一种PBn型InAsSb红外探测器材料的制作方法

一种pbn型inassb红外探测器材料
技术领域
[0001]
本发明涉及一种pbn型inassb红外探测器材料，属于光电子材料与器件技术领域。


背景技术：

[0002]
红外探测器是红外探测和热成像系统的重要组成部分。目前，红外探测器根据工作温度，分为在低温下工作、高温下工作和室温工作。碲镉汞、锑化铟、量子阱以及二类超晶格等高性能中波、长波红外光子探测器需要在低温下工作来抑制热激发载流子的影响，降低器件的热噪声，低温制冷系统的引入会导致红外系统功耗、体积和重量的增加。热敏型红外探测器可以不用制冷，但器件灵敏度低、响应速度慢，无法满足高性能探测需求。
[0003]
高工作温度红外探测器主要包括三类：铟砷锑(inassb)、碲镉汞(hgcdte)和二类超晶格高工作温度红外探测器。碲镉汞探测器极限探测率高，但器件稳定性差、价格昂贵；二类超晶格探测器响应波长易调节，但载流子迁移率各向异性，材料生长难于控制，器件钝化工艺技术难度大。铟砷锑探测器俄歇复合电流和隧穿电流小，材料性能稳定。
[0004]
铟砷锑高工作温度红外探测器有pn结、异质结、非平衡结构和势垒型，其中pbn型inassb红外探测器是指吸收层采用非故意掺杂inassb材料、接触层采用p型半导体材料、势垒层采用p型宽带隙半导体材料的势垒型探测器。目前inassb红外探测器结构主要是pn结和nbn势垒型，pn结耗尽区的存在导致器件产生-复合电流过大，nbn势垒型内部自建电场过小导致器件量子效率低和工作电压高。


