一種提高銦鎵砷紅外探測器響應率的方法及相應探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種提高銦鎵砷紅外探測器響應率的方法及相應探測器，該方法首先通過數(shù)值模擬分別得到銦鎵砷紅外探測器件在不同情況下，其響應率隨吸收層厚度變化的一系列曲線，然后通過數(shù)據(jù)擬合得到銦鎵砷紅外探測器件響應率取最大值時吸收層厚度的經(jīng)驗公式，進而根據(jù)擬合結果設計并制作銦鎵砷紅外探測器。該方法的優(yōu)點在于，可以針對不同工藝條件生長的銦鎵砷材料提取出相應的最佳吸收層厚度，由此設計的探測器件響應率將具有最大值，從而避免為了提高器件響應率而進行反復試片。本發(fā)明對于改善器件性能和優(yōu)化器件設計都有著十分重要的意義。
【專利說明】一種提高銦鎵砷紅外探測器響應率的方法及相應探測器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體光探測器件技術，更具體的，涉及一種最大限度提高銦鎵砷紅 外探測器件響應率的方法。

【背景技術】
[0002] 由于大氣中二氧化碳和水汽分子的強烈吸收，適合應用的紅外譜段主要集中在 Ium?2.5iim、3iim?5iim、8iim?14iim等三個大氣窗口。其中，Iym?2. 5iim為短 波紅外譜段，由于很多物質在該譜段具有獨特的光譜特性，所以工作于該譜段的光譜分析 和成像設備可廣泛應用于醫(yī)學成像、產(chǎn)業(yè)測溫、安全防范等民用領域和精確武器制導、紅外 報警與識別、偵察與監(jiān)視等軍事領域，而且具有低成本、高可靠和實用性強等特點。國際上， 用于制備該譜段探測器的材料主要有銦鎵砷（InGaAs)基III-V族和碲隔汞（HgCdTe)基 II-VI族化合物半導體。與HgCdTe探測器相比，InGaAs探測器的優(yōu)勢在于：（1)可以在常 溫下工作（HgCdTe探測器需工作于液氮溫度下），使其可以擺脫制冷器的制約，在儀器小型 化和成本降低等方面具有較大競爭力；（2)其材料比HgCdTe更容易生長，而且其襯底具有 更高的質量和更堅固的性質，使其在批量生產(chǎn)、可靠性及穩(wěn)定性等方面占有優(yōu)勢。
[0003] InP的晶格常數(shù)介于InAs與GaAs之間，因此InP被普遍用作三元化合物InxGahAs 的襯底材料及外延材料。當X取值0. 53時，Ina53Gaa47As將與InP完全晶格匹配，材料的缺 陷與位錯密度降至最低。出于對高量子效率和快響應速度的追求，銦鎵砷紅外探測器普遍 采用P-I-N的InP/InGaAs/InP結構。其中，I型的InGaAs紅外吸收層作為該結構的功能 層，不僅需要完成紅外輻射到光生載流子的轉化，而且需要將光生載流子輸運到結區(qū)，以實 現(xiàn)電信號的收集。而吸收層的厚度可以直接影響上述兩個過程，進而決定銦鎵砷紅外探測 器響應率的大小。
[0004] 因此，通過控制吸收層的厚度來最大限度提高銦鎵砷紅外探測器的響應率顯得尤 為重要。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術中存在的技術問題，提供一種最大限度提高銦鎵砷紅外 探測器響應率的方法及相應探測器，從InP/InGaAs/InP紅外探測器件的響應率著手研究， 考察吸收層厚度對響應率的影響，通過數(shù)值模擬得到探測器件響應率隨吸收層厚度變化的 規(guī)律，通過擬合模擬數(shù)據(jù)得到了響應率取最大值時吸收層厚度的經(jīng)驗公式，進而根據(jù)擬合 結果設計并制作InP/InGaAs/InP紅外探測器件，所得結果對該器件的優(yōu)化設計具有一定 的指導意義。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下：
[0007] -種最大限度提高銦鎵砷紅外探測器響應率的方法，其步驟如下：
[0008] 1、首先構建InP/InGaAs/InP紅外探測器件的結構模型；
[0009] 在N型的InP緩沖層上依次形成I型（弱N型）的InGaAs吸收層和P型的InP 帽層，然后在InP緩沖層上形成N電極，以及在InP帽層上形成P電極；
[0010] 2、構建物理模型；
[0011] 半導體器件數(shù)值模擬的基本方程是泊松方程、電子與空穴的連續(xù)性方程、電子與 空穴的電流密度方程，載流子復合率及其光學產(chǎn)生率通過產(chǎn)生復合項加入連續(xù)性方程，其 中載流子復合項包括SRH復合、輻射復合和俄歇復合，載流子產(chǎn)生項通過耦合吸收模型來 描述其光學產(chǎn)生率，同時還需考慮到載流子的熱效應、速度飽和效應以及帶間隧穿效應，用 有限元方法離散化聯(lián)立迭代求解；
[0012] 3、模擬中短波紅外輻射從背面垂直照射到器件上，將吸收層厚度設為變量，繪制 響應率隨吸收層厚度變化的曲線，定義響應率取最大值時的吸收層厚度為最佳吸收層厚 度；
[0013] 4、固定空穴壽命及遷移率，改變入射波長，重復步驟3,得到不同入射波長對應的 器件響應率隨吸收層厚度變化的一系列曲線；
