PBN型InGaAs紅外探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種PBN型InGaAs紅外探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]光電探測器是航天遙感儀器的核心，制約著航天光學(xué)遙感儀器的水平和發(fā)展。由于InGaAs材料制成的探測器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗輻照特性良好、室溫工作等優(yōu)點(diǎn)，使其成為近紅外波段空間遙感的理想材料。目前在探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，特別是半導(dǎo)體光伏型紅外探測器中，都采用PIN結(jié)構(gòu)。但隨著材料制備工藝和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的迅速發(fā)展，人們渴望發(fā)展新型紅外探測器，以改善目前光電探測器件在探測器的響應(yīng)范圍和暗電流方面的性能。
[0003]在航天應(yīng)用中，探測器的響應(yīng)范圍和暗電流是決定遙感系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)。對于探測器的響應(yīng)范圍，由于InGaAs材料為全組分直接帶隙材料，通過提高In組分，可有效擴(kuò)展探測器的響應(yīng)范圍。但提高In組分必然導(dǎo)致InGaAs材料與襯底的晶格不再匹配，而當(dāng)晶格失配較大時則會在吸收層中引入位錯，形成較多缺陷，嚴(yán)重影響探測器材料性能。因此，需要在襯底與吸收層間生長緩沖層?，F(xiàn)有技術(shù)中，一般采用在襯底與吸收層間生長組分漸變(或躍變)的緩沖層，以降低吸收層中的缺陷密度，抑制位錯，改善吸收層的質(zhì)量，從而使探測器性能得到改善，獲得高質(zhì)量的InGaAs材料。由于在襯底上生長InAsP緩沖層臨界厚度較小，吸收層內(nèi)的應(yīng)變釋放很快，在較小厚度范圍內(nèi)即可以獲得很高的弛豫度，所以現(xiàn)有技術(shù)中的也可以采用在襯底與吸收層間生長InAsP緩沖層解決這個技術(shù)問題。
[0004]另外，由于擴(kuò)展波長的InGaAs光電子器件帶隙較小，使與此相關(guān)的各種暗電流分量，如擴(kuò)散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流、表面復(fù)合電流和隧道電流等顯著增加。為了獲得性能優(yōu)良的光電子器件，必須進(jìn)行能帶調(diào)控，選擇合適結(jié)構(gòu)材料體系進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。但是現(xiàn)有技術(shù)中，還沒有能夠很好的解決暗電流問題的InGaAs探測器的結(jié)構(gòu)材料體系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中InGaAs探測器存在較多的暗電流的技術(shù)問題，進(jìn)一步提高InGaAs探測器的響應(yīng)范圍，提供一種PBN型InGaAs紅外探測器。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案如下。
[0007]本發(fā)明的PBN型InGaAs紅外探測器，包括從上至下依次排列的窗口層、吸收層、緩沖層和襯底；
[0008]所述窗口層和吸收層之間還設(shè)有阻擋層；
[0009]所述阻擋層的材料為摻Si的InAlAs材料或者摻Si的InAsP材料，阻擋層的禁帶寬度大于窗口層和吸收層的禁帶寬度，且晶格與吸收層匹配；
[0010]所述阻擋層的厚度為100-300nmo
[0011 ] 進(jìn)一步的，所述窗口層的材料為與吸收層組分相同的P型InGaAs材料。
[0012]進(jìn)一步的，所述窗口層的厚度為50-200nmo
[0013]進(jìn)一步的，所述吸收層的材料為In組分大于等于0.53，小于I的非故意摻雜的InGaAs 材料。
[0014]進(jìn)一步的，所述吸收層的厚度為2.5-3.5 μπι。
[0015]進(jìn)一步的，所述緩沖層的材料為線性漸變組分或者與吸收層晶格匹配的固定組分的η型InAsP材料。
[0016]進(jìn)一步的，所述緩沖層的厚度為0.5-3 μ m0
[0017]進(jìn)一步的，所述襯底的材料為尚慘雜的η型InP單晶襯底或尚慘雜的η型GaAs單晶襯底。
