红外探测器的制作方法

专利检索2022-05-11  7



1.本实用新型属于半导体技术领域,具体地讲,涉及一种红外探测器。


背景技术:

2.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、光通讯以及光谱分析等领域。锑化物超晶格(例如,inas/gasb和inas/inassb)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。
3.红外探测器的重要噪声来源是暗电流。目前,为了抑制暗电流,在锑化物超晶格探测器的结构设计上,通常利用能带工程在器件中引入势垒层,比如美国西北大学的m结构(b.-m.nguyen et al,appl.phys.lett.91,163511,2007),海军实验室的w结构(i.vurgaftman et al,appl.phys.lett.89,121114,2006),喷气推进实验室的电子空穴互补型势垒(david z.-y.ting et al,appl.phys.lett.95,023508,2009)等。这些现有技术的方案中,电子势垒均采用inas/gasb超晶格,而空穴势垒方案较多,但都无一例外的使用含铝(al)的材料如inas/alsb超晶格、inas/gasb/alsb/gasb超晶格或者inas/ingasb/inas/algainsb超晶格。
4.然而,在现有技术的方案中,存在的问题之一是采用inas/gasb超晶格的电子势垒的高度受限,这将影响电子阻挡效果。此外,在现有技术的方案中,存在的问题之二是空穴势垒均含al,而含al材料极易氧化,这将增加红外探测器的生长和加工难度,影响器件的稳定性和可靠性。


技术实现要素:

5.为了解决上述问题之一,本实用新型提供了一种p型超晶格势垒层为p型inpsb/gasb超晶格的红外探测器。
6.而为了解决上述问题之二,本实用新型提供了一种n型超晶格势垒层为n型inpsb/gasb超晶格的红外探测器。
7.根据本实用新型的实施例的一方面提供的红外探测器,其中,所述红外探测器的p型超晶格势垒层为p型inpsb/gasb超晶格。
8.在上述一方面提供的红外探测器的一个示例中,所述红外探测器的n型超晶格势垒层为n型inpsb/gasb超晶格。
9.根据本实用新型的实施例的另一方面提供的红外探测器,其中,所述红外探测器的n型超晶格势垒层为n型inpsb/gasb超晶格。
10.在上述另一方面提供的红外探测器的一个示例中,所述红外探测器的p型超晶格势垒层为p型inpsb/gasb超晶格。
11.在上述一方面或另一方面提供的红外探测器的一个示例中,所述红外探测器还包括:包括衬底、n型接触层、超晶格吸收层、p型接触层、第一电极以及第二电极;其中,所述n型接触层、所述n型超晶格势垒层、所述超晶格吸收层、所述p型超晶格势垒层以及所述p型接触层依序层叠在所述衬底上,所述第一电极设置在所述n型接触层上,所述第二电极设置在所述p型接触层上。
12.在上述一方面或另一方面提供的红外探测器的一个示例中,所述n型超晶格势垒层的有效带宽大于所述超晶格吸收层的有效带宽,且所述n型超晶格势垒层的导带与所述超晶格吸收层的导带平齐。
13.在上述一方面或另一方面提供的红外探测器的一个示例中,所述p型超晶格势垒层的有效带宽大于所述超晶格吸收层的有效带宽,且所述p型超晶格势垒层的价带与所述超晶格吸收层的价带平齐。
14.在上述一方面或另一方面提供的红外探测器的一个示例中,所述n型接触层为n型inas或inassb材料。
15.在上述一方面或另一方面提供的红外探测器的一个示例中,所述超晶格吸收层为inas/gasb超晶格或inas/inassb超晶格。
16.在上述一方面或另一方面提供的红外探测器的一个示例中,所述p型接触层为p型gasb或gaassb材料。
17.在上述一方面或另一方面提供的红外探测器的一个示例中,所述衬底为n型inas衬底或n型gasb衬底。
18.本实用新型的有益效果:本实用新型采用inpsb/gasb超晶格制作形成电子势垒层,其势垒高度高于传统的inas/gasb超晶格电子势垒,从而改善电子阻挡效果。
19.此外,本实用新型采用inpsb/gasb超晶格制作形成空穴势垒层,由于不含有al,因此避免了含al材料的氧化,降低了材料生长和加工的难度,提升了器件稳定性和可靠性。
20.进一步地,本实用新型采用同样的材料,即inpsb/gasb超晶格来制作形成电子势垒层和空穴势垒层,极大地降低了器件制作难度。
附图说明
21.通过结合附图进行的以下描述,本实用新型的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚,附图中:
22.图1是根据本实用新型的实施例的红外探测器的结构示意图;
23.图2是根据本实用新型的实施例的红外探测器中能带的示意图;
