專利名稱：晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電探測器外延結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，特別涉及一種晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體光電探測器一般屬于量子型的探測器，其發(fā)明已有百余年歷史，可以采用各種半導(dǎo)體材料，在眾多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。半導(dǎo)體光電探測器的結(jié)構(gòu)已由簡單的體材料發(fā)展到復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)、量子阱、超晶格等微結(jié)構(gòu)材料，涉及的波長范圍由早期在可見-近紅外的狹窄波段拓展到整個紫外、可見、近紅外、中紅外乃至遠(yuǎn)紅外波段，材料體系也包含VI、 III-V、II-VI、IV-VI及有機(jī)化合物等等，也有光導(dǎo)、光伏等多種類型，不一而足，最常見的是基于pn結(jié)的光伏型光電探測器。目前典型的采用III-V族化合物材料的pn結(jié)型光電探測器一般是在hP、GaAs, GaSb, InAs等襯底上用外延方法上制作，其基本結(jié)構(gòu)包括一個導(dǎo)電緩沖層(可兼作下接觸層)、一個低摻雜(或非故意摻雜)的光吸收層和一個帽層，在帽層中可以采用外延原位摻雜、外延后擴(kuò)散摻雜或離子注入等方法形成pn結(jié)。一般帽層希望采用禁帶較寬的材料以利于透光和提高器件性能。為提高材料生長質(zhì)量，在緩沖層、光吸收層和帽層材料的選擇上優(yōu)先考慮與襯底晶格匹配的體系，這樣可以提高器件性能和避免一系列由于晶格失配造成的困難。以短波紅外波段常用的III-V族材料InP和InGaAs為例探測器的光吸收層采用與InP襯底晶格匹配的Ina53G^l47As三元系，緩沖層和帽層可以用hP，也可以用禁帶更寬的晶格匹配 Ina52Ala48As三元系。Ina53GEta47As三元系材料在室溫下的帶隙約0. 75eV，對應(yīng)的帶隙波長約1. 65 μ m,因此探測器的峰值響應(yīng)波長可達(dá)約1. 6 μ m，且在約1-1. 6ym的波段上有平坦的響應(yīng)，在此波段上其內(nèi)量子效率可大于90%且基本維持不變。對于需要寬波段響應(yīng)的應(yīng)用，這種具有寬譜平坦響應(yīng)的特點十分有利，但由于Ina53Giia47As材料的帶隙相對較窄，器件的暗電流會較高，實際應(yīng)用中要降低暗電流只能靠降低工作溫度，給一些應(yīng)用場合帶來困難。再拿這個波段上的Ina53Giia47As探測器和Si探測器做個比較Si的帶隙約1. 12eV 對應(yīng)的截止波長約1. Ιμπι。對于同樣探測約Iym左右的光而言，這兩種探測器可以具有相同的量子效率或光響應(yīng)，而由于Si的帶隙要明顯大于Ina53Giia47As, Si探測器的暗電流要低數(shù)個量級，因此在系統(tǒng)性能方面會有十分顯著的優(yōu)勢。而對于需要探測波長大于Si的帶隙波長的光如1. 3μπι的光時，Si探測器就無能為力了。然而注意到，在許多應(yīng)用場合下人們并不需要很寬的光譜響應(yīng)，例如對航天遙感中1. 36 μ m和1. 12 μ m附近水汽波段的探測，約0. 1 μ m的響應(yīng)譜寬就足以符合要求；再如醫(yī)學(xué)光治療研究中單態(tài)氧的熒光檢測需要探測的光的中心波長在1. 27μπι，需要的光譜帶寬僅幾十納米，顯然這些應(yīng)用中是無法采用Si探測器的。