InAs/GaSb超晶格红外光电探测器及其制备方法

摘要

本发明提供了一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器及其制备方法。该InAs/GaSb超晶格红外光电探测器包括：衬底；沉积于衬底上的外延结构，该外延结构包括：n型掺杂缓冲层、n型电极接触层、势垒层、本征吸收层、p型电极接触层和盖层，该外延结构的两侧经刻蚀形成台阶；金属上电极，形成于台阶的上方；金属下电极，形成于台阶的下方；以及钝化层；其中，本征吸收层由若干个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb超晶格结构构成。本发明中，本征吸收层每个超晶格周期的两个界面中均插入InSb，形成应变超晶格，有效的平衡了超晶格与衬底之间的应力，提高了材料的生长质量，从而提高探测器的光电性能。

说明书

技术领域

本发明涉及光电器件制备技术领域，尤其涉及一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的进步，以军用为核心的红外探测器逐渐发展起来，目前在战略预警、战术报警、夜视、制导、通讯、气象、地球资源探测、工业探伤、医学、光谱、测温、大气监测等军用和民用领域都有广泛的应用。但是目前最常用的硅掺杂探测器、InSb、QWIP、MCT等红外探测器，都要求在低温下工作，需要专门的制冷设备，造价昂贵，因而应用受到限制。而InAs/GaSb红外探测器由于其材料的特殊性，例如：电子和空穴高的有效质量可有效的减少遂穿电流，提高态密度；重空穴带和轻空穴带较大的能量差能减小俄歇复合，提高载流子寿命等，是目前最有可能实现室温工作的第三代红外探测器。

在8-14μm的长波段以及甚长波段，影响红外探测器性能最主要的因素除了探测器表面漏电流外，产生-复合暗电流以及隧穿暗电流也极大影响探测器的性能。为了限制这些暗电流，提高探测器的R₀A，除了生长高质量的超晶格材料外，通常在器件结构上设计一层势垒层来抑制暗电流。如nBn型、“W”型、以及“M”型等器件结构。nBn型器件是美国新墨西哥大学于2005年提出来的，其结构特点是在n型上下电极接触层与吸收层中间生长A1Sb体材料作为势垒层，其优点是能够有效抑制由于Shockley-Read-Hall缺陷中心引起的产生复合暗电流和由器件表面缺陷引起的表面漏电流，从而提高器件工作温度、R₀A与探测率。他们实现的长波10μm波段的nBn型探测器，在120K下，量子效率达20％，探测率达2×10¹⁰cm·Hz^1/2·W^-1。2005年美国海军实验室研制出了11.4μm长波段Ⅱ类超晶格光电探测器，采用p-i-n，有源区为“W”型能带结构的超晶格。“W”超晶格是在InAs层中插入A1Sb势垒，实现对电子的限制。其探测器在77K下，量子效率为30％，探测率为7.63×10¹⁰cm.Hz^1/2.W^-1。2006年，美国西北大学设计出pMp型结构的探测器，其单元器件，中波51am在77K下已做到量子效率大于70％，探测率达10¹³数量级，并实现了室温探测。长波101am在77K下，量子效率大于35％，探测率达10¨数量级。在GaSb基衬底上，世界各研究小组不仅对InAs/GaSb超晶格红外探测器的材料生长做了大量研究，实现了高界面质量以及高表面质量的探测器，而且对器件结构进行了拓展设计，制备了基于“W”型、“M”型、“N”型超晶格以及A1Sb体材料势垒层的PIN型、pMp型以及nBn型等结构的红外探测器。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器存在如下技术缺陷：

(1)InAs/GaSb超晶格生长时，由于InAs与GaSb存在7％的应变，导致超晶格层生长时存在较大应力，且超晶格层与衬底层之间同样存在应力，严重影响材料的生长质量，使超晶格材料中存在大量的生长缺陷，成为探测器产生一复合暗电流以及隧穿暗电流的主要来源。

