CN221282132U - 红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种红外探测器。所述红外探测器的吸收层为N型InAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构，或者N型InGaAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构，所述红外探测器的势垒层为N型InAsP层和N型InGaSb层交替层叠的超晶格结构。本实用新型提出的InAsP/InGaSb超晶格势垒层价带与In(Ga)As/InAsSb超晶格吸收区价带平齐，形成电子势垒，有助于降低器件暗电流，同时势垒层中不含Al，避免了含Al材料的氧化，降低了材料生长和加工的难度。
Description
技术领域
本实用新型属于光电以及半导体技术领域，具体地讲，涉及一种红外探测器。
背景技术
红外辐射探测是红外技术的重要组成部分，广泛应用于热成像、卫星遥感、气体监测、光通讯、光谱分析等领域。锑化物二类超晶格红外探测器由于具有均匀性好、俄歇复合率低、波长调节范围大等特点被认为是制备第三代红外探测器最理想的选择之一，目前已经进入批量生产阶段。
锑化物二类超晶格主要分两种，一种是InAs/GaSb超晶格，一种是InAs/InAsSb超晶格。InAs/InAsSb超晶格的少子寿命长、暗电流低、生长简单，相对InAs/GaSb超晶格有一定优势，尤其是在中波探测波段(3～5微米)。但是InAs/InAsSb超晶格必须配合电子势垒层才能实现高性能。理想的电子势垒指的是在两种材料界面电子输运存在势垒而空穴输运无阻碍，这就要求势垒的带宽比吸收区大，而势垒价带和吸收区平齐。在现有技术中InAs/InAsSb超晶格的电子势垒均为含AlSb的材料如AlAsSb、AlGaAsSb或AlAsSb/GaSb超晶格等。但是含Al材料极易氧化，这增加了红外探测器的生长和加工难度，影响器件的稳定性。而且含有AlSb的材料很难被工业界主流的材料生长方法金属有机物化学气相沉积(MOCVD)制备，只能用分子束外延(MBE)制备，成本较高，限制了其大规模应用推广。
实用新型内容
为了解决现有技术存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种基于InAs/InAsSb超晶格，但势垒层不含AlSb的红外探测器及其制作方法。
根据本实用新型的实施例的一方面提供的红外探测器，其中，所述红外探测器的吸收层为N型InAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构或者N型InGaAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构，所述红外探测器的势垒层为N型InAsP层和N型InGaSb层交替层叠的超晶格结构。
在上述一方面提供的红外探测器的一个示例中，所述势垒层的带宽大于所述吸收层的带宽，并且所述势垒层的价带与所述吸收层的价带平齐。
在上述一方面提供的红外探测器的一个示例中，所述红外探测器还包括衬底、第一接触层、第二接触层、第一电极以及第二电极；其中，所述第一接触层、所述吸收层、所述势垒层、所述第二接触层沿远离所述衬底的方向依序层叠设置在所述衬底上，所述第一电极与所述第一接触层接触，所述第二电极设置在所述第二接触层上。
在上述一方面提供的红外探测器的一个示例中，所述吸收层、所述势垒层以及所述第二接触层的局部被刻蚀去除，以形成露出所述第一接触层的台面结构，所述第一电极设置在露出的所述第一接触层上。
在上述一方面提供的红外探测器的一个示例中，所述衬底为N型InAs衬底或者N型GaSb衬底，和/或所述第一接触层为N型InAs材料或者N型InAsSb材料，和/或所述第二接触层为P型InAsP层和P型InGaSb层交替层叠的超晶格结构或者N型InAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构。
根据本实用新型的实施例的另一方面提供的红外探测器的制作方法，其包括：
交替层叠N型InAs层和N型InAsSb层或者交替层叠N型InGaAs层和N型InAsSb层来形成超晶格结构，以完成所述红外探测器的吸收层的制作；
交替层叠N型InAsP层和N型InGaSb层来形成超晶格结构，以完成所述红外探测器的势垒层的制作。
在上述另一方面提供的红外探测器的制作方法的一个示例中，所述势垒层的带宽大于所述吸收层的带宽，并且所述势垒层的价带与所述吸收层的价带平齐。
在上述另一方面提供的红外探测器的制作方法的一个示例中，在制作所述吸收层之前，所述制作方法还包括，在衬底上制作形成第一接触层；
其中，所述吸收层制作形成在所述第一接触层上，所述势垒层制作形成在所述所述吸收层上；
在制作所述势垒层之后，所述制作方法还包括，在所述势垒层上制作形成第二接触层，形成与所述第一接触层接触的第一电极，在所述第二接触层上形成第二电极。
在上述另一方面提供的红外探测器的制作方法的一个示例中，所述形成与所述第一接触层接触的第一电极，具体包括：对所述第二接触层、所述势垒层以及所述吸收层进行局部刻蚀，以形成露出所述第一接触层的台面结构；在露出的所述第一接触层上形成第一电极。
