SACM结构InSb-APD中红外探测器及制备方法

sacm结构insb-apd中红外探测器及制备方法
技术领域
1.本发明属于开关电源系统电磁兼容技术领域，涉及一种sacm结构insb-apd中红外探测器，本发明还涉及上述红外探测器的制备方法。


背景技术：

2.随着对先进红外探测技术的需求不断增加，经过几十年的研究和高速发展，中波长红外(mwir,3-5μm)探测器的应用范围包括遥感、热追踪、气体监测和空间成像等重要领域。目前，mwir探测器中广泛使用的材料和结构主要包括碲镉汞(hgcdte，mct)，量子阱与量子点，锑化铟(insb)焦平面阵列探测器，以inas-gasb为代表的锑基ⅱ型超晶格焦平面阵列探测器。然而，为了降低暗电流，提高信噪比，这些系统需要较低的环境温度才能工作，因此必须配备制冷设备，这导致其体积大、复杂度高、成本高、适用性差。此外室温红外探测器的最新研究方向，如石墨烯、黑磷等二维材料或纳米线结构，由于材料本身和制造工艺的局限，目前尚处于研究阶段，还没有大规模的工业生产能力。
3.insb作为一种直接禁带iii-v半导体材料，具有量子效率高、响应速度快、稳定性高等优点。与目前主流的mct探测器相比，insb衬底成本较低，制备工艺较为成熟，是一种理想的mwir红外探测器材料。但作为窄禁带半导体材料，insb存在室温下复合速率高、暗电流较大等问题。
4.公开号为cn109817754a，公开日为2019.05.28的中国专利文献公开了一种制作insb红外探测器的材料结构及其制备方法，该探测器结构为衬底上采用分子束外延(mbe)的方法依次生长防漏电缓冲层、n型insb重掺杂层、insb本征吸收层、p型insb轻掺杂层、p型alinsb势垒层和p型insb重掺杂层。该探测器存在的问题在于：(1)其结构实质为insb同质结构，因此在有源区外，俄歇复合并没有被抑制，同时重掺杂n区和p区的高浓度杂质会引起严重的肖特基-里德-霍尔复合。常温下器件暗电流增大，性能受到影响。(2)所采用的分子束外延制造方法相比与磁控溅射法相比成本较高，不利于大规模工业生产。
5.公开号为cn106601870a，公开日为2017.04.26的中国专利文献公开了一种insb基高温工作红外探测器材料及其制备方法，该探测器方案通过分子束外延在insb衬底上依次生长了insb缓冲层、n型下接触层、非故意掺杂吸收层，in
1-x
al
x
sb势垒层以及n型上接触层。其所设计的nbn结构存在的缺点除了上述同质结构的缺点外，在高电场和材料自身窄带隙的作用下产生的较高暗电流，可通过低工作环境温度抑制复合机制。而在高电场条件下，窄带隙材料也容易发生带间隧穿现象，且这种现象无法通过冷却来抑制。故在高温工作时无法控制隧穿电流对于器件性能的影响。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种sacm结构insb-apd中红外探测器，该探测器利用禁带较宽的半导体材料作为上下接触层，形成双异质结结构，抑制扩散电流。
7.本发明的目的是还提供一种sacm结构insb-apd中红外探测器的制备方法。
8.本发明所采用的第一种技术方案是，sacm结构insb-apd中红外探测器，包括从下至上的n型inp衬底、n型inp缓冲层、非有意掺杂的insb倍增层、p型insb电荷层、p型insb吸收层、p型gasb接触层；p型gasb接触层的上方设有上电极层，n型inp缓冲层的上方设有下电极层；
9.还包括覆盖在探测器侧表面的钝化层。
10.本发明第一种技术方案的特点还在于：
11.p型insb吸收层的掺杂浓度从1
×
10
17
cm-3
渐变至1
×
10
14
cm-3
。
12.上电极层为叉指电极；所述下电极层为栅条状电极。
13.n型inp衬底的材质选用n型inp单晶片，对n型inp衬底的处理过程为：经裁剪后，在丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗、烘干。
