本发明属于半导体红外探测器技术领域，具体涉及一种具有双波段吸收增强功能的II类超晶格红外探测器及其制备方法。
背景技术
红外探测器是感知和获取目标红外辐射信息的核心器件，具有空间辨识度高、适用于全天候工作及恶劣环境等特点，在国家重大需求和国民经济发展诸多领域具有重要的应用价值。而具有双波段吸收功能的红外探测成像系统能同时获得两个不同波段的目标信息，对复杂的背景噪声进行抑制，提高对目标的探测效果，在气象遥感、导弹预警、精确制导等红外探测系统中发挥着至关重要的作用。
II类超晶格材料是近年来国内外发展迅速的一种新型红外探测材料，具有禁带宽度可调、覆盖探测波长宽、理论探测率高，与III-V族半导体工艺兼容性强等特点，是下一代高性能红外焦平面探测器的优选材料。但现在常用的II类超晶格红外探测器多为单波段探测器件，并且为了获得较高的光响应强度，需要较厚的吸收层，从而导致器件的暗电流高，抑制背景噪声能力弱，应用场景受限。因此，需要优化红外探测器结构，设计超低暗电流的双波段II类超晶格红外探测器，以克服上述缺陷。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种具有双波段吸收增强功能的II类超晶格红外探测器；目的之二在于提供一种具有双波段吸收增强功能的II类超晶格红外探测器的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种具有双波段吸收增强功能的II类超晶格红外探测器，包括以下结构：
衬底层；缓冲层，外延于所述衬底层上；电极I、呈光栅阵列状的II类超晶格层，均设置在所述缓冲层上；电极II，设置在所述呈光栅阵列状的II类超晶格层上任一边缘处；金属膜层，设置在所述电极I、电极II上表面和所述II类超晶格层中光栅上表面及光栅之间。
优选的，所述II类超晶格层中光栅阵列周期P为2-5μm，占空比50-70％。
优选的，所述II类超晶格层由下往上依次由P掺杂层、本征中波吸收层、本征长波吸收层、N掺杂层和接触层层叠组成；所述P掺杂层厚度为500-800nm，材质为Be掺杂P型InAs/GaSb，掺杂浓度为1-2×1018/cm3；所述本征中波吸收层厚度为1-2μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为1:1；所述本征长波吸收层厚度为1-2μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为7:4；所述N掺杂层厚度为300-500nm，材质为Si掺杂InAs/GaSb，掺杂浓度为1-2×1018/cm3；所述接触层厚度为25-50nm，材质为Si掺杂InAs，掺杂浓度为1-2×1018/cm3。优选的，所述衬底层材质为GaSb，厚度为500-1000nm。
优选的，所述缓冲层材质为GaSb，厚度为800-1000nm。
优选的，所述电极I和电极II均由下往上依次由Ti层、Pt层和Au层层叠组成，所述Ti层、Pt层和Au层的厚度依次为50-100nm、50-100nm、和100-300nm。
优选的，所述金属膜层材质为Au、Ag、Al或Cu中的一种，厚度为100-300nm。
2、所述的一种具有双波段吸收增强功能的II类超晶格红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在衬底上外延生长缓冲层，然后在所述缓冲层上依次外延生长P掺杂层、本征中波吸收层、本征长波吸收层、N掺杂层和接触层；
(2)利用紫外光刻将单元台面掩膜图案转移到所述接触层上，随后通过湿法刻蚀至所述缓冲层，制得II类超晶格单元台面；
(3)依次通过电子束光刻和湿法刻蚀，将II类超晶格单元台面加工成光栅阵列；
(4)依次通过紫外光刻、磁控溅射在所述缓冲层上制备电极I，在呈光栅阵列状的II类超晶格层上任一边缘处制备电极II；
