专利名称：光电探测器的数字合金吸收体的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电探测器。具体地，本发明涉及红外光电探测器的数字合金吸收层。相关技术的描述光电探测器是响应于入射光的光电设备。它们具有宽范围的应用，包括成像。一类光电探测器在红外光范围内操作。这种设备具有在红外成像中的应用，包括行星探索、工业质量控制、监控污染、消防、法律实施和医学诊断。在传统的半导体p-n结光电探测器中，在该结处的耗尽层阻止多数载流子越过该结流动，同时允许多数载流子自由流动。尽管耗尽层以这种方式提高了探测器的性能，它也引入了 Sh0Ckley-Read-Hal(SRH)暗电流，该暗电流引入了噪声。如此产生的暗电流限制了操作温度。然而近年来，最新开发的一类红外探测器已经采用嵌入式势垒层来抑制SRH电流及表面漏电流。势垒红外光电探测器概念在于2007年9月20日公布的、发明人为Maimon的美国专利申请公开号2007/0215900中被描述，该申请通过引用被并入本文，并公开了一种光电探测器，其包括吸光层，所述吸光层包括展现价带能级的η-掺杂的半导体；势垒层，势垒层的第一侧与吸光层的第一侧相邻，势垒层展现出实质上等于吸光层的掺杂的半导体的价带能级的价带能级；及包括掺杂的半导体的接触区，所述接触区与势垒层的与第一层相对的第二层相邻，势垒层展现出足以阻止多数载流子从吸光层隧穿到接触区并阻止热化的多数载流子从吸光层流向接触区的厚度和导带隙。可选地，可利用P-掺杂的半导体，且势垒层和吸光层的导带能级相等。势垒红外光电探测器的操作的进一步讨论可在Klipstein，“ ‘XBn’ Barrier Photodetectors for High Sensitivity and High Operating TemperatureInfrared Sensors，，，Infrared Technology and Applications XXXIV, Proc. of SPIEVol. 6940, 69402U, 2008中找到，其通过弓|用被并入本文。该文章描述了势垒光电探测器是一种光在窄带隙半导体层中被吸收的设备，该半导体层的带保持基本平坦或在操作偏压下累积，因此排除了所有的载流子耗尽。在低于阈值温度(对于中波红外(MWIR)设备通常为130-150K) 的传统的光电二极管中，暗电流由于耗尽层中的产生-再结合(G-R)中心而产生。在势垒探测器中，在窄带隙半导体中缺乏耗尽确保了 G-R对暗电流的贡献可忽略。因此，势垒探测器中的暗电流由高于和低于阈值温度的扩散成分占主导地位。因此，在低于阈值温度的给定温度，与具有相同的截止波长的传统的光电二极管相比，势垒探测器将展现出较低的暗电流。可选地，对于给定的暗电流，势垒探测器将在比传统的光电二极管更高的温度处操作， 假定该温度低于阈值温度。提出了用于势垒探测器的具有基于InASl_xSbx合金和类型-II InAs/GaSb超晶格(T2SL)的光子吸收层的一些设备架构。分析和示出了对于典型的设备参数可忽略的暗电流的热离子和隧穿成分。对于具有f/3的光学器件和4. 2微米的截止波长的MWIR势垒探测器，可以评估约150K的操作温度。此外，发明人为Klipstein的于2005年1月13日公布的国际专利申请号WO 2005/004243描述了一种具有减小的G-R噪声的光电探测器，其包括ρ-型接触层、中间势垒层和η-型光子吸收层的序列，其中中间势垒层具有显著大于光子吸收层的能带隙，且没有具有比光子吸收层更窄的带隙的层。此外，发明人为Klipstein的于2007年10月11日公布的国际专利申请号WO 2007/113821描述了一种具有减小的G-R噪声的光电探测器，其包括包围中间势垒层的两个η-型窄带隙层，所述中间势垒层具有至少等于所述两个窄带隙层的带隙之和的能带隙， 其中在平带条件下，每个窄带隙层的导带边缘比势垒层的导带边缘低至少另一窄带隙层的带隙能量，且其中当使用外部施加的电压被偏压时，更负向偏压的窄带隙层是接触层，而更正向偏压的窄带隙层是光子吸收层，且其中在外部偏压条件下，与势垒层靠近的光子吸收层中的带为平坦的或累积的，且光子吸收层的价带边缘的平坦部分位于接触层的价带边缘的平坦部分以下，以及它也位于在势垒层的任何部分中的价带边缘之上不超过IOkT的能量处，其中k是波尔兹曼常数，T是操作温度。