在上述另一方面提供的红外探测器的制作方法的一个示例中，所述衬底为N型InAs衬底或者N型GaSb衬底，和/或所述第一接触层为N型InAs材料或者N型InAsSb材料，和/或所述第二接触层为P型InAsP层和P型InGaSb层交替层叠的超晶格结构或者N型InAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构。
有益效果：本实用新型的红外探测器中完全不含Al，避免了含Al材料的氧化，降低了材料生长和加工的难度，提升了器件稳定性和可靠性。并且该器件可以用工业界主流的材料生长方法MOCVD制备，相对锑化物探测器的常规制备手段MBE，可以大幅降低成本，提高良率。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本实用新型的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本实用新型的实施例的红外探测器的结构示意图；
图2是根据本实用新型的实施例的红外探测器的能带示意图；
图3是根据本实用新型的实施例的红外探测器的InAsP/InGaSb超晶格势垒层与InGaAs/InAsSb超晶格吸收层各自的导带EC和价带EV的相对位置比对图；
图4a至图4d是根据本实用新型的实施例的红外探测器的制作方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本实用新型的具体实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本实用新型，并且本实用新型不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本实用新型的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本实用新型的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”、“根据”等表示“至少部分地基于”、“至少部分地根据”。术语“实施例”、“一个示例”、“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”、“另一实施例”、“另一个示例”、“又一个示例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。另外，为了方便解释，本文中将A(表示一种材料)层和B(表示另一种材料)层交替层叠的超晶格结构简述为A/B超晶格，也就是“A/B超晶格”与“A层和B层交替层叠的超晶格结构”是相同的概念。
如背景技术中所述，现有基于In(Ga)As/InAsSb超晶格的红外探测器均采用含AlSb的材料如AlAsSb、AlGaAsSb或AlAsSb/GaSb超晶格等。由于含Al材料极易氧化，这增加了红外探测器的生长和加工难度，影响器件的稳定性。而且含有AlSb的材料很难被工业界主流的材料生长方法MOCVD制备，只能用MBE制备，而MBE的成本高、良率低，限制了其大规模应用推广。
因此，为了解决上述问题，根据本实用新型的实施例提供了一种红外探测器及其制作方法。在该红外探测器中，采用无Al的InAsP/InGaSb超晶格(即InAsP层和InGaSb层交替层叠的超晶格结构)作为电子势垒层，并采用InAs/InAsSb超晶格(即InAs层和InAsSb层交替层叠的超晶格结构)或InGaAs/InAsSb超晶格(即InGaAs层和InAsSb层交替层叠的超晶格结构)作为吸收层。该实用新型的核心思想是，通过具有压应力的InGaSb与具有张应力的InAsP来形成应力平衡的超晶格结构，将该超晶格结构作为势垒层来使用。由于超晶格势垒层的价带就由InAsP和InGaSb共同决定，可以满足价带与In(Ga)As/InAsSb超晶格吸收层价带平齐，并且有效带宽大于In(Ga)As/InAsSb超晶格的有效带宽。因此，根据本实用新型的实施例提供了一种不含Al的In(Ga)As/InAsSb锑化物超晶格红外探测器，从而可以降低红外探测器的生长和加工难度，并且不会影响器件的稳定性。
以下将结合附图来详细描述根据本实用新型的实施例的红外探测器。
图1是根据本实用新型的实施例的红外探测器的结构示意图。
参阅图1所示，根据本实用新型的实施例提供的红外探测器，其包括：衬底10；从下而上叠层设置在衬底10上(即沿远离所述衬底的方向依次层叠设置)的第一接触层11、吸收层12、势垒层13和第二接触层14；以及第一电极15和第二电极16；其中，所述第一电极15设置在所述第一接触层11上，所述第二电极16设置在所述第二接触层14上。
在一个示例中，所述衬底10可以为N型InAs衬底或N型GaSb衬底。
在一个示例中，所述第一接触层11可以为N型InAs或N型InAsSb材料，所述第一接触层11的厚度可以为0.2μm～0.5μm，掺杂源可以选用Si或Te，掺杂浓度可以为1×1018cm-3～1×1019cm-3。
在一个示例中，所述吸收层12可以为N型InAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构或者N型InGaAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构，所述吸收层12的厚度可以为2μm～5μm，掺杂源可以选用Si或Te，掺杂浓度可以为1×1015cm-3～1×1017cm-3，对应带宽可以为0.2eV～0.5eV。
