用于锑化物基反向二极管毫米波探测器的方法和装置的制作方法

专利名称：用于锑化物基反向二极管毫米波探测器的方法和装置的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及低噪声探测器，更具体地涉及锑化物基反向二极管毫米波探测
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背景技术：
毫米波的独特传播特性，包括穿透诸如雾、灰尘、织物和轻体建筑材料等障碍的能 力，使其成为不利条件下的探测、成像和遥感的候选。不同于通过使用X光成像系统而发出 的电离辐射，毫米波在人和动物周围造成较少的安全问题。另外，由于人和动物会发出包括 一部分毫米波频谱的自然辐射，因此被设计来探测此类辐射的成像系统可以在诸如武器和 /或藏在衣服下面的违禁品等物体阻挡自然发出的辐射时，识别出这类物体。探测自然发出 (例如，人)的毫米波辐射所实现的至少一个好处是，探测系统在扫描物体时不需要使用辐 射源或发射器。低强度高频毫米波信号还可以促进通信、成像、医疗诊断、航空电子学和/或辐射 测量领域的进步。在某些重要领域中，相对高标准的可重复性和分辨率是完成诸如科学和 /或工业辐射测量应用的一个或多个任务所必需的。目前用来探测毫米波信号的一些器件 包括作为直接平方律探测器的肖特基二极管。然而，为了获得毫米波频率下的、用于高效阻 抗匹配的足够低的结电阻，肖特基二极管通常会被偏置，和/或与一个或多个放大器结合 实现以最小化探测噪声。在某些需要低噪声基准的情况下，多级前置放大器是必须的，每一 级前置放大器目前都要花费数千美元。


图1是示例性锑化物基非均勻掺杂异质结构层；图2A是可以使用图1的示例性异质结构层的示例性探测器的电流-电压和曲率 特性的示例性图；图2B为三种示例性异质结构设计的电流密度-电压的示例性图；图3示出两种示例性探测器异质结构设计的能带图；图4A示出示例性阴极设计的结电容-电压图4B示出7A异质结构的结电容-面积和结电阻-面积图；图5示出示例性探测器的片上灵敏度-频率图。
具体实施例方式近年来，已研究了毫米波探测技术用于航海、航空电子学、安检和化学传感中的应 用。毫米波的探测、成像和/或辐射测量可以利用以硅(Si)、锗(Ge)、GaAs或其它半导体 材料制成的器件来实现，以提供低噪声、高像素密度、高非线性和/或曲率、和/或较快的频 率响应。例如，由于肖特基二极管的低前向导通电压、快速频率响应和高带宽而将其用于这 种探测目的。尽管某些肖特基二极管的实现包括会引入闪变噪声(例如，Ι/f噪声)的外部 偏置，但是肖特基二极管的无偏置实现通常会遭受灵敏度随温度的强烈变化，并且可能会 有不期望的较大结电阻。进一步地，肖特基二极管对温度的依赖性直接影响二极管曲率。γ ---- (公式 1)
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q？公式 2)示例性公式1示出了曲率系数、，、是电流对电压的二阶导数被电流对电压的一 阶导数除的商。曲率系数(Y)用作对零偏置下的探测器非线性进行量化(从而对灵敏度 进行量化)的至少一个工业用度量。然而，如上所述，肖特基二极管和/或其它热电子器件 表现出如公式2所表示的基本的性能极限，公式2中，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，并 且T为绝对温度。示例性公式2与器件设计无关，因而会导致对肖特基二极管曲率的基本 极限。一般而言，器件在零偏置下表现出较高非线性的电流-电压特性会转化为该器件的 改进的电压灵敏度值。已经就其零偏置非线性对锗基反向隧道二极管进行了研究。尽管零偏置器件简化 了探测器驱动器电路并将增加噪声(例如，闪变噪声)的情况减到最少，但是锗基反向二极 管表现出了妨碍以合理的成本大批量生产具有功能容限器件的重大制造挑战。对于GaAS 基平面掺杂势垒二极管来说，也存在类似的制造挑战。这里描述的示例性方法和装置包括用于毫米波平方律功率探测的InAs/AlSb/ GaSb反向二极管。