專利名稱：諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種半導(dǎo)體探測技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探
測器的制備方法。
背景技術(shù)：
紅外和亞毫米波段(30-1000微米)蘊(yùn)藏了天體運(yùn)動和固體紅外材料的許多信息， 因此高性能的遠(yuǎn)紅外探測器在天體物理，紅外物理和新材料探索等研究上具有廣泛的應(yīng)用 前景。近年來，一個新型同質(zhì)結(jié)內(nèi)反射遠(yuǎn)紅外探測器的概念被提出并得到很好的發(fā)展。目 前，運(yùn)用成熟材料GaAs， Si的同質(zhì)結(jié)探測器已成功實現(xiàn)，且這些探測器的性能可以比得上 傳統(tǒng)的鍺非本征光電探測器和阻擋雜質(zhì)探測器(BIB)。量子效率是衡量探測器性能的重要 指標(biāo)，但是已實現(xiàn)的同質(zhì)結(jié)探測器的量子效率普遍偏低，而且在截止波長附近量子效率更 低。低的量子效率限制了探測器的實際應(yīng)用，因此進(jìn)一步提高量子效率是當(dāng)務(wù)之急。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在光電探測器上施加一對反射鏡構(gòu)成諧振腔(RCE)結(jié)構(gòu)能夠有效提 高探測器的量子效率。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，M. S.Unlu and S. Strite在J. Appl. Phys.(應(yīng)用物理雜志)第78巻(1995)607頁報道，在光電探測器在施加一對反射鏡，即頂 部反射鏡和底部反射鏡，這樣形成了諧振腔的結(jié)構(gòu)能夠明顯提高了探測器的量子效率。它 的原理是利用諧振腔結(jié)構(gòu)使入射光在腔體內(nèi)形成多次反射且經(jīng)過吸收區(qū)域，從而被充分吸 收。諧振腔被大量應(yīng)用在近紅外和中紅外探測器上，但在遠(yuǎn)紅外波段的應(yīng)用還是有限的。經(jīng) 檢索發(fā)現(xiàn)，針對于遠(yuǎn)紅外探測器，Y. H. Zhang等人在Appl. Phys. Lett.(應(yīng)用物理快報)第 82巻(2003) 1129頁提出了以探測器與空氣形成的界面為頂部反射鏡，而底部反射鏡是由 底部電極層和它下面的多周期的非摻雜的砷化鎵組成的。這種諧振腔結(jié)構(gòu)有效提高了量子 效率，但是由于底部反射鏡的反射率不夠大，限制了量子效率進(jìn)一步的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器的制備方 法，克服遠(yuǎn)紅外探測器的量子效普遍偏低的不足，大大得提高該探測器的量子效率。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟 (1)確定要生長的探測器類型和反射鏡的結(jié)構(gòu)探測器的類型是同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射 探測器，頂部反射鏡是由空氣與探測器形成的界面，而底部反射鏡是在遠(yuǎn)紅外波段反射率 高且相位匹配的反射鏡。 (2)利用菲涅爾系數(shù)矩陣和介電函數(shù)模型，通過數(shù)值計算得到腔體內(nèi)的量子效率。 通過使諧振腔內(nèi)的量子效率最大化，得到優(yōu)化的探測器和底部反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參 數(shù)。 (3)根據(jù)得到優(yōu)化的參數(shù)，用分子束外延法生長諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器(包括探 測器和反射鏡) 步驟(1)中，所述的探測器為n型砷化鎵同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射的探測器，它是由多周期
3交替的摻雜的發(fā)射層和非摻雜的本證層組成的探測器；所述的反射鏡，從上到下有高摻雜 的底部電極層、非摻雜的砷化鎵層、金屬層。 步驟(2)中，從基本的菲涅爾系數(shù)矩陣出發(fā)，針對多層膜結(jié)構(gòu)和光線入射的情況， 推導(dǎo)出每層界面的反射率R和透射率T的計算公式，并根據(jù)介電函數(shù)模型，結(jié)合探測器的參 數(shù)，計算出遠(yuǎn)紅外波段探測器表面的反射率以及探測器腔與底部反射鏡界面上的光透射率 T，通過公式A二 l-T-R就可以得到探測器腔內(nèi)的吸收率。通過公式求得內(nèi)部量子效率nb
