一种高增益紫外至近红外InGaAs探测器芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种高增益紫外至近红外InGaAs探测器芯片，在其磷化铟(InP)衬底之上结构依次为：InP接触层、铟镓砷(InGaAs)吸收层、氧化硅(SiO2)介质层、源极金属电极、石墨烯层、漏极金属电极以及栅极金属电极，如附图所示。本发明专利技术的优点在于：一方面石墨烯展现良好的半金属特性，与InGaAs层接触能够形成肖特基光电二极管，实现光探测；另一方面石墨烯无禁带宽度且其光学透过性极好，能够拓宽该新型InGaAs探测器光谱响应至近紫外，同时能够增加InGaAs层的光吸收；此外，石墨烯具有极高的迁移率和极快的载流子传输特性，使得该探测器对光生载流子的注入拥有极高的量子增益特性。

A high gain ultraviolet to near infrared InGaAs detector chip

The invention discloses a high gain ultraviolet to near infrared InGaAs detector chip. The structure above the indium phosphide (InP) substrate is InP contact layer, indium gallium arsenic (InGaAs) absorption layer, silicon oxide (SiO2) medium layer, source metal electrode, graphene layer, drain gold electrode, and gate metal electrode, as shown in the attached drawings. The advantages of the invention are: on the one hand, graphene exhibits good semi metal characteristics and can form Schottky photodiode with the contact with the InGaAs layer to realize light detection; on the other hand, there is no bandgap width and excellent optical transmittance of graphene, which can broaden the spectral response of the new InGaAs detector to near ultraviolet, and can increase the spectral response to the near ultraviolet. In addition, graphene has high mobility and very fast carrier transmission characteristics, which makes the detector have high quantum gain characteristics for the injection of InGaAs.

