一种红外探测器材料的势垒层及其制备方法与流程

[0001]
本发明涉及一种红外探测器材料的势垒层及其制备方法，具体地说，涉及一种pbn型和nbn型inassb红外探测器材料的势垒层及其制备方法，属于光电子材料与器件技术领域。


背景技术：

[0002]
势垒型器件在窄带隙吸收层和顶电极接触层之间引入宽禁带半导体材料，消除了耗尽层，减小耗尽层相关的产生-复合电流、隧穿电流等，大大降低器件暗电流。pbn和nbn势垒型红外探测器材料的势垒层普遍采用单层宽禁带半导体材料如alsb、alassb、inalsb等。理想的半导体势垒材料与窄带隙吸收层导带带阶足够大，价带带阶很小或为零，阻止多数载流子通过而不影响少数载流子通过。
[0003]
传统alassb和alsb材料作为势垒材料存在以下不足：
[0004]
(1)电导率小、导电性能差，为了能形成有效的势垒必须进行掺杂，掺杂工艺难于控制；
[0005]
(2)掺杂alassb与inassb界面处会存在耗尽区，使得电场延伸至吸收层，导致吸收区的暗电流增大；
[0006]
(3)高sb组分alassb与gasb晶格匹配，禁带宽度1.7ev～2.3ev。作为电子阻挡势垒，与inas
0.91
sb
0.09
形成的异质结价带差，价带难于调平。


