一种InP基超宽光谱光电探测器及其制备方法

一种inp基超宽光谱光电探测器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种inp基光谱响应从紫外到延长短波红外波段(250nm-2500nm)的超宽光谱半导体光电探测器以及该超宽光谱半导体光电探测器的制备方法，属于光电探测器技术领域。


背景技术：

2.随着气体检查、大气传感等相关领域的发展，从紫外到红外的全光谱探测有助于实现多种气体的检查。目前通常利用多个不同波段响应探测器之间的切换实现全光谱探测，使得测试系统相对比较复杂。高性能超宽光谱光电探测器的实现将极大地简化光探测系统。目前报导的宽光谱探测器往往存在性能较差、暗电流高等缺点，探测范围也鲜有从紫外波段拓展到延长短波红外波段。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种实现具有更宽的光谱响应、更低暗电流，响应谱从紫外到延长短波近红外，室温工作探测器，以解决现有全光谱系统利用不同波段探测器切换带来的系统复杂性问题。
4.为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种inp基超宽光谱光电探测器，该inp基超宽光谱光电探测器的光谱响应从紫外到延长短波红外波段，其特征在于，所述inp基超宽光谱光电探测器至少包括：
5.依次层叠的inp衬底层、阴极接触层、多个周期性重复的ingaas/gaassb超晶格吸收层、ingaas吸收层、inalas或者inp过渡层、电子阻挡层以及阳极接触层，其中：所述ingaas/gaassb超晶格吸收层和ingaas吸收层用于吸收光子，以在其内部激发电子-空穴对；所述电子阻挡层用于阻挡电子向阳极方向扩散；inalas或者inp过渡层用于在电子阻挡层和ingaas吸收层之间进行价带过渡；
6.阴极，形成于所述阴极接触层上，且所述阴极与所述阴极接触层之间形成欧姆接触；
7.所述阳极，形成于所述阳极接触层上，且所述阳极与所述阳极接触层之间形成欧姆接触；
8.在阳极接触层，通过去除部分材料的方式形成凹槽窗口去，以进一步增强紫外波段和可见波段响应。
9.优选地，所述ingaas/gaassb超晶格吸收层每个周期中，ingaas层的厚度为3-6nm，gaassb层的厚度为3-6nm；ingaas/gaassb超晶格吸收层的总厚度为1000-5000nm，根据器件相关性能要求进行选择，掺杂浓度为i型本征掺杂。
10.优选地，所述ingaas吸收层的厚度为200-1000nm，掺杂浓度为i型本征掺杂。
11.优选地，所述阴极接触层的厚度为500nm；所述电子阻挡层的厚度为20nm；所述inalas或inp过渡层的厚度为20nm；所述阳极接触层的厚度为10nm。
12.优选地，所述阴极接触层采用n型重掺杂的半导体材料，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
；所述阳极接触层采用p型重掺杂的半导体材料，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
；所述电子阻挡层采用p型重掺杂宽带隙的半导体材料，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
；所述过渡层采用p型掺杂宽带隙的半导体材料，掺杂浓度为0.5-3
×
10
17
cm-3
；
13.所述阴极接触层、所述阳极接触层、所述电子阻挡层、所述过渡层所采用的所有半导体材料均晶格匹配于inp衬底层。
14.优选地，所述阴极接触层采用的半导体材料为ingaas；所述阳极接触层采用的半导体材料为ingaas；所述电子阻挡层采用的半导体材料为alassb；所述过渡层采用的半导体材料为inalas。
15.本发明的另一个技术方案是提供了一种前述的inp基超宽光谱光电探测器的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
16.利用分子束外延方法或者有机金属化学气相沉积法方法在inp衬底层上依次生长阴极接触层、ingaas/gaassb超晶格吸收层、ingaas吸收层、inalas或者inp过渡层、电子阻挡层及阳极接触层；
