本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體光電器件，尤其涉及一種具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各個領(lǐng)域?qū)怆娞綔y器的需求越來越大，如戰(zhàn)略預(yù)警、夜視等惡劣環(huán)境下的目標(biāo)識別、制導(dǎo)、輔助醫(yī)療、氣象監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測和地球資源探測等。目前應(yīng)用最廣泛的HgCdTe等探測器仍有著成本高、均勻性差等缺點，使得新一代光電探測器的研發(fā)迫在眉睫。II類超晶格探測器由于其材料的特性，光吸收系數(shù)可與HgCdTe相比擬；其0.61nm的材料體系可帶來充足的設(shè)計自由度，帶隙可以通過調(diào)節(jié)每個周期的InAs或GaSb厚度使得探測波長從1μm到30μm；且II類超晶格結(jié)構(gòu)具有較大的有效質(zhì)量，能有效抑制隧穿電流，其帶隙結(jié)構(gòu)可有效抑制俄歇復(fù)合；同時II類超晶格探測器在GaSb或GaAs襯底上進(jìn)行外延生長，是基于III-V族半導(dǎo)體材料生長技術(shù)的，因此成本低；可利用MBE進(jìn)行材料生長，方便所設(shè)計的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，摻雜容易控制，沒有合金漲落、簇狀缺陷等缺陷，且焦平面探測器均勻性好。

綜上，II類超晶格探測器已成為第三代探測器中的重要候選。為了獲得更好的探測效果和更高的探測率，紅外探測器最重要的性能指標(biāo)之一是器件的量子效率，其與器件的探測率成正比。因此要獲得更高的探測率就需要提高器件的量子效率。對于II類超晶格探測器，為了獲得更高的量子效率，研究者們做了很多努力，包括增加器件厚度、優(yōu)化器件摻雜濃度、在吸收層引入能增加材料電子空穴波函數(shù)交疊的勢壘結(jié)構(gòu)等。另外，通過將一些增強吸收的結(jié)構(gòu)納入到探測器結(jié)構(gòu)中也可進(jìn)一步增強器件的量子效率。

但目前現(xiàn)有的II類超晶格器件難以達(dá)到較高的量子效率，較窄的帶寬，使得探測精度較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于以上問題，本發(fā)明的目的在于提出一種具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器及其制備方法，用于解決以上技術(shù)問題中的至少之一。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提出了一種具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、在襯底上形成一吸收增強層，吸收增強層為能夠促進(jìn)吸收增強的周期排列結(jié)構(gòu)；

步驟2、在吸收增強層的上表面形成一吸收層，吸收層為II類超晶格結(jié)構(gòu)；

步驟3、完成具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器的制備。

進(jìn)一步地，上述吸收層包括一p型II類超晶格層和一n型II類超晶格層，依次采用分子束外延生長形成；p型II類超晶格層的厚度為0.1～3μm、摻雜濃度范圍為1×10¹⁵cm^-3～1×10¹⁶cm^-3；n型II類超晶格層的厚度為0.1～3μm、摻雜濃度范圍為5×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3。

進(jìn)一步地，上述吸收層的II類超晶格結(jié)構(gòu)為InAs/GaSb II類超晶格、M結(jié)構(gòu)II類超晶格、N結(jié)構(gòu)II類超晶格或W結(jié)構(gòu)II類超晶格；優(yōu)選地，上述吸收層為N結(jié)構(gòu)InAs/AlSb/GaSb II類超晶格材料，其中每一個周期是由8ML的InAs、2ML的AlSb和9ML的GaSb組成。

進(jìn)一步地，上述吸收增強層為由AlAsSb/GaSb或InAlAsSb/GaSb交替生長形成的周期排列結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，上述吸收增強層為采用分子束外延方法交替生長形成的厚度為39～772nm的AlAs_0.09Sb_0.91層和厚度為34～670nm的GaSb層；所述吸收增強層中材料的周期數(shù)為4～30。

進(jìn)一步地，在形成一吸收增強層的步驟之前還包括在襯底上形成一緩沖層的步驟，緩沖層位于襯底和吸收增強層之間，用于緩解襯底和吸收增強層之間的應(yīng)力。

進(jìn)一步地，上述光電探測器的峰值量子效率所對應(yīng)的波長與吸收增強層的材料組成、單個周期材料的厚度的關(guān)系為：

其中，d為單個周期材料的厚度，n為材料的折射率，λ為峰值量子效率對應(yīng)的波長，峰值量子效率所對應(yīng)的波長與待探測氣體相匹配。

進(jìn)一步地，上述光電探測器的峰值量子效率隨吸收層和吸收增強層的厚度的增加呈上升趨勢。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提出一種具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器，采用上述的具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器的制備方法制備得到。

