CN117747692A - 一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器，包括衬底，以及在衬底上外延生长的缓冲层；双色探测器还包括短波通道层和中波通道层，短波通道层和所述中波通道层之间外延生长中间势垒层；其中，短波通道层包括：在缓冲层上外延生长第一M型结构，以及在第一M型结构上外延生长第二M型结构，其中，第一M型结构和第二M型结构为InAs/GaSb/AlSb/GaSb结构。本发明结合了NBN型探测器与M结构探测器的优点，使得探测器具有良好的探测性能，降低器件的暗电流密度以及提高器件的量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器。
背景技术
双波段红外探测器能够通过对比两个波段内的光谱信息差异，对复杂的背景进行抑制，提高探测效果，这对鉴别军事目标、跟踪快速移动的目标和预警等应用尤为重要。InAs/GaSb二类超晶格探测器近年发展很快，1997年德国Fraunhofer研究所发表了性能良好的长波二极管，2004年第一次演示了中波256×256阵列，性能已达到了很高水平，2005年完成384×288中波双色阵列。随着技术迅速成熟，产业界迅速进入并在工程化领域占据主导位置。中/短波InAs/GaSb超晶格探测器已逐渐进入研制阶段。我国在超晶格探测器的研究中仍然处于一个起步阶段，超晶格探测器的制备技术还不够成熟，制备的探测器的各性能还远远没有达到其理论上的极限，所以需要我们在材料的制备工艺以及理论设计的研究中进行进一步的研究与实践。
目前的超晶格探测器的探测性能与MCT(碲镉汞)探测器相比仍然有一定的差距，普遍认为主要原因来源于超晶格结构中存在各种缺陷，这些缺陷对于器件暗电流和噪声等性能的影响很大。若能在材料制备中进一步抑制与降低材料可能出现的缺陷，再加上后续的制备工艺的配合，则可明显降低器件的暗电流，提高器件的质量。所以良好的外延制备技术是生长出性能优异的探测器第一步，也是从源头上降低噪声与提高器件性能的最重要一步。所以基于此我们提出了一种高质量的超晶格的外延方法，就是要从问题的源头入手，通过优异的材料制备方法来提高我们器件的性能。
对于器件的量子效率，一方面InAs/GaSb超晶格为直接带隙半导体，对于光的吸收系数较高(与Si等间接带隙半导体相比)，再加上I区提供了较大的吸收区厚度，使得器件的量子效率(QE)较高；另一方面，由于两个通道的相互影响，中波通道对于短波通道的QE有一定的影响，所以需要通过对两个通道的I区厚度进行合理的设计，使得短波通道对于中波通道的QE的影响较小，从而使得两个通道的QE都可以获得一个合适的值。提高双色器件的整体性能。
作为双色探测器，其双色探测本身就是一种优势与市场。与单色探测器相比，InAs/GaSb II类超晶格由于其大面积均匀性好、成本低、对于入射的光波吸收没有选择性所以其量子效率高。并且其有效质量大(与碲镉汞探测器相比)，所以导致隧穿电流小，因而器件性能优良。而M结构的InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格的载流子有效质量更大，进一步印制了器件的暗电流水平。
现有的双色探测器量子效率低、暗电流密度高，抗干扰性与容错性差，探测性能和探测效果差。
发明内容
为了解决现有技术中双色探测器量子效率低、暗电流密度高的技术问题，本发明的目的在于提供一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器，所述双色探测器包括衬底，以及在所述衬底上外延生长的缓冲层；
所述双色探测器还包括短波通道层和中波通道层，所述短波通道层和所述中波通道层之间外延生长中间势垒层；
其中，所述短波通道层包括：在所述缓冲层上外延生长第一M型结构，以及在所述第一M型结构上外延生长第二M型结构，其中，所述第一M型结构和所述第二M型结构为InAs/GaSb/AlSb/GaSb结构。
优选地，所述衬底为GaSb衬底，所述缓冲层为GaSb缓冲层。
优选地，所述中波通道包括，在所述中间势垒层上外延生长的第一InAs/GaSb II类超晶格层，以及在所述第一InAs/GaSb II类超晶格层上外延生长的第二InAs/GaSb II类超晶格层。
优选地，所述双色探测器还包括在所述第二InAs/GaSb II类超晶格层上生长的盖层。
优选地，所述双色探测器还包括第一电极和第二电极，所述第一电极生长在所述盖层表面，所述第二电极生长在第一M型结构的表面。
优选地，所述双色探测器还包括钝化层，所述钝化层由所述第一电极延伸至所述第二电极。
本发明提供的一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器，选择短波与中波，短波在夜视中的应用尤为突出，而中波在大部分物体的温度辐射峰值之间，两种频段的探测可以提高探测器的抗干扰性与容错性，对于最后的成像的图像有着更好的分辨率，使得探测器可以满足夜视与各普遍情况下的一个应用。
本发明提供的一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器，从降低器件的暗电流以及提高器件的量子效率入手，融合了M结构的探测器以及NBN型结构探测器的优点，对I区的厚度进行合理的设计，既能降低器件的暗电流密度也可以提高器件的量子效率。
本发明提供的一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器，结合了NBN型探测器与M结构探测器的优点，使得探测器具有良好的探测性能，提高探测器的量子效率以及降低器件的暗电流密度。