(5)通过电子束蒸镀在所述电极I、电极II上表面和所述光栅上表面及光栅之间沉积金属膜层。
优选的，步骤(2)中，所述湿法刻蚀具体为：于刻蚀液中，在30-35℃，15-20r/min条件下刻蚀3-5min，所述刻蚀液由质量分数为95-99％的柠檬酸水溶液、质量分数为85-95％的磷酸和质量分数为30-40％的双氧水按体积比4-6:1:1混合而成。
优选的，步骤(3)中，所述湿法刻蚀具体为：于刻蚀液中，在30-35℃，15-20r/min条件下刻蚀10-30min，所述刻蚀液由质量分数为95-99％的柠檬酸水溶液、质量分数为85-95％的磷酸和质量分数为30-40％的双氧水按体积比4-6:1:1混合而成。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种具有双波段吸收增强功能的II类超晶格红外探测器及其制备方法，将该红外探测器中II类超晶格层制成具有特定周期及占空比的光栅结构，并在其上蒸镀金属膜层，构建金属微结构，利用该结构异常的增透特性，使最终制备的红外探测器在5.5μm左右和10μm左右为中心波长的中波和长波波段实现了对入射光的选择性增强吸收，可以用于特定需求的红外成像探测器，提升了器件的性能。另外，红外探测器中构建该结构后，不仅可以减少本征吸收层的厚度，显著降低探测器的暗电流，提高了红外探测器的灵敏度，还可以避免因制备较厚本征吸收层导致的制作周期长、成本高的缺陷。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明中具有双波段吸收增强功能的II类超晶格红外探测器结构示意图；
图2为利用有限元仿真软件COMSOL仿真得到的实施例1中器件的吸收率光谱图；
图3为通过低温探针台在78k的背景温度下，利用1500半导体测试系统测试实施例1中器件和传统无结构器件的暗电流特性对比图；
图4为利用有限元仿真软件COMSOL仿真得到的实施例2中器件的吸收率光谱图；
图5为通过低温探针台在78k的背景温度下，利用1500半导体测试系统测试实施例2中器件和传统无结构器件的暗电流特性对比图；
图6为利用有限元仿真软件COMSOL仿真得到的实施例3中器件的吸收率光谱图；
图7为通过低温探针台在78k的背景温度下，利用1500半导体测试系统测试实施例3中器件和传统无结构器件的暗电流特性对比图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明中具有双波段吸收增强功能的II类超晶格红外探测器结构示意图如图1所示，包括以下结构：衬底层；缓冲层，外延于衬底层上；电极I、呈光栅阵列状的II类超晶格层，均设置在缓冲层上，其中II类超晶格层由下往上依次由P掺杂层、本征中波吸收层、本征长波吸收层、N掺杂层和接触层层叠组成；电极II，设置在呈光栅阵列状的II类超晶格层上任一边缘处；金属膜层，设置在电极I、电极II上表面和II类超晶格层中光栅上表面及光栅之间。
实施例1
一种具有双波段吸收增强功能的II类超晶格红外探测器，包括以下结构：厚度为1000nm的GaSb衬底层；厚度为1000nm的GaSb缓冲层，外延于GaSb衬底层上；电极I、呈光栅阵列状的II类超晶格层，均设置在GaSb缓冲层上；电极II，设置在呈光栅阵列状的II类超晶格层上边缘处，该边缘处靠近电极I；厚度为100nm的Au金属膜层，设置在电极I、电极II上表面和II类超晶格层中光栅上表面及光栅之间；其中，电极I和电极II均由下往上依次由50nm的Ti层、50nm的Pt层和300nm的Au层层叠组成；II类超晶格层中光栅阵列周期P为2μm，占空比50％，II类超晶格层由下往上依次由P掺杂层、本征中波吸收层、本征长波吸收层、N掺杂层和接触层层叠组成，P掺杂层厚度为500nm，材质为Be掺杂P型InAs/GaSb，掺杂浓度为1×1018/cm3；本征中波吸收层厚度为1μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为1:1；本征长波吸收层厚度为1μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为7:4；N掺杂层厚度为300nm，材质为Si掺杂InAs/GaSb，掺杂浓度为1×1018/cm3；接触层厚度为25nm，材质为Si掺杂InAs，掺杂浓度为1×1018/cm3。按如下方法制备：
