CN115939236A - 一种中长波双色红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种中长波双色红外探测器，包括：GaSb衬底；在GaSb衬底生长的GaSb缓冲层；在GaSb缓冲层生长的长波通道下接触层，其中，长波通道下接触层为100nm厚的14InAs/7GaSb超晶格，并进行Si掺杂；在长波通道下接触层生长的长波通道吸收层，其中，长波通道吸收层为1600nm厚的14InAs/7GaSb超晶格；在长波通道的吸收层生长的公共势垒层，其中，公共势垒层为100nm厚的AlGaSb；在公共势垒层生长的中波通道吸收层，其中，中波通道吸收层为2000nm厚的InAs/InAsSb超晶格；在中波通道吸收层生长的中波通道上接触层，其中，中波通道上接触层为100nm厚的InAs/InAsSb超晶格，并进行Si掺杂；在中波通道上接触层生长的顶电极层，在GaSb缓冲层生长的底电极层。本发明降低器件暗电流，提高器件探测性能，具有良好的探测效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电技术领域，特别是涉及一种中长波双色红外探测器。
背景技术
红外光电技术在空间科学、军事装备、工业生产等诸多领域有着十分广阔的应用价值。技术需求的不断提升持续推动着红外探测器技术向高性能、低成本的新一代方向跨越发展。为了提高在复杂环境中的识别能力，要求第三代红外成像系统具有多波段探测和高分辨率的能力。相比于单色器件，覆盖不同大气窗口的双色红外探测由于器件具有更好的信号对比度，可以提供更高的识别能力。并且，双色成像系统在军用和民用领域有很大需求，比如红外夜视系统、化学诊断、目标识别、导弹跟踪等。
传统的红外探测器材料有量子阱材料体系和碲镉汞材料体系，两者同样具有调节波长的能力，可以实现多波段的探测。但是量子阱体系存在量子效率低的问题，碲镉汞体系的带隙对组分十分敏感而导致了均匀性较差，且成本较高。相比之下，InAs/GaSb超晶格具有特殊的ⅱ型能带结构，过调整周期结构，改变材料的相对厚度，可以使截止波长覆盖2.7-30μm红外波段，有利于满足多色探测的需求，具有量子效率高、暗电流小、材料均匀性好、电子有效质量大、微带可调、成本低等优势，逐步成为第三代红外焦平面探测器的优选材料。
当使用红外探测器探测目标信号时，对目标的识别来源于目标的红外辐射与背景辐射的差异，而当探测目标与背景的红外辐射完全一致时便无法区分目标与背景从而不能对目标进行有效识别。而当使用双色或多色探测时便可有效的避免这种情况，其可提供更强的对比度从而对目标进行有效识别。双色红外探测在国内外一直是红外探测与成像领域的热点。
双色探测器可同时在两个波段获取目标信息、可对复杂的背景进行抑制，提高对目标的探测效果、在预警、搜索和跟踪系统中能明显的降低虚警率、显著地提高系统的性能和在各种武器平台上的通用性；实现不同波段真正的时间和空间同步。
双色探测器相较于其他的单色探测器暗电流更大，过大的暗电流直接导致器件的探测性能很差，因此急需解决双色探测器暗电流大的问题。2012年美国西北大学报道了n-p-p-n结构中长双色焦平面的研究，其中中波和长波吸收区的结构分别为7.5MLInAs/10MLGaSb和13MLInAs/7MLGaSb，长波通道及中波通道均带有M型势垒结构。单元器件测试结果表明，中波在160K时，50％截止波长为5.2μm，量子效率为40％～50％，77K时，R0A大约为106Ωcm2，探测率为7×1012Jones；长波在77K时，50％截止波长为11.2μm，量子效率超过30％(探测波长＜9μm时)，R0A为600Ωcm2，探测率为2×1011Jones。
2015年，美国西北大学报道了InAs/InAsSb二类超晶格作为吸收区的nBn结构中长波双色探测器，设计简单无中间接触层。长波通道吸收层的超晶格结构为：28MLInAs/7MLInAs0.48Sb0.52，中波通道吸收区的超晶格结构为：6MLInAs/2MLAlAs/6MLInAs/7MLInAs0.48Sb0.52。