于2008年5月公布的且通过引用被并入本文的发明人为Caine等人的国际专利申请公布号W02008/061141描述了一种制造二维探测器阵列(及这种阵列的)的方法，所述方法包括，对于多行和多列单独的探测器的每个，形成η-掺杂半导体吸光层，形成包括 AlSb,AlAsSb,AlGaAsSb,AlPSb,AlGaPSb和HgZnTe中的一个或多个的势垒层，及形成η-掺杂半导体接触区。然而，具有高性能的势垒光电探测器的具体设计可能难以开发。必须仔细选取势垒层和吸收体的组合以产生最佳结果。构建ηΒη或XBn红外探测器要求具有以下特性的吸收材料和势垒材料的匹配对(1)其价带边缘(Ev)必须近似相同以允许无阻碍的空穴流， 而它们的导带边缘(Ε。)应具有较大的差异以形成电子势垒，(2)它们必须具有实质上相似的晶格常数，及(3)它们的晶格常数也应与容易得到的它们生长在其上的半导体衬底材料紧密匹配，以便确保高材料质量和低缺陷密度。由于需要使通常为几微米的较厚的吸收层生长，对于高的吸收量子效率，晶格与衬底匹配的要求对于吸收材料尤其重要。势垒在厚度上通常仅几百纳米，因此在不遭受势垒材料质量的降低时，仅能容忍较小量的晶格与衬底材料的失配。由于这组严格的要求，最初只在单个材料系统中使用与GaSb衬底晶格匹配的InAsSb红外吸收体和具有匹配价带边缘的AlSbAs势垒成功地实现了 η&ι探测器。晶格匹配的InAsSb三元合金的近似组成是 InAs0.91Sb0.09O这种实现的局限性是吸收材料，因此由其制成的红外探测器具有在150K测量时为大约4. 1 μ m的固定的截止波长。特定的应用可能要求红外探测器具有特定的截止波长。此外，对于在已知的3到 5 μ m波长的大气传输窗内操作的应用，具有至少5 μ m的截止波长的光电探测器是特别合乎需要的。一些较新的η&ι光电探测器设计采用包括两种不同的半导体材料(例如，GaSb 和InAs)的双层超晶格吸收体，所述两种材料都与衬底晶格匹配，且以实质上相等的厚度被采用，具有实质上相似的晶格常数(因此也相互晶格匹配)。InAS/feSb类型-II超晶格是一种已被广泛接受的红外材料，其具有可定制的吸收截止波长。已展示了范围从低于 2 μ m 至Ij超过 30 μ m 的截止波长。例如，Rodriguez 等人的“nBn structure based on InAs/ GaSbtype-II strained layer superlattices，，，Appl. Phys. Letters, 91,043514, 2007,公开了一种使用n&i设计的类型-II InAS/GaSb应变层超晶格光电探测器，该η&ι设计可用于消除a^ckley-Read-Hall产生电流和表面再结合电流，导致较高的操作温度。基于应变层超晶格的结构在室温呈现出5. 2μπι的截止波长。所加工的设备展现出18%左右的量子效率，且在4. 5 μ m和300Κ的散粒噪声限制的比检测率为约IO9琼斯，其与对基于应变层超晶格的p-i-n光电二极管报告的最新科技水平的值具有可比性。鉴于前述内容，在本领域内需要用于改进的势垒红外探测器的装置和方法，所述探测器使用例如近似1到5 μ m的短到中波长的红外光操作。尤其需要这种在高达5 μ m波长操作以便匹配3-5 μ m的大气传输窗的装置和方法。需要以改进的载流子输送特性进行操作的这种装置和方法。进一步需要以具有可定制的截止波长操作的这种装置和方法。这些和其他需要通过如此后详细描述的本发明的实施方式来满足。
发明内容
