一种基于II类超晶格的横向p‑n结红外探测器及其制作方法技术

一种基于II类超晶格的横向p‑n结红外探测器及其制作方法，属于半导体光电器件制备技术领域。所述的红外探测器包括衬底、缓冲层、Ⅱ类超晶格及电极层。所述方法如下：将衬底放进分子束外延设备真空腔内进行处理；生长缓冲层1~2μm；在缓冲层上形成Ⅱ类超晶格；在Ⅱ类超晶格表面采用光刻胶掩膜定义p型和n型区域；向两区分别注入Be离子和Si离子到Ⅱ类超晶格中深度为500~800nm；在p型和n型区和二者中间位置溅射钛金合金，作为p型和n型接触电极及接地电极，形成横向p‑n结。本发明专利技术的优点是：材料制备相对简单，无需生长掺杂超晶格结构；在器件制备方面，不需台阶刻蚀，p型和n型电极处于同一平面，简化制作工艺和电学连线。

【技术实现步骤摘要】
一种基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器及其制作方法
本专利技术属于半导体光电器件制备
，具体涉及一种基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器及其制作方法。
技术介绍
红外探测技术在军事、特殊气体、探测空间探索、安防监控等领域有广泛应用。其中II类超晶格材料作为第三代红外探测材料引起广泛关注。1977年Esaki等提出InAs/GaSbII类超晶格红外探测器的概念。目前II类超晶格的红外探测器都是基于纵向结构，尤其是纵向pn结或p-i-n结，InAs/GaSb超晶格是典型的II类超晶格，二者的能带结构完全错开，成为II类能带结构，两种材料交替生长一定周期形成超晶格结构，由于两种材料的能带错开，超晶格中电子和空穴限制在不同的材料中，沿着生长方向的电子和空穴的纵向输运需经过两种材料的界面，要求较高的界面质量，由于界面散射和界面处缺陷及晶体缺陷导致的隧穿电流是器件暗电流的主要来源，降低器件的探测率和灵敏度，严重影响了探测器的性能。而且，纵向器件需通过化学或物理刻蚀形成台面，过程中产生的缺陷也会形成表面漏电流或侧壁漏电流。pn结或p-i-n结还需要进行高浓度的p型和n型掺杂，在制备过程中导致大量的晶格缺陷，并导致暗电流，为了抑制缺陷及暗电流，红外探测器需在低温工作，需要制冷，限制了应用领域。近年来，Ⅱ类超晶格材料发展起来很多不同结构的红外探测器。比如：传统的pn结和p-i-n结、p-π-M-n，互补型势垒红外探测器等，这些结构需要进行高浓度p型和n型掺杂，纵向结构需要进行刻蚀，产生的缺陷形成侧面漏电流等暗电流来源。除此之外还有M型和W型等结构，1995年Meyer等人首次发展了波段在中波的红外探测器，为W型结构（Appl.Phys.Lett，2009(95):023508）。长波段可由具有W型结构的探测器实现（Appl.Phys.Lett.2011(98):143501）。2009年，美国西北大学B.M.Nguyen等人报道了一种基于Ⅱ类InAs/GaSb/AlSb超晶格材料的超长波红外探测器，采用M结构作为势垒（Appl.Phys.Lett.2009(95):183502）。这些结构还需加入第三种材料从而实现M型或W型能带结构，制备复杂，生长周期长，而且这些结构均以纵向器件为基本结构，在载流子传输和器件制备方面都存在以上问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的红外探测器由于纵向结构在生长和器件制备过程中产生缺陷而导致灵敏度和探测率低的问题，提供一种基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器及其制作方法，该方法除用于InAs/GaSb的II类超晶格以外，也适用于具有二类能带结构的其他材料。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器，所述的红外探测器自下而上包括衬底、缓冲层、Ⅱ类超晶格；Ⅱ类超晶格表面分为n型区和p型区，在n型区和p型区分别通过离子注入方法注入Si和Be元素形成高掺杂导电区域，在n型区表面和p型区表面及两者之间的表面区域分别蒸镀钛金电极，形成n型接触电极、p型接触电极及接地电极。一种上述的基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器的制备方法，所述方法具体步骤如下：步骤一：将衬底放进分子束外延设备真空腔内，进行高温脱氧处理15min，然后在V族元素蒸汽保护下除气3~5min；步骤二：在步骤一处理后的衬底上生长缓冲层1~2μm；步骤三：在缓冲层上生长100~200个周期的Ⅱ类超晶格；步骤四：在步骤三的Ⅱ类超晶格表面采用光刻胶掩膜定义n型区和p型区，这两个区域均为正方形，边长尺寸250~400μm；步骤五：在室温下，向n型区和p型区分别注入Be离子和Si离子到Ⅱ类超晶格中，深度为500~800nm，并在惰性气体保护下350~400oC进行退火处理15~60min消除注入损伤；步骤六：通过光刻掩膜方法在n型区和p型区的表面及二者中间位置定义n型接触电极区、p型接触电极区及接地电极区，n型区和p型区均为正方形，边长尺寸为200~300μm，并在这些区域溅射钛金合金，作为n型接触电极、p型接触电极及接地电极，形成横向p-n结。