這些應(yīng)用系統(tǒng)中還常要求探測光譜范圍盡量窄以減小干擾，在使用寬響應(yīng)光譜探測器的情況下這就需要使用窄帶帶通濾光片等方法加以實現(xiàn)，這一方面加大了光損耗和系統(tǒng)復(fù)雜程度，另一方面也沒有充分發(fā)揮器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法，該材料的生長方法簡單，通過對光電探測器光吸收層帶隙的裁剪設(shè)定， 在基本不改變原有器件設(shè)計的前提下顯著改善器件性能，探測率改善3倍以上，材料生長和器件芯片加工工藝也基本維持不變；既適合一些不同種類的III-V族化合物材料體系光電探測器件的制作，也適合其他類型的光電器件及電子器件的制作及拓展到其他材料體系，具有良好的應(yīng)用前景。本發(fā)明的一種裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法，包括采用分子束外延法或金屬有機(jī)物氣相外延法，在襯底上生長晶格匹配的緩沖層、 光吸收層和寬禁帶帽層得到光電探測器件外延結(jié)構(gòu)；其中，生長過程中對光吸收層的帶隙進(jìn)行裁剪設(shè)定，在滿足應(yīng)用中對光電探測器長波端截止波長要求的前提下選取寬帶隙。所述襯底為半絕緣或高摻雜導(dǎo)電襯底，材料為hP。所述緩沖層材料為與襯底晶格匹配的hP、Ina52Ala48As或Ina53Giia47As,厚度為 0. 2-2微米。所述光吸收層為非故意摻雜或低摻雜η型，材料為與襯底晶格匹配的四元系 InAlGaAs 或 hGaAsP，厚度為 1-3 微米。所述寬禁帶帽層為非故意摻雜或低摻雜η型，或是高摻雜P型，材料為與襯底晶格匹配的hP或hQ.52AlQ.48AS，厚度為0. 5-1微米。所述對光吸收層的帶隙進(jìn)行裁剪設(shè)定，光吸收層材料為四元系InAKiaAs時，在應(yīng)用中需將材料的帶隙由Ina53Giia47As的0. 75eV調(diào)整到0. 9eV使其截止波長減小到1. 38 μ m, 則Al組分由0增加至8%，( 組分由47%減小8%至39%，In的組分保持不變，使四元系的組分達(dá)到 Ina53Alatl8Giia39Astj所述對光吸收層的帶隙進(jìn)行裁剪設(shè)定，光吸收層材料為四元系InGaAsP時，在應(yīng)用中需將材料的帶隙由Ina53Giia47As的0. 75eV調(diào)整到0. 9eV使其截止波長減小到1. 38 μ m, 則h組分由53%增加14%至67%，fei組分由47%減小14%至33%，同時減少
組分和引入的P組分，使四元系的組分達(dá)到Ina67GEici.MAw71Pci,所述方法不僅限于hP襯底及IniUGaAs或InGaAsP晶格匹配材料體系，也可以拓展到其他襯底和與其匹配的材料體系。本發(fā)明的出發(fā)點和優(yōu)點在于(1)在III-V族晶格匹配的材料體系中一些四元系可以在維持晶格常數(shù)不變的情況下改變帶隙，而在材料生長中采用合適的策略可以使這些四元系材料的生長較為方便，從而不顯著增加材料生長的難度；( 對于光電探測器等器件而言，增加材料的帶隙有利于減小其本征載流子濃度，從而顯著降低器件的暗電流(漏電流)和提高其擊穿電壓，大大改善器件性能，這樣與采用較窄帶隙的材料相比，在保證同樣性能的前提下器件就可以有更高的工作溫度，從而大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。有益效果(1)本發(fā)明材料生長方法簡單，通過對光電探測器光吸收層帶隙的裁剪設(shè)定，在基本不改變原有器件設(shè)計的前提下顯著改善器件性能，探測率改善3倍以上，材料生長和器件芯片加工工藝也基本維持不變；(2)本發(fā)明設(shè)定探測器的長波端截止波長有利于提高器件的抗干擾特性，對簡化系統(tǒng)設(shè)計和提高系統(tǒng)性能也十分有利；(3)本發(fā)明既適合一些不同種類的III-V族化合物材料體系光電探測器件的制作，也適合其他類型的光電器件及電子器件的制作及拓展到其他材料體系，具有良好的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的實施示意圖，其中，1為襯底，2為緩沖層，3為裁剪設(shè)定帶隙的光吸收層，4為寬禁帶帽層。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。