和勢壘收集率nc，這樣就得到探測器腔體內(nèi)的總的量子效率ntotal =ax nbx nc。通
過使探測器腔內(nèi)的量子效率最大，并結(jié)合考慮可行性的約束，優(yōu)化探測器結(jié)構(gòu)和底部反射 鏡結(jié)構(gòu)。 步驟(3)中，根據(jù)優(yōu)化得到結(jié)構(gòu)參數(shù)和摻雜濃度，利用分子束外延生長裝置制備
遠(yuǎn)紅外探測器結(jié)構(gòu)和底部反射鏡結(jié)構(gòu)，這樣就得到一個量子效率比較高的諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外 探測器。 本發(fā)明通過優(yōu)化探測器結(jié)構(gòu)并在其探測器上施加金屬反射鏡實現(xiàn)了遠(yuǎn)紅外探測
器腔內(nèi)的量子效率的提高，從而提高了該探測器的響應(yīng)率，探測率等性能，并且為其他遠(yuǎn)紅 外探測器提供一種新的方法。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行
實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施 例。 本實施例包括以下步驟 (1)確定要生長的探測器類型為n型砷化鎵同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射的探測器，它是由多 周期交替的摻雜的發(fā)射層和非摻雜的本證層組成的；頂部反射鏡簡單認(rèn)為是空氣與探測器 形成的界面；確定要生長的底部反射鏡是由高摻雜的砷化鎵底部電極層，非摻雜的砷化鎵 層，以及Au金屬層(折射率為152+329i)。本實施例是提高探測器腔體內(nèi)的總量子效率。 它是吸收率A，內(nèi)部量子效率nb，勢壘收集率nc這三部分的乘積。根據(jù)菲涅爾系數(shù)矩陣 和介電函數(shù)模型，通過數(shù)值計算可以得到吸收率A。內(nèi)部量子效率nb二e鄧(-d/Lz)，其中 Lz為非彈性散射的平均自由程(Lz二 750 )，d為發(fā)射層的厚度。勢壘收集率nc—般 默認(rèn)為1。 通過公式就可以數(shù)值求解探測器腔內(nèi)的量子效率，為了使量子效率的最大化，可 以優(yōu)化探測器結(jié)構(gòu)以及底部反射鏡的結(jié)構(gòu)。 最優(yōu)的探測器結(jié)構(gòu)需要合適的周期N，發(fā)射層的摻雜濃度以及厚度，以及本征層的 厚度；而底部反射鏡的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化一般可以通過調(diào)整底部反射鏡內(nèi)的非摻雜層以及金屬層 的厚度來完成。 (2)考慮材料的生長性，根據(jù)優(yōu)化參數(shù)可以得到n型砷化鎵同質(zhì)結(jié)探測器的從下 到上的結(jié)構(gòu)為1500 底部砷化鎵本征層，接著是20個周期的發(fā)射層(硅摻雜砷化鎵，厚 度600 ，摻雜濃度n型1. 2 X 1017cm—3) /本征層(非摻雜砷化鎵，厚度1000 )，最后覆蓋 3000 的頂部電極層(硅摻雜砷化鎵，摻雜濃度為n型2X 1018cm—3)。 (3)再根據(jù)優(yōu)化探測器底部反射鏡參數(shù)，使用分子束外延裝置生長諧振增強(qiáng)n型砷化鎵同質(zhì)結(jié)探測器結(jié)構(gòu)為基片為半絕緣的砷化鎵襯底，在20個周期的GaAs(20 )/Al。.3。Ga。.7。As(20 )的超晶格緩沖層上，生長3000 砷化鎵非摻雜層，接著是5000 的底部電極層(硅摻雜，摻雜濃度為n型2X 1018cm—3)，在底部電極層上生長n型砷化鎵同質(zhì)結(jié)探測器結(jié)構(gòu)。生長出這種優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，除去襯底，在底部電極層下面鍍一層1000 厚的Au金屬層，這樣就得到了一種量子效率高的諧振增強(qiáng)n型砷化鎵同質(zhì)結(jié)遠(yuǎn)紅外探測器。
本實施例實現(xiàn)的是一種諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器，它的優(yōu)點在于該實例使用的是n型砷化鎵同質(zhì)結(jié)探測器，相對于p型砷化鎵同質(zhì)結(jié)探測器以及其他探測器，更容易實現(xiàn)了長的截止波長；其次，該實例成功得實現(xiàn)了探測器的量子效率大幅度被提高，探測器腔內(nèi)的量子效率可以達(dá)到18.8%，是沒有加底部反射鏡探測器(4.9%)的三倍，超過報道過的n型Si或者p型GaAs同質(zhì)結(jié)遠(yuǎn)紅外探測器量子效率。