势垒层结构为：4MLInAs/2MLAlAs/4MLInAs/7MLInAs0.48Sb0.52，中波和长波的50％截止波长分别为：5.1μm和9μm，中波和长波的峰值探测率分别为：8.2×1012cmHz1/2/W和1.6×1011cmHz1/2/W。
国内中科院半导体所牛智川课题组，2018年报道了两个背靠背的NMπP-PπMN结。GaSb超晶格中插入AlSb层，AlSb相比于InAs和GaSb具有更宽的带隙，可以同时充当导带电子和价带空穴的势垒，从而达到减小暗电流和提高R0A的效果。但器件需要较大的工作电压，因此中波的势垒区设计与掺杂框架仍有待优化。
武汉高芯科技有限公司，2018年报道了NPN背靠背结构。中波通道50％截止波长为4.5μm，在-0.1V偏压饱和，暗电流密度5.94×10-7A/cm2，长波通道50％截止波长为10.5μm，在0.17V偏压饱和，暗电流密度1.72×10-4A/cm2。中波和长波在80K下的峰值量子效率分别为45％和33％。
发明内容
为了解决现有技术中中长波双色探测器暗电流过大的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种中长波双色红外探测器，所述探测器包括：
GaSb衬底；
在所述GaSb衬底生长的GaSb缓冲层；
在所述GaSb缓冲层生长的长波通道下接触层，其中，所述长波通道下接触层为100nm厚的14InAs/7GaSb超晶格，并进行Si掺杂；
在所述长波通道下接触层生长的长波通道吸收层，其中，所述长波通道吸收层为1600nm厚的14InAs/7GaSb超晶格；
在所述长波通道的吸收层生长的公共势垒层，其中，所述公共势垒层为100nm厚的AlGaSb；
在所述公共势垒层生长的中波通道吸收层，其中，所述中波通道吸收层为2000nm厚的InAs/InAsSb超晶格；
在所述中波通道吸收层生长的中波通道上接触层，其中，所述中波通道上接触层为100nm厚的InAs/InAsSb超晶格，并进行Si掺杂；
在所述中波通道上接触层生长的顶电极层，在所述GaSb缓冲层生长的底电极层。
进一步地，所述长波通道下接触层为，1×1018cm-3的Si掺杂的100nm厚的14InAs/7GaSb超晶格。
进一步地，所述中波通道上接触层为，1×1018cm-3的Si掺杂的100nm厚的InAs/InAsSb超晶格。
进一步地，所述顶电极层和所述底电极层为150nm厚的Ti/Pt/Au。
本发明提供的一种中长波双色红外探测器，针对双色探测器的暗电流大的问题，通过中波吸收层采用InAs/InAsSb超晶格材料体系、长波吸收层采用InAs/GaSb超晶格材料体系、公共势垒层采用AlGaSb三元半导体材料、上接触层采用n型掺杂的InAs/InAsSb超晶格材料体系、下接触层采用n型掺杂的InAs/GaSb超晶格材料体系的双色探测器结构，解决双色探测器暗电流过大导致探测性能较差的难点，提出中波和长波通道分别采用性能最佳的材料体系。
本发明提供的一种中长波双色红外探测器，对于中波通道，InAs/InAsSb超晶格材料体系吸收系数更大，少子寿命更长，中波和长波分别使用不同的材料体系以使得二者均达到最优性能。
本发明提供的一种中长波双色红外探测器，势垒层使用AlGaSb，通过调节Sb的组分可调节势垒层带宽，带宽大于中波吸收层和长波吸收层从而有效的阻挡电子流通，抑制暗电流且不影响光电流，同时减小中波通道和长波通道间的串扰。
本发明提供的一种中长波双色红外探测器，器件接触层均采用n型掺杂，niBin结构的器件工作在几乎平带的状态，耗尽区窄，相比与pin结构，器件基本消除了SRH暗电流，且很大程度上减小了少数载流子的扩散电流，因此器件结构在降低器件暗电流的效果较好。