24.图3是根据本实用新型的实施例的红外探测器中的inas/gasb超晶格吸收层、n型inpsb/gasb超晶格势垒层以及p型inpsb/gasb超晶格势垒层中各自的导带ec和价带ev相对位置的对比示意图;
25.图4a至图4d是根据本实用新型的实施例的红外探测器的制作方法的制程图。
具体实施方式
26.以下,将参照附图来详细描述本实用新型的具体实施例。然而,可以以许多不同的形式来实施本实用新型,并且本实用新型不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。
相反,提供这些实施例是为了解释本实用新型的原理及其实际应用,从而使本领域的其他技术人员能够理解本实用新型的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
27.如本文中使用的,术语“包括”及其变型表示开放的术语,含义是“包括但不限于”。术语“基于”、“根据”等表示“至少部分地基于”、“至少部分地根据”。术语“实施例”、“一个示例”、“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”、“另一实施例”、“另一个示例”、“又一个示例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义,无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明,否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。
28.在此,还需要说明的是,为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型,在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤,而省略了关系不大的其他细节。
29.如背景技术中所述,针对红外探测器,在现有技术的方案中,存在的问题之一是采用inas/gasb超晶格的电子势垒的高度受限,这将影响电子阻挡效果。此外,在现有技术的方案中,还存在的问题之二是空穴势垒均含铝(al),而含al材料极易被氧化,这将增加红外探测器的生长和加工难度,影响红外探测器的稳定性和可靠性。
30.因此,为了提高电子势垒的高度,根据本实用新型的实施例提供了一种利用p型inpsb/gasb超晶格制作形成p型超晶格势垒层的红外探测器。在该红外探测器中,所述p型超晶格势垒层为p型inpsb/gasb超晶格。此外,根据本实用新型的实施例还提供了一种利用红外探测器的制作方法。在该红外探测器的制作方法中,利用p型inpsb/gasb超晶格制作形成p型超晶格势垒层。
31.由于p型inpsb/gasb超晶格的势垒高度高于传统的inas/gasb超晶格电子势垒,因此采用inpsb/gasb超晶格制作形成的电子势垒层具有较高的势垒高度,从而能够改善电子阻挡的效果。
32.此外,为了避免空穴势垒中含铝,根据本实用新型的实施例还提供了一种利用n型inpsb/gasb超晶格制作形成n型超晶格势垒层的红外探测器。在该红外探测器中,n型超晶格势垒层为n型inpsb/gasb超晶格。此外,根据本实用新型的实施例还提供了一种利用红外探测器的制作方法。在该红外探测器的制作方法中,利用n型inpsb/gasb超晶格制作形成n型超晶格势垒层。
33.由于n型inpsb/gasb超晶格中不含有al,因此其制作形成的n型超晶格势垒层不易被氧化,从而可以降低红外探测器的生长和加工难度,进而提高红外探测器的稳定性和可靠性。
34.以下将结合附图来详细描述根据本实用新型的各实施例的红外探测器。
35.图1是根据本实用新型的实施例的红外探测器的结构示意图。
36.参照图1,根据本实用新型的实施例的红外探测器包括:衬底10;从下而上叠层设置的n型接触层11、n型超晶格势垒层12、超晶格吸收层13、p型超晶格势垒层14、p型接触层15;以及第一电极16和第二电极17;其中,所述第一电极16与n型接触层11接触,所述第二电极17设置在p型接触层15上。
37.在一个示例中,可以例如采用感应耦合等离子体刻蚀(icp)工艺对所述p型接触层15、所述p型超晶格势垒层14、所述超晶格吸收层13、所述n型超晶格势垒层12进行局部刻
蚀,从而使所述n型接触层11露出,进而形成台面结构a。在这种情况下,第一电极16可以设置在露出的所述n型接触层11上,即设置在台面结构a上。
38.在一个示例中,所述衬底10为n型inas衬底或n型gasb衬底。
39.在一个示例中,所述n型接触层11为n型inas或inassb材料。
40.在一个示例中,所述超晶格吸收层13为inas/gasb超晶格或inas/inassb超晶格。
41.在一个示例中,所述p型接触层15为p型gasb或gaassb材料。