【技术实现步骤摘要】
一种高增益紫外至近红外InGaAs探测器芯片
本专利技术是关于一种新型的探测器芯片，具体是指一种高增益紫外至近红外InGaAs探测器芯片，它能够实现包括紫外光、可见光和近红外光在内的宽波段范围探测。
技术介绍
铟镓砷探测器芯片的传统结构为InP/InGaAs/InP结构，其在近红外波段内拥有良好的性能，这使得其在民用、军事和航空航天领域有着广泛的应用价值。InGaAs材料的吸收截至波长位于近红外波段，这意味着InGaAs材料的吸收谱能够覆盖波长小于近红外的可见光甚至紫外光，但是由于InP衬底和InP帽层的吸收作用，抑制了InP/InGaAs/InP探测器对可见光、紫外波段的探测，致使传统的InGaAs探测器无法探测紫外、可见波段的目标，无法识别一些广泛应用的波长较短的激光。此外，对于某些需要同时探测紫外光、可见光和短波红外的应用，需要多个分离的探测器分别进行探测，会导致探测系统复杂，系统尺寸和重量较大等缺点。因此一种基于铟镓砷材料的高性能紫外至近红外探测器是十分必要的。
技术实现思路
基于上述提到的传统InGaAs探测器存在的问题和发展需求，本专利技术创新性的提出了一种高增益紫外至近红外InGaAs探测器芯片，不仅能够探测传统InGaAs探测器覆盖的近红外区域，而且能够将探测波段延伸到可见和紫外波段，实现紫外、可见和近红外区域的宽波段探测，同时该新型探测器具备极高的量子增益特性。本专利技术是在传统的InGaAs探测器基础之上进行结构和技术改进，首先利用石墨烯材料取代了InP帽层材料，增加光子吸收；其次采用栅控结构，增加光生电流的吸收；再者是采用石墨烯作为晶体管沟道，提高光电流信号的增益。本专利技术的剖面结构示意图如图1所示，它由InP衬底1、InP接触层2、InGaAs吸收层3、SiO2介质层4、源极金属电极5、石墨烯层6、漏极金属电极7以及栅极金属电极8组成。其中的InP接触层2和InGaAs吸收层3通过外延技术生长在InP衬底之上，然后在InGaAs层3上淀积一层厚度为90～300nm的SiO2介质层4，通过光刻和刻蚀等半导体工艺在SiO2介质层4上开放孔，将原子层数为1～5层的石墨烯6转移在方孔之上并覆盖方孔，最后在方孔左右或者上下两侧的石墨烯6上蒸镀淀积源极金属电极5、漏极金属电极7，在被刻蚀开的InP接触层2上淀积栅极金属电极8。本专利技术所涉及的关键工艺步骤如附图2所示，1)取样清洗，2)淀积SiO2介质层4，3)刻蚀开方孔，4)转移石墨烯6，5)刻蚀开栅电极接触层，6)淀积金属电极。具体工艺流程步骤如下：1取样清洗，依次采用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗样品8～3mins；2淀积SiO2介质层4，等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积厚度200±30nm的氮化硅扩散掩膜5，衬底温度为330±20℃、RF功率为40±10W；3刻蚀开方孔，采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术在SiO2介质层4上开方孔，刻蚀条件为：ICP功率为1500W、RF功率为25～50W、腔体压强为9.4mTorr、温度为5℃，然后用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀10s；4转移石墨烯6，采用干法转移技术，将厚度为1～5个原子层的石墨烯，转移至方孔之上，覆盖整个方孔，并且石墨烯6与InGaAs层吸收层3接触。5刻蚀开栅电极接触层，采用Ar离子刻蚀技术进行刻蚀，刻蚀条件为：离子能量150～400eV，束流40～80cm-3；6淀积金属电极，采用离子束溅射工艺淀积厚度为50～150nm的Au，真空度为2～5×10-2Pa，离子束能量为100eV～250eV；本专利技术的优点在于：A.该新型InGaAs探测器芯片利用先进的二维石墨烯材料与InGaAs体材料形成了肖特基特光电二极管，实现了二维与三维的结合，并能实现光谱探测。B.该新型InGaAs探测器芯片使用了禁带宽度为零且透光性极好的先进二维石墨烯材料，使得更宽的光谱和更多的光子被InGaAs层吸收，拓宽了探测器的光谱响应，同时可以提高探测器的光响应。C.该新型InGaAs探测器芯片使用了先进的二维石墨烯材料，由于石墨烯材料具有低的态密度、高的载流子迁移率和极快的载流子传输特性，使得载流子在石墨烯中传输时具有极高的量子增益特性，因此该新型探测器芯片具有高增益和高响应率特性。D.该新型探测器芯片的制备工艺更简单，制备成本更低，更节约。附图说明图1为本专利技术的二维剖面结构示意图。图2为本专利技术的制备工艺流程图。图中：1——InP衬底；2——InP接触层；3——InGaAs吸收层；4——SiO2介质层；5——源极金属电极；6——石墨烯层；7——漏极金属电极；8——栅极金属电极。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方法作详细的说明。如图2所示，本实施例的具体工艺流程为：实施例11取样清洗，依次采用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗样品8～3mins；2淀积SiO2介质层4，等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积厚度200±30nm的氮化硅扩散掩膜5，衬底温度为330±20℃、RF功率为40±10W；3刻蚀开方孔，采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术在SiO2介质层4上开方孔，刻蚀条件为：ICP功率为1500W、RF功率为25～50W、腔体压强为9.4mTorr、温度为5℃，然后用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀10s；4转移石墨烯6，采用干法转移技术，将厚度为1个原子层的石墨烯，转移至方孔之上，覆盖整个方孔，并且石墨烯6与InGaAs层吸收层3接触。5刻蚀开栅电极接触层，采用Ar离子刻蚀技术进行刻蚀，刻蚀条件为：离子能量150～400eV，束流40～80cm-3；6淀积金属电极，采用离子束溅射工艺淀积厚度为50～150nm的Au，真空度为2～5×10-2Pa，离子束能量为100eV～250eV；实施例21取样清洗，依次采用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗样品8～3mins；2淀积SiO2介质层4，等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积厚度200±30nm的氮化硅扩散掩膜5，衬底温度为330±20℃、RF功率为40±10W；3刻蚀开方孔，采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术在SiO2介质层4上开方孔，刻蚀条件为：ICP功率为1500W、RF功率为25～50W、腔体压强为9.4mTorr、温度为5℃，然后用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀10s；4转移石墨烯6，采用干法转移技术，将厚度为3个原子层的石墨烯，转移至方孔之上，覆盖整个方孔，并且石墨烯6与InGaAs层吸收层3接触。5刻蚀开栅电极接触层，采用Ar离子刻蚀技术进行刻蚀，刻蚀条件为：离子能量150～400eV，束流40～80cm-3；6淀积金属电极，采用离子束溅射工艺淀积厚度为50～150nm的Au，真空度为2～5×10-2Pa，离子束能量为100eV～250eV；实施例31取样清洗，依次采用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗样品8～3mins；2淀积SiO2介质层4，等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积厚度200±30nm的氮化硅扩散掩膜5，衬底温度为330±20℃、RF功率为40±10W；3刻蚀开方孔，采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术在SiO2介质层4上开方孔，刻蚀条件为：ICP功率为1500W、RF功率为25～50W、腔体压强为9本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高增益紫外至近红外InGaAs探测器芯片，包括InP(1)衬底、InP接触层(2)、InGaAs吸收层(3)、SiO2介质层(4)和石墨烯层(6)，其特征在于：所述探测器芯片的结构为：在InP衬底(1)上依次是InP接触层(2)、InGaAs吸收层(3)、SiO2介质层(4)，SiO2介质层(4)中央有一方孔，在SiO2介质层(4)上为石墨烯层(6)，石墨烯层填充在SiO2介质层(4)的中央方孔之中，并与下层InGaAs吸收层(3)形成异质结接触，源极金属电极(5)和漏极金属电极(7)在石墨烯层(6)上，位于所述方孔的左右或者上下两侧位置，栅极金属电极(8)位于InP接触层(2)上；所述的SiO2介质层(4)的厚度为90nm～300nm；所述的石墨烯层(6)的原子层数为1～5层；所述的源极金属电极(5)、漏极金属电极(7)为Ti、Pt和Au金属电极；所述的栅极金属电极(8)为Cr和Au金属电极。

【技术特征摘要】
1.一种高增益紫外至近红外InGaAs探测器芯片，包括InP(1)衬底、InP接触层(2)、InGaAs吸收层(3)、SiO2介质层(4)和石墨烯层(6)，其特征在于：所述探测器芯片的结构为：在InP衬底(1)上依次是InP接触层(2)、InGaAs吸收层(3)、SiO2介质层(4)，SiO2介质层(4)中央有一方孔，在SiO2介质层(4)上为石墨烯层(6)，石墨烯层填充在SiO2介质层(4)的中央方孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹高奇，邵秀梅，李雪，杨波，邓双燕，程吉凤，于一臻，龚海梅，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31