本发明提供的一种中长波双色红外探测器，提出了中长波双色niBin(下接触层-长波吸收层-公共势垒层-中波吸收层-上接触层)探测器结构，中波吸收层和上接触层均使用InAs/InAsSb超晶格，长波吸收层和下接触层均使用InAs/GaSb超晶格，势垒层使用三元化合物AlGaSb，器件接触层均采用n型掺杂，从而使得中波和长波通道均达到各自最佳的性能，降低器件暗电流，提高器件探测性能，探测器具有良好的探测效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出了InAs/InAsSb超晶格能带图。
图2示出了InAs/GaSb超晶格能带图。
图3示出了本发明提供的中长波双色红外探测器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
为了解决现有技术中中长波双色探测器暗电流过大的技术问题，提出一种中长波双色红外探测器。
原理说明
在InAs/InAs1-xSbx超晶格中，电子被限制在InAs层中，而空穴被限制在三元合金层InAsSb中，通过调节超晶格周期和InAsSb的锑成分来决定中波通道的吸收波长，同时优化吸收系数(与波函数重叠成比例)。x取0.35，在150K时可达到5μm左右的截止波长，波函数重叠在55％和66％之间。
如图1所示InAs/InAsSb超晶格能带图，控制InAs/InAsSb超晶格一个周期的平均超晶格参数等于GaSb的晶格参数，以此进行应变平衡。因此，InAsSb和InAs层厚度作为锑成分和超晶格周期的函数，通过如下公式来计算：
tInAsSb＝((aGaSb-aInAs)/(aInSb-aInAs))×(p/x)，
tInAsSb+tInAs＝p，
其中，x为InAsSb锑成分；p为超晶格周期；GaSb晶格常数aGaSb＝6.0954A，InAs晶格常数aInAs＝6.0584A，InSb晶格常数aInSb＝6.4794A，tInAsSb为InAsSb层厚，tInAs为InAs层厚。
如图2所示InAs/GaSb超晶格能带图，在InAs/GaSb超晶格中，电子被限制在InAs层中，而空穴被限制在GaSb中，通过调节超晶格周期和InAs与GaSb的组分比来决定长波通道的吸收波长。
势垒层使用AlGaSb作为电子阻挡层，设计自由度更大，更利于实现价带与中波吸收层和长波吸收层的价带平齐，以此来使得少子空穴通过。势垒层带宽大于中波吸收层和长波吸收层的带宽，以阻挡电子的流通将电场限制在势垒层中，因此，肖特基复合(SRH)过程发生在势垒层这个大带隙材料中，而不是发生在红外吸收层中，这减少了SRH暗电流的效果，作用类似于pn结中的空间电荷区，通过此结构来消除GR暗电流且不影响光电流，同时抑制中波通道和长波通道间的串扰。器件接触层均采用n型掺杂，niBin结构的器件工作在几乎平带的状态，耗尽区窄，相比与pin结构，器件基本消除了SRH暗电流，且很大程度上减小了少数载流子的扩散电流，从而提高探测器的性能。
探测器结构
如图3所示本发明提供的中长波双色红外探测器的结构示意图，根据本发明的实施例，提供一种中长波双色红外探测器，包括：GaSb衬底101。
在GaSb衬底101生长的GaSb缓冲层102。
在GaSb缓冲层102生长的长波通道下接触层103。长波通道下接触层103为1×1018cm-3的Si掺杂的100nm厚的14InAs/7GaSb超晶格。
在长波通道下接触层103生长的长波通道吸收层104。长波通道吸收层104为1600nm厚的14InAs/7GaSb超晶格。
在长波通道的吸收层104生长的公共势垒层105。公共势垒层105为100nm厚的AlGaSb。
在公共势垒层105生长的中波通道吸收层106。中波通道吸收层106为2000nm厚的InAs/InAsSb超晶格。
在中波通道吸收层106生长的中波通道上接触层107。中波通道上接触层107为，1×1018cm-3的Si掺杂的100nm厚的InAs/InAsSb超晶格。
在中波通道上接触层107生长的顶电极层108，在GaSb缓冲层102生长的底电极层109。顶电极层108和底电极层109为150nm厚的Ti/Pt/Au。