14.本发明采用的第二种技术方案为，sacm结构insb-apd中红外探测器的制备方法，具体包括如下步骤：
15.步骤1，n型inp缓冲层的制备：
16.室温条件下，使用inp靶材，施主掺杂剂，在n型inp衬底上采用磁控溅射的方法，室温条件下在沉积一层n型inp缓冲层；
17.步骤2，本征insb倍增层的制备：
18.室温条件下，使用insb靶材，采用磁控溅射法，在步骤1得到的n型inp缓冲层上沉积一层非有意掺杂的insb倍增层；
19.步骤3，p型insb电荷层的制备：
20.室温条件下，使用insb靶材，受主掺杂剂，采用磁控溅射法，在步骤2制备得到的insb倍增层表面上，沉积p型insb电荷层；
21.步骤4，p型insb吸收层的制备：
22.室温条件下，使用insb靶材，受主掺杂剂，采用磁控溅射法，在步骤3制备得到的p型insb电荷层上，沉积一层p型insb吸收层；
23.步骤5，p型gasb接触层的制备：
24.室温条件下，使用gasb靶材，受主掺杂剂，采用磁控溅射法，在步骤4制备得到的p型insb吸收层上，沉积一层p型gasb接触层；
25.步骤6，钝化层的制备：
26.室温条件下，使用sio2靶材，采用磁控溅射法，在步骤5制备得到p型gasb接触层表面上，采用掩膜工艺保留顶部红外入射窗口，其余表面沉积一层钝化层；
27.步骤7，上电极层的制备：
28.首先，在步骤制备得到的p型gasb接触层表面上采用lift-off剥离工艺制备出电极图形；然后，在室温条件下，采用磁控溅射或热蒸发镀膜的方法，在制备出的电极图形上沉积一层上电极层。
29.步骤8，下电极层的制备：
30.首先，在步骤6制备得到的钝化层表面上采用lift-off剥离工艺制备出电极图形；然后，在室温条件下，采用磁控溅射或热蒸发镀膜的方法，在制备出的电极图形上沉积一层下电极层。
31.本发明的有益效果是，本发明针对现有技术存在的缺陷，将同质pin结构的insb探
测器改进为双异质结结构，抑制扩散电流；同时将吸收层改进为吸收、电荷、倍增层分离的sacm雪崩二极管结构，通过电荷层调控器件内部电场实现高增益。
附图说明
32.图1是本发明sacm结构insb-apd中红外探测器的结构示意图；
33.图2(a)、(b)是本发明sacm结构insb-apd中红外探测器的能带结构图，图2(a)为中红外探测器在热平衡条件下的能带结构图，图2(b)为中红外探测器在反偏压条件下的能带结构图；
34.图3是本发明异质sacm结构insb-apd中红外探测器的上电极层电极结构图；
35.图4是本发明sacm结构insb-apd中红外探测器的i-v特性及倍增因子图；
36.图5是本发明sacm结构insb-apd中红外探测器的中波长红外光响应及外量子效率图。
37.图中，1.n型inp衬底，2.n型inp缓冲层，3.下电极层，4.非有意掺杂insb倍增层，5.钝化层，6.p型insb电荷层，7.p型insb吸收层，8.p型gasb接触层，9.上电极层。
具体实施方式
38.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
39.本发明的吸收、倍增、电荷层分离(sacm)结构锑化铟雪崩二极管(insb-apd)中红外探测器，如图1所示，包括从下至上的n型inp衬底1、n型inp缓冲层2、非有意掺杂的insb倍增层4、p型insb电荷层6、p型insb吸收层7、p型gasb接触层8，以及覆盖探测器侧表面的钝化层5，及p型gasb接触层8之上的上电极层9与n型inp缓冲层2之上的下电极层3。
40.n型inp衬底1的掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
；
41.n型inp缓冲层2的掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
、厚0.5μm；
42.非有意掺杂的insb倍增层4为本征材料、厚3μm；
43.p型insb电荷层6厚度为0.1μm，掺杂浓度为5
