一种高温工作的红外探测器材料及其制备方法与流程

本发明涉及红外探测器领域，特别是涉及一种高温工作的红外探测器材料及其制备方法。

背景技术：

红外探测器按工作条件分为制冷型和非制冷型，非制冷型红外探测器可以在常温下工作，但其性能较差。制冷型红外探测器需要系统提供复杂的制冷机和杜瓦结构保证其处于低温工作(80k左右)状态，进而保证高性能，但为了保持低温，增加了系统的体积、功耗，并且降低可靠性。在保证红外探测器性能的前提下，提高制冷型红外探测器的工作温度，可以降低制冷系统的负担，缩小系统体积，减少成本，并增加系统的可靠性。因此，高性能并高温工作的红外探测器成为新一代红外探测器发展的重要方向。

制备新一代红外探测器的材料主要有：碲镉汞、量子阱和ii类超晶格。碲镉汞材料是目前占主导地位的红外探测器材料，但其本身也存在成本高、稳定性和均匀性差等缺点，量子阱红外探测器则存在量子效率低、暗电流大的缺陷。ii类超晶格材料由于其独特的材料体系和能带结构，采用ii类超晶格材料制造的红外探测器具有以下优势：(1)可以实现较大波长范围的红外线探测；(2)不受入射光方向的限制，探测效率高；(3)探测器的隧穿电流小；(4)可以设计能带结构抑制暗电流，提高探测器性能，探测器理论性能高于碲镉汞材料；(5)基于iii-v族材料生长方式，能够生长大面积均匀性好的ii类超晶格材料，容易制备大面阵探测器；(6)ii类超晶格材料稳定性好，对生产工艺要求较低，易于大规模生产。ii类超晶格材料的红外探测器虽具有上述优点，但其在高温工作中仍有缺陷：随着红外探测器工作温度的提高，少数载流子浓度呈指数形式增长，导致俄歇复合增加，并且少子寿命大幅降低，从而严重影响红外探测器的性能。

技术实现要素：

本发明提供一种高温工作的红外探测器材料及其制备方法，用以解决现有技术的如下问题：随着红外线探测器的工作温度升高，少数载流子浓度呈指数形式增长，导致俄歇复合增加，并且少子寿命大幅降低，从而严重影响红外探测器的性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高温工作的红外探测器材料的制备方法，包括：按预定方式处理锑化镓衬底，得到处理后的锑化镓衬底；在所述处理后的锑化镓衬底上生长锑化镓缓冲层；在所述锑化镓缓冲层上生长铟砷锑刻蚀阻挡层；在所述铟砷锑刻蚀阻挡层上生长p型电极接触层；在所述p型电极接触层上生长中波吸收层；按第一预定周期在所述中波吸收层上生长势垒层，其中，所述第一预定周期数中的一个周期包括：生长砷化铟层，在生长所述砷化铟层的过程中，以n型掺杂方式，采用硅掺杂源进行掺杂，在所述砷化铟层上生长锑化铟界面，在所述锑化铟界面上生长锑化镓层，在所述锑化镓层上生长锑化铝层，在所述锑化铝层上生长锑化镓层，在所述锑化镓层上生长顶层界面；在所述势垒层上生长n型电极接触层。

可选的，在所述锑化镓层上生长顶层界面包括：在所述锑化镓层上生长砷化镓界面。

可选的，在所述p型电极接触层上生长所述中波吸收层，包括：按第二预定周期数生长所述中波吸收层，其中，所述第二预定周期数中的一个周期包括：生长砷化铟层，在生长所述砷化铟层的过程中，以p型掺杂方式，采用铍掺杂源，按掺杂浓度1×10¹⁶-1×10¹⁷cm^-3的范围进行掺杂，在所述砷化铟层上生长锑化铟界面，在所述锑化铟界面上生长锑化镓层，在所述锑化镓层上生长锑化铟界面。

可选的，在所述铟砷锑刻蚀阻挡层上生长所述p型电极接触层，包括：按第三预定周期数生长所述p型电极接触层，其中，所述第三预定周期数中的一个周期包括：生长砷化铟层，在所述砷化铟层上生长锑化铟界面，在所述锑化铟界面上生长锑化镓层，在生长所述锑化镓层的过程中以p型掺杂方式，采用铍掺杂源，按掺杂浓度1×10¹⁸-5×10¹⁸cm^-3的范围进行掺杂，在所述锑化镓层上生长锑化铟界面。