[0018]進(jìn)一步的，所述吸收層摻Si，摻雜濃度為8X 1016_8X 117Cm 3;窗口層摻Be，摻雜濃度為2Χ 1017-2X 118Cm 3;緩沖層摻Si，摻雜濃度為2Χ 10 18Crn 3;阻擋層的摻雜濃度為2X1016-2X 117Cm 3O
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
[0020]1、本發(fā)明的PBN型InGaAs紅外探測器，采用InAlAs或InAsP作為阻擋層，能夠產(chǎn)生導(dǎo)帶帶階勢皇，高的勢皇使少子擴(kuò)散運(yùn)動變得更困難，從而很好的抑制暗電流的產(chǎn)生，經(jīng)檢測，發(fā)現(xiàn)相比于現(xiàn)有的PIN結(jié)構(gòu)，PBN結(jié)構(gòu)探測器件暗電流顯著降低，當(dāng)所加偏壓為-0.5V時，暗電流密度從1.7X10 4A/cm2降低到0.44X10 Vcm2；
[0021]2、本發(fā)明的PBN型InGaAs紅外探測器，采用InAlAs或InAsP作為阻擋層，抑制暗電流產(chǎn)生的同時，由于InAlAs和InAsP是寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度大于晶格相匹配的InGaAs材料，所以對于所探測的光波長幾乎不吸收，這有助于提高紅外探測器的量子效率，同時也有利于減小表面復(fù)合；
[0022]3、本發(fā)明的PBN型InGaAs紅外探測器，在增加阻擋層抑制暗電流的產(chǎn)生的同時，還采用50-200nm的p型InGaAs作為窗口層，降低了材料外延生長的要求和器件成本，進(jìn)而減少了由于晶格失配所引起的光信號損失，使InGaAs探測器具有更寬的響應(yīng)范圍。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的PBN型InGaAs紅外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為實(shí)施例中的PBN型InGaAs紅外探測器和現(xiàn)有技術(shù)中的PIN型InGaAs紅外探測器的暗電流對比曲線圖；
[0025]圖中，1、窗口層，2、阻擋層，3、吸收層，4、緩沖層，5襯底。
【具體實(shí)施方式】
[0026]如圖1所述，本發(fā)明的PBN型InGaAs紅外探測器，由從上至下依次排列的窗口層
1、阻擋層2、吸收層3、緩沖層4和襯底5。其中，窗口層I的材料為與吸收層3組分相同的P型InGaAs材料，厚度為50-200nm，窗口層I 一般摻Be，摻雜濃度為2X 1017_2X 10lscm 3。阻擋層2的材料為摻Si的InAlAs材料或者摻Si的InAsP材料，阻擋層2的禁帶寬度大于窗口層I和吸收層3的禁帶寬度，且晶格與吸收層3匹配，阻擋層2的厚度為100-300nm，阻擋層2的摻雜濃度為2X 1016-2X 117Cm 3。吸收層3的材料為In組分大于等于0.53，小于I的非故意摻雜的InGaAs材料，厚度為2.5-3.5 μ m，非故意摻雜的InGaAs材料一般摻Si，摻雜濃度為8 X 116-SX 1017cm 3。緩沖層4的材料為線性漸變組分或者與吸收層3晶格匹配的固定組分的η型InAsP材料，緩沖層4的厚度為0.5-3 μ m，緩沖層4 一般摻Si，摻雜濃度與襯底5摻雜濃度相同，為2X 118Cm 3O襯底5的材料為高摻雜的η型InP單晶襯底或高摻雜的η型GaAs單晶襯底，襯底5的厚度為330 μ m，其中高摻雜的量在本領(lǐng)域有公知定義，一般為 2 X 118Cm 3。
[0027]實(shí)施例
[0028]一種截止波長為2.6 μ m的PBN型InGaAs紅外探測器結(jié)構(gòu)為:在η型InP襯底上依次生長厚度為I ym、Si摻雜濃度為2 X 118Cm 3的η型InAs。.6八4。緩沖層，繼續(xù)生長厚度為3 ym、Si摻雜濃度為8X 116Cm 3的Inas2GaaisAs吸收層，再生長厚度為200nm、Si摻雜濃度為2 X 116Cm 3的In as2AlQ.18As阻擋層，最后生長厚度為100nm、Be摻雜濃度為2 X 117Cm 3的P型Inas2Gaa 18As窗口層，形成PBN探測器結(jié)構(gòu)。
[0029]上述PBN型InGaAs紅外探測器的制造方法，可以首先在η型InP襯底，采用MOCVD系統(tǒng)在InP襯底上使用兩步法生長摻Si的InAsaMPa4。緩沖層，即第一步先在溫度為450°C時生長一層厚度為10nm的InAsaJV4。，然后升高溫度至580 °C，在升溫過程中緩沖層InAsaJV4。退火重結(jié)晶，釋放由晶格失配所造成的應(yīng)力，變成下一步生長的界面；然后在550°C恒溫3-5分鐘后，在緩沖層上生長一層3 μπι的Inas2GaaisAs吸收層，再在吸收層上繼續(xù)生長一層200nm的Inas2AlaisAs阻擋層，最后在阻擋層上生長10nm摻Be的Inas2GaaisAs窗口層，形成PBN探測器結(jié)構(gòu)。