在一个示例中，所述势垒层13可以为N型InAsP层和N型InGaSb层交替层叠的超晶格结构，所述势垒层13的厚度可以为0.1μm～0.5μm，掺杂源可以选用Si或Te，掺杂浓度可以为1×1015cm-3～1×1017cm-3，对应带宽可以为0.6eV～0.9eV。
在一个示例中，所述第二接触层14可以为为P型InAsP层和P型InGaSb层交替层叠的超晶格结构或者N型InAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构，所述第二接触层14的厚度可以为0.2μm～0.5μm，掺杂源可以选用Zn、Be、Si或Te，掺杂浓度可以为1×1018cm-3～1×1019cm-3，对应带宽可以为0.2eV～0.9eV。
以下对根据本实用新型的实施例的红外探测器的能带进行详细描述。图2是根据本实用新型的实施例的红外探测器的能带的示意图。
一并参照图1和图2，所述势垒层13的带宽大于所述吸收层12的带宽，且所述势垒层13的价带EV与吸收层12的价带EV平齐，构成电子势垒。这样在器件工作时，在吸收层12产生的噪声热电子被势垒层13的势垒阻挡，有效抑制了器件的暗电流；同时对于在吸收层12吸收光信号后产生的电子空穴对，电子被第一接触层11收集，空穴越过势垒层13后被第二接触层14收集。也就是说，含有电子势垒的异质结构能够抑制探测器的暗电流和噪声，同时也保证了光电流的正常吸收，从而提高了红外探测器的探测性能。
现有的基于In(Ga)As/InAsSb超晶格的红外探测器均采用含AlSb的材料做势垒层。而在根据本实用新型的实施例的红外探测器中，采用InAsP/InGaSb超晶格做InGaAs/InAsSb超晶格的电子势垒，其能带排布和物理原理如图3所示。图3是根据本实用新型的实施例的红外探测器的InAsP/InGaSb超晶格势垒层与InGaAs/InAsSb超晶格吸收层各自的导带EC和价带EV的相对位置比对图。
参照图3，InAsP晶格参数比衬底InAs或者GaSb都小，呈张应力。为了平衡应力，采用InGaSb材料，其晶格参数比InAs或者GaSb大，这样通过合适的厚度和组分选择可以构成应力平衡的超晶格。同时参考InAsP、InGaSb、InAsSb、以及InGaAs单层材料的能带相对位置，InAsP/InGaSb超晶格形成微带后的价带EV与可以与InGaAs/InAsSb超晶格的EV平齐，而导带EC高于InGaAs/InAsSb超晶格的EC。这样InAsP/InGaSb超晶格可以作为InGaAs/InAsSb超晶格的电子势垒。通过超晶格组分和厚度的灵活组合，吸收波长可在2.5微米～6微米之间灵活调节，完全覆盖了中波红外的范围。
以下对根据本实用新型的实施例的红外探测器的制程进行详细说明。图4a至图4d是根据本实用新型的实施例的红外探测器的制作方法的制程图。
参照图4a，提供一衬底10。在一个示例中，所述衬底10可以选用N型InAs衬底或者N型GaSb的衬底。
参照图4b，在所述衬底10上从下而上地依次生长形成叠层的第一接触层11、吸收层12、势垒层13、以及第二接触层14。
在一个示例中，采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺在所述衬底10上从下而上地依次生长形成第一接触层11、吸收层12、势垒层13、以及第二接触层14。具体地，以金属有机物化学气相沉积工艺作为生长工艺，生长源为TMIn、TMGa、TMSb、AsH3以及PH3，n型掺杂源为SiH4，p型掺杂源为DEZn，生长温度设置为约600℃，反应室压力设置为200Torr。在高温处理除去步骤S1中衬底10表面的杂质后，从下而上在衬底10上依次生长：
(1)第一接触层11。在一个示例中，第一接触层11为N型InAs材料，厚度为0.2μm，掺Si，掺杂浓度为1×1018cm-3。
(2)吸收层12。在一个示例中，吸收层12为N型InGaAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构，厚度为2μm，掺Si，掺杂浓度为5×1015cm-3，对应带宽为0.25eV。
(3)势垒层13。在一个示例中，势垒层13为N型InAsP层和N型InGaSb层交替层叠的超晶格结构，厚度为0.1μm，掺Si，掺杂浓度为2×1015cm-3，对应带宽为0.7eV。
(4)第二接触层14。在一个示例中，第二接触层14为P型InAsP层和P型InGaSb层交替层叠的超晶格结构，厚度为0.2μm，掺Zn，掺杂浓度为1×1018cm，对应带宽为0.7eV。
这里，采用了MOCVD工艺作为第一接触层11、吸收层12、势垒层13、以及第二接触层14的生长工艺，获得的红外探测器截止波长约为5μm。由于MOCVD工艺产能大、成本低，采用该工艺能够减小成本，提高红外探测器的性价比。
在另一个示例中，使用分子束外延(MBE)工艺作为生长工艺，生长源为固态单质源Ga、In、As、P以及Sb，n型掺杂源为Te，生长温度约为400℃。在衬底10经过除气去杂后，从下而上在衬底10上依次生长：
(1)第一接触层11。在一个示例中，第一接触层11为N型InAsSb材料，厚度为0.5μm，掺Te，掺杂浓度为1×1019cm-3。
(2)吸收层12。在一个示例中，吸收层12为N型InAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构，厚度为5μm，掺Te，掺杂浓度为1×1017cm-3，对应带宽为0.4eV。