这里还部分描述了与之前已知的设计相比具有较低结电容、较低结电阻 和较高曲率系数的异质结构设计。这里描述的示例性异质结构设计包括与较之前具有类似 势垒厚度的器件的报告提高大约31 %的曲率系数成正比的电压灵敏度。这些器件部分地依 靠量子力学隧穿作为操作基础。因此，这种器件不受诸如上述公式2中所表达的一个或多 个曲率限制。结电容也被减小了例如大约25% (即，9.5fF/ym2)。提高的灵敏度和减小的结电容部分是通过在示例性n-InAs阴极层中将 IX IO12CnT2的示例性方块浓度与P型δ掺杂平面相结合而实现的。低电阻(因此约翰逊 噪声也低)和高灵敏度的结合导致示例性共轭匹配源在94GHz下0. 24pff/Hz1/2的估计噪声 等效功率(NEP)，同时减小的电容促进宽带匹配并增大示例性探测器的截止频率。这些锑化 物(Sb)基探测器有希望例如改进无源毫米波和亚毫米波成像系统的性能。使用零偏置平方律探测器对毫米波的直接探测由于减小了无外部偏置所导致的 Ι/f噪声，因此对于无源成像应用来说尤其具有吸引力。与包括但不限于肖特基二极管、Ge反向二极管和GaAs平面掺杂势垒(PDB) 二极管的替换方案相比，示例性InAs/AlSb/feiSb 探测器展示了具有高灵敏度、高截止频率、低噪声和良好的温度依赖性的优良性能。尽管 报导具有可调势垒高度的低势垒零偏置肖特基二极管探测器的频率很高，但是特别由于如 上所述肖特基二极管的曲率(Y)通常受限于Y ^ q/kT，因此这种二极管表现出比锑化物 基隧道二极管强的随温度的灵敏度变化。在室温(Τ = 300K)下，PDB或肖特基二极管的 Y ^38. 5V—1。另一方面，这里描述的示例性隧穿探测器的曲率不受，并且之前的 实证已经表明Ge基器件的曲率高达70V—1。高曲率(Y)、低电容Cj和适度的结电阻民是产 生低噪声探测器的一些示例性设计因素。已经通过将隧道势垒厚度从32Α减小到大约7Α而部分地实现了釙异质结构探 测器的&的减小。然而，单独减小势垒厚度也导致了曲率系数相应地从39V—1降到32V—1。 下面将更详细地描述薄势垒Sb基毫米波探测器的性能特性，其中一些示例性异质结构设 计表现出42. 4V-1的测量曲率Y。另外，通过这里描述的方法和装置实现了 4200V/W的示 例性测量未匹配灵敏度βν，这与H、的预期相一致。该示例性曲率超过了肖特基 二极管的理论极限，并且可以在减小结电容Cj的同时实现。灵敏度和电容的改进可以通过 将掺杂分布剪裁为在异质结构中包括P型非均勻(例如，δ掺杂平面、斜坡掺杂、脉冲掺杂 等)以优化示例性器件内电荷载流子的分布来获得。示例性器件设计在不明显损及结电阻 的情况下，增大了零偏置灵敏度并进一步减小了结电容。这种示例性特性特别适用于例如 改进低噪声毫米波和亚毫米波探测器的性能。图1示出了在半绝缘GaAs衬底102上通过分子束外延(MBE)生长的示例性器件结 构100。在GaAs缓冲层上生长示例性变质器件层，其具有4000Α的n+InAS(1.3X1019cm_3) 隧穿阳极接触层104、300A的P+Ga釙(1. 3 X IO19CnT3)阳极层106、150A的未掺杂 AlaiGi^9Sb层108、7-IlA的未掺杂AlSb隧道势垒110、45入的n-InAs间隔层(掺杂有 1.4X IO17CnT3) 112、Be δ 掺杂平面(1 X IO12CnT2) 114、455入的 n-InAs (1. 4Χ IO17CnT3)阴极 层116，并以n+InAsa. 3 X IO19cnT3)接触层118结束。在n-InAs阴极层116中接近示例性 AlSb势垒110的位置处增加示例性完全耗尽的ρ型δ掺杂平面114，调整了隧道势垒110 附近的能带弯曲以增强器件性能。示例性的45Α间隔层112将掺杂平面114与隧道势垒 110隔开。可以但不限于采用混合及匹配电子束/光学光刻、通过蒸发和/或剥离的接触金 属化、湿法化学台面蚀刻、和/或苯并环丁烯介电钝化和/或任何其它合适的制造方法来制 造示例性锑化物基反向二极管。