一種氮化物復(fù)合勢壘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復(fù)合勢壘量子阱紅外探測器及其制備方法。本發(fā)明的量子阱紅外探測器的多量子阱為包含多個周期的復(fù)合勢壘和勢阱，其中，復(fù)合勢壘為包括平帶勢壘和尖峰勢壘的雙層結(jié)構(gòu)；通過極化調(diào)制的方法形成平帶勢壘，平帶勢壘以上的能級相互耦合形成準(zhǔn)連續(xù)態(tài)，進而形成光電流的通路；通過增加平帶勢壘的厚度，可以在光電流信號強度基本不變的情況下，抑制暗電流的背景噪聲，進而提高信噪比。本發(fā)明利用低溫精細外延設(shè)備控制有源區(qū)界面以及各層厚度，可以獲得高質(zhì)量的外延晶片；多量子阱采用III族氮化物材料，可以實現(xiàn)全紅外光譜窗口的光子探測；本發(fā)明的探測器在液氦溫區(qū)成功探測到光電流信號，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種氮化物復(fù)合勢壘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)體的復(fù)合勢壘量子阱 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的子帶間躍遷制成的 探測器。具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、抗輻射和易于制作大面積焦平面陣列等優(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（Si、Ge)以及第二代半導(dǎo)體（III 族砷化物半導(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)有的量子阱紅外探測器只能滿足波長大于 2. 3 ii m紅外波段的探測，無法應(yīng)用于光通信（1. 3 ii m或1. 55 ii m)領(lǐng)域。
[0003] III族氮化物材料屬于第三代半導(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。其禁帶寬度在0. 7eV-6. 2eV范 圍連續(xù)可調(diào)，并且具有極高的擊穿電場、高電子飽和遷移速度、高熱導(dǎo)率、更強的抗輻射能 力以及更短的弛豫時間（飛秒量級）。氮化物材料制備的量子阱紅外探測器，可以實現(xiàn)從 lum到亞毫米波（THz)波段的全紅外光譜探測，并將傳統(tǒng)的量子阱紅外探測器的響應(yīng)時間 進一步提高兩個數(shù)量級，在超快光通信和光調(diào)制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。氮化物具有紫外 擴展特性，可用于制備單片多色集成的探測器，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紅外成像。
[0004] 由于氮化物同質(zhì)襯底制備困難，現(xiàn)階段大面積同質(zhì)外延生長氮化物成本極高。 因此，目前制備氮化物材料主要是利用分子束外延（MBE)和金屬有機物化學(xué)氣相沉積 (M0CVD)等手段，在藍寶石、碳化硅以及單晶硅等襯底上進行異質(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)外延制備的氮化物材料晶體質(zhì)量較差，位 錯密度可達10 7-109cnT2,形成了高密度的暗電流通道，在液氦溫區(qū)下暗電流密度通常達到 A ? cnT2的量級，遠遠大于光電流密度，不利于探測器提取光電流信號。同時，氮化物材料體 系固有的自發(fā)極化和壓電極化誘導(dǎo)的內(nèi)建電場（極化場）使得導(dǎo)帶邊傾斜，形成三角形勢 壘，不利于光電流信號的提取。


【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)明提出了一種氮化物復(fù)合勢壘的結(jié)構(gòu)，通過 極化調(diào)制的方法形成平帶勢壘，從而實現(xiàn)氮化物的束縛態(tài)-準(zhǔn)連續(xù)態(tài)子帶間躍遷的量子阱 紅外探測器，既有利于抑制暗電流的背景噪聲，又有利于光電流信號的提取。