[0030]如圖2所示，為實(shí)施例的PBN器件和現(xiàn)有技術(shù)中的PIN結(jié)構(gòu)器件(現(xiàn)有PIN結(jié)構(gòu)沒有阻擋層，其他結(jié)構(gòu)均與實(shí)施例相同)的暗電流對比曲線，從圖中可以看出，發(fā)現(xiàn)相比于現(xiàn)有的PIN結(jié)構(gòu)，PBN結(jié)構(gòu)探測器件暗電流顯著降低，當(dāng)所加偏壓為-0.5V時，暗電流密度從 1.7X10 4A/cm2降低到 0.44X10 Vcm20
【主權(quán)項(xiàng)】
1.PBN型InGaAs紅外探測器，包括從上至下依次排列的窗口層、吸收層、緩沖層和襯底； 其特征在于，所述窗口層和吸收層之間還設(shè)有阻擋層； 所述阻擋層的材料為摻Si的InAlAs材料或者摻Si的InAsP材料，阻擋層的禁帶寬度大于窗口層和吸收層的禁帶寬度，且晶格與吸收層匹配； 所述阻擋層的厚度為100-300nm。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PBN型InGaAs紅外探測器，其特征在于，所述窗口層的材料為與吸收層組分相同的P型InGaAs材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PBN型InGaAs紅外探測器，其特征在于，所述窗口層的厚度為 50_200nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PBN型InGaAs紅外探測器，其特征在于，所述吸收層的材料為In組分大于等于0.53，小于I的非故意摻雜的InGaAs材料。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的PBN型InGaAs紅外探測器，其特征在于，所述阻擋層的摻雜濃度低于吸收層的摻雜濃度。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PBN型InGaAs紅外探測器，其特征在于，所述吸收層的厚度為 2.5-3.5 μ??ο7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PBN型InGaAs紅外探測器，其特征在于，所述緩沖層的材料為線性漸變組分或者與吸收層晶格匹配的固定組分的η型InAsP材料。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PBN型InGaAs紅外探測器，其特征在于，所述緩沖層的厚度為 0.5-3 μπι。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PBN型InGaAs紅外探測器，其特征在于，所述襯底的材料為高摻雜的η型InP單晶襯底或高摻雜的η型GaAs單晶襯底。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PBN型InGaAs紅外探測器，其特征在于，所述吸收層摻Si，摻雜濃度為8X 1016-8X 117Cm 3;窗口層摻Be，摻雜濃度為2X10 17_2X 118Cm 3;緩沖層摻Si，摻雜濃度為2X 118Cm 3;阻擋層的摻雜濃度為2X 10 16-2X 117Cm 3。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種PBN型InGaAs紅外探測器，屬于光電子材料與器件技術(shù)領(lǐng)域。解決了現(xiàn)有技術(shù)中InGaAs探測器存在較多的暗電流的技術(shù)問題，進(jìn)一步提高了InGaAs探測器的響應(yīng)范圍。該紅外探測器，由從上至下依次排列的窗口層、阻擋層、吸收層、緩沖層和襯底組成，其中，阻擋層的材料為禁帶寬度大于吸收層和窗口層的禁帶寬度，且晶格與吸收層匹配的摻Si的InAlAs材料或者摻Si的InAsP材料，阻擋層的厚度為100-300nm。該紅外探測器能夠很好的抑制暗電流的產(chǎn)生，且具有高量子效率、低表面復(fù)合及更寬的響應(yīng)范圍，能夠用于遙感探測。
【IPC分類】H01L31/0304, H01L31/101
【公開號】CN105185846
【申請?zhí)枴緾N201510527303
【發(fā)明人】張志偉, 繆國慶, 宋航, 蔣紅, 李志明, 黎大兵, 孫曉娟, 陳一仁
【申請人】中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年8月26日