具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器及其制备方法与流程

本发明涉及一种半导体光电器件，尤其涉及一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器及其制备方法。

背景技术：

随着科学技术的进步，各个领域对光电探测器的需求越来越大，如战略预警、夜视等恶劣环境下的目标识别、制导、辅助医疗、气象监测、环境监测和地球资源探测等。目前应用最广泛的HgCdTe等探测器仍有着成本高、均匀性差等缺点，使得新一代光电探测器的研发迫在眉睫。II类超晶格探测器由于其材料的特性，光吸收系数可与HgCdTe相比拟；其0.61nm的材料体系可带来充足的设计自由度，带隙可以通过调节每个周期的InAs或GaSb厚度使得探测波长从1μm到30μm；且II类超晶格结构具有较大的有效质量，能有效抑制隧穿电流，其带隙结构可有效抑制俄歇复合；同时II类超晶格探测器在GaSb或GaAs衬底上进行外延生长，是基于III-V族半导体材料生长技术的，因此成本低；可利用MBE进行材料生长，方便所设计的结构实现，掺杂容易控制，没有合金涨落、簇状缺陷等缺陷，且焦平面探测器均匀性好。

综上，II类超晶格探测器已成为第三代探测器中的重要候选。为了获得更好的探测效果和更高的探测率，红外探测器最重要的性能指标之一是器件的量子效率，其与器件的探测率成正比。因此要获得更高的探测率就需要提高器件的量子效率。对于II类超晶格探测器，为了获得更高的量子效率，研究者们做了很多努力，包括增加器件厚度、优化器件掺杂浓度、在吸收层引入能增加材料电子空穴波函数交叠的势垒结构等。另外，通过将一些增强吸收的结构纳入到探测器结构中也可进一步增强器件的量子效率。

但目前现有的II类超晶格器件难以达到较高的量子效率，较窄的带宽，使得探测精度较低。

技术实现要素：

基于以上问题，本发明的目的在于提出一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器及其制备方法，用于解决以上技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，本发明提出了一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在衬底上形成一吸收增强层，吸收增强层为能够促进吸收增强的周期排列结构；

步骤2、在吸收增强层的上表面形成一吸收层，吸收层为II类超晶格结构；

步骤3、完成具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备。

进一步地，上述吸收层包括一p型II类超晶格层和一n型II类超晶格层，依次采用分子束外延生长形成；p型II类超晶格层的厚度为0.1～3μm、掺杂浓度范围为1×10¹⁵cm^-3～1×10¹⁶cm^-3；n型II类超晶格层的厚度为0.1～3μm、掺杂浓度范围为5×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3。

进一步地，上述吸收层的II类超晶格结构为InAs/GaSb II类超晶格、M结构II类超晶格、N结构II类超晶格或W结构II类超晶格；优选地，上述吸收层为N结构InAs/AlSb/GaSb II类超晶格材料，其中每一个周期是由8ML的InAs、2ML的AlSb和9ML的GaSb组成。

进一步地，上述吸收增强层为由AlAsSb/GaSb或InAlAsSb/GaSb交替生长形成的周期排列结构。

进一步地，上述吸收增强层为采用分子束外延方法交替生长形成的厚度为39～772nm的AlAs_0.09Sb_0.91层和厚度为34～670nm的GaSb层；所述吸收增强层中材料的周期数为4～30。

进一步地，在形成一吸收增强层的步骤之前还包括在衬底上形成一缓冲层的步骤，缓冲层位于衬底和吸收增强层之间，用于缓解衬底和吸收增强层之间的应力。

进一步地，上述光电探测器的峰值量子效率所对应的波长与吸收增强层的材料组成、单个周期材料的厚度的关系为：

其中，d为单个周期材料的厚度，n为材料的折射率，λ为峰值量子效率对应的波长，峰值量子效率所对应的波长与待探测气体相匹配。

进一步地，上述光电探测器的峰值量子效率随吸收层和吸收增强层的厚度的增加呈上升趋势。

为了实现上述目的，作为本发明的另一方面，本发明提出一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器，采用上述的具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备方法制备得到。

