紅外探測(cè)器及其制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種紅外探測(cè)器，包括半絕緣砷化鎵單晶襯底以及依次形成于所述半絕緣砷化鎵單晶襯底上的n+下電極接觸層、暗電流阻擋層、量子點(diǎn)有源區(qū)、n+中間電極接觸層和p+上電極接觸層，所述的n+下電極接觸層、n+中間電極接觸層和p+上電極接觸層上分別形成有下電極、中間電極和上電極，所述n+中間電極接觸層的厚度小于空穴載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。本發(fā)明還公開(kāi)了一種紅外探測(cè)器的制造方法和紅外探測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明通過(guò)設(shè)置上電極接觸層，利用差分放大電路互連，可以削弱、甚至消除可見(jiàn)光和高能粒子、射線照射引起的探測(cè)器噪聲信號(hào)，不僅能夠直接吸收正入射的紅外輻射光子，而且具有抗可見(jiàn)光致盲和抗輻照功能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】紅外探測(cè)器及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)計(jì)紅外探測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種抗輻照銦鎵砷/砷化鎵（InGaAs/ GaAs)量子點(diǎn)紅外探測(cè)器及制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，紅外探測(cè)器在現(xiàn)代軍事和民用領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是作為各種 空間紅外系統(tǒng)的核心部件，在天文觀測(cè)，對(duì)地觀察，導(dǎo)彈發(fā)射的偵察及追蹤等方面都有很高 的應(yīng)用價(jià)值。然而，當(dāng)紅外探測(cè)器在太空中工作時(shí)，將不可避免地受到可見(jiàn)光以及高能電 子、質(zhì)子，α、β、Y射線、X射線的照射，產(chǎn)生輻射損傷，并導(dǎo)致器件性能降低。特別是高能 粒子輻射和紅外探測(cè)器的互相作用主要表現(xiàn)為兩種形式：1.電離和激發(fā)過(guò)程，該過(guò)程會(huì)對(duì) 半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生瞬間擾動(dòng)，是紅外探測(cè)器產(chǎn)生噪聲信號(hào)；2.原子移動(dòng)過(guò)程，該 過(guò)程使半導(dǎo)體材料中的原子發(fā)生位移，形成位錯(cuò)等缺陷，給紅外探測(cè)器造成永久損傷，降低 了紅外探測(cè)器的工作性能，甚至導(dǎo)致器件失效。
[0003] 隨著微電子器件集成度的不斷提高，器件單元的尺度越來(lái)越小，開(kāi)始出現(xiàn)各種納 米器件，量子點(diǎn)器件就是公認(rèn)的納米器件中的一種。由于金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積和分子束 外延等材料生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)研制出銦鎵砷/砷化鎵（InGaAs/GaAs)和銦鎵砷/銦 鎵磷/砷化鎵（InGaAs/InGaP/GaAs)量子點(diǎn)紅外探測(cè)器。其中，銦鎵砷/砷化鎵量子點(diǎn)紅 外探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)是：自下而上依次包括半絕緣砷化鎵單晶襯底、n+下電極接觸層、暗 電流阻擋層、量子點(diǎn)有源區(qū)和n+上電極接觸層；所述量子點(diǎn)有源區(qū)包括砷化鎵勢(shì)壘層和自 組織形成的銦鎵砷量子點(diǎn)層，在所述n+下電極接觸層上設(shè)置有下電極，在所述n+上電極接 觸層上設(shè)置有上電極。
[0004] 其基本的工作原理是，半導(dǎo)體量子點(diǎn)中載流子受到三維量子限制作用而處于分立 子能級(jí)上，因此能夠直接吸收正入射的紅外輻射光子而發(fā)生能級(jí)躍遷，把紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn) 換成光電流或者光伏信號(hào)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。此外，半導(dǎo)體量子點(diǎn)中分立子能級(jí)使得量子點(diǎn)紅外 探測(cè)器具有更高的工作溫度。改變In組分和量子點(diǎn)的尺寸可以調(diào)節(jié)銦鎵砷（InGaAs)量子 點(diǎn)中子能級(jí)，從而得到工作波長(zhǎng)處于中波紅外窗口（3飛μπι)和長(zhǎng)波紅外窗口（8~14μπι)的 銦鎵砷/砷化鎵（InGaAs/GaAs)量子點(diǎn)紅外探測(cè)器。