基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提出的具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器及其制備方法具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提出的光電探測器采用II類超晶格材料作為吸收層材料，能夠顯著增加電子空穴波函數(shù)交疊，有效降低器件的暗電流，并能夠提高材料的有效質(zhì)量，從而提高了光電探測器的量子效率；

2、本發(fā)明提出的光電探測器具有一吸收增強層，從而使得入射光能夠在吸收區(qū)實現(xiàn)多重反射，從而增強器件吸收層對入射光的吸收，進(jìn)而提高器件的量子效率，提高了器件的性能；

3、本發(fā)明提出的光電探測器的制備方法，可以通過改變吸收層和吸收增強層中的材料種類和單周期材料的厚度，使得探測器的波長可在較大范圍內(nèi)變化，進(jìn)而可實現(xiàn)不同氣體的檢測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施例提出的光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一實施例提出的光電探測器在77K時，采用不同對數(shù)AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層時反射率與波長關(guān)系；

圖3是本發(fā)明一實施例提出的在77K時，本發(fā)明光電探測器的峰值量子效率與吸收層和吸收增強層總厚度的關(guān)系曲線，及無增強吸收層的光電探測器的峰值量子效率與吸收層厚度的關(guān)系曲線對比圖；

圖4是本發(fā)明一實施例提出的在77K時，本發(fā)明光電探測器的量子效率與波長的關(guān)系曲線，及無增強吸收層的光電探測器的量子效率與波長關(guān)系曲線的對比圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明一方面公開了一種具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、在襯底上形成一吸收增強層，吸收增強層為能夠促進(jìn)吸收增強的周期排列結(jié)構(gòu)；

步驟2、在吸收增強層的上表面形成一吸收層，吸收層為II類超晶格結(jié)構(gòu)；

步驟3、完成具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器的制備。

上述吸收層包括一p型II類超晶格層和一n型II類超晶格層，依次采用分子束外延生長形成；該p型II類超晶格層和n型II類超晶格層可以采用InAs/GaSb II類超晶格材料、M結(jié)構(gòu)II類超晶格材料、N結(jié)構(gòu)II類超晶格材料或W結(jié)構(gòu)II類超晶格材料制備；通過采用II類超晶格材料作為吸收層材料，能夠顯著增加電子空穴波函數(shù)交疊，有效降低器件的暗電流，并能夠提高材料的有效質(zhì)量，從而提高了光電探測器的量子效率。

優(yōu)選地，p型II類超晶格層的厚度為0.1～3μm、摻雜濃度范圍為1×10¹⁵cm^-3～1×10¹⁶cm^-3；n型II類超晶格層的厚度為0.1～3μm、摻雜濃度范圍為5×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3。

上述吸收增強層為由AlAsSb/GaSb或InAlAsSb/GaSb交替生長形成的周期排列結(jié)構(gòu)，從而使得入射光能夠在吸收區(qū)實現(xiàn)多重反射，從而增強器件吸收層對入射光的吸收，進(jìn)而提高器件的量子效率，提高了器件的性能。

優(yōu)選地，上述吸收增強層為采用分子束外延方法交替生長形成的厚度為39～772nm的AlAs_0.09Sb_0.91層和厚度為34～670nm的GaSb層；所述吸收增強層中材料的周期數(shù)為4～30。

在形成吸收增強層前還包括在襯底上形成一緩沖層，該緩沖層位于襯底和吸收增強層之間，用于緩解襯底和吸收增強層之間的應(yīng)力。

上述光電探測器的峰值量子效率所對應(yīng)的波長與吸收增強層的材料組成、單個周期每種材料的厚度的關(guān)系為：

其中，d為吸收增強層單個周期中任一材料的厚度，n為材料的折射率，λ為峰值量子效率對應(yīng)的波長，峰值量子效率所對應(yīng)的波長與待探測氣體相匹配。因此可以通過改變吸收增強層中的材料種類和單周期材料的厚度，使得探測器峰值量子效率對應(yīng)的波長可在較大范圍內(nèi)變化，進(jìn)而可實現(xiàn)不同氣體的檢測。

