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CN114122185B - 一种短波双色红外探测器及其制备方法 - Google Patents

一种短波双色红外探测器及其制备方法 Download PDF

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CN114122185B CN202111399153.4A CN202111399153A CN114122185B CN 114122185 B CN114122185 B CN 114122185B CN 202111399153 A CN202111399153 A CN 202111399153A CN 114122185 B CN114122185 B CN 114122185B
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Abstract

本发明提供一种短波双色红外探测器，包括：衬底，衬底的材料包括GaSb材料，缓冲层，形成于衬底表面，缓冲层的材料包括GaSb材料，短波红外单元，包括依次叠设在缓冲层表面的第一P型层、短波吸收层、第一N型层，其中，第一P型层、短波吸收层、第一N型层的材料包括AlInAsSb、InGaAsSb四元合金材料中的至少一种，雪崩倍增单元，包括依次叠设在第一N型层表面的第二N型层、雪崩倍增层、第二P型层，其中，第二N型层、雪崩倍增层、第二P型层的材料包括材料空穴离化系数与材料电子离化系数之比小于预设值的材料。本发明采用PINNIP型背靠背双二极管结构，可通过偏压极性调制实现探测短波长红外光和测距功能。

Description

一种短波双色红外探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于红外光电材料与器件领域，具体涉及一种短波双色红外探测器及其制备方法。
背景技术
短波红外探测器在军事和国民领域应用广泛，在军事领域可以使人们能够在接近黑暗或完全黑暗的条件下进行高分辨观察和辨别，实施目标获取、监视和跟踪；在民用领域，如无人驾驶、无人机及安防监控等也发挥极其重要的作用。短波红外探测模式分为主动和被动两种模式，主动模式使用激光与探测器作为核心光电器件，用于测距、通信等，被动模式使用探测器作为核心光电器件，用于夜视等。在实际应用中常常将主动和被动两种模式集成在一起构成一个总体探测系统来获取目标不同信息，提高抗干扰性能和识别能力，降低虚警率等。然而现有的探测系统只是将不同功能的器件拼接在一起，难以实现设备的小型化，并且增加了探测系统的成本。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术问题，本发明提出一种短波双色红外探测器及其制备方法，用于至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
作为本发明的一个方面，提供一种短波双色红外探测器，包括：衬底，衬底的材料包括GaSb材料，缓冲层，形成于衬底表面，缓冲层的材料包括GaSb材料，短波红外单元，包括依次叠设在缓冲层表面的第一P型层、短波吸收层、第一N型层，其中，第一P型层、短波吸收层、第一N型层的材料包括AlInAsSb、InGaAsSb四元合金材料中的至少一种，雪崩倍增单元，包括依次叠设在第一N型层表面的第二N型层、雪崩倍增层、第二P型层，其中，第二N型层、雪崩倍增层、第二P型层的材料包括材料空穴离化系数与材料电子离化系数之比小于预设值的材料。
可选的，AlInAsSb、InGaAsSb四元合金材料截止波长为1-3μm。
可选的，预设值为0.1。
可选的，材料空穴离化系数与材料电子离化系数之比小于预设值的材料包括AlInAsSb数字合金材料、AlInAsSb体材料、AlGaAsSb数字合金材料、AlGaAsSb体材料中的至少一种。
