紅外光電探測(cè)器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種紅外光電探測(cè)器及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體紅外光電探測(cè)器作為一種重要的傳感器核心部件，在國(guó)防、科研及民用電子產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。紅外探測(cè)器，特別是長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外探測(cè)器，由于受到材料特性和生長(zhǎng)外延的諸多限，其制難以得到成品率高、性能優(yōu)良的理想器件，目前的商用半導(dǎo)體紅外探測(cè)器主要為光導(dǎo)型的HgCdTe探測(cè)器光導(dǎo)型量子阱探測(cè)器(QWIP)，但光導(dǎo)型器件缺點(diǎn)在于暗電流較大，容易使外部讀出電路的電容飽和，此外HgCdTe材料的均勻性也限制了其制備大規(guī)模面陣的應(yīng)用。隨著外延手段的成熟，以分子束外延為代表生長(zhǎng)手段，使得大面積均勻生長(zhǎng)材料和精確能帶設(shè)計(jì)工程成為可能，在此背景下光伏型量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)特殊能級(jí)設(shè)計(jì)使得半導(dǎo)體導(dǎo)帶中產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)的束縛能級(jí)結(jié)構(gòu)，從而使紅外探測(cè)器可以工作在光伏模式下，克服了光導(dǎo)器件大暗電流的瓶頸。但傳統(tǒng)的多量子阱與量子級(jí)聯(lián)器件，由于其為導(dǎo)帶子帶躍迀器件，電子光躍迀其受限于所謂的躍迀選擇定則，以致其在不制備外部光柵耦合結(jié)構(gòu)時(shí)無(wú)法有效響應(yīng)正入射光，這大大增加了器件工藝復(fù)雜度以及器件成本亦限制其在大規(guī)模焦平面上的應(yīng)用。綜上，研制一種低暗電流、高響應(yīng)率探測(cè)率、正入射光響應(yīng)的半導(dǎo)體紅外探測(cè)器已經(jīng)成為本領(lǐng)域的主要工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種紅外光電探測(cè)器及其制造方法，以使該紅外光電探測(cè)器能響應(yīng)正入射光，并具有低暗電流、高響應(yīng)率及探測(cè)率的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]( 二)技術(shù)方案
[0006]本發(fā)明提供一種紅外探測(cè)器，其包括:
[0007]襯底；
[0008]下接觸層，外延于襯底之上；
[0009]周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)，外延于下接觸層之上；
[0010]上接觸層，外延于周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)之上；
[0011]底部環(huán)狀電極，形成于刻蝕上接觸層和周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)而露出的下接觸層的表面；
[0012]頂部環(huán)狀電極，形成于刻蝕上接觸層和周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)而剩余的上接觸層的表面。
[0013]本發(fā)明還提供一種紅外探測(cè)器的制造方法，該方法包括:
[0014]SI，在襯底上外延下接觸層；
[0015]S2，在下接觸層上外延周期性重復(fù)的量子點(diǎn)量子阱混雜級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)；
[0016]S3，在量子點(diǎn)量子阱混雜級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)之上外延上接觸層；
[0017]S4，從上至下對(duì)上接觸層和周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，刻蝕至下接觸層表面，形成紅外探測(cè)器臺(tái)面；
[0018]S5，在刻蝕上接觸層和周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)而剩余的上接觸層表面制備頂部環(huán)狀電極，在刻蝕上接觸層和周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)而露出的下接觸層表面制備底部環(huán)狀電極。
[0019](三)有益效果
[0020]1.本發(fā)明提供的紅外探測(cè)器能響應(yīng)正入射光。在光吸收勢(shì)阱中引入自組裝量子點(diǎn)，利用點(diǎn)阱混雜結(jié)構(gòu)中的電子束縛能級(jí)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一量子阱束縛能級(jí)，有效得克服了子帶選擇定則的限制，使得本發(fā)明中所提供的探測(cè)器可以在不加任何光耦合結(jié)構(gòu)前提下，有效地進(jìn)行正入射光吸收并躍迀產(chǎn)生光生電子。