另外，上述光電探測器的峰值量子效率隨吸收層和吸收增強層的厚度的增加呈上升趨勢。

因此對于某種固定的氣體探測，由于峰值量子效率對應(yīng)的波長是已知的，需要選擇合適的吸收增強層和吸收層的材料組成，其中，吸收增強層的材料選擇時，需綜合考慮兩種材料的折射率差和與襯底的晶格匹配，同時還應(yīng)避免兩種材料對目標(biāo)波長的吸收。吸收層的材料組成則要考慮量子效率的大小。

本發(fā)明另一方面公開了一種具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器，采用上述的具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器的制備方法制備得到。

從上述方案中可知，為了提高探測器性能，本發(fā)明將II類超晶格材料作為吸收層材料，其能夠顯著增加電子空穴波函數(shù)交疊，因此II類超晶格探測器能夠展現(xiàn)良好的性能。

為了進(jìn)一步增強器件性能，本發(fā)明將吸收增強層納入到器件結(jié)構(gòu)中來。與II類超晶格改善材料本身的能帶結(jié)構(gòu)不同，吸收增強層是通過在傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)外增加額外的吸收增強層來提高量子效率。在傳統(tǒng)光電探測器中，入射光通過吸收層一次，而本發(fā)明的光電探測器結(jié)構(gòu)中吸收增強層的納入使得入射光在吸收區(qū)往返多次，增強了器件吸收層對入射光的吸收，進(jìn)而增加了器件的量子效率，提高了器件的性能。

此處以用于甲烷氣體檢測的光電探測器為例，吸收增強層通過采用分子束外延將254nm的AlAs_0.09Sb_0.91和221nm的GaSb交替生長形成的；吸收層為N結(jié)構(gòu)InAs/AlSb/GaSb II類超晶格材料，其中每一個周期是由8ML(monolayer)的InAs、2ML的AlSb和9ML的GaSb組成，p型N結(jié)構(gòu)II類超晶格層的厚度為2.88μm、摻雜濃度為5×10¹⁷cm^-3；n型II類超晶格層的厚度為0.3μm、摻雜濃度為1×10¹⁶cm^-3。

以下通過具體實施例對本發(fā)明提出的具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器及其制備方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

實施例

如圖1所示，本實施例提出一種具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、在半導(dǎo)體襯底7上分子束外延生長形成一GaSb緩沖層6和一AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層5；

步驟2、在AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層5的上表面分子束外延生長形成一吸收層，該吸收層包括一p型II類超晶格層4和一n型II類超晶格層3，該吸收的材料組分為N結(jié)構(gòu)InAs/AlSb/GaSb II類超晶格材料，其中每一個周期是由8ML的InAs，2ML的AlSb和9ML的GaSb組成；

步驟3、在吸收層中n型II類超晶格層3的上表面外延生長形成一InAs帽層，完成具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器的制備。

本實施例中以用于檢測甲烷氣體的光電探測器為例，根據(jù)Hitran數(shù)據(jù)庫，甲烷氣體在3.3μm處的吸收是最強的，因此利用探測器位于3.3μm的探測峰，可以將該探測器應(yīng)用于甲烷氣體探測。通過在II類超晶格探測器中引入AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層提高了器件的峰值量子效率。

本實施例還采用傳輸矩陣法分析了不同對數(shù)AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層的反射率與波長和周期數(shù)的關(guān)系。依賴于II類超晶格以及AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層的應(yīng)用，使得最終器件的峰值量子效率得到提高，以滿足甲烷氣體探測的需求。

根據(jù)以上具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器的制備方法，本實施例還提出了一具有吸收增強結(jié)構(gòu)的II類超晶格光電探測器結(jié)構(gòu)，如圖1所示，器件在半導(dǎo)體襯底7上生長；襯底7上為500nm GaSb緩沖層6；緩沖層6上是若干對交替生長的AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層5，每個周期中AlAs_0.09Sb_0.91厚度為254nm，GaSb厚度為221nm；吸收層為N結(jié)構(gòu)InAs/AlSb/GaSb II類超晶格材料，包括一p型II類超晶格層4和一n型II類超晶格層3。結(jié)構(gòu)頂部有一層20nm的n型高載流子濃度(n＝5.0×10¹⁷cm^-3)InAs帽層2來確保好的歐姆接觸。其中，入射光波1自InAs帽層2的上方入射至光電探測器。

通過改變AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb中AlAs_0.09Sb_0.91和GaSb的厚度，可以選擇需要增強的特定波長，本實施例中為了符合甲烷氣體3.3μm最強的吸收峰，確定AlAs_0.09Sb_0.91厚度為254nm，GaSb厚度為221nm；為了增大量子效率，選擇吸收層厚度為3.18μm，其中p型II類超晶格層4的厚度為2.88μm，n型II類超晶格層3的厚度為0.3μm，N結(jié)構(gòu)II類超晶格的每一個周期是由8ML的InAs，2ML的AlSb和9ML的GaSb組成；并選擇吸收增強層5中材料的周期數(shù)為12。