为了增大光谱响应范围和提高光生载流子(例如，在η&ι光电探测器中)的迁移率，可通过将半导体材料的一个(或其一部分)到几个单层(插入层)周期性地嵌入吸收层的不同的宿主半导体材料(host semiconductor material)中来采用数字合金吸收体。 插入层的半导体材料和宿主半导体材料可具有实质上失配的晶格常数。(与InAs/feSb类型-II超晶格相反，其中InAs和(iaSb具有实质上类似的晶格常数。)例如，这可通过周期性地将hSb的单层(monolayer)嵌入到InAsSb宿主中作为吸收区以扩展诸如基于InAsSb 的η&ι设备的InAsSb光电探测器的截止波长来执行。所述技术允许同时控制合金组成和净应力，其都是光电探测器操作的关键参数。本发明的一个典型实施方式包括光电探测器的吸收层，包括生长为多个宿主层的宿主半导体材料，及在所述宿主半导体材料生长时作为多个插入层被插入的插入半导体材料，所述多个插入层与所述多个宿主层中的至少一些交错，所述多个宿主层每个均具有插入层之间的宿主间隔厚度，所述多个插入层中的每个具有插入厚度。插入厚度是两个单层或更小(例如，通常为4埃或更小)且显著小于宿主间隔厚度。宿主半导体材料和插入半导体材料可具有实质上失配的晶格常数。通常，所述多个插入层周期性地插入所述宿主半导体材料中以减小吸收层的带隙。该光电探测器可包括势垒光电探测器。此外，光电探测器可以作为元件阵列中的一个产生。在本发明的一些实施方式中，插入厚度比宿主间隔厚度至少薄一个数量级。宿主间隔厚度可为至少10个单层，例如，大于55埃。此外，在本发明的另一些实施方式中，宿主间隔厚度可沿着宿主半导体材料的生长方向逐步增大。宿主半导体材料可包括InAsSb，且所述多个插入层的插入半导体材料可包括hSb。以类似的方式，使光电探测器的吸收层生长的本发明的一般方法实施方式包括使包括宿主半导体材料的多个宿主层生长，在所述宿主半导体材料生长时，将插入半导体材料周期性地插入宿主半导体材料中，使得多个插入层与多个宿主层中的至少一些交错，所述多个宿主层中的每个具有插入层之间的宿主间隔厚度，所述插入层中的每个具有插入厚度。插入厚度是两个单层或更小，且显著小于宿主间隔厚度。宿主半导体材料和插入半导体材料可具有实质上失配的晶格常数。本发明的方法实施方式可与本文描述的装置相符合地被进一步修改。本发明的另一个实施方式包括光电探测器，其具有衬底层、吸收层、生长在吸收层上的势垒层、及接触层。吸收层包括生长在衬底层上作为多个宿主层的宿主半导体材料，且在宿主半导体材料生长时插入半导体材料被周期性地插入作为多个插入层，所述多个插入层与所述多个宿主层中的至少一些交错，所述多个宿主层中的每个在其间均具有宿主间隔厚度，所述多个插入层中的每个具有插入厚度。插入厚度是两个单层或更小(例如，通常4 埃或更小)且显著小于宿主间隔厚度。宿主半导体材料和插入半导体材料可具有实质上失配的晶格常数。本发明的该实施方式可与本文描述的方法和装置相符合地被进一步修改。附图
的简要描述现在参考附图，其中相似的参考数字始终表示相应的部件，图IA和IB分别是示出了 p-n光电二极管和η&ι光电探测器的示例性的导带边缘和价带边缘的示意性能带图；图IC是根据本发明的一个实施方式的光电探测器的数字合金吸收层的示意图；图ID是根据本发明的一个实施方式的数字合金吸收层的示意图，该数字合金吸收层具有逐渐增大的宿主间隔厚度以产生光电探测器的分级的带隙；图2A示出了示例性势垒红外探测器实施方式，底部接触层布置在衬底层和吸收层之间，以及金属接触部沉积在暴露的底部接触区上；图2B示出了金属接触部沉积在吸收层的暴露的吸收区上的示例性势垒红外探测器实施方式；图2C示出了本发明的包括元件阵列的示例性势垒红外探测器实施方式；图3A是示出了示例性势垒红外探测器的示例性导带边缘和价带边缘的示意性能带图；图;3B是示出了具有分级的间隙的吸收层的示例性势垒红外探测器的导带边缘和价带边缘的示意性能带图；图3C是示出了具有吸收层和顶部接触层的示例性势垒红外探测器的导带边缘和价带边缘的示意性能带图，其中所述吸收层和顶部接触层具有不同的带隙和不同的掺杂类型，由分级的间隙势垒层连接；及图5是生产势垒红外探测器的示例性方法的流程图。
