InAs/GaSb超晶格红外光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器及其制备方法。该InAs/GaSb超晶格红外光电探测器包括：衬底；沉积于衬底上的外延结构，该外延结构包括：n型掺杂缓冲层、n型电极接触层、势垒层、本征吸收层、p型电极接触层和盖层，该外延结构的两侧经刻蚀形成台阶；金属上电极，形成于台阶的上方；金属下电极，形成于台阶的下方；以及钝化层；其中，本征吸收层由若干个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb超晶格结构构成。本发明专利技术中，本征吸收层每个超晶格周期的两个界面中均插入InSb，形成应变超晶格，有效的平衡了超晶格与衬底之间的应力，提高了材料的生长质量，从而提高探测器的光电性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电器件制备
，尤其涉及一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器及其制备方法。
技术介绍
随着科学技术的进步，以军用为核心的红外探测器逐渐发展起来，目前在战略预警、战术报警、夜视、制导、通讯、气象、地球资源探测、工业探伤、医学、光谱、测温、大气监测等军用和民用领域都有广泛的应用。但是目前最常用的硅掺杂探测器、InSb、QWIP、MCT等红外探测器，都要求在低温下工作，需要专门的制冷设备，造价昂贵，因而应用受到限制。而InAs/GaSb红外探测器由于其材料的特殊性，例如：电子和空穴高的有效质量可有效的减少遂穿电流，提高态密度；重空穴带和轻空穴带较大的能量差能减小俄歇复合，提高载流子寿命等，是目前最有可能实现室温工作的第三代红外探测器。在8-14μm的长波段以及甚长波段，影响红外探测器性能最主要的因素除了探测器表面漏电流外，产生-复合暗电流以及隧穿暗电流也极大影响探测器的性能。为了限制这些暗电流，提高探测器的R0A，除了生长高质量的超晶格材料外，通常在器件结构上设计一层势垒层来抑制暗电流。如nBn型、“W”型、以及“M”型等器件结构。nBn型器件是美国新墨西哥大学于2005年提出来的，其结构特点是在n型上下电极接触层与吸收层中间生长A1Sb体材料作为势垒层，其优点是能够有效抑制由于Shockley-Read-Hall缺陷中心引起的产生复合暗电流和由器件表面缺陷引起的表面漏电流，从而提高器件工作温度、R0A与探测率。他们实现的长波10μm波段的nBn型探测器，在120K下，量子效率达20％，探测率达2×1010cm·Hz1/2·W-1。2005年美国海军实验室研制出了11.4μm长波段Ⅱ类超晶格光电探测器，采用p-i-n，有源区为“W”型能带结构的超晶格。“W”超晶格是在InAs层中插入A1Sb势垒，实现对电子的限制。其探测器在77K下，量子效率为30％，探测率为7.63×1010cm.Hz1/2.W-1。2006年，美国西北大学设计出pMp型结构的探测器，其单元器件，中波51am在77K下已做到量子效率大于70％，探测率达1013数量级，并实现了室温探测。长波101am在77K下，量子效率大于35％，探测率达10¨数量级。在GaSb基衬底上，世界各研究小组不仅对InAs/GaSb超晶格红外探测器的材料生长做了大量研究，实现了高界面质量以及高表面质量的探测器，而且对器件结构进行了拓展设计，制备了基于“W”型、“M”型、“N”型超晶格以及A1Sb体材料势垒层的PIN型、pMp型以及nBn型等结构的红外探测器。在实现本专利技术的过程中，申请人发现现有的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器存在如下技术缺陷：(1)InAs/GaSb超晶格生长时，由于InAs与GaSb存在7％的应变，导致超晶格层生长时存在较大应力，且超晶格层与衬底层之间同样存在应力，严重影响材料的生长质量，使超晶格材料中存在大量的生长缺陷，成为探测器产生一复合暗电流以及隧穿暗电流的主要来源。(2)针对含A1Sb的超晶格湿法刻蚀工艺不成熟，刻蚀台阶的侧壁下切效应不明显，易附着沉淀物，导致器件形成较大的表面漏电流；(3)针对含A1Sb的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，器件钝化步骤较多，工艺实现难度大，此外，钝化过程中器件表面易形成氧化物，从而进一步增加表面隧穿电流，影响探测器的光电性能。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种响应在长波波段暗电流低的新型红外探测器及其器件制备方法。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器。该GaSb基超晶格红外光电探测器包括：衬底1；沉积于衬底1上的外延结构，该外延结构包括：n型掺杂缓冲层2、n型电极接触层3、势垒层4、本征吸收层5、p型电极接触层6和盖层7，该外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，台阶的深度至n型电极接触层3；金属上电极8和金属下电极9，其中，金属上电极8形成于台阶的上方，与盖层7欧姆接触，金属下电极9形成于台阶的下方，与n型电极接触层3欧姆接触；以及钝化层10，形成于衬底1以及外延结构上除金属上电极8和金属下电极9之外的其他位置；其中，n型电极接触层3、势垒层4、本征吸收层5、p型电极接触层6均由超晶格结构构成，本征吸收层5由若干个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb超晶格结构构成。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种上述InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的制备方法。