反转型太赫兹光电探测器及其制备方法

1.本公开属于半导体太赫兹光探测技术领域，尤其涉及一种反转型太赫兹光电探测器及其制备方法。


背景技术：

2.太赫兹波是指频率为0.1-10thz范围内的电磁波，对应的波长范围约为30um到3mm，位于毫米波(亚毫米波)与红外波之间。太赫兹光子对应能量范围为0.414～41.4mev，该光子能量范围区间与有机分子材料的低频振动和转动能量以及半导体中的受主、施主及激子束缚能范围相匹配。这些特性使得太赫兹波在信息通信、大气遥感、天文、医学、安检等领域具有广阔的应用前景。然而，现有的探测器对太赫兹波的吸收效率普遍不高，很大程度限制了太赫兹波的应用。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.针对现有技术问题，本公开提出一种反转型太赫兹光电探测器及其制备方法，用于至少部分解决上述技术问题。
5.(二)技术方案
6.作为本公开的一个方面，提供一种反转型太赫兹光电探测器，包括：衬底；依次叠设于衬底上的缓冲层、第一势垒层、反转型超晶格吸收层、第二势垒层、盖层；其中，反转型超晶格吸收层包括周期性交叉叠设的inas层和gasb层，每一周期内inas层和gasb层的厚度满足inas层的电子能级低于gasb层的空穴能级，且inas层的电子能级和gasb层的空穴能级之间交叠而发生耦合，在能级交叠处产生一个杂化带隙。
7.优选的，在每一周期叠设的inas层和gasb层中插入insb层；其中，gasb层的晶格常数介于inas层的晶格常数和insb层的晶格常数之间。
8.优选的，在每一周期内，inas层与insb层交叉叠设，gasb层仅叠设一次，gasb层与inas层接触；其中，交叉叠设的inas层与insb层的整体晶格常数与单层gasb层的晶格常数匹配。
9.优选的，第一势垒层、第二势垒层的材料包括非有意掺杂的algasb材料。
10.优选的，还包括：第一金属电极，形成于盖层上；第二金属电极，形成于缓冲层上未设有第一势垒层的区域；其中，缓冲层用于第二金属电极的欧姆接触层；其中，第一金属电极和第二金属电极成环形。
11.优选的，第一金属电极和第二金属电极均包括叠设的ti层和au层；其中，第一金属电极的ti层与盖层的表面接触，第二金属电极的ti层与缓冲层的表面接触。
12.优选的，缓冲层的材料包括p型掺杂的gasb材料。
13.优选的，反转型超晶格吸收层厚度为0.5-2um。
14.优选的，inas层和gasb层交叉叠设的周期为33-140。
15.本公开的另一方面提供一种反转型太赫兹光电探测器的制备方法：包括：在衬底表面依次形成缓冲层、第一势垒层、反转型超晶格吸收层、第二势垒层、盖层，得到外延结构；其中，反转型超晶格吸收层包括周期性交叉叠设的inas层和gasb层，每一周期内inas层和gasb层的厚度满足inas层的电子能级低于gasb层的空穴能级；且inas层的电子能级和gasb层的空穴能级之间交叠而发生耦合，在能级交叠处产生一个杂化带隙，根据外延结构得到反转型太赫兹光电探测器。
16.(三)有益效果
17.(1)在太赫兹光电探测器中布置反转型inas/gasb超晶格吸收层，反转型inas/gasb超晶格吸收层对太赫兹波段的电磁波吸收效率高，提高探测器对太赫兹波的探测性能。
18.(2)通过在反转型inas/gasb超晶格吸收层两侧插入algasb势垒层，有利于降低器件的暗电流，提高器件性能。
附图说明
19.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种反转型太赫兹光电探测器的剖面结构示意图；
20.图2示意性示出了本公开实施例提供的一种反转型太赫兹光电探测器的反转型inas/gasb能级示意图；
21.图3示意性示出了本公开实施例提供的一种反转型太赫兹光电探测器的反转型inas/gasb结构k空间的能级示意图；
22.图4示意性示出了本公开提供的一种反转型太赫兹光电探测器的制备方法的流程图；
23.图5示意性示出了本公开提供的一种反转型太赫兹光电探测器的光电流谱测试结果示意图。
24.【附图标记】
25.1-衬底，2-缓冲层，3-第一势垒层，4-反转型超晶格吸收层，5-第二势垒层，6-盖层，7-第一金属电极，8-第二金属电极。
具体实施方式
26.为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
27.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
28.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可