(2)针对含A1Sb的超晶格湿法刻蚀工艺不成熟，刻蚀台阶的侧壁下切效应不明显，易附着沉淀物，导致器件形成较大的表面漏电流；

(3)针对含A1Sb的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，器件钝化步骤较多，工艺实现难度大，此外，钝化过程中器件表面易形成氧化物，从而进一步增加表面隧穿电流，影响探测器的光电性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明的目的是提供一种响应在长波波段暗电流低的新型红外探测器及其器件制备方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器。该GaSb基超晶格红外光电探测器包括：衬底1；沉积于衬底1上的外延结构，该外延结构包括：n型掺杂缓冲层2、n型电极接触层3、势垒层4、本征吸收层5、p型电极接触层6和盖层7，该外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，台阶的深度至n型电极接触层3；金属上电极8和金属下电极9，其中，金属上电极8形成于台阶的上方，与盖层7欧姆接触，金属下电极9形成于台阶的下方，与n型电极接触层3欧姆接触；以及钝化层10，形成于衬底1以及外延结构上除金属上电极8和金属下电极9之外的其他位置；其中，n型电极接触层3、势垒层4、本征吸收层5、p型电极接触层6均由超晶格结构构成，本征吸收层5由若干个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb超晶格结构构成。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种上述InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的制备方法。该制备方法包括：步骤A，在衬底1上沉积外延结构，该外延结构白下而上依次包括：n型掺杂缓冲层2、n型电极接触层3、势垒层4、本征吸收层5、p型电极接触层6和以及盖层7；步骤B，在外延结构的左右两侧经湿法刻蚀形成台阶，其中，该台阶经由GaSb盖层7、p型电极接触层6、本征吸收层5、势垒层4，直至n型电极接触层3；步骤C，在台阶上方的盖层7上形成金属上电极8，在台阶下方的n型电极接触层3中形成金属下电极9；以及步骤D，对衬底1和外延结构的外表面进行钝化，而后开窗口，露出金属上电极8和金属下电极9，完成InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的制作。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明中InAs/GaSb超晶格红外光电探测器及其制备方法具有以下有益效果：

(1)在生长本征吸收层5时，通过InAs/GaSb超晶格生长时，在其每个周期的两个界面中均插入InSb，形成应变超晶格，有效的平衡了超晶格与衬底之间的应力，极大的提高了材料的生长质量，增加材料的吸收效率以及载流子的迁移率，从而提高探测器的光电性能；

(2)通过合适的器件能带结构设计，在生长探测器吸收区之前生长M型超晶格作为探测器的势垒区，同样有效的抑制由于生长缺陷所带来的产生一复合暗电流以及隧穿暗电流，从而提高探测器的性能；

(3)器件制备过程中，采用盐酸系腐蚀液并对腐蚀液配比进行优化，进行湿法刻蚀，该湿法腐蚀技术具有技术稳定、可控性高、实验设备简单的特点。制备的器件表面、台面无沉淀物产生，侧壁光滑无附着物，下切效应明显，能有效降低器件表面漏电流，从而提高红外探测器的光电性能；

(4)采用SU8光刻胶对InAs/GaSb超晶格红外光电探测器进行钝化，

该工艺具有实施步骤简单，减少器件表面氧化，从而有效降低表面隧穿暗电流，提高红外探测器的探测率。

附图说明

图1为InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的结构以及器件能带示意图；

图2为根据本发明实施例InAs/GaSb超晶格红外光电探测器制备方法的流程图；

图3为M型超晶格接触层每周期的生长过程示意图；

图4为InAs/GaSb长波超晶格每周期的生长过程示意图；

图5为InAs/GaSb中波超晶格接触层每周期的生长过程示意图；

图6A和图6B分别为单元探测器77K下的暗电流以及动态电阻RA；

图7为InAs/GaSb红外探测器在77K下的光谱响应图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明基于M型超晶格势垒层能带的特殊性，可显著抑制探测器的暗电流，尤其是抑制耗尽层中的产生-复合暗电流以及陷阱中心隧穿暗电流，从而使光电流增强，实现对探测器探测率D*的提高。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器。图1为根据本发明实施例InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的剖面示意图及能带图。请参照图1，本实施例InAs/GaSb超晶格红外光电探测器包括：衬底1；沉积于衬底1上的外延结构，该外延结构包括：n型掺杂缓冲层2、n型电极接触层3、势垒层4、本征吸收层5、p型电极接触层6和盖层7，该外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，台阶的深度至n型电极接触层3；金属上电极8和金属下电极9，其中，金属上电极8形成于台阶的上方，与盖层7欧姆接触，金属下电极9形成于台阶的下方，与n型电极接触层3欧姆接触；钝化层10，形成于衬底1以及外延结构上除金属上电极8和金属下电极9之外的其他位置；其中，p型电极接触层6由若干个周期的InAs/GaSb超晶格构成，所述n型电极接触层3和势垒层4分别由若干个周期的InAs/GaSb/A1Sb/GaSb超晶格结构构成，所述本征吸收层5由若干个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb超晶格结构构成。

