一種基于InAs/GaSbⅡ類超晶格材料的短波/中波/長波三色紅外探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于InAs/GaSb II類短波(I?3 μπι) /中波(3?5 μ m) /長波(8?14 μ m)三色紅外探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外探測器在戰(zhàn)略預(yù)警、戰(zhàn)術(shù)報(bào)警、夜視、制導(dǎo)、通訊、氣象、地球資源探測、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)、光譜、測溫、大氣監(jiān)測等軍用和民用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。隨著探測技術(shù)的發(fā)展和對探測效果要求的提高，當(dāng)前紅外探測技術(shù)向著獲取更多目標(biāo)信息的方向發(fā)展。目前，國內(nèi)外第三代紅外探測器的重要發(fā)展方向之一就是實(shí)現(xiàn)多波段同時(shí)探測。如果一個(gè)探測系統(tǒng)能在多個(gè)波段獲取目標(biāo)信息，就可以對復(fù)雜的背景進(jìn)行抑制，提高對目標(biāo)的探測效果。在預(yù)警、搜索和跟蹤系統(tǒng)中能明顯的降低虛警率，顯著提高探測系統(tǒng)的性能和在各武器平臺的通用性；在醫(yī)學(xué)診斷、安防監(jiān)控和天文監(jiān)測等領(lǐng)域能更好的識別目標(biāo)，提高獲取目標(biāo)信息的準(zhǔn)確性。
[0003]目前，市場上已經(jīng)存在碲鎘汞和量子阱雙色紅外探測器，但是以上兩種探測器都存在著明顯的缺點(diǎn)。為克服以上兩種材料的缺陷，一種新的材料體系-1nAs/GaSb II類超晶格材料引起了相關(guān)研宄技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。InAs/GaSb II類超晶格材料因其特殊的能帶結(jié)構(gòu)，能夠克服碲鎘汞紅外探測器均勻性差、遂穿電流低和量子阱紅外探測器量子效率低的缺陷，因此被認(rèn)為第三代紅外探測的候選材料。
[0004]目前，不同波段信號通道間的串?dāng)_是多色紅外探測器的一個(gè)主要問題，它限制了探測器的偏壓應(yīng)用范圍。有報(bào)道稱，利用非極性勢皇層阻擋不同通道間的光生載流子迀移可以緩解多色探測器的串?dāng)_問題。當(dāng)前所報(bào)道的多色器件多采用nBn等結(jié)構(gòu)來緩解不同通道間的串?dāng)_問題。2007年美國西北大學(xué)Μ.Razeghi等人提出了一種M型的超晶格結(jié)構(gòu)，即在InAs/GaSb超晶格的GaSb層插入一 AlSb層。其單元器件，中波5 μπι在77K下已做到量子效率大于70 %，探測率達(dá)113數(shù)量級，并實(shí)現(xiàn)了室溫探測。長波10 μ m在77Κ下，量子效率大于35%，探測率達(dá)111數(shù)量級。
[0005]與nBn結(jié)構(gòu)相比，pMp結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢:(I)M型超晶格結(jié)構(gòu)能夠靈活的調(diào)整能帶結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)活性層與勢皇層間的理想能帶分布，從而降低器件的遂穿電流；(2)M型結(jié)構(gòu)中的各層都是II類超晶格材料，在實(shí)際材料生長過程中易于獲得高質(zhì)量的超晶格薄膜；
(3)pMp結(jié)構(gòu)中的光生少子是高迀移率的電子，電子具有比空穴更大的迀移率和擴(kuò)散長度，有利于提高探測器的量子效率；(4)p型材料的本征性能比η型材料更穩(wěn)定。此外，將M型結(jié)構(gòu)引入傳統(tǒng)的PIN器件結(jié)構(gòu)形成P--Μ-η器件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以明顯的提高器件的微分阻抗和量子效率。所以該結(jié)構(gòu)在紅外長波、甚長波波段探測領(lǐng)域比傳統(tǒng)的PIN結(jié)構(gòu)相比具有更高的探測率和實(shí)用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是結(jié)合pMp器件結(jié)構(gòu)和P- -M-n器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，提供一種低串?dāng)_、低暗電流、高探測率、具有pMp-p- JT -M-n器件結(jié)構(gòu)的基于InAs/GaSb II類超晶格材料的短波/中波/長波三色紅外探測器。