CN213601879U - 一种ii类超晶格长波红外探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及红外探测器技术领域，提供了一种II类超晶格长波红外探测器，包括衬底，还包括于所述衬底上依次生长的P型接触层、吸收层、空穴势垒层以及N型接触层，所述P型接触层未生长所述吸收层的部位上制作有下电极，所述N型接触层上制作有上电极；所述空穴势垒层为InAsSb空穴势垒层。本实用新型与传统的InAs/GaSb超晶格PIN长波结构相比，引入了宽禁带的InAsSb空穴势垒层，通过掺杂调制，可使PN结耗尽区尽可能分布在InAsSb势垒层，从而有效抑制产生‑复合电流，提高器件的电学性能；InAsSb结构的空穴势垒层和N型接触层不含Al元素，可以规避含Al结构在材料生长过程中吸杂和器件加工过程中稳定性差的问题。

Description

一种II类超晶格长波红外探测器

技术领域

本实用新型涉及红外探测器技术领域，具体为一种II类超晶格长波红外探测器。

背景技术

红外探测器技术在军事、工业、农业、医疗、环境等领域有着广泛的应用，红外探测器是红外技术应用的核心元器件。随着科学技术的不断进步，红外探测器已经进入第三代焦平面器件发展阶段，即制备大面阵、高性能、低功耗、低成本的焦平面红外探测器。InAs/GaSb二类超晶格探测器是第三代高性能焦平面红外探测器研制的优选方案，是近年来红外探测领域研究的焦点，尤其是长波超晶格探测器。

从材料结构设计的角度来看，InAs/GaSb二类超晶格材料具有传统InSb和HgCdTe红外探测材料无法比拟的优势，其主要原因在于InAs和GaSb材料具有特殊的能带结构，InAs材料的导带底位于GaSb的价带顶之下，形成所谓的“破带隙”，导致InAs/GaSb材料中电子与空穴在物理空间上相对分离，电子被限制在InAs层中，空穴被限制在GaSb层中。将InAs和GaSb周期性交替排列就形成所谓的II类超晶格材料，当InAs和GaSb的厚度适当时，InAs和GaSb的电子波函数会产生交叠，使超晶格材料的能带结构发生改变，进而导致材料的吸收截止波长发生改变，同时使超晶格材料具有量子效率高、抑制俄歇复合、电子有效质量大等优点。然而，从材料生长的角度来看，InAs 与GaSb由于存在0.7％失配且没有相同的阴离子和阳离子，导致材料生长过程中需要引入InSb界面层来平衡应力；材料生长过程中始终存在As压，导致超晶格材料界面质量控制难度较大，这一特点在长波探测器材料生长过程中尤其明显。

因此，超晶格长波吸收层微缺陷密度较高，而吸收区禁带宽度较窄，导致吸收区内产生-复合暗电流较大，因此传统的PIN结构的超晶格长波材料暗电流密度较大。为了克服这一困难，需要从材料结构上做一些特殊的设计，如插入电子势垒层、空穴势垒层、双势垒层或梯度势垒层等，其主要设计思路是使PN结的耗尽层尽可能分布在宽禁带区，同时又不阻挡光电子的输运，即吸收层与势垒层之间的带导带偏移(空穴势垒)或价带偏移(电子势垒) 尽可能小。AlSb材料的禁带宽度为1.7eV且晶格常数与GaSb衬底相近，可与InAs或GaSb组合形成InAs/AlSb、GaSb/AlSb、InAs/GaSb/AlSb/GaSb等结构的势垒层，或者采用AlGaSb、AlGaAsSb等含Al的三元或四元化合物材料做势垒结构。然而，由于Al元素化学性质活泼，易捕获生长腔体内的活性气体或杂质导致含Al层材料性能下降；在器件工艺过程中，含AlSb的外延层刻蚀难度较大，Al极易被氧化，导致器件工艺不稳定。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种II类超晶格长波红外探测器，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：一种II类超晶格长波红外探测器，包括衬底，还包括于所述衬底上依次生长的P型接触层、吸收层、空穴势垒层以及N型接触层，所述P型接触层未生长所述吸收层的部位上制作有下电极，所述N型接触层上制作有上电极；所述空穴势垒层为 InAsSb空穴势垒层。

进一步，所述P型接触层为InAs/GaSb超晶格P型接触层。

进一步，所述InAs/GaSb超晶格P型接触层包括50～80周期的InAs/GaSb 超晶格，且每个周期的所述InAs/GaSb超晶格包括2～3nm的InAs层和2～3nm 的GaSb层。