以下对本实施例InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的结构进行详细说明。

其中，衬底1采用(001)方向的n型GaSb衬底，但本发明并不以此为限，衬底1还可以为(001)方向的GaAs衬底或(111)方向的GaSb衬底。

n型掺杂缓冲层2形成于衬底1之上，其厚度为lμm，其材料为采用Te进行n型掺杂的GaSb材料。其中Te掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。本发明并不以此为限，该n型掺杂缓冲层2的材料还可以为采用Te进行n型掺杂InAsSb，其中Te掺杂浓度与上面的掺杂浓度相同。

n型电极接触层3生长在n型掺杂缓冲层2上，由55个周期的“M”型超晶格结构构成，总厚度为0.5μm。该“M”型超晶格结构包括：18MLInAs/3ML GaSb/5ML A1Sb/3ML GaSb，ML表示原子层。其中，该“M”型超晶格结构中InAs层的材料采用Si掺杂的InAs材料，掺杂浓度为2×10¹⁸cm³。

该n型电极接触层3的超晶格结构的能带结构类似于字母“M”，因此称之为“M”型超晶格。本发明中，n型电极接触层3的厚度应当介于0.3μm～0.8μm之间。此外，该“M”型超晶格结构中，InAs层一般为10～20ML，而GaSb层、A1Sb层和GaSb层一般均为1～5ML。

势垒层4生长在n型电极接触层3上，其结构和厚度与n型电极接触层3相同，区别仅在于“M”型超晶格结构中，InAs层不进行掺杂，为本征InAs层。

具体来讲，势垒层4由55个周期的“M”型超晶格结构构成。该“M”型超晶格结构包括：18ML InAs/3ML GaSb/5MLAlSb/3ML GaSb，ML表示原子层。

本征吸收层5生长在势垒层4上，由300个周期的超晶格结构构成。该超晶格结构包括：14ML InAs/1ML InSb/7ML GaSb/1ML InSb，总厚度为2μm，其超晶格截止波长为11.4μm。其中，InAs层和GaSb层均为本征层，不进行掺杂。

本发明中，该超晶格结构中，InAs层为10～15ML，GaSb层为5～8ML，InSb层1～2ML。该本征吸收层的总厚度介于1μm～6μm之间。

p型电极接触层6生长在本征吸收层5上，由70个周期超晶格结构构成，总厚度为0.34μm。该超晶格结构包括：8ML InAs/8ML GaSb。其中，超晶格结构中GaSb层的材料为掺杂元素Be的GaSb材料，Be掺杂浓度为2×10¹⁸cm³。本发明并不以此为限，该超晶格结构中自下而上可以包括：10～20ML InAs/1～5ML GaSb/1～5ML A1Sb/1～5ML GaSb。

盖层7生长在p型接触层6上，采用p型掺杂的GaSb材料，掺杂元素为Be，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。

台阶经湿法刻蚀形成。金属上电极8与金属下电极9采用电子束蒸发Ti/Pt/Au，其厚度分别为50nm/50nm/300nm。

钝化层10，采用SU-8光刻胶，厚度为300nm。

在-0.1V偏压下，由于热辐射背景等非探测红外光源在本征吸收层5所产生的暗电流，通过本征吸收层5材料生长质量的提高、势垒层4的本征吸收层暗电流抑制作用。

由于本征吸收层5材料生长质量的提高，热辐射背景等非探测红外光源在本征吸收层5所产生的暗电流产生减小。此外，通过势垒层4，暗电流得到进一步抑制。同时，由于钝化层10的存在，使得表面态引起的表面漏电流得到抑制。三方面同时作用，使得红外探测器的探测率得到提高。

在本发明的另一个实施例中，还提供了一种上述InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的制备方法。图2为根据本发明实施例InAs/GaSb超晶格红外光电探测器制备方法的流程图。请参照图2，本实施例InAs/GaSb超晶格红外光电探测器制备方法包括：

