一種新型氮化物量子阱紅外探測(cè)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外探測(cè)器技術(shù)，尤其涉及一種新型氮化物量子阱紅外探測(cè)器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]量子阱紅外探測(cè)器是利用半導(dǎo)體多量子阱或者超晶格材料的子帶間躍迀制成的探測(cè)器，具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、抗輻射和易制作大面積焦平面陣列等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的量子阱紅外探測(cè)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(III族砷化物半導(dǎo)體)中實(shí)現(xiàn)，在精確制導(dǎo)和紅外成像等軍用、民用領(lǐng)域具有極廣泛的應(yīng)用。但是由于其材料禁帶寬度覆蓋范圍的限制，現(xiàn)有的量子阱紅外探測(cè)器只能滿足波長大于2.3 μπι紅外波段的探測(cè)，無法應(yīng)用于光通信(1.3 μπι或1.55 μπι)領(lǐng)域。
[0003]氮化物半導(dǎo)體材料是第三代半導(dǎo)體材料，以GaN、A1N、InN 二元合金，InGaN,AlGaNUnAlN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、高電子飽和迀移速度、高熱導(dǎo)率、更強(qiáng)的抗輻射能力以及更短的弛豫時(shí)間(飛秒量級(jí))。氮化物材料制備的量子阱紅外探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)從Iym到亞毫米波(THz)波段的全紅外光譜探測(cè)，并將傳統(tǒng)的量子阱紅外探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在超快光通信和光調(diào)制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。此外，氮化物還具有紫外擴(kuò)展特性，可以用于制備單片集成的紫外-紅外雙色探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)超低虛警率、超快響應(yīng)時(shí)間、更小元器件體積以及更高分辨率的成像。
[0004]當(dāng)前氮化物同質(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(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等方法，在藍(lán)寶石、碳化硅以及單晶硅等襯底上進(jìn)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(cuò)密度可達(dá)17-1O9CnT2量級(jí)，形成了高密度的暗電流通道，不利于光電流信號(hào)的提取。同時(shí)，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)抑制了載流子的縱向輸運(yùn)，極大程度地降低了信噪比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種新型氮化物量子阱紅外探測(cè)器，其多量子阱生長在納米柱陣列的頂部(半極性面)和側(cè)面(非極性面)。多量子阱生長于位錯(cuò)密度極低的納米柱陣列上，可實(shí)現(xiàn)極高晶體質(zhì)量的多量子阱結(jié)構(gòu)；半極性面和非極性面多量子阱的極化場強(qiáng)度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)極性面多量子阱的極化場強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)高效光電流信號(hào)的提取。
[0006]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種新型氮化物量子阱紅外探測(cè)器。
[0007]本發(fā)明的氮化物量子阱紅外探測(cè)器包括:襯底、緩沖層、底電極接觸層、復(fù)合層、底電極、頂電極和鈍化層；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復(fù)合層和頂電極；在底電極接觸層的一部分上為底電極；在頂電極和底電極的側(cè)面覆蓋有鈍化層；其中，復(fù)合層包括掩膜層、納米柱陣列、多量子阱和頂電極接觸層，掩膜層具有周期性排布的孔洞結(jié)構(gòu)，納米柱陣列從掩膜層中的孔洞中生長出來，在納米柱陣列的頂部和側(cè)面生長多量子阱，在多量子阱的頂部生長頂電極接觸層。
