基于Si襯底的InGaAs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(dǎo)體器件，尤其涉及一種分子束外延方法在Si襯底上直接生長形成的InGaAS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]以紅外輻射信息為基礎(chǔ)的紅外探測技術(shù)，能夠區(qū)分各個物體或者一個物體的各個部分的紅外輻射差異，把物體表面發(fā)射的紅外輻射分布轉(zhuǎn)變成所需要的信息，比如可見光信息等，從而將人類的感知領(lǐng)域擴展到裸眼看不到的區(qū)域。因此，紅外探測技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域都具有非常重要的應(yīng)用和研究價值。紅外探測器是紅外系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)的核心組成部分。制備紅外探測器的材料從傳統(tǒng)的銻化銦(InSb)、硅化鉬(PtSi)、碲鎘汞(HgCdTe)發(fā)展到II1-V族材料。InGaAs材料是一種優(yōu)良的紅外光電探測材料。InGaAs材料可以探測范圍在900nm-1650nm的紅外波段，而且可直接生長在InP襯底上，外延材料具有較好的均勻性和穩(wěn)定性。在常溫下InGaAs探測器具有很高的性能，較高的優(yōu)值因子和探測率，較低的暗電流密度。InGaAs探測器可以擺脫制冷的制約，在儀器小型化、降低紅外系統(tǒng)成本等方面具有很大的競爭力。近紅外InGaAs材料體系吸收層具有低的本底載流子濃度和高遷移率，有利于在近紅外波段獲得平滑的量子效率。InGaAs器件材料與器件的抗輻照性能好，而且制備工藝過程與Si工藝兼容。目前已經(jīng)被廣泛用于在光纖通信和可視系統(tǒng)里。
[0003]在很多應(yīng)用中，將紅外探測器集成到硅基電子電路上能夠增加一些額外的功能，提供優(yōu)異的性能，而且能降低成本。此外，InGaAs-1nP基探測器的熱阻抗是限制其最大光電流的一個因素，尤其是在微波頻率應(yīng)用時。而Si襯底熱導(dǎo)性好，在300K時，Si的熱導(dǎo)率(1.5ff/cm2.K)比InP熱導(dǎo)率(0.68ff/cm2.K)的兩倍還大隨著溫度的增加，這一比率還會更大。因此，用Si做支撐襯底在高功率器件中能具有獲得更高的飽和電流密度，進而增大探測的動態(tài)范圍。目前，在硅襯底上制作InGaAs探測器，最直接的方法就是晶片鍵合，其首先在InP襯底上襯底上生長InGaAs探測器，然后將InGaAs探測器外延剝離掉，鍵合到Si襯底上，制備工藝復(fù)雜，并且高溫鍵合方法在鍵合時熱膨脹會引起界面缺陷增加和界面電阻增大等諸多問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于Si襯底的InGaAs紅外探測器及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。
[0005]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:
一種基于Si襯底的InGaAs紅外探測器，包括直接生長在Si襯底的外延結(jié)構(gòu)層以及與所述外延結(jié)構(gòu)層連接的P型、N型電極，所述外延結(jié)構(gòu)層包括在Si襯底上依次生長的過渡層、緩沖層、下?lián)诫s層、吸收層和上摻雜層。
[0006]進一步的，所述過渡層的材質(zhì)優(yōu)選自Ga1-JnxP, O1，并且沿逐漸遠離Si襯底的方向，X的取值呈線性或臺階式增加。
[0007]尤為優(yōu)選的，所述過渡層包括在Si襯底上依次生長的第一過渡層和第二過渡層。
[0008]其中，所述第一過渡層的材質(zhì)為GaP。
[0009]其中，所述第二過渡層的材質(zhì)選自Ga1-JnxP，其中x含量按照遠離第一過渡層的方向呈線性或臺階式增加。
[0010]進一步的，在第二過渡層與第一過渡層、緩沖層的交界處X分別為0、1，亦即，在第二過渡層與第一過渡層、緩沖層的交界處，第二過渡層的晶格常數(shù)分別與第一過渡層、緩沖層晶格匹配。
[0011]進一步的,所述第一過渡層厚度不大于1.5 μ m,優(yōu)選為50nm~l.5 μ m。