42.在一个示例中,所述p型超晶格势垒层14为p型inpsb/gasb超晶格,而所述n型超晶格势垒层12为inas/alsb超晶格、inas/gasb/alsb/gasb超晶格或者inas/ingasb/inas/algainsb超晶格。在这种情况下,由于p型inpsb/gasb超晶格的势垒高度高于传统的inas/gasb超晶格电子势垒,因此采用inpsb/gasb超晶格制作形成的电子势垒层(即p型超晶格势垒层14)具有较高的势垒高度,从而能够改善电子阻挡的效果。
43.在另一个示例中,所述p型超晶格势垒层14为inas/gasb超晶格,而所述n型超晶格势垒层12为n型inpsb/gasb超晶格。在这种情况下,由于n型inpsb/gasb超晶格中不含有al,因此其制作形成的n型超晶格势垒层12不易被氧化,从而从而可以降低红外探测器的生长和加工难度,进而可以提高红外探测器的稳定性和可靠性。
44.在又一个示例中,所述p型超晶格势垒层14为p型inpsb/gasb超晶格,而所述n型超晶格势垒层12为n型inpsb/gasb超晶格。在这种情况下,除具有上述两点有益效果(高势垒高度和不易被氧化)之外,采用相同的材料(即inpsb/gasb超晶格)制作形成p型超晶格势垒层14和n型超晶格势垒层12,能够进一步降低生长和制备难度。
45.进一步地,在一个示例中,所述n型接触层11的厚度为0.1μm~0.5μm,掺杂源选用si,掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
~1
×
10
19
cm-3
,对应带宽为0.3ev~0.4ev。
46.在一个示例中,所述n型超晶格势垒层12的厚度为0.2μm~0.5μm,掺杂源选用si,掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
~1
×
10
19
cm-3
,对应带宽为0.3ev~0.5ev。
47.在一个示例中,所述超晶格吸收层13的厚度为2μm~5μm,为非故意掺杂,对应带宽为0.1ev~0.3ev。
48.在一个示例中,所述p型超晶格势垒层14的厚度为0.2μm~0.5μm,掺杂源选用zn或be,掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
~1
×
10
19
cm-3
,对应带宽为0.3ev~0.5ev。
49.在一个示例中,所述p型接触层15的厚度为0.1μm~0.5μm,掺杂源选用zn或be,掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
~1
×
10
19
cm-3
,对应带宽为0.6ev~0.8ev。
50.以下对根据本实用新型的实施例的红外探测器中的能带进行详细描述。图2是根据本实用新型的实施例的红外探测器中能带的示意图。
51.一并参照图1和图2,使所述n型超晶格势垒层12的有效带宽大于所述超晶格吸收层13的有效带宽,且使所述n型超晶格势垒层12的导带ec与所述超晶格吸收层13的导带ec平齐,因此可以构成空穴势垒。
52.此外,使所述p型超晶格势垒层14的有效带宽大于所述超晶格吸收层13的有效带宽,且使所述p型超晶格势垒层14的价带ev与所述超晶格吸收层13的价带ev平齐,因此可以构成电子势垒。
53.因此,在所述红外探测器进行工作时,所述n型超晶格势垒层12和所述p型超晶格势垒层14与所述超晶格吸收层13之间构成双异质结结构,所述n型超晶格势垒层12为空穴
势垒层,所述p型超晶格势垒层14为电子势垒层。
54.进一步地,对于在所述超晶格吸收层13处产生光电流形成的电子空穴对,电子在通过所述n型超晶格势垒层12后被所述n型接触层11收集,空穴在通过所述p型超晶格势垒层14后被所述p型接触层15收集。而所述超晶格吸收层13中热激发的电子被所述p型超晶格势垒层14的电子势垒阻挡,热激发的空穴被所述n型超晶格势垒层12的空穴势垒阻挡,使得探测器暗电流受到抑制。也就是说,双异质结结构能够抑制红外探测器的暗电流和噪声,同时也保证了光电流的正常吸收,从而提高了红外探测器的探测性能。
55.在根据本实用新型的实施例的红外探测器中,采用inpsb/gasb超晶格可同时作为inas/gasb或inas/inassb超晶格的电子势垒层和空穴势垒层,形成所述双异质结结构,仅需要调节inpsb/gasb超晶格的厚度比例。以所述超晶格吸收层13为inas/gasb超晶格为例说明其物理机制。
56.图3是根据本实用新型的实施例的红外探测器中的inas/gasb超晶格吸收层、n型inpsb/gasb超晶格势垒层以及p型inpsb/gasb超晶格势垒层中各自的导带ec和价带ev相对位置的对比示意图。