步骤A，在(001)N型GaSb衬底1上沉积外延结构，该外延结构白下而上依次包括：GaSb缓冲层2、n型电极接触层3、势垒层4、本征吸收层5、p型电极接触层6、以及GaSb盖层7；

本步骤中，本征吸收层5和p型电极接触层6分别由若干个周期的InAs/GaSb超晶格构成，所述n型电极接触层3和势垒层4分别由若干个周期的InAs/GaSb/A1Sb/GaSb超晶格结构构成，其中：

(1)衬底1：采用(001)晶向N型掺杂的GaSb衬底，掺杂浓度为10¹⁷cm^-3。

(2)缓冲层2：在衬底1上生长n型GaSb材料，厚度为1μm，掺杂元素为Te，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。其生长温度为GaSb的脱氧温度520℃，五三族束流比Sb：Ga=9，生长速度为0.5ML/s。该缓冲层用于阻挡衬底中缺陷向上生长，提高外延材料的晶体质量。

(3)n型电极接触层3：在缓冲层2上生长55周期n型掺杂的“M”型超晶格构成n型电极接触层，厚度为0.5μm，掺杂元素为Si，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。其生长温度为GaSb表面再构转变温度(T_c)-15℃，五三族束流比Sb：A1=8，Sb：Ga=4，As：In=6。GaSb的生长速率为0.5ML/s，A1Sb的生长速度为0.4ML/s；InAs的生长速度为0.4ML/s；用来控制界面的In2的生长速度为0.1ML/s。“M”型超晶格每个周期的结构为18MLInAs/3ML GaSb/5ML A1Sb/3ML GaSb，其中InAs生长时进行Si掺杂，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。每个周期的开关序列如图3所示：开Sb快门6秒；开In2快门7秒；同时开In、As与Si快门45秒；开In2快门8秒；开Sb快门6秒；同时开Ga与Sb快门6秒；开Sb快门6秒；同时开A1与Sb快门12.5秒；开Sb快门6秒；最后同时开Ga与Sb快门6秒。此层结构是器件的金属电极接触层，高浓度的n型掺杂有利于载流子的运输。

(4)势垒层4：在n型电极接触层上生长55周期的“M”型超晶格构成势垒层4，厚度为0.5μm。该层生长条件与n型电极接触层3相同，其结构也与n型电极接触层3相似，只是对“M”型超晶格不进行掺杂。势垒层4中的“M”型超晶格中的A1Sb带隙很宽，其导带高于GaSb层的导带，价带略高于InAs的价带。这种布局意味着A1Sb层既是电子势垒也是空穴的势垒，载流子的有效质量将得到提高。这将有利于减少暗电流，增强器件的R₀A，从而提高器件的探测率。

(5)本征吸收层5：在势垒层4上生长300周期的InAs/GaSb超晶格构成本征吸收层5，厚度为2μm。其生长温度为T_c-15℃，五三族束流比Sb：Ga=4，As：In=6。GaSb的生长速率为0.5ML/s，InAs的生长速度为0.4ML/s；用来控制界面的In₂的生长速度为0.1ML/s。InAs/GaSb超晶格每个周期的结构为14ML InAs/7ML GaSb，其开关序列如图4所示：开Sb快门4秒；In2快门5.5秒；同时开In与As快门35秒；开In2快门6秒；开Sb快门4秒；同时开Ga与Sb快门14秒。吸收层5总厚度为2μm，吸收层厚度的增加可适当的提高探测器的量子效率，14ML/7ML的InAs/GaSb结构的超晶格的截止波长为11.6μm。

(6)p型电极接触层6：在本征吸收层4上生长70周期p型掺杂的InAs/GaSb超晶格构成p型电极接触层6，厚度为0.34μm，掺杂元素为Be，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。其生长温度为T_c-15℃，五三族束流比Sb：Ga=4，As：In=6。GaSb的生长速率为0.5ML/s，InAs的生长速度为0.4ML/s；用来控制界面的In2的生长速度为0.1ML/s。InAs/GaSb超晶格每个周期的结构为8ML InAs/8ML GaSb，其开关序列如图5所示：中断6秒；同时开In与As开关20秒；开In2开关2秒；开Sb开关2秒；同时开Ga、Sb与Be开关16秒。对接触层6进行p型重掺杂一方面有利于金属电极与超晶格层的欧姆接触，另一方面有利于载流子的运输。8ML/8ML的InAs/GaSb的超晶格截止波长约为5μm，这使得接触层6的导带高于本征吸收层5的导带，有利对暗电流的进一步限制。