基于上述技术方案可知，本发明提出的具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器及其制备方法具有以下有益效果：

1、本发明提出的光电探测器采用II类超晶格材料作为吸收层材料，能够显著增加电子空穴波函数交叠，有效降低器件的暗电流，并能够提高材料的有效质量，从而提高了光电探测器的量子效率；

2、本发明提出的光电探测器具有一吸收增强层，从而使得入射光能够在吸收区实现多重反射，从而增强器件吸收层对入射光的吸收，进而提高器件的量子效率，提高了器件的性能；

3、本发明提出的光电探测器的制备方法，可以通过改变吸收层和吸收增强层中的材料种类和单周期材料的厚度，使得探测器的波长可在较大范围内变化，进而可实现不同气体的检测。

附图说明

图1是本发明一实施例提出的光电探测器的结构示意图；

图2是本发明一实施例提出的光电探测器在77K时，采用不同对数AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层时反射率与波长关系；

图3是本发明一实施例提出的在77K时，本发明光电探测器的峰值量子效率与吸收层和吸收增强层总厚度的关系曲线，及无增强吸收层的光电探测器的峰值量子效率与吸收层厚度的关系曲线对比图；

图4是本发明一实施例提出的在77K时，本发明光电探测器的量子效率与波长的关系曲线，及无增强吸收层的光电探测器的量子效率与波长关系曲线的对比图。

具体实施方式

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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明一方面公开了一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在衬底上形成一吸收增强层，吸收增强层为能够促进吸收增强的周期排列结构；

步骤2、在吸收增强层的上表面形成一吸收层，吸收层为II类超晶格结构；

步骤3、完成具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备。

上述吸收层包括一p型II类超晶格层和一n型II类超晶格层，依次采用分子束外延生长形成；该p型II类超晶格层和n型II类超晶格层可以采用InAs/GaSb II类超晶格材料、M结构II类超晶格材料、N结构II类超晶格材料或W结构II类超晶格材料制备；通过采用II类超晶格材料作为吸收层材料，能够显著增加电子空穴波函数交叠，有效降低器件的暗电流，并能够提高材料的有效质量，从而提高了光电探测器的量子效率。

优选地，p型II类超晶格层的厚度为0.1～3μm、掺杂浓度范围为1×10¹⁵cm^-3～1×10¹⁶cm^-3；n型II类超晶格层的厚度为0.1～3μm、掺杂浓度范围为5×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3。

上述吸收增强层为由AlAsSb/GaSb或InAlAsSb/GaSb交替生长形成的周期排列结构，从而使得入射光能够在吸收区实现多重反射，从而增强器件吸收层对入射光的吸收，进而提高器件的量子效率，提高了器件的性能。

优选地，上述吸收增强层为采用分子束外延方法交替生长形成的厚度为39～772nm的AlAs_0.09Sb_0.91层和厚度为34～670nm的GaSb层；所述吸收增强层中材料的周期数为4～30。

在形成吸收增强层前还包括在衬底上形成一缓冲层，该缓冲层位于衬底和吸收增强层之间，用于缓解衬底和吸收增强层之间的应力。

上述光电探测器的峰值量子效率所对应的波长与吸收增强层的材料组成、单个周期每种材料的厚度的关系为：

其中，d为吸收增强层单个周期中任一材料的厚度，n为材料的折射率，λ为峰值量子效率对应的波长，峰值量子效率所对应的波长与待探测气体相匹配。因此可以通过改变吸收增强层中的材料种类和单周期材料的厚度，使得探测器峰值量子效率对应的波长可在较大范围内变化，进而可实现不同气体的检测。

