CN102569484A - InAs/GaSb二类超晶格红外探测器 - Google Patents

Abstract

一种InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，包括：一衬底；一缓冲欧姆接触层，制作在衬底上；一第一二类超晶格层，制作在缓冲欧姆接触层上，使缓冲欧姆接触层上面的两侧形成台面；一本征二类超晶格光吸收层，制作在第一二类超晶格层上；一第二二类超晶格层，制作在本征二类超晶格光吸收层上；一欧姆接触层，制作在第二二类超晶格层上；一钝化层，覆盖缓冲欧姆接触层两侧的部分台面、第一二类超晶格层、本征二类超晶格光吸收层、第二二类超晶格层和欧姆接触层的侧面，及欧姆接触层上的两侧面，覆盖欧姆接触层的该钝化层的中间有一透光口，覆盖缓冲欧姆接触层的该钝化层两侧的台面上分别有一电极窗口；一上电极，制作在透光口的两侧；一下电极，制作在电极窗口内。

Description

InAs/GaSb二类超晶格红外探测器

技术领域

本发明涉及采用半导体技术领域，尤其是涉及一种在3至5微米中波波段的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的制作和钝化方法。

背景技术

自从二十世纪四十年代第一个实用的红外探测器研制成功以来，红外探测器在民用、军事、太空等诸多领域得到了广泛应用。由红外探测器组成的红外系统已经被广泛用于夜视、导航、搜索、预警、目标侦察、精确打击等许多方面，充分显示了红外技术的分辨率高、准确可靠、保密性好、抗电子干扰性强等优点。对于InAs/GaSb二类超晶格红外探测器来说，由于在InAs/GaSb二类超晶格中，电子主要束缚在InAs层中，而空穴主要束缚在GaSb层，因此电子与空穴形成空间的隔离，具有以下优势：

1)量子效率高，带间跃迁，能够吸收正入射，响应时间快；

2)暗电流小，降低了俄歇复合及有关的暗电流，工作温度提高；

3)电子有效质量大，隧穿电流小，可获得高的探测率；

4)带隙从2μm-30μm可调，可制备短波、中波、长波、甚长波、双色段及多波段器件。

基于以上无可比拟的优势，InAs/GaSb二类超晶格探测器已经成为红外探测方面最为活跃的领域，是第三代红外焦平面探测器的理想代表之一。

针对解决表面电流泄漏问题，钝化作为InAs/GaSb II型超晶格探测器的关键工艺，将为后续的大面积单(双)色探测焦平面阵列器件的制备提供了技术保障。这对取得高性能的红外成像系统具有非常重要的意义。目前，SiO₂是最普遍采用的钝化材料，其工艺制作非常成熟。但是对InAs/GaSb二类超晶格材料，采用SiO₂作为钝化材料，表面电阻可以得到改善。它的缺点就是在接触表面容易产生悬键的表面态，SiO₂材料的禁带宽度相对来说不够大。针对SiO₂材料钝化方法的上述缺陷，本发明提供一种InAs/GaSb二类超晶格红外探测器结构。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，其是在GaSb衬底上生长的3至5微米的中波波段InAs/GaSb二类超晶格红外探测器制作以及降低暗电流、提高探测器的钝化。

本发明提供一种InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，包括：

一衬底；

一缓冲欧姆接触层，制作在衬底上；

一第一二类超晶格层，制作在缓冲欧姆接触层上，该第一二类超晶格层位于缓冲欧姆接触层的中间，使缓冲欧姆接触层上面的两侧形成台面；

一本征二类超晶格光吸收层，制作在第一二类超晶格层上；

一第二二类超晶格层，制作在本征二类超晶格光吸收层上；

一欧姆接触层，制作在第二二类超晶格层上；

一钝化层，覆盖缓冲欧姆接触层两侧的部分台面、第一二类超晶格层、本征二类超晶格光吸收层、第二二类超晶格层和欧姆接触层的侧面，及欧姆接触层上的两侧面，覆盖欧姆接触层的该钝化层的中间有一透光口，覆盖缓冲欧姆接触层的该钝化层两侧的台面上分别有一电极窗口；

一上电极，制作在透光口的两侧；

一下电极，制作在电极窗口内。

附图说明

为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图对本发明作详细的描述，其中：

图1是本发明的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的结构示意图；

图2是本发明提供的InAs/GaSb二类超晶格每个周期生长快门控制图；

图3是本发明提供的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的X射线衍射图；

图4是本发明提供的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器钝化与没有钝化的暗电流比较图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，包括：

一衬底1，该衬底1的材料为GaSb；在该衬底1上制作InAs/GaSb二类超晶格红外探测器之前，将GaSb衬底1放在分子束外延设备系统的缓冲腔室的烘烤台除气，除气的时间为40分钟至2小时，除气温度为180至240℃；除气的目的是为了除去GaSb衬底1表面的水汽，防止带入生长腔室；然后将GaSb衬底1传入分子束外延设备系统的生长腔室内，放在生长位置，在525℃脱氧，将GaSb衬底1温度升至545℃在Sb气氛下保护5至10分钟，此步骤的目的是为了除去GaSb衬底1表面上的氧化物；