實施例1(1)采用分子束外延法(MBE)在InP襯底上生長包括緩沖層、光吸收層和寬禁帶帽層的晶格匹配光電探測器外延結(jié)構(gòu)。InP襯底采用半絕緣導(dǎo)電類型；緩沖層選用禁帶較窄的Ina53Giia47As,厚度為200納米，摻雜及其濃度根據(jù)器件的最終要求確定；光吸收層為非故意摻雜，采用對其帶隙裁剪設(shè)定的四元系的InAKiaAs，厚度為1微米；寬禁帶帽層可為非故意摻雜，材料為Ina52Ala48As,厚度為0. 5微米；(2)四元系InMGaAs光吸收層的組分和帶隙的裁剪設(shè)定根據(jù)所需器件的長波截止波長要求決定。在與InP襯底晶格匹配情況下InMGaAs四元系可以看成兩個晶格匹配三元系 In0.KAl0.48As 禾口 In0.53Ga0.47As 的、混晶，其組分可表示為(In0.52A10.48As)x(In0.53Ga0.47As) y(x+y = 1)。例如在保持晶格匹配的前提下需要將材料的帶隙由Ina53Giia47As的0. 75eV 調(diào)整到0. 9eV使其截止波長減小到1. 38 μ m,則Al組分需由0增加到8%，同時fei組分由 47%減小8%至39%，In的組分基本維持不變，即使四元系的組分達(dá)到Ina53Alaci8Giia39As, 相當(dāng)于χ = 0. 167,y = 0. 833，在此情況下器件的暗電流可以減少一個量級以上，探測率改善3倍以上；(3)用MBE方法生長La53Alaci8Giia39As光吸收層時，考慮到Al和( 在生長中具有相近的粘附系數(shù)，因此其生長參數(shù)仍可由生長晶格匹配的Ina52Ala48As和Ina53Giia47As 三元系的生長條件初步確定，即維持^和As的束流條件不變，將Al束流減小到生長晶格匹配的Ina52Ala48As時的16. 7%，同時將( 束流減小到生長晶格匹配的Ina53GEta47As時的 83.3%，這樣即可保持晶格匹配生長條件并維持生長速率和V/III比等參數(shù)基本不變，最終的生長條件可以根據(jù)X-ray晶格參數(shù)的測試再進(jìn)行微調(diào)。實施例2(1)采用金屬有機(jī)物氣相外延MOVPE法在InP襯底上生長包括緩沖層、光吸收層和寬禁帶帽層的晶格匹配光電探測器外延結(jié)構(gòu)。InP襯底采用N型高摻雜導(dǎo)電類型；緩沖層選用InP材料以適合背面進(jìn)光要求，厚度為2000納米，摻雜及其濃度也可根據(jù)器件的最終要求確定；光吸收層為低摻雜η型，采用對其帶隙裁剪設(shè)定的四元系的^iGaAsP,厚度為3微米；寬禁帶帽層為為高摻雜P型，材料為^p，厚度為1微米；(2)四元系InGaAsP光吸收層的組分和帶隙的裁剪設(shè)定根據(jù)所需器件的長波截止波長要求決定。在與InP襯底晶格匹配情況下InGaAsP四元系可以看成二元系InP和晶格匹配三元系In0.53Ga0.47As的混晶，其組分可表示為(InP)x(In0.53Ga0.47As)y(x+y = 1)。例如在保持晶格匹配的前提下需要將材料的帶隙由Ina53G^l47As的0. 75eV調(diào)整到0. 9eV 使其截止波長減小到1.38μπι，則h組分需由53%增加14%至67%，Ga組分由47%減小14%至33 %，同時相應(yīng)減少四%的As組分和引入四％的P組分，使四元系的組分達(dá)到 La67Giia33Asa71Pa29,相當(dāng)于χ = 0. 29, y = 0. 71，在此情況下器件的暗電流可以減少一個量級以上，探測率改善3倍以上；(3)用MOVPE方法生長Ina67Giia33Aiia71Pc^9光吸收層時，In、Ga、As和P的生長源流量參數(shù)需要參照InP和Ma53G^47As的生長參數(shù)同步調(diào)節(jié)以達(dá)到所設(shè)定的組分，并保持合適的V/III比和生長速率。最終的生長條件可以根據(jù)X-ray晶格參數(shù)的測試再進(jìn)行微調(diào)。需要進(jìn)一步說明的是，本發(fā)明需采用晶格匹配的材料體系以確保所生長材料的高質(zhì)量，由前述實施方案可見，采用此四元系光吸收層的器件其后續(xù)工藝可以完全相同。除此之外，此種方案不僅適合正面進(jìn)光的單元或陣列器件，也適合于采用倒扣封裝的背面進(jìn)光單元或陣列器件，實現(xiàn)方式相當(dāng)靈活。