[0005] 由于III-V族半導(dǎo)體材料具有很高的結(jié)晶質(zhì)量和很強(qiáng)的化學(xué)鍵，能夠承受高能粒 子輻射而不產(chǎn)生原子位移過(guò)程，因此，采用銦鎵砷/砷化鎵（InGaAs/GaAs)材料制備的量子 點(diǎn)紅外光探測(cè)器在太空中使用時(shí)，能夠克服原子位移，但是對(duì)可見(jiàn)光和高能電子、質(zhì)子以及 α、β、Y射線和X射線的照射仍然會(huì)導(dǎo)致III-V族半導(dǎo)體材料發(fā)生電離和激發(fā)過(guò)程，即半 導(dǎo)體材料中的電子在高能量光子照射下發(fā)生帶間躍遷，產(chǎn)生數(shù)目相等的電子和空穴兩種載 流子，由此影響了檢測(cè)結(jié)果。因此，我們需要研制出一種適用于太空環(huán)境中工作的抗輻照銦 鎵砷/砷化鎵（InGaAs/GaAs)量子點(diǎn)紅外探測(cè)器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種適于在太空環(huán)境下工作的抗輻照和抗可見(jiàn)光致盲的量 子點(diǎn)紅外探測(cè)器；本發(fā)明的另一目的是提供該抗輻照和抗可見(jiàn)光致盲量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的 制作方法。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案： 一種紅外探測(cè)器，包括半絕緣砷化鎵單晶襯底以及依次形成于所述半絕緣砷化鎵單晶 襯底上的n+下電極接觸層、暗電流阻擋層、量子點(diǎn)有源區(qū)、n+中間電極接觸層和P+上電極 接觸層，所述的n+下電極接觸層、n+中間電極接觸層和p+上電極接觸層上分別形成有下電 極、中間電極和上電極，所述n+中間電極接觸層的厚度小于空穴載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。
[0008] 優(yōu)選的，在上述的紅外探測(cè)器中，所述的量子點(diǎn)有源區(qū)包括砷化鎵勢(shì)壘層和自組 織形成的銦鎵砷量子點(diǎn)層。
[0009] 優(yōu)選的，在上述的紅外探測(cè)器中，所述的銦鎵砷（InyGai_ yAS)量子點(diǎn)層中摻雜有硅 元素，其中〇. 3 < y < 1，該量子點(diǎn)超晶格周期數(shù)至少為1。
[0010] 優(yōu)選的，在上述的紅外探測(cè)器中，所述的P+上電極接觸層為P型AlxGai_ xAs外延 層，其中0. 1彡X < 1，受主元素鈹或者碳的摻雜濃度在1. 0 X 1018cm_3?20. 0 X 1018cm_3之間。
[0011] 優(yōu)選的，在上述的紅外探測(cè)器中，所述空穴載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度Lh是工作溫度T的 函數(shù)，滿足LfLjexp (T/T。），其中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Κ=60ηπι，特征溫度?；=87Κ。
[0012] 優(yōu)選的，在上述的紅外探測(cè)器中，所述的上電極呈方框形，其電極材料采用鈦/ 金，鈦/鉬/金或者金/鋅合金。
[0013] 優(yōu)選的，在上述的紅外探測(cè)器中，所述的η+下電極接觸層是摻雜硅元素的η+砷化 鎵外延層，其厚度小于空穴載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。
[0014] 優(yōu)選的，在上述的紅外探測(cè)器中，所述的暗電流阻擋層為AlxGai_ xAs外延層，其中 0. 1 ^ X < 1〇
[0015] 相應(yīng)的，本發(fā)明還公開(kāi)了一種上述的紅外探測(cè)器的制造方法，包括：在半絕緣砷化 鎵單晶襯底上依次生長(zhǎng)n+下電極接觸層、暗電流阻擋層、量子點(diǎn)有源區(qū)、n+中間電極接觸層 和P+上電極接觸層，在n+下電極接觸層、n+中間電極接觸層和p+上電極接觸層上分別制作 下電極、中間電極和上電極。
[0016] 優(yōu)選的，在上述的紅外探測(cè)的制作方法中，所述n+下電極接觸層、暗電流阻擋層、 量子點(diǎn)有源區(qū)、n+中間電極接觸層和p+上電極接觸層均采用分子束外延方法或者金屬有機(jī) 物化學(xué)氣相沉積方法連續(xù)生長(zhǎng)獲得。
