一种新型氮化物量子阱红外探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型氮化物量子阱红外探测器及其制备方法。本发明专利技术的量子阱红外探测器，在衬底上的掩膜层具有周期性排布的孔洞结构，纳米柱阵列从孔洞中生长出来，多量子阱生长在纳米柱阵列的顶部和侧面，分别对应为半极性面和非极性面多量子阱。其中，多量子阱生长于位错密度极低的纳米柱阵列上，可实现极高晶体质量的多量子阱结构；半极性面和非极性面多量子阱的极化场强度远低于传统极性面多量子阱的极化场强度，可实现高效光电流信号的提取；正面入射探测器表面即可有光电响应，省去传统量子阱红外探测器制备表面光栅结构或端面45°抛光的工艺；多量子阱材料采用第三代半导体材料，可实现全红外光谱窗口的光子探测，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化物量子阱红外探测器及其制备方法
本专利技术涉及红外探测器技术，尤其涉及一种氮化物量子阱红外探测器及其制备方法。
技术介绍
量子阱红外探测器是利用半导体多量子阱或者超晶格材料的子带间跃迁制成的探测器，具有稳定性好、响应速度快、抗辐射和易制作大面积焦平面阵列等优点。传统的量子阱红外探测器及其大规模阵列已经在第一代半导体(Si、Ge)以及第二代半导体(III族砷化物半导体)中实现，在精确制导和红外成像等军用、民用领域具有极广泛的应用。但是由于其材料禁带宽度覆盖范围的限制，现有的量子阱红外探测器只能满足波长大于2.3μm红外波段的探测，无法应用于光通信(1.3μm或1.55μm)领域。氮化物半导体材料是第三代半导体材料，以GaN、AlN、InN二元合金，InGaN、AlGaN、InAlN三元合金以及InAlGaN四元合金为主要成员。其禁带宽度在0.7eV-6.2eV范围连续可调，并且具有极高的击穿电场、高电子饱和迁移速度、高热导率、更强的抗辐射能力以及更短的弛豫时间(飞秒量级)。氮化物材料制备的量子阱红外探测器，可以实现从1μm到亚毫米波(THz)波段的全红外光谱探测，并将传统的量子阱红外探测器的响应时间进一步提高两个数量级，在超快光通信和光调制领域有广阔的应用前景。此外，氮化物还具有紫外扩展特性，可以用于制备单片集成的紫外-红外双色探测器，实现超低虚警率、超快响应时间、更小元器件体积以及更高分辨率的成像。当前氮化物同质衬底制备困难，现阶段大面积同质外延生长氮化物成本极高。因此，目前制备氮化物材料主要是利用分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等方法，在蓝宝石、碳化硅以及单晶硅等衬底上进行异质外延生长。由于外延膜与衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，异质外延制备的氮化物材料晶体质量较差，位错密度可达107-109cm-2量级，形成了高密度的暗电流通道，不利于光电流信号的提取。同时，氮化物材料体系固有的自发极化和压电极化诱导的内建电场(极化场)抑制了载流子的纵向输运，极大程度地降低了信噪比。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种氮化物量子阱红外探测器，其多量子阱生长在纳米柱阵列的顶部(半极性面)和侧面(非极性面)。多量子阱生长于位错密度极低的纳米柱阵列上，可实现极高晶体质量的多量子阱结构；半极性面和非极性面多量子阱的极化场强度远低于传统极性面多量子阱的极化场强度，可实现高效光电流信号的提取。本专利技术的一个目的在于提供一种氮化物量子阱红外探测器。本专利技术的氮化物量子阱红外探测器包括：衬底、缓冲层、底电极接触层、复合层、底电极、顶电极和钝化层；在衬底上生长缓冲层；在缓冲层上生长底电极接触层；在底电极接触层的一部分上依次为复合层和顶电极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在顶电极和底电极的侧面覆盖有钝化层；其中，复合层包括掩膜层、纳米柱阵列、多量子阱和顶电极接触层，掩膜层具有周期性排布的孔洞结构，纳米柱阵列从掩膜层中的孔洞中生长出来，在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱，在多量子阱的顶部生长顶电极接触层。