[0014] 5、固定入射波長為Va，分別改變空穴壽命及其遷移率，重復步驟3,得到不同空穴 壽命及其遷移率對應的器件響應率隨吸收層厚度變化的一系列曲線；
[0015] 6、首先根據(jù)步驟4中被固定的空穴壽命及遷移率，計算相應的空穴擴散長度之值 V111，然后在步驟4所得的一系列曲線中，提取當空穴擴散長度固定為V111時的最佳吸收層厚 度T\bs與入射波長的關系，進而得到T\bs隨吸收長度La變化的曲線，通過擬合該曲線得到 公式T\bs(La);
[0016] 7、在步驟5所得的一系列曲線中，提取當入射波長固定為Va時的最佳吸收層厚度 T+abs與空穴壽命及其遷移率的關系，進而得到T+abs與空穴擴散長度Ldh的關系；
[0017] 8、將步驟7中所得的T+abs在Ldh=V111點做整體歸一化處理后定義為乘法因子Mf， 然后通過擬合Mf隨空穴擴散長度Ldh變化的曲線得到公式Mf (Ldh);
[0018] 9、將步驟6中所得公式T\bs (La)與步驟8中所得公式Mf (Ldh)相乘，得到最佳吸收 層厚度的經(jīng)驗公式：
[0019]

【權利要求】
1. 一種提高銦鎵砷紅外探測器響應率的方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 構建InP/InGaAs/InP紅外探測器件的結構模型； 2) 通過數(shù)值模擬構建紅外探測器件的物理模型； 3) 模擬中短波紅外輻射從背面垂直照射到器件上，將吸收層厚度設為變量，繪制響應 率隨吸收層厚度變化的曲線，定義響應率取最大值時的吸收層厚度為最佳吸收層厚度； 4) 固定空穴壽命及其遷移率，改變入射波長，重復步驟3)，分別得到不同入射波長對 應的器件響應率隨吸收層厚度變化的一系列曲線； 5) 固定入射波長，改變空穴壽命及其遷移率，重復步驟3)，分別得到不同空穴壽命及 其遷移率對應的器件響應率隨吸收層厚度變化的一系列曲線； 6) 根據(jù)步驟4)中被固定的空穴壽命及其遷移率，計算相應的空穴擴散長度之值Vui, 然后在步驟4)所得的一系列曲線中，提取當空穴擴散長度固定為V111時的最佳吸收層厚度 T\bs與入射波長的關系，進而得到T\bs隨吸收長度La變化的曲線，通過擬合該曲線得到公 式 T\bs(La); 7) 在步驟5)所得的一系列曲線中，提取當入射波長固定為Va時的最佳吸收層厚度 T+abs與空穴壽命及其遷移率的關系，進而得到T+abs與空穴擴散長度Ldh的關系； 8) 將步驟7)中所得的T+abs在Ldh = Vui點做整體歸一化處理后定義為乘法因子Mf，然 后通過擬合Mf隨空穴擴散長度Ldh變化的曲線得到公式Mf (Ldh); 9) 將步驟6)中所得公式T\bs (La)與步驟8)中所得公式Mf (Ldh)相乘，得到最佳吸收層 厚度的經(jīng)驗公式：
10) 制備測試樣品，在InP半絕緣襯底上依次生長N型的InP緩沖層和I型的InGaAs 吸收層，并測試樣品吸收層的吸收長度La及空穴擴散長度Ldh ; 11) 根據(jù)步驟9)中所得的經(jīng)驗公式Tabs(La，Ldh)及步驟10)中所測的L a%Ldh之值，計 算得到樣品材料的最佳吸收層厚度； 12) 采用與步驟10)中測試樣品相同的工藝條件在InP半絕緣襯底上依次生長N型的 InP緩沖層、I型的InGaAs吸收層和P型的InP帽層，其中吸收層的厚度設計為步驟11)中 所得的最佳吸收層厚度，然后經(jīng)過刻蝕、鈍化、開孔及電極制作等工藝完成器件制作。
2. 根據(jù)權利要求1所述的提高銦鎵砷紅外探測器響應率的方法，其特征在于，所述數(shù) 值模擬的基本方程是泊松方程、電子與空穴的連續(xù)性方程、電子與空穴的電流密度方程，載 流子復合率及其光學產(chǎn)生率通過產(chǎn)生復合項加入連續(xù)性方程，其中載流子復合項包括SRH 復合、輻射復合和俄歇復合，載流子產(chǎn)生項通過耦合吸收模型來描述其光學產(chǎn)生率，同時考 慮載流子的熱效應、速度飽和效應以及帶間隧穿效應，用有限元方法離散化聯(lián)立迭代求解。
3. 根據(jù)權利要求1所述的提高銦鎵砷紅外探測器響應率的方法，其特征在于，所述最 佳吸收層厚度隨入射波長的增加而增加。
4. 根據(jù)權利要求1所述的提高銦鎵砷紅外探測器響應率的方法，其特征在于，所述最 佳吸收層厚度隨空穴壽命的增加而增加。
5. 根據(jù)權利要求1所述的提高銦鎵砷紅外探測器響應率的方法，其特征在于，所述最 佳吸收層厚度隨空穴遷移率的增加而增加。
6. -種銦鎵砷紅外探測器，采用如權利要求1至5中任一所述的方法制備而成。
【文檔編號】H01L31/101GK104332527SQ201410525599
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權日:2014年10月8日
【發(fā)明者】王曉東, 王兵兵, 潘鳴, 侯麗偉, 謝巍, 臧元章, 周德亮, 俞旭輝, 鄒鍶, 劉素芳, 關冉, 魯斌, 汪瑞 申請人:中國電子科技集團公司第五十研究所