优选实施方式的详细描述1.概述如前所述，本发明的实施方式目的在于一种半导体红外探测器的新型的数字合金吸收层，其可增大光谱响应范围和提高光生载流子的迁移率(例如，在η&ι光电探测器和 p-n光电探测器中)。本发明的数字合金吸收体实施方式可采用周期性嵌入到吸收层的不同的宿主半导体材料中的半导体的一个(或其一部分)到几个单层(插入层)。插入层的半导体材料和宿主半导体材料可具有实质上失配的晶格常数。所述技术同时允许控制合金组成和净应力，其是光电探测器操作的关键参数。在光电探测器中，吸收体是η-型掺杂的，因此其光载流子提取特性在很大程度上取决于空穴传输。在通常的InAs/feSb类型-II超晶格中空穴迁移率较小，因此对空穴传输不利。保持插入层非常薄(通常小于2个单层)的一个优点是插入层不需要具有与宿主几乎晶格匹配的晶格常数，从而允许在插入材料的选取上更加灵活。另一个优点是虽然空穴迁移率在具有相对厚(例如，5或更多单层)的插入层的结构中通常实质上减小，但它们在具有非常薄的插入层的结构中却不是这样。虽然本文主要关于η&ι光电探测器描述了本发明的实施方式，本领域技术人员将认识到，所述新型吸收层也可应用于任何其他类型。例如，可以实现pBn、双异质结构(DH)、 或使用类似的吸收层的任何其他光电探测器。2.红外探测器和数字合金吸收体图IA和图IB是分别示出p-n光电二极管和η&ι势垒红外探测器的示例性导带边缘和价带边缘的示意性能带图。图IB中示出的典型的势垒光电探测器结构的能带图具有轻微η-掺杂的顶吸收层区、势垒层和η-掺杂的顶部接触层。除了 η-型吸收层区现在是轻微η-型掺杂的，结(空间电荷区)由特别设计的宽间隙势垒层⑶替代，及P-接触层由 η-接触层替代外，它与图IA示出的典型的p-n光电二极管的能带图相似。势垒红外探测器的独特性质产生于包含特别设计的势垒层的异质结构，所述势垒层可阻挡一种类型的载流子(电子或空穴)但同时允许另一种载流子不受阻地流过。注意到势垒层不阻挡吸收层中的光生电子或空穴的流动比较重要。图IB示出了吸收层的光生电子或空穴可以分别向左和向右流动；两者都不被势垒层阻挡。然而，势垒层在阻挡暗电流时非常有效。减小暗电流 (噪声)而不会阻挡光电流(信号)是势垒红外探测器设计成功的关键。为了实现红外探测器的高性能，减小暗电流是一个重要目标。减小暗电流(噪声)增大了 D*(比检测率；信噪比的度量)，且导致较高的探测器操作温度和/或灵敏度。 当今的高性能红外探测器通常基于P-n结设计，如以上在图IA中所示的。在p-n 二极管中，主要的限制性能的暗电流机制为(1)表面漏电流，(2)扩散暗电流，及(3)生成-再结合(G-R)暗电流。表面漏电流通常可通过钝化和/或平面工艺技术来抑制。扩散暗电流主要来自于热产生的来自结外的准中性区的少数载流子，且与exp(-Eg/kT)成比例，其中I是探测器吸收材料的能带间隙。G-R暗电流来自于带间辐射、Auger (载流子散射)和 Shockley-Read-Hall (SRH)过程。虽然辐射和Auger过程是基本的，甚至在吸收区发生，发生在包围结的耗尽区中的SRH过程则归因于能带间隙的晶体缺陷和杂质能级。SRH暗电流与exp(-Eg/kT)成比例，且经常是占优势的暗电流源，尤其在较低的温度时。因此，通过减少表面和体缺陷或通过设备设计来消除SRH暗电流是高度合乎需要的。接着由更基本的机制来控制暗电流的性能。用于减小暗电流的一个重要的红外探测器设计原理是使用半导体异质结构。在这点上，势垒红外探测器方法被证明是高度有效的。在p-n结中，如图IA所示，由于SRH过程， 在结(空间电荷区)上的下降偏压不可避免地产生了不需要的G-R暗电流。在通常的操作条件下，为了在顶部接触层处的空穴聚集，η&ι结构被轻微偏压，如图IB所示。大部分所施加的偏压在势垒区上下降，由于宽得多的带隙，SRH暗电流几乎被全部抑制(回想SRH暗电流与exp(-Eg/kT)成比例，当&较大时被抑制)。势垒也用于阻挡来自顶部接触层的电子 (多数载流子)暗电流的流动；被势垒阻挡的电子最终与热产生的空穴再结合，因此没有来自接触层的净扩散暗电流。该机制对于在较高的温度处抑制暗电流非常重要，其中扩散暗电流变得重要。此外，当与平面制造工艺结合使用时，该较宽的带隙势垒阻止表面再结合并用于抑制表面暗电流。暗电流抑制导致在势垒红外探测器中在给定的温度处增大的信噪比，或可选地， 在相同的信噪比的较高的操作温度。