以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
29.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
30.贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
31.类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
32.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
33.针对现有技术的不足，本公开一方面提供了一种反转型太赫兹光电探测器，探测器中布置反转型超晶格吸收层，提高探测器对太赫兹波的吸收效率，进而提高探测器对太赫兹波的探测性能。
34.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种反转型太赫兹光电探测器的剖面结构示意图。
35.如图1所示，该反转型太赫兹光电探测器包括：衬底1；依次叠设于衬底1上的缓冲层2、第一势垒层3、反转型超晶格吸收层4、第二势垒层5、盖层6。
36.在本公开实施例中，衬底1材料包括gasb材料，衬底1可以采用(001)方向的非有意掺杂型gasb衬底，衬底1为外延结构的承载体。
37.在本公开实施例中，缓冲层2外延于衬底1表面，缓冲层2可以为p型掺杂缓冲层，缓冲层2的材料可以包括采用be进行p型掺杂的gasb，其中be的掺杂浓度1～2
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，缓冲层2厚度为0.5-1um；缓冲层2一方面可以平滑衬底1表面，阻挡衬底1缺陷向上生长，起到缓冲的作用，提高外延的晶体质量；另一方面还可以作为欧姆层与电极接触。
38.在本公开实施例中，第一势垒层3外延于缓冲层2表面，第一势垒层3可以为非有意掺杂势垒层，第一势垒层3的材料可以包括algasb材料，algasb中的al、ga组分例如可以为0.6∶0.4，第一势垒层3的厚度可以为3-4nm。在器件中加入势垒层，可以降低器件的暗电流，提高器件的使用性能。
39.在本公开实施例中，反转型超晶格吸收层4外延于第一势垒层3表面，反转型超晶
格吸收层4包括周期性交叉叠设的inas层和gasb层，其中，每一周期内inas层和gasb层的厚度满足inas层的电子能级低于gasb层的空穴能级；且inas层的电子能级和gasb层的空穴能级之间交叠而发生耦合，在能级交叠处产生一个杂化带隙；反转型inas/gasb超晶格可以用来探测太赫兹波，对太赫兹波的吸收效率高。为了达到更好的吸收太赫兹波效果，反转型超晶格吸收层4厚度可以为0.5-2um；inas层和gasb层交叉叠设的周期可以为33-140。
40.实验中发现，在inas/gasb超晶格结构中，在每一周期内，随着inas层与gasb层的厚度的增加，inas层电子能级下移，gasb层空穴能级上移，当inas层与gasb层的厚度达到某一临界值时，inas层电子能级可能小于gasb层空穴能级，即在inas/gasb超晶格结构中存在反转型能级。由于反转型inas/gasb超晶格gasb层中的空穴状态位于inas层中的电子状态之上，inas层的电子和gasb的空穴之间交叠会发生耦合作用，会诱发光子能量为几个mev的带隙，称为杂化带隙，杂化带隙可以用δ表示，杂化带隙的光子能量位于太赫兹光子能量范围内；例如，诱发的杂化带隙光子能量为4mev，位于太赫兹光子能量范围0.414～41.4mev内，使得反转型inas/gasb超晶格可以用来探测太赫兹波。反转型inas/gasb超晶格比普通inas/gasb超晶格在太赫兹波段吸收更强。
41.图2示意性示出了本公开实施例提供的一种反转型太赫兹光电探测器的反转型inas/gasb能级示意图。
42.如图2所示，反转型inas/gasb超晶格中inas的电子基态为e0，gasb的空穴基态为hh0，反转型inas/gasb超晶格inas的电子能级低于gasb的空穴能级。
43.图3示意性示出了本公开实施例提供的一种反转型太赫兹光电探测器的反转型inas/gasb结构k空间的能级示意图。
44.如图3所示，纵坐标e代表能量，反转型inas/gasb量子阱结构在k空间杂化带隙为δ。