57.inas和gasb构成二类能带排布,其形成微带后的有效带宽的导带ec和价带ev的位置如图3所示。所述p型超晶格势垒层14由inpsb/gasb超晶格构成,其中inpsb材料的价带ev位置与inas类似,而导带ec高出inas约0.2ev。因此,inpsb与gasb构成超晶格后,假设inpsb厚度与inas/gasb超晶格中的inas厚度保持一致,gasb厚度与inas/gasb超晶格中的gasb厚度保持一致,则inpsb/gasb超晶格微带的价带ev与inas/gasb超晶格的价带ev平齐,而超晶格微带的导带ec将高于inas/gasb超晶格的导带ec,从而形成非常完美的电子势垒层。
58.对于所述n型超晶格势垒层12,则需要将inpsb/gasb超晶格中的inpsb比例增加而减小gasb的比例,此时超晶格微带的导带ec位置急剧下降,可达到与inas/gasb超晶格导带ec平齐的状态,而超晶格微带的价带ev则必低于inas/gasb超晶格的价带ev。
59.因此,通过材料工程和能带工程,inpsb/gasb超晶格实现了对于inas/gasb超晶格完美的电子势垒层和空穴势垒层,极大的简化了设计和生产难度。作为电子势垒,其势垒高度高于传统的inas/gasb超晶格电子势垒。此外,inpsb/gasb超晶格不含al,相比于现有技术的方案,能降低材料生长和加工的难度,并提升红外探测器生产的稳定性和可靠性。基于inpsb/gasb超晶格的材料可作为短波、中波和长波红外探测器的电子势垒层和空穴势垒层,适用于各类波长的红外探测器,泛用性较强。
60.以下对根据本实用新型的实施例的红外探测器的制程进行详细说明。图4a至图4d是根据本实用新型的实施例的红外探测器的制作方法的制程图。
61.参照图4a,提供一衬底10。在一个示例中,衬底10可以是n型inas衬底或n型gasb衬底。
62.参照图4b,在所述衬底10上从下而上地(即依序层叠地)依次生长形成n型接触层11、n型超晶格势垒层12、超晶格吸收层13、p型超晶格势垒层14以及p型接触层15。
63.在一个示例中,可以采用金属有机物化学气相沉积(mocvd)工艺在所述衬底10上从下而上地依次生长形成n型接触层11、n型超晶格势垒层12、超晶格吸收层13、p型超晶格势垒层14以及p型接触层15。具体地,以金属有机物化学气相沉积工艺作为生长工艺,生长源为tmga、tmin、tmsb、ash3以及ph3,n型掺杂源为sih4,p型掺杂源为dezn,生长温度设置为
约600℃,反应室压力设置为200torr。在高温处理除去步骤s1中衬底10表面的杂质后,从下而上在衬底10上依次生长:
64.(1)n型接触层11。在一个示例中,n型接触层11为n型inas材料,厚度为0.5μm,掺si,掺杂浓度为1
×
10
19
cm-3
,对应带宽为0.3ev。
65.(2)n型超晶格势垒层12。在一个示例中,n型超晶格势垒层12为n型inpsb/gasb超晶格,厚度为0.5μm,掺si,掺杂浓度为5
×
10
18
cm-3
,对应带宽为0.4ev,其导带与超晶格吸收层13的导带平齐。
66.(3)超晶格吸收层13。在一个示例中,超晶格吸收层13为inas/gasb超晶格,厚度为5μm,非故意掺杂,对应带宽为0.1ev。
67.(4)p型超晶格势垒层14。在一个示例中,p型超晶格势垒层14为p型inpsb/gasb超晶格,厚度为0.5μm,掺zn,掺杂浓度为5
×
10
18
cm-3
,对应带宽为0.3ev,其价带与超晶格吸收层13的价带平齐。
68.(5)p型接触层15。在一个示例中,p型接触层15为p型gaassb材料,厚度为0.2μm,掺zn,掺杂浓度为1
×
10
19
cm-3
,对应带宽为0.6ev。
69.在另一个示例中,可以使用分子束外延工艺(mbe工艺)作为生长工艺,生长源为固态单质源ga、in、as、p以及sb,n型掺杂源为si,p型掺杂源为be,生长温度约为400℃。在衬底10经过除气去杂后,从下而上在衬底10上依次生长:
70.(1)n型接触层11。在一个示例中,n型接触层11为n型inassb材料,厚度为0.2μm,掺si,掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
,对应带宽为0.3ev。
71.(2)n型超晶格势垒层12。在一个示例中,n型超晶格势垒层12为n型inpsb/gasb超晶格,厚度为0.2μm,掺si,掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
,对应带宽为0.5ev,其导带与超晶格吸收层13的导带平齐;
72.(3)超晶格吸收层13。在一个示例中,超晶格吸收层13为inas/inassb超晶格,厚度为2μm,非故意掺杂,对应带宽为0.25ev。
73.(4)p型超晶格势垒层14。在一个示例中,p型超晶格势垒层14为p型inpsb/gasb超晶格,厚度为0.2μm,掺be,掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
,对应带宽为0.4ev,其价带与超晶格吸收层13的价带平齐。