作为这些暗电流减小机制的结果，势垒红外探测器可展现出突破性的性能。本发明的实施方式的关键创新是在吸收层中采用数字合金。可采用该新型吸收层来减小吸收层的带隙从而扩展截止波长，例如，高达5 μ m或更大。此外，所描述的数字合金吸收体的周期结构的效应可减小带隙(导致较长的截止波长)。事实上，注意到包括相同的半导体材料和组成的均质混合物的吸收层(其以别的方式可如本文描述在新型数字合金吸收体中使用)展现出比在新型数字合金吸收体结构中采用这些材料实现的带隙更高的带隙很重要。因此，令人感到惊奇的是，仅仅新型数字合金吸收体结构是造成一些带隙减小超过由较宽范围的半导体材料提供的带隙减小的原因，所述半导体材料可被组合，即，包括在宿主和插入物之间的晶格失配的半导体材料。图IC是根据本发明的一个实施方式的一般化的光电探测器100(例如势垒光电探测器)的数字合金吸收层102的示意图。通常，吸收层102生长在衬底层104例如(iaSb 上，然后势垒层118可生长在吸收层102的顶部上。随后，顶部接触层120可生长在势垒层 118上。应该注意在本领域中公知的是，通过缓冲层106的生长，衬底层104使其表面准备用于后续的半导体层，缓冲层106可为与衬底层104相同的材料(例如，GaSb)或适于待生长的下一个层的一些其他材料。因此，如在本公开中所使用的，认为衬底层104包括任何必要的缓冲层106。 此外，在一些光电探测器结构中，根据设备，中间层108可生长在衬底层104 (包括缓冲层106)上。例如，可选的中间层108可以是底部接触层或附加的势垒层。在以下章节中将描述具体设备结构的实例。因此，如在本公开中所使用的，“生长在衬底层104上的吸收层”表示吸收层102生长在支撑衬底层104上，支撑衬底层104可直接在衬底层104(其包括缓冲层106)上，或在衬底层104上，其间有中间层108。 虽然图IC不是按比例的图，但在右侧放大的圆形插图中示出了新型吸收层的详细结构。光电探测器100的新型吸收层102被示为包括宿主半导体材料(例如，InAsSb)的多个宿主层110A-110D，在宿主半导体材料生长时，所述多个宿主层110A-110D被插入半导体材料的(例如，InAs)的插入层112A-112C隔开。包括插入层112A-112C有效地减小了吸收层102的带隙，吸收层1 02将仅有宿主材料。因此，插入半导体材料被周期性地插入以产生多个插入层112A-112C，其与所述多个宿主层110A-110D的至少一些交错，所述多个宿主层每个在其间均具有宿主间隔厚度116。所述多个插入层112A-112C中的每个均具有插入厚度114。宿主半导体材料与在下层的衬底层114的材料晶格匹配以便限制结构中的应力。然而，插入厚度114和宿主间隔厚度116之间的相对差异(即，插入厚度显著小于宿主间隔厚度)允许宿主半导体材料和插入半导体材料具有实质上失配的晶格常数。例如， InAsSb的宿主半导体材料具有与(iaSb衬底的晶格常数紧密匹配的晶格常数(即，6. 1埃)， 而具有6. 48埃的晶格常数的^Sb的插入半导体材料与InAsSb宿主半导体材料的晶格常数实质上失配。使用重复宿主层110A-110D和插入层112A-112C的大量周期来发展典型的吸收层 102。(一个周期是一个宿主层和一个插入层。)例如，衬底层104可为500 μ m厚，而生长有周期性的宿主-插入层结构的示例性的吸收层102可仅为5 μ m厚。5 μ m吸收层102的每一周期可包括一个60埃的宿主层和一个3埃的插入层。因此，示例性吸收层102将包括总共近似8000个周期。如上所讨论的，宿主间隔厚度116和插入厚度114之间的相对差异允许宿主和插入材料的实质上失配的晶格常数。通常，插入厚度可至少比宿主间隔厚度薄一个数量级。通常，插入厚度可小于4埃，而宿主间隔厚度可大于55埃。插入厚度114也可在插入半导体材料的单层方面来限定。例如，插入层可为一个单层到几个单层的部分厚。 在本发明的一些实施方式中，数字合金吸收层102可被设计为提供分级的带隙。