CN116487453B - 一种二类超晶格红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二类超晶格红外探测器及其制备方法，属于半导体器件设计及制造领域，包括：半导体衬底；第一颜色通道层，包括第一P型电子势垒层；N型公共电极层，N型公共电极层设置于第一颜色通道层上；第二颜色通道层，包括第二P型电子势垒层，第二颜色通道层设置于N型公共电极层上；P型欧姆接触层，P型欧姆接触层设置于第二颜色通道层上；钝化层，钝化层设置于叠层的周侧；电极，电极包括第一电极，第二电极以及第三电极，第一电极与第一颜色通道层连接，第二电极与N型公共电极层连接，第三电极与第二颜色通道层连接。本方案可以解决当前的二类超晶格探测器在复杂环境下的探测能力不足，虚警率高的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件设计及制造领域，特别是涉及一种二类超晶格红外探测器及其制备方法。
背景技术
自从二十世纪四十年代第一个实用的红外探测器研制成功以来，红外探测器在民用、军事、太空等诸多领域得到了广泛应用。由红外探测器组成的红外系统已经被广泛用于夜视、导航、搜索、预警、目标侦察、精确打击等许多方面，充分显示了红外技术的分辨率高、准确可靠、保密性好、抗电子干扰性强等优点。
对于InAs/GaSb二类超晶格红外探测器来说，由于在InAs/GaSb二类超晶格中，电子主要束缚在InAs层中，而空穴主要束缚在GaSb层，因此电子与空穴形成空间的隔离，具有以下优势：
1)量子效率高，带间跃迁，能够吸收正入射，响应时间快；
2)暗电流小，降低了俄歇复合及有关的暗电流，工作温度提高；
3)电子有效质量大，隧穿电流小，可获得高的探测率；
4)带隙从2μm-30μm可调，可制备短波、中波、长波、甚长波、双色段及多波段器件。
因此，InAs/GaSb二类超晶格探测器已经成为红外探测方面常选择的探测器。
但是，当前的InAs/GaSb二类超晶格探测器在复杂环境下的探测能力不足，造成虚警率较高。
发明内容
为了解决当前的InAs/GaSb二类超晶格探测器在复杂环境下的探测能力不足，造成虚警率较高的技术问题，本发明提供一种二类超晶格红外探测器及其制备方法。
第一方面
本发明提供一种二类超晶格红外探测器，包括：
半导体衬底；
第一颜色通道层，所述第一颜色通道层包括第一P型电子势垒层，所述第一P型电子势垒层位于所述半导体衬底上；
N型公共电极层，所述N型公共电极层设置于所述第一颜色通道层上；
第二颜色通道层，所述第二颜色通道层包括第二P型电子势垒层，所述第二颜色通道层设置于所述N型公共电极层上；
P型欧姆接触层，所述P型欧姆接触层设置于所述第二颜色通道层上;
钝化层，所述钝化层设置于叠层的周侧；
电极，所述电极包括第一电极，第二电极以及第三电极，所述第一电极与所述第一颜色通道层连接，所述第二电极与所述N型公共电极层连接，所述第三电极与所述第二颜色通道层连接；
其中，所述叠层为所述半导体衬底，第一颜色通道层，N型公共电极层，第二颜色通道层以及P型欧姆接触层组合而成的叠层。
可选地，所述第一颜色通道层还包括N型停刻层，第一吸收层，第一空穴势垒层和第一N型接触层，所述N型停刻层设置于所述半导体衬底上，所述第一P型电子势垒层设置于所述N型停刻层上，所述第一吸收层、所述空穴势垒层和所述第一N型接触层依次层叠于所述第一P型电子势垒层。
可选地，所述第二颜色通道层还包括第二N型接触层，第二空穴势垒层和第二吸收层，所述第二N型接触层设置于所述N型公共电极层上，所述第二空穴势垒层和所述第二吸收层依次层叠于所述第二N型接触层上，所述第二P型电子势垒层设置于所述第二吸收层上。
可选地，所述第一吸收层包括第一InAs层和第一GaSb层，其中所述第一InAs层厚度为8ML，所述第一GaSb层厚度为6ML，所述第一吸收层厚度为930nm。
可选地，所述第一P型电子势垒层厚度为500nm，所述第一P型电子势垒层的载流子浓度为2×1018/cm-3；
所述第一空穴势垒层厚度为500nm。
可选地，所述第二吸收层包括第二InAs层和第二GaSb层，其中所述第二InAs层厚度为8ML，所述第二GaSb层厚度为8ML，所述第二吸收层厚度为1060nm。