可选的，在所述势垒层上生长所述n型电极接触层，包括：按第四预定周期数生长所述n型电极接触层，其中，所述第四预定周期数中的一个周期包括：生长砷化铟层，在生长所述砷化铟层的过程中，以n型掺杂方式，采用硅掺杂源，按掺杂浓度1×10¹⁸-5×10¹⁸cm^-3的范围进行掺杂，在所述砷化铟层上生长锑化铟界面，在所述锑化铟界面上生长锑化镓层，在所述锑化镓层上生长锑化铟界面。

此外，本发明还提供一种高温工作的红外探测器材料，采用上述高温工作的红外探测器材料的制备方法制造得到，包括：所述高温工作的红外探测器材料由下至上依次包括：锑化铟衬底、锑化镓缓冲层、铟砷锑刻蚀阻挡层、p型电极接触层、中波吸收层、势垒层以及n型电极接触层；其中，所述势垒层由下至上包括：砷化铟层、锑化铟界面、锑化镓层、锑化铝层、锑化镓层以及顶层界面；所述砷化铟层的n型掺杂的掺杂源为硅掺杂源。

可选的，所述顶层界面为砷化镓界面。

可选的，所述中波吸收层由下至上包括：砷化铟层、锑化铟界面、锑化镓层以及锑化铟界面，其中，所述砷化铟层的p型掺杂浓度范围为1×10¹⁶-1×10¹⁷cm^-3，掺杂源为铍掺杂源。

可选的，所述p型电极接触层由下至上包括：砷化铟层、锑化铟界面、锑化镓层以及锑化铟界面，其中，所述砷化铟层的p型掺杂浓度范围为1×10¹⁸-5×10¹⁸cm^-3，掺杂源为铍掺杂源。

可选的，所述n型电极接触层由下至上包括：砷化铟层、锑化铟界面、锑化镓层以及锑化铟界面，其中，所述砷化铟层的n型掺杂浓度范围为1×10¹⁸-5×10¹⁸cm^-3，掺杂源为硅掺杂源。

本发明提供的高温工作的红外探测器材料及其制备方法，制备方法包括：按预定方式处理锑化镓衬底，在衬底上依次生长锑化镓缓冲层、铟砷锑刻蚀阻挡层、p型电极接触层、中波吸收层、势垒层、n型电极接触层。其中，按第一预定周期数生长势垒层，其中一个周期包括：生长砷化铟层，在生长砷化铟层的过程中，以n型掺杂方式掺杂硅，在砷化铟层上生长锑化铟界面，在锑化铟界面上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长锑化铝层，在锑化铝层上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长顶层界面。采用上述方法制备得到的红外探测器材料，可以有效抑制俄歇复合、扩散电流和隧穿电流，通过吸收区掺杂和提高导带降拉低价带增加势垒层的禁带宽度，使其适用于在高温情况下对中波段红外线的探测，解决了现有技术的如下问题：随着红外线探测器的工作温度升高，少数载流子浓度呈指数形式增长，导致俄歇复合增加，并且少子寿命大幅降低，从而严重影响红外探测器的性能。

附图说明

图1是本发明第一实施例中高温工作的红外探测器材料的制备方法的流程图；

图2是本发明第一实施例中势垒层的一个生长周期生成的结构示意图；

图3是本发明第二实施例中高温工作的红外探测器材料的制备方法的流程图；

图4是本发明第二实施例中中波吸收层的一个周期生成的结构示意图；

图5是本发明第三实施例中高温工作的红外探测器材料的结构示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术的如下问题：随着红外线探测器的工作温度升高，少数载流子浓度呈指数形式增长，导致俄歇复合增加，并且少子寿命大幅降低，从而严重影响红外探测器的性能。本发明第一实施例提供了一种高温工作的红外探测器材料的制备方法，该方法的流程图如图1所示，包括步骤s101至s107：

s101，按预定方式处理锑化镓衬底，得到处理后的锑化镓衬底。

在本实施例中，预定方式包括：将锑化镓衬底材料放入分子束外延系统进样室；锑化镓衬底材料经分子束外延系统的进样室、缓冲室进行除气处理之后送入分子束外延系统的生长室；在生长室中对衬底材料进行升温，升温至400℃时打开锑束流保护，继续升温至540摄氏度至580摄氏度区间，去除氧化物。