[0017] 優(yōu)選的，在上述的紅外探測(cè)器的制造方法中，在沉積上電極材料時(shí)，加熱到 10(T350°C，在沉積中間電極和下電極材料時(shí)，加熱到8(Tl4(TC。
[0018] 由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)： 1.本發(fā)明在銦鎵砷/砷化鎵（InGaAs/GaAs)量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的n+上電極接觸層上 生長(zhǎng)一層P+上電極接觸層，使量子點(diǎn)紅外探測(cè)器由n+-n+型兩端器件變?yōu)榫哂锌馆椪展δ?的p+-n+-n+型三端器件，n+中間電極接觸層的厚度小于空穴載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，光生空穴電 流絕大部分能被P+上電極接觸層收集，而n+中間電極接觸層與n+下電極接觸層分別作為 量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的電子發(fā)射極和收集極。這樣的P +-n+-n+結(jié)構(gòu)銦鎵砷/砷化鎵（InGaAs/ GaAs)量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的三個(gè)電極和差分放大電路互連，就可以分別測(cè)量出電子電流和 空穴電流。如果量子點(diǎn)紅外光探測(cè)器是光伏型，光生電子流和光生空穴流的增益均為1，帶 間躍遷產(chǎn)生的電子電流和空穴電流完全相等。這樣從差分放大電路獲取的總電子電流值減 去空穴電流值即可得到紅外輻射引起的光電流值以及對(duì)應(yīng)的光伏信號(hào)，從而減弱、甚至消 除了高能粒子和高能射線照射在銦鎵砷/砷化鎵（InGaAs/GaAs)量子點(diǎn)紅外探測(cè)器中引起 的噪聲信號(hào)。
[0019] 2.本發(fā)明結(jié)合了量子點(diǎn)紅外探測(cè)器可以直接吸收正入射紅外輻射光子、工作溫 度高的優(yōu)點(diǎn)，增加了 P+上電極接觸層和上電極，通過(guò)和差分放大電路互連即可實(shí)現(xiàn)抗輻射 和抗光盲功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適合于在外太空工作。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020] 為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 申請(qǐng)中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下， 還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0021] 圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例中量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的層次結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是實(shí)施例一中上電極的制作示意圖； 圖3是實(shí)施例一中刻蝕中間電極和下電極圖形的示意圖； 圖4是實(shí)施例一中上電極、中間電極和下電極的俯視圖； 圖5是實(shí)施例一的量子點(diǎn)紅外探測(cè)器單元管芯示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決問(wèn)題的總體思路是：由于材料中的電子在發(fā)生帶間 躍遷時(shí)，產(chǎn)生了相等數(shù)量的電子和空穴，如果能把電子電流和空穴電流分別測(cè)量出來(lái)，則從 總的電子電流中扣除空穴電流后，就是量子點(diǎn)紅外探測(cè)器在紅外關(guān)照下產(chǎn)生的光電流。
[0023] 根據(jù)上述思路，本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：一種抗輻照和抗光盲量子點(diǎn)紅外探測(cè) 器，自下而上依次包括半絕緣砷化鎵單晶襯底、n+下電極接觸層、暗電流阻擋層、量子點(diǎn)有 源區(qū)和n+中間電極接觸層(對(duì)應(yīng)于【背景技術(shù)】中的n+上電極接觸層);所述量子點(diǎn)有源區(qū)包括 砷化鎵勢(shì)壘層和自組織形成的銦鎵砷量子點(diǎn)層，在所述n+下電極接觸層上設(shè)置有下電極， 在所述n+中間電極接觸層上設(shè)置有中間電極，在所述n+中間電極接觸層上生長(zhǎng)有p+上電 極接觸層，所述P+上電極接觸層上設(shè)置有上電極，所述n+中間電極接觸層的厚度小于空穴 載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度Lh。