在图1示出的示例中，器件结构100的厚度是为了示例性目的而非限制目的提供 的。在某些示例中，GaAs衬底102、隧穿阳极接触层104、阳极层106、未掺杂AlfeiSb层108、 隧道势垒110、间隔层112、阴极层116和/或接触层118可以采用更大或更小的厚度。此 外，应该理解，层的厚度可以有与所述示例一致的值的范围。另外，示例性器件结构100的 前述层的掺杂浓度是为了示例性目的而非限制目的提供的。一般而言，示例性隧道势垒110、未掺杂AlfeiSb层108和阳极层106被称作锑化物 (Sb)子结构120。另外，示例性阴极层116、掺杂平面114和间隔层112被称作阴极子结构 122。尽管图1的示例性掺杂平面114包括铍δ掺杂平面，但是可以使用一种或多种替代 性掺杂剂。此外，可以使用包括但不限于斜坡掺杂分布和/或脉冲掺杂分布的一种或多种 替代非均勻掺杂分布。
图2A示出了测量的诸如图1所示示例性器件100的、面积为0. 85X0. 85 μ m2的示 例性器件的电流-电压和曲率特性200。在图2A示出的示例中，测得零偏置205下的结电 阻民为3239 0，高曲率为42.斩-1。在图2A的插图210中比较了具有δ掺杂平面的探测 器和除了具有均勻阴极掺杂外都相同的异质结构器件的电流密度-电压特性。图2Α的示 例性插图210被放大在图2Β中，图2Β示出了具有IOA隧道势垒的Sb异质结构220(参见 点划线)、具有7A隧道势垒的釙异质结构222(参见虚线)和具有δ掺杂的7Α隧道势垒 的Sb异质结构224(参见实线)之间的电流-电压比较。可以看出，在δ掺杂224(实线) 的情况下，δ掺杂的异质结构(例如，探测器)的示例性前向电流(电子从n-InAS(例如， 图1的间隔层112)隧穿到未掺杂AlaiGi9Sb层(例如，图1的未掺杂层108))被强烈抑 制了，同时反向电流几乎维持不变，从而获得了改进的零偏置曲率。在操作中，示例性非均 勻掺杂(例如，S掺杂)平面114和Sb隧道势垒110通过增大零偏置点205两侧的电流 比率来改进器件曲率。图3示出计算的均勻掺杂探测器314、316(虚线)和非均勻掺杂探测器302、 306(实线)异质结构的能带图300。在图3示出的示例中，最上面的实线302表示非均勻 掺杂(例如，δ掺杂)异质结构的导带，最上面的虚线304表示均勻掺杂异质结构的导带。 图3所示示例还示出了，最下面的实线306表示非均勻掺杂异质结构的价带，最下面的虚线 308表示均勻掺杂异质结构的价带。从图3的示例中还可以看出，完全耗尽的ρ型δ掺杂 平面114的填加减小了隧道势垒110边缘处的InAs阴极的能带歪曲，并且将InAs的导带 拉近费米能级&310。对于隧道二极管来说，能带对准的这种变化对前向电流的抑制比反向 电流更强，从而促进了对曲率系数的改进。β v = 2ZS Y (公式 3)示例性公式3示出，由于在运行频率适当低于探测器的截止频率的典型近似内， 灵敏度(βν)近似地正比于改进的曲率系数(Y)，因此器件100的灵敏度也得到了改进。除了改进灵敏度(βν)之外，通过在示例性阴极子结构122中包含诸如δ掺杂平 面的非均勻掺杂平面114，还可以实现较低的结电容C」。结电容-偏置图400示于图4A中， 图4A是从依赖于偏置的示例性片上s参数测量提取出的。在图4A示出的示例中，均勻掺 杂器件412和/或非均勻掺杂器件414(例如，δ掺杂器件)的结电容(Cj)近似线性地依 赖于(a)给定异质结构所施加的偏置和(b)给定异质结构的比电容。图4A部分示出了在 一个示例中零偏置下的示例性S掺杂探测器414为13fF/μ m2，这比没有在阴极中进行δ 掺杂的器件低大约25%。ρ型δ掺杂通过减少电子在InAs阴极116中靠近AlSb势垒110 处的累积而部分地促进了低电容。P型δ掺杂的这种效果在图3的示例性能带图300中也 很明显，在图3中，垂直线表示计算出的增量变化针对所施加偏置的小变化的质心。图4Β 示出了从片上s参数测量提取出的、作为器件面积420的函数的结电阻( ，参见线416)和 结电容(Cj,参见线418)数据。