一种基于铟砷锑（InAsSb）材料的双色红外探测器的制备方法与流程

本发明属于半导体材料及器件领域，涉及一种基于铟砷锑（InAsSb）材料的短波/中波双色红外探测器。

背景技术：

红外探测器由于自身优异的性能已经广泛应用于战略预警、导弹导引头、激光雷达、夜视、遥感、医学、大气监测等军民两用领域。随着探测技术的发展和对探测效果要求的提高，当前红外探测技术向着获取更多目标信息的方向发展，从而对红外探测器的性能提出了更高要求，如大面阵、更高的热分辨率、多波段（或多色）探测、高工作温度、重量轻、易于维护等特性，这些要求成为第三代新型红外探测器的基本要求和特征。目前，国内外第三代红外探测器的重要发展方向之一就是实现多波段同时探测。如果一个探测系统能在多个波段获取目标信息，就可以对复杂的背景进行抑制，提高对目标的探测效果。在预警、搜索和跟踪系统中能明显的降低虚警率，显著提高探测系统的性能和在各武器平台的通用性；在医学诊断、安防监控和天文监测等领域能更好的识别目标，提高获取目标信息的准确性。

目前，碲镉汞和多量子阱红外探测器可实现双色探测，但是以上两种探测器都存在着明显的缺点。20世纪70年代，锑化物应变层超晶格以其独特的材料性质成为红外探测器的研究热点。与HgCdTe和多量子阱材料相比，InAs/GaSb II类超晶格具有特殊的错开型能带结构，具有低成本、大面积均匀性好、响应波段范围宽、隧穿电流小、俄歇复合率低等优点，能够克服碲镉汞红外探测器均匀性差和量子阱红外探测器量子效率低的缺陷，在红外探测领域具有广泛的应用前景。然而，这种材料制备的器件具有较高的产生复合（G-R）暗电流，从而使其没有展示出预期的性能。相对高的产生复合暗电流是由于低的Shockley-Read-Hall （SRH）寿命所造成，而低的SRH寿命又是由于在GaSb层所存在的原始缺陷。

我们很幸运的发现，InAs_xSb_1-x是一种典型的III-V族三元化合物半导体材料，也是目前发现的禁带宽度最小的本征型III-V族化合物半导体。在室温下InAs_xSb_1-x的禁带宽度可达0.099eV（对应截止波长为12.5μm）甚至更小。InAs_xSb_1-x的结构稳定，As与Sb和In之间都是稳定的共价键结合，InAs_xSb_1-x的载流子迁移率比Hg_xCd_1-xTe高，而且介电常数和室温下的自扩散系数（约5.2×10^-16cm²/s）都比较小，这些特点使得InAsSb非常适合制作红外光电探测器和气体传感器。InAs/InAsSb窄带隙应变层超晶格的响应波长（禁带宽度）的控制由Sb组分决定，能够覆盖与InAs/GaSb超晶格相同的红外波段，所以在相同的工作波段范围内，相比于InAs/GaSb II类超晶格，InAs/InAsSb 超晶格体系具有更长的少子寿命，目前有文献报道称，在温度为77K时，InAs/InAsSb 超晶格和InAs/GaSb II类超晶格两者的少子寿命分别约为412 ns和100 ns。同时，InAs/InAsSb 超晶格载流子迁移率高，据相关文献报道：nBn型InAs/ InAsSb超晶格中空穴迁移率达到60 cm²/V，比InAs/GaSb II类超晶格的垂直空穴输运速率大一个数量级，电子有效质量大，少数载流子寿命（研究报道称：温度为77K时，少数载流子寿命可以达到500 ns）的增加，带隙调节及抑制俄歇复合率等优点促使InAs/InAsSb超晶格在较高的响应速度下大幅减少隧穿效应，降低暗电流，提高工作性能。