另外，上述光电探测器的峰值量子效率随吸收层和吸收增强层的厚度的增加呈上升趋势。

因此对于某种固定的气体探测，由于峰值量子效率对应的波长是已知的，需要选择合适的吸收增强层和吸收层的材料组成，其中，吸收增强层的材料选择时，需综合考虑两种材料的折射率差和与衬底的晶格匹配，同时还应避免两种材料对目标波长的吸收。吸收层的材料组成则要考虑量子效率的大小。

本发明另一方面公开了一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器，采用上述的具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备方法制备得到。

从上述方案中可知，为了提高探测器性能，本发明将II类超晶格材料作为吸收层材料，其能够显著增加电子空穴波函数交叠，因此II类超晶格探测器能够展现良好的性能。

为了进一步增强器件性能，本发明将吸收增强层纳入到器件结构中来。与II类超晶格改善材料本身的能带结构不同，吸收增强层是通过在传统器件结构外增加额外的吸收增强层来提高量子效率。在传统光电探测器中，入射光通过吸收层一次，而本发明的光电探测器结构中吸收增强层的纳入使得入射光在吸收区往返多次，增强了器件吸收层对入射光的吸收，进而增加了器件的量子效率，提高了器件的性能。

此处以用于甲烷气体检测的光电探测器为例，吸收增强层通过采用分子束外延将254nm的AlAs_0.09Sb_0.91和221nm的GaSb交替生长形成的；吸收层为N结构InAs/AlSb/GaSb II类超晶格材料，其中每一个周期是由8ML(monolayer)的InAs、2ML的AlSb和9ML的GaSb组成，p型N结构II类超晶格层的厚度为2.88μm、掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3；n型II类超晶格层的厚度为0.3μm、掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3。

以下通过具体实施例对本发明提出的具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器及其制备方法进行详细说明。

实施例

如图1所示，本实施例提出一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在半导体衬底7上分子束外延生长形成一GaSb缓冲层6和一AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层5；

步骤2、在AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层5的上表面分子束外延生长形成一吸收层，该吸收层包括一p型II类超晶格层4和一n型II类超晶格层3，该吸收的材料组分为N结构InAs/AlSb/GaSb II类超晶格材料，其中每一个周期是由8ML的InAs，2ML的AlSb和9ML的GaSb组成；

步骤3、在吸收层中n型II类超晶格层3的上表面外延生长形成一InAs帽层，完成具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备。

本实施例中以用于检测甲烷气体的光电探测器为例，根据Hitran数据库，甲烷气体在3.3μm处的吸收是最强的，因此利用探测器位于3.3μm的探测峰，可以将该探测器应用于甲烷气体探测。通过在II类超晶格探测器中引入AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层提高了器件的峰值量子效率。

本实施例还采用传输矩阵法分析了不同对数AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层的反射率与波长和周期数的关系。依赖于II类超晶格以及AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层的应用，使得最终器件的峰值量子效率得到提高，以满足甲烷气体探测的需求。

根据以上具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备方法，本实施例还提出了一具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器结构，如图1所示，器件在半导体衬底7上生长；衬底7上为500nm GaSb缓冲层6；缓冲层6上是若干对交替生长的AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层5，每个周期中AlAs_0.09Sb_0.91厚度为254nm，GaSb厚度为221nm；吸收层为N结构InAs/AlSb/GaSb II类超晶格材料，包括一p型II类超晶格层4和一n型II类超晶格层3。结构顶部有一层20nm的n型高载流子浓度(n＝5.0×10¹⁷cm^-3)InAs帽层2来确保好的欧姆接触。其中，入射光波1自InAs帽层2的上方入射至光电探测器。

通过改变AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb中AlAs_0.09Sb_0.91和GaSb的厚度，可以选择需要增强的特定波长，本实施例中为了符合甲烷气体3.3μm最强的吸收峰，确定AlAs_0.09Sb_0.91厚度为254nm，GaSb厚度为221nm；为了增大量子效率，选择吸收层厚度为3.18μm，其中p型II类超晶格层4的厚度为2.88μm，n型II类超晶格层3的厚度为0.3μm，N结构II类超晶格的每一个周期是由8ML的InAs，2ML的AlSb和9ML的GaSb组成；并选择吸收增强层5中材料的周期数为12。