[0021]2、本發(fā)明提供的紅外探測(cè)器提高了響應(yīng)率與探測(cè)率。量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)包括一個(gè)光吸收勢(shì)阱和多個(gè)電子弛豫勢(shì)阱，同一周期內(nèi)兩個(gè)相鄰電子弛豫勢(shì)阱的能級(jí)相差一個(gè)縱光學(xué)聲子能量，使得電子能夠以斜躍迀的方式傳輸，保證了電子能以較大幾率從光吸收勢(shì)阱注入到電子弛豫勢(shì)阱，并且也降低了電子從躍迀終態(tài)回填至基態(tài)的幾率；相鄰兩個(gè)周期中，本周期的光吸收勢(shì)阱與上一周期中最后一個(gè)電子弛豫勢(shì)阱的能級(jí)相同，使得電子在相鄰周期能共振隧穿，使光吸收勢(shì)阱與電子弛豫勢(shì)阱更好的耦合，改善了器件的電輸運(yùn)性能，提高了器件的響應(yīng)率與探測(cè)率。
[0022]3、本發(fā)明提供的紅外探測(cè)器在電子斜躍迀及共振隧穿的過(guò)程中都是未加偏壓的，故具有低暗電流的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明提供的紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明提供的紅外探測(cè)器的量子點(diǎn)量子阱混合結(jié)構(gòu)一個(gè)周期內(nèi)的生長(zhǎng)次序的不意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明提供的紅外探測(cè)器的一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)帶能帶結(jié)構(gòu)圖以及光生電子輸運(yùn)原理圖。
[0026]圖4為本發(fā)明提供的紅外探測(cè)器制造方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]本發(fā)明提供一種紅外探測(cè)器，其包括襯底1、下接觸層2、周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)3、上接觸層4、頂部環(huán)狀電極5及底部環(huán)狀電極6，該紅外光電探測(cè)器能響應(yīng)正入射光，并具有低暗電流、高響應(yīng)率及探測(cè)率的優(yōu)點(diǎn)。
[0029]如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖，結(jié)合具體實(shí)施例，該紅外探測(cè)器包括襯底1、下接觸層2、周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)3、上接觸層4、頂部環(huán)狀電極5及底部環(huán)狀電極6。其中，
[0030]襯底I采用半絕緣的磷化銦(InP)材料。
[0031]下接觸層2外延于襯底I上，具有緩沖的作用，下接觸層2為電子施主雜質(zhì)Si重?fù)诫s的銦鎵砷(InGaAs)外延層。
[0032]周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)3外延于下接觸層2上，量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)3包括勢(shì)皇層、勢(shì)阱層及量子點(diǎn)量子阱混雜層，每個(gè)周期中的勢(shì)皇層、勢(shì)阱層以及量子點(diǎn)量子阱混雜層構(gòu)成了相互耦合的啁啾超晶格結(jié)構(gòu)，在本實(shí)施例中，每個(gè)啁啾超晶格結(jié)構(gòu)包含了 6個(gè)勢(shì)皇層，3個(gè)勢(shì)阱層和2個(gè)量子點(diǎn)量子阱混雜層，其中，勢(shì)皇層的材料為銦鋁砷(InAlAs)，勢(shì)阱層的材料為銦鎵砷(InGaAs)，2個(gè)量子點(diǎn)量子阱混雜層的材料為兩步應(yīng)變補(bǔ)償法所生長(zhǎng)的砷化銦(InAs)量子點(diǎn)砷化鎵(GaAs)量子阱的混雜結(jié)構(gòu)；量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)3按照功能分為光子吸收勢(shì)阱和電子弛豫勢(shì)阱，光吸收勢(shì)阱及最后一個(gè)電子弛豫勢(shì)阱為量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)，其他電子弛豫勢(shì)阱為量子阱，相鄰兩個(gè)周期中，本周期的光吸收勢(shì)阱與上一周期中最后一個(gè)電子弛豫勢(shì)阱的能級(jí)相同，同一周期內(nèi)兩個(gè)相鄰電子弛豫勢(shì)阱的能級(jí)相差一個(gè)縱光學(xué)聲子能量，光子吸收勢(shì)阱和電子弛豫勢(shì)阱之間通過(guò)電子斜躍迀和共振隧穿進(jìn)行電子的耦合輸運(yùn)，光生電子將從吸收區(qū)混雜結(jié)構(gòu)的基態(tài)能級(jí)斜躍迀至相鄰量子阱中更高能量的束縛態(tài)上，完成從吸收勢(shì)阱到弛豫勢(shì)阱的耦合，同時(shí)，最后一個(gè)弛豫勢(shì)阱的電子束縛態(tài)位置在吸收區(qū)基態(tài)附近，使得電子通過(guò)共振隧穿進(jìn)入到下一個(gè)周期中。在此步驟中，點(diǎn)阱混雜結(jié)構(gòu)中的電子束縛能級(jí)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一量子阱束縛能級(jí)，有效得克服了子帶選擇定則的限制，使得探測(cè)器可以在不加任何光耦合結(jié)構(gòu)前提下，有效地進(jìn)行正入射光吸收并躍迀產(chǎn)生光生電子；同時(shí)，采用量子點(diǎn)量子阱混合結(jié)構(gòu)，使得在同一周期內(nèi)，電子能夠以斜躍迀的方式進(jìn)行傳輸，在相鄰周期內(nèi)，電子能夠以共振隧穿的方式進(jìn)行傳輸，改善了器件的電輸運(yùn)性能，提高了器件的響應(yīng)率與探測(cè)率；另外，電子斜躍迀及共振隧穿的過(guò)程中都是未加偏壓的，故具有低暗電流的特點(diǎn)。
