一種氮化物寬勢壘多量子阱紅外探測器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氮化物寬勢壘多量子阱紅外探測器及其制備方法。本發(fā)明寬勢壘多量子阱紅外探測器，多量子阱中的每個量子阱為寬勢壘，以阻擋暗電流通過；并且多量子阱的總寬度能夠讓光電流通過；多量子阱的勢壘或者勢阱中為重?fù)诫s。本發(fā)明通過增厚勢壘寬度，有效地降低了探測器的暗電流并實現(xiàn)了光電流的探測，增大了光譜探測范圍；采用III族氮化物材料，可以實現(xiàn)全紅外光譜窗口的光子探測；利用插入層調(diào)節(jié)有源區(qū)的應(yīng)力分布，消除樣品開裂現(xiàn)象，盡可能地降低應(yīng)力組態(tài)對光電探測的影響；采用寬勢壘，子帶的數(shù)量增多，增加了光電流的通路。本發(fā)明的探測器在2.5K～80K的溫度范圍內(nèi)均可測到光電流信號，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種氮化物寬勢壘多量子阱紅外探測器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外探測器技術(shù)，尤其涉及一種基于氮化物半導(dǎo)體的寬勢壘多量子阱紅外探測器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]量子阱紅外探測器是利用半導(dǎo)體多量子阱或者超晶格材料制成的，利用量子阱導(dǎo)帶內(nèi)子能帶間或子能帶到擴(kuò)展態(tài)間的電子躍遷制成的探測器。具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、抗輻射、材料均勻和易于制做大面積焦平面列陣等優(yōu)點。傳統(tǒng)的量子阱紅外探測器及其大規(guī)模陣列已經(jīng)在第一代半導(dǎo)體(S1、Ge)以及第二代半導(dǎo)體(II1-V族半導(dǎo)體)中實現(xiàn)，在精確制導(dǎo)、紅外成像、熱成像等軍用和民用領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用。但由于其禁帶寬度覆蓋范圍的限制，現(xiàn)有的多量子阱紅外探測器只能滿足波長大于2.3 紅外波段的探測，不能探測如850nm，1310nm以及1550nm的光通信波段，限制了其在超快光通信領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]III族氮化物屬第三代半導(dǎo)體材料，以GaN、AIN、InN 二元合金，InGaN, AlGaN,InAlN三元合金以及InAlGaN四元合金為主要成員。其連續(xù)可調(diào)的禁帶寬度范圍達(dá)到
0.7eV-6.2eV，并且具有極高的擊穿電場，高熱導(dǎo)率，高電子飽和遷移速度、更強(qiáng)的抗輻射能力以及更短的弛豫時間(?fs)。III族氮化物半導(dǎo)體材料制備的多量子阱紅外探測器，可以實現(xiàn)從I U m (300THz)到亞毫米波(THz)波段的全紅外光譜探測覆蓋，并將傳統(tǒng)的多量子阱紅外探測器的響應(yīng)時間進(jìn)一步提高兩個數(shù)量級，在超快光通信和光調(diào)制領(lǐng)域有著廣闊的前景。同時，通過進(jìn)一步利用III族氮化物紫外擴(kuò)展的特性，制備出單片多色集成的探測器，可以實現(xiàn)超低虛警率、超快響應(yīng)時間、更小元器件體積以及更高分辨率面陣的探測。