图ID是根据本发明的一个实施方式的数字合金吸收层102的示意图，该数字合金吸收层102具有逐步增大的宿主间隔厚度116A-116D以产生光电探测器100的分级的带隙。图ID仅示出了可选的吸收层122的另一放大图，所述吸收层122可取代图IC的光电探测器100的吸收层102。在这种情况下，宿主间隔厚度116A-116D沿着宿主半导体材料的生长方向以逐步的方式增大。宿主间隔厚度116A-116D穿过整个吸收层122的不同的宿主层110A-110F逐步变化的效果是有效产生分级的带隙。这是因为通常使用较大数量(例如，8000)的宿主层。根据期望的带隙等级，可以改变穿过整个吸收层122的不同的宿主层 110A-110F的宿主间隔厚度116A-116D的变化速率。(在光电探测器设计中带隙等级的使用在下一章节中被讨论。)然而，通常，穿过整个吸收层122的插入厚度112A-112E保持不变。最后，本领域技术人员将认识到，在保持符合这些原理的情况下，可以采用其他半导体材料组合。例如，可以使用InAsSb宿主半导体材料，GaAs插入半导体材料在(}aSb衬底上。在其他实例中，可在InAs衬底上发展光电探测器100。可采用所描述的吸收层102 的一些示例性光电探测器结构在下一章节被详细描述。3.具有数字合金吸收体的示例性红外探测器图2A示出了示例性势垒红外探测器实施方式，底部接触层布置在衬底层和吸收层之间，金属接触部沉积在暴露的底部接触区上。设备200示出包括红外吸收层202和相邻的势垒层204的η&ι结构，所述势垒层204插入在设备中以抑制暗电流。吸收层202包括宿主半导体材料(例如，InAsSb)的多个宿主层，所述多个宿主层被插入半导体材料(例如，InAs)的插入层隔开，如先前在图IC的吸收层102和可选地在图ID的吸收层122中所描述的。通常，吸收层202可为几微米厚(例如，近似5到6μπι)，而势垒层204薄得多。势垒层204可以仅几百纳米厚，例如，200nm。在一些实施方式中，吸收体可包括逐步增大的宿主间隔厚度以产生分级的带隙和/或势垒混合比率可沿着层的生长方向(由图中的箭头示出)变化，如将在此后参考图3A到3C所描述的。见由Ting等人于2009年9月25日提交的且题目为"HIGH OPERATING TEMPERATURE BARRIER INFRAREDDETEDTOR WITH TALORABLE ⑶TOFF WAVELENGTH”的美国专利申请号12/567635，该申请通过引用被并入本文，描述了变化的组成以产生分级的势垒层。通常，顶部接触层可为η掺杂的。然而，顶部接触层可包括不同于吸收层宿主材料的掺杂的掺杂。在示例性设备200中，吸收层202和势垒层204被底部接触层210和顶部接触层 208限定。顶部接触层208和底部接触层210提供了用于沉积顶部金属接触部212和底部金属接触部214以用于设备200的电连接的适当的区域。顶部接触层208可生长在势垒层 204上，顶部金属接触部212沉积在顶部接触层208上。底部接触层210可生长在衬底层 206上(以在吸收层202生长在衬底层206上后布置在衬底层206和吸收层202之间)。然后底部金属接触部214可沉积在暴露的底部接触区216上。如本领域技术人员将理解的， 通过蚀刻可暴露底部接触区216。应该注意，本发明的实施方式可采用任何已知的可选的接触层和金属接触设计。图2Β示出了金属接触部沉积在吸收层的暴露的吸收区上的示例性势垒红外探测器设备220。一般，设备220以与图2Α所述的设备200相同的方式运行且具有与其相同的元件。然而，在这种情况下，消除了底部接触层210且底部金属接触部214直接沉积在设备 220的吸收层202的暴露的吸收区222上。通过这种可选的技术提供与吸收层202的电连接。这里，同样，吸收层202包括宿主半导体材料(例如，InAsSb)的多个宿主层，其被插入半导体材料(例如，InAs)的插入层隔开，如先前在图IC的吸收层102和可选地在图ID的吸收层122中描述的。图2C示出了包括元件的阵列的示例性势垒红外探测器设备Μ0。一般，设备220 与图2Α所述的设备200相同的方式运行且具有与其相同的元件。