如图2所示，是本实施例提出的光电探测器在77K时，采用具有不同周期对数的AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层时反射率与波长关系。从中明显可见随着AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层5中周期对数的增加，其峰值反射率增加，其中12周期的AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层5可以提供高达88％的反射率。通过对AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb反射率的分析可以发现，随着周期数增加，反射率逐渐增加。但为了利于材料生长，本实施例选择了具有12周期的AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层5来增加器件的光吸收，这时可以取得良好的增强效果。

如图3所示，是在77K时，本实施例提出的光电探测器的峰值量子效率与吸收层和吸收增强层总厚度的关系曲线，及无增强吸收层的光电探测器的峰值量子效率与吸收层厚度的关系曲线对比图，此图为利用Hovel模型计算的结果。其中黑线所示为无AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层时器件峰值量子效率随N结构II类超晶格吸收层厚度的变化；黑色点为在3.18μm II类超晶格吸收层上增加5-14对AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层后峰值量子效率随吸收层和增强吸收层厚度变化的关系，其中p型II类超晶格吸收层厚度为2.88μm，n型II类超晶格吸收层厚度为0.3μm。从图3中可以看出，对于无AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层的探测器，随着吸收层厚度的增加，峰值量子效率一直增加，但增加越来越缓慢，器件吸收层厚度为8.88μm时，无AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层的探测器峰值量子效率为0.61。而对于带有AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层的探测器，在吸收层厚度不变时，随着吸收增强层厚度的增加，峰值量子效率同样逐渐增加，对于5周期结构AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层及以上的器件，可在同样厚度下获得比无AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层的探测器更高的量子效率；对于12周期结构AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层的探测器，峰值量子效率为0.80。另外从图3还可知，随着吸收增强层中对数的增加，对于相同厚度的器件，带有AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层器件与无AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层器件的峰值量子效率之差越来越大，即增加吸收增强层厚度比单纯增加探测器吸收层厚度更有效，可见使用吸收增强层对于峰值量子效率的提升有着更显著的效果。

如图4所示，实施例提出的在77K时，本实施例提出的光电探测器的量子效率与波长的关系曲线，及无增强吸收层的光电探测器的量子效率与波长关系曲线的对比图。其中点划线和虚线分别为无吸收增强层时吸收层厚度为3.18μm和8.88μm时的量子效率与波长的关系，黑线为吸收层为3.18μm，且有12周期结构AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层时的量子效率与波长的关系。则图4中3.3μm处黑线所对应的最高点对应图3中从左数第八个点，也就是带有12周期结构AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增强层的器件在3.3μm处的峰值量子效率。可见对于无增强吸收层器件，器件量子效率随着波长先增加，至0.45(d＝3.18μm)或0.61(d＝8.88μm)后下降，如图4中虚线和点划线所示。而对于带有AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层的探测器，量子效率也是先增加，在3.3μm处达到峰值0.8后下降，如图4中黑线所示。从图4中可明显看出，在目标波长3.3μm附近，AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层的引入，使得量子效率从0.45增加至0.80。即使考虑到AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层的厚度为5.7μm，带有增强吸收层的器件在目标波长3.3μm处的量子效率也仍比不带有增强吸收层、吸收层厚度为8.88μm的器件的量子效率高。同时从图4中可看出，在目标波长3.3μm附近，带有AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层的探测器的量子效率体现了良好的窄带宽特性，这同样有利于甲烷气体的探测。

综上所述，本实施例通过引入II类超晶格吸收层及AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增强吸收层，大大增加了3.3μm目标波长处的量子效率即得到了1.8倍的增强，且具有窄带宽特性，因此本实施例提出的探测器适用于甲烷气体的检测，同时该探测器的温度稳定性好，有利于甲烷气体的检测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。