45.在本公开实施例中，由于inas的晶格常数比gasb小，为了调整inas与gasb晶格常数差，可以在inas中插入晶格常数比gasb大的insb的方法达到应力平衡，inas晶格常数为gasb晶格常数为insb晶格常数为在inas/gasb吸收层一个周期内，可以将插入的insb层与inas层交叉叠设，最后一层叠设gasb层。例如，反转型inas/gasb吸收层一个周期例如可以包括34ml inas/14ml gasb，为了调整inas与gasb晶格常数差，可以将34ml inas分成5层，再分别在每层inas层中插入insb界面层，例如，每层insb界面层的厚度可以为0.2ml，则在inas/gasb吸收层的一个周期内，inas/gasb吸收层中插入insb界面层的叠设次序可以为7mlinas/0.2mlinsb/7mlinas/0.2mlinsb/7mlinas/0.2mlinsb/7mlinas/0.2mlinsb/6mlinas/14ml gasb。其中，该周期内的第一层7mlinas与上一周期inas/gasb吸收层的14ml gasb叠设，该周期内的14ml gasb与下一周期inas/gasb吸收层的第一层7mlinas叠设。在inas/gasb吸收层的一个周期内，交叉叠设的inas层与insb层的整体晶格常数与单层gasb层的晶格常数匹配，以平衡inas层和gasb层的晶格常数差，使其达到应变平衡。
46.应当理解的是，本公开的技术人员可以根据实际情况调整一个周期内inas与gasb值，进而调整在每一周期内的inas/gasb吸收层中插入insb界面层的叠设次序。以平衡inas层和gasb层的晶格常数差，使其达到应变平衡。
47.在本公开实施例中，第二势垒层5外延于反转型超晶格吸收层4表面，第二势垒层5
材料、组分、厚度、效果等与第一势垒层3类似，此处不再赘述。
48.在本公开实施例中，盖层6外延于第二势垒层5表面，盖层6可以为n型掺杂盖层，盖层6的材料可以包括采用si进行n型掺杂的inas，其中si的掺杂浓度1～2
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，盖层6厚度为10-20nm；盖层6一方面可以用于防止与其接触的下方单元直接与空气接触发生氧化反应，另一方面，盖层6可以充当电极的接触层，有利于载流子的运输。
49.在本公开实施例中，反转型太赫兹光电探测器还包括第一金属电极7和第二金属电极8，第一金属电极7形成于盖层6上，第二金属电极8形成于缓冲层2上未设有第一势垒层3的区域；第一金属电极7和第二金属电极8均为环形；第一金属电极7和第二金属电极8为环形一方面有利于增加通光孔的进光量另一方面又能充分收集光生载流子。第一金属电极7和第二金属电极8包括叠设的ti层和au层，其中，ti层和au层的厚度可以分别为100nm和300nm。金属第一电极7形成于盖层6表面，其中ti层与盖层6表面接触；金属第二电极8形成于缓冲层2表面，其中ti层与缓冲层2表面接触；第一金属电极7和第二金属电极8采用ti层可与缓冲层2、盖层6形成良好的欧姆接触，采用au层一方面是为了良好的导电性，另一方面是为了在后续的工艺中比较容易打线，保持良好的粘附性和坚固性。
50.在本公开实施例中，反转型太赫兹光电探测器还包括钝化层，对其外表面进行钝化，以减少探测器表面漏电流，常用的钝化技术例如可以包括氧化硅钝化、su-8胶钝化等。
51.在本公开实施例中，反转型太赫兹光电探测器通过加零偏或小负偏压收集信号，对太赫兹波进行探测。
52.本公开另一方面提供了一种反转型太赫兹光电探测器的制备方法。
53.图4示意性示出了本公开提供的一种反转型太赫兹光电探测器的制备方法的流程图。
54.如图4所示，该方法例如可以包括步骤s101-s107。
55.在操作s101，在衬底1表面外延生长缓冲层2。
56.具体的，衬底1的材料选用(001)方向的非有意掺杂型gasb材料，在确定衬底1的材料后，制备缓冲层2之前，需要对衬底1进行预处理，预处理的过程例如可以包括：除气和脱氧，其中除气处理的温度可以为270℃，除气时间可以为180min；除气完成后进行脱氧处理，脱氧处理可以为使衬底1在sb2束流氛围的保护下再逐步升高到580℃进行衬底1氧化层脱氧处理，脱氧时间可以为20分钟。
57.除气和脱氧处理后的衬底1作为外延层的承载体，在处理完后的衬底1表面外延生长缓冲层2，缓冲层2的外延叠设厚度为0.5-1um，缓冲层2可以为p型掺杂缓冲层，缓冲层2的材料可以包括采用be进行p型掺杂的gasb，其中be的掺杂浓度1～2
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，缓冲层生长温度例如可以为500℃，生长速率可以为0.4ml/s；sb/ga束流比可以为8。
58.在操作s102，在缓冲层2表面外延生长第一势垒层3。
59.缓冲层2生长完成后，将温度降低到380℃，在缓冲层2表面外延生长第一势垒层3，第一势垒层3例如可以采用非有意掺杂势垒层，第一势垒层3的材料可以包括algasb材料，algasb中的al、ga组分例如可以为0.6∶0.4，第一势垒层3的生长厚度可以为3-4nm。在生长第一势垒层3过程中，al的生长速率可以为0.6ml/s，ga的生长速率可以为0.4ml/s。
