InGaAs/QWIP雙色紅外探測器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導體器件，尤其涉及一種InGaAs/QWIP雙色紅外探測器及其制備方法，屬于光探測器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外線自被發(fā)現(xiàn)以來，漸漸被人們熟知并在信息技術(shù)與通訊、醫(yī)療保健與生命科學、國防與航空等領(lǐng)域中發(fā)揮出越來越重要的作用。紅外光譜是一種人眼不可見的光譜，其波長范圍從0.75微米至1000微米，介于可見光紅與微波之間。按其波長來分，可分為近紅夕卜、中紅外、遠紅外、極遠紅外四類。隨著紅外應(yīng)用的不斷推廣與發(fā)展，先進的紅外探測技術(shù)要求探測器具有更高的空間分辨率和更好的目標識別能力。紅外探測技術(shù)也正朝著高分辨率、多波段的方向發(fā)展。而雙色紅外探測，則是多波段探測的開端。雙色紅外探測器能對雙波段輻射信息進行處理，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾和目標識別能力。
[0003]在長波紅外工作的QWIP(量子阱紅外探測器)一般采用晶格匹配的GaAs/AlGaAs材料體系，概因GaAs/AlGaAs量子阱材料具有結(jié)構(gòu)簡單、價格較低、易于生長并獲得大面積均勻材料的特點。另外由于GaAs/AlGaAs量子阱材料容易進行能帶裁剪、應(yīng)用于長波紅外探測的技術(shù)路線明確，故而是大尺寸焦平面陣列的優(yōu)選材料。又，QWIP利用子能帶能級間光躍迀實現(xiàn)對紅外輻射光子的共振吸收，能夠?qū)崿F(xiàn)8?12微米波段的探測。由于GaAs基QWIP器件在高動態(tài)阻抗、快速響應(yīng)以及低功耗等方面的優(yōu)勢足以滿足大面積FPA制作的需要，已成為國際上紅外FPA研宄的熱點。
[0004]但是，目前以QWIP為基礎(chǔ)的雙色紅外探測器，多是在長波紅外有源區(qū)采用GaAs/AlGaAs準匹配體系的多量子阱結(jié)構(gòu)，峰值響應(yīng)遠紅外波段；另外增加一有源區(qū)采用InGaAs/GaAs/AlGaAs應(yīng)變體系的微帶超晶格結(jié)構(gòu)，響應(yīng)中波紅外波段；并不能實現(xiàn)近紅外和遠紅外波段這兩個波長差異較大的波段的探測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的在于提出一種InGaAs/QWIP雙色紅外探測器及其制備方法，該雙色紅外探測器具有對近紅外輻射和遠紅外輻射的探測能力，器件結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，且制備工藝簡單可控，成本低廉，適于規(guī)模化生產(chǎn)，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0006]為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括:
[0007]一種InGaAs/QWIP雙色紅外探測器，包括PIN-1nGaAs紅外探測器單元和GaAs/AlGaAsQffIP結(jié)構(gòu)單元，且所述PIN-1nGaAs紅外探測器單元與GaAs/AlGaAs QffIP結(jié)構(gòu)單元通過晶片鍵合方式集成形成所述雙色紅外探測器。
[0008]進一步的，所述PIN-1nGaAs紅外探測器單元能吸收波長為0.7?1.6微米的紅外輻射。
[0009]進一步的，所述GaAs/AlGaAs QWIP結(jié)構(gòu)單元能借助異質(zhì)界面的量子效應(yīng)，通過子帶間躍迀吸收波長為8?12微米的紅外輻射。
[0010]進一步的，所述PIN-1nGaAs紅外探測器單元包括依次設(shè)置的緩沖層、下?lián)诫s層、吸收層、上摻雜層和第一鍵合層，所述GaAs/AlGaAs QffIP結(jié)構(gòu)單元包括依次設(shè)置的緩沖層、量子阱層、接觸層和第二鍵合層，其中所述第一鍵合層與第二鍵合層之間通過晶片鍵合方式結(jié)合。
[0011]較為優(yōu)選的，所述雙色紅外探測器表面還設(shè)置有增透膜。
[0012]一種制備所述InGaAs/QWIP雙色紅外探測器的方法，包括:
[0013]在第一襯底上依次生長緩沖層、下?lián)诫s層、吸收層、上摻雜層和第一鍵合層，獲得用以形成PIN-1nGaAs紅外探測器單元的第一外延層；
[0014]在第二襯底上依次生長緩沖層、量子阱層、接觸層和第二鍵合層，獲得用以形成GaAs/AlGaAs QWIP結(jié)構(gòu)單元的第二外延層；
[0015]將第一外延層的第一鍵合層與第二外延層的第二鍵合層以晶片鍵合方式結(jié)合而形成集成器件，并除去第一襯底；