一缓冲欧姆接触层2，是通过分子束外延设备系统制作在衬底1上，制作该缓冲欧姆接触层2时衬底1的温度降至为500℃，所述的缓冲欧姆接触层2的厚度为500nm至1000nm；

一第一二类超晶格层3，制作在缓冲欧姆接触层2上，制作该第一二类超晶格层3时衬底1的温度降至为370至380℃，该第一二类超晶格层3位于缓冲欧姆接触层2的中间，使缓冲欧姆接触层2上面的两侧形成台面，该第一二类超晶格层3由大于或等于100个周期InAs层/InSb界面层/GaSb层/As-soak组成交替制作而成，所述第一二类超晶格层3的厚度为400nm至700nm，其掺杂浓度为10¹⁸cm^-3至10¹⁹cm^-3，掺杂的方法为在周期结构中的InAs层内掺杂硅源；

一本征二类超晶格光吸收层4，制作在第一二类超晶格层3上，制作该本征二类超晶格层4时的衬底1的温度为370至380℃，所述的本征二类超晶格吸收层4的材料为InAs/GaSb，是由交替生长的大于400个周期或者1.6微米以上的InAs层/InSb界面层/GaSb层/As-soak组成；

一第二二类超晶格层5，制作在本征二类超晶格光吸收层4上，作该第二二类超晶格层3时衬底1的温度为370至380℃，该第二二类超晶格层5由大于或等于100个周期InAs层/InSb界面层/GaSb层/As-soak组成交替制作而成，所述的第二二类超晶格层5的厚度为400nm至700nm，其掺杂浓度为10¹⁸cm^-3至10¹⁹cm^-3，掺杂的方法为在周期结构中的GaSb层内掺杂铍源；

一欧姆接触层6，制作在第二二类超晶格层5上，所述的欧姆接触层6的厚度为10nm至20nm；

一钝化层7，覆盖缓冲欧姆接触层2两侧的部分台面、第一二类超晶格层3、本征二类超晶格光吸收层4、第二二类超晶格层5和欧姆接触层6的侧面，及欧姆接触层6上的两侧面，覆盖欧姆接触层6的该钝化层7的中间有一透光口71，覆盖缓冲欧姆接触层2的该钝化层7两侧的台面上分别有一电极窗口72，该钝化层7的材料采用SiO_xN_y，0＜x＜2，0＜y＜4/3，所述的钝化层制作的方法为：在温度为300℃，并且在NH₃气氛下生长SiO₂，该钝化SiO_xN_y层的厚度为300nm；

一上电极8，制作在透光口71的两侧，所述上电极8采用钛金合金溅射而成的，该钛金合金中各层的厚度是Ti为100nm，Au为300nm；

一下电极9，制作在电极窗口72内，所述下电极9采用钛金合金溅射而成的，该钛金合金中各层的厚度是Ti为100nm，Au为300nm。

其中该缓冲欧姆接触层2的材料为P型GaSb，该第一二类超晶格层3的材料为P型InAs/GaSb，该本征二类超晶格光吸收层4的材料为InAs/GaSb，该第二二类超晶格层5的材料为N型InAs/GaSb，该欧姆接触层6的材料为N型InAs。

如图2所示，其中所述的第一二类超晶格层3、本征二类超晶格光吸收层4以及第二二类超晶格层5的二类超晶格制作中，在每个周期里，各个源的快门的开关顺序为：1、Ga和Sb源的快门打开，2、Ga和Sb源的快门关闭，同时As源的快门打开；3、In源的快门打开；4、中断，即关闭所有源的快门；5、打开In和Sb源的快门；其中所述的第一二类超晶格层3、本征二类超晶格光吸收层4以及第二二类超晶格层5中的InAs层和GaSb层的厚度由探测器的探测波长3至5微米决定，InSb界面厚度以及As-soak时间由GaSb衬底1和所述的第一二类超晶格层3、本征二类超晶格光吸收层4以及第二二类超晶格层5的二类超晶格的应变决定。

下面以50％截止探测波长为4.8微米的InAs/GaSb二类超晶格红外光电探测器为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

在GaSb衬底1上，采用分子束外延设备系统，通过分子束外延方法依次生长制备P型GaSb缓冲欧姆接触层(缓冲欧姆接触层2)，P型InAs/GaSb二类超晶格层(第一二类超晶格层3)、本征InAs/GaSb二类超晶格光吸收层(本征二类超晶格光吸收层4)、N型1InAs/GaSb二类超晶格层(第二二类超晶格层5)以及InAs欧姆接触层(欧姆接触层6)；