權(quán)利要求
1.一種晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法，包括采用分子束外延法或金屬有機(jī)物氣相外延法，在襯底上生長晶格匹配的緩沖層、光吸收層和寬禁帶帽層得到光電探測器件外延結(jié)構(gòu)；其中，生長過程中對光吸收層的帶隙進(jìn)行裁剪設(shè)定，在滿足應(yīng)用中對光電探測器長波端截止波長要求的前提下選取寬帶隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法，其特征在于所述襯底為半絕緣或高摻雜導(dǎo)電襯底，材料為^Ρ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法，其特征在于所述緩沖層材料為與襯底晶格匹配的InPJna52Ala48As或Ina53G^l47As, 厚度為0. 2-2微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法，其特征在于所述光吸收層為非故意摻雜或低摻雜η型，材料為與襯底晶格匹配的四元系IniUGaAs或InGaAsP，厚度為1_3微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法，其特征在于所述寬禁帶帽層為非故意摻雜或低摻雜η型，或是高摻雜P型，材料為與襯底晶格匹配的InP或Ina52Ala48As,厚度為0. 5-1微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法，其特征在于所述對光吸收層的帶隙進(jìn)行裁剪設(shè)定，光吸收層材料為四元系 InAlGaAs時，在應(yīng)用中需將材料的帶隙由La53GEta47As的0. 75eV調(diào)整到0. 9eV使其截止波長減小到1. 38μ m，則Al組分由0增加至8%，fei組分由47%減小8%至39%，In的組分保持不變，使四元系的組分達(dá)到Ina53Alatl8Giia39Astj
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法，其特征在于所述對光吸收層的帶隙進(jìn)行裁剪設(shè)定，光吸收層材料為四元系InGaAsP 時，在應(yīng)用中需將材料的帶隙由Ma53G^l47As的0. 75eV調(diào)整到0. 9eV使其截止波長減小到 1.38μπι，貝丨」h組分由53%增加14%至67%，( 組分由47%減小14%至33%，同時減少 29%的As組分和引入29%的P組分，使四元系的組分達(dá)到In0.67Ga0.33As0.71P0.29O
全文摘要
本發(fā)明涉及一種晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法，包括采用分子束外延法或金屬有機(jī)物氣相外延法，在襯底上生長晶格匹配的緩沖層、光吸收層和寬禁帶帽層得到光電探測器件外延結(jié)構(gòu)；其中，生長過程中對光吸收層的帶隙進(jìn)行裁剪設(shè)定，在滿足應(yīng)用中對光電探測器長波端截止波長要求的前提下選取寬帶隙。本發(fā)明材料生長方法簡單，通過對光電探測器光吸收層帶隙的裁剪設(shè)定，在基本不改變原有器件設(shè)計的前提下顯著改善器件性能，探測率改善3倍以上；既適合一些不同種類的III-V族化合物材料體系光電探測器件的制作，也適合其他類型的光電器件及電子器件的制作及拓展到其他材料體系，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號H01L31/0304GK102176489SQ20111004451
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者張永剛, 顧溢 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所