[0004]由于III族氮化物同質(zhì)襯底制備困難并且成本極高，現(xiàn)階段大面積的同質(zhì)襯底還很難獲得，因此，制備III族氮化物材料利用分子束外延(MBE)和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等手段，在藍(lán)寶石、碳化硅以及單晶硅等襯底上實現(xiàn)異質(zhì)外延生長。由于外延膜與襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配，異質(zhì)外延制備的III族氮化物薄膜晶體質(zhì)量較差，位錯密度可達(dá)IO7-1OicicnT2,形成了高密度的暗電流通道；同時，傳統(tǒng)多量子阱紅外探測器，一般液氦溫區(qū)下暗電流密度達(dá)到A/cnT2的量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光電流密度，因此探測器很難提取到光電流信號。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種通過增加勢壘寬度來降低暗電流的隧穿效應(yīng)，同時增加有效光響應(yīng)的探測范圍的探測器，從而實現(xiàn)光電流探測。
[0006]本發(fā)明的一個目的在于提供一種基于氮化物半導(dǎo)體的寬勢壘多量子阱紅外探測器。
[0007]本發(fā)明的寬勢壘多量子阱紅外探測器包括:襯底、底電極接觸層、多量子阱、頂電極接觸層、頂電極和底電極以及鈍化層；其中，在襯底上生長底電極接觸層；在底電極接觸層的一部分上依次為多量子阱、頂電極接觸層和頂電極；在底電極接觸層的一部分上為底電極；在多量子講、頂電極接觸層和頂電極的側(cè)面覆蓋有鈍化層，以及在底電極的側(cè)面覆蓋有鈍化層；多量子阱中的每個量子阱為寬勢壘，以阻擋暗電流通過；并且多量子阱的總寬度滿足能夠讓光電流通過；多量子阱的勢壘或者勢阱中為重?fù)诫s。
[0008]傳統(tǒng)的多量子阱紅外探測器，由于量子阱為窄勢壘，相鄰量子阱之間子帶相互耦合，電子可以通過隧穿作用穿過勢壘，使得勢壘失去了阻擋暗電流的作用，導(dǎo)致暗電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光電流，因此很難探測到光電流。由于氮化物多量子阱紅外探測器處在極化場作用下，形成了低能態(tài)等效勢壘寬，高能態(tài)等效勢壘窄的三角形勢壘結(jié)構(gòu)。通過適當(dāng)?shù)丶訉拕輭究梢杂行ё钃趸鶓B(tài)隧穿暗電流，但由于躍遷子帶能級仍處于阱口的位置，因此如果只是簡單的將量子阱的寬度增加，又會造成對光電流的阻擋。本發(fā)明根據(jù)實際需要，通過能帶理論模擬計算，對多量子阱的勢壘寬度、勢阱寬度以及多量子阱的材料進(jìn)行模擬和優(yōu)化，采用寬勢壘的量子阱，相鄰的量子阱之間子帶不能耦合，形成獨立的量子阱，從而阻擋基態(tài)隧穿暗電流通過。同時，通過精確控制勢壘層的組分和寬度，使得光電流可以通過激發(fā)態(tài)子帶有效通過，以提高器件信號噪聲比。通常單個勢壘的寬度> 10nm，多量子阱的總寬度> 30nm,以阻擋暗電流通過；并且，為了保證光電流能夠順利通過，多量子阱的厚度不能太寬，同時多量子阱的總厚度與外加偏壓的大小有關(guān)，在通常外加偏壓±5V的情況下，多量子阱的總厚度< I μ m，以保證光電流通過。多量子阱中，一個量子阱為一個周期，多量子阱的總厚度=量子阱寬度X周期數(shù)。多量子阱的材料采用三族氮化物。
[0009]多量子阱位于底電極接觸層之上，由于晶格常數(shù)不匹配，從而在張應(yīng)變下，多量子阱會發(fā)生開裂，因此，本發(fā)明在底電極接觸層和多量子阱之間設(shè)置插入層，調(diào)節(jié)應(yīng)力分布，以抑制多量子阱在張應(yīng)變下發(fā)生開裂現(xiàn)象。
[0010]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于氮化物半導(dǎo)體的寬勢壘多量子阱紅外探測器的制備方法。
[0011]本發(fā)明的寬勢壘多量子阱紅外探測器的制備方法，包括以下步驟:
[0012]I)根據(jù)實際需要，通過能帶理論模擬計算，對多量子阱紅外探測器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬和優(yōu)化；