[0012]進一步的,所述第二過渡層的厚度不大于3 μ m,優(yōu)選為200nm~3 μ m。
[0013]進一步的，所述緩沖層的材質(zhì)優(yōu)選自InP。
[0014]進一步的,所述吸收層的材質(zhì)優(yōu)選自不摻雜的InGaAs材料。
[0015]進一步的，所述下?lián)诫s層、上摻雜層的材質(zhì)選自不同摻雜類型的InP材料，例如可分別選自摻雜類型為N+、P+的InP材料。
[0016]進一步的，所述下?lián)诫s層、吸收層及上摻雜層組合形成PIN光電探測器結(jié)構(gòu)。
[0017]進一步的，所述紅外探測器表面還設(shè)有抗反膜或增透膜。
[0018]進一步的，所述Si襯底和外延結(jié)構(gòu)層設(shè)于N型電極和P型電極之間。
[0019]前述任一種基于Si襯底的InGaAs紅外探測器的制備方法,其包括:
在Si襯底上直接依次生長過渡層、緩沖層、下?lián)诫s層、吸收層和上摻雜層，從而形成外延層;
以及，對所述外延層進行臺面刻蝕，并制備N型、P型電極，形成所述紅外探測器。
[0020]進一步的，其中系采用分子束外延法生長所述外延層。
[0021 ] 進一步的，其中系優(yōu)選采用干法刻蝕進行臺面刻蝕。
[0022]進一步的，該制備方法還可包括:在所述紅外探測器表面還設(shè)有抗反膜或增透膜，例如，在所述P型電極表面設(shè)置抗反膜或增透膜。
[0023]很容易理解的，該制備方法還包括一系列尺寸外形及適于安裝的封裝工藝步驟，以形成完整的紅外探測器結(jié)構(gòu)。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括:通過采用分子束外延等方法在Si襯底上直接生長InGaAs紅外探測器，特別是通過生長組分漸變的II1-V化合物Ga1-JnxP,不斷改變III族源的流量逐步將晶格過渡到InP的晶格常數(shù)，不僅可最大程度的發(fā)揮Si襯底熱導(dǎo)性好在高功率器件中的優(yōu)勢及充分利用Si襯底易于與硅基電子電路大面積集成和成本低等優(yōu)點，還可避免復(fù)雜鍵合工藝以及鍵合過程中由熱應(yīng)力引起的界面缺陷和界面電阻。
【附圖說明】
[0025]以下結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，以使本發(fā)明技術(shù)方案更易于理解、掌握，其中:
圖1為本發(fā)明實施例1中一種InGaAs紅外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明實施例2中一種InGaAs紅外探測器內(nèi)第二過渡層的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0026]鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本案發(fā)明人經(jīng)長期研究和大量實踐，得以提出了本發(fā)明的技術(shù)方案，其主要是利用分子束外延等方法在Si襯底上直接生長InGaAs紅外探測器，其中通過生長組分漸變的II1-V化合物Ga1-JnxP，不斷改變III族源流量逐步將晶格過渡到InP的晶格常數(shù)，實現(xiàn)了在Si襯底上直接生長的InGaAs紅外探測器，即硅基InGaAs紅外探測器。
[0027]為使本發(fā)明能更明顯易理解，以下結(jié)合若干實施例詳細說明如下:
請參閱圖1，在本發(fā)明的一實施例中，該InGaAs紅外探測器包括從下到上依次設(shè)置的襯底、第一過渡層，第二過渡層，InP緩沖層、下?lián)诫s層、吸收層、上摻雜層。
[0028]其中，該器件還包括在對生長完的外延結(jié)構(gòu)進行臺面刻蝕后，再制備的N型電極，P型電極。
[0029]進一步的，該器件還包括設(shè)置在P型電極表面的抗反膜。
[0030]其中，第二過渡層是組分漸變的II1-V化合物Ga1-JnxP。吸收層為不摻雜的InGaAs材料，下?lián)诫s層和上摻雜層是摻雜類型分別為N+和P+的InP材料，該三者在Si襯底上形成PIN結(jié)構(gòu)光電探測器。
[0031]在本實施例中系以不摻雜InGaAs材料的做吸收層為例來進行說明，當然，在其他實施例中，吸收層也可以用量子點，量子阱等其他