×
10
16
cm-3
；
44.p型insb吸收层7掺杂浓度从1
×
10
17
cm-3
渐变至1
×
10
14
cm-3
、厚2μm；
45.p型gasb接触层8掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
、厚0.5μm。
46.p型半导体材料，其受主掺杂剂为be、mg或zn；n型半导体材料，其施主掺杂剂为se、te或sn。
47.p型gasb接触层8的作用为：作为空穴传输接触层；
48.p型insb吸收层7的作用为：吸收红外辐射并转化为电子空穴对；
49.p型insb电荷层6的作用为：为电荷层，调控器件内部电场；
50.非有意掺杂的insb倍增层4的作用为：接收电子并维持光生载流子雪崩过程；
51.n型inp缓冲层2的作用为：用来传输电子并隔绝衬底杂质。
52.上电极层9为叉指电极，结构如图3所示，上电极层9的材料为石墨烯、氧化铟锡ito或掺铝氧化锌azo，厚度均为150-200nm；
53.下电极层3为栅条状电极，下电极层3的材料是ti、au或pt，金属层厚度为200-250nm；钝化层5的材料为sio2或si3n4，厚度为300nm。
54.本发明sacm结构insb-apd中红外探测器的制备方法，具体步骤如下：
55.选择n型inp单晶片为衬底作为n型inp衬底1，经裁剪后，在丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗、烘箱100℃烘干等表面处理后的衬底上依次制备各层。器件的制备包括以下步骤：
56.步骤1，n型inp缓冲层2的制备；
57.室温条件下，使用inp靶材，施主掺杂剂。在n型inp衬底1上采用磁控溅射的方法，室温条件下在沉积一层厚度为0.5μm的n型inp缓冲层2；
58.步骤2，本征insb倍增层的制备；
59.室温条件下，使用insb靶材，采用磁控溅射法，在步骤1得到的n型inp缓冲层2的基础上沉积一层3μm厚的非有意掺杂的insb倍增层4；
60.步骤3，p型insb电荷层6的制备；
61.室温条件下，使用insb靶材，受主掺杂剂。采用磁控溅射法，在步骤2制备得到的insb倍增层表面上，沉积厚度为0.1μm的p型insb电荷层6；
62.步骤4，p型insb吸收层7的制备；
63.室温条件下，使用insb靶材，受主掺杂剂。采用磁控溅射法，在步骤3制备得到的p型insb电荷层6上，沉积一层厚度为2μm的p型insb吸收层7；
64.步骤5，p型gasb接触层8的制备；
65.室温条件下，使用gasb靶材，受主掺杂剂。采用磁控溅射法，在步骤4制备得到的p型insb吸收层7上，沉积一层厚度为0.5μm的p型gasb接触层8；
66.步骤6，钝化层5的制备；
67.室温条件下，使用sio2靶材。采用磁控溅射法，在步骤5制备得到p型gasb接触层8表面上，采用掩膜工艺保留顶部红外入射窗口，其余表面沉积一层厚度为300nm的钝化层5；
68.步骤7，上电极层9的制备；
69.首先，在步骤5制备得到的p型gasb接触层8表面上采用lift-off剥离工艺制备出电极图形；然后，在室温条件下，采用磁控溅射或热蒸发镀膜的方法，在制备出的电极图形上沉积一层厚度为150-200nm的上电极层9。
70.步骤8，下电极层3的制备；
71.首先，在步骤6制备得到的钝化层表面上采用lift-off剥离工艺制备出电极图形；然后，在室温条件下，采用磁控溅射或热蒸发镀膜的方法，在制备出的电极图形上沉积一层厚度为200-250nm的下电极层3。
72.sacm结构insb-apd中红外探测器，其结构为双异质结结构与sacm雪崩二极管结构的有益组合；
73.选择合适的电荷层参数，使得倍增层电场增大且均匀，增强雪崩倍增效应；同时吸收层内部场强不至于过低，光生载流子可以获得足够能量越过电荷层产生的势垒，减少渡越时间，降低暗电流。
74.本发明采用低温磁控溅射的方法将吸收、电荷及倍增倍增层分离的sacm结构雪崩二极管与双异质结结构组合，在降低暗电流的同时提高器件增益，达到提升性能的目的。
