InSb量子阱红外探测器及制备方法技术

一种InSb量子阱红外探测器结构，其包括：一衬底；一复合缓冲层，其生长在衬底上；一InSb下欧姆接触层，其生长在复合缓冲层上；一InSb/InAlSb超晶格量子阱层，其生长在InSb下欧姆接触层上；一AlGaSb电子阻挡层，其生长在InSb/InAlSb超晶格量子阱层上；一InSb上欧姆接触层，其生长在AlGaSb电子阻挡层上。本发明专利技术可以降低反偏电压下的暗电流和工作时的噪声电流，提高了探测器的探测率和最高工作温度。

【技术实现步骤摘要】
InSb量子阱红外探测器及制备方法
本专利技术属于半导体
，尤其是指基于InSb量子阱红外探测器结构及制备方法。技术背景红外探测器包括碲镉汞(TeCrHg)，锑化铟(InSb)等体材料红外探测器，以及量子点、量子阱、超晶格等二维结构材料红外探测器，其在检测大气、军事、民用和医学等方面有广泛的应用。量子阱红外探测器相比于其他结构的探测器更易得到高的响应速度和探测率，可以通过调节量子阱结构参数优化探测器的输出特性，且利用MBE等先进工艺可以生长出高品质、大面积和均匀的量子阱材料，近年来，量子阱探测器在长波应用方面得到了迅速发展。锑化铟(InSb)是二元锑化物半导体材料中禁带宽度最小的，其禁带宽度为0.17eV，且锑化物半导体具有高电子迁移率、高电子饱和速度等优良性质，因此InSb在中红外探测器领域有很好的应用。相比于传统的TeGrHg材料，InSb材料制备的红外探测器具有更好的力学性能，更高的工作温度，更广泛的衬底材料，更方便的生长过程。将InSb材料与量子阱结构结合起来制成InSb量子阱红外探测器可以充分发挥InSb材料优良的电学性质，得到响应速度更快，探测精度更高的探测设备。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种InSb量子阱红外探测器结构及其制备方法，此结构与方法采用Si作为外延的衬底材料，使得制作大面阵的红外探测器器件成为可能。用MBE方法生长InSb阱层和InAlSb垒层，通过控制势阱层厚度和势垒层铝组分控制能带结构中的阱宽和垒高，以得到10μm以上范围较宽的响应波长，在量子阱吸收层上方生长一层电子阻挡层，降低了反偏电压下的暗电流和工作时的噪声电流，提高了探测器的探测率和最高工作温度。本专利技术提供一种InSb量子阱红外探测器结构，其包括：一衬底；一复合缓冲层，其生长在衬底上；一InSb下欧姆接触层，其生长在复合缓冲层上；一InSb/InAlSb超晶格量子阱层，其生长在InSb下欧姆接触层上；一AlGaSb电子阻挡层，其生长在InSb/InAlSb超晶格量子阱层上；一InSb上欧姆接触层，其生长在AlGaSb电子阻挡层上。本专利技术还提供一种制备权利要求1所述的InSb量子阱红外探测器结构的制备方法，包括以下步骤：步骤1：选择衬底，所述衬底是与外延材料大失配的Si；步骤2：在衬底晶面上依次生长复合缓冲层、InSb下欧姆接触层、InSb/InAlSb超晶格量子阱层、AlGaSb电子阻挡层和InSb上欧姆接触层。本专利技术的有益效果是，其在InSb量子阱吸收层的上方生长了一层AlGaSb电子阻挡层，阻挡了光吸收产生的电子在P极与空穴复合，降低了InSb红外探测器在反偏电压下的暗电流和工作时的噪声电流，提高了InSb探测器的探测率和最高工作温度。该量子阱结构红外探测器对10-15μm的波长范围内的光有强烈响应，低温下响应波长达到20μm以上，零偏压电阻高于10KΩ，负偏压下暗电流低于10nA/cm2，探测率为1.5×1012cmHz1/2W-1以上，电压响应和电流响应分别不低于1×105V/W和2A/W，量子效率保持在50％以上。此结构设计探测器的优良性能在军事、大气探测、医疗等方面有很高的应用价值。附图说明为进一步说明本
技术实现思路
，以下结合具体实施方式，并参照附图，对本专利技术详细的描述如后，其中：图1是本专利技术红外探测器的结构示意图；图2是图1中复合缓冲层20结构示意图；图3是图1中超晶格量子阱40结构示意图；图4是本专利技术的制备流程图。具体实施方式请参阅图1、图2及图3所示，本专利技术提供一种InSb量子阱红外探测器结构，其包括：一衬底10，所述衬底10是与外延材料大失配的Si，Si材料是应用最广泛的半导体材料之一，硅技术在半导体技术中已经相当成熟，对Si衬底的表面处理等技术日趋完善，因此选用Si衬底可以大大减轻工作量。一复合缓冲层20，其生长在衬底10上，该复合缓冲层20包括：一低温AlSb缓冲层21，其生长在衬底10上，厚度为3-20nm，该层的作用是有效抑制孪晶缺陷的出现并尽可能多的形成AlSb岛状结构，有利于生长高质量的AlSb高温缓冲层；一AlSb缓冲层22，其生长在低温AlSb缓冲层21上，厚度为1000-2000nm，该层有较高的电阻率，可大大减小器件的漏电流，同时在低温AlSb与高温AlSb的界面处可以限制穿通位错向外延层延伸，减小位错密度；一InAlSb缓冲层23，其生长在AlSb缓冲层22上，厚度为1000-4000nm，Al的摩尔含量为0.1-0.3，该层有效缓解了量子阱层与衬底之间的晶格失配，进一步释放晶格失配引起的应力，将大部分位错都限制在此层中。一InSb下欧姆接触层30，其生长在复合缓冲层20上，该层材料为n型掺杂InSb，厚度是300-1000nm，Te掺杂浓度为2-8×1017cm3。该层一方面形成良好的n型欧姆接触层，以引出N电极；另一方面可作为缓冲层，使发光器件的有源区离衬底更远，过滤了位错，减少了位错孪晶等缺陷，同时减弱了杂质从衬底向上的扩散。一InSb/InAlSb超晶格量子阱层40，其生长在InSb下欧姆接触层30上，超晶格周期数为20-80，其中每个超晶格量子阱周期中包括：一n型掺杂InSb量子阱阱层41和一势垒层42，该InSb量子阱阱层41的厚度为3-10nm，n型掺杂剂为Te，掺杂浓度为1-4×1017cm-3；该InAlSb势垒层42的厚度为40-100nm，Al的摩尔含量为0.1-0.3。该In/InAlSb超晶格量子阱层是红外光探测器的核心部分，InSb和InAlSb分别作为势阱和势垒交替生长成周期性的结构，使原来在体材料中连续的导带分裂成量子化的子能带，量子阱吸收光后电子产生子带间的跃迁，由于子带间距较小，将InSb红外探测器的吸收波长提高到10-15μm，对量子阱适当的掺杂提高了阱中电子浓度，增强了信号强度。使得探测器的探测率达到1.5×1012cmHz1/2W-1以上，电压响应和电流响应分别不低于1×105V/W和2A/W。一AlGaSb电子阻挡层50，其生长在InSb/InAlSb超晶格量子阱层40上，该阻挡层的厚度是50-200nm，Al的摩尔含量为0.1-0.3，该层在吸收区和接触电极之间形成一个电子的势垒，阻挡吸收光发生跃迁的电子运动到P极发生复合，避免削减电导信号，使该结构量子效率达到50％以上。一InSb上欧姆接触层60，其生长在AlGaSb电子阻挡层50上，该层材料为p型掺杂InSb，厚度是300-1000nm，Be掺杂浓度为2-8×1017cm-3，该层的作用是形成良好的p型欧姆接触层，以便引出P电极。请参阅图4，并结合参阅图1、图2及图3，本专利技术提供一种制备InSb量子阱红外探测器结构的制备方法，包括以下步骤：步骤1：选择衬底10，所述衬底10的材料是与外延材料大失配的Si；步骤2：在衬底10晶面上依次生长复合缓冲层20、InSb下欧姆接触层30、InSb/InAlSb超晶格量子阱层40、AlGaSb电子阻挡层50和InSb上欧姆接触层60。分子束外延，英文缩写为MBE，这是一种新发展起来的外延制膜方法，也是一种特殊的真空镀膜工艺。外延是一种制备单晶薄膜的新技术，它是在适当的衬底与合适的条件下，沿衬底材料晶轴方向逐层生长薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种InSb量子阱红外探测器结构，其包括：一衬底；一复合缓冲层，其生长在衬底上；一InSb下欧姆接触层，其生长在复合缓冲层上；一InSb/InAlSb超晶格量子阱层，其生长在InSb下欧姆接触层上；一AlGaSb电子阻挡层，其生长在InSb/InAlSb超晶格量子阱层上；一InSb上欧姆接触层，其生长在AlGaSb电子阻挡层上。