本发明提供的一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器，针对当前超晶格红外探测器的量子效率远未达到其理论极限的情况，首先以双色叠层背靠背二极管电压选择结构作为基本结构，设计短/中波双色芯片结构，然后采用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的NBN结构的超晶格材料。短波通道部分使用InAs/GaSb/AlAs/GaSb(超晶格的M结构)进行实现，中波通道部分以n掺杂的InAs/GaSb超晶格进行实现，以AlAsSb/GaSb材料构建两个探测器之间的势垒区。通过对短波以及中波通道的掺杂以及超晶格各组分厚度的调节来改变三个部分材料的带隙，使得三者之间构建成为NBN型结构，通过AlAsSb/GaSb势垒区的大带隙可以有效的降低器件的暗电流密度。通过调整NIBIN结构中I区的厚度以及N区的掺杂水平，使得入射光被充分的吸收，降低短波通道对于中波通道QE的影响，使得探测器两个通道都有较高的量子效率，且探测器的性能明显提高。
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示意性示出了本发明一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的结构示意图。
图2示出了本发明M型结构的能带结构示意图。
图3示出了本发明一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的能带结构示意图。
图4示出了本发明一个实施例中一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的结构仿真示意图。
图5示出了本发明一个实施例中一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的能带结构仿真结果图。
图6示出了本发明一个实施例中一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的暗电流仿真结果图。
图7示出了本发明一个实施例中一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的光电流仿真结果图。
图8示出了本发明一个实施例中一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的短波通道层生长的时序图。
图9示出了本发明一个实施例中一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的预期光谱响应曲线图。
图10示出了本发明一个实施例中一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的预期量子效率曲线图。
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。
如图1所示，根据本发明的实施例，提供一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器，包括衬底1，以及在衬底1上外延生长的缓冲层2。衬底1为GaSb衬底，缓冲层2为GaSb缓冲层。
双色探测器还包括短波通道层a和中波通道层b，短波通道层a和中波通道层b之间外延生长中间势垒层5。中间势垒层5为AlAsSb/GaSb材料构成的势垒。
短波通道层a包括：在缓冲层2上外延生长第一M型结构3，以及在第一M型结构3上外延生长第二M型结构4。第一M型结构3和第二M型结构4为InAs/GaSb/AlSb/GaSb结构。
中波通道b包括，在中间势垒层5上外延生长的第一InAs/GaSb II类超晶格层6，以及在第一InAs/GaSb II类超晶格层6上外延生长的第二InAs/GaSb II类超晶格层7。中间势垒层5外延生长在第二M型结构4上。
双色探测器还包括在第二InAs/GaSb II类超晶格层6上生长的盖层8。双色探测器还包括第一电极10、第二电极11和钝化层9，第一电极10生长在盖层8表面，第二电极11生长在第一M型结构3的表面。钝化层9由第一电极10延伸至第二电极11。
本发明短/中波的分离由光敏芯片完成，中波响应位于短波响应层之后，接受短波辐射被吸收之后的辐射。器件从下至上分别为短波通道层a(短波二极管)和中波通道层b(中波二极管)。探测器中短波以及中波的I区的厚度较大，使得入射光可以被充分的吸收，从而尽可能地提高探测器的量子效率。I区的存在也缩短了载流子的扩散，使得电路时间常数小，从而提高了探测器的响应速率。两个红外波段的工作范围分别为短波通道2-3um，中波通道4-5um。
如图2所示，本发明短波通道层a采用M型结构(InAs/GaSb/AlSb/GaSb结构)，M型结构的AlSb势垒的存在可以降低短波器件的复合暗电流与隧穿电流从而提升了阻抗值，且大带隙的AlSb也提升了超晶格中载流子的有效质量，从而进一步降低暗电流。
本发明中波通道层b采用InAs/GaSb II类超晶格，使得中波探测器的能带变化可以以短波探测器的能带变化为基准，可以更好地实现在外接电压为零偏时中间势垒两端的探测器的价带偏移为零的要求，减少探测器的制作难度。超晶格的能带结构理论计算主要通过经验紧缚理论和kp微扰理论，建立InAs/InAsSb超晶格的能带结构近似模型，计算超晶格的能带结构，电学和光学性能，从而指导实际探测器的设计。