[0024] 其中，Lh是工作溫度T的函數(shù)，即Ι^=Ι^ΧΘχρ(Τ/Τ。)，其中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Ι^=60ηπι，特征 溫度 1^=871^
[0025] 上述技術(shù)方案中，由于在n+中間電極接觸層上生長(zhǎng)了一層p+上電極接觸層，使量 子點(diǎn)紅外探測(cè)器由n+-n+型兩端器件變?yōu)榫哂锌馆椪展δ艿膒+-n +-n+型三端器件。由于n+ 中間電極接觸層的厚度小于空穴載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，光生空穴電流絕大部分能被P+上電極 接觸層收集，而n+中間電極接觸層與n+下電極接觸層分別作為量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的電子發(fā) 射極和收集極。這樣的P +-n+-n+型結(jié)構(gòu)InGaAs/GaAs量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的三個(gè)電極和差分 放大電路互連，可以把電子電流和空穴電流分開(kāi)。從總的電子電流中扣除空穴電流后，就是 量子點(diǎn)紅外探測(cè)器吸收紅外輻射光子產(chǎn)生的光電流，從而削弱、甚至消除了高能粒子和高 能射線照射在InGaAs/GaAs量子點(diǎn)紅外探測(cè)器中引起的噪聲信號(hào)。
[0026] 上述技術(shù)方案中，所述p+上電極接觸層為p型鋁鎵砷（AlxGai_ xAs)外延層，其中鋁 組分X占109Γ100%，受主元素鈹或者碳的摻雜濃度在（1. (Γ20. 〇) X l〇18cm_3之間。該p+上 電極接觸層和n+中間電極接觸層形成p-n結(jié)。
[0027] 上述技術(shù)方案中，n+下電極接觸層、暗電流阻擋層、量子點(diǎn)有源區(qū)和n+中間電極接 觸層均可以采用現(xiàn)有技術(shù)。其中n+下電極接觸層為生長(zhǎng)在半絕緣砷化鎵單晶襯底上的砷 化鎵外延層，重?fù)诫s硅元素作為施主；較厚的n+下電極接觸層同時(shí)作為應(yīng)力緩沖層來(lái)消除 探測(cè)器和半絕緣砷化鎵單晶襯底之間的晶面缺陷。暗電流阻擋層是鋁鎵砷（Al xGai_xAs)外 延層，其中鋁組分X占109Γ100% ;鋁鎵砷外延層的厚度和鋁組分決定著該暗電流阻擋層抑 制暗電流的效果。量子點(diǎn)有源區(qū)是砷化鎵勢(shì)壘層和銦鎵砷量子點(diǎn)交疊形成的量子點(diǎn)超晶格 結(jié)構(gòu)，其中砷化鎵外延層不僅作為勢(shì)壘區(qū)將載流子限制在銦鎵砷量子點(diǎn)層中，并且把銦鎵 砷量子點(diǎn)層間隔開(kāi)，避免應(yīng)力累積產(chǎn)生位錯(cuò)。銦鎵砷（In yGai_yAs)量子點(diǎn)中銦組分y的調(diào)節(jié) 范圍是309Γ100%，其中摻雜硅元素作為施主；該量子點(diǎn)有源區(qū)中量子點(diǎn)超晶格的周期數(shù)至 少為1。
[0028] 為了保證高能粒子和高能射線引起的空穴載流子絕大部分能被p+上電極接觸層 收集，該n+中間電極接觸層的厚度應(yīng)該遠(yuǎn)小于空穴載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。所述中間電極和下 電極采用Au/Ge/Ni/Au，Au/Ge，Au/Si合金或者其它與η型砷化鎵形成歐姆接觸的電極材 料。
[0029] 上述技術(shù)方案中，所述上電極呈方框形或其它中空?qǐng)D形，電極材料采用鈦/金 (Ti/Au)，鈦/鉬/金（Ti/Pt/Au)，金/鋅（Au/Zn)合金，與ρ型砷化鎵形成歐姆接觸。
[0030] 上述抗輻照量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的制造方法，包括下列步驟： (1) 利用分子束外延方法或者金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法在潔凈、平整的半絕緣砷 化鎵單晶襯底上生長(zhǎng)n+下電極接觸層； (2) 在n+下電極接觸層上生長(zhǎng)暗電流阻擋層； (3) 在暗電流阻擋層上生長(zhǎng)量子點(diǎn)有源區(qū)，其方法是：首先生長(zhǎng)一層砷化鎵外延層；然 后在砷化鎵外延層上沉積銦鎵砷材料，當(dāng)銦鎵砷材料的沉積量達(dá)到臨界厚度時(shí)自組織形成 