本专利技术相对于现有技术的有益效果是：（1）材料制备相对简单，无需生长掺杂超晶格结构；（2）在器件制备方面，不需台阶刻蚀，p型和n型电极处于同一平面，简化制作工艺和电学连线；（3）载流子在薄膜内横向传输，传输速率快，迁移率高，可提高响应速度和量子效率。（4）II型能带结构，电子和空穴在不同的材料中，迁移率大，无需跨越材料界面；（5）横向p-n结光探测器，避免了纵向器件制作中产生的侧面缺陷和漏电流；（6）光刻技术离子注入技术在材料中形成p型和n型，而不是在生长过程中进行掺杂。附图说明图1为横向pn结红外探测器纵向剖面结构示意图；图2为横向pn结红外探测器表面电极示意图；图3为横向pn结红外探测器电路连接示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。横向p-n结中载流子的横向迁移率远远大于纵向迁移率，有利于获得快速响应和高的量子效率，并由于抑制了缺陷和暗电流的产生，可提高工作温度。本专利技术的器件利用II类超晶格材料制备横向pn结实现红外探测。利用离子注入和光刻技术制备横向pn结，通过外加反向电压，电子和空穴可被分别吸引到对应电极，进一步抑制电子和空穴的复合，提高探测率。同时利用横向pn结也可降低在纵向pn结中由于超晶格材料的掺杂而导致的质量下降问题，也降低了载流子纵向传输时由于超晶格界面和位错引起的隧穿电流，有助于提高器件工作温度。本专利技术利用II类超晶格作为红外探测激活层，该类超晶格电子和空穴分别限制在不同的材料中，可减少载流子的复合。在超晶格表面利用光刻技术和离子注入技术向超晶格内部注入p型和n型掺杂剂Be和Si，在超晶格表面蒸镀电极形成横向pn结。II类超晶格吸收红外光产生光生电子和空穴，由于在II类超晶格中电子和空穴分别限制在不同的材料层中，横向pn结可通过外加方向电压，吸引电子到p型区，空穴到n型区，形成光电流，获得红外探测信号，表明在红外光探测方面具有很好的应用前景。具体实施方式一：本实施方式记载的是一种基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器，所述的红外探测器自下而上包括衬底1、缓冲层2、Ⅱ类超晶格3；Ⅱ类超晶格3表面分为n型区4和p型区5，在n型区4和p型区5分别通过离子注入方法注入Si和Be元素形成高掺杂导电区域，在n型区4表面和p型区5表面及两者之间的表面区域分别蒸镀钛金电极，形成n型接触电极6、p型接触电极7及接地电极8。具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器，所述的Ⅱ类超晶格（3）为InAs/(In)GaSb超晶格、InAs/InAsSb超晶格、(In)GaAs/GaAsSb超晶格。具体实施方式三：一种具体实施方式一或二所述的基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器的制备方法，所述方法具体步骤如下：步骤一：将衬底1放进分子束外延设备真空腔内，进行高温脱氧处理15min，然后在V族元素蒸汽保护下除气3~5min；步骤二：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于II类超晶格的横向p‑n结红外探测器，其特征在于：所述的红外探测器自下而上包括衬底（1）、缓冲层（2）、Ⅱ类超晶格（3）；Ⅱ类超晶格（3）表面分为n型区（4）和p型区（5），在n型区（4）和p型区（5）分别通过离子注入方法注入Si和Be元素形成高掺杂导电区域，在n型区（4）表面和p型区（5）表面及两者之间的表面区域分别蒸镀钛金电极，形成n型接触电极（6）、p型接触电极（7）及接地电极（8）。

【技术特征摘要】
1.一种基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器，其特征在于：所述的红外探测器自下而上包括衬底（1）、缓冲层（2）、Ⅱ类超晶格（3）；Ⅱ类超晶格（3）表面分为n型区（4）和p型区（5），在n型区（4）和p型区（5）分别通过离子注入方法注入Si和Be元素形成高掺杂导电区域，在n型区（4）表面和p型区（5）表面及两者之间的表面区域分别蒸镀钛金电极，形成n型接触电极（6）、p型接触电极（7）及接地电极（8）。2.根据权利要求1所述的一种基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器，其特征在于：所述的Ⅱ类超晶格（3）为InAs/（In）GaSb超晶格、InAs/InAsSb超晶格、（In）GaAs/GaAsSb超晶格。3.一种权利要求1或2所述的基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器的制备方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：步骤一：将衬底（1）放进分子束外延设备真空腔内，进行高温脱氧处理15min，然后在V族元素蒸汽保护下除气3~5min；步骤二：在步骤一处理后的衬底（1）上生长缓冲层（2）1~2μm；步骤三：在缓冲层（2）上生长100~200个周期的Ⅱ类超晶格（...

【专利技术属性】
技术研发人员：矫淑杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23