技术实现要素：

[0007]
为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种红外探测器材料的势垒层及其制备方法，所述势垒层能消除inassb与势垒能带结构中的价带偏移和晶格失配，改善红外探测器光生载流子的传输特性，改善器件的电学性能。
[0008]
为实现本发明的目的，提供以下技术方案。
[0009]
一种红外探测器材料的势垒层，所述红外探测器材料的结构从上向下依次为顶电极接触层、势垒层、吸收层、底电极接触层、缓冲层以及衬底。
[0010]
所述顶电极接触层的材料为掺杂铍(be)的p型锑化镓(gasb)材料或掺杂硅(si)的n型inas
0.91
sb
0.09
材料；be的掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
～1
×
10
18
cm-3
，si的掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
；所述顶电极接触层的厚度为100nm～300nm。
[0011]
所述势垒层的材料为掺杂be的p型复合层，be的掺杂浓度为5
×
10
15
cm-3
～1
×
10
16
cm-3
，所述复合层由alas
0.08
sb
0.92
层和alsb层交替生长构成，其中，alas
0.08
sb
0.92
层和alsb层的厚度分别独立为1nm～10nm，alas
0.08
sb
0.92
层与吸收层接触；所述势垒层材料的禁带宽度大于吸收层的禁带宽度，且晶格与吸收层材料晶格匹配；所述势垒层的厚度为100nm～200nm。
[0012]
所述吸收层的材料为非故意掺杂inas
0.91
sb
0.09
材料；所述吸收层的厚度为2000nm～3000nm。
[0013]
所述底电极接触层材料为n型inas
0.91
sb
0.09
单晶且掺杂si，si的掺杂浓度为10
17
cm-3
～10
18
cm-3
；所述底电极接触层的厚度为200nm～500nm。
[0014]
所述缓冲层材料为非故意掺杂gasb材料；所述缓冲层的厚度为50nm～200nm。
[0015]
所述衬底材料为掺杂碲(te)的n型gasb材料，te的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
～5
×
10
17
cm-3
。
[0016]
一种本发明所述的红外探测器材料的势垒层的制备方法，具体步骤如下：
[0017]
在吸收层上先生长alas
0.08
sb
0.92
层，然后生长alsb层，之后所述两层交替生长形成的复合层即为本发明所述红外探测器材料的势垒层。
[0018]
一种本发明所述的红外探测器材料的制备方法，具体步骤如下：
[0019]
(1)在衬底上生长缓冲层；
[0020]
(2)在缓冲层上生长底电极接触层；
[0021]
(3)在底电极接触层上生长吸收层；
[0022]
(4)在吸收层上先生长alas
0.08
sb
0.92
层，然后生长alsb层，之后所述两层交替生长形成的复合层作为势垒层；
[0023]
(5)在势垒层上生长顶电极接触层，制备得到一种本发明所述的红外探测器材料。
[0024]
有益效果
[0025]
本发明提供了一种红外探测器材料的势垒层及其制备方法，所述势垒层能消除inassb与势垒能带结构中的价带偏移和晶格失配，改善红外探测器光生载流子的传输特性，改善器件的电学性能。
附图说明
[0026]
图1为本发明所述的一种红外探测器材料的势垒层的结构示意图。
[0027]
图2为实施例中反向偏置下一种红外探测器材料的势垒层能带示意图。
[0028]
图3为实施例3中红外探测器a的i-v测试结果。
[0029]
图4为实施例3中红外探测器b的i-v测试结果。
[0030]
图5为实施例3中红外探测器a的能带图。
[0031]
其中，1—顶电极接触层，2—势垒层，3—吸收层，4—底电极接触层，5—缓冲层，6—衬底，7—电极，8—钝化层。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。
[0033]
实施例1
[0034]
一种pbn型inassb红外探测器材料，如图1所示，所述红外探测器材料的结构从上向下依次为顶电极接触层1、势垒层2、吸收层3、底电极接触层4、缓冲层5以及衬底6。
[0035]
所述顶电极接触层1的材料为掺杂铍(be)的p型锑化镓(gasb)材料；be的掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
；所述顶电极接触层1的厚度为300nm。
[0036]
所述势垒层2的材料为掺杂be的p型复合层，be的掺杂浓度为5
×
10
15
cm-3
，所述复合层由10nm厚的alas
0.08
sb
0.92
层和5nm厚的alsb层交替生长构成，其中，alas
0.08
sb
0.92
层与吸收层3接触；所述势垒层2材料的禁带宽度大于吸收层3的禁带宽度，且晶格与吸收层3的
材料晶格匹配；所述势垒层2的厚度为120nm。
[0037]
所述吸收层3的材料为非故意掺杂inas
0.91
sb
0.09
材料；所述吸收层3的厚度为2500nm。
[0038]
所述底电极接触层4的材料为n型inas
0.91
sb
0.09
单晶且掺杂si，si的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
；所述底电极接触层4的厚度为500nm。
[0039]
所述缓冲层5的材料为非故意掺杂gasb材料；所述缓冲层5的厚度为86nm。
[0040]