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一種基于InAs/GaSb II類超晶格材料的短波/中波/長波三色紅外探測器，包括GaSb襯底、沉積于GaSb襯底上的外延結(jié)構(gòu)、鈍化層、金屬電極，其中:外延結(jié)構(gòu)從下至上依次為GaSb緩沖層、η型InAs/GaSb超晶格接觸層、第一 M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻擋層、P型InAs/GaSb超晶格長波紅外吸收層、第一 P型InAs/GaSb超晶格接觸層、P型InAs/GaSb超晶格中波紅外吸收層、第二 M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻擋層、P型InAs/GaSb超晶格短波紅外吸收層、第二 p型InAs/GaSb超晶格接觸層和蓋層，外延結(jié)構(gòu)的兩側(cè)經(jīng)刻蝕形成臺階，臺階的深度分別至η型InAs/GaSb超晶格接觸層和第一 P型InAs/GaSb超晶格接觸層；電極包括金屬下電極、金屬中電極和金屬上電極，金屬下電極與η型InAs/GaSb超晶格接觸層歐姆接觸，金屬中電極與第一 p型InAs/GaSb超晶格接觸層歐姆接觸，金屬上電極形成于臺階的上方，與蓋層歐姆接觸。
[0009]本發(fā)明中，所述GaSb襯底采用(001)方向的η型GaSb襯底或(001)方向的GaAs襯底等其他襯底。
[0010]本發(fā)明中，所述GaSb緩沖層的厚度為0.5?I μπι;材料為采用Te進(jìn)行η型摻雜的GaSb材料，其中Te摻雜濃度為I?2X 11Wo
[0011]本發(fā)明中，所述η型InAs/GaSb超晶格接觸層由交替生長的GaSb勢皇層/InAs勢講層組成，總厚度為0.4?0.6 μπι。其中:InAs勢講層的材料采用Si摻雜的InAs材料，摻雜濃度為I?2X1018cm_3，各組分層厚度可以根據(jù)具體的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般InAs勢阱層為10?15ML，GaSb勢皇層為5?8ML。
[0012]本發(fā)明中，所述第一 M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻擋層總厚度為0.3?0.8 μπι。其中，InAs層的材料采用Si摻雜的InAs材料，摻雜濃度為I?2Χ 1018cm_3。該M型超晶格結(jié)構(gòu)中，InAs層一般為10?20ML，而GaSb層、AlSb層和GaSb層一般為I?5ML。
[0013]本發(fā)明中，所述P型InAs/GaSb超晶格長波紅外吸收層由交替生長的GaSb勢皇層/InAs勢阱層組成，總厚度為I?6μπι。其中，InAs勢阱層和GaSb勢皇層均為本征層，不進(jìn)行摻雜。該超晶格結(jié)構(gòu)中，各組分層厚度可以根據(jù)具體的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般InAs勢阱層為10?15ML，GaSb勢皇層為5?8ML。
[0014]本發(fā)明中，所述第一 P型InAs/GaSb超晶格接觸層由交替生長的GaSb勢皇層/InAs勢講層組成，總厚度為0.4?0.6 μπι。其中，GaSb勢皇層的材料為摻雜元素Be的GaSb材料，Be摻雜濃度為I?2 X 11W30
[0015]本發(fā)明中，所述P型InAs/GaSb超晶格中波紅外吸收層由交替生長的GaSb勢皇層/InAs勢阱層組成，總厚度為I?6μπι。其中，InAs勢阱層和GaSb勢皇層均為本征層，不進(jìn)行摻雜。該超晶格結(jié)構(gòu)中，各組分層厚度可以根據(jù)具體的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般InAs勢阱層為8?10ML，GaSb勢皇層為8?12ML。
[0016]本發(fā)明中，所述第二 M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻擋層總厚度為0.3?0.8 μ m。其中，GaSb層的材料采用Be摻雜的GaSb材料，摻雜濃度為I?2 X 11W30該M型超晶格結(jié)構(gòu)中，InAs層一般為10?20ML，而GaSb層、AlSb層和GaSb層一般為I?5ML。
[0017]本發(fā)明中，所述P型InAs/GaSb超晶格短波紅外吸收層由交替生長的GaSb勢皇層/InAs勢阱層組成，總厚度為I?6μπι。其中，InAs勢阱層和GaSb勢皇層均為本征層，不進(jìn)行摻雜。該超晶格結(jié)構(gòu)中，一般InAs勢阱層為5?7ML，GaSb勢皇層為8?10ML。
[0018]本發(fā)明中，所述第二 P型InAs/GaSb超晶格接觸層由交替生長的GaSb勢皇層/InAs勢講層組成，總厚度為0.4?0.6 μπι。其中，GaSb勢皇層的材料為摻雜元素Be的GaSb材料，Be摻雜濃度為I?2X1018cm_3。該超晶格結(jié)構(gòu)中，各組分層厚度可以根據(jù)具體的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般InAs勢阱層為8?10ML，GaSb勢皇層為8?12ML。
[0019]本發(fā)明中，所述蓋層米用P型慘雜的GaSb材料，慘雜兀素為Be，慘雜濃度為I?