[0006] 本發(fā)明的一個目的在于提供一種氮化物復(fù)合勢壘量子阱紅外探測器。
[0007] 本發(fā)明的氮化物復(fù)合勢壘量子阱紅外探測器包括：襯底、緩沖層、底電極接觸層、 多量子阱、頂電極接觸層、底電極、頂電極和鈍化層；其中，在襯底上生長緩沖層；在緩沖層 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；在多量子阱、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；多量子阱為包含多個周期的復(fù)合勢壘和 勢阱，其中，復(fù)合勢壘為包括平帶勢壘和尖峰勢壘的雙層結(jié)構(gòu)。
[0008] 本發(fā)明的多量子阱為包含多個周期的復(fù)合勢壘和勢阱；其中，復(fù)合勢壘為雙層結(jié) 構(gòu)，包括一個較厚的平帶勢壘和一個超薄的尖峰勢壘。平帶勢壘的厚度在10?40nm之間， 尖峰勢壘的厚度在1?5nm之間。傳統(tǒng)的氮化物量子阱紅外探測器的多量子阱包括多個周 期的勢阱和一定厚度的單層勢壘，單層勢壘的導(dǎo)帶邊形狀為三角形，不利于載流子縱向輸 運。相比于傳統(tǒng)單層勢壘的多量子阱結(jié)構(gòu)，復(fù)合勢壘的多量子阱可以實現(xiàn)束縛態(tài)-準(zhǔn)連續(xù) 態(tài)的子帶間躍遷，更有利于光電流信號的提??；同時，復(fù)合勢壘的多量子阱結(jié)構(gòu)，可以通過 在一定范圍內(nèi)增加平帶勢壘的厚度，同時保持尖峰勢壘的厚度不變，在光電流信號強度不 變的情況下，極大程度的抑制暗電流的背景噪聲，提高信噪比。多量子阱的材料采用III族 氮化物。
[0009] 本發(fā)明基于極化調(diào)制的方法形成平帶勢壘，平帶勢壘的導(dǎo)帶邊水平，在平帶勢壘 的區(qū)域，極化電荷產(chǎn)生的極化電場相互抵消。通過能帶理論模擬計算，對多量子阱的平帶勢 壘、尖峰勢壘以及勢阱的材料和厚度進行模擬和優(yōu)化，使極化電荷在平帶勢壘的區(qū)域產(chǎn)生 的極化電場相互抵消，即平帶勢壘的區(qū)域的極化電場為零，實現(xiàn)平帶勢壘的導(dǎo)帶邊水平。通 過極化調(diào)制的方法形成平帶勢壘，平帶勢壘以上的能級相互耦合形成準(zhǔn)連續(xù)態(tài)，進而形成 極便于縱向輸運的光電流的通路。
[0010] 其中，本發(fā)明的緩沖層介于襯底和底電極接觸層之間，其結(jié)構(gòu)是周期性的氮化物 超晶格，其作用是緩解多量子阱的應(yīng)變狀態(tài)，阻斷襯底的部分位錯繼續(xù)向上延伸，進而提高 材料的外延生長質(zhì)量。在異質(zhì)外延情況下，由于晶格常數(shù)不匹配，多量子阱通常處于一定的 張應(yīng)變或壓應(yīng)變狀態(tài)下，通過引入緩沖層，可以有效調(diào)節(jié)應(yīng)力分布，釋放晶格應(yīng)變。
[0011] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種復(fù)合勢壘量子阱紅外探測器的制備方法。
[0012] 本發(fā)明的復(fù)合勢壘量子阱紅外探測器的制備方法，包括以下步驟：
[0013] 1)根據(jù)實際需要，通過能帶理論模擬計算，對量子阱紅外探測器的結(jié)構(gòu)進行模擬 和優(yōu)化，從而得到優(yōu)化參數(shù)；
[0014] 2)對襯底進行預(yù)處理，使其可以直接用于外延生長；
[0015] 3)利用精細外延生長設(shè)備，按照步驟1)中的優(yōu)化參數(shù)，在襯底上進行外延生長， 包括在襯底上依次生長：緩沖層、底電極接觸層、作為有源區(qū)的多量子阱和頂電極接觸層， 得到外延晶片；
[0016] 4)利用材料表征設(shè)備對外延晶片的晶體質(zhì)量、表面形貌以及界面情況的性能進行 表征反饋，如果外延晶片的性能不滿足需要，則優(yōu)化生長條件，返回步驟1)重新制備，直到 獲得符合要求的外延晶片，進入步驟5);
