：
在当前实施例中，如图1所示，为基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，包括GaSb衬底8、GaSb缓冲层7、外延薄膜、钝化层11、金属上电极9和金属下电极10。像元的台面只需刻蚀到势垒层3。在台面上沉积上电极，上电极与上接触层2形成欧姆接触。在有效像元区之外的区域，刻蚀到下接触层6，做出沟槽。在沟槽上沉积下电极，下电极与下接触层形成欧姆接触。外延薄膜由下至上分别为n型InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格下接触层6、弱n型InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格短波红外吸收层5、弱 n型InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层4、未掺杂的AlAsSb电子势垒层3、 n型InAs/InAsSb超晶格上接触层2。
GaSb衬底采用(001)方向的n型GaSb衬底。
n型GaSb缓冲层的外延厚度为0.6～1μm，采用Si进行n型掺杂，掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
n型InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格下接触层由周期性的1.3nm InAs/0.6nmAlAs/1.3nm InAs/1.6nm InAs0.48Sb0.52组成，总厚度为 250nm～600nm。InAs层掺杂元素Si，Si掺杂浓度为1～5×1017cm-3。
弱n型InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格短波红外吸收层由周期性的1.3nm InAs/0.6nm AlAs/1.3nm InAs/1.6nm InAs0.48Sb0.52组成，总厚度为2μm～3μm。 InAs层掺杂元素Si，Si掺杂浓度为1～10×1014cm-3。
弱n型InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层由周期性的2.1nm InAs/1.6nmInAs0.48Sb0.52组成，总厚度为2μm～3μm。InAs层掺杂元素Si，Si掺杂浓度为 1～10×1014cm-3。
未掺杂的AlAsSb电子势垒层是AlAs0.1Sb0.9体材料，厚度为150nm～200nm。
n型InAs/InAsSb超晶格上接触层周期性的2.1nm InAs/1.6nm InAs0.48Sb0.52组成，总厚度为250nm～300nm。InAs层掺杂元素Si，Si掺杂浓度为1～5×1017cm-3。
钝化层是SiO2薄膜，厚度为300nm～800nm。
金属电极是Ti/Pt/Au金属层，厚度分别为50nm/50nm/300nm。
在外延薄膜生长完成后，器件的制备方法如下：使用标准光刻技术和ICP 干法刻蚀制作台面和沟槽；采用PECVD沉积SiO2薄膜进行钝化。通过标准光刻技术和ICP干法刻蚀在钝化层上开电极窗口；采用电子束蒸发或磁控溅射在台面和沟槽上沉积Ti/Pt/Au电极。这样就完成了单元红外探测器的制作。
短波红外吸收层的电子能级与空穴能级之间的能量差对应短波红外光子能量。下接触层的材料能带结构与短波红外吸收层相同，但是掺杂浓度不同。中波红外吸收层的电子能级与空穴能级之间的能量差对应中波红外光子能量。上接触层的材料能带结构与中波红外吸收层相同，但是掺杂浓度不同。势垒层价带、短波红外吸收层空穴能级和中波红外吸收层空穴能级之间没有能量差，保证光生空穴可以无阻碍地输运到上接触层。势垒层与其它层有较大的电子势垒 (＞1eV),有效抑制电子隧穿暗电流。
InAs/GaSb超晶格材料含有本征Ga缺陷，此类缺陷引入 Shockley-Read-Hall(SRH)缺陷能级，降低了少子寿命(文献报道～100ns)。本发明中，吸收区采用InAs/InAsSb超晶格或者InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格，避免了本征Ga缺陷降低载流子寿命的问题，有效抑制产生-复合暗电流。
如图1所示，像元台面只需刻蚀到势垒层，不刻蚀吸收层。其优势在于：一是降低刻蚀和钝化工艺难度；二是吸收层上不会形成悬挂键、氧化物等漏电通道，有效降低表面漏电流。
本实施例中，通过调节器件偏压实现双色波段探测功能。小偏压(例如0V) 下，短波与中波吸收层之间的电子势垒阻止中波吸收层的光生电子输运，中波吸收层的光生电子与光生空穴在原地进行复合，无法形成有效光电流。小偏压下，器件只对短波红外光子响应。大偏压(例如-1V)下，提高了中波吸收层电子能级，中波光生电子可越过短波与中波吸收层之间的电子势垒进行输运，形成有效光电流。大偏压下，器件对短波和中波红外光子响应。在成像应用时，可通过加滤光片来区分谱段。
通过上述结构的探测器件，通过偏压调制，可分别得到短波和中波双色响应信号。本发明中，通过下接触层-短波吸收层-中波吸收层-势垒层-上接触层的材料结构，利用势垒层价带、短波红外吸收层空穴能级和中波红外吸收层空穴能级之间没有能量差的能带排布方式，选取了2.1nm InAs/1.6nm InAs0.48Sb0.52超晶格的中波吸收层的材料结构及1.3nmInAs/0.6nm AlAs/1.3nm InAs/1.6nm InAs0.48Sb0.52超晶格的短波吸收层的材料结构，实现低暗电流、高探测率的双色红外探测。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (13)