然而，在这种情况下，顶部接触层208被隔离成元件M4A-244F的阵列Μ2。通过蚀刻顶部接触层或通过任何其他已知的技术可实现阵列的隔离。然后单独的金属接触部M6A-246F可沉积在顶部接触层的阵列242的每个元件M4A-244F上。元件M4A-244F的阵列242形成在它们单独的金属接触部M6A-246F和公共的底部金属接触部214之间的电绝缘的单独起作用的探测器，该探测器可在探测器阵列、成像阵列或焦平面阵列中使用，如本领域技术人员将理解的。应该注意，阵列设备240被示为具有图2Α的设备200的底部金属接触部214的设计，然而，如本领域技术人员将认识到的，阵列设备204也可采用图2Β的设备220的底部接触层210和底部金属接触部214设计。与前面的图2Α和2Β的探测器一样，阵列探测器240也使用包括宿主半导体材料(例如，InAsSb)的多个宿主层的吸收层202来操作，所述多个宿主层被插入半导体材料(例如，InAs)的插入层隔开，如先前在图IC的吸收层102和可选地图ID的吸收层122中所描述的。示例性探测器200、220、240可通过与前述参数和任何已知的半导体设备制造技术一尤其是包括已知的势垒红外探测器的光电探测器半导体设备相符合的另外的和/或可选的部件和架构来被进一步增强，如本领域技术人员将理解的。以类似的方式，本发明的实施方式对于一般任何其他已知的势垒红外探测器的各种层(例如接触层)可采用任何已知的材料和架构，如将被本领域技术人员理解的。
图3A是示出了示例性势垒红外探测器的示例性导带边缘和价带边缘的示意性能带图。这与图IB的更一般化的能带图相似。能带被示为穿过底部接触层，随后是轻微η-掺杂的顶吸收层、势垒层、和η-掺杂的顶部接触层。势垒层被周密地设计以抑制暗电流(噪声)而不会阻挡电子或空穴光电流(信号)的流动。注意，设备200的衬底层206通常不被视为能带图的元素，如本领域所知的。(衬底层206实质上与设备的红外探测操作无关。)本发明的示例性高操作温度势垒红外探测器实施方式(例如，在图3Α中示出的) 采用了吸收层材料和势垒层材料的匹配对，所述吸收层材料和势垒层材料具有近似相同的价带边缘(Ev)以允许未受阻的空穴流，而其导带边缘(Ec)展现出较大的差异以形成电子势垒。此外，吸收层的宿主材料和势垒层材料应该具有实质上相似的晶格常数，所述晶格常数也应该匹配它们生长在其上的衬底层材料的晶格常数以确保高材料质量和低缺陷密度。沿着生长方向具有逐步增大的宿主间隔厚度的吸收层可在η&ι探测器中使用以提供分级的带隙，如图3B的从Z1到的过渡所示。图:3B的能带图示出了具有这种分级的带隙的吸收层的η&ι探测器，其通过沿着生长方向(如图ID所示)逐步增大宿主间隔厚度来产生。这种结构的优点是分级的带隙充当准电场，所述准电场用于使空穴移向顶部接触层。在设备结构的一个实施方式中，顶部接触层可由GaInAsSb合金制成。在设备结构的另一个实施方式中，吸收宿主和顶部接触层可具有不同的掺杂类型。在又一个实施方式中，势垒层的组成可沿着生长方向变化。图3C示出了具有所有上面提到的特性的设备结构。例如，吸收层宿主可为η-型掺杂的，而顶部接触层可为ρ-型掺杂的。此外，势垒层组成可沿着生长方向从yl到y2变化。注意，执行势垒层的组成的改变以产生吸收层和顶部接触层的价带边缘之间的平滑过渡，如图3C中从yl到y2的过渡所示。4.生产红外探测器的数字合金吸收体本发明的实施方式也包括生产红外探测器设备中的数字合金吸收层的方法。如上所述，该设备可被定制为具有期望的截止波长，例如，高达至少5 μ m。图4是生产光电探测器的吸收层的示例性方法400的流程图。方法400以使包括宿主半导体材料的多个宿主层生长的操作402开始。在操作404中，在宿主半导体材料生长时，插入半导体材料周期性地插入到宿主半导体材料中，使得多个插入层与所述多个宿主层的至少一些交错，所述多个宿主层中的每个具有插入层之间的宿主间隔厚度，所述多个插入层中的每个具有插入厚度。宿主半导体材料和插入半导体材料具有实质上失配的晶格常数，且插入厚度显著小于宿主间隔厚度。注意到使单个宿主层生长然后使插入层生长被顺序和重复地执行以发展整个吸收层很重要。