(3)势垒层13。在一个示例中，势垒层13为N型InAsP层和N型InGaSb层交替层叠的超晶格结构，厚度为0.5μm，掺Te，掺杂浓度为5×1016cm-3，对应带宽为0.9eV。
(4)第二接触层14。在一个示例中，第二接触层14N型InAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构，厚度为0.5μm，掺Te，掺杂浓度为1×1019cm-3，对应带宽为0.4eV。
在采用MBE工艺作为生长工艺的情况下，获得的红外探测器的截止波长约为3.1μm。由于MBE工艺能形成陡峭界面，此工艺获得的短波红外探测器的性能较高。
参照图4c，对所述第二接触层14、所述势垒层13、所述吸收层12进行局部刻蚀，形成露出了所述第一接触层11的台面结构A。
在一个示例中，采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺对所述第二接触层14、所述势垒层13、所述吸收层12进行局部刻蚀，使所述第一接触层11露出，从而形成台面结构A。
在另一个示例中，采用湿法腐蚀工艺对所述第二接触层14、所述势垒层13、所述吸收层12进行局部刻蚀，使所述第一接触层11露出，从而形成台面结构A。
参照图4d，在所述第一接触层11上沉积第一电极15，并在所述第二接触层14上沉积第二电极16。
在一个示例中，采用电子束蒸发工艺在露出的所述第一接触层11上沉积所述第一电极15，在所述第二接触层14上沉积所述第二电极16。其中，第一电极15和第二电极16均为组合。
在另一个示例中，采用电子束蒸发工艺在露出的所述第一接触层11上沉积所述第一电极15，在所述第二接触层14上沉积所述第二电极16。其中，第一电极15和第二电极16均为组合。
综上所述，根据本实用新型的实施例的红外探测器及其制作方法，器件结构采用了In(Ga)As/InAsSb超晶格吸收区，但势垒层完全不含Al，避免了含Al材料的氧化，降低了材料生长和加工的难度，并且可以用工业界主流的材料生长方法MOCVD制备，相对锑化物探测器的常规制备手段MBE，可以大幅降低成本，提高良率。
在整个本说明书中使用的术语“示例性”、“示例”等意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。
以上结合附图详细描述了本实用新型的实施例的可选实施方式，但是，本实用新型的实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的实施例的技术构思范围内，可以对本实用新型的实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的实施例的保护范围。
本说明书内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本说明书内容。对于本领域普通技术人员来说，对本说明书内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本说明书内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
Claims (5)
1.一种红外探测器，其特征在于，所述红外探测器的吸收层(12)为N型InAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构或者N型InGaAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构，所述红外探测器的势垒层(13)为N型InAsP层和N型InGaSb层交替层叠的超晶格结构。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述势垒层(13)的带宽大于所述吸收层(12)的带宽，并且所述势垒层(13)的价带与所述吸收层(12)的价带平齐。
3.根据权利要求1或2所述的红外探测器，其特征在于，所述红外探测器还包括衬底(10)、第一接触层(11)、第二接触层(14)、第一电极(15)以及第二电极(16)；其中，所述第一接触层(11)、所述吸收层(12)、所述势垒层(13)、所述第二接触层(14)沿远离所述衬底(10)的方向依序层叠设置在所述衬底(10)上，所述第一电极(15)与所述第一接触层(11)接触，所述第二电极(16)设置在所述第二接触层(14)上。
4.根据权利要求3所述的红外探测器，其特征在于，所述吸收层(12)、所述势垒层(13)以及所述第二接触层(14)的局部被刻蚀去除，以形成露出所述第一接触层(11)的台面结构(A)，所述第一电极(15)设置在露出的所述第一接触层(11)上。
5.根据权利要求3所述的红外探测器，其特征在于，所述衬底(10)为N型InAs衬底或者N型GaSb衬底，和/或所述第一接触层(11)为N型InAs材料或者N型InAsSb材料，和/或所述第二接触层(14)为P型InAsP层和P型InGaSb层交替层叠的超晶格结构或者N型InAs层和N型InAsSb层交替层叠的超晶格结构。
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| CN221282132U true CN221282132U (zh) | 2024-07-05 |
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