s102，在处理后的锑化镓衬底上生长锑化镓缓冲层。

锑化镓缓冲层可以有效减少衬底可能存在的缺陷对红外探测器材料整体质量的影响。

s103，在锑化镓缓冲层上生长铟砷锑刻蚀阻挡层。

刻蚀阻挡层与缓冲层的材料晶格匹配，并且在红外线探测器材料制成并进行刻蚀后，铟砷锑刻蚀阻挡层能够方便后续的电极生长工艺的进行。

s104，在铟砷锑刻蚀阻挡层上生长p型电极接触层。

在本实施例中，p型电极接触层的作用是在其上生长p型电极的引出端。

s105，在p型电极接触层上生长中波吸收层。

该层用于吸收波长位于特定范围的中波红外线。

s106，按第一预定周期数在中波吸收层上生长势垒层。

在本实施例中，一个周期包括：生长砷化铟层，在生长砷化铟层的过程中，以n型掺杂方式，采用硅掺杂源进行掺杂，在砷化铟层上生长锑化铟界面，在锑化铟界面上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长锑化铝层，在锑化铝层上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长顶层界面。势垒层的一个生长周期生成的结构示意图如图2所示，按照上述周期生长方式，生长若干个周期，形成势垒层，该层具有抑制扩散电流和隧穿电流的作用。

s107，在势垒层上生长n型电极接触层。

n型电极接触层的作用是在其上生长n型电极的引出端。

本实施例提供的高温工作的红外探测器材料的制备方法，包括：按预定方式处理锑化镓衬底，在处理后的衬底上依次生长锑化镓缓冲层、铟砷锑刻蚀阻挡层、p型电极接触层、中波吸收层、势垒层、n型电极接触层。其中，按第一预定周期数生长势垒层，一个周期包括：生长砷化铟层，在生长砷化铟层的过程中，以n型掺杂方式掺杂硅，在砷化铟层上生长锑化铟界面，在锑化铟界面上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长锑化铝层，在锑化铝层上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长顶层界面。该制造方法通过提高导带降低价带，增加势垒层的禁带宽度，使其适用于在高温情况下对中波段红外线的探测，解决了现有技术的如下问题：随着红外线探测器的工作温度升高，少数载流子浓度呈指数形式增长，导致俄歇复合增加，并且少子寿命大幅降低，从而严重影响红外探测器的性能。

具体地，在生长势垒层的一个周期中，为了使势垒层具有良好的应变性能，顶层界面采用砷化镓材料，即在锑化镓层上生长砷化镓界面。

在本实施例中，中波吸收层的生长方式具体是：按第二预定周期数生长中波吸收层，其中，第二预定周期数中的一个周期包括：生长砷化铟层，在生长砷化铟层的过程中，以p型掺杂方式，采用铍掺杂源，按掺杂浓度1×10¹⁶-1×10¹⁷cm^-3的范围进行掺杂，在砷化铟层上生长锑化铟界面，在锑化铟界面上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长锑化铟界面。上述掺杂采用铍掺杂源，从掺杂浓度看为重掺杂，其目的是使吸收层具有抑制俄歇复合和少数载流子寿命降低的作用。

在本实施例中，p型电极接触层的生长过程具体是：按第三预定周期数生长所述p型电极接触层，其中，第三预定周期数中的一个周期包括：生长砷化铟层，在砷化铟层上生长锑化铟界面，在锑化铟界面上生长锑化镓层，在生长锑化镓层的过程中以p型掺杂方式，采用铍掺杂源，按掺杂浓度1×10¹⁸-5×10¹⁸cm^-3的范围进行掺杂，在锑化镓层上生长锑化铟界面。

本实施例中，n型电极接触层的生长过程具体包括：按第四预定周期数生长所述n型电极接触层，其中，第四预定周期数中的一个周期包括：生长砷化铟层，在生长砷化铟层的过程中，以n型掺杂方式，采用硅掺杂源，按掺杂浓度1×10¹⁸-5×10¹⁸cm^-3的范围进行掺杂，在砷化铟层上生长锑化铟界面，在锑化铟界面上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长锑化铟界面。