[0016]對第二外延層進行臺面刻蝕，并在所形成的器件上制作N型電極，獲得所述InGaAs/QWIP雙色紅外探測器。
[0017]作為較佳實施方案之一，所述制備方法還可包括:在N-1nP襯底上依次生長η型InP緩沖層、η+-ΙηΡ下?lián)诫s層、InGaAs吸收層、P+-1nP上摻雜層和P+-1nP鍵合層，其中上摻雜層、吸收層和下?lián)诫s層構(gòu)成PIN結(jié)構(gòu)，從而獲得所述第一外延層。
[0018]作為較佳實施方案之一，所述制備方法還可包括:在N-GaAs襯底上依次生長η型GaAs緩沖層、GaAs/AlGaAs量子講、n_GaAs層和n+_GaAs鍵合層，從而獲得所述第二外延層。
[0019]進一步的，所述GaAs/AlGaAs多量子阱的周期數(shù)為10?50，且多量子阱內(nèi)AlGaAs層中的Al含量為0.1?0.4mol%。
[0020]進一步的，在GaAs/AlGaAs量子阱中GaAs層的生長過程包括:先生長厚度為2?8nm、摻雜濃度為5X 117?3X 10 18CnT3的GaAs層，再生長厚度為0.1?lnm、非故意摻雜的GaAs 層。
[0021]作為較佳實施方案之一，所述制備方法還可包括:通過等離子體法在常溫下將所述第一外延層的第一鍵合層與第二外延層的第二鍵合層以晶片鍵合方式結(jié)合而形成集成器件。
[0022]進一步的，該制備方法還包括:在所述InGaAs/QWIP雙色紅外探測器表面制作增透膜、減反膜或其它減反增透結(jié)構(gòu)。
[0023]進一步的，該制備方法還可包括一系列尺寸外形及適于安裝的封裝工藝步驟，以完成完整雙色紅外探測器的結(jié)構(gòu)。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下有益效果:
[0025](I)通過晶片鍵合的方式將InGaAs紅外探測器和QWIP集成為雙色紅外探測器，實現(xiàn)了對近紅外輻射(波長0.7?1.6微米)和遠紅外輻射(波長8?12微米)的雙色探測，大大提高了探測器的目標識別能力；
[0026](2)通過采用等離子體鍵合的方法將InGaAs紅外探測器和QWIP集成，還可有效減小了鍵合界面的光子損失，避免了高溫鍵合方法鍵合時因熱膨脹引起的界面電阻增大、界面缺陷增加等問題。
[0027](3)剝離掉的InP襯底可以重復利用，有利于批量生產(chǎn)和降低成本；采用GaAs襯底作為支撐襯底，既可對探測器結(jié)構(gòu)進行支撐，又具有較高的機械強度，有利于器件的制備。
【附圖說明】
[0028]以下便結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳述，以使本發(fā)明的技術(shù)方案更易于理解和掌握。
[0029]圖1為本發(fā)明一典型實施例中一種InGaAs/QWIP雙色紅外探測器內(nèi)InGaAs紅外探測器單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明一典型實施例中一種InGaAs/QWIP雙色紅外探測器內(nèi)GaAs/AlGaAsQWIP單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明一典型實施例中一種InGaAs/QWIP雙色紅外探測器的制備工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0032]為使本發(fā)明的上述目的、技術(shù)方案和優(yōu)點能更明顯易理解，下面特結(jié)合若干典型實施例對本發(fā)明詳細說明如下。
[0033]在本發(fā)明的一較為具體的實施案例之中，主要是基于等離子體晶片鍵合技術(shù)，通過將N-1nP襯底上生長的PIN-1nGaAs紅外探測器和在N-GaAs襯底上的GaAs/AlGaAs QffIP結(jié)構(gòu)鍵合集成，實現(xiàn)了 InGaAs/QWIP雙色紅外探測器。
[0034]進一步的，該InGaAs/QWIP雙色紅外探測器的制備工藝包括:在N-1nP襯底上生長一 PIN-1nGaAs紅外探測器單元；在N-GaAs襯底上的GaAs/AlGaAs QffIP結(jié)構(gòu)單元；通過等離子體晶片鍵合將二者集成為一雙色紅外探測器。
[0035]進一步的，請參閱圖1-圖3，在一典型實施案例中，一種InGaAs/QWIP雙色紅外探測器的制造方法包括如下步驟:
[0036]I)采用分子束外延方法(MBE)在InP襯底上依次生長緩沖層，下?lián)诫s層、吸收層、
上摻雜層，鍵合層。
[0037]如圖1所示，可以先在N-1nP襯底上生長η型InP緩沖層，在緩沖層上生長η+_ΙηΡ下?lián)诫s層，其厚度為100?300nm，摻雜濃度為I X 118?I X 10 19cm 3;再生長InGaAs吸收層，其厚度為I?3微米不摻雜；再生長P+-1nP上摻