一种基