然后使用标准的光刻技术以及磷酸，柠檬酸，双氧水溶液对外延片刻蚀出台面，刻蚀出台面之后，镀上一层SiO_xN_y钝化材料(钝化层7)，该材料的生长方法为：在温度为300℃，并且在NH3气氛下生长SiO₂，该钝化SiOxNy层的厚度为300nm。

所说的P型，本征以及N型InAs/GaSb二类超晶格层里，每个周期InAs层的厚度为2.1nm；每个周期GaSb层厚为2.1nm；每个周期As soak时间为3秒；每个周期中断的时间为3秒；每个周期InSb的生长时间为0.5秒。P型InAs/GaSb二类超晶格层的周期数位100，本征型InAs/GaSb二类超晶格光吸收层的周期数为400，N型InAs/GaSb二类超晶格层的周期数为100。

每个周期的生长方法如图2所示，首先同时打开Ga，Sb源的快门14秒；再关闭Ga，Sb源的快门同时打开As的快门3秒；然后打开In源的快门21秒；此后中断所有的快门3秒；最后打开In，Sb的快门0.5秒。在生长过程中，GaSb的生长速率为0.5ML/S，InAs的生长速率为0.38ML/S。

如图3所示，图3是上述使用分子束外延生长InAs/GaSb二类超晶格样品的X射线衍射图，图中显示该外延片样品X射线衍射的半高宽为40弧秒，反应上述生长样品的高质量性。

如图4所示，图4是上述使用分子束外延生长样品制备成红外光电探测器的暗电流与电压关系图。图4中(a)是77K温度下，采用SiO_xN_y材料钝化以及未作任何钝化的暗电流曲线，图4中(b)是SiO_xN_y材料钝化以及未采用任何钝化方法的动态电阻曲线，比较图4中(a)和(b)可以发现，采用SiO_xN_y材料钝化使暗电流降低，提高探测器的电阻与探测器的面积的乘积值，从而提高InAs/GaSb二类超晶格红外光电探测器的探测率。

本发明采用分子束外延技术和一种新的InAs/GaSb二类超晶格红外光电探测器结构，通过一种新材料SiO_xN_y钝化方法，由于SiO_xN_y具有禁带宽度大，可以降低InAs/GaSb二类超晶格红外光电探测器的暗电流，提高探测器的电阻与探测器的面积的乘积值，从而提高InAs/GaSb二类超晶格红外光电探测器的探测率。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的的限制，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，包括：

一衬底；

一缓冲欧姆接触层，制作在衬底上；

一第一二类超晶格层，制作在缓冲欧姆接触层上，该第一二类超晶格层位于缓冲欧姆接触层的中间，使缓冲欧姆接触层上面的两侧形成台面；

一本征二类超晶格光吸收层，制作在第一二类超晶格层上；

一第二二类超晶格层，制作在本征二类超晶格光吸收层上；

一欧姆接触层，制作在第二二类超晶格层上；

一钝化层，覆盖缓冲欧姆接触层两侧的部分台面、第一二类超晶格层、本征二类超晶格光吸收层、第二二类超晶格层和欧姆接触层的侧面，及欧姆接触层上的两侧面，覆盖欧姆接触层的该钝化层的中间有一透光口，覆盖缓冲欧姆接触层的该钝化层两侧的台面上分别有一电极窗口；

一上电极，制作在透光口的两侧；

一下电极，制作在电极窗口内。

2.根据权利要求1所述的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，其中该衬底的材料为GaSb。

3.根据权利要求1所述的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，其中该缓冲欧姆接触层的材料为P型GaSb，该第一二类超晶格层的材料为P型InAs/GaSb，该本征二类超晶格光吸收层的材料为InAs/GaSb，该第二二类超晶格层的材料为N型InAs/GaSb，该欧姆接触层的材料为N型InAs。

4.根据权利要求3所述的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，其中所述的缓冲欧姆接触层的厚度为500nm至1000nm。

5.根据权利要求3所述的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，其中所述的欧姆接触层的厚度为10nm至20nm。

6.根据权利要求3所述的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，其中所述第一二类超晶格层的厚度为400nm至700nm，其掺杂浓度为10¹⁸cm^-3至10¹⁹cm^-3。

7.根据权利要求3所述的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，其中所述的第二二类超晶格层的厚度为400nm至700nm，其掺杂浓度为10¹⁸cm^-3至10¹⁹cm^-3。

8.根据权利要求1所述的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，其中所述的本征二类超晶格吸收层的材料为InAs/GaSb，是由交替生长的大于400个周期或者1.6微米以上的InAs层/InSb界面层/GaSb层/As-soak组成。

9.根据权利要求1所述的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，其中所述上电极和下电极采用钛金合金，该钛金合金中各层的厚度是Ti为100nm，Au为300nm。

10.根据权利要求1所述的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器，其中该钝化层的材料采用SiO_xN_y，0＜x＜2，0＜y＜4/3。

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