74.(5)p型接触层15。在一个示例中,p型接触层15为p型gasb材料,厚度为0.1μm,掺be,掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
,对应带宽为0.7ev。
75.参照图4c,对所述p型接触层15、所述p型超晶格势垒层14、所述超晶格吸收层13、所述n型超晶格势垒层12进行局部刻蚀,形成露出了所述n型接触层11的台面结构a。
76.在一个示例中,可以采用感应耦合等离子体刻蚀(icp)工艺对所述p型接触层15、所述p型超晶格势垒层14、所述超晶格吸收层13、所述n型超晶格势垒层12进行局部刻蚀,使所述n型接触层11露出,从而形成台面结构a。
77.参照图4d,在所述n型接触层11上沉积第一电极16,并在所述p型接触层15上沉积第二电极17。
78.在一个示例中,可以采用电子束蒸发工艺在露出的所述n型接触层11上沉积第一电极16,并在所述p型接触层15上沉积第二电极17。在一个示例中,第一电极16和第二电极17均为ti(厚度为)/pt(厚度为)/au(厚度为)的组合。
79.在另一个示例中,可以采用电子束蒸发工艺在露出的所述n型接触层11上沉积第一电极16,并在所述p型接触层15上沉积第二电极17。在另一个示例中,第一电极16和第二电极17均为ti(厚度为)/pt(厚度为)/au(厚度为)的组合。
80.在一个示例中,采用了mocvd工艺作为n型接触层11、n型超晶格势垒层12、超晶格吸收层13、p型超晶格势垒层14、以及p型接触层15的生长工艺,能够减小成本,提高制成的红外探测器的性价比,上述mocvd的具体工艺及参数获得的超晶格吸收层13的截至波长约为12μm,属于长波红外,整体工艺流程较为适合制作长波焦平面探测器阵列。
81.在另一个示例中,采用了mbe工艺作为n型接触层11、n型超晶格势垒层12、超晶格吸收层13、p型超晶格势垒层14、以及p型接触层15的生长工艺,上述mbe工艺及参数获得的超晶格吸收层13的截至波长约为5μm,属于中波红外。由于mbe工艺能形成陡峭界面,得到的中波红外探测器的性能较高。
82.综上所述,根据本实用新型的实施例提供的红外探测器及其制作方法,采用了全新的inpsb/gasb超晶格,在inpsb比例较低时,inpsb/gasb超晶格能够与inas/gasb超晶格或inas/inassb超晶格的价带平齐,实现电子势垒;而在gasb比例较低时,inpsb/gasb超晶格能够与inas/gasb超晶格或inas/inassb超晶格的导带平齐,实现空穴势垒。这样,采用inpsb/gasb超晶格实现了对于inas/gasb超晶格或inas/inassb超晶格完美的电子势垒层和空穴势垒层,极大的简化了设计和生产难度。此外,inpsb/gasb超晶格作为电子势垒时,其提供的势垒高度高于传统的inas/gasb超晶格电子势垒。进一步地,inpsb/gasb超晶格不含al,相比于现有技术的方案,形成的势垒层不易被氧化,能降低材料生长和加工的难度,并提升红外探测器生产的稳定性和可靠性。更进一步地,基于inpsb/gasb超晶格的材料可作为短波、中波和长波红外探测器的电子势垒层和空穴势垒层,适用于各类波长的红外探测器,泛用性较强。
83.在整个本说明书中使用的术语“示例性”、“示例”等意味着“用作示例、实例或例示”,并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的,具体实施方式包括具体细节。然而,可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中,为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解,公知的结构和装置以框图形式示出。
84.以上结合附图详细描述了本实用新型的实施例的可选实施方式,但是,本实用新型的实施例并不限于上述实施方式中的具体细节,在本实用新型的实施例的技术构思范围内,可以对本实用新型的实施例的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本实用新型的实施例的保护范围。
85.本说明书内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本说明书内容。对于本领域普通技术人员来说,对本说明书内容进行的各种修改是显而易见的,并且,也可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下,将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此,本说明书内容并不限于本文所描述的示例和设计,而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
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