(1)450℃下在厚度为1000nm的GaSb衬底上通过分子束外延生长1000nm的GaSb缓冲层，然后在GaSb缓冲层上依次外延生长厚度为500nm，材质为Be掺杂P型InAs/GaSb，掺杂浓度为1×1018/cm3的P掺杂层、厚度为1μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为1:1的本征中波吸收层、厚度为1μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为7:4的本征长波吸收层、厚度为300nm，材质为Si掺杂InAs/GaSb，掺杂浓度为1×1018/cm3的N掺杂层和厚度为25nm，材质为Si掺杂InAs，掺杂浓度为1×1018/cm3的接触层；
(2)利用紫外光刻将单元台面掩膜图案转移到接触层上，随后于刻蚀液中，在30℃，15r/min条件下刻蚀3min，刻蚀至GaSb缓冲层，制得边长为500μm的正方形II类超晶格单元台面，其中，刻蚀液由质量分数为98％的柠檬酸水溶液、质量分数为90％的磷酸和质量分数为35％的双氧水按体积比5:1:1混合而成；
(3)依次通过电子束光刻和湿法刻蚀，将II类超晶格单元台面加工成周期P为2μm，占空比50％的光栅阵列，其中，湿法刻蚀具体为：于刻蚀液中，在30℃，15r/min条件下刻蚀20min，刻蚀液由质量分数为98％的柠檬酸水溶液、质量分数为90％的磷酸和质量分数为35％的双氧水按体积比5:1:1混合而成；
(4)依次通过紫外光刻、磁控溅射在GaSb缓冲层上制备依次由50nm的Ti层、50nm的Pt层和300nm的Au层层叠组成的电极I，在呈光栅阵列状的II类超晶格层上靠近电极I的边缘处制备依次由50nm的Ti层、50nm的Pt层和300nm的Au层层叠组成的电极II；
(5)通过电子束蒸镀在电极I、电极II上表面和光栅上表面及光栅之间沉积厚度为100nm的Au金属膜层。
图2为利用有限元仿真软件COMSOL仿真得到的实施例1中器件的吸收率光谱图，由该图可知，在5.5μm和10μm波长附近分别存在一个共振峰，这两处的吸收率大于90％，其余波长的吸收得到了抑制，该器件对这两个特定波长的入射光的探测能力明显提高。
以传统无结构器件(该器件由下往上包括以下结构：衬底层-缓冲层-电极I、无光栅结构的II类超晶格层-电极II，各层材质与厚度与实施例1中器件相应功能层一致)作为对照，通过低温探针台在78k的背景温度下，利用1500半导体测试系统测试实施例1中器件和传统无结构器件的暗电流特，结果如图3所示，由该图可知，本发明器件零偏压暗电流为6.67×10-11，远小于传统无结构器件零偏压暗电流1×10-6。
实施例2
一种具有双波段吸收增强功能的II类超晶格红外探测器，包括以下结构：厚度为800nm的GaSb衬底层；厚度为900nm的GaSb缓冲层，外延于GaSb衬底层上；电极I、呈光栅阵列状的II类超晶格层，均设置在GaSb缓冲层上；电极II，设置在呈光栅阵列状的II类超晶格层上边缘处，该边缘处靠近电极I；厚度为200nm的Ag金属膜层，设置在电极I、电极II上表面和II类超晶格层中光栅上表面及光栅之间；其中，电极I和电极II均由下往上依次由100nm的Ti层、80nm的Pt层和200nm的Au层层叠组成；II类超晶格层中光栅阵列周期P为3μm，