(7)盖层7：在p型电极接触层6上生长0.03μm的GaSb盖层，进行p型掺杂，Be掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。该层可防止超晶格表面氧化，有利于降低表面漏电流；采用重掺杂，可以使器件与金属电极更好的形成欧姆接触，改善I-V特性，提高探测器的量子效率。

步骤B，在外延结构的左右两侧经湿法刻蚀形成台阶，其中，该台阶经由GaSb盖层7、p型电极接触层6、本征吸收层5、势垒层4，直至n型电极接触层3；

该步骤B进一步包括：

(1)对生长完的外延片进行清洗，采用三氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水依次对外延片进行清洗，能够去除外延片表面大部分污染物，提高外延片的清洁度，保证工艺质量。

(2)单元器件台面制备。在清洗过的外延片上，采用标准光刻技术进行第一次光刻，光刻胶选择正胶。光刻后，采用湿法刻蚀单元探测器台面。刻蚀溶液选择HCl系腐蚀溶液进行刻蚀，HCl系腐蚀液配比为HCl：H202：H20=1∶1∶4，腐蚀速度为0.2μm/min。依次刻蚀GaSb盖层7、p型电极接触层6、本征吸收层5、势垒层4至n型电极接触层3。

步骤C，采用电子束蒸发Ti/Pt/Au金属电极，再对金属电极进行剥离，从而在GaSb盖层7上形成金属上电极8，在n型电极接触层3中形成金属下电极9；

该步骤C具体包括：外延片刻蚀后，采用丙酮、乙醇与去离子水依次进行清洗。接着采用标准光刻胶技术进行第二次光刻，光刻胶选择负胶。光刻后，对外延片进行电子束蒸发Ti/Pt/Au金属电极，其厚度依次为50nm/50nm/300nm。接着剥离金属，使外延片上形成金属上电极8与金属下电极9。

步骤D，对衬底1和外延结构的外表面进行SU-8光刻胶钝化，而后开窗口，露出金属上电极8和金属下电极9，完成InAs/GaSb超晶格红外光电探测器制作。

该步骤D具体包括：对外延片进行金属上、下电极沉积后，采用丙酮、乙醇与去离子水依次进行清洗。接着采用标准光刻胶技术进行第三次光刻，光刻胶选择负胶。光刻后，对外延片进行SU-8光刻胶钝化，SU-8胶厚度为300nm。最后开窗口，对单元器件进行封装，完成单元探测器制作。

图6A和图6B分别为单元探测器77K下的暗电流以及动态电阻RA。光敏面为400μm×400μm的单元红外探测器件在77K下，其暗电流大小为7.25×10^-4A/cm²，零偏压下电阻为1.2Ω·cm²。

图7所示为光敏面为400μm×400μm的单元红外探测器件在77K下的光谱响应图。77K下，其截至波长为11.6μm，响应率为0.1A/W，量子效率达10％，探测率为2*10⁹cm Hz^1/2W^-1。

至此，已经结合附图对本发明的实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明InAs/GaSb超晶格红外光电探测器及其制备方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)本征吸收层5的超晶格层可用上述界面控制的方法制备，选取不同截止波长的InAs/GaSb本征超晶格进行替换，从而实现对不同波段的红外探测；

(2)金属接触层3和势垒层4可以用与吸收层5对应的M型超晶格进行代替，从而实现对不同波长的红外探测器暗电流的限制；

(3)钝化层9可用硫醇钝化或者二次生长A1GaAsSb钝化进行代替。

综上所述，本发明提供一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器及其制备方法。该红外探测器器件结构设计中，势垒层的引入可有效的降低探测器的产生-复合暗电流以及隧穿暗电流，器件制备工艺的优化可降低器件的表面漏电流，最终达到提高探测器探测率以及提高探测器工作温度的目的。该发明可有效的应用在中波、长波以及甚长波波段的红外探测器中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。