一層銦鎵砷量子點(diǎn)；重復(fù)這兩個(gè)過(guò)程至少1次；最后再生長(zhǎng)一層砷化鎵外延層； (4) 在量子點(diǎn)有源區(qū)上生長(zhǎng)n+中間電極接觸層； (5) 在n+中間電極接觸層上生長(zhǎng)p+上電極接觸層； (6) 在p+上電極接觸層上沉積合金電極材料；利用光刻技術(shù)在合金電極材料上留下被 光刻膠保護(hù)的上電極圖形，用腐蝕液去除保護(hù)的部分，制作出P型歐姆接觸的上電極； (7) 利用光刻膠保護(hù)上電極并在樣品上表面暴露出下電極圖形，然后利用干法刻蝕技 術(shù)蝕出量子點(diǎn)紅外探測(cè)器臺(tái)面，刻蝕深度達(dá)到n+下電極接觸層中，每一個(gè)臺(tái)面是一個(gè)量子 點(diǎn)紅外探測(cè)器單元； (8) 利用光刻膠保護(hù)上電極并在量子點(diǎn)紅外探測(cè)器臺(tái)面上暴露出中間電極圖形，然后 進(jìn)行二次干法刻蝕，刻蝕深度達(dá)到n+中間電極接觸層； (9) 利用光刻膠保護(hù)上電極并留出中間電極和下電極圖形，然后在樣品上表面均勻地 沉積一層合金電極材料，利用剝離方法去除多余的合金電極材料，制作出中間電極和下電 極； (10)在快速熱退火爐中對(duì)上電極材料、中間電極材料和下電極材料進(jìn)行合金處理。
[0031] 上述技術(shù)方案中，所述n+下電極接觸層、暗電流阻擋層、量子點(diǎn)有源區(qū)、n+中間電 極接觸層和P+上電極接觸層均采用分子束外延方法或者金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法連 續(xù)生長(zhǎng)獲得。每層的截面可以為圓形也可以為矩形。
[0032] 其中，所述n+下電極接觸層是重?fù)诫s硅元素的n+砷化鎵外延層，其厚度大于200 納米；所述n+中間電極接觸層是重?fù)诫s硅元素的n+砷化鎵外延層，其厚度小于空穴載流子 的擴(kuò)散長(zhǎng)度L h ;所述p+上電極接觸層為p型鋁鎵砷（AlxGai_xAs)外延層，其中鋁組分X占 109Γ100%，受主元素鈹或者碳的摻雜濃度在（1. (Γ20. 0) X 1018cm_3之間。
[0033] 所述步驟（2)中的暗電流阻擋層為鋁鎵砷外延層，其中，鋁的重量不低于鋁鎵砷 總重量的10%。
[0034] 所述步驟（3)中的銦鎵砷（InyGai_yA S)量子點(diǎn)中摻雜有硅元素，其中的銦組分y的 調(diào)節(jié)范圍是309Γ100%，該量子點(diǎn)超晶格的周期數(shù)至少為1。量子點(diǎn)超晶格中不同周期的銦 鎵砷量子點(diǎn)中摻雜硅元素宜采用濃度梯度漸變模式，進(jìn)而形成內(nèi)建電場(chǎng)來(lái)提高探測(cè)器的量 子效率。
[0035] 所述上電極呈中空的方框形或者梳狀結(jié)構(gòu)，在沉積上電極材料時(shí)，加熱到 10(T35(rC，在沉積中間電極和下電極材料時(shí)，加熱到8(Tl40°C。采用加熱方法可以增加電 極在砷化鎵上的粘附性。
[0036] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描 述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明 中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0037] 參見(jiàn)附圖1至5所示，一種抗輻射和抗光盲的銦鎵砷/砷化鎵量子點(diǎn)紅外探測(cè)器， 包括砷化鎵半絕緣襯底1，在砷化鎵半絕緣襯底1上依次排列生長(zhǎng)有n+下電極接觸層2、暗 電流阻擋層3、量子點(diǎn)有源區(qū)4、n+中間電極接觸層7和p+上電極接觸層8,在所述p+上電 極接觸層8上設(shè)有電極9，在所述n+中間電極接觸層7上設(shè)有中間電極10，在所述n+下電 極接觸層2上設(shè)有電極11。
[0038] 其中，所述n+下電極接觸層2是生長(zhǎng)在襯底1上的n+砷化鎵外延層，其厚度大于 200nm，其中硅元素?fù)诫s濃度約為（0. 5~5. 0) X 1018cnT3之間。
[0039] 所述暗電流阻擋層3是生長(zhǎng)在n+下電極接觸層2上的鋁鎵砷（（AlxGai_ xAs)外延 層，其厚度約為2(T500nm，其中的鋁組分X調(diào)節(jié)范圍是109Γ100%。
[0040] 所述量子點(diǎn)有源區(qū)4生長(zhǎng)在暗電流阻擋層3上，是由砷化鎵勢(shì)壘層5和自組織形 成的銦鎵砷（In yGai_yAS)量子點(diǎn)層6交疊形成的量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)。銦鎵砷（IriyGahAs)量 子點(diǎn)層6中的銦組分y為309Γ100%，其中硅元素?fù)诫s濃度約為1. OX 1017cm_3~l. OX 1019cm_3 之間呈梯度漸變。該量子點(diǎn)有源區(qū)4中量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)的周期數(shù)通常為1~100。