技术实现要素：

[0005]
为了解决pn结耗尽区的存在导致器件产生-复合电流过大，nbn势垒型内部自建电场过小导致器件量子效率低和工作电压高的缺陷，本发明的目的在于提供一种pbn型inassb红外探测器材料。
[0006]
为实现本发明的目的，提供以下技术方案。
[0007]
一种pbn型inassb红外探测器材料，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。
[0008]
所述顶电极接触层的材料为掺杂铍(be)的p型锑化镓(gasb)单晶；be的掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
～1
×
10
18
cm-3
；所述顶电极接触层的厚度为100nm～300nm。
[0009]
所述势垒层的材料为掺杂铍(be)的p型alas
0.08
sb
0.92
单晶，be的掺杂浓度为5
×
10
15
cm-3
～1
×
10
16
cm-3
，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。
[0010]
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。
[0011]
所述底电极接触层材料为n型inas
0.91
sb
0.09
单晶且掺杂硅(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。
[0012]
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。
[0013]
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
。
[0014]
一种本发明所述的pbn型inassb红外探测器材料的制备方法，所述方法步骤如下：
[0015]
(1)在衬底上生长缓冲层；
[0016]
(2)在缓冲层上生长底电极接触层；
[0017]
(3)在底电极接触层上生长吸收层；
[0018]
(4)在吸收层上生长势垒层；
[0019]
(5)在势垒层上生长顶电极接触层，制备得到一种pbn型inassb红外探测器材料。
[0020]
有益效果
[0021]
1.本发明提供了一种pbn型inassb红外探测器材料，所述材料利用异质结材料能带差主要落在导带的特点，用alas
0.08
sb
0.92
层构成的导带势垒来阻止多数载流子的导电，吸收层中的少数载流子通过扩散穿越势垒，形成电流响应信号；势垒层的禁带宽度较大，其产生-复合电流基本可以忽略，因而不存在耗尽区的产生-复合电流和带间隧穿电流。
[0022]
2.本发明提供了一种pbn型inassb红外探测器材料，所述材料采用alas
0.08
sb
0.92
作为势垒层，抑制暗电流产生的同时，由于alas
0.08
sb
0.92
是宽禁带材料，其禁带宽度大于晶格匹配的inas
0.91
sb
0.09
，所以对于所探测的中波红外几乎不吸收，有助于提高红外探测器的量子效率。
[0023]
3.本发明提供了一种pbn型inassb红外探测器材料，所述材料的顶电极接触层能够与金属电极形成良好的欧姆接触以及良好的载流子传输作用，顶电极接触层能形成良好的欧姆接触和收集光生载流子(空穴)。
[0024]
4.本发明提供了一种pbn型inassb红外探测器材料，所述材料的势垒层能有效抑制因工作温度升高而导致的产生-复合电流、扩散电流和隧穿电流增大，并具有“自钝化”功能，适用于高工作温度条件下对中波段红外的探测。
附图说明
[0025]
图1为本发明的pbn型inassb红外探测器材料的结构示意图。
[0026]
图2为实施例1中制得的pbn型inassb红外探测器的结构示意图。
[0027]
图3为实施例1中制得的pbn型inassb红外探测器在不同工作温度下的j-v测试结果。
[0028]
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
[0029]
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。
[0030]
实施例1
[0031]
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。
[0032]
所述顶电极接触层1的材料为掺杂铍(be)的p型锑化镓(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。
[0033]
所述势垒层2的材料为掺杂be的p型alas
0.08
sb
0.92
单晶，be的掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
，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材料晶格匹配；所述势垒层2的厚度为120nm。
[0034]
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。
[0035]
所述底电极接触层4材料为掺杂si的n型inas
0.91
sb
0.09
单晶；si的掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
；所述底电极接触层4的厚度为500nm。
[0036]
所述缓冲层5材料为非故意掺杂gasb单晶；所述缓冲层5的厚度为86nm。
[0037]
所述衬底6材料为掺杂te的n型gasb单晶，te的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
；所述衬底6的厚度为500μm。
[0038]
本实施例所述pbn型inassb红外探测器材料的制备方法如下：
[0039]
(1)在gasb(晶向100)衬底6上生长gasb缓冲层5；
[0040]
(2)在gasb缓冲层5上生长n型inas
0.91
sb
0.09
材料作为底电极接触层4；
[0041]
(3)在底电极接触层4上生长非故意掺杂inas
0.91
sb
0.09
吸收层3；
[0042]
(4)在inas
0.91
sb
0.09
吸收层3上生长p型alas
0.08
sb
0.92
材料，作为势垒层2；
[0043]
(5)在势垒层2上生长生长p型gasb材料，作为顶电极接触层1，制备得到pbn型inassb探测器材料。
[0044]
实施例2
[0045]
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。
[0046]
所述顶电极接触层1的材料为掺杂be的p型gasb单晶；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。
[0047]
所述势垒层2的材料为掺杂be的p型alas
0.08
sb
0.92
单晶，be的掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
，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材料晶格匹配；所述势垒层2的厚度为150nm。
[0048]
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3000nm。
[0049]
所述底电极接触层4材料为掺杂si的n型inas
0.91
sb
0.09
单晶；si的掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
；所述底电极接触层4的厚度为500nm。
[0050]
所述缓冲层5材料为与吸收层3材料晶格匹配的n型gasb单晶；所述缓冲层5的厚度为86nm。
[0051]
所述衬底6材料为掺杂te的n型gasb单晶，te的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
；所述衬底6的厚度为500μm。
[0052]
本实施例所述pbn型inassb红外探测器材料的制备方法如下：
[0053]
(1)在gasb(晶向100)衬底6上生长gasb缓冲层5；
[0054]
(2)在缓冲层5上生长n型inas
0.91
sb
0.09
材料作为底电极接触层4；
[0055]
(3)在底电极接触层4上生长非故意掺杂inas
0.91
sb
0.09
吸收层3；
[0056]
(4)在inas
0.91
sb
0.09
吸收层3上生长p型alas
0.08
sb
0.92
材料，作为势垒层2；
[0057]
(5)在势垒层2上生长p型gasb材料，作为顶电极接触层1，制备得到pbn型inassb探
测器材料。
[0058]
实施例3
[0059]
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，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，所述红外探测器的制备方法如下：
[0060]
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(如实施例1可获得3.2μm的台面高度)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，形成钝化层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、底电极接触层4的对应位置设有金属电极7。
[0061]
对红外探测器a和红外探测器b，分别采用keysight的b1500a半导体分析仪进行i-v测试，结果如表1和图3所示，图3是红外探测器a在暗背景下器件在不同工作温度下的j-v曲线，温度间隔为10k～20k。77k温度下，-400mv偏置电压，暗电流密度为2.42
×
10-6
a/cm2；150k温度下，-400mv偏置电压，暗电流密度为1.02
×
10-5
a/cm2；200k温度下，-400mv偏置电压，暗电流密度为5.2
×
10-4
a/cm2。
[0062]
表1实施例制作的红外探测器性能检测结果。
[0063]
红外探测器暗电流密度/(a/cm2)测试温度/ka1.02
×
10-5
150b2.93
×
10-5
150
[0064]
由表1和图3的结果可知，所述红外探测器暗电流小，探测器的背景限温度提高，降低了红外探测器组件对制冷的要求，以此减小整体的体积、重量、功耗以及成本，可以提升系统可靠性，延长系统寿命。