[0008]本發(fā)明的襯底是適宜生長III族氮化物且成本低廉的襯底，主要包括藍(lán)寶石，(111)面單晶硅、碳化硅等；本發(fā)明的緩沖層是介于襯底和底電極接觸層之間的插入層，其結(jié)構(gòu)是周期性的氮化物超晶格，其作用是釋放外延層的晶格應(yīng)變，阻斷襯底的部分位錯(cuò)繼續(xù)向上延伸，進(jìn)而提高材料的外延生長質(zhì)量；本發(fā)明的底電極接觸層和頂電極接觸層為η型摻雜的III族氮化物材料；本發(fā)明的掩膜層為采用納米壓印方法或聚焦離子束刻蝕方法等制備的含有周期性排布的孔洞結(jié)構(gòu)，為減少漏電，掩膜層選取絕緣材料，孔洞的周期在500?100nm之間，孔洞的直徑在50?500nm之間；本發(fā)明的納米柱陣列從掩膜層的孔洞中生長出來，材料采用氮化物半導(dǎo)體材料，納米柱的高度在300?100nm之間；頂電極接觸層從多量子阱的頂部生長并逐漸變寬直至相互合并形成薄膜；本發(fā)明的底電極和頂電極為可以讓紅外光透過的歐姆接觸電極，其結(jié)構(gòu)為環(huán)形電極或ITO透明電極等；本發(fā)明的鈍化層選取絕緣材料。
[0009]本發(fā)明的多量子阱生長在納米柱陣列的頂部和側(cè)面；其中，生長在納米柱陣列的頂部的多量子阱為半極性面多量子阱，生長在納米柱陣列的側(cè)面的多量子阱為非極性面多量子阱。傳統(tǒng)的氮化物量子阱紅外探測(cè)器的多量子阱生長在氮化物的c面，為極性面多量子阱，晶體質(zhì)量差，而且極化場使得導(dǎo)帶邊傾斜，不利于光電流的縱向輸運(yùn)。相比于傳統(tǒng)極性面多量子阱結(jié)構(gòu)，納米柱陣列結(jié)構(gòu)利用半極性面多量子阱和非極性面多量子阱極大地提高了材料的生長質(zhì)量，極大地降低了極化場對(duì)光電流輸運(yùn)的不利影響，更有利于光電流信號(hào)的提取。
[0010]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種新型氮化物量子阱紅外探測(cè)器的制備方法。
[0011]本發(fā)明的氮化物量子阱紅外探測(cè)器的制備方法，包括以下步驟:
[0012]I)優(yōu)化參數(shù):根據(jù)實(shí)際需要，通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到量子阱紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)；
[0013]2)制備圖形化襯底:包括在襯底上依次生長緩沖層和底電極接觸層，并按照步驟I)中的優(yōu)化參數(shù)，利用圖形化制備技術(shù)制備具有周期性排布的孔洞結(jié)構(gòu)的掩膜層，形成圖形化襯底；
[0014]3)生長外延晶片:利用精細(xì)外延生長設(shè)備，按照步驟I)中的優(yōu)化參數(shù)，在圖形化襯底上，從掩膜層中的孔洞中生長納米柱陣列，在納米柱陣列的頂部和側(cè)面生長多量子阱，在多量子阱的頂部生長頂電極接觸層；
[0015]4)測(cè)試反饋:利用材料表征設(shè)備對(duì)外延晶片的晶體質(zhì)量、表面形貌以及界面情況進(jìn)行測(cè)試反饋，并測(cè)試外延晶片的光吸收譜，確定光響應(yīng)波段范圍。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I)重新制備，直到獲得符合設(shè)計(jì)要求的外延晶片，進(jìn)入步驟5)；
[0016]5)制備探測(cè)器單元:包括對(duì)外延晶片進(jìn)行臺(tái)面刻蝕、電極蒸鍍以及側(cè)邊鈍化等步驟；
[0017]6)對(duì)探測(cè)器單元進(jìn)行封裝，包括連接熱沉和引線，封裝后對(duì)探測(cè)器單元進(jìn)行測(cè)試以獲取探測(cè)器單元的性能信息。
[0018]其中，在步驟I)中，根據(jù)探測(cè)范圍的需要，采用薛定諤方程和泊松方程自洽求解的方法進(jìn)行模擬計(jì)算；得到優(yōu)化參數(shù):圖形化襯底的周期和孔洞的直徑，多量子阱的勢(shì)皇、勢(shì)阱的材料、厚度和周期數(shù)，底電極接觸層和頂電極接觸層的材料和厚度。
[0019]步驟2)中，制備圖形化襯底包括:①清洗襯底使表面潔凈可用于外延生長；②在潔凈的襯底上生長緩沖層；③在緩沖層上生長底電極接觸層，生長時(shí)應(yīng)進(jìn)行η型摻雜以降低接觸電阻，考慮到臺(tái)面刻蝕容差，厚度應(yīng)不小于200nm ;④按照步驟I)中優(yōu)化參數(shù)得到的圖形化襯底的周期和孔洞的直徑，利用納米壓印方法或聚焦離子束刻蝕方法等制備掩膜層O
[0020]步驟3)中，采用精細(xì)外延設(shè)備進(jìn)行制備，獲得高質(zhì)量外延晶片，具體包括:①清洗圖形化襯底使表面潔凈可用于外延生長；②在圖形化襯底上從掩膜層中的孔洞中生長納米柱陣列在納米柱陣列的頂部和側(cè)面生長多量子講；④在多量子講的頂部生長頂電極接觸層，要求多量子阱的頂部生長并逐漸變寬直至相互合并形成薄膜，頂電極接觸層的材料和摻雜濃度與底電極接觸層相同。
[0021]步驟4)中，采用X射線衍射的搖擺曲線半高寬FWHM的大小表征材料位錯(cuò)密度的螺型分量和刃型分量的大小，采用高精