根据本发明的实施例，本发明提供的中长波双色红外探测器为：中长波双色niBin(下接触层-长波吸收层-公共势垒层-中波吸收层-上接触层)探测器，制备方法包括：
步骤S1、在GaSb衬底101上生长一层GaSb缓冲层102用来改善界面粗糙度。
步骤S2、在GaSb缓冲层102上生长100nm厚的14InAs/7GaSb超晶格，并进行1×1018cm-3的Si掺杂，以此作为长波通道下接触层103。
步骤S3、在长波通道下接触层103上生长1600nm厚的14InAs/7GaSb超晶格作为长波通道吸收层104。
步骤S4、在长波通道吸收层104上生长100nm的AlGaSb作为公共势垒层105，公共势垒层105是长波通道和中波通道公共的势垒层，阻挡多数载流子(电子)的流通而允许少数载流子(空穴)的流通，公共势垒层105的加入可以极大程度地减少肖特基复合暗电流(SRH)且抑制串扰。
步骤S5、在公共势垒层105上方生长2000nm的InAs/InAsSb超晶格作为中波通道吸收层106。
步骤S6、在中波通道吸收层106上方再生长100nm的InAs/InAsSb超晶格并进行1×1018cm-3的Si掺杂，以此作为中波通道上接触层107。
步骤S7、最后分别在GaSb缓冲层102上和中波通道上接触层107的InAs/InAsSb超晶格上生长150nm的Ti/Pt/Au层用来作为底电极层109和顶电极层108。
本发明提供的一种中长波双色红外探测器，能够同时探测中波和长波信号，截止波长分别为5.2μm和10.7μm，有效地减少了器件的暗电流并且抑制中波通道和长波通道间的串扰，从而使得中波通道和长波通道的探测率均达到1011量级。
本发明提供的一种中长波双色红外探测器，是一个niBin结构的中长波双色探测器，中波和长波分别使用了不同的超晶格结构，以使得两个通道层能达到更好的性能。上下接触层均使用n型掺杂，空穴为少子，通过公共势垒层AlGaSb使得空穴通过，而阻挡电子通过，降低了探测器的暗电流，并减小了串扰，完成了对中波信号和长波信号的高效探测。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种中长波双色红外探测器，其特征在于，所述探测器包括：
GaSb衬底；
在所述GaSb衬底生长的GaSb缓冲层；
在所述GaSb缓冲层生长的长波通道下接触层，其中，所述长波通道下接触层为100nm厚的14InAs/7GaSb超晶格，并进行Si掺杂；
在所述长波通道下接触层生长的长波通道吸收层，其中，所述长波通道吸收层为1600nm厚的14InAs/7GaSb超晶格；
在所述长波通道的吸收层生长的公共势垒层，其中，所述公共势垒层为100nm厚的AlGaSb；
在所述公共势垒层生长的中波通道吸收层，其中，所述中波通道吸收层为2000nm厚的InAs/InAsSb超晶格；
在所述中波通道吸收层生长的中波通道上接触层，其中，所述中波通道上接触层为100nm厚的InAs/InAsSb超晶格，并进行Si掺杂；
在所述中波通道上接触层生长的顶电极层，在所述GaSb缓冲层生长的底电极层。
2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述长波通道下接触层为，1×1018cm-3的Si掺杂的100nm厚的14InAs/7GaSb超晶格。
3.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述中波通道上接触层为，1×1018cm-3的Si掺杂的100nm厚的InAs/InAsSb超晶格。
4.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述顶电极层和所述底电极层为150nm厚的Ti/Pt/Au。
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