17.利用电子束蒸发技术在所述阳极接触层的上表面蒸镀钛、铂、金，构成阳极；
18.利用干法或者湿法刻蚀自所述阳极向下依次刻蚀，刻蚀面停止在所述阴极接触层内，以形成凸出于所述阴极接触层的柱状台阶；
19.利用电子束蒸发技术在所述阴极接触层的表面依次蒸镀钛、铂、金，构成阴极；
20.在阳极接触层，利用湿法刻蚀或者干法刻蚀做凹槽窗口去除部分材料，进一步增强紫外波段和可见波段响应。
21.优选地，还包括对所述柱状台阶的侧壁进行钝化处理的步骤。
22.优选地，通过对所述柱状台阶的侧壁进行钝化处理形成钝化层，钝化层的材料包括氮化硅或者二氧化硅。
23.优选地，所述阳极的钛、铂、金的厚度分别为20nm、20nm、80nm；所述阴极的钛、铂、金的厚度分别为20nm、20nm、80nm。
24.本发明利用基于inp衬底ingaas/gaassb二类超晶格结构实现从紫外到延长短波近红外探测器。该光电探测器在室温下的响应波段为250纳米至2.5微米。与目前报道的其他探测器相比，本发明公开的光电探测器具有更大的光谱响应范围，在全光谱检查等相关领域具有较大应用潜力。
附图说明
25.图1至图5显示为本发明的光谱响应从紫外到延长短波红外波段的超宽光谱半导体光电探测器的制备方法各步骤呈现的结构示意图，其中图5还显示为本发明的超宽光谱半导体光电探测器的结构示意图。
26.图中：10-衬底层；11-阴极接触层；12-ingaas/gaassb超晶格吸收层；13-ingaas吸收层；14-电子阻挡层；15-过渡层；16-阳极接触层；17-阳极；18-柱状台阶；19-阴极；20-绝缘层；21-共面波导电极；22-入射光；23-凹槽窗口。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
28.请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
29.实施例一
30.如图4及图5所示，本实施例提供一种用于光谱响应从紫外到延长短波红外波段的超宽光谱半导体光电探测器，所述光电探测器至少包括：
31.依次层叠的衬底层10、阴极接触层11、ingaas/gaassb超晶格吸收层12、ingaas吸收层13、电子阻挡层14、过渡层15以及阳极接触层16，其中：所述ingaas/gaassb超晶格吸收层12、ingaas吸收层13用于吸收光子，以在其内部激发电子-空穴对；所述电子阻挡层14用于阻挡电子向阳极17方向扩散；所述过渡层15用于在所述电子阻挡层14与ingaas吸收层13之间提供价带过渡；
32.阴极19，形成于所述阴极接触层11上，且所述阴极19与所述阴极接触层11之间形成欧姆接触；
33.所述阳极17，形成于所述阳极接触层16上，且所述阳极17与所述阳极接触层16之间形成欧姆接触。
34.本实施例的半导体光电探测器采用alassb和inalas或者inp做电子阻挡层14和过渡层15可以将光电探测器的测试波长延伸至可见光和紫外波段。采用ingaas/gaassb超晶格材料体系和ingaas材料作为半导体光电探测器的ingaas/gaassb超晶格吸收层12和ingaas吸收层13，可将光电探测器的测试波长延伸至延长短波红外波段。当形成的电子基态能级与空穴基态能级之差小于延长短波红外波长的光子对应的能量时，ingaas/gaassb超晶格吸收层12和ingaas吸收层13就能吸收延长短波红外波长的光，从而实现对延长短波红外波段的覆盖。该光电探测器采用晶格匹配于inp衬底的ingaas/gaassb二类超晶格作为吸收区，相对于高铟成分晶格失配ingaas延长短波红外探测器，具有更低暗电流、单片集成的优势。
35.作为示例，所述ingaas/gaassb超晶格吸收层12包括多个周期性重复的ingaas/gaassb超晶格吸收层，每个周期中ingaas层的厚度为5nm左右，gaassb层的厚度为5nm左右。所述ingaas/gaassb超晶格吸收层12段总厚度为1000nm到5000nm之间；掺杂为i型本征掺杂。