可选地，所述第二P型电子势垒层厚度为500nm，所述第二P型电子势垒层的载流子浓度为2×1018/cm-3；
所述第二空穴势垒层厚度为500nm。
可选地，所述第一颜色通道层为蓝色通道层，所述第二颜色通道层为红色通道层。
第二方面
本发明提供一种二类超晶格红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：获取半导体衬底；
步骤二：在所述半导体衬底上依次生长出第一颜色通道层，N型公共电极层，第二颜色通道层和P型欧姆接触层，并构成叠层，所述叠层所述半导体衬底，第一颜色通道层，N型公共电极层，第二颜色通道层和P型欧姆接触层构成的叠层；
步骤三：对所述叠层进行清洗，并在所述P型欧姆接触层上沉积钝化层，之后在所述钝化层上第一涂胶层；
步骤四：在所述胶层上进行光刻，并在光刻区域先腐蚀钝化层，再进行ICP刻蚀；
步骤五：对进行所述ICP刻蚀处覆盖钝化层；
步骤六：溅射电极。
可选地，所述步骤六具体包括：
步骤七：在所述钝化层上设置第二涂胶层；
步骤八：在目标位置对所述第二涂胶层和钝化层进行光刻；
步骤九：在所述目标位置溅射电极；
其中，所述目标位置为所述第一颜色通道层处，所述N型公共电极层处以及所述第二颜色通道层处。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
在本发明中，通过第一颜色通道层和第二颜色通道层从而使二类超晶格红外探测器具有两个截止波长，通过两个截止波长对目标和环境进行辐射探测，因此在复杂环境中对于目标特征的提取更加准确，有效降低虚警率。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明提供的一种二类超晶格红外探测器的结构示意图；
图2是本发明提供的另一种二类超晶格红外探测器的结构示意图；
图3是本发明提供的一种二类超晶格红外探测器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。
在一个实施例中，参考说明书附图1，本发明提供的一种二类超晶格红外探测器的结构示意图。
本发明提供一种二类超晶格红外探测器，包括：
半导体衬底1。
其中，半导体衬底的材料为GaSb，其载流子浓度为2×1018/cm-3。
第一颜色通道层2，所述第一颜色通道层包括第一P型电子势垒层21，所述P型电子势垒层21位于所述半导体衬底上。
参考说明书附图2，本发明提供的另一种二类超晶格红外探测器的结构示意图。
可选地，所述第一颜色通道层2还包括N型停刻层22，第一吸收层23，第一空穴势垒层24和第一N型接触层25，所述N型停刻层22设置于所述半导体衬底1上，所述第一P型电子势垒层21设置于所述N型停刻层22上，所述第一吸收层，所述空穴势垒层和所述第一N型接触层依次层叠与所述第一P型电子势垒层。
N型停刻层的材料为InAsSb材料，其载流体浓度为2×1018/cm-3，其厚度为1000nm。N型停刻层的目的有：一、改善衬底质量，减小 GaSb 衬底与 InAs/GaSb 超晶格的晶格失配，能够形成良好的界面；二、提高衬底的掺杂浓度，形成良好的欧姆接触层。
第一P型电子势垒层21，第一吸收层23，第一空穴势垒层24以及第一N型接触层25共同构成PπBN结构器件结构，在该设计中采用宽禁带材料的电子势垒层和空穴势垒层分布在吸收区的两侧，抑制由SRH 效应引起的产生-复合（G-R）暗电流和隧穿暗电流并阻碍中性区两侧产生的扩散暗电流。吸收层多采用带隙可调的Ⅱ类超晶格材料，而Ⅱ类超晶格由于电子和空穴在空间的分离可以有效的抑制俄歇复合。
可选地，所述第一吸收层23包括第一InAs层和第一GaSb层，其中所述第一InAs层厚度为8ML，所述第一GaSb层厚度为6ML，所述第一吸收层厚度为930nm。
其中，厚度单位ML为分子层（Molecule Layer）。
可选地，所述第一P型电子势垒层厚度为500nm，所述第一P型电子势垒层的载流子浓度为2×1018/cm-3；
所述第一空穴势垒层厚度为500nm。
具体地，第一P型电子势垒层的材料由InAs层和GaSb层组成以及掺杂Be材料的结构层，其中InAs层厚度为4ML，GaSb层厚度为8ML。该第一P型电子势垒层在耗尽层下面，不用考虑观点效应，只需要考虑掺杂浓度和晶格失配。