技术实现要素：

基于上述分析，本发明旨在提供一种低暗电流、高探测率、高载流子迁移率、长少子寿命等优点的基于InAsSb材料的短波/中波双色红外探测器。

本发明的另一个目的是提供一种上述的低暗电流、高探测率、高载流子迁移率、长少子寿命等优点的基于InAsSb材料的短波/中波双色红外探测器的制备方法。

本发明的目标主要是通过以下技术方案实现的：

1. 一种基于InAsSb材料的短波/中波双色红外探测器，包括GaSb衬底、沉积于GaSb衬底上的外延结构、钝化层、金属电极，其特征在于所述外延结构从下至上依次为Be掺杂的GaSb缓冲层、p型InAs/InAsSb超晶格接触层、未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层、n型InAs/InAsSb超晶格接触层、第一n型InAsSb接触层、AlAsSb电子势垒层、非掺杂InAsSb短波红外吸收层、第二n型InAsSb接触层（包括盖层），外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，台阶的深度分别至p型InAs/InAsSb超晶格接触层（或Be掺杂GaSb缓冲层）和第一n型InAsSb接触层（或n型InAs/InAsSb超晶格接触层），电极包括金属下电极、金属中电极和金属上电极，金属下电极与P型InAs/InAsSb超晶格接触层（或Be掺杂GaSb缓冲层）形成欧姆接触，金属中电极与第一n型InAsSb接触层（或n型InAs/InAsSb超晶格接触层）形成欧姆接触，金属上电极形成于台阶的上方，与盖层形成欧姆接触。

2. 本发明中，所述GaSb衬底采用(001)方向的n型GaSb衬底或者(001)方向的GaAs衬底。

3. 本发明中，所述GaSb缓冲层的厚度为0.5~1 μm，材料为采用Be进行P型掺杂的GaSb材料，其中Be掺杂浓度为1~2×10¹⁸ cm^-3。

4. 本发明中，所述P型InAs/InAsSb超晶格接触层由交替生长的19.2 ML (monolayer，原子层) InAs层和9.6 ML InAs_0.73Sb_0.27层组成，总厚度为0.4~0.9 μm，其中InAs层的材料采用Be掺杂的InAs材料，掺杂浓度为1~2×10¹⁸ cm^-3，各组分层厚度可以根据具体的需要进行调节，本发明中其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs_0.73Sb_0.27厚度为9.6 ML。

5. 本发明中，所述未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波红外吸收层由交替生长的19.2 ML InAs层和9.6 ML InAs_0.73Sb_0.27层组成，总厚度为2~6 μm。其中，InAs层和InAs_0.73Sb_0.27层均为本征层，不进行掺杂。各组分层厚度可以根据具体的需要进行调节，本发明中其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs_0.73Sb_0.27厚度为9.6 ML。

6. 本发明中，所述n型InAs/InAsSb超晶格接触层由交替生长的19.2 ML InAs层和9.6 ML InAs_0.73Sb_0.27层组成，总厚度为0.4~0.9 μm，其中InAs层的材料为掺杂元素Si的InAs材料，Si掺杂浓度为1~2×10¹⁸ cm^-3。各组分层厚度可以根据具体的需要进行调节，本发明中其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs_0.73Sb_0.27厚度为9.6 ML。

7. 本发明中，所述AlAsSb电子势垒层的总厚度为0.3~0.5 μm，材料采用Be弱掺杂的AlAsSb材料，掺杂浓度为1~2×10¹⁷cm^-3。

8．本发明中，所述第一n型InAsSb接触层和第二n型InAsSb接触层（包括盖层）的厚度均为0.3~0.8 μm，InAsSb层材料采用Si掺杂的InAsSb材料，掺杂浓度为1~2×10¹⁸cm^-3。

9. 本发明中，所述非掺杂的InAsSb短波红外吸收层，总厚度为2~6 μm。

10. 一种制备上述基于InAsSb材料的短波/中波双色红外探测器的方法，包括以下步骤：

（1）将所述外延级的GaSb衬底装入分子束外延系统的进样室进行低温（200°C）除气，再进入缓冲室内进行高温除气处理，高温除气处理的温度为500°C，依次需经过200°C除气2小时，500°C除气40~90 分钟。