暂时返回到图3，最左侧的实垂直线312表示示例性δ掺杂结构的增量电子分布 的质心，并且最右侧的实垂直线314表示示例性δ掺杂结构的增量空穴分布的质心。另一 方面，最左侧的虚垂直线316表示示例性均勻掺杂结构的增量电子分布的质心，并且最右 侧的虚垂直线318表示示例性均勻掺杂结构的增量空穴分布的质心。通过将示例性δ掺 杂结构质心(312和314)与示例性均勻掺杂结构质心(316和318)进行比较显示，示例性δ掺杂结构表现出空穴与电子电荷质心之间的间隔(W,Q)更大。结果，在使用δ掺杂结 构时，实现了比均勻掺杂结构更低的电容。相互一致的泊松/薛定谔计算显示，δ掺杂平 面可以增大电子-空穴间隔，在一个示例中，电容减小了大约39%时，间隔从153人增大到 239Α,这与所测量的电容的变化合理地一致。减小的电容可以提高固有截止频率f。= 1/ (2 π RsCj)，并且还减小示例性探测器阻抗的电抗部分，并使得宽带匹配容易实现。在此表达 式中，&为器件的串联电阻，串联电阻主要受接触电阻所限。对于δ掺杂器件来说，可以实 现沈0的示例性&，从而导致f。= 620GHz，这表示一个示例而非限制。换句话说，进一步 改善这种接触电阻是可能的。下面在表1中示出了作为示例具有IOA厚的隧道势垒的均勻 掺杂和δ掺杂结构的优点的关键数字的比较。
器件类型γ (V1)βν (V/W)Cj (fF/μιη2)Rj (O μηι2)NEP (pW/Hz1/2)δ掺杂阴极42.442001323400.24均匀阴极32322017.213400.29表 1如表1中所示，示例性δ掺杂结构的结电阻从1230 Ω μ m2增大到2340 Ω μ m2。尽 管&的这种增大导致热噪声的增大，但是因为β ν的增大大于增大的热噪声的抵消，因此总 的探测器NEP增大了。如下面进一步详细描述的，还对δ掺杂探测器的毫米波性能进行了评估。图5示 出测量的由1到IlOGHz的50 Ω RF源所驱动的示例性探测器的片上电压灵敏度图500。该 示例性源通过同轴偏置器和片上探针耦接到该器件，并且在偏置器的DC臂处测量探测器 电压。在图5示出的示例中，低频电压灵敏度i3v* 4200V/W，比之前报导的除了均勻掺杂 阴极外都相同的器件的3200V/W提高了大约31%。利用依赖于偏置的s参数测量和图4的 插图(410)所示示例性电路模型，提取出示例性非线性器件模型。在此示例性模型中，串联 电感、焊盘电容和串联电阻与偏置无关，而结电阻和结电容随偏置变化。利用所测量s参数 的电路模型的非线性最小二乘优化，并且在结电阻和串联电阻通过下面所示示例性公式4 与测量的DC I-V特性相关的附加约束下，找出这些参数。dF — (Rs + 孜/) (公式 4)部分地基于前述电路模型的最小二乘优化，提取出12fF的Cp，65pH的Lp，26 Ω的 Rs，并且图4中示出了结电容(C》。如图5中所示，利用所提取的非线性模型预测的灵敏 度对频率的依赖性与测量的灵敏度符合得很好。示例性电路模型的外推预测出400GHz下 2000V/W的未匹配灵敏度。此频率响应的试验研究表明了 Sb异质结构作为W带至Y带以及 之外的探测器的潜力。利用示例性的50 Ω源连同测得的s参数，根据测得的未匹配灵敏度预测出可通过在源与探测器之间包括无损匹配网络而获得的最优灵敏度β_。在此示例中，使用示例性 共轭匹配源的低频β。pt计算出为8. OX 104V/W，并且在94GHz下为3. OX 104V/W。考虑到在 实验上显示出针对小入射功率的热噪声限制的这些示例性器件，基于测得的结电阻估计出 操作在94GHz下的探测器的对应噪声等效功率为0. 24PW/HZ1气这比典型的均勻掺杂阴极 器件的NEP提高了大约17%。高灵敏度和低噪声的结合使得这里所述的示例性Sb异质结 构探测器有希望用于无RF前置放大的无源毫米波成像传感器。表2示出图2B所示三种示例性异质结构的优点的附加示例性数字，其中，针对以 理想带通无损匹配网络匹配的灵敏度计算94GHz下的噪声等效温度差(NETD)。这些数字是