75.实施例
76.选择n型inp单晶片为衬底作为衬底，经裁剪后，在丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗、烘箱100℃烘干等表面处理后的衬底上依次制备各层。器件的制备包括以下步骤：
77.步骤1，n型inp缓冲层1的制备；
78.室温条件下，使用inp靶材，掺杂剂为te。在n型inp衬底1上采用磁控溅射的方法，室温条件下在沉积一层厚度为0.5μm的n型inp缓冲层2；
79.步骤2，本征insb倍增层的制备；
80.室温条件下，使用insb靶材，采用磁控溅射法，在步骤1得到的n型inp缓冲层2的基础上沉积一层3μm厚的非有意掺杂的insb倍增层4；
81.步骤3，p型insb电荷层6的制备；
82.室温条件下，使用insb靶材，掺杂剂为be。采用磁控溅射法，在步骤2制备得到的insb倍增层表面上，沉积厚度为0.1μm的p型insb电荷层6；
83.步骤4，p型insb吸收层7的制备；
84.室温条件下，使用insb靶材，掺杂剂为be。采用磁控溅射法，在步骤3制备得到的p型insb电荷层6上，沉积一层厚度为2μm的p型insb吸收层7；
85.步骤5，p型gasb接触层8的制备；
86.室温条件下，使用gasb靶材，掺杂剂为be。采用磁控溅射法，在步骤4制备得到的p型insb吸收层7上，沉积一层厚度为0.5μm的p型gasb接触层8；
87.步骤6，钝化层5的制备；
88.室温条件下，使用sio2靶材。采用磁控溅射法，在步骤5制备得到探测器件表面上，采用掩膜工艺保留顶部红外入射窗口，其余表面沉积一层厚度为300nm的钝化层5；
89.步骤7，上电极层9的制备；
90.首先，在步骤5制备得到的gasb接触层表面上采用lift-off剥离工艺制备出电极图形；然后，在室温条件下，采用磁控溅射或热蒸发镀膜的方法，在制备出的电极图形上沉积一层厚度为150-200nm的上电极层9。
91.步骤8，下电极层3的制备；
92.首先，在步骤6制备得到的钝化层5表面上采用lift-off剥离工艺制备出电极图形；然后，在室温条件下，采用磁控溅射或热蒸发镀膜的方法，在制备出的电极图形上沉积一层厚度为200-250nm的下电极层3。
93.本发明利用禁带较宽的半导体材料作为上下接触层，形成双异质结结构，抑制扩散电流；相较与pin结构的同质insb器件，宽禁带半导体中较小的俄歇复合系数也降低了暗电流；光吸收区域优化为吸收、电荷和倍增层分离的sacm结构。
94.器件结构的能带图如图2(a)所示，在热平衡状态时异质结界面处的能带趋于光滑，没有形成明显的势阱。同时电荷层引入的壁垒层不大，便于获得能量的载流子能够越过。而在图2(b)的负偏压下，外加电压都由倍增层分担，吸收层内能带结构在该偏压下几乎不变，没有发生明显的能带弯曲，降低了载流子的隧穿概率。
95.图3为上电极层所使用的叉指电极结构。
96.图4为i-v曲线及对应增益图，可见通过电荷层调控器件内部电场实现了高增益。探测器的穿通电压为12v、击穿电压为72v。当器件工作在线性模式下时，增益增长至20。
97.图5为本发明探测器的外量子效率及光响应度图，器件响应度最大值为3.06a/w，峰值处的外量子效率增达到67.6％。探测器的响应度峰值位于波长为5.6μm处。计算得到本发明得到的探测器归一化探测率为4.473
×
109cm
·
hz
1/2
w-1
。
98.本发明sacm结构insb-apd中红外探测器的特点为：
99.1.在热平衡状态时异质结界面处的能带趋于光滑，没有形成明显的势阱。同时电荷层引入的壁垒层不大，便于获得能量的载流子能够越过。在负偏压下，外加电压都由倍增层分担，吸收层内能带结构在该偏压下几乎不变，没有发生明显的能带弯曲，降低了载流子的隧穿概率。
100.2.通过调控电荷层，实现了降低吸收层中场强，将倍增层与吸收层分离，调节器件的穿通与击穿电压，使得器件内部增益增大。
101.3.结构和制备工艺简单，易于大规模批量生产。