可选的，AlInAsSb数字合金材料、AlInAsSb体材料带隙宽度为0.998-1.323eV，截止波长为0.93-1.24μm；A1GaAsSb数字合金材料、A1GaAsSb体材料的带隙宽度为0.998-1.245eV，截止波长为0.995-1.24μm。
可选的，第一P型层外侧布置有环形的金属下电极，第二P型层表面设有P型盖层，P型盖层表面布置有环形的金属上电极。
可选的，短波红外单元、雪崩倍增单元、P型盖层外表面且位于金属上电极与金属下电极之间布置有硫化层。
可选的，硫化层表面形成有钝化层。
本发明的另一方面提供一种应用于短波双色红外探测器的制备方法，包括：在衬底上形成缓冲层，其中，衬底、缓冲层的材料包括GaSb材料，在缓冲层表面依次叠设制备第一P型层、短波吸收层、第一N型层，以形成短波红外单元，其中，第一P型层、短波吸收层、第一N型层的材料包括AlInAsSb、InGaAsSb四元合金材料中的至少一种，在第一N型层表面依次叠设制备第二N型层、雪崩倍增层、第二P型层，以形成雪崩倍增单元，其中，第二N型层、雪崩倍增层、第二P型层的材料包括材料空穴离化系数与材料电子离化系数之比小于预设值的材料。
可选的，形成缓冲层、制备短波红外单元、雪崩倍增单元均在分子束外延设备中进行。
(三)有益效果
(1)本发明采用PINNIP型背靠背双二极管结构，可通过偏压极性调制实现探测短波长红外光和测距功能。
(2)短波红外单元中AlInAsSb、InGaAsSb四元合金材料与GaSb材料匹配，探测短波红外光时探测波长在短波范围内连续可调，量子效率高。
(3)雪崩倍增单元材料一方面具有空穴离化率与电子离化率差别大、过剩噪声因子小的特性，在测距过程中可以较好的实现高增益效果并降低噪声，另一方面雪崩倍增单元材料截止波长范围可控，可以充当滤光片，吸收截止波长以下的光波，减少可见光和近红外短波对短波红外单元的干扰。
(4)采用分子束外延设备制备短波双色红外探测器的方法可以准确控制生长精度，使得最后得到的外延结构与设计值相符合且均匀性好。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例提供的一种短波双色红外探测器的剖面结构示意图；
图2示意性示出了本发明实施例提供的一种应用于短波双色红外探测器的制备方法的流程图。
【附图标记】
1-衬底，2-外延结构，21-缓冲层，22-短波红外单元，221第一P型层，222-短波吸收层，223第一N型层，23-雪崩倍增单元，231-第二N型层，232-雪崩倍增层，233-第二P型层，24-P型盖层，3-金属上电极，4-通光孔，5-钝化层，6-硫化层，7-金属下电极。
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。
为了使本发明的目的、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。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明；术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”“右”、等指示方位或位置关系的词语为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，不能理解为对本申请的限制；在此使用的术语“包含”“包括”等表明了所述特征、步骤、操作和/或的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
针对现有技术的不足，本发明一方面设计了一种短波双色红外探测器，该装置本发明采用PINNIP型背靠背双二极管结构，可通过偏压极性调制实现探测短波长红外光和测距功能；克服现有的探测系统只是将不同功能的器件拼接在一起，难以实现设备小型化、增加探测系统成本的缺陷。
