InGaAs红外光探测器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种InGaAs红外光探测器。该InGaAs红外光探测器包括：半导体衬底，其两面抛光；依次沉积于半导体衬底上表面的下掺杂层、吸收层、上掺杂层、金属光栅层；其中：吸收层为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料；金属光栅层为一维周期性亚波长光栅；下掺杂层和上掺杂层均为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与吸收层构成pin结构，从下掺杂层和上掺杂层分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号。本发明InGaAs红外光探测器利用一维周期性金属光栅激发表面等离子体效应和瑞利伍德异常效应，使得可以在不损失吸收率的情况下，增强器件的响应速度。
【专利说明】InGaAs红外光探测器
【技术领域】
[0001]本发明涉及光探测器【技术领域】，尤其涉及一种InGaAs红外光探测器。
【背景技术】
[0002]红外探测器是红外系统、热成像系统的核心组成部分，InGaAs材料是一种优良的近红外光电探测材料。在近红外探测领域，可应用于I μ m?3 μ m波段的材料体系主要有基于碲镉汞(HgCdTe)、锑化铟(InSb)和铟镓砷(InGaAs)等。
[0003]HgCdTe探测器通过能带裁剪可以工作在I μ m?3 μ m波段,受背景限制的影响，通常要求制冷温度到150K以下，此材料系中较弱的Te-Hg键会带来一系列的问题，如材料的大面积均匀性问题、工艺过程稳定性以及空间应用辐照问题；InSb探测器覆盖波长在I μ m?5 μ m范围，应用其工作在2.5 μ m以下需要抑制长波响应，由于InSb的带隙小，为降低环境热辐射影响，需要制冷到80K以下；在InAs或GaSb衬底上基于晶格匹配体系外延生长的含锑多元系InAsPSb、InGaAsSb等材料，InAs组分增加会使四元材料系存在不互溶隙，导致异质结的带阶下降。而InGaAs探测器具有体系稳定、制冷要求低的特点。
[0004]InGaAs探测器在较高的工作温度具有较高的探测率，具有较高的信噪比、较低的功耗和较长寿命并有利于系统的小型化；同时InGaAs外延材料具有较好的均勻性和稳定性，器件制备工艺过程与Si工艺兼容,材料与器件的抗福照性能好；近红外InGaAs材料体系吸收层具有低的本底载流子浓度和高迁移率，有利于在近红外波段获得平滑的量子效率。
[0005]在实现本发明的过程中， 申请人:发现现有的采用薄层的InGaAs材料作为吸收区可降低器件的暗电流，但是InGaAs材料厚度的降低将带来光吸收的减小和量子效率的降低。
【发明内容】
[0006](一 )要解决的技术问题
[0007]鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于表面等离子体和瑞利伍德异常效应增强吸收的InGaAs红外光探测器，以在保证光吸收和量子效率的前提下，减小InGaAs材料的厚度。
[0008]( 二)技术方案
[0009]本发明InGaAs红外光探测器包括:半导体衬底，其两面抛光；依次沉积于半导体衬底上表面的下掺杂层、吸收层、上掺杂层、金属光栅层；其中:吸收层为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料；金属光栅层为一维周期性亚波长光栅；下掺杂层和上掺杂层均为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与吸收层构成pin结构，从下掺杂层和上掺杂层分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号。
[0010](三)有益效果[0011]从上述技术方案可以看出，本发明InGaAs红外光探测器利用一维周期性金属光栅激发表面等离子体效应和瑞利伍德异常效应，使得可以在不损失吸收率的情况下，减薄吸收层，降低暗电流，增强器件的响应速度。此外，还可针对吸收边进行优化设计，弥补吸收边量子效率低，起到平滑量子效率的作用，对于提高近红外探测性能具有十分重要的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为根据本发明实施例1nGaAs红外光探测器的剖面示意图；
[0013]图2为根据本发明实施例第一种InGaAs红外光探测器中一维周期性光栅的立体图；
[0014]图3为在光栅的单元横截面为长方形，高度为100纳米，占空比为0.5，入射光为横向磁场(TM)模式下，探测器吸收增强随着周期和波长变化的灰度图；
[0015]图4为在光栅的单元横截面为长方形，高度为100纳米，占空比为0.5，入射光为横向电场(TE)模式下，探测器吸收增强随着周期和波长变化的灰度图；