[0013]2)對襯底進(jìn)行預(yù)處理，使其表面潔凈；
[0014]3)利用精細(xì)外延設(shè)備在襯底上進(jìn)行寬勢壘多量子阱紅外探測器外延生長，包括在襯底上依次生長:底電極接觸層、多量子阱作為有源區(qū)和頂電極接觸層；
[0015]4)利用材料表征設(shè)備對步驟I)至3)得到的晶元的晶體質(zhì)量、表面形貌以及界面情況進(jìn)行表征反饋，如果晶元的性能不滿足需要，則優(yōu)化生長條件，返回步驟I)重新制備，直到獲得符合要求的晶元，進(jìn)入步驟5)；
[0016]5)測試晶元的光吸收特性，確定光響應(yīng)波段范圍，如果光響應(yīng)波段不符合實際需要，則返回步驟I)重新制備，直到光響應(yīng)波段符合實際需要，進(jìn)入步驟6)；
[0017]6)利用器件工藝設(shè)備制備探測器單元，包括臺面結(jié)構(gòu)刻蝕、電極蒸鍍以及側(cè)邊鈍化等步驟；
[0018]7)對探測器進(jìn)行封裝；
[0019]8)測試探測器的暗電流和光電流譜，獲取探測器性能信息。
[0020]其中，在步驟I)中，根據(jù)探測范圍的需要，進(jìn)行模擬計算，一般采用薛定諤方程和泊松方程迭代數(shù)值求解的方法進(jìn)行模擬；多量子阱紅外探測器的結(jié)構(gòu)包括:多量子阱的材料、勢阱和勢壘的能帶帶階和寬度以及周期數(shù)，對多量子阱的材料、勢阱和勢壘的能帶帶階和寬度以及周期數(shù)進(jìn)行模擬和優(yōu)化。
[0021]在步驟2)對襯底的預(yù)處理包括:①通過化學(xué)腐蝕和清洗，除去表面的氧化層和有機(jī)物在外延設(shè)備腔體中對模板進(jìn)行高溫烘烤，除去表面雜質(zhì)原子；③預(yù)生長一層模板物質(zhì)，從而使得模板的表面潔凈；④一般采用氫化物氣相外延HVPE或者金屬有機(jī)化合物氣相外延沉積MOCVD方法在襯底上生長模板。
[0022]步驟3)中，一般采用精細(xì)外延設(shè)備(例如分子束外延)進(jìn)行制備，獲得的有源區(qū)界面銳利度更高。具體包括以下步驟:①底電極接觸層用于做底電極接觸，生長時應(yīng)進(jìn)行摻雜降低接觸電阻，考慮到刻蝕容差，厚度應(yīng)不小于200nm，參考優(yōu)化值電子濃度為5 X IO1W3,厚度為300nm ;②多量子阱作為有源區(qū)要求在勢壘或者勢阱中進(jìn)行重?fù)诫s保證第一子帶有足夠載流子占據(jù)，通過子帶躍遷和電子縱向輸運(yùn)實現(xiàn)光電流，可以通過調(diào)節(jié)多量子阱的勢阱和勢壘的能帶帶階以及寬度來調(diào)節(jié)探測波長，本發(fā)明中采用能帶帶階以及勢阱寬度一致，而勢壘寬度不同的樣品對發(fā)明思想進(jìn)行說明；③為確保頂電極和底電極接觸層的功函數(shù)一致，一般頂電極接觸層采用與底電極接觸層相同的材料和摻雜濃度。為了應(yīng)力控制以抑制表面開裂現(xiàn)象，在制備多量子阱之前進(jìn)一步包括在底電極接觸層上生長插入層，插入層應(yīng)盡量薄并且盡量降低對光電流的影響。
[0023]步驟4)中，采用X射線衍射搖擺曲線半寬峰值的大小表征材料螺型分量以及刃型分量位錯密度的大小，采用高精度X射線衍射相分`析以及高精度透射電子顯微鏡來表征多量子阱的界面銳利度，采用原子力顯微鏡表征材料表面的粗糙度，認(rèn)為半峰寬窄、衍射衛(wèi)星峰級次多、界面無互擴(kuò)散作用、表面原子臺階清晰的樣品較為合適。
[0024]步驟5)中，根據(jù)子帶躍遷原理，探測器只對量子阱垂直方向上的電磁分量(P偏振光)有響應(yīng)，因此在封裝之前應(yīng)將兩端面進(jìn)行45°拋光形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或者采用表面光柵的方法增加光波矢的縱向分量，利用s偏振光作為背景光，P偏振光作為信號光，利用公式(I)得到吸收系數(shù)譜。