本专利技术的衬底是适宜生长III族氮化物且成本低廉的衬底，主要包括蓝宝石，(111)面单晶硅、碳化硅等；本专利技术的缓冲层是介于衬底和底电极接触层之间的插入层，其结构是周期性的氮化物超晶格，其作用是释放外延层的晶格应变，阻断衬底的部分位错继续向上延伸，进而提高材料的外延生长质量；本专利技术的底电极接触层和顶电极接触层为n型掺杂的III族氮化物材料；本专利技术的掩膜层为采用纳米压印方法或聚焦离子束刻蚀方法等制备的含有周期性排布的孔洞结构，为减少漏电，掩膜层选取绝缘材料，孔洞的周期在500～1000nm之间，孔洞的直径在50～500nm之间；本专利技术的纳米柱阵列从掩膜层的孔洞中生长出来，材料采用氮化物半导体材料，纳米柱的高度在300～1000nm之间；顶电极接触层从多量子阱的顶部生长并逐渐变宽直至相互合并形成薄膜；本专利技术的底电极和顶电极为可以让红外光透过的欧姆接触电极，其结构为环形电极或ITO透明电极等；本专利技术的钝化层选取绝缘材料。本专利技术的多量子阱生长在纳米柱阵列的顶部和侧面；其中，生长在纳米柱阵列的顶部的多量子阱为半极性面多量子阱，生长在纳米柱阵列的侧面的多量子阱为非极性面多量子阱。传统的氮化物量子阱红外探测器的多量子阱生长在氮化物的c面，为极性面多量子阱，晶体质量差，而且极化场使得导带边倾斜，不利于光电流的纵向输运。相比于传统极性面多量子阱结构，纳米柱阵列结构利用半极性面多量子阱和非极性面多量子阱极大地提高了材料的生长质量，极大地降低了极化场对光电流输运的不利影响，更有利于光电流信号的提取。本专利技术的另一个目的在于提供一种氮化物量子阱红外探测器的制备方法。本专利技术的氮化物量子阱红外探测器的制备方法，包括以下步骤：1)优化参数：根据实际需要，通过数值模拟计算，得到量子阱红外探测器结构的优化参数；2)制备图形化衬底：包括在衬底上依次生长缓冲层和底电极接触层，并按照步骤1)中的优化参数，利用图形化制备技术制备具有周期性排布的孔洞结构的掩膜层，形成图形化衬底；3)生长外延晶片：利用精细外延生长设备，按照步骤1)中的优化参数，在图形化衬底上，从掩膜层中的孔洞中生长纳米柱阵列，在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱，在多量子阱的顶部生长顶电极接触层；4)测试反馈：利用材料表征设备对外延晶片的晶体质量、表面形貌以及界面情况进行测试反馈，并测试外延晶片的光吸收谱，确定光响应波段范围。如果外延晶片的性能不满足需要，则优化生长条件，返回步骤1)重新制备，直到获得符合设计要求的外延晶片，进入步骤5)；5)制备探测器单元：包括对外延晶片进行台面刻蚀、电极蒸镀以及侧边钝化等步骤；6)对探测器单元进行封装，包括连接热沉和引线，封装后对探测器单元进行测试以获取探测器单元的性能信息。其中，在步骤1)中，根据探测范围的需要，采用薛定谔方程和泊松方程自洽求解的方法进行模拟计算；得到优化参数：图形化衬底的周期和孔洞的直径，多量子阱的势垒、势阱的材料、厚度和周期数，底电极接触层和顶电极接触层的材料和厚度。步骤2)中，制备图形化衬底包括：①清洗衬底使表面洁净可用于外延生长；②在洁净的衬底上生长缓冲层；③在缓冲层上生长底电极接触层，生长时应进行n型掺杂以降低接触电阻，考虑到台面刻蚀容差，厚度应不小于200nm；④按照步骤1)中优化参数得到的图形化衬底的周期和孔洞的直径，利用纳米压印方法或聚焦离子束刻蚀方法等制备掩膜层。步骤3)中，采用精细外延设备进行制备，获得高质量外延晶片，具体包括：①清洗图形化衬底使表面洁净可用于外延生长；②在图形化衬底上从掩膜层中的孔洞中生长纳米柱阵列；③在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱；④在多量子阱的顶部生长顶电极接触层，要求多量子阱的顶部生长并逐渐变宽直至相互合并形成薄膜，顶电极接触层的材料和掺杂浓度与底电极接触层相同。