1.一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
包括GaSb衬底、GaSb缓冲层、外延薄膜、上电极、下电极、钝化层，所述GaSb缓冲层设置于GaSb衬底上，于GaSb缓冲层上生长外延薄膜，外延薄膜包括下接触层、短波红外吸收层、中波红外吸收层、势垒层、上接触层，所述下接触层设置于GaSb缓冲层上，以外延薄膜为基础进行刻蚀，确定有效像元区，并于有效像元区之外，刻蚀到下接触层，裸露的下接触层区域沉积有下电极，下电极与下接触层形成欧姆接触，于有效像元区之内，像元之间的间隙区域刻蚀到势垒层，形成像元台面，台面顶端的上接触层上沉积有上电极，上电极与上接触层形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
以外延薄膜为基础刻蚀台面，仅刻蚀至势垒层，刻蚀台面区域为有效像元区。
3.根据权利要求2所述的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
所述裸露的下接触层区域为有效像元区之外通过刻蚀做出沟槽，下电极沉积于沟槽上。
4.根据权利要求3所述的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
所述外延薄膜中，包括下接触层、短波红外吸收层、中波红外吸收层、势垒层、上接触层，具体为：n型InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格下接触层、弱n型InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格短波红外吸收层、弱n型InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层、AlAsSb电子势垒层、n型InAs/InAsSb超晶格上接触层。
5.根据权利要求4所述的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
所述GaSb衬底为(001)方向的n型GaSb衬底。
6.根据权利要求5所述的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
所述GaSb缓冲层为n型GaSb缓冲层，外延厚度为0.6～1μm，采用Si材料进行n型掺杂，掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
7.根据权利要求6所述的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
n型InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格下接触层由周期性的1.3nm InAs/0.6nm AlAs/1.3nm InAs/1.6nm InAs0.48Sb0.52组成，总厚度为250nm～600nm，InAs层掺杂元素为Si材料，掺杂浓度为1～5×1017cm-3。
8.根据权利要求7所述的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
弱n型InAs/AlAs/InAs/InAsSb超晶格短波红外吸收层由周期性的1.3nm InAs/0.6nmAlAs/1.3nm InAs/1.6nm InAs0.48Sb0.52组成，总厚度为2μm～3μm，InAs层掺杂元素为Si材料，掺杂浓度为1～10×1014cm-3。
9.根据权利要求8所述的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
弱n型InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层由周期性的2.1nm InAs/1.6nmInAs0.48Sb0.52组成，总厚度为2μm～3μm，InAs层掺杂元素为Si材料，掺杂浓度为1～10×1014cm-3。
10.根据权利要求9所述的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
AlAsSb电子势垒层是AlAs0.1Sb0.9体材料，不掺杂，厚度为150nm～200nm。
11.根据权利要求10所述的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
n型InAs/InAsSb超晶格上接触层周期性的2.1nm InAs/1.6nm InAs0.48Sb0.52组成，总厚度为250nm～300nm，InAs层掺杂元素为Si材料，掺杂浓度为1～5×1017cm-3。
12.根据权利要求1所述的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
还包括钝化层，包覆设计于除上电极、下电极外的其他部分，钝化层为SiO2薄膜，厚度为300nm～800nm。
13.根据权利要求12所述的一种基于InAs/InAsSb II类超晶格材料的势垒型短中波双色红外探测器，其特征在于：
所述上电极、下电极为Ti/Pt/Au金属层，厚度分别为50nm/50nm/300nm。
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