[0025]a = -1n (―)(I)

Ts
[0026]其中，a為吸收系數(shù)，Tp為p偏振光透射光強(qiáng)，Ts為s偏振光透射光強(qiáng)。實驗證明，寬勢壘結(jié)構(gòu)有著更寬的波段響應(yīng)范圍。
[0027]步驟6)中，臺面結(jié)構(gòu)刻蝕的目的是露出底電極接觸層的表面，以便蒸鍍電極實現(xiàn)載流子在量子阱的縱向輸運(yùn)，側(cè)邊鈍化的目的是防止暗電流通過臺面?zhèn)冗呅纬捎行吩黾影惦娏髅芏取?br> [0028]步驟7)中，封裝工藝一般包括連接熱沉和引線兩個步驟。
[0029]通過步驟8)的測試，證明寬勢壘探測器的暗電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于窄勢壘探測器，并通過優(yōu)化生長條件和工藝條件，在液氮溫區(qū)成功地觀測到了明顯的光電流信號，說明通過增厚勢壘寬度可以有效地降低暗電流，從而獲得信噪比較高的探測器。
[0030]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0031](I)通過增厚勢壘寬度，有效地降低了探測器的暗電流，增大了光譜探測范圍，有效地實現(xiàn)了光電流的探測；
[0032](2)利用高溫外延設(shè)備獲得高晶體質(zhì)量模板，利用低溫精細(xì)外延設(shè)備控制有源區(qū)界面以及各層厚度，盡可能獲得高質(zhì)量的晶元；
[0033](3)采用III族氮化物材料，可以實現(xiàn)全紅外光譜窗口的光子探測；
[0034](4)利用插入層調(diào)節(jié)有源區(qū)的應(yīng)力分布，消除樣品開裂現(xiàn)象，盡可能地降低應(yīng)力組態(tài)對光電探測的影響；
[0035](5)采用寬勢壘能帶結(jié)構(gòu)，參與光躍遷的子帶能級數(shù)量增多，增加了光電流的通路。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明的寬勢壘多量子阱紅外探測器的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖2為本發(fā)明的寬勢壘多量子阱紅外探測器的一個實施例的多量子阱的單周期的能帶圖；
[0038]圖3為本發(fā)明的寬勢壘多量子阱紅外探測器的一個實施例的晶元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖4本發(fā)明的寬勢壘多量子阱紅外探測器的一個實施例的光吸收譜；
[0040]圖5為本發(fā)明的寬勢壘多量子阱紅外探測器的一個實施例的封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖6為本發(fā)明的寬勢壘多量子阱紅外探測器的與現(xiàn)有技術(shù)的室溫暗電流對比圖；
[0042]圖7為本發(fā)明的寬勢壘多量子阱紅外探測器的變溫光電流測試圖。
【具體實施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0044]本實施例中，制備10周期的Ala3tlGaa7tlNAiaN基多量子阱紅外探測器。
[0045]如圖1所示，本實施例的寬勢壘多量子阱紅外探測器包括:襯底1、基板2、底電極接觸層3、插入層4、多量子阱5、頂電極接觸層6、頂電極7和底電極8以及鈍化層9 ;其中，在襯底I之上依次為基板2和底電極接觸層3 ;在底電極接觸層3的一部分上依次為插入層4、多量子阱5、頂電極接觸層6和頂電極7 ;在底電極接觸層3的一部分上為底電極8。