[0033]上接觸層4外延于周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)3之上，上接觸層4為電子施主雜質(zhì)娃重?fù)诫s的銦鎵砷(InGaAs)外延層。
[0034]底部環(huán)狀電極6，其制備于刻蝕上接觸層4和周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)3而露出的下接觸層2的表面，底部環(huán)狀電極的材料為鈦金合金；
[0035]頂部環(huán)狀電極5，其制備于刻蝕上接觸層4和周期性的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)3而剩余的上接觸層4的表面，頂部環(huán)狀電極5的材料為鈦金合金。
[0036]如圖2所示，圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例的紅外探測(cè)器的量子點(diǎn)量子阱混合結(jié)構(gòu)一個(gè)周期內(nèi)的生長(zhǎng)次序的示意圖，在外延每個(gè)周期的量子點(diǎn)量子阱混雜級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，從下至上包括:
[0037]采用分子束外延工藝，生長(zhǎng)出第一勢(shì)皇層B1,厚度為5.3nm ；
[0038]采用分子束外延工藝，在第一勢(shì)皇層B1上生長(zhǎng)出第一量子點(diǎn)量子阱混雜層D1，厚度為5.8nm ；
[0039]采用分子束外延工藝，在第一量子點(diǎn)量子阱混雜層D1上生長(zhǎng)出第二勢(shì)皇層B2，厚度為2.1nm ；
[0040]采用分子束外延工藝，在第二勢(shì)皇層B2上生長(zhǎng)出第一勢(shì)阱層W1，厚度為2.3nm ；
[0041]采用分子束外延工藝，在第一勢(shì)阱層W1上生長(zhǎng)出第三勢(shì)皇層B 3，厚度為4.6nm ；
[0042]采用分子束外延工藝，在第三勢(shì)皇層B3上生長(zhǎng)出第二勢(shì)阱層W2，厚度為2.9nm ；
[0043]采用分子束外延工藝，在第二勢(shì)阱層W2上生長(zhǎng)出第四勢(shì)皇層B4，厚度為3.3nm ;
[0044]采用分子束外延工藝，在第四勢(shì)皇層B4上生長(zhǎng)出第三勢(shì)阱層W3，厚度為3.5nm ；
[0045]采用分子束外延工藝，在第三勢(shì)阱層W3上生長(zhǎng)出第五勢(shì)皇層B 5，厚度為2.3nm ；
[0046]采用分子束外延工藝，在第五勢(shì)皇層B5上生長(zhǎng)出第二量子點(diǎn)量子阱混雜層D2，厚度為5.4nm ；
[0047]采用分子束外延工藝，在第二量子點(diǎn)量子阱混雜層D2上生長(zhǎng)出第六勢(shì)皇層B6，厚度為5.3nm。
[0048]如圖3所示，圖3為本發(fā)明提供的紅外探測(cè)器的一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)帶能帶結(jié)構(gòu)圖以及光生電子輸運(yùn)原理圖。結(jié)合具體實(shí)施例，單個(gè)量子點(diǎn)量子阱混雜級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)包括了一個(gè)光吸收勢(shì)阱和四個(gè)電子弛豫勢(shì)阱。光吸收阱為量子阱量子點(diǎn)混雜結(jié)構(gòu)，其中E1為電子的基態(tài)能級(jí)，在9X 117CnT3摻雜的條件下，該勢(shì)阱中費(fèi)米能級(jí)E F位置在E i之上，未有光照時(shí)，大量電子占據(jù)在基態(tài)E1I ;電子弛豫勢(shì)阱中包含E 2，E3, E4, E5四個(gè)能級(jí)，相鄰能級(jí)之間能量上相差勢(shì)阱材料的一個(gè)縱光學(xué)聲子能量。E2，E3，E4K在的勢(shì)阱為不摻雜的InGaAs量子阱，E5K在的勢(shì)阱為9X 117CnT3摻雜的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)使得E 5與下一周期的光吸收區(qū)的基態(tài)能級(jí)之間有較高的隧穿幾率，以保證光生電子輸運(yùn)暢通。當(dāng)有正入射光照時(shí)，最左側(cè)的量子點(diǎn)量子阱混雜結(jié)構(gòu)光吸收區(qū)中，處于E1能級(jí)上的電子斜躍迀至相鄰量子阱中的&能級(jí)上。隨后電子在點(diǎn)聲子作用下，迅速通過(guò)E 2，E3, E4，進(jìn)入到E5之中，然后再通過(guò)電子的共振隧穿進(jìn)入到下一個(gè)周期光吸收區(qū)的基態(tài)能級(jí)上