图1示意性示出了本发明实施例提供的一种短波双色红外探测器的剖面结构示意图。
如图1所示，该短波双色红外探测器包括：衬底1，缓冲层21，形成于衬底1表面，短波红外单元22，包括依次叠设在缓冲层21表面的第一P型层221、短波吸收层222、第一N型层223，雪崩倍增单元23，包括依次叠设在第一N型层223表面的第二N型层231、雪崩倍增层232、第二P型层233。
在本发明实施例中，衬底1材料包括GaSb材料，衬底1可以采用(001)方向的N型GaSb衬底，双面抛光，表面为晶面，掺杂浓度为≥1017cm-3衬底1的晶格常数决定了外延的其他材料晶格常数。
在本发明实施例中，缓冲层21可以为P型掺杂缓冲层，材料包括采用Be进行P型掺杂的GaSb，其中Be的掺杂浓度≥1018cm-3，缓冲层21厚度为350-1000nm。缓冲层21作用在于平滑衬底1表面，阻挡衬底1缺陷向上生长，有利于提高外延的晶体质量。
在本发明实施例中，短波红外单元22中依次叠设在缓冲层21表面的第一P型层221、短波吸收层222、第一N型层223形成P-I-N结构，第一P型层221的厚度为400-600nm，可以采用Be作为掺杂元素，Be掺杂浓度≥1018cm-3；短波吸收层222厚度为1.5-3μm。足够厚的短波长吸收层可以提高量子效率和探测效率，短波吸收层222为非故意掺杂层，未掺杂下载流子浓度为1014-1016cm-3，第一N型层223厚度为200-600nm，可以采用Si作为掺杂，掺杂浓度≥1018cm-3。
第一P型层221、短波吸收层222、第一N型层223的材料包括AlInAsSb、InGaAsSb四元合金材料中的至少一种。AlInAsSb、InGaAsSb四元合金材料与GaSb材料晶格匹配，使得短波红外单元22的截止波长在短波范围内可以通过改变四元合金材料中Al或者In的组分进行调整，覆盖短波红外1-3μm的整个范围，短波红外单元22的截止波长在短波范围内的调整可连续进行，量子效率高，探测短波红外光更准确。
在本发明实施例中，雪崩倍增单元23中依次叠设在第一N型层223表面的第二N型层231、雪崩倍增层232、第二P型层233形成N-I-P结构，第二N型层231厚度为200-600nm，可以采用Si作为掺杂元素，Si的掺杂浓度≥1018cm-3，雪崩倍增层232厚度为1-2μm，为非故意掺杂，未掺杂下载流子浓度为1014-1016cm-3，第二P型层233厚度为200-600nm，可以采用Be作为掺杂，Be掺杂浓度≥1018cm-3。
第二N型层231、雪崩倍增层232、第二P型层233的材料，包括材料空穴离化系数与材料电子离化系数从差别大，过剩噪声因子小的材料，并且材料具备倍增特性，稳定增益大于10。本申请将材料的空穴离化系数与材料电子离化系数之比定义为k，过剩噪声随着增益的增加而增加，但对于低k值这一增加速率将减慢，也就是说更低的k值将带来更低的过剩噪声，获得更高的接收机灵敏度，探测更微弱的信号，增益-带宽积强烈依赖于k值和载流子渡越时间，当k＝0时最大雪崩建立时间由电子、空穴的渡越时间决定，即低k值有助于获得更短的雪崩建立时间，此外低k值还有利于获得更高的稳定增益，因此增益-带宽积必将提高。实施例雪崩倍增单元23材料包括AlInAsSb数字合金、AlInAsSb体材料、AlGaAsSb数字合金、A1GaAsSb体材料中的至少一种，材料的k值小于预设值，预设值可以为0.1，一方面有助于获得更短的雪崩建立时间，另一方面有利于获得更高的稳定增益。
另外，AlInAsSb数字合金、AlInAsSb体材料的Al组分可以为0.6-0.8，带隙宽度为0.998-1.323eV，截止波长为0.93-1.24μm，(波长和带隙换算公式为：波长＝1.24/带隙)，AlGaAsSb数字合金、AlGaAsSb体材料的带隙宽度为0.998-1.245eV，截止波长为0.995-1.24μm。雪崩倍增单元23可以吸收截止波长以下的入射光，阻挡截止波长以下的光对短波红外单元22的干扰。