[0046]在本實施例中，襯底I采用藍(lán)寶石；模板2采用4.5 μ m的GaN ;底電極接觸層3為600nm厚的硅摻雜GaN ;插入層4為6?8nm厚的AlN ;多量子阱5為10周期的Ala35Gaa65N/GaN,其中，勢壘的寬度為25nm，勢阱的寬度為5nm ;頂電極接觸層6為厚度50nm的硅摻雜 GaN，電子濃度為 5 X IO18CnT3 ;頂電極 7 和底電極 8 為 Ti (20nm)/Al (175nm)/Ni (50nm) /Au (500nm)結(jié)構(gòu)；以及鈍化層9為厚度400nm的Si02。
[0047]本實施例的寬勢壘多量子阱紅外探測器的制備方法，包括以下步驟:
[0048]I)根據(jù)實際需要，通過能帶理論模擬計算，對多量子阱紅外探測器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬和優(yōu)化:
[0049]利用薛定諤方程和泊松方程的自洽求解計算，得出多量子阱的單周期的能帶圖，如圖2所示，其中，51是費(fèi)米能級，52是第一子帶，53是由第2?5子帶組成的第一能帶族，54是由6?10子帶組成的第二能帶族,55是由11?13子帶以及之上的連續(xù)帶組成的能帶族;
[0050]2)首先，對襯底I進(jìn)行預(yù)處理，使其表面潔凈:
[0051]將藍(lán)寶石作為襯底I置于30%的HF溶液中浸泡10分鐘去除表面氧化層，用去離子水反復(fù)沖洗后吹干，再經(jīng)過丙酮超聲3分鐘去除表面有機(jī)沾污，用酒精洗凈表面殘余丙酮后用清潔氮氣吹干，露出潔凈表面；
[0052]然后，利用外延設(shè)備在襯底I上生長高晶體質(zhì)量模板2:
[0053]將已潔凈的襯底I傳入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀MOCVD設(shè)備中，高溫(10500C )外延生長4.5 ii m的GaN厚膜外延層作為模板2，經(jīng)優(yōu)化，位錯密度一般在107cm_2左右；
[0054]3)利用精細(xì)外延設(shè)備進(jìn)行寬勢壘多量子阱紅外探測器結(jié)構(gòu)外延生長，包括在基板上依次生長底電極接觸層3、插入層4、多量子阱5作為有源區(qū)和頂電極接觸層6，如圖3所示:將生長好的外延模板傳入分子束外延MBE設(shè)備中，精確控制生長條件，使得生長模式一直保持在臺階流生長模式，依次外延生長600nm厚的硅摻雜GaN底電極接觸層3，電子濃度為5 X IO18cnT3,6~8nm厚的AlN插入層4，10周期的Al0.35Ga0.65N/GaN多量子阱層5 (勢壘的寬度為25nm，勢阱的寬度為5nm)，以及50nm的硅摻雜GaN頂電極接觸層6，電子濃度為5 X IO18Cm 3 ；
[0055]4)利用材料表征設(shè)備對由步驟I)至3)制備得到的晶元的晶體質(zhì)量、表面形貌以及界面情況進(jìn)行表征反饋，優(yōu)化生長條件獲得最優(yōu)的晶元:
[0056]生長完畢后，首先利用30%的稀鹽酸溶液腐蝕掉表面的金屬殘余，利用X射線衍射XRD (002)與(102)搖擺曲線表征材料的晶體質(zhì)量，經(jīng)優(yōu)化，量子阱的晶體質(zhì)量一般為(002)面150arcSec，(102)面500arcSec ;利用高分辨X射線衍射表征量子阱的周期性和界面銳利程度，經(jīng)優(yōu)化所得X射線衍射譜線可以清晰地觀測到14級左右的衛(wèi)星峰，表明界面狀況良好；利用原子力顯微鏡AFM觀察表面形貌，經(jīng)優(yōu)化觀測到的表面均為單層臺階流形貌，表明外延模式為層狀臺階流模式，表面和界面的起伏在原子單層量級；
[0057]5)通過傅立葉紅外變換譜儀FTIR測試晶元的光吸收特性，確定可能的光響應(yīng)波段范圍:將所得的晶元切成5_X`5mm見方，背面以及兩側(cè)端面拋光制成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)12，紅外光源(I~10 y m) 13經(jīng)過線偏振片形成p態(tài)和s態(tài)的偏振光，經(jīng)過波導(dǎo)后進(jìn)入InSb探測
器探測透射光強(qiáng)，利用公式a = -1n (P)，得到吸收系數(shù)譜，如圖4所示，在圖4中以虛線表