[0041] 所述n+中間電極接觸層7生長(zhǎng)在量子點(diǎn)有源區(qū)4上，該n+中間電極接觸層7為 n+砷化鎵外延層，其中硅元素?fù)诫s濃度的調(diào)節(jié)范圍為（0. 1~5.0) X1018cnT3,其厚度約為 100?300nm〇
[0042] 所述p+上電極接觸層8生長(zhǎng)在n+中間電極接觸層7上，該p+上電極接觸層8為 P型鋁鎵砷外延層，其中的鋁組分X調(diào)節(jié)范圍是309Γ100%，受主元素鈹或者碳的摻雜濃度在 (1. (Γ20. 0) X 1018cnT3之間。該P(yáng)+上電極接觸層8和n+中間電極接觸層7形成p-n結(jié)。分 別在P+上電極接觸層8和n+中間電極接觸層7以及n+下電極接觸層2上制作上電極、中 間電極和下電極，并將三個(gè)電極同時(shí)連接到差分放大電路上即可分別收集電子電流和空穴 電流并采集到紅外輻射引起的光伏信號(hào)，實(shí)現(xiàn)抗輻射功能。
[0043] 本實(shí)施例的抗輻照銦鎵砷/砷化鎵量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的制造方法，包括如下步 驟： 步驟1 :利用分子束外延方法或者金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法在潔凈、平整的半絕緣 砷化鎵襯底1上生長(zhǎng)n+下電極接觸層2。該n+下電極接觸層2是厚度大于200nm的n+砷 化鎵外延層，其中硅元素?fù)诫s濃度約為（0. 5~5. 0) X 1018cnT3 ; 步驟2 :在n+下電極接觸層2上生長(zhǎng)鋁鎵砷外延層作為暗電流阻擋層3,該暗電流阻擋 層3中的鋁鎵砷外延層的厚度約2(T500nm，其中的鋁組分X調(diào)節(jié)范圍是109Γ100% ; 步驟3 ::在暗電流阻擋層3上生長(zhǎng)量子點(diǎn)有源區(qū)4。該量子點(diǎn)有源區(qū)的生長(zhǎng)過(guò)程是： 首先生長(zhǎng)一層砷化鎵外延層5 ;然后在砷化鎵外延層上沉積銦鎵砷材料，當(dāng)銦鎵砷材料的 沉積量達(dá)到臨界厚度時(shí)自組織形成一層銦鎵砷量子點(diǎn)層6 ;多次重復(fù)這兩個(gè)過(guò)程；最后再 生長(zhǎng)一層砷化鎵外延層5,就制備出量子點(diǎn)有源區(qū)4,通常量子點(diǎn)有源區(qū)4中量子點(diǎn)超晶格 周期數(shù)為1~1〇〇。該量子點(diǎn)有源區(qū)4中每一砷化鎵外延層5的厚度約為2(T50nm，銦鎵砷 (In yGai_yAS)量子點(diǎn)中銦組分y為309Γ100%，具體銦鎵砷的沉積量和銦組分根據(jù)所需要的探 測(cè)波長(zhǎng)和反射高能電子衍射儀觀測(cè)到銦鎵砷量子點(diǎn)層6的臨界厚度來(lái)確定。銦鎵砷量子點(diǎn) 層6中硅元素的濃度為1. OX 1017cm_3~l. OX 1019cm_3 ; 步驟4 :在量子點(diǎn)有源區(qū)4上生長(zhǎng)厚度為10(T300nm的n+砷化鎵外延層作為n+中間電 極接觸層7,其中硅元素的濃度為1. OX 1017cm_3~l. OX 1019cm_3 ; 步驟5 :在n+中間電極接觸層7上生長(zhǎng)p型鋁鎵砷外延層作為p+上電極接觸層8,其 厚度約為20(T2000nm。該p+上電極接觸層8中的鋁組分X的調(diào)節(jié)范圍是109Γ100%，其中 摻雜受主元素鈹或者碳的摻雜濃度在（1. (Γ20. 0) X 1018cnT3。
[0044] 通過(guò)以上五個(gè)步驟完成了如圖1所示的本發(fā)明一種抗輻射銦鎵砷/砷化鎵量子點(diǎn) 紅外探測(cè)器的材料生長(zhǎng)過(guò)程，以下五個(gè)步驟在所得材料的基礎(chǔ)上進(jìn)一步制作抗輻照銦鎵砷 /砷化鎵量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的方法： 步驟6 :在抗輻射銦鎵砷/砷化鎵量子點(diǎn)紅外探測(cè)器材料的p+上電極接觸層上沉積 Ti/Au電極材料，利用光刻技術(shù)在鈦/金（Ti/Au)電極材料上留下被光刻膠保護(hù)的上電極圖 形，然后分別用金（Au)和鈦（Ti)的腐蝕液去除去多余的金（Au)和鈦（Ti)，制作出p型上電 極9 (參閱附件圖2)，即鈦/金（Ti/Au)電極。上電極9呈方框形(參閱附圖4)或者其它中 空?qǐng)D形，允許紅外外輻射光束入射到探測(cè)器中。