占空比70％，II类超晶格层由下往上依次由P掺杂层、本征中波吸收层、本征长波吸收层、N掺杂层和接触层层叠组成，P掺杂层厚度为800nm，材质为Be掺杂P型InAs/GaSb，掺杂浓度为1.5×1018/cm3；本征中波吸收层厚度为1.5μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为1:1；本征长波吸收层厚度为1.5μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为7:4；N掺杂层厚度为400nm，材质为Si掺杂InAs/GaSb，掺杂浓度为2×1018/cm3；接触层厚度为50nm，材质为Si掺杂InAs，掺杂浓度为2×1018/cm3。按如下方法制备：
(1)450℃下在厚度为800nm的GaSb衬底上通过分子束外延生长900nm的GaSb缓冲层，然后在GaSb缓冲层上依次外延生长厚度为800nm，材质为Be掺杂P型InAs/GaSb，掺杂浓度为1.5×1018/cm3的P掺杂层、厚度为1.5μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为1:1的本征中波吸收层、厚度为1.5μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为7:4的本征长波吸收层、厚度为400nm，材质为Si掺杂InAs/GaSb，掺杂浓度为2×1018/cm3的N掺杂层和厚度为50nm，材质为Si掺杂InAs，掺杂浓度为2×1018/cm3的接触层；
(2)利用紫外光刻将单元台面掩膜图案转移到接触层上，随后于刻蚀液中，在32℃，18r/min条件下刻蚀5min，刻蚀至GaSb缓冲层，制得边长为500μm的正方形II类超晶格单元台面，其中，刻蚀液由质量分数为95％的柠檬酸水溶液、质量分数为95％的磷酸和质量分数为30％的双氧水按体积比6:1:1混合而成；
(3)依次通过电子束光刻和湿法刻蚀，将II类超晶格单元台面加工成周期P为3μm，占空比70％的光栅阵列，其中，湿法刻蚀具体为：于刻蚀液中，在32℃，18r/min条件下刻蚀30min，刻蚀液由质量分数为95％的柠檬酸水溶液、质量分数为95％的磷酸和质量分数为30％的双氧水按体积比6:1:1混合而成；
(4)依次通过紫外光刻、磁控溅射在GaSb缓冲层上制备依次由100nm的Ti层、80nm的Pt层和200nm的Au层层叠组成的电极I，在呈光栅阵列状的II类超晶格层上靠近电极I的边缘处制备依次由100nm的Ti层、80nm的Pt层和200nm的Au层层叠组成的电极II；
(5)通过电子束蒸镀在电极I、电极II上表面和光栅上表面及光栅之间沉积厚度为200nm的Ag金属膜层。
图4为利用有限元仿真软件COMSOL仿真得到的实施例2中器件的吸收率光谱图，由该图可知，在5.8μm和10.5μm波长附近分别存在一个共振峰，这两处的吸收率大于90％，其余波长的吸收得到了抑制，该器件对这两个特定波长的入射光的探测能力明显提高。
以传统无结构器件(该器件由下往上包括以下结构：衬底层-缓冲层-电极I、无光栅结构的II类超晶格层-电极II，各层材质与厚度与实施例1中器件相应功能层一致)作为对照，通过低温探针台在78k的背景温度下，利用1500半导体测试系统测试实施例2中器件和传统无结构器件的暗电流特，结果如图5所示，由该图可知，本发明器件零偏压暗电流为8.52×10-11，远小于传统无结构器件零偏压暗电流1×10-6。
实施例3