[0016]图5为光栅的单元横截面为长方形，周期为400纳米，占空比为0.3时，光栅高度分别为40纳米、60纳米和120纳米时，光的吸收增强随波长变化的曲线；
[0017]图6为光栅的单元横截面为长方形，周期为400纳米，高度为120纳米，占空比为
0.3，波长为1.32 μ m时，吸收强度和吸收增强随吸收层厚度变化的曲线。
[0018]【本发明主要元件符号说明】
[0019]IOO-1nGaAs红外光探测器；101-入射光波；
[0020]102-半导体衬底；103-缓冲层；
[0021]104-下掺杂层；105-吸收层；
[0022]106-上掺杂层；107-金属光栅层；
[0023]108-等离子体波。
【具体实施方式】
[0024]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。
[0025]本发明采用金属亚波长结构与薄层InGaAs材料相结合，利用亚波长人工结构实现对光的局域限制达到吸收增强的作用，为实现InGaAs探测器暗电流降低和量子效率的提闻提供了新的方法。
[0026]在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种InGaAs红外光探测器。该InGaAs红外光探测器基于pin探测器原理而工作的，本征或低掺杂浓度的InGaAs层吸收红外波长的光子，激发产生电子和空穴对，并在外电场的作用下形成光电流。
[0027]图1为根据本发明实施例1nGaAs红外光探测器的结构示意图。请参照图1，本实施例InGaAs红外光探测器100包括:半导体衬底102，其两面抛光；依次沉积于半导体衬底102上表面的缓冲层103、下掺杂层104、吸收层105、上掺杂层106、金属光栅层107。其中:所述吸收层105为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料，即掺杂浓度低于5 X IO16 / cm3以下；所述金属光栅层107为一维周期性亚波长光栅；所述下掺杂层104和上掺杂层106均为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与吸收层105构成pin结构，此处，重掺杂表示掺杂浓度高于5 X IO17 / cm3，从该下掺杂层104和上掺杂层106分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极弓I入外加偏压并收集探测信号。
[0028]请参照图1，本实施例所述的InGaAs红外探测器件100，在光子探测过程中，所述的入射光波101的波长范围为I μ m?2.6 μ m波段。入射光波101包含的光子穿过半导体衬底102、缓冲层103、下掺杂层104，到达吸收层105。其中:
[0029](I)第一部分光子被吸收层105吸收，激发电子空穴对，在下掺杂层104和上掺杂层106外加偏压作用下使得电子空穴对被收集形成光电流。没有被吸收的光子经过上掺杂层106,入射到金属光栅层107 ；
[0030](2)第二部分光子在金属光栅层107的上表面和/或下表面形成表面等离子体波108，形成的等离子体波108沿朝向衬底102的方向电场强度成指数衰减，在吸收层105处存在具有较大电场强度的表面等离子体波，该表面等离子体波能够被吸收层105吸收形成光电流；
[0031](3)第三部分光子在金属光栅层107激发瑞利伍德异常效应，发生掠射，在吸收层105处激发波导模式被吸收；
[0032](4)第四部分在金属光栅层107和上掺杂层106之间的界面发生反射朝向衬底方向返回，在返回的光程中再次被吸收层105吸收。
[0033]以下分别对本实施例1nGaAs红外光探测器100的各个组成部分进行详细说明。
[0034]半导体衬底102的材料可以是InP、GaAs、或Si等。在实际应用中InGaAs红外探测器件100，半导体衬底未沉积薄膜的一面可引入介质层和针对探测波长的增透膜来提高探测器的吸收率。
[0035]在生长晶格不匹配的InGaAs吸收层材料时，缓冲层103起到应力释放的作用，其材料会根据半导体衬底102和下掺杂层104材料进行不同的选择，其材料可以是InGaAs材料，也可以是其他材料，或者没有该缓冲层，均可以实现本发明。
[0036]本发明所述的InGaAs红外探测器件100的下掺杂层104和上掺杂层106两者所对应的材料可以为相同材料，也可以为不同材料；但两层的掺杂类型不同，且均能够和吸收层105构成pin结构。
[0037]吸收层105所对应的材料为InGaAs材料，且可以通过改变InGaAs中In的组分对探测器件100的探测范围进行调整，随着In的组分增加会延伸探测的截止波长。
[0038]金属光栅层107上的光栅结构为一维周期性亚波长光栅。该一维周期性亚波长光栅的单元横截面可以是正方形、长方形、梯形、三角形、圆弧形、规则及不规则多边形，且横截面也可成周期性渐变。其中，该周期性光栅的占空比介于0.3?0.7之间，高度介于20nm ?200nm 之间。