第一吸收层的宽度应该较宽，宽的吸收层有利于提高器件的量子效率。但是该层的宽度并非越宽越好，首先当第一吸收层达到一定厚度之后，第一吸收层厚度的再增加对提高量子效率不明显，其次当第一吸收层厚度增大，光生载流子的渡越时间越长，不利于器件的响应速度。因此，第一吸收层的设计原则一般为。
其中，量子效率可以被记为η，它表示每吸收一个入射光子在回路感生的光电子数。量子效率（Quantum Efficiency，缩写QE）作为光电子器件的一个重要参数指标，它用来定义光敏器件将其受光表面接收到的电子转换为电子-空穴对的百分比，即：；
其公式为：
；
或；
式中，R1为表面反射，为吸收系数，/>为表层厚度，W为吸收层厚度。
第一空穴势垒层在耗尽层上面，所以不宜太厚，所述第一空穴势垒层厚度为500nm。第一空穴势垒层的材料为11ML的InAs层和4ML的AlSb层。
第一N型接触层的作用为形成良好的欧姆接触，较小器件的接触电阻，而生长出的一层高掺杂浓度的宽禁带材料，该第一N型接触层的材料组成为InAs掺杂Si层以及AlSb层。第一N型接触层的厚度为500nm，载流子浓度为3×1018/cm-3。
N型公共电极层3，所述N型公共电极层设置于所述第一颜色通道层上。
具体地，N型公共电极层既作为材料缓冲层减小两个红外通道材料的晶格失配度，又充当N型欧姆接触层，作为双色器件的公共电极。缓冲层在第一颜色通道层的上面，所以不宜太厚。但如果该层太薄，又会因晶格失配导致引入的材料应力不利于材料的可靠性。而且该层太薄，在器件的工艺制作中，对ICP 刻蚀的精度提出很大考验。综合以上因素，设计该层厚度在500nm，掺杂浓度为2×1018/cm-3。
第二颜色通道层4，所述第二颜色通道层包括第二P型电子势垒层41，所述第二颜色通道层设置于所述N型公共电极层上。
可选地，所述第二颜色通道层还包括第二N型接触层42，第二空穴势垒层43和第二吸收层44，所述第二N型接触层设置于所述N型公共电极层上，所述第二空穴势垒层和所述第二吸收层依次层叠与所述第二N型接触层上，所述第二P型电子势垒层设置于所述吸收层上。
可选地，所述第二吸收层包括第二InAs层和第二GaSb层，其中所述第二InAs层厚度为8ML，所述第二GaSb层厚度为8ML，所述第二吸收层厚度为1060nm。
可选地，所述第二P型电子势垒层厚度为500nm，所述第一P型电子势垒层的载流子浓度为2×1018/cm-3；
所述第二空穴势垒层厚度为500nm。
具体地，第二N型接触层42，第二空穴势垒层43，第二吸收层44以及第二P型电子势垒层41共同构成NBπP结构器件结构，在该设计中采用宽禁带材料的电子势垒层和空穴势垒层分布在吸收区的两侧，抑制由SRH 效应引起的产生-复合（G-R）暗电流和隧穿暗电流并阻碍中性区两侧产生的扩散暗电流。吸收层多采用带隙可调的Ⅱ类超晶格材料，而Ⅱ类超晶格由于电子和空穴在空间的分离可以有效的抑制俄歇复合。也就是说，第一颜色通道层和第二颜色通道层为两个PπBN器件结构背靠背结构。
可选地，所述第一颜色通道层为蓝色通道层，所述第二颜色通道层为红色通道层。
在第一吸收层包括第一InAs层和第一GaSb层，其中所述第一InAs层厚度为8ML，所述第一GaSb层厚度为6ML；第二吸收层包括第二InAs层和第二GaSb层，其中所述第二InAs层厚度为8ML，所述第二GaSb层厚度为8ML的情况下，第一吸收层能够实现截止波长为4.2μm的蓝色通道层，第二吸收层能够实现截止波长为5μm的红色通道层。 在改变第一吸收层的厚度的情况下能够改变该颜色通道层的颜色。例如当第二吸收层包括InAs层和GaSb层，且InAs层厚度为13ML，GaSb层的厚度为8ML的情况下，该截止波长将会是长波，其颜色通道层的颜色将会是深红色或者接近于紫外光。
P型欧姆接触层5，所述P型欧姆接触层设置于所述第二颜色通道层上。
具体地，P型欧姆接触层为了形成良好的欧姆接触，较小器件的接触电阻，在表面生长一层高掺杂浓度的宽禁带材料。GaSb 材料具有合适的晶格常数和禁带宽度，该层的厚度越薄越好，这样有利于光生载流子直接产生在耗尽区。将InAs 层定为掺杂浓度为2×1018/cm-3，厚度为20nm。
钝化层6，所述钝化层设置于叠层的周侧。
具体地，该钝化层的材料为SiO2，改钝化层的厚度为300nm。