（2）将除气处理后的GaSb衬底转入生长室去除氧化层，N型GaSb (001)衬底在Sb₂保护下升温，在衬底表面出现脱氧点时的温度基础上一般加30°C（590°C~640°C）进行15-30分钟（视衬底表面脱氧情况而定）的脱氧（在Sb₂气氛下），除去GaSb衬底表面上的氧化物，作为外延层的承载体。

（3）优选地，去除氧化层的过程中，当GaSb衬底超过370°C后，通入Sb保护束流，Sb保护束流大小在10^-6 Torr量级，并对去除氧化的效果进行实时监测。

（4）本发明中，在外延结构材料生长完成以后，使用标准光刻技术和ICP干法刻蚀制作台面。在台面制作结束后，分别在顶部、中部和底部接触层上溅射Ti/Pt/Au合金电极，并使用硫化和二氧化硅或者SU-8光刻胶钝化，以减小器件表面漏电流。这样就完成了红外探测器的制作。

本发明提供的基于InAsSb材料的的短波/中波双色红外探测器具有以下有益效果：

1. 本发明实施例提供的一种双色红外探测器，通过InAsSb中的Sb组分和InAs/InAsSb超晶格各子层厚度的调控实现双色红外探测器对红外辐射的精确探测，从而使本发明的双色红外探测器能够实现对两种不同波长的红外辐射同时进行探测，提高了探测效果。

2. 通过合适的器件能带结构设计及电子势垒层的设计能够有效地抑制产生-复合暗电流以及隧穿暗电流，从而提高探测器的性能。

3. 本发明提供的基于InAsSb材料的的短波/中波双色红外探测器，不存在GaSb层，少数载流子寿命更长，有利于提高探测器的量子效率。

附图说明

图1为基于InAsSb材料的短波/中波双色红外探测器结构示意图。

图2为实施例1中NBN型InAsSb结构的绝对响应光谱。

图3为实施例1中PIN型InAs/InAsSb超晶格的绝对响应光谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进一步的说明，附图构成本申请的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明基于势垒层能带的特殊性，可以显著抑制耗尽层的产生-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。势垒层的存在，在调制偏压提取信号时能够很好地抑制不同信号间的串扰。

请参阅图1所示，本发明提供一种基于InAsSb材料的短波/中波双色红外光电探测器，包括GaSb衬底1、沉积于GaSb衬底1上的外延结构、金属下电极10、金属中电极11、金属上电极12和钝化层13，其中：

所述外延结构包括：Be掺杂GaSb缓冲层2、p型InAs/InAsSb超晶格接触层3、未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层4、n型InAs/InAsSb超晶格接触层5、第一n型InAsSb接触层6、AlAsSb电子势垒层7、非掺杂InAsSb短波红外吸收层8、第二n型InAsSb接触层（包括盖层）9，该外延结构的两侧经刻蚀形成台阶，台阶的深度分别至Be掺杂GaSb缓冲层2和n型InAs/InAsSb超晶格接触层5。

所述金属下电极10与Be掺杂GaSb缓冲层2欧姆接触，金属中电极11与n型InAs/InAsSb超晶格接触层5欧姆接触，金属上电极12形成于台阶的上方，与盖层9欧姆接触。

所述钝化层13形成于衬底1以及外延结构上除金属下电极10、金属中电极11和金属上电极12之外的其他位置。

实施例1

本发明实施例中，将除气后的N型GaSb (001)衬底转入生长室内进行升温去除氧化层，衬底温度超过370°C后，通入Sb保护束流，Sb保护束流大小在10^-6 Torr量级，进行实时监测，在衬底表面出现脱氧点时的温度600°C基础上加30°C即630°C，进行22分钟的脱氧。