在本发明实施例中，第二P型层233表面布置有P型盖层24，P型盖层24为金属电极接触层，厚度为20-50nm，可以采用Be掺杂GaSb，掺杂浓度为2.0×1018-1.0×1019cm-3。P型掺杂盖层24一方面用于防止与其接触的雪崩倍增单元23直接与空气接触发生氧化反应，另外一方面，由于P型掺杂盖层24为红外探测器的上金属电极3接触层，因此，P型掺杂盖层24还有利于载流子的运输，为了减少GaSb材料对1.7μm以下的光的无效吸收，盖层24的厚度应该在20-50nm之间。
在本发明实施例中，第一P型层221外侧布置有环形金属下电极7，P型盖层24表面布置有环形金属上电极3，金属上电极3与金属下电极7均采用电子束蒸发Ti/Pt/Au，厚度可以分别为50nm/50nm/300nm。Ti层可以和金属接触电极材料形成良好的欧姆接触，Au可以与后面的封装打线保持良好的粘附性和坚固性。
在本发明实施例中，短波双色红外探测器还包括：硫化层6，覆盖于环形金属下电极7和环形金属上电极3之间的外延结构2外侧，厚度为25-35nm。硫化层6可以填充刻蚀后台阶侧壁产生的未饱和的悬挂键，降低表面态密度，从而降低表面漏电流。
钝化层5，形成于硫化层6的外侧，厚度为150-250nm。钝化层5可以使硫化层6隔绝空气，使得硫化层6具有持久的稳定性，提高器件的稳定性。
在本发明实施例中，环形金属上电极3镂空形成有通光孔4，通光孔4贯穿钝化层5和硫化层6，用于接收输入红外探测器的外部红外信号，通光孔4可为圆形、椭圆形、方形、三角形或其他多边形结构中的任一种。
图2示意性示出了本发明提供的一种应用于短波双色红外探测器的制备方法的流程图。
如图2所示，该方法例如可以包括步骤S101-S107。
步骤S101，在衬底1表面叠设制备缓冲层21。
具体的，在制备缓冲层21之前，需要对衬底1进行预处理。预处理的过程例如可以包括：除气和脱氧，其中，除气包括低温除气和高温除气。首先，进行低温除气，可以在分子束外延系统进样室中进行，低温除气的条件例如可以为：温度为200℃，除气时间为150分钟。
低温除气完成后，将衬底1转入分子束外延系统缓冲室中进行高温除气，高温除气的条件例如可以为：温度为420℃，除气时间120分钟。
高温除气完成后将衬底1转入分子束外延系统的生长室进行脱氧处理，脱氧处理的条件例如可以为：将衬底1温度到400℃左右时，打开Sb源炉快门，使衬底1处于Sb2束流氛围的保护下。与此同时，使用反射高能电子衍射装置实时观测脱氧情况，当反射高能电子衍射装置接收屏出现亮点或者条纹时说明脱氧开始，一般在出现脱氧条纹时将温度升高30-40℃进行脱氧处理，脱氧温度一般为650-690℃，脱氧时间一般为30-90分钟。
衬底1在加热过程中根据衬底1的再构情况确定再构温度，包括：使用反射高能电子衍射装置观测衬底1，高温时衬底1呈现X3再构，再构条纹较稀疏，每两个再构点之间有两条再构条纹，低温时衬底1呈现X5再构，再构条纹较密集，每两个再构点之间有四条再构条纹，先使衬底1降温呈现X5再构，再逐步升高衬底1温度，观察衬底1由X5再构转变为X3再构时的转变温度，并称其为再构温度TC，确定再构温度TC。
缓冲层21的厚度例如可以为400nm，材料可以为GaSb中掺杂Be元素，Be元素掺杂浓度例如可以为2.0×1018cm-3，Be源炉的温度可以为860℃，P型掺杂缓冲层21的生长温度可以为TC+90℃，Sb/Ga束流比可以为11，生长速率可以为Ga0.6ML/s(其中ML表示原子层)。
步骤S102，在缓冲层21表面叠设制备短波红外单元22。