如图3所示，本发明短波通道层a、中波通道层b和中间势垒层5(AlAsSb/GaSb)三者构成了一个NBN型的探测器结构。零偏时，两个通道以及势垒的价带的偏移量为0，大带隙势垒层夹在两个充当吸收层的n型半导体之间。因此，多数电子载流子将被势垒层阻挡，而少数空穴载流子在接触层之间移动。因为势垒层阻挡一种载流子类型(电子)并允许另一种载流子(空穴)通过，这种结构也称为单极势垒。nBn结构的最大优点是减少了与Shockley-Read-Hall电流相关的暗电流，这主要归功于电子势垒层的存在。使用nBn结构降低SRH产生-复合电流可以使p-i-n结构的超晶格检测器具有更高的工作温度。特别地，抑制SRH和产生具有低扩散限制暗电流的探测器的关键设计参数是使势垒层和有源层的掺杂类型相同。此外，表面漏电流被势垒层显著降低，因为它起到了自钝化层的作用，通过切换偏置电压来选择让短波/中波的哪一个探测器工作。
实施例中，对本发明的一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器进行仿真，如图4所示本发明一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的结构仿真示意图，图5所示本发明一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的能带结构仿真结果图，图6所示本发明一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的暗电流仿真结果图，图7所示本发明一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的光电流仿真结果图。
本发明一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器制备过程中，首先生长衬底1和缓冲层2，之后在缓冲层2上外延生长短波通道层a。
短波通道层a采用M型结构(第一M型结构3和第二M型结构4，InAs/GaSb/AlSb/GaSb结构)。如图8所示，短波通道层a的生长过程如下：
在分子束外延设备中，Ga、In、Al常用的生长速率分别为0.6ML/s、0.5ML/s和0.6ML/s，首先生长6ML InAs，即开启In和As快门12s，再中断3s使As元素扩散，之后打开In源炉快门生长InSb界面，接下来生长1ML的GaSb，即开启Ga和Sb快门1.7s，1秒钟Sb保护后生长5ML AlSb，即开启Al快门8.4s，再1sSb保护后生长3ML即5s的GaSb，再开启In源炉快门生长InSb界面，至此完成一个周期的生长，测试片共包含100周期。其他实验参数包括衬底生长温度Tc-15摄氏度，束流V/III比Sb/Ga＝5.2、Sb/Al＝5.2和As/In＝3。
短波通道层a生长完成后，依次完成中间势垒层5、中波通道层b、盖层8生长。最后进行第一电极10、第二电极11和钝化层9生长，至此则完成了整个探测器的生长过程。
如图9所示本发明一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的预期光谱响应曲线图，图10所示本发明一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器的预期量子效率曲线图。本发明将M结构的超晶格短波探测器设计为整个探测器的短波通道部分，InAs/GaSb中波超晶格设计为双色探测器的中波通道部分，中间的势垒层选用AlAsSb/GaSb材料，充分应用了已有的各种结构超晶格的优点，并将之整合到双色探测器的设计上来，使得入射光被充分的吸收，从而提高了探测器的量子效率，使得探测器的性能明显提高。
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 (6)
1.一种高量子效率的短中波超晶格双色探测器，其特征在于，所述双色探测器包括衬底，以及在所述衬底上外延生长的缓冲层；
所述双色探测器还包括短波通道层和中波通道层，所述短波通道层和所述中波通道层之间外延生长中间势垒层；
其中，所述短波通道层包括：在所述缓冲层上外延生长第一M型结构，以及在所述第一M型结构上外延生长第二M型结构，其中，所述第一M型结构和所述第二M型结构为InAs/GaSb/AlSb/GaSb结构。
2.根据权利要求1所述的双色探测器，其特征在于，所述衬底为GaSb衬底，所述缓冲层为GaSb缓冲层。
3.根据权利要求1所述的双色探测器，其特征在于，所述中波通道包括，在所述中间势垒层上外延生长的第一InAs/GaSb II类超晶格层，以及在所述第一InAs/GaSb II类超晶格层上外延生长的第二InAs/GaSb II类超晶格层。
4.根据权利要求1所述的双色探测器，其特征在于，所述双色探测器还包括在所述第二InAs/GaSb II类超晶格层上生长的盖层。
5.根据权利要求4所述的双色探测器，其特征在于，所述双色探测器还包括第一电极和第二电极，所述第一电极生长在所述盖层表面，所述第二电极生长在第一M型结构的表面。
6.根据权利要求5所述的双色探测器，其特征在于，所述双色探测器还包括钝化层，所述钝化层由所述第一电极延伸至所述第二电极。
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