本发明实施例中，所述p型掺杂GaSb缓冲层2生长于GaSb衬底1之上，厚度为1.1 μm。其中，GaSb缓冲层中Be掺杂浓度接近2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述p型InAs/InAsSb超晶格接触层3生长于p型掺杂GaSb缓冲层2上，其厚度为0.78 μm。该层由交替生长的19.2 ML InAs层和9.6 ML InAs_0.73Sb_0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs_0.73Sb_0.27厚度为9.6 ML，InAs层中Be掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层4生长在p型InAs/InAsSb超晶格接触层3上，其厚度为4.2 μm。该层由交替生长的19.2 ML InAs层和9.6 ML InAs_0.73Sb_0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs_0.73Sb_0.27厚度为9.6 ML，超晶格截止波长为~5.5 μm。

本发明实施例中，所述n型InAs/InAsSb超晶格接触层5生长在未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层4上，总厚度为0.78 μm。该层由交替生长的19.2 ML InAs层和9.6 ML InAs_0.73Sb_0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs_0.73Sb_0.27厚度为9.6 ML，InAs层中Si掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述第一n型InAsSb接触层6生长在n型InAs/InAsSb超晶格接触层5上，其厚度为0.66 μm，Si掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述AlAsSb电子势垒层7生长在第一n型InAsSb接触层6上，其厚度为0.32 μm，掺杂元素为Be，弱掺，掺杂浓度为~1×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述非掺杂InAsSb短波红外吸收层8生长在AlAsSb电子势垒层7上，其厚度为2 μm，其截止波长为3 μm。

本发明实施例中，所述第二n型InAsSb接触层（包括盖层）9生长在非掺杂InAsSb短波红外吸收层8上，其厚度为0.33 μm，Si掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述台阶经ICP干法刻蚀形成。金属下电极10、金属中电极11和金属上电极12采用溅射Ti/Pt/Au，其厚度分别为50 nm /50 nm /300 nm。

本发明实施例中，所述钝化层13采用SU-8光刻胶，厚度为600 nm。

实施例2

本发明实施例中，将除气后的N型GaSb (001)衬底转入生长室内进行升温去除氧化层，衬底温度超过370°C后，通入Sb保护束流，Sb保护束流大小在10^-6 Torr量级，进行实时监测，在衬底表面出现脱氧点时的温度600°C基础上加30°C即630°C，进行20分钟的脱氧。

本发明实施例中，所述p型掺杂GaSb缓冲层2生长于GaSb衬底1之上，厚度为1 μm。其中，GaSb缓冲层中Be掺杂浓度接近2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述p型InAs/InAsSb超晶格接触层3生长于p型掺杂GaSb缓冲层2上，其厚度为0.877 μm。该层由交替生长的19.2 ML InAs层和9.6 ML InAs_0.73Sb_0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs_0.73Sb_0.27厚度为9.6 ML，InAs层中Be掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层4生长在p型InAs/InAsSb超晶格接触层3上，其厚度为4.4 μm。该层由交替生长的19.2 ML InAs层和9.6 ML InAs_0.73Sb_0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs_0.73Sb_0.27厚度为9.6 ML。

本发明实施例中，所述n型InAs/InAsSb超晶格接触层5生长在未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层4上，总厚度为0.877 μm。该层由交替生长的19.2 ML InAs层和9.6 ML InAs_0.73Sb_0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs_0.73Sb_0.27厚度为9.6 ML，InAs层中Si掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述第一n型InAsSb接触层6生长在n型InAs/InAsSb超晶格接触层5上，其厚度为0.66μm，Si掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述AlAsSb电子势垒层7生长在第一n型InAsSb接触层6上，其厚度为0.32 μm，掺杂元素为Be，弱掺，掺杂浓度为~1×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述非掺杂InAsSb短波红外吸收层8生长在AlAsSb电子势垒层7上，其厚度为2 μm。