电极7，所述电极包括第一电极8，第二电极9以及第三电极10，所述第一电极8与所述第一颜色通道层2连接，所述第二电极9与所述N型公共电极层连接，所述第三电极10与所述第二颜色通道层4连接。
其中，所述叠层为所述半导体衬底1，第一颜色通道层2，N型公共电极层3，第二颜色通道层4以及P型欧姆接触层5组合而成的叠层。
具体地，电极的材料为钛金合金，该钛金合金中各层的厚度是Ti为100nm，Au为300nm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
在本发明中，通过第一颜色通道层和第二颜色通道层从而使二类超晶格红外探测器具有两个截止波长，通过两个截止波长对目标和环境进行辐射探测，因此在复杂环境中对于目标特征的提取更加准确，有效降低虚警率。
实施例2
在一个实施例中，参考说明书附图3，本发明提供的一种二类超晶格红外探测器的制备方法的流程示意图。
本发明提供一种二类超晶格红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：获取半导体衬底；
步骤二：在所述半导体衬底上依次生长出第一颜色通道层，N型公共电极层，第二颜色通道层和P型欧姆接触层，并构成叠层，所述叠层所述半导体衬底，第一颜色通道层，N型公共电极层，第二颜色通道层和P型欧姆接触层构成的叠层。
步骤三：对所述叠层进行清洗，并在所述P型欧姆接触层上沉积钝化层，之后在所述钝化层上第一涂胶层。
可选地，首先，在P型欧姆接触层的表面沉积钝化层。钝化层可以为二氧化硅（SiO2）。之后，在钝化层上涂上胶层。
步骤四：在所述胶层上进行光刻，并在光刻区域先腐蚀钝化层，再进行ICP刻蚀。
可选地，首先，在胶层上进行光刻，光刻出一个区域。之后，在该区域范围内继续腐蚀二氧化硅，使钝化层上也具有一个如同光刻区域一样大小的范围。再者，去掉步骤三中的胶层。
步骤五：对进行所述ICP刻蚀处覆盖钝化层。
可选地，在腐蚀出的范围中，对P型欧姆接触层、第二颜色通道层以及N型公共电极层进行ICP刻蚀，刻蚀出一个横截面积与光刻区域横截面积相同的凹槽。之后腐蚀步骤三中的钝化层。在重新对于ICP刻蚀后的叠层进行钝化层淀积。再者，在钝化层上涂胶层。之后，对于刻蚀区域中的钝化层重复步骤四和步骤五，从而在刻蚀区域中再刻蚀出第二凹槽，第二凹槽的深度深于第一凹槽的深度。
步骤六：溅射电极。
可选地，所述步骤六具体包括：
步骤七：在所述钝化层上设置第二涂胶层。
可选地，在第一凹槽和第二凹槽上再次淀积钝化层，并在钝化层上涂胶层。
步骤八：在目标位置对所述第二涂胶层和钝化层进行光刻。
可选地，在胶层的目标区域中进行光刻，其中，所述目标位置为所述第一颜色通道层处，所述N型公共电极层处以及所述第二颜色通道层处。
步骤九：在所述目标位置溅射电极。
可选地，在溅射电极之后，再剥离胶层。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
在本发明中，通过第一颜色通道层和第二颜色通道层从而使二类超晶格红外探测器具有两个截止波长，通过两个截止波长对目标和环境进行辐射探测，因此在复杂环境中对于目标特征的提取更加准确，有效降低虚警率。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种二类超晶格红外探测器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
第一颜色通道层，所述第一颜色通道层包括第一P型电子势垒层，所述第一P型电子势垒层位于所述半导体衬底上；
N型公共电极层，所述N型公共电极层设置于所述第一颜色通道层上；
第二颜色通道层，所述第二颜色通道层包括第二P型电子势垒层，所述第二颜色通道层设置于所述N型公共电极层上；
P型欧姆接触层，所述P型欧姆接触层设置于所述第二颜色通道层上;
钝化层，所述钝化层设置于叠层的周侧；
电极，所述电极包括第一电极，第二电极以及第三电极，所述第一电极与所述第一颜色通道层连接，所述第二电极与所述N型公共电极层连接，所述第三电极与所述第二颜色通道层连接；
其中，所述叠层为所述半导体衬底，第一颜色通道层，N型公共电极层，第二颜色通道层以及P型欧姆接触层组合而成的叠层；