[0017] 5)測試外延晶片的光吸收譜，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1)重新制備，直到光響應(yīng)波段符合實際需要，進入步驟6);
[0018] 6)制備探測器單元，包括對外延晶片進行臺面刻蝕、電極蒸鍍以及側(cè)邊鈍化等步 驟；
[0019] 7)對探測器單元進行封裝；
[0020] 8)測試探測器的光電流譜，獲取探測器的性能信息。
[0021] 其中，在步驟1)中，根據(jù)探測范圍的需要，采用薛定諤方程和泊松方程迭代數(shù)值 求解的方法進行模擬計算；計算的優(yōu)化參數(shù)包括：多量子阱的平帶勢壘、尖峰勢壘、勢阱的 材料、厚度和周期數(shù)；底電極接觸層材料和厚度；以及頂電極接觸層的材料和厚度。其中， 平帶勢壘的形成是基于極化調(diào)制的方法，通過能帶理論模擬計算，對多量子阱結(jié)構(gòu)的平帶 勢壘、尖峰勢壘、勢阱的材料和厚度進行模擬和優(yōu)化，使極化電荷在平帶勢壘區(qū)域產(chǎn)生的極 化電場相互抵消，實現(xiàn)平帶勢壘導(dǎo)帶邊水平。優(yōu)化參數(shù)確保第一子帶有足夠載流子占據(jù)，從 而確保平帶勢壘區(qū)域的導(dǎo)帶邊水平。
[0022] 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，除去襯底的表面的氧化 層和有機物；②在外延設(shè)備腔體中對襯底進行高溫烘烤，除去表面的雜質(zhì)原子；③采用氫 化物氣相外延HVPE或者M0CVD方法在襯底上生長一層模板材料，模板材料一般為氮化物厚 膜。
[0023] 步驟3)中，采用精細外延設(shè)備（如分子束外延MBE)進行制備，獲得有源區(qū)的界面 銳利度更高。具體包括以下步驟：①生長周期性的氮化物超晶格作為緩沖層，從而起到應(yīng) 力調(diào)控，釋放晶格應(yīng)變的作用；②生長底電極接觸層，生長時應(yīng)進行n型摻雜以降低接觸電 阻，考慮到臺面刻蝕容差，厚度應(yīng)不小于200nm ;③按步驟1)中模擬計算得到的優(yōu)化參數(shù)生 長多量子阱；④生長頂電極接觸層，為確保頂電極接觸層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。
[0024] 步驟4)中，采用X射線衍射搖擺曲線半高寬FWHM的大小表征材料位錯密度的螺 型分量和刃型分量的大小，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RMS ;材料表面的粗 糙度RMS小于lnm，搖擺曲線半高寬FWHM(002)面小于200arcsec、（102)面小于600arcsec， 衍射衛(wèi)星峰級次大于8,界面無互擴散作用，以及表面原子臺階清晰的樣品較為合適。
[0025] 步驟5)中，根據(jù)子帶間躍遷原理，探測器只對電矢量在多量子阱的界面法線方向 有分量的偏振光（P偏振光）有響應(yīng)，因此應(yīng)將外延晶片兩端面進行45°拋光，以形成波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)；或者米用表面光柵的方法增加電矢量的縱向分量，s偏振光作為背景光，p偏振光作 為信號光，利用公式（1)得到光吸收譜。

【權(quán)利要求】
1. 一種氮化物復(fù)合勢壘量子阱紅外探測器，其特征在于，所述量子阱紅外探測器包括： 襯底、緩沖層、底電極接觸層、多量子阱、頂電極接觸層、底電極、頂電極和鈍化層；其中，在 襯底上生長緩沖層；在緩沖層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；在多量子阱、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；多量子阱包 含多個周期的復(fù)合勢壘和勢阱，其中，復(fù)合勢壘為包括平帶勢壘和尖峰勢壘的雙層結(jié)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求1所述的量子阱紅外探測器，其特征在于，所述平帶勢壘的厚度在10? 40nm之間，尖峰勢魚的厚度在1?5nm之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的量子阱紅外探測器，其特征在于，通過極化調(diào)制的方法形成平 帶勢魚，平帶勢魚的導(dǎo)帶邊水平，在平帶勢魚的區(qū)域，極化電荷產(chǎn)生的極化電場相互抵消。