1 S
示，由于藍(lán)寶石襯底與模板之間存在折射率差，會形成等周期的雙層膜干涉，對譜圖進(jìn)行擬合，可以得到除去干涉信號的吸收譜，在圖4中以實線表示，所示的三個吸收峰，分別對應(yīng)基態(tài)子帶52到三個能帶族53、54和55之間的躍遷；
[0058]6)利用器件工藝設(shè)備制備探測器單元，包括臺面結(jié)構(gòu)刻蝕、電極蒸鍍以及側(cè)邊鈍化等步驟:利用光刻以及感應(yīng)耦合等離子體ICP刻蝕等工藝，將圖3所示的晶元刻蝕成如圖1所不的臺面結(jié)構(gòu)，臺面大小為200 UmX 200 u m,刻蝕深度為400nm ;然后在臺面上和臺面下利用電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸鍍Ti (20nm) /Al (175nm) /Ni (50nm)/Au (500nm)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行800°C快速熱退火形成歐姆接觸的頂電極7和底電極8，為防止側(cè)邊漏電，用400nm的SiO2對器件進(jìn)行側(cè)邊鈍化形成鈍化層9，并在頂電極7和底電極8上刻蝕出窗口方便引線；
[0059]7)對探測器進(jìn)行封裝:
[0060]如圖5所示，將由上述方法制備得到的探測器單元拋光成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用低溫膠固定在等腰直角三角形的黃銅塊熱沉17的斜面上，用金線20從器件的頂電極7和底電極8處引線至跳線板的電極19上，并用導(dǎo)線21將相應(yīng)的跳線板電極接在外置偏壓設(shè)備22上；
[0061]8)測試探測器的暗電流和光電流譜，獲取探測器的性能信息:[0062]將封裝好的器件置入低溫傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀FTIR的杜瓦中，在暗室條件下，調(diào)節(jié)不同溫度、在不同偏壓條件下進(jìn)行暗電流測試，如圖6所示，寬勢壘器件的暗電流譜(圖中以虛線表示)，比同組分窄勢壘器件的暗電流譜(圖中以實線表示)，要下降了兩個量級，表明通過增厚勢壘確實可以阻擋暗電流的縱向輸運(yùn)。在加紅外光的情況下測試光電流譜，如圖7所示，可以測試到2?3 μ m范圍內(nèi)的光電流譜信號。通過變偏壓實驗證明，反向偏壓時光電流強(qiáng)度遠(yuǎn)小于正向偏壓，且光電流強(qiáng)度隨偏壓增大而增大。通過變溫實驗證明，在2.5K?80K的溫度范圍內(nèi)均可測到光電流信號，預(yù)示了本發(fā)明的探測器具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0063]最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種寬勢壘多量子阱紅外探測器，其特征在于，所述探測器包括:襯底(I)、底電極接觸層(3)、多量子阱(5)、頂電極接觸層(6)、頂電極(7)和底電極(8)以及鈍化層(9);其中，在所述襯底(I)上生長底電極接觸層(3);在所述底電極接觸層(3)的一部分上依次為多量子阱(5)、頂電極接觸層(6)和頂電極(7);在所述底電極接觸層(3)的一部分上為底電極(8);在所述多量子阱(5)、頂電極接觸層(6)和頂電極(7)的側(cè)面覆蓋有鈍化層(9)，以及在所述底電極(8)的側(cè)面覆蓋有鈍化層(9);所述多量子阱(5)中的每個量子阱為寬勢壘，以阻擋暗電流通過；并且所述多量子阱(5)的總寬度滿足能夠讓光電流通過；所述多量子阱(5)的勢魚或者勢阱中為重?fù)诫s。
2.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，單個勢壘的寬度>10nm，多量子阱(5)的總寬度> 30nm;并且，多量子阱(5)的總厚度與外加偏壓的大小有關(guān)，在通常外加偏壓±5V的情況下，多量子阱(5)的總厚度< I Pm。