2X 118CnT30
[0020]本發(fā)明中，在超晶格材料生長完成以后，使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)和ICP刻蝕制作臺面。在臺面制作結(jié)束后，分別在頂部、中部和底部接觸層上蒸鍍Ti/Pt/Au電極，并使用SU-8光刻膠鈍化，以減小器件表面漏電流。
[0021]本發(fā)明中，所述探測器通過偏壓調(diào)制來收集不同波段的信號，其具體實(shí)施如下:當(dāng)在頂部電極加正偏壓時(shí)中波紅外吸收區(qū)的光生空穴收集到中部電極，光生電子收集到頂部電極。而短波紅外吸收區(qū)的光生空穴被M空穴勢皇層阻擋不能到達(dá)中部電極，從而減少光譜串?dāng)_。相反，當(dāng)在頂部加負(fù)偏壓時(shí)短波紅外吸收區(qū)的光生空穴收集到頂部電極，光生電子收集到中部電極，而中波紅外吸收區(qū)的光生空穴被M空穴勢皇層阻擋。長波紅外區(qū)的偏壓加在中部和底部電極之間完成信號收集。
[0022]本發(fā)明提供的InAs/GaSb超晶格三色紅外光電探測器具有以下有益效果:
[0023]1、通過合適的器件能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在探測器吸收區(qū)之間生長M型超晶格作為探測器的勢皇區(qū)，同樣有效的抑制由于生長缺陷所帶來的產(chǎn)生-復(fù)合暗電流以及隧穿暗電流，從而提尚探測器的性能。
[0024]2、M型超晶格作為探測器的空穴勢皇區(qū)，在調(diào)制偏壓提取信號時(shí)能夠很好地抑制不同信號間的串?dāng)_。
[0025]3、該探測器結(jié)構(gòu)中通過摻雜以電子為少數(shù)載流子，電子具有比空穴更大的迀移率和擴(kuò)散長度，有利于提高探測器的量子效率。
[0026]4、該InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器具有ρΜρ-ρ- π -M-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中pMp結(jié)構(gòu)為短波/中波雙色探測區(qū)，P- π -M-n結(jié)構(gòu)為單色長波探測區(qū)。
[0027]5、該探測器通過偏壓調(diào)制，可分別得到短波、中波和長波信號。
【附圖說明】
[0028]圖1是短波/中波/長波三色I(xiàn)nAs/GaSb超晶格紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是短波/中波/長波三色I(xiàn)nAs/GaSb超晶格紅外探測器結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0031]本發(fā)明基于M型超晶格勢皇層能帶的特殊性，可顯著抑制耗盡層中的產(chǎn)生-復(fù)合暗電流以及陷阱中心隧穿暗電流，從而使光電流增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對探測器探測率D*的提高舊型超晶格勢皇層的存在，在調(diào)制偏壓提取信號時(shí)能夠很好地抑制不同信號間的串?dāng)_。
[0032]如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供的InAs/GaSb超晶格三色紅外光電探測器包括GaSb襯底1、沉積于GaSb襯底I上的外延結(jié)構(gòu)、金屬下電極12、金屬中電極13、金屬上電極14和鈍化層15，其中:
[0033]所述外延結(jié)構(gòu)包括:n型摻雜GaSb緩沖層2、η型InAs/GaSb超晶格接觸層3、第一 M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻擋層4、p型InAs/GaSb超晶格長波紅外吸收層5、第一 P型InAs/GaSb超晶格接觸層6、p型InAs/GaSb超晶格中波紅外吸收層7、第二 M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻擋層8、p型In