本发明第二实施例提供了一种高温工作的红外探测器材料的制备方法，该方法的流程图如图3所示，包括步骤s301至s307：

s301，处理锑化镓衬底。

在本实施例中，锑化镓衬底处理的步骤包括：将锑化镓衬底材料放入分子束外延系统进样室；锑化镓衬底材料经分子束外延系统的进样室、缓冲室进行除气处理之后送入分子束外延系统的生长室；在生长室中对衬底材料进行升温，升温至400℃时打开锑束流保护，继续升温至540摄氏度，保持该温度5分钟，再升温至560摄氏度，保持该温度15分钟，以去除锑化镓衬底材料中不同类型的氧化物。

s302，在处理后的锑化镓衬底上生长锑化镓缓冲层。

在锑化镓衬底去除了氧化物之后，衬底表面较为粗糙，锑化镓缓冲层可以有效减少衬底可能存在的缺陷对红外探测器材料整体质量的影响。

s303，在锑化镓缓冲层上生长铟砷锑刻蚀阻挡层。

刻蚀阻挡层与缓冲层的材料晶格匹配，并且在红外线探测器材料制成并进行刻蚀后，铟砷锑刻蚀阻挡层能够方便后续的电极生长工艺的进行。

s304，在铟砷锑刻蚀阻挡层上生长p型电极接触层。

在本实施例中，p型电极接触层的作用是在其上生长p型电极的引出端，其生长过程具体是：按一个周期数生长p型电极接触层，其中的一个周期包括：生长砷化铟层，在砷化铟层上生长锑化铟界面，在锑化铟界面上生长锑化镓层，在生长锑化镓层的过程中以p型掺杂方式，采用铍掺杂源，按掺杂浓度1×10¹⁸-5×10¹⁸cm^-3的范围进行掺杂，在锑化镓层上生长锑化铟界面。

本实施例中，生成的p型电极接触层的厚度可以是0.5微米，也可以根据实际需要，生长其他厚度的p型电极接触层。在一个周期中，砷化铟层的厚度可以是7ml(1ml表示一个原子层厚度)，锑化镓层的厚度可以是11ml，上述各层也可以根据实际需要，生长成其他不同厚度，并确定不同的周期数。

s305，在p型电极接触层上生长中波吸收层。

该层用于吸收波长位于特定范围的中波红外线。

在本实施例中，中波吸收层的生长方式具体是：按一个确定的周期数生长中波吸收层，其中的一个周期包括：生长砷化铟层，在生长砷化铟层的过程中，以p型掺杂方式，采用铍掺杂源，按掺杂浓度1×10¹⁶-1×10¹⁷cm^-3的范围进行掺杂，在砷化铟层上生长锑化铟界面，在锑化铟界面上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长锑化铟界面。上述掺杂采用铍掺杂源，从掺杂浓度看为重掺杂，其目的是使吸收层具有有效抑制俄歇复合和少数载流子寿命降低的作用。在本实施例中，中波吸收层的厚度可以是2微米，也可以根据实际需要，生长其他不同厚度的中波吸收层，中波吸收层的一个周期生成的结构示意图如图4所示。

此外，在上述的一个周期中，砷化铟层的厚度可以是7ml，锑化镓层的厚度可以是11ml，上述各层也可以根据实际需要，生长成其他不同厚度，并确定不同的周期数。

s306，在中波吸收层上生长势垒层。

在本实施例中，要按照一个周期数生长势垒层，其中的一个周期包括：生长砷化铟层，在生长砷化铟层的过程中，以n型掺杂方式，采用硅掺杂源进行掺杂，在砷化铟层上生长锑化铟界面，在锑化铟界面上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长锑化铝层，在锑化铝层上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长顶层界面。生长势垒层的周期数可以根据实际需要确定。

在本实施例的一个周期中：砷化铟层的厚度可以是10ml，锑化镓层的厚度可以是1ml，锑化铝层的厚度可以是5ml，锑化铝层上的锑化镓层的厚度可以是1ml。

实际上，步骤s305中生长的中波吸收层通过重掺杂，具有在探测器高温工作时抑制俄歇复合以及少子寿命降低的作用，但高浓度的铍掺杂可能会增加探测器的扩散电流和隧穿电流，因此，本步骤生长的势垒层的作用是抑制扩散电流和隧穿电流。并且，在生长势垒层的一个周期中，本实施例通过适当设置砷化铟层的厚度(不大于15ml)来提高导带，适当设置两个锑化镓层的厚度(不大于5ml)来降低价带，从而提高势垒层的禁带宽度，并且通过对势垒层中的砷化铟层进行轻掺杂，从而调节势垒层的费米能级，使得红外探测器能在高温工作的条件下，有良好的性能。