然而，如本领域技术人员将认识到的，操作 402和404(其总的来说分别定义使多个宿主层生长和插入多个插入层)实质上同步执行。 可通过与前述参数和任何已知的半导体设备制造技术相符合的可选的操作来进一步改进方法400，如本领域技术人员理解的。此外，用于生产特定的光电探测器设备的方法可包括仅用于发展数字合金吸收层的方法400。例如，为了生产示例性势垒光电探测器，可首先提供feiSb或InAs衬底。然后， 适合的缓冲层可生长在衬底上以使表面准备用于数字合金吸收层，例如，匹配宿主半导体材料。(根据设备，可选的下部接触层或势垒层可生长在缓冲层上。)然后根据所描述的方法400产生吸收层。随后，势垒层生长在吸收层(例如，AKkiAsSb层，其中( 和As浓度可改变以优化性能)上。最后，导电顶部接触层可生长在势垒层上。然后可增加用于操作设备的金属接触部(例如，在顶部接触层上和下部接触层的暴露区或吸收层上)。
这总结了包括本发明的优选实施方式的描述。为了说明和描述的目的提出了包括本发明的优选实施方式的前述描述。它没有被规定为无遗漏的或将本发明限制到所公开的准确形式。在前述教导的范围内的许多修改和变化是可能的。可以设计本发明的另外的变化而不偏离如下面的权利要求阐述的发明概念。
权利要求
1.一种光电探测器的吸收层，包括宿主半导体材料，其生长为多个宿主层；以及插入半导体材料，其在所述宿主半导体材料生长时被作为多个插入层周期性地插入， 所述多个插入层与所述多个宿主层中的至少一些交错，所述多个宿主层中的每个具有插入层之间的宿主间隔厚度，所述多个插入层中的每个具有插入厚度；其中所述插入厚度是两个单层或更少，且显著小于所述宿主间隔厚度。
2.一种生长用于光电探测器的吸收层的方法，包括生长包括宿主半导体材料的多个宿主层；以及在所述宿主半导体材料生长时，将插入半导体材料周期性地插入到所述宿主半导体材料中，使得所述多个插入层与所述多个宿主层中的至少一些交错，所述多个宿主层中的每个具有插入层之间的宿主间隔厚度，所述多个插入层中的每个具有插入厚度；其中所述插入厚度为两个单层或更小，且显著小于所述宿主间隔厚度。
3.根据前述权利要求的任一项所述的装置或方法，其中所述宿主半导体材料和所述插入半导体材料具有实质上失配的晶格常数。
4.根据前述权利要求的任一项所述的装置或方法，其中所述插入厚度比所述宿主间隔厚度薄至少一个数量级。
5.根据权利要求1所述的吸收层，其中所述宿主间隔厚度为至少10个单层。
6.根据前述权利要求的任一项所述的装置或方法，其中所述宿主间隔厚度沿着所述宿主半导体材料的生长方向逐步增大。
7.根据前述权利要求的任一项所述的装置或方法，其中所述宿主半导体材料包括 InAsSb0
8.根据前述权利要求的任一项所述的装置或方法，其中所述多个插入层的插入半导体材料包括hSb。
9.根据前述权利要求的任一项所述的装置或方法，其中所述光电探测器是元件阵列中的一个。
10.根据前述权利要求的任一项所述的装置或方法，其中所述光电探测器包括势垒光电探测器，所述势垒光电探测器还包括所述吸收层生长在其上的衬底层、生长在所述吸收层上的势垒层、及生长在所述势垒层上的接触层。
全文摘要
为了增大光谱响应范围和提高光生载流子的迁移率(例如，在nBn光电探测器中)，可通过将半导体材料的一个(或其一部分)或多个单层(插入层)周期性地嵌入到吸收层的不同的宿主半导体材料中来采用数字合金吸收体。插入层的半导体材料和宿主半导体材料可具有实质上失配的晶格常数。例如，这可通过将InSb的单层周期性地嵌入到InAsSb宿主中作为吸收区以扩展诸如基于InAsSb的nBn设备的InAsSb光电探测器的截止波长来执行。所述技术允许同时控制合金组成和净应力，其都是光电探测器操作的关键参数。
文档编号H01L31/101GK102265412SQ200980150685
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月16日 优先权日2008年12月16日
发明者丁肇酉, 科里·J·希尔, 萨拉·D·古纳帕拉 申请人:加州理工学院