36.作为示例，所述衬底层10包括inp衬底层，所述阴极接触层11采用n型重掺杂的半导体材料，所述阳极接触层16采用p型重掺杂的半导体材料，所述电子阻挡层15采用p型重掺杂宽带隙的半导体材料，所述过渡层14采用p型掺杂宽带隙的半导体材料。所述阴极接触层11、所述阳极接触层16、所述电子阻挡层15、所述过渡层14所采用的所有半导体材料均晶格匹配于inp衬底层，可有效降低缺陷与位错引起的暗电流高等问题，提高探测器的探测灵
敏度。较佳地，所述阴极接触层11的掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
左右；所述阳极接触层16的掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
左右；所述电子阻挡层15的掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
左右；所述过渡层14的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
左右。
37.较佳地，所述阴极接触层11采用的半导体材料为ingaas，所述阳极接触层16采用的半导体材料为ingaas，所述电子阻挡层15采用的半导体材料为alassb，所述过渡层14采用的半导体材料为inalas。
38.较佳地，所述阴极接触层11的厚度为500nm左右，所述电子阻挡层15的厚度为20nm左右，所述过渡层14的厚度为20nm左右，所述阳极接触层16的厚度为10nm左右。
39.实施例二
40.如图1至图5所示，本实施例提供一种光谱响应从紫外到延长短波红外波段的超宽光谱半导体光电探测器的制备方法，采用本制备方法可以制备实施例一所述的超宽光谱半导体光电探测器，制得的光电探测器所能达到的有益效果可参照实施例一，在此不做赘述。
41.所述制备方法包括：
42.如图1所示，步骤s1：利用分子束外延方法在衬底层10上生长阴极接触层11、ingaas/gaassb超晶格吸收层12、ingaas吸收层13、电子阻挡层14、过渡层15以及阳极接触层16。
43.本实施例中，上述各层所采用的材料、厚度以及掺杂浓度等参数如表1所示：
44.表1
[0045][0046]
如图2所示，步骤s2：用电子束蒸发技术在所述阳极接触层16的上表面蒸镀钛、铂、金，构成阳极17。本实施例中选取所述阳极17的钛、铂、金的厚度分别为20nm、20nm、80nm。
[0047]
如图3所示，步骤s3：利用湿法刻蚀自所述阳极17向下依次刻蚀，刻蚀面停止在所述阴极接触层11内，以形成凸出于所述阴极接触层11的柱状台阶18。利用湿法刻蚀自所述阳极17向下刻蚀，刻蚀面停止在所述电子阻挡层15上表面，以形成凹进于所述阳极接触层16的凹槽窗口23。
[0048]
作为示例，形成所述柱状台阶18后，还需要对所述柱状台阶18的侧壁进行钝化处理，钝化处理采用的绝缘材料为si3n4。
[0049]
如图4所示，步骤s4：利用电子束蒸发技术在所述阴极接触层11的表面依次蒸镀钛、铂、金，构成阴极19。本实施例中选取所述阴极19的钛、铂、金的厚度分别为20nm、20nm、80nm。
[0050]
实验表明，通过上述步骤制备而成的光电探测器室温下的光谱响应(入射光22)范围为250nm到2400nm，在2000nm处响应度达到0.13a/w，在630nm处和1310nm处量子效率达到61％。
[0051]
综上所述，本发明提供一种用于延长短波红外波段的宽光谱半导体光电探测器及其制备方法，采用alassb和inalas做电子阻挡层和过渡层可以将光电探测器的测试波长延伸至可见光和紫外波段，采用ingaas/gaassb超晶格材料体系和ingaas材料作为半导体光电探测器的吸收层，可将光电探测器的测试波长延伸至延长短波红外波段。当形成的电子基态能级与空穴基态能级之差小于延长短波红外波长的光子对应的能量时，就能吸收延长短波红外波长的光，从而实现对延长短波红外波段的覆盖。该光电探测器采用ingaas/gaassb二类超晶格作为吸收区，其较长的载流子寿命有助于提高器件的光响应度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0052]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。