如圖2所示，是本實施例提出的光電探測器在77K時，采用具有不同周期對數(shù)的AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層時反射率與波長關(guān)系。從中明顯可見隨著AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層5中周期對數(shù)的增加，其峰值反射率增加，其中12周期的AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層5可以提供高達(dá)88％的反射率。通過對AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb反射率的分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著周期數(shù)增加，反射率逐漸增加。但為了利于材料生長，本實施例選擇了具有12周期的AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層5來增加器件的光吸收，這時可以取得良好的增強效果。

如圖3所示，是在77K時，本實施例提出的光電探測器的峰值量子效率與吸收層和吸收增強層總厚度的關(guān)系曲線，及無增強吸收層的光電探測器的峰值量子效率與吸收層厚度的關(guān)系曲線對比圖，此圖為利用Hovel模型計算的結(jié)果。其中黑線所示為無AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層時器件峰值量子效率隨N結(jié)構(gòu)II類超晶格吸收層厚度的變化；黑色點為在3.18μm II類超晶格吸收層上增加5-14對AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層后峰值量子效率隨吸收層和增強吸收層厚度變化的關(guān)系，其中p型II類超晶格吸收層厚度為2.88μm，n型II類超晶格吸收層厚度為0.3μm。從圖3中可以看出，對于無AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層的探測器，隨著吸收層厚度的增加，峰值量子效率一直增加，但增加越來越緩慢，器件吸收層厚度為8.88μm時，無AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層的探測器峰值量子效率為0.61。而對于帶有AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層的探測器，在吸收層厚度不變時，隨著吸收增強層厚度的增加，峰值量子效率同樣逐漸增加，對于5周期結(jié)構(gòu)AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層及以上的器件，可在同樣厚度下獲得比無AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層的探測器更高的量子效率；對于12周期結(jié)構(gòu)AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層的探測器，峰值量子效率為0.80。另外從圖3還可知，隨著吸收增強層中對數(shù)的增加，對于相同厚度的器件，帶有AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層器件與無AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層器件的峰值量子效率之差越來越大，即增加吸收增強層厚度比單純增加探測器吸收層厚度更有效，可見使用吸收增強層對于峰值量子效率的提升有著更顯著的效果。

如圖4所示，實施例提出的在77K時，本實施例提出的光電探測器的量子效率與波長的關(guān)系曲線，及無增強吸收層的光電探測器的量子效率與波長關(guān)系曲線的對比圖。其中點劃線和虛線分別為無吸收增強層時吸收層厚度為3.18μm和8.88μm時的量子效率與波長的關(guān)系，黑線為吸收層為3.18μm，且有12周期結(jié)構(gòu)AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層時的量子效率與波長的關(guān)系。則圖4中3.3μm處黑線所對應(yīng)的最高點對應(yīng)圖3中從左數(shù)第八個點，也就是帶有12周期結(jié)構(gòu)AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb吸收增強層的器件在3.3μm處的峰值量子效率。可見對于無增強吸收層器件，器件量子效率隨著波長先增加，至0.45(d＝3.18μm)或0.61(d＝8.88μm)后下降，如圖4中虛線和點劃線所示。而對于帶有AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層的探測器，量子效率也是先增加，在3.3μm處達(dá)到峰值0.8后下降，如圖4中黑線所示。從圖4中可明顯看出，在目標(biāo)波長3.3μm附近，AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層的引入，使得量子效率從0.45增加至0.80。即使考慮到AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層的厚度為5.7μm，帶有增強吸收層的器件在目標(biāo)波長3.3μm處的量子效率也仍比不帶有增強吸收層、吸收層厚度為8.88μm的器件的量子效率高。同時從圖4中可看出，在目標(biāo)波長3.3μm附近，帶有AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層的探測器的量子效率體現(xiàn)了良好的窄帶寬特性，這同樣有利于甲烷氣體的探測。

綜上所述，本實施例通過引入II類超晶格吸收層及AlAs_0.09Sb_0.91/GaSb增強吸收層，大大增加了3.3μm目標(biāo)波長處的量子效率即得到了1.8倍的增強，且具有窄帶寬特性，因此本實施例提出的探測器適用于甲烷氣體的檢測，同時該探測器的溫度穩(wěn)定性好，有利于甲烷氣體的檢測。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。