进一步，所述吸收层为InAs/GaSb超晶格吸收层。

进一步，所述InAs/GaSb超晶格吸收层包括200～400周期的InAs/GaSb 超晶格，且每个周期的所述InAs/GaSb超晶格包括4～5nm的InAs层和2～3nm 的GaSb层。

进一步，所述N型接触层为InAs/GaSb超晶格N型接触层。

进一步，所述InAs/GaSb超晶格N型接触层包括30～80周期的InAs/GaSb 超晶格，且每个周期的所述InAs/GaSb超晶格包括3～4nm的InAs层和2～3nm 的GaSb层。

进一步，所述衬底为GaSb衬底。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、与传统的InAs/GaSb超晶格PIN长波结构相比，引入了宽禁带的 InAsSb空穴势垒层，通过掺杂调制，可使PN结耗尽区尽可能分布在InAsSb 势垒层，从而有效抑制产生-复合电流，提高器件的电学性能。

2、InAsSb结构的空穴势垒层和N型接触层不含Al元素，可以规避含 Al结构在材料生长过程中吸杂和器件加工过程中稳定性差的问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种II类超晶格长波红外探测器的示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种II类超晶格长波红外探测器能带结构示意图；

附图标记中：1-衬底；2-P型接触层；3-吸收层；4-空穴势垒层；5-N型接触层；6-上电极；7-下电极。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1和图2，本实用新型实施例提供一种II类超晶格长波红外探测器，包括衬底、于所述衬底上依次生长的P型接触层、吸收层、空穴势垒层以及N型接触层，所述P型接触层未生长所述吸收层的部位上制作有下电极，所述N型接触层上制作有上电极；所述空穴势垒层为InAsSb空穴势垒层。在本实施例中，与传统的InAs/GaSb超晶格PIN长波结构相比，引入了宽禁带的InAsSb空穴势垒层，通过掺杂调制，可使PN结耗尽区尽可能分布在 InAsSb势垒层，从而有效抑制产生-复合电流，提高器件的电学性能。如图2 所示的能带示意图中，InAsSb空穴势垒层的向下的结构可以有效抑制产生- 复合电流。

作为本实用新型实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述P型接触层为InAs/GaSb超晶格P型接触层。所述InAs/GaSb超晶格P型接触层包括50～80 周期的InAs/GaSb超晶格，且每个周期的所述InAs/GaSb超晶格包括2～3nm 的InAs层和2～3nm的GaSb层，且每个周期的所述InAs/GaSb超晶格的掺杂浓度为5×10¹⁷-3×10¹⁸cm^-3。所述吸收层为InAs/GaSb超晶格吸收层。所述 InAs/GaSb超晶格吸收层包括200～400周期的InAs/GaSb超晶格，且每个周期的所述InAs/GaSb超晶格包括4～5nm的InAs层和2～3nm的GaSb层，且每个周期的所述InAs/GaSb超晶格的掺杂浓度为1×10¹⁶-2×10¹⁶cm^-3。所述InAsSb 空穴势垒层中的Sb的占比在0.089-0.091之间，掺杂浓度为1×10¹⁶-3×10¹⁶cm^-3。所述N型接触层为InAs/GaSb超晶格N型接触层。所述InAs/GaSb超晶格N 型接触层包括30～80周期的InAs/GaSb超晶格，且每个周期的所述InAs/GaSb 超晶格包括3～4nm的InAs层和2～3nm的GaSb层，且每个周期的所述 InAs/GaSb超晶格的掺杂浓度为1×10¹⁸-3×10¹⁸cm^-3。所述衬底为GaSb衬底。在本实施例中，N型接触层不含Al元素，可以规避含Al结构在材料生长过程中吸杂和器件加工过程中稳定性差的问题。

作为本实用新型实施例的优化方案，生长方法包括但不限于分子束外延 (MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)。

以下为两个具体的实施例：

实施例1：

采用分子束外延(MBE)作为生长工艺，在GaSb衬底上进行本发明所述 II类超晶格长波探测器材料生长。生长所用束源为高纯固态源单质Ga、In、 As和Sb原料，采用Be、Si和Zn作为掺杂剂；生长温度为450℃，反应腔背景真空为1.0×10-9Torr。在对GaSb衬底进行高温脱氧处理后，按照图1所示的红外探测器结构依次生长：