在沉積鈦/金（Ti/Au)電極材料時(shí)，樣品需 要加熱到l〇(T350°C左右，以增加電極材料在p型砷化鎵上的黏附性； 步驟7 :利用光刻膠保護(hù)鈦/金（Ti/Au)上電極9并在樣品上表面暴露出下電極圖形， 然后利用干法刻蝕技術(shù)刻蝕出抗輻照銦鎵砷/砷化鎵量子點(diǎn)紅外探測(cè)器臺(tái)面，刻蝕深度達(dá) 到n+下電極接觸層2中。每一個(gè)臺(tái)面為一個(gè)抗輻照銦鎵砷/砷化鎵量子點(diǎn)紅外探測(cè)器單 元(參閱附圖3); 步驟8 :利用光刻膠保護(hù)鈦/金（Ti/Au)上電極9并在抗輻照銦鎵砷/砷化鎵量子點(diǎn)紅 外探測(cè)器臺(tái)上暴露出中間電極圖形，然后進(jìn)行二次干法刻蝕，刻蝕深度達(dá)到n+中間電極接 觸層7 (參閱附圖3); 步驟8 :利用光刻膠保護(hù)鈦/金（Ti/Au)上電極9并留出中間電極和下電極圖形，然后 在抗輻照銦鎵砷/砷化鎵量子點(diǎn)紅外探測(cè)器樣品上面均勻地沉積一層金/鍺/鎳/金（Au/ Ge/Ni/Au)電極材料。利用剝離方法去除多余的金/鍺/鎳/金（Au/Ge/Ni/Au)電極材料， 制作出如附圖4所示的中間電極10和下電極11。在沉積金/鍺/鎳/金（Au/Ge/Ni/Au) 電極材料時(shí)，樣品需要加熱到8(Tl40°C左右，以增加電極材料在η型砷化鎵的黏附性； 步驟10 :在快速熱退火爐中對(duì)鈦/金（Ti/Au)電極和金/鍺/鎳/金（Au/Ge/Ni/Au) 電極進(jìn)行合金處理。
[0045] 通過(guò)上述10個(gè)步驟，制作出如圖5所示的一種抗輻照銦鎵砷/砷化鎵量子點(diǎn)紅外 探測(cè)器。
[0046] 本實(shí)施例獲得的抗輻照和抗光盲銦鎵砷/砷化鎵量子點(diǎn)紅外探測(cè)器既具有量子 點(diǎn)紅外探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)，又具有抗輻照和抗可見(jiàn)光致盲的特性。首先，由于半導(dǎo)體量子點(diǎn)中載 流子受到三維量子限制作用而處于分立子能級(jí)上，因此量子點(diǎn)紅外探測(cè)器能夠直接吸收正 入射的紅外輻射光子而發(fā)生子能級(jí)躍遷，不用制作表面光柵來(lái)增強(qiáng)紅外輻射光子與探測(cè)器 有源區(qū)的光耦合；其次，銦鎵砷（InGaAs)量子點(diǎn)中的In組分和量子點(diǎn)尺寸變化都會(huì)引起 量子點(diǎn)導(dǎo)帶中子能級(jí)間隔，從而影響量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的紅外吸收波長(zhǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)In組分 或者量子點(diǎn)尺寸可以把InGaAs/GaAs量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的工作波長(zhǎng)調(diào)節(jié)到中波紅外窗口 (3~5 μ m)和長(zhǎng)波紅外窗口（8~14μ m)波段；最后，p+-n+-n+結(jié)構(gòu)光伏型抗福照銦鎵砷/砷化 鎵量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的三個(gè)電極和差分放大電路互連，可以把可見(jiàn)光和高能電子、質(zhì)子和 α、β、Y射線、X射線輻照在紅外探測(cè)器中引發(fā)的電子電流和空穴電流分別開(kāi)來(lái)，其中光 生電子電流和光生空穴電流的增益均為1，即帶間躍遷產(chǎn)生的電子電流和空穴電流完全相 等，從差分放大電路獲取的總電子電流值減去空穴電流值即可得到紅外輻射引起的光電流 值及對(duì)應(yīng)的光伏信號(hào)。這樣的探測(cè)器可以消除了可見(jiàn)光和高能粒子、射線在量子點(diǎn)紅外探 測(cè)器中引發(fā)的噪聲信號(hào)，因而特別適用于太空環(huán)境中工作。
[0047] 需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類(lèi)的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí) 體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存 在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在涵 蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要 素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備 所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句"包括一個(gè)……"限定的要素，并不排除 在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