步骤4)中，采用X射线衍射的摇摆曲线半高宽FWHM的大小表征材料位错密度的螺型分量和刃型分量的大小，采用高精度透射电子显微镜HR-TEM表征多量子阱的界面锐利度，采用原子力显微镜AFM表征材料的表面粗糙度RMS，采用傅里叶变换红外光谱仪FTIR测试红外光吸收谱；其中，摇摆曲线半高宽FW本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述氮化物量子阱红外探测器包括：衬底、缓冲层、底电极接触层、复合层、底电极、顶电极和钝化层；在衬底上生长缓冲层；在缓冲层上生长底电极接触层；在底电极接触层的一部分上依次为复合层和顶电极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在顶电极和底电极的侧面覆盖有钝化层；其中，复合层包括掩膜层、纳米柱阵列、多量子阱和顶电极接触层，掩膜层具有周期性排布的孔洞结构，纳米柱阵列从掩膜层中的孔洞中生长出来，在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱，在多量子阱的顶部生长顶电极接触层。

【技术特征摘要】
1.一种氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述氮化物量子阱红外探测器包括：衬底、缓冲层、底电极接触层、复合层、底电极、顶电极和钝化层；在衬底上生长缓冲层；在缓冲层上生长底电极接触层；在底电极接触层的一部分上依次为复合层和顶电极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在顶电极和底电极的侧面覆盖有钝化层；其中，复合层包括掩膜层、纳米柱阵列、多量子阱和顶电极接触层，掩膜层具有周期性排布的孔洞结构，纳米柱阵列从掩膜层中的孔洞中生长出来，在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱，在多量子阱的顶部生长顶电极接触层；其中，纳米柱阵列的顶部为金字塔状，顶部为半极性面并且侧壁为非极性面。2.如权利要求1所述的氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述掩膜层选取绝缘材料；孔洞的周期在500～1000nm之间，孔洞的直径在50～500nm之间。3.如权利要求1所述的氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述纳米柱阵列的材料采用氮化物半导体材料；纳米柱的高度在300～1000nm之间。4.如权利要求1所述的氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述顶电极接触层从多量子阱的顶部生长并逐渐变宽直至相互合并形成薄膜。5.一种氮化物量子阱红外探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)优化参数：根据实际需要，通过数值模拟计算，得到量子阱红外探测器结构的优化参数；2)制备图形化衬底：包括在衬底上依次生长缓冲层和底电极接触层，并按照步骤1)中的优化参数，利用图形化制备技术制备具有周期性排布的孔洞结构的掩膜层，形成图形化衬底；3)生长外延晶片：利用精细外延生长设备，按照步骤1)中的优化参数，在图形化衬底上，从掩膜层中的孔洞中生长纳米柱阵列，在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱，在多量子阱的顶部生长顶电极接触层，其中，纳米柱阵列的顶部为金字塔状，顶部为半极性面并且侧壁为非极性面；4)测试反馈：利用材料表征设备对外延晶片的晶体质量、表面形貌以及界面情况进行测试反馈，并测试外延晶片的光吸收谱，确定光响应波段范围；如果外延晶片的性能不满足需要，则优化生长条件，返回步骤1)重新制备，直到获得符合设计要求的外延晶片，进入步骤5)；5)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新强，荣新，沈波，陈广，郑显通，王平，许福军，秦志新，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11