60.在操作s103，在第一势垒层3表面外延生长反转型超晶格吸收层4。
61.在第一势垒层3生长完成后，保持温度为380℃，在第一势垒层3表面外延生长反转
型超晶格吸收层4，反转型吸收层4可以包括周期性外延叠设的inas层和gasb层，其中，每一周期内inas层和gasb层需满足使得inas层的电子能级低于gasb的空穴能级；且inas层的电子能级和gasb层的空穴能级之间交叠而发生耦合，在能级交叠处产生一个杂化带隙。在生长反转型超晶格吸收层4过程中，inas的生长速率可以为0.3ml/s；gasb生长速率可以为0.4ml/s，sb/ga束流比可以为7，as/in束流比可以为10。
62.为了调整反转型吸收层4中inas层和gasb层的晶格常数差，平衡inas层和gasb层的应力，可以在inas层和gasb层中插入insb层，更进一步的，可以将inas分成多层，在多层inas之间分别插入insb层，即在inas层和gasb层中插入insb层的次序可以为inas/insb
…
/inas/gasb。
63.在操作s104，在反转型超晶格吸收层4表面外延生长第二势垒层5。
64.在反转型超晶格吸收层4生长完成后，保持温度为380℃，在反转型超晶格吸收层4表面外延生长第二势垒层5，生长第二势垒层5的材料及条件与生长第一势垒层3类似，在此不再赘述。
65.在操作s105，在第二势垒层5表面外延生长盖层6。
66.第二势垒层5生长完成后，在第二势垒层5表面外延生长盖层6，盖层6可以为n型掺杂盖层，盖层6的材料可以包括采用si进行n型掺杂的inas，其中si的掺杂浓度1～2
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，盖层6厚度为10-20nm。盖成6生长完成后，即完成反转型太赫兹光电探测器的外延生长，得到反转型太赫兹光电探测器外延结构。
67.在操作s106，对外延结构进行预处理。
68.在得到反转型太赫兹光电探测器外延结构后，对外延结构进行预处理；其中，预处理过程可以依次包括：外延结构清洗、外延结构光刻、外延结构腐蚀、外延结构二次光刻。
69.外延结构清洗的过程例如可以包括：先后将外延片放入丙酮和乙醇中水浴加热三遍，每次水浴的时间例如可以为5分钟，水浴过程中保持溶液轻微沸腾即可。
70.外延结构光刻的过程例如可以包括：将清洗过后的外延结构进行甩胶、前烘、曝光、显影、后烘坚膜等处理，完成光刻。
71.外延结构腐蚀的过程例如可以包括：采用湿法腐蚀的方法对光刻后的外延结构进行腐蚀，以形成台阶面结构，腐蚀溶液的配比例如可以为：一水合柠檬酸∶磷酸∶30％过氧化氢∶去离子水＝4g∶1ml∶2ml∶40ml。腐蚀的深度可以根据实际需要设置，台阶面需要腐蚀至缓冲层2，腐蚀处理后的外延结构成圆柱形。
72.外延结构二次光刻的过程例如可以包括：分别在盖层6和腐蚀后的缓冲层2的台阶面的表面进行二次光刻，得到预设的第一金属电极7和第二金属电极8的位置范围；得到待处理反转型太赫兹光电探测器。
73.在操作s107，对待处理反转型太赫兹光电探测器进行再处理。
74.在得到待处理反转型光电探测器后，对待处理反转型光电探测器进行再处理；其中，再处理过程例如可以依次包括：蒸发电极、金属剥离、压焊处理。
75.蒸发电极的过程例如可以包括：在步骤s106中预设的第一金属电极7和第二金属电极8位置采用电子束蒸发ti层和au层，第一金属电极7和第二金属电极8均为环形；其中，ti层和au层蒸发的厚度可以分别为100nm和300nm，蒸发电极的次序为：先在盖层6和腐蚀后的缓冲层2的台阶面上蒸发ti层，再在ti层蒸发au层。
76.金属剥离的过程例如可以包括：将蒸发电极后得到的待处理探测器放入丙酮溶液中浸泡，然后用注射器装满丙酮溶液对外延片表面进行冲洗，直到将蒸镀在光刻胶上的钛金都剥离下来。
77.压焊处理的过程例如可以包括：将金属剥离后待处理探测器将完成工艺制作的探测器采用压焊将上下电极用金线、导线引出来；
78.对压焊处理后的得到最终的反转型太赫兹光电探测器；对生成的反转型太赫兹光电探测器进行测试。
79.应当理解，上述工艺中各参数的数值只是示例性的，并不用于限制本公开。
80.图5示意性示出了本公开提供的一种反转型太赫兹光电探测器的光电流谱测试结果示意图。
81.如图5所示，采用基于傅里叶红外光谱仪的光电流谱测试系统对单管进行了测试，探测器在零偏下，70k温度测出光电流谱，光响应波长100％截止为35微米在太赫兹波段。
82.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。