4. 一種氮化物復(fù)合勢壘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，對量子阱紅外探測器的結(jié)構(gòu)進行模擬和優(yōu) 化，從而得到優(yōu)化參數(shù)； 2) 對襯底進行預(yù)處理，使其能夠直接用于外延生長； 3) 利用精細外延生長設(shè)備，按照步驟1)中的優(yōu)化參數(shù)，在襯底上進行外延生長，包括 在襯底上依次生長：緩沖層、底電極接觸層、作為有源區(qū)的多量子阱和頂電極接觸層，得到 外延晶片； 4) 利用材料表征設(shè)備對外延晶片的晶體質(zhì)量、表面形貌以及界面情況的性能進行表征 反饋，如果外延晶片的性能不滿足需要，則優(yōu)化生長條件，返回步驟1)重新制備，直到獲得 符合要求的外延晶片，進入步驟5); 5) 測試外延晶片的光吸收譜，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1)重新制備，直到光響應(yīng)波段符合實際需要，進入步驟6); 6) 制備探測器單元，包括對外延晶片進行臺面刻蝕、電極蒸鍍以及側(cè)邊鈍化； 7) 對探測器單元進行封裝； 8) 測試探測器的光電流譜，獲取探測器的性能信息。
5. 如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在步驟1)中，根據(jù)探測范圍的需要，采 用薛定諤方程和泊松方程迭代數(shù)值求解的方法進行模擬計算；計算的優(yōu)化參數(shù)包括：多量 子阱的平帶勢壘、尖峰勢壘、勢阱的材料、厚度和周期數(shù)；底電極接觸層材料和厚度；以及 頂電極接觸層的材料和厚度。
6. 如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，基于極化調(diào)制的方法，通過能帶理論模 擬計算，對多量子阱結(jié)構(gòu)的平帶勢壘、尖峰勢壘、勢阱的材料和厚度，進行模擬和優(yōu)化，使極 化電荷在平帶勢壘區(qū)域產(chǎn)生的極化電場相互抵消，實現(xiàn)平帶勢壘導(dǎo)帶邊水平。
7. 如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，對襯底的預(yù)處理包括：① 通過化學(xué)腐蝕和清洗，除去襯底的表面的氧化層和有機物；②在外延設(shè)備腔體中對襯底進 行高溫烘烤，除去表面的雜質(zhì)原子；③在襯底上生長一層模板材料，模板材料為氮化物。
8. 如權(quán)利要求4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 半高寬FWHM的大小表征材料位錯密度的螺型分量和刃型分量的大小，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RMS;要求達到材料表面的粗糙度RMS小于lnm，搖擺曲線半高寬 FWHM(002)面小于200arcsec、（102)面小于600arcsec，衍射衛(wèi)星峰級次大于8,界面無互 擴散作用，以及表面原子臺階清晰。
9.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在步驟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
：得到吸收系數(shù)譜，其中，a為吸收系數(shù)，Tp 為P偏振光透射光強，Ts為s偏振光透射光強。
【文檔編號】H01L31/111GK104409556SQ201410738690
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】王新強, 榮新, 沈波, 陳廣, 鄭顯通, 王平, 許福軍, 張國義 申請人:北京大學(xué)