[〇〇48] 以上所述僅是本申請(qǐng)的【具體實(shí)施方式】，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本申請(qǐng)?jiān)淼那疤嵯?，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種紅外探測(cè)器，其特征在于：包括半絕緣砷化鎵單晶襯底以及依次形成于所述半 絕緣砷化鎵單晶襯底上的n+下電極接觸層、暗電流阻擋層、量子點(diǎn)有源區(qū)、n+中間電極接觸 層和P+上電極接觸層，所述的n+下電極接觸層、n+中間電極接觸層和p+上電極接觸層上分 別形成有下電極、中間電極和上電極，所述n+中間電極接觸層的厚度小于空穴載流子的擴(kuò) 散長(zhǎng)度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測(cè)器，其特征在于：所述的量子點(diǎn)有源區(qū)包括砷化鎵 勢(shì)壘層和自組織形成的銦鎵砷量子點(diǎn)層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外探測(cè)器，其特征在于：所述的銦鎵砷（InyGai_yA S)量子點(diǎn) 層中摻雜有硅元素，其中〇. 3 < y < 1，該量子點(diǎn)超晶格周期數(shù)至少為1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測(cè)器，其特征在于：所述的p+上電極接觸 層為p型AlxG ai_xAs外延層，其中0. 1 < X < 1，受主元素鈹或者碳的摻雜濃度在 1. OX 1018cnT3?20. OX 1018cnT3 之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測(cè)器，其特征在于：所述空穴載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度Lh是 工作溫度T的函數(shù)，滿足LfLjexp (T/T。)，其中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Κ=60ηπι，特征溫度?；=87Κ。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測(cè)器，其特征在于：所述的上電極呈方框形，其電極材 料采用鈦/金，鈦/鉬/金或者金/鋅合金。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測(cè)器，其特征在于：所述的η+下電極接觸層是摻雜硅 元素的η+砷化鎵外延層，其厚度小于空穴載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測(cè)器，其特征在于：所述的暗電流阻擋層為AlxGai_xAs 外延層，其中0. 1 < X < 1。
9. 一種權(quán)利要求1至8任一所述的紅外探測(cè)器的制造方法，其特征在于，包括：在半絕 緣砷化鎵單晶襯底上依次生長(zhǎng)n+下電極接觸層、暗電流阻擋層、量子點(diǎn)有源區(qū)、n+中間電極 接觸層和P+上電極接觸層，在n+下電極接觸層、n+中間電極接觸層和p+上電極接觸層上分 另IJ制作下電極、中間電極和上電極。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的紅外探測(cè)器的制造方法，其特征在于：所述n+下電極接觸 層、暗電流阻擋層、量子點(diǎn)有源區(qū)、n+中間電極接觸層和p+上電極接觸層均采用分子束外延 方法或者金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法連續(xù)生長(zhǎng)獲得。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的紅外探測(cè)器的制造方法，其特征在于：在沉積上電極材料 時(shí)，加熱到l〇(T35(TC，在沉積中間電極和下電極材料時(shí)，加熱到8(Tl4(TC。
【文檔編號(hào)】H01L31/09GK104103697SQ201310118672
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月8日
【發(fā)明者】邊歷峰, 任昕, 楊曉杰, 黃宏娟 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所