(1)75个周期的InAs/GaSb超晶格，每个周期由2.1nm的InAs和2.4nm 的GaSb构成，在GaSb中掺入Be，浓度为2×1018cm-3；

(2)400个周期的InAs/GaSb超晶格，每个周期由4.3nm的InAs和2.1nm 的GaSb构成，在GaSb中掺入Be，浓度为2×1016cm-3；

(3)150nm厚的InAs0.911Sb0.089材料，在其中掺入Zn，浓度为 2×1016cm-3；

(4)60个周期的InAs/GaSb超晶格，每个周期由4.2nm的InAs和2.1nm 的GaSb构成，在InAs中掺入Si，浓度为3×1018cm-3；

生长完成后，采用湿法柠檬酸酸基腐蚀液制作台面，采用SU8胶对器件表面和侧壁进行钝化，使用标准光刻工艺制作电极孔，采用电子束蒸发工艺在InAs/GaSb超晶格N型接触层上制作TiPtAu上电极，在InAs/GaSb超晶格 P型接触层上制作TiPtAu下电极。TiPtAu的厚度为50nm/50nm/300nm。

InAs/GaSb超晶格吸收层截止波长约10μm，暗电流密度约 2.0×10-4A/cm2，量子效率约25％。暗电流密度相比传统InAs/GaSb超晶格PIN 结构探测器降低了1个数量级，证明器件电学性能得到明显改善。

实施例2：

采用分子束外延(MBE)作为生长工艺，在GaSb衬底上进行本发明所述 II类超晶格长波探测器材料生长。生长所用束源为高纯固态源单质Ga、In、 As和Sb原料，采用Be、Si和Zn作为掺杂剂；生长温度为480℃，反应腔背景真空为8×10-10Torr。在对GaSb衬底进行高温脱氧处理后，按照图1所示的红外探测器结构依次生长：

(1)60个周期的InAs/GaSb超晶格，每个周期由2.1nm的InAs和2.1nm 的GaSb构成，在GaSb中掺入Be，浓度为1×1018cm-3；

(2)300个周期的InAs/GaSb超晶格，每个周期由4.2nm的InAs和2.1nm 的GaSb构成，在GaSb中掺入Be，浓度为1×1016cm-3；

(3)120nm厚的InAs0.91Sb0.09材料，在其中掺入Zn，浓度为 2×1016cm-3；

(4)50个周期的InAs/GaSb超晶格，每个周期由2.1nm的InAs和2.1nm 的GaSb构成，在InAs中掺入Si，浓度为1×1018cm-3；

生长完成后，采用感应耦合等离子体刻蚀机(ICP)制作探测器台面，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺在样品表面沉积一层SiO2介质层对表面和侧面进行钝化，使用标准光刻和反应离子刻蚀(RIE)对钝化层进行选择性刻蚀，采用电子束蒸发工艺在InAs/GaSb超晶格N型接触层上制作 TiPtAu上电极，在InAs/GaSb超晶格P型接触层上制作TiPtAu下电极。TiPtAu 的厚度为30nm/30nm/250nm。

InAs/GaSb超晶格吸收层截止波长约10μm，暗电流密度约 8.0×10-5A/cm2，量子效率约30％。暗电流密度相比传统InAs/GaSb超晶格PIN 结构探测器降低了2个数量级，证明器件电学性能得到明显改善。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种II类超晶格长波红外探测器，包括衬底，其特征在于：还包括于所述衬底上依次生长的P型接触层、吸收层、空穴势垒层以及N型接触层，所述P型接触层未生长所述吸收层的部位上制作有下电极，所述N型接触层上制作有上电极；所述空穴势垒层为InAsSb空穴势垒层。

2.如权利要求1所述的一种II类超晶格长波红外探测器，其特征在于：所述P型接触层为InAs/GaSb超晶格P型接触层。

3.如权利要求2所述的一种II类超晶格长波红外探测器，其特征在于：所述InAs/GaSb超晶格P型接触层包括50～80周期的InAs/GaSb超晶格，且每个周期的所述InAs/GaSb超晶格包括2～3nm的InAs层和2～3nm的GaSb层。

4.如权利要求1所述的一种II类超晶格长波红外探测器，其特征在于：所述吸收层为InAs/GaSb超晶格吸收层。

5.如权利要求4所述的一种II类超晶格长波红外探测器，其特征在于：所述InAs/GaSb超晶格吸收层包括200～400周期的InAs/GaSb超晶格，且每个周期的所述InAs/GaSb超晶格包括4～5nm的InAs层和2～3nm的GaSb层。

6.如权利要求1所述的一种II类超晶格长波红外探测器，其特征在于：所述N型接触层为InAs/GaSb超晶格N型接触层。

7.如权利要求6所述的一种II类超晶格长波红外探测器，其特征在于：所述InAs/GaSb超晶格N型接触层包括30～80周期的InAs/GaSb超晶格，且每个周期的所述InAs/GaSb超晶格包括3～4nm的InAs层和2～3nm的GaSb层。

8.如权利要求1所述的一种II类超晶格长波红外探测器，其特征在于：所述衬底为GaSb衬底。

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