權(quán)利要求
一種諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、確定要生長的探測器類型和反射鏡的形式探測器的類型是同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射探測器，頂部反射鏡是由空氣與探測器形成的界面，而底部反射鏡是在遠(yuǎn)紅外波段反射率高且相位匹配的反射鏡；第二步、利用菲涅爾系數(shù)矩陣和介電函數(shù)模型，通過數(shù)值計算得到腔體內(nèi)的量子效率，通過使諧振腔內(nèi)的量子效率最大化，得到優(yōu)化的探測器和底部反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)；第三步、根據(jù)得到優(yōu)化的參數(shù)，用分子束外延法生長諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器的制備方法，其特征是，第一步中所 述的探測器為n型砷化鎵同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射的探測器，它是由多周期交替的摻雜的發(fā)射層和 非摻雜的本證層組成的探測器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器的制備方法，其特征是，第一步中所 述的反射鏡，從上到下有高摻雜的底部電極層、非摻雜的砷化鎵層、金屬層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器的制備方法，其特征是，第二步具體是指從利用基本的菲涅爾系數(shù)矩陣出發(fā)，針對多層膜結(jié)構(gòu)和光線入射的情況，推導(dǎo)出每層界面的反射率R和透射率T的計算公式，并根據(jù)介電函數(shù)模型，結(jié)合探測器的參數(shù)，計算出 遠(yuǎn)紅外波段探測器表面的反射率以及探測器腔與底部反射鏡界面上的光透射率T，通過公 式A二卜T-R得到探測器腔內(nèi)的吸收率。通過公式求得內(nèi)部量子效率nb和勢壘收集率nc，這樣得到探測器腔體內(nèi)的總的量子效率ntotal = A*nb*nc。通過使探測器腔內(nèi)的量子效率最大，并結(jié)合考慮可行性的約束，優(yōu)化諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器和底部反射鏡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器的制備方法，其特征是，第三步具體是指根據(jù)優(yōu)化得到結(jié)構(gòu)參數(shù)和摻雜濃度，利用分子束外延生長裝置制備遠(yuǎn)紅外探測器結(jié)構(gòu)和底部反射鏡結(jié)構(gòu)，這樣就得到一個量子效率比較高的諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器。
全文摘要
一種半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器的制備方法，包括確定要生長的探測器類型和反射鏡的結(jié)構(gòu)探測器的類型是同質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射探測器，頂部反射鏡是由空氣與探測器形成的界面，而底部反射鏡是在遠(yuǎn)紅外波段反射率高且相位匹配的反射鏡；利用菲涅爾系數(shù)矩陣和介電函數(shù)模型，通過數(shù)值計算得到腔體內(nèi)的量子效率，通過使諧振腔內(nèi)的量子效率最大化，得到優(yōu)化的探測器和底部反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)；根據(jù)得到優(yōu)化的參數(shù)，用分子束外延法生長諧振增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外探測器。本發(fā)明克服遠(yuǎn)紅外探測器的量子效普遍偏低的不足，大大得提高該探測器的量子效率。
文檔編號H01L31/18GK101697365SQ200910309228
公開日2010年4月21日 申請日期2009年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月3日
發(fā)明者張月蘅, 沈文忠, 鄭美妹 申請人:上海交通大學(xué);