3.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，所述多量子阱(5)的材料采用三族氮化物。
4.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，進(jìn)一步包括插入層(4)，所述插入層(4)設(shè)置在底電極接觸層(3 )和多量子阱(5 )之間。
5.一種寬勢壘多量子阱紅外探測器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)根據(jù)實際需要，通過能帶理論模擬計算，對多量子阱紅外探測器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬和優(yōu)化； 2)對襯底進(jìn)行預(yù)處理，使其表面潔凈； 3)利用精細(xì)外延設(shè)備在襯底上進(jìn)行寬勢壘多量子阱紅外探測器外延生長，包括在襯底上依次生長:底電極接觸層、多量子阱作為有源區(qū)和頂電極接觸層； 4)利用材料表征設(shè)備對步驟I)至3)得到的晶元的晶體質(zhì)量、表面形貌以及界面情況進(jìn)行表征反饋，如果晶元的性能不滿足需要，則優(yōu)化生長條件，返回步驟I)重新制備，直到獲得符合要求的晶元，進(jìn)入步驟5)； 5)測試晶元的光吸收特性，確定光響應(yīng)波段范圍，如果光響應(yīng)波段不符合實際需要，則返回步驟I)重新制備，直到光響應(yīng)波段符合實際需要，進(jìn)入步驟6)； 6)利用器件工藝設(shè)備制備探測器單元，包括臺面結(jié)構(gòu)刻蝕、電極蒸鍍以及側(cè)邊鈍化； 7)對探測器進(jìn)行封裝； 8)測試探測器的暗電流和光電流譜，獲取探測器性能信息。
6.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，在步驟I)中，根據(jù)探測范圍的需要，進(jìn)行模擬計算，采用薛定諤方程和泊松方程迭代數(shù)值求解的方法進(jìn)行模擬；對多量子阱的材料、勢阱和勢壘的能帶帶階和寬度以及周期數(shù)進(jìn)行模擬和優(yōu)化。
7.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，在步驟3)中，底電極接觸層的厚度不小于200nm ;對多量子阱的勢壘或者勢阱進(jìn)行重?fù)诫s；通過調(diào)節(jié)多量子阱的勢阱和勢壘的能帶帶階以及寬度來調(diào)節(jié)探測波長。
8.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，在步驟3)中，在制備多量子阱之前進(jìn)一步包括在底電極接觸層上生長插入層。
9.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟4)中，采用X射線衍射搖擺曲線半寬峰值的大小表征材料螺型分量以及刃型分量位錯密度的大小，采用高精度X射線衍射相分析以及高精度透射電子顯微鏡來表征多量子阱的界面銳利度，采用原子力顯微鏡表征材料表面的粗糙度。
10.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟5)中，利用S偏振光作為背景光，P偏振光作為信號光，利用公式a=-1n (I)得到吸收系數(shù)譜，其中，α為吸收系數(shù)，Tp為P偏振光透射光強(qiáng)，Ts為s偏振光透射光強(qiáng)。
【文檔編號】H01L31/101GK103762262SQ201410010267
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月9日
【發(fā)明者】王新強(qiáng), 陳廣, 沈波, 榮新, 許福軍, 張國義 申請人:北京大學(xué)