【技术特征摘要】
1.一种InSb量子阱红外探测器结构，其包括：一衬底；一复合缓冲层，其生长在衬底上；一InSb下欧姆接触层，其生长在复合缓冲层上；一InSb/InAlSb超晶格量子阱层，其生长在InSb下欧姆接触层上；一AlGaSb电子阻挡层，其生长在InSb/InAlSb超晶格量子阱层上；一InSb上欧姆接触层，其生长在AlGaSb电子阻挡层上。2.根据权利要求1所述的InSb量子阱红外探测器结构，其中所述衬底的材料是与外延材料大失配的Si。3.根据权利要求1所述的InSb量子阱红外探测器结构，其中所述复合缓冲层包括：一低温AlSb缓冲层，该低温AlSb缓冲层的厚度为3-20nm；一AlSb缓冲层，其生长在低温AlSb缓冲层上，该AlSb缓冲层的厚度为1000-2000nm；一InAlSb缓冲层，其生长在AlSb缓冲层上，该InAlSb缓冲层的厚度为1000-4000nm，其中Al的摩尔含量为0.1-0.3。4.根据权利要求1所述的InSb量子阱红外探测器结构，其中所述InSb/InAlSb超晶格量子阱层的超晶格周期数为20-80，每个超晶格量子阱周期中包括：一n型掺杂InSb量子阱阱层和一InAlSb势垒层，该InSb量子阱阱层的厚度为3-10nm，n型掺杂剂为Te，掺杂浓度为1-4×1017cm-3；该InAlSb势垒层的厚度为40-100nm，Al的摩尔含量为0.1-0.3。5.根据权利要求1所述的InSb量子阱红外探测器结构，其中所述InSb下欧姆接触层的厚度为300-1000nm，Te掺杂浓度为2-8×1017cm-3；所述InSb量子阱电子阻挡层的厚度为50-200nm，Al的摩尔含量为0.1-0.3；所述InSb量子阱上欧姆接触层为p型掺杂InSb，厚度为300-1000nm，Be掺杂浓度为2-8×1017cm-3。6.一种制备权利要求1所述的InSb量子阱红外探测器结构的制备方法，包括以下步骤：步骤1：选择...

【专利技术属性】
技术研发人员：董海云，张杨，曾一平，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11