来自所制造的器件的示例性数据，并不暗含基本的限制，但是确实示出了示例性观测趋势。
权利要求
1.一种反向二极管，包括邻近非均勻掺杂分布之第一侧的阴极层；和 邻近间隔层之第二侧的锑化物基隧道势垒层。
2.根据权利要求1所述的反向二极管，其中所述锑化物基隧道势垒的厚度在大约三埃 到大约三十埃之间。
3.根据权利要求2所述的反向二极管，其中所述锑化物基隧道势垒未掺杂。
4.根据权利要求1所述的反向二极管，其中所述非均勻掺杂分布进一步包括δ掺杂分布。
5.根据权利要求4所述的反向二极管，其中所述δ掺杂分布包括铍掺杂剂。
6.根据权利要求5所述的反向二极管，其中所述铍掺杂剂的浓度为至少5Χ10+11cnT2。
7.根据权利要求1所述的反向二极管，其中所述锑化物基隧道势垒进一步包括AlSb。
8.根据权利要求1所述的反向二极管，其中所述非均勻掺杂分布的第一侧相对于第二 侧为上侧。
9.根据权利要求1所述的反向二极管，其中所述非均勻掺杂分布位于所述第一侧的区 域上。
10.根据权利要求1所述的反向二极管，进一步包括邻近所述非均勻掺杂分布之第二 侧的间隔层。
11.一种对反向二极管探测器进行掺杂的方法，包括 形成邻近隧穿阳极接触层的半绝缘GaAs衬底；形成邻近所述隧穿阳极接触层之上侧和间隔层之下侧的锑化物子结构；和 在所述间隔层的上侧上形成非均勻铍掺杂分布。
12.根据权利要求11所述的方法，其中形成锑化物子结构进一步包括在下面的GaSb阳 极层和上面的AlSb隧道势垒之间形成未掺杂的AlGaSb层。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括形成所述上面的AlSb隧道势垒，所述上 面的AlSb隧道势垒的厚度在三到三十埃之间。
14.根据权利要求11所述的方法，其中形成掺杂分布进一步包括形成δ掺杂分布。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括在所述掺杂分布的非均勻掺杂的区域上 形成δ掺杂分布。
16.根据权利要求14所述的方法，其中δ掺杂平面的浓度为至少5X10+11cnT2。
17.—种构建反向二极管探测器的方法，包括 形成半绝缘GaAs衬底；在所述衬底上生长阳极层和锑化物基隧道势垒；以及 在间隔层上沉积非均勻掺杂分布以减小所述探测器的结电容。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括将所述隧道势垒的厚度减小到小于七 埃，以减小所述探测器的结电阻。
19.根据权利要求18所述的方法，其中沉积非均勻掺杂分布进一步包括沉积铍δ掺杂 分布以维持所述探测器的曲率。
20.根据权利要求17所述的方法，进一步包括通过δ掺杂的非均勻掺杂分布来调整所 述探测器的导带弯曲。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述δ掺杂包括浓度为至少5X 10+11cm_2的铍 掺杂剂。
22.根据权利要求17所述的方法，进一步包括通过所述非均勻掺杂分布和所述隧道势 垒来减小结电阻，所述反向二极管探测器包括比反向电流受到更强抑制的前向电流。
23.根据权利要求22所述的方法，其中比反向电流更强地抑制前向电流增大了所述探 测器的曲率。
24.根据权利要求17所述的方法，其中所述非均勻掺杂分布和所述锑化物基隧道势垒 弯曲，以改进阴极导带能级与阳极价带能级之间的对准。
25.根据权利要求24所述的方法，其中向所述导带能级和价带能级弯曲阴极导带增加 了用于隧穿的电子的可用数量。
全文摘要
公开了用于锑化物基反向二极管毫米波探测器的示例性方法和装置。公开的一种示例性反向二极管包括靠近非均匀掺杂分布的第一侧的阴极层，和靠近间隔层的第二侧的锑化物隧道势垒层。
文档编号H01L29/51GK102067318SQ200980119371
公开日2011年5月18日 申请日期2009年5月27日 优先权日2008年5月27日
发明者帕特里克·费, 苏宁 申请人:诺特戴姆杜拉大学