一种红外探测器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体技术领域，尤其是一种红外探测器，从下至上依次包括：衬底、p型InAs/GaSb超晶格下接触层、p型InAs/GaSb超晶格吸收层、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层、p型InAs/GaSb超晶格上接触层；以及，设置于p型InAs/GaSb超晶格下接触层的上端面的下电极和设置于p型InAs/GaSb超晶格上接触层的上端面的上电极。本发明专利技术使用无Al的InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs W型超晶格作为势垒层，材料容易外延生长，并且长期稳定性和可靠型较高。

【技术实现步骤摘要】
一种红外探测器及其制备方法
本专利技术涉及半导体
，尤其涉及一种红外探测器的结构改进。
技术介绍
红外辐射探测是红外技术的重要组成部分，广泛应用于热成像、卫星遥感、气体监测、光通讯、光谱分析等领域。锑化物InAs/GaSb二类超晶格红外探测器由于具有均匀性好、俄歇复合率低、波长调节范围大等特点被认为是制备第三代红外探测器最理想的选择之一。相对于碲镉汞红外探测器(HgCdTe)，它的均匀性重复性更好、成本更低、在甚长波段性能更好；相对于量子阱红外探测器(QWIP)，它的量子效率更高、暗电流更小、工艺更简单。半导体红外探测器根据器件结构通常分为光伏型和光电导型。最近几年，随着对锑化物探测器的深入研究和探测机理的深入理解，红外探测器家族涌现出一种具有全新量子结构的器件，即势垒型红外探测器。它的工作原理是在无光照下，半导体中的多子被势垒层阻拦使得暗电流被抑制；在有光照下，吸收层产生的少子电流不会被阻挡而顺利到达电极产生信号。势垒型探测器通过能带工程和材料工程的运用极大的减小了探测器暗电流，增强了探测能力，提高了器件工作温度。目前报道的锑化物势垒型红外探测器包括nBn型器件和pMp型器件。nBn器件的典型结构是采用n型InAsSb吸收层，AlAsSb势垒层(Barrier)，n型InAsSb接触层，所以简写为nBn型器件，其势垒层能够阻挡电子通过而允许空穴通过。该结构被以色列的SCD公司采用而业已商业化。pMp器件的典型结构采用p型InAs/GaSb超晶格吸收层，GaSb/InAs/GaSb/AlSbM型超晶格势垒层(得名M型是因其能带排列形似英文字母M)，p型InAs/GaSb超晶格接触层，所以简写为pMp型器件，其势垒层能够阻挡空穴而允许电子通过。该结构于2009年被美国西北大学报道。尽管nBn和pMp的器件性能较传统器件有一定提升，但是，由于势垒层均使用了含铝(Al)的材料(nBn中采用的AlAsSb和pMp中采用的AlSb)，而Al极易氧化，增加了势垒型探测器的生长和加工难度，影响了器件的稳定性和可靠性。
技术实现思路
针对目前势垒型红外探测器技术的不足，本专利技术的主要目的在于提供一种无铝(Al)的pWp势垒型锑化物超晶格红外探测器，能有效提升探测器性能，降低材料生长和加工难度，确保器件的可靠性。其中W型势垒层采用了InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格，其能带排列形似英文字母W。本专利技术这种红外探测器，从下至上依次包括：衬底、p型InAs/GaSb超晶格下接触层、p型InAs/GaSb超晶格吸收层、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层、p型InAs/GaSb超晶格上接触层；以及，设置于所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层的上端面的下电极和设置于所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层的上端面的上电极。其中，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层由InGaAs、InAs、InAsSb、和InAs材料层依次交替组成，厚度为0.1～2μm；所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层平均晶格参数与所述衬底匹配。其中，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层有效带宽对应波长为2～5μm。其中，所述InGaAs、InAs、InAsSb和InAs材料层的交替周期为100～1000。其中，所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层、所述p型InAs/GaSb超晶格吸收层、所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层均与所述衬底晶格匹配。本专利技术还提供这种红外探测器的制备方法，包括如下步骤：在所述GaSb或InAs衬底上依次生长p型InAs/GaSb超晶格下接触层、p型InAs/GaSb超晶格吸收层、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层、p型InAs/GaSb超晶格上接触层；沉积电极：在所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层的上端面、所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层的上端面分别沉积下电极、上电极。其中，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层由InGaAs、InAs、InAsSb、和InAs材料层依次交替组成，厚度为0.1～2μm；所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层平均晶格参数与所述衬底匹配。