所述衬底6的材料为掺杂碲(te)的n型gasb材料，te的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
。
[0041]
本实施例所述一种pbn型inassb红外探测器材料的制备方法如下：
[0042]
(1)在衬底6上生长缓冲层5；
[0043]
(2)在缓冲层5上生长底电极接触层4；
[0044]
(3)在底电极接触层4上生长吸收层3；
[0045]
(4)在吸收层3上先生长alas
0.08
sb
0.92
层，然后生长alsb层，之后所述两层交替生长形成的复合层作为势垒层2，势垒层2的厚度为120nm；
[0046]
(5)在势垒层2上生长顶电极接触层1，制备得到一种pbn型inassb红外探测器材料。
[0047]
实施例2
[0048]
一种pbn型inassb红外探测器材料，如图1所示，所述红外探测器材料的结构从上向下依次为顶电极接触层1、势垒层2、吸收层3、底电极接触层4、缓冲层5以及衬底6。
[0049]
所述顶电极接触层1的材料为掺杂be的p型的gasb单晶；be的掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
；所述顶电极接触层1的厚度为300nm。
[0050]
所述势垒层2的材料为掺杂be的p型复合层，be的掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
，所述复合层由10nm厚的alas
0.08
sb
0.92
层和5nm厚的alsb层交替生长构成，其中，alas
0.08
sb
0.92
层与吸收层3接触；所述势垒层2的材料的禁带宽度大于吸收层3的禁带宽度，且晶格与吸收层3的材料晶格匹配；所述势垒层2的厚度为195nm。
[0051]
所述吸收层3的材料为非故意掺杂inas
0.91
sb
0.09
材料；所述吸收层3的厚度为2500nm。
[0052]
所述底电极接触层4的材料为掺杂si的n型inas
0.91
sb
0.09
材料；si的掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
；所述底部接触层的厚度为500nm。
[0053]
所述缓冲层5的材料为与非故意掺杂gasb材料；所述缓冲层5的厚度为86nm。
[0054]
所述衬底6的材料为掺杂te的n型gasb材料，te的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
；所述衬底6的厚度为500μm。
[0055]
本实施例所述一种pbn型inassb红外探测器材料的制备方法如下：
[0056]
(1)在衬底6上生长缓冲层5；
[0057]
(2)在缓冲层5上生长底电极接触层4；
[0058]
(3)在底电极接触层4上生长吸收层3；
[0059]
(4)在吸收层3上先生长alas
0.08
sb
0.92
层，然后生长alsb层，之后所述两层交替生长形成的复合层作为势垒层2，势垒层2的厚度为195nm；
[0060]
(5)在势垒层2上生长顶电极接触层1，制备得到一种pbn型inassb红外探测器材料。
[0061]
实施例3
[0062]
以实施例1制得的pbn型inassb红外探测器材料制备红外探测器a，采用crosslight仿真分析软件对探测器a进行模拟分析，得到器件a的能带图如图5所示，其中实线为采用alassb/alsb复合势垒得到的器件结构在-0.4v偏压下的能带示意图，虚线为采用alassb势垒层得到的器件结构在-0.4v偏压下的能带示意图，器件导带带阶进一步提高，器件的价带不连续性进一步降低，有利于降低器件的暗电流，改善器件的光生载流子传输特性，提高器件的光电性能。以实施例2的制得的pbn型inassb红外探测器材料制备红外探测器b。所述红外探测器a和b的制备方法如下：
[0063]
通过干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法，首先台面刻蚀到底电极接触层4，制备得到样品；再采用电感耦合增强化学气相沉积(icpcvd)系统在120℃温度下依次沉积100nm厚的sio2和300nm厚的si3n4复合膜对样品进行钝化处理，形成8，其中，制备sio2采用sih4、o2和ar，气体流量分别为6.0sccm、7.5sccm和156sccm，制备si3n4采用sih4、nh3和ar，气体流量分别为6.0sccm、8sccm和278sccm，对样品表面进行物理保护和电绝缘；采用反应离子刻蚀系统(rie)刻蚀金属电极窗口，然后通过电子束蒸发蒸镀厚度为50nm的cr和厚度为250nm的au，经过剥离、超声清洗后完成电极7的制备，形成欧姆接触，制备得到红外探测器，结构如图2所示，包括由下到上依次设置的衬底6、缓冲层5、底电极接触层4，吸收层3、势垒层2、顶电极接触层1，刻蚀得到的台阶的表面是sio2和si3n4复合膜钝化层8，钝化层8上位于顶电极接触层1和底电极接触层4的对应位置设有金属电极7。
[0064]
对红外探测器a和b，采用keysight的b1500a半导体分析仪进行i-v测试，结果如图3和图4所示。由图3可以看出，150k温度下，-400mv偏置电压，探测器a的暗电流密度为1.07
×
10-5
a/cm2；200k温度下，-400mv偏置电压，暗电流密度为6.6
×
10-4
a/cm2。由图4可看出150k温度下，-400mv偏置电压，探测器b的暗电流密度为2.93
×
10-5
a/cm2；200k温度下，暗电流密度为1.86
×
10-3
a/cm2。采用本发明所述的alas
0.08
sb
0.92
和alsb复合层作为势垒层2制作的红外探测器暗电流小，对提高器件工作温度具有重要作用。