本发明实施例中，所述第二n型InAsSb接触层（包括盖层）9生长在非掺杂InAsSb短波红外吸收层8上，其厚度为0.57 μm，Si掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述台阶经ICP干法刻蚀形成。金属下电极10、金属中电极11和金属上电极12采用溅射Ti/Pt/Au，其厚度分别为50 nm /50 nm /300 nm。

本发明实施例中，所述钝化层13采用SU-8光刻胶，厚度为630 nm。

实施例3

本发明实施例中，将除气后的N型GaSb (001)衬底转入生长室内进行升温去除氧化层，衬底温度超过370°C后，通入Sb保护束流，Sb保护束流大小在10^-6 Torr量级，进行实时监测，在衬底表面出现脱氧点时的温度600°C基础上加30°C即630°C，进行26分钟的脱氧。

本发明实施例中，所述p型掺杂GaSb缓冲层2生长于GaSb衬底1之上，厚度为1.1 μm。其中，GaSb缓冲层中Be掺杂浓度接近2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述p型InAs/InAsSb超晶格接触层3生长于p型掺杂GaSb缓冲层2上，其厚度为0.677 μm。该层由交替生长的19.2 ML InAs层和9.6 ML InAs_0.73Sb_0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2ML，InAs_0.73Sb_0.27厚度为9.6 ML，InAs层中Be掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层4生长在p型InAs/InAsSb超晶格接触层3上，其厚度为4.2 μm。该层由交替生长的19.2 ML InAs层和9.6 ML InAs_0.73Sb_0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2 ML，InAs_0.73Sb_0.27厚度为9.6 ML。

本发明实施例中，所述n型InAs/InAsSb超晶格接触层5生长在未掺杂的InAs/InAsSb超晶格中波吸收层4上，总厚度为0.677 μm。该层由交替生长的19.2 ML InAs层和9.6 ML InAs_0.73Sb_0.27层组成，其中每层InAs厚度为19.2 ML，InAs_0.73Sb_0.27厚度为9.6 ML，InAs层中Si掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述第一n型InAsSb接触层6生长在n型InAs/InAsSb超晶格接触层5上，其厚度为0.66 μm，Si掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述AlAsSb电子势垒层7生长在第一n型InAsSb接触层6上，其厚度为0.32 μm，掺杂元素为Be，弱掺，掺杂浓度为~1×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述非掺杂InAsSb短波红外吸收层8生长在AlAsSb电子势垒层7上，其厚度为2 μm。

本发明实施例中，所述第二n型InAsSb接触层（包括盖层）9生长在非掺杂InAsSb短波红外吸收层8上，其厚度为0.57 μm，Si掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

本发明实施例中，所述台阶经ICP干法刻蚀形成。金属下电极10、金属中电极11和金属上电极12采用溅射Ti/Pt/Au，其厚度分别为50 nm /50 nm /300 nm。

本发明实施例中，所述钝化层13采用SU-8光刻胶，厚度为650 nm。

本发明所有实施例中，通过以上所述步骤获得的探测器（包括具体的详细结构、数据），并对所述探测器进行探测，通过偏压调制，可分别得到短波和中波双色信号。

由于本征红外吸收层材料质量的提高，热辐射背景等非探测红外光源在本征吸收层所产生的暗电流产生减小。此外，通过AlAsSb势垒层，暗电流得到进一步抑制。同时，由于钝化层的存在，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，不同信号间的串扰也得到了明显抑制。

综上所述，本发明提供的基于InAsSb材料的双色红外光电探测器中，AlAsSb势垒层的引入可有效地降低探测器的产生-复合暗电流以及隧穿暗电流，此外，该势垒层对于各信号间的串扰也起到明显的抑制作用。本发明完成了一种低暗电流、高探测率和长少子寿命的新型短波（1~3 μm）和中波（3~5 μm）的基于InAsSb材料的双色红外光电探测器的制作。