该制备方法包括：步骤A，在衬底1上沉积外延结构，该外延结构白下而上依次包括：n型掺杂缓冲层2、n型电极接触层3、势垒层4、本征吸收层5、p型电极接触层6和以及盖层7；步骤B，在外延结构的左右两侧经湿法刻蚀形成台阶，其中，该台阶经由GaSb盖层7、p型电极接触层6、本征吸收层5、势垒层4，直至n型电极接触层3；步骤C，在台阶上方的盖层7上形成金属上电极8，在台阶下方的n型电极接触层3中形成金属下电极9；以及步骤D，对衬底1和外延结构的外表面进行钝化，而后开窗口，露出金属上电极8和金属下电极9，完成InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的制作。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术中InAs/GaSb超晶格红外光电探测器及其制备方法具有以下有益效果：(1)在生长本征吸收层5时，通过InAs/GaSb超晶格生长时，在其每个周期的两个界面中均插入InSb，形成应变超晶格，有效的平衡了超晶格与衬底之间的应力，极大的提高了材料的生长质量，增加材料的吸收效率以及载流子的迁移率，从而提高探测器的光电性能；(2)通过合适的器件能带结构设计，在生长探测器吸收区之前生长M型超晶格作为探测器的势垒区，同样有效的抑制由于生长缺陷所带来的产生一复合暗电流以及隧穿暗电流，从而提高探测器的性能；(3)器件制备过程中，采用盐酸系腐蚀液并对腐蚀液配比进行优化，进行湿法刻蚀，该湿法腐蚀技术具有技术稳定、可控性高、实验设备简单的特点。制备的器件表面、台面无沉淀物产生，侧壁光滑无附着物，下切效应明显，能有效降低器件表面漏电流，从而提高红外探测器的光电性能；(4)采用SU8光刻胶对InAs/GaSb超晶格红外光电探测器进行钝化，该工艺具有实施步骤简单，减少器件表面氧化，从而有效降低表面隧穿暗电流，提高红外探测器的探测率。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，其特征在于，包括：衬底(1)；沉积于所述衬底(1)上的外延结构，该外延结构包括：n型掺杂缓冲层(2)、n型电极接触层(3)、势垒层(4)、本征吸收层(5)、p型电极接触层(6)和盖层(7)，该外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，台阶的深度至所述n型电极接触层(3)；金属上电极(8)和金属下电极(9)，其中，所述金属上电极(8)形成于所述台阶的上方，与所述盖层(7)欧姆接触，所述金属下电极(9)形成于所述台阶的下方，与所述n型电极接触层(3)欧姆接触；以及钝化层(10)，形成于所述衬底(1)以及外延结构上除金属上电极(8)和金属下电极(9)之外的其他位置；其中，所述n型电极接触层(3)、势垒层(4)、本征吸收层(5)、p型电极接触层(6)均由超晶格结构构成，所述本征吸收层(5)由若干个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb超晶格结构构成。

【技术特征摘要】
1.一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，其特征在于，包括：
衬底(1)；
沉积于所述衬底(1)上的外延结构，该外延结构包括：n型掺杂缓冲
层(2)、n型电极接触层(3)、势垒层(4)、本征吸收层(5)、p型电极
接触层(6)和盖层(7)，该外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，台阶的深
度至所述n型电极接触层(3)；
金属上电极(8)和金属下电极(9)，其中，所述金属上电极(8)形
成于所述台阶的上方，与所述盖层(7)欧姆接触，所述金属下电极(9)
形成于所述台阶的下方，与所述n型电极接触层(3)欧姆接触；以及
钝化层(10)，形成于所述衬底(1)以及外延结构上除金属上电极(8)
和金属下电极(9)之外的其他位置；
其中，所述n型电极接触层(3)、势垒层(4)、本征吸收层(5)、p
型电极接触层(6)均由超晶格结构构成，所述本征吸收层(5)由若干个
周期的InAs/InSb/GaSb/InSb超晶格结构构成。
2.根据权利要求1所述的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，其特
征在于，所述本征吸收层(5)的厚度介于1μm～6μm之间，其由若干个
周期的InAs/InSb/GaSb/InSb超晶格结构构成；
该本征吸收层(5)中的超晶格结构白下而上包括：10～15ML
InAs/1～2ML InSb/5～8ML GaSb/1～2ML InSb，其中，ML表示原子层。
3.根据权利要求2所述的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，其特
征在于，所述本征吸收层(5)中的超晶格结构白下而上包括：14ML
InAs/1ML InSb/7ML GaSb/1ML InSb。
4.根据权利要求1所述的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，其特
征在于，所述n型电极接触层(3)的厚度介于0.3μm～0.8μm之间，其由
若干个“M”型超晶格结构构成；
所述n型电极接触层(3)中的“M”型超晶格结构白下而上包括：
10～20ML InAs/1～5ML GaSb/1～5ML A1Sb/1～5ML GaSb，其中，ML表示原
子层，所述InAs层的材料采用Si掺杂的InAs材料。
5.根据权利要求4所述的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，其特
征在于，所述n型电极接触层(3)中的“M”型超晶格结构白下而上包
括：18ML InAs\...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋洞微，向伟，王娟，邢军亮，王国伟，徐应强，任正伟，贺振宏，牛智川，
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