[0039]本发明所述的InGaAs红外探测器件100的金属光栅层107的材料是对入射光波反射很强且吸收较弱的金属，且应有很大的负折射率，如Au、Ag、Al等；且金属光栅层的厚度为 20nm ~5000nm。
[0040]本发明所采用的金属半导体界面结构，可使垂直入射的光在金属半导体界面处激发表面等离子体波，它是一种非福射状态的电磁波，被束缚在金属光栅层107和上掺杂层106的界面附近。表面等离子体波的激发波长可通过改变一维周期性亚波长光栅的周期进行调整，由于所激发的表面等离子体波的电场强度沿着朝向衬底的方向成指数衰减，故对于所设计的吸收层105需要和金属光栅层107表面较近，即上掺杂层的厚度足够薄，一般情况下小于200nm。在界面附近的近场范围内，表面等离子体波对电场有增强作用，使得吸收层105中有很大的电场增强，从而增强光的吸收。
[0041]金属光栅层107 /上掺杂层106界面的表面等离子体模式的激发必须满足特定的波矢匹配条件，不能简单的通过入射光照射光滑表面来激发。我们在金属光栅层107中采用一维周期性亚波长阵列结构，来达到波矢匹配，从而激发表面等离子体。波矢匹配条件要求:
[0042]
【权利要求】
1.一种InGaAs红外光探测器,其特征在于,包括: 半导体衬底，其两面抛光； 依次沉积于半导体衬底上表面的下掺杂层、吸收层、上掺杂层、金属光栅层； 其中:所述吸收层为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料；所述金属光栅层为一维周期性亚波长光栅；所述下掺杂层和上掺杂层均为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与所述吸收层构成Pin结构，从所述下掺杂层和上掺杂层分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号。
2.根据权利要求1所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述一维周期性亚波长光栅的周期P满足:
3.根据权利要求1所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述上掺杂层的厚度小于 200nm。
4.根据权利要求1所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，入射光波入射所述半导体衬底未沉积薄膜的一侧，光波吸收包括以下四部分: (1)第一部分光子被所述吸收层直接吸收； (2)第二部分光子在所述金属光栅层的上表面和/或下表面形成表面等离子体波，该表面等离子体波被所述吸收层吸收形成光电流； (3)第三部分光子在所述金属光栅层激发瑞利伍德异常效应，发生掠射，在所述吸收层处激发波导模式被吸收； (4)第四部分在所述金属光栅层和上掺杂层之间的界面发生反射朝向衬底方向返回，在返回的光程中再次被所述吸收层吸收。
5.根据权利要求4所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述瑞利伍德异常激发波长的位置和一维周期性亚波长光栅周期之间满足:
6.根据权利要求1所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述一维周期性亚波长光栅的单元横截面为正方形、长方形、梯形、三角形、圆弧形、或周期性渐变的横截面。
7.根据权利要求1所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述一维周期性亚波长光栅的占空比介于0.3~0.7之间，高度介于20nm~200nm之间。
8.根据权利要求1所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述金属光栅层的材料为Au、Ag或Al,其厚度介于20nm~5000nm之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，还包括:缓冲层，生长于所述半导体衬底和所述下掺杂层之间，用于缓解两者之间的应力。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述吸收层的掺杂浓度低于5X IOlfVcm3以下，所述下掺杂层和上掺杂层的掺杂浓度高于5X1017 /cm ο
11.根据权利要求1至8中任一项所述的InGaAs红外光探测器，其特征在于，所述半导体衬底的材料为InP、GaAs、或Si。
【文档编号】H01L31/0232GK103811580SQ201410078922
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】韦欣, 许斌宗, 宋国峰, 刘杰涛, 徐云, 相春平, 付东 申请人:中国科学院半导体研究所