具体的，在缓冲层21表面依次叠设制备第一P型层221、短波吸收层222、第一N型层223，以形成短波红外单元22，其中，第一P型层221、短波吸收层222、第一N型层223的材料包括AlInAsSb、InGaAsSb四元合金材料中的至少一种。第一P型层221厚度可以为550nm，材料可以为Al0.3In0.7AsSb数字合金中参杂Be，Be的参杂浓度可以为2.0×1018cm-3，Be源炉的温度可以为860℃，第一P型层221的生长温度可以为TC℃，As/In束流比可以为3，Sb/Al束流比可以为5，生长速率可以为In0.4ML/s，A10.4ML/s。短波吸收层222厚度可以为1500nm，材料可以为Al0.3In0.7AsSb数字合金，短波吸收层222为非故意掺杂，未掺杂下载流子浓度可以为1015-1016cm-3，生长短波吸收层222的温度可以为TC℃，As/In束流比可以为3，Sb/Al束流比可以为5，短波吸收层222的生长速率可以为In0.4ML/s，Al0.4ML/s。第一N型层223厚度可以为200nm，材料为Al0.3In0.7AsSb数字合金中掺杂Si，Si的掺杂浓度可以为2.0×1018em-3，Si源炉的温度可以为1240℃，第一N型层223的生长温度可以为TC℃，As/In束流比可以为3，Sb/A1束流比可以为5，生长速率可以为In0.4ML/s，Al0.4ML/s。
步骤S103，在短波红外单元22表面叠设制备雪崩倍增单元23。
具体的，在第一N型层223表面依次叠设制备第二N型层231、雪崩倍增层232、第二P型层233，以形成雪崩倍增单元23，第二N型层231、雪崩倍增层232、第二P型层233的材料包括材料空穴离化系数与材料电子离化系数之比小于预设值的材料，预设值可以为0.1。第二N型层231厚度可以为200nm，材料可以为Al0.7In0.3AsSb数字合金中掺杂Si，Si的参杂浓度可以为2.0×1018cm-3，Si源炉的温度可以为1240℃，第二N型层231生长温度可以为TC℃，As/In束流比可以为3，Sb/Al束流比可以为5，生长速率可以为In0.4ML/s，Al0.4ML/s。雪崩倍增层232厚度可以为1000nm，材料可以为Al0.7In0.4AsSb数字合金，本层为非故意掺杂，未掺杂下载流子浓度可以为1015-1016cm-3，雪崩倍增层232生长温度可以为TC℃，As/In束流比可以为3，Sb/Al束流比可以为5，生长速率可以为In0.4ML/s，Al0.4ML/s。第二P型层233厚度可以为200nm，材料可以为Al0.7In0.3AsSb数字合金中掺杂Be，Be的参杂浓度可以为2.0×1018cm-3，Be源炉的温度可以为860℃，第二P型层223的生长温度可以为TC℃，As/In束流比可以为3，Sb/Al束流比可以为5，生长速率可以为In0.4ML/s，Al0.4ML/s。
步骤S104，在第二P型层223表面叠设制备P型盖层24。
具体的，P型盖层24厚度可以为30nm，材料可以为GaSb中参杂Be，Be参杂浓度可以为5.0×1018em-3，Be源炉温度可以为890℃，P型掺杂盖层24的生长温度可以为TC℃，Sb/Ga束流比可以为5.2，生长速率可以为Ga0.6ML/s。
步骤S105，对步骤S101-S104形成的外延结构2进行刻蚀。
具体的，可以包括：经电感耦合等离子体(ICP)刻蚀形成台阶，使剩余的外延结构2呈圆柱形，刻蚀采用的气体可以为CH4：C12：Ar，台阶深至第一P型层221。
步骤S106，对外延结构2的外部进行硫化、钝化处理。
具体的，硫化过程可以采用由24g Na2S·9H20与500ml乙二醇超声搅拌制成的硫化液，硫化液接电源负极，探测器背面被吸头吸附并接电源正极，控制电源电压25V，电流12mA，探测器正面接触硫化液完成硫化过程。硫化过程完成后，使用等离子体化学气相沉积法在硫化层6外部制备钝化层5，钝化层5可以为SiO2钝化层，厚度可以为200nm。
步骤S107，对外延结构2进行蒸发电极处理，形成金属上电极3和金属下电极7。
具体的，可以采用电子束蒸发Ti/Pt/Au制备上述金属上电极3和金属下电极7，厚度可以分别为50nm/50nm/300nm，沉积条件可以为≤100℃，其中金属上电极3呈环形，中间镂空有通光孔4，且金属上电极3Ti层与P型掺杂盖层24接触，金属下电极7呈环形，Ti层与第一P型层221接触。