此外，生长势垒层的一个周期中，顶层界面可以采用砷化镓界面，使得势垒层具有良好的应变性能，锑化铝层可以有效抑制扩散电流和隧穿电流。

s307，在势垒层上生长n型电极接触层。

在本实施例中，n型电极接触层的生长过程具体包括：按第四预定周期数生长所述n型电极接触层，n型电极接触层的厚度为0.5微米。其中，第四预定周期数中的一个周期包括：生长10ml的砷化铟层，在生长砷化铟层的过程中，以n型掺杂方式，采用硅掺杂源，按掺杂浓度1×10¹⁸-5×10¹⁸cm^-3的范围进行掺杂，在砷化铟层上生长锑化铟界面，在锑化铟界面上生长1ml的锑化镓层，在锑化镓层上生长锑化铟界面。

在上述一个周期中的各层，也可以根据实际情况生长不同厚度，n型电极接触层也可以根据实际需要生长其他不同厚度。

本实施例提供的高温工作的红外探测器材料的制备方法，包括：处理锑化镓衬底，在处理后的衬底上依次生长锑化镓缓冲层、铟砷锑刻蚀阻挡层、p型电极接触层、中波吸收层、势垒层、n型电极接触层。其中，按第一预定周期数生长势垒层，一个周期包括：生长砷化铟层，在生长砷化铟层的过程中，以n型掺杂方式掺杂硅，在砷化铟层上生长锑化铟界面，在锑化铟界面上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长锑化铝层，在锑化铝层上生长锑化镓层，在锑化镓层上生长顶层界面。该制造方法通过提高导带降低价带，增加势垒层的禁带宽度，通过对一个周期各层的设置，使其能够有效抑制扩散电流和隧穿电流，从而使该红外探测器实现在高温情况下对中波段红外线的探测，解决了现有技术的如下问题：随着红外线探测器的工作温度升高，少数载流子浓度呈指数形式增长，导致俄歇复合增加，并且少子寿命大幅降低，从而严重影响红外探测器的性能。

本发明第三实施例提供一种高温工作的红外探测器材料，通过上述制备方法制造得到，该材料的结构示意图如图5所示，由下至上依次包括：锑化铟衬底、锑化镓缓冲层、铟砷锑刻蚀阻挡层、p型电极接触层、中波吸收层、势垒层以及n型电极接触层；其中，势垒层由下至上包括：砷化铟层、砷化铟界面、锑化镓层、锑化铝层、锑化镓层以及顶层界面；砷化铟层的n型掺杂的掺杂源为硅掺杂源，该势垒层可以有效抑制扩散电流和。

在本实施例中，顶层界面可以是砷化镓界面，采用砷化镓界面，能够使势垒层具有良好的应变性能。

在本实施例中，中波吸收层由下至上包括：砷化铟层、锑化铟界面、锑化镓层以及锑化铟界面，其中，砷化铟层的p型掺杂浓度范围为1×10¹⁶-1×10¹⁷cm^-3，掺杂源为铍掺杂源。采用铍掺杂源进行高浓度掺杂，可以使中波吸收层有效抑制俄歇复合和少子寿命降低。

在本实施中，p型电极接触层由下至上包括：砷化铟层、锑化铟界面、锑化镓层以及锑化铟界面，其中，砷化铟层的p型掺杂浓度范围为1×10¹⁸-5×10¹⁸cm^-3，掺杂源为铍掺杂源。

在本实施例中，n型电极接触层由上至下包括：砷化铟层、锑化铟界面、锑化镓层以及锑化铟界面，其中，砷化铟层的n型掺杂浓度范围为1×10¹⁸-5×10¹⁸cm^-3，掺杂源为硅掺杂源。

本实施例提供的高温工作的红外探测器材料，可以有效抑制俄歇复合、扩散电流和遂穿电流，通过吸收层高浓度掺杂、提高导带降低价带来增加势垒层的禁带宽度，使其适用于在高温情况下对中波段红外线的探测，解决了现有技术的如下问题：随着红外线探测器的工作温度升高，少数载流子浓度呈指数形式增长，导致俄歇复合增加，并且少子寿命大幅降低，从而严重影响红外探测器的性能。

有益效果：本发明提供的高温工作的红外探测器材料及其制备方法，通过在吸收层进行高浓度铍掺杂，能够有效抑制俄歇复合，通过势垒层抑制扩散电流和隧穿电流，势垒层中采用砷化镓界面以及锑化铟界面结合，使势垒层具有良好的应变性能，通过对势垒层的轻掺杂调节其费米能级，采用本发明高温工作的红外探测器材料的制备方法制造出的红外探测器材料，可以实现在高温(150k)条件下具有良好的性能。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。