所述第一颜色通道层还包括N型停刻层，第一吸收层，第一空穴势垒层和第一N型接触层，所述N型停刻层设置于所述半导体衬底上，所述第一P型电子势垒层设置于所述N型停刻层上，所述第一吸收层、所述空穴势垒层和所述第一N型接触层依次层叠于所述第一P型电子势垒层；
所述第一P型电子势垒层，所述第一吸收层，所述第一空穴势垒层以及所述第一N型接触层共同构成PπBN结构器件结构；
所述N型停刻层的材料为InAsSb材料，其载流体浓度为2×1018/cm-3，其厚度为1000nm；
所述第一吸收层包括第一InAs层和第一GaSb层，其中所述第一InAs层厚度为8ML，所述第一GaSb层厚度为6ML，所述第一吸收层厚度为930nm；
所述第一吸收层的设计原则为，
其中，量子效率被记为η，表示每吸收一个入射光子在回路感生的光电子数，量子效率作为光电子器件的一个重要参数指标，用来定义光敏器件将其受光表面接收到的电子转换为电子-空穴对的百分比，即：
，
其公式为：
；
或；
式中，为表面反射，/>为吸收系数，/>为表层厚度，W为吸收层厚度；
所述第二颜色通道层还包括第二N型接触层，第二空穴势垒层和第二吸收层，所述第二N型接触层设置于所述N型公共电极层上，所述第二空穴势垒层和所述第二吸收层依次层叠于所述第二N型接触层上，所述第二P型电子势垒层设置于所述第二吸收层上；
所述第二N型接触层，所述第二空穴势垒层，所述第二吸收层以及所述第二P型电子势垒层共同构成NBπP结构器件结构。
2.根据权利要求1所述的二类超晶格红外探测器，其特征在于，所述第一P型电子势垒层厚度为500nm，所述第一P型电子势垒层的载流子浓度为2×1018/cm-3；
所述第一空穴势垒层厚度为500nm。
3.根据权利要求1所述的二类超晶格红外探测器，其特征在于，所述第二吸收层包括第二InAs层和第二GaSb层，其中所述第二InAs层厚度为8ML，所述第二GaSb层厚度为8ML，所述第二吸收层厚度为1060nm。
4.根据权利要求3所述的二类超晶格红外探测器，其特征在于，所述第二P型电子势垒层厚度为500nm，所述第二P型电子势垒层的载流子浓度为2×1018/cm-3；
所述第二空穴势垒层厚度为500nm。
5.根据权利要求1所述的二类超晶格红外探测器，其特征在于，所述第一颜色通道层为蓝色通道层，所述第二颜色通道层为红色通道层。
6.一种如权利要求1所述的二类超晶格红外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：获取半导体衬底；
步骤二：在所述半导体衬底上依次生长出第一颜色通道层，N型公共电极层，第二颜色通道层和P型欧姆接触层，并构成叠层，所述叠层为所述半导体衬底，第一颜色通道层，N型公共电极层，第二颜色通道层和P型欧姆接触层构成的叠层；
步骤三：对所述叠层进行清洗，并在所述P型欧姆接触层上沉积钝化层，之后在所述钝化层上第一涂胶层；
首先，在P型欧姆接触层的表面沉积钝化层；钝化层为二氧化硅，在钝化层上涂上胶层；
步骤四：在所述胶层上进行光刻，并在光刻区域先腐蚀钝化层，再进行ICP刻蚀；
首先，在胶层上进行光刻，光刻出一个区域，之后，在该区域范围内继续腐蚀二氧化硅，使钝化层上也具有一个如同光刻区域一样大小的范围，再者，去掉步骤三中的胶层；
步骤五：对进行所述ICP刻蚀处覆盖钝化层；
在腐蚀出的范围中，对P型欧姆接触层、第二颜色通道层以及N型公共电极层进行ICP刻蚀，刻蚀出一个横截面积与光刻区域横截面积相同的凹槽；之后腐蚀步骤三中的钝化层；在重新对于ICP刻蚀后的叠层进行钝化层淀积；再者，在钝化层上涂胶层；之后，对于刻蚀区域中的钝化层重复步骤四和步骤五，从而在刻蚀区域中再刻蚀出第二凹槽，第二凹槽的深度深于第一凹槽的深度；
步骤六：溅射电极；
所述步骤六具体包括：
步骤七：在所述钝化层上设置第二涂胶层；
在第一凹槽和第二凹槽上再次淀积钝化层，并在钝化层上涂胶层
步骤八：在目标位置对所述第二涂胶层和钝化层进行光刻；
在胶层的目标区域中进行光刻，其中，所述目标位置为所述第一颜色通道层处，所述N型公共电极层处以及所述第二颜色通道层处；
步骤九：在所述目标位置溅射电极；
在溅射电极之后，再剥离胶层。
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