应当理解，上述工艺中各参数的数值只是示例性的，并不用于限制本公开。
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。

Claims (10)

1.一种短波双色红外探测器，其特征在于，包括：
衬底(1)，所述衬底(1)的材料包括GaSb材料；
缓冲层(21)，形成于所述衬底(1)表面，所述缓冲层(21)的材料包括GaSb材料；
短波红外单元(22)，包括依次叠设在所述缓冲层(21)表面的第一P型层(221)、短波吸收层(222)、第一N型层(223)，其中，所述第一P型层(221)、短波吸收层(222)、第一N型层(223)的材料包括AlInAsSb、InGaAsSb四元合金材料中的至少一种；
雪崩倍增单元(23)，包括依次叠设在所述第一N型层(223)表面的第二N型层(231)、雪崩倍增层(232)、第二P型层(233)，其中，所述第二N型层(231)、雪崩倍增层(232)、第二P型层(233)的材料包括材料空穴离化系数与材料电子离化系数之比小于预设值的材料；
P型盖层(24)，形成于所述第二P型层(233)表面。
2.根据权利要求1所述的短波双色红外探测器，其特征在于，所述AlInAsSb、InGaAsSb四元合金材料截止波长为1-3μm。
3.根据权利要求1所述的短波双色红外探测器，其特征在于，所述预设值为0.1。
4.根据权利要求1所述的短波双色红外探测器，其特征在于，所述材料空穴离化系数与材料电子离化系数之比小于预设值的材料包括AlInAsSb数字合金材料、AlInAsSb体材料、A1GaAsSb数字合金材料、AlGaAsSb体材料中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的短波双色红外探测器，其特征在于，所述AlInAsSb数字合金材料、AlInAsSb体材料的带隙宽度为0.998-1.323eV，截止波长为0.93-1.24μm；
所述AlGaAsSb数字合金材料、AlGaAsSb体材料的带隙宽度为0.998-1.245eV，截止波长为0.995-1.24μm。
6.根据权利要求1所述的短波双色红外探测器，其特征在于，所述第一P型层(221)外侧布置有环形的金属下电极(7)，所述P型盖层(24)表面布置有环形的金属上电极(3)。
7.根据权利要求6所述的短波双色红外探测器，其特征在于，所述短波红外单元(22)、雪崩倍增单元(23)、P型盖层(24)外表面且位于所述金属上电极(3)与金属下电极(7)之间布置有硫化层(6)。
8.根据权利要求7所述的短波双色红外探测器，其特征在于，所述硫化层(6)表面形成有钝化层(5)。
9.一种应用于权利要求1-8中任一项短波双色红外探测器的制备方法，包括：
在衬底(1)上形成缓冲层(21)，其中，所述衬底(1)、缓冲层(21)的材料包括GaSb材料；
在所述缓冲层(21)表面依次叠设制备第一P型层(221)、短波吸收层(222)、第一N型层(223)，以形成短波红外单元(22)，其中，所述第一P型层(221)、短波吸收层(222)、第一N型层(223)的材料包括AlInAsSb、InGaAsSb四元合金材料中的至少一种；
在所述第一N型层(223)表面依次叠设制备第二N型层(231)、雪崩倍增层(232)、第二P型层(233)，以形成雪崩倍增单元(23)，其中，所述第二N型层(231)、雪崩倍增层(232)、第二P型层(233)的材料包括材料空穴离化系数与材料电子离化系数之比小于预设值的材料；
P型盖层(24)，形成于所述第二P型层(233)表面。
10.根据权利要求9所述的短波双色红外探测器的制备方法，其特征在于，制备所述缓冲层(21)、短波红外单元(22)、雪崩倍增单元(23)均在分子束外延设备中进行。
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