一种具有双波段吸收增强功能的II类超晶格红外探测器，包括以下结构：厚度为500nm的GaSb衬底层；厚度为800nm的GaSb缓冲层，外延于GaSb衬底层上；电极I、呈光栅阵列状的II类超晶格层，均设置在GaSb缓冲层上；电极II，设置在呈光栅阵列状的II类超晶格层上边缘处，该边缘处靠近电极I；厚度为300nm的Cu金属膜层，设置在电极I、电极II上表面和II类超晶格层中光栅上表面及光栅之间；其中，电极I和电极II均由下往上依次由80nm的Ti层、100nm的Pt层和100nm的Au层层叠组成；II类超晶格层中光栅阵列周期P为5μm，占空比60％，II类超晶格层由下往上依次由P掺杂层、本征中波吸收层、本征长波吸收层、N掺杂层和接触层层叠组成，P掺杂层厚度为700nm，材质为Be掺杂P型InAs/GaSb，掺杂浓度为2×1018/cm3；本征中波吸收层厚度为2μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为1:1；本征长波吸收层厚度为2μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为7:4；N掺杂层厚度为500nm，材质为Si掺杂InAs/GaSb，掺杂浓度为1.5×1018/cm3；接触层厚度为40nm，材质为Si掺杂InAs，掺杂浓度为1.5×1018/cm3。按如下方法制备：
(1)450℃下在厚度为500nm的GaSb衬底上通过分子束外延生长800nm的GaSb缓冲层，然后在GaSb缓冲层上依次外延生长厚度为700nm，材质为Be掺杂P型InAs/GaSb，掺杂浓度为2×1018/cm3的P掺杂层、厚度为2μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为1:1的本征中波吸收层、厚度为2μm，材质为InAs/GaSb，InAs和GaSb的厚度比为7:4的本征长波吸收层、厚度为500nm，材质为Si掺杂InAs/GaSb，掺杂浓度为1.5×1018/cm3的N掺杂层和厚度为40nm，材质为Si掺杂InAs，掺杂浓度为1.5×1018/cm3的接触层；
(2)利用紫外光刻将单元台面掩膜图案转移到接触层上，随后于刻蚀液中，在35℃，20r/min条件下刻蚀4min，刻蚀至GaSb缓冲层，制得边长为500μm的正方形II类超晶格单元台面，其中，刻蚀液由质量分数为99％的柠檬酸水溶液、质量分数为85％的磷酸和质量分数为40％的双氧水按体积比4:1:1混合而成；
(3)依次通过电子束光刻和湿法刻蚀，将II类超晶格单元台面加工成周期P为5μm，占空比60％的光栅阵列，其中，湿法刻蚀具体为：于刻蚀液中，在35℃，20r/min条件下刻蚀10min，刻蚀液由质量分数为99％的柠檬酸水溶液、质量分数为85％的磷酸和质量分数为40％的双氧水按体积比4:1:1混合而成；
(4)依次通过紫外光刻、磁控溅射在GaSb缓冲层上制备依次由80nm的Ti层、100nm的Pt层和100nm的Au层层叠组成的电极I，在呈光栅阵列状的II类超晶格层上靠近电极I的边缘处制备依次由80nm的Ti层、100nm的Pt层和100nm的Au层层叠组成的电极II；
(5)通过电子束蒸镀在电极I、电极II上表面和光栅上表面及光栅之间沉积厚度为300nm的Cu金属膜层。
图6为利用有限元仿真软件COMSOL仿真得到的实施例3中器件的吸收率光谱图，由该图可知，在6.2μm和10.8μm波长附近分别存在一个共振峰，这两处的吸收率大于90％，其余波长的吸收得到了抑制，该器件对这两个特定波长的入射光的探测能力明显提高。
以传统无结构器件(该器件由下往上包括以下结构：衬底层-缓冲层-电极I、无光栅结构的II类超晶格层-电极II，各层材质与厚度与实施例1中器件相应功能层一致)作为对照，通过低温探针台在78k的背景温度下，利用1500半导体测试系统测试实施例3中器件和传统无结构器件的暗电流特，结果如图7所示，由该图可知，本发明器件零偏压暗电流低于9.63×10-11，远小于传统无结构器件零偏压暗电流1×10-6。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