其中，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层有效带宽对应波长为2～5μm。其中，所述InGaAs、InAs、InAsSb和InAs材料层的交替周期为100～1000。其中，所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层、所述p型InAs/GaSb超晶格吸收层、所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层均与所述衬底晶格匹配。其中，在所述沉积电极步骤之前，还包括台面刻蚀步骤和钝化步骤。其中，所述生长步骤采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延工艺。有益效果：(1)本专利技术使用无Al的InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAsW型超晶格作为势垒层，相对于现有的GaSb/InAs/GaSb/AlSbM型超晶格，材料更易外延生长，器件更易加工制备，并且长期稳定性和可靠型更高；(2)本专利技术采用了设计独特的pWp结构，其中W型势垒和p型吸收层的导带差ΔEc接近0eV，而价带差ΔEv大于0.2eV，这样探测器在无光照下空穴电流被W型势垒层阻拦使得暗电流被抑制，在有光照下，吸收层产生的少子电流不会被阻挡而顺利到达电极产生信号，保证了器件的最佳性能；(3)本专利技术的探测器采用p型InAs/GaSb超晶格作为吸收层，也就是在工作状态下少子为电子，这样器件的少子扩散长度长，量子效率高，暗电流低。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：图1为本专利技术红外探测器的结构示意图。图2为本专利技术红外探测器的能带示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。参阅图1所示，在本专利技术的一典型实施案例中提供了一种无铝的pWp势垒型锑化物超晶格红外探测器结构，其从下至上依次包括：GaSb或InAs衬底10、p型InAs/GaSb超晶格下接触层11、p型InAs/GaSb超晶格吸收层12、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层13、p型InAs/GaSb超晶格上接触层14；以及，设置于所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层11的上端面的下电极16，和设置于所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层14的上端面的上电极15。其中，所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层11形成于GaSb或InAs衬底10的上端面，由InAs和GaSb材料层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种红外探测器，其特征在于，从下至上依次包括：衬底、p型InAs/GaSb超晶格下接触层、p型InAs/GaSb超晶格吸收层、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层、p型InAs/GaSb超晶格上接触层；以及，设置于所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层的上端面的下电极和设置于所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层的上端面的上电极。

【技术特征摘要】
1.一种红外探测器，其特征在于，从下至上依次包括：衬底、p型InAs/GaSb超晶格下接触层、p型InAs/GaSb超晶格吸收层、InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层、p型InAs/GaSb超晶格上接触层；以及，设置于所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层的上端面的下电极和设置于所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层的上端面的上电极。2.根据权利要求1所述红外探测器，其特征在于，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层由InGaAs、InAs、InAsSb、和InAs材料层依次交替组成，厚度为0.1～2μm；所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层平均晶格参数与所述衬底匹配。3.根据权利要求1或2所述红外探测器，其特征在于，所述InGaAs/InAs/InAsSb/InAs/InGaAs超晶格势垒层有效带宽对应波长为2～5μm。4.根据权利要求1或2所述红外探测器，其特征在于，所述InGaAs、InAs、InAsSb和InAs材料层的交替周期为100～1000。5.根据权利要求1所述红外探测器，其特征在于，所述p型InAs/GaSb超晶格下接触层、所述p型InAs/GaSb超晶格吸收层、所述p型InAs/GaSb超晶格上接触层均与所述衬底晶格匹配。6.一种红外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在所述GaSb或InAs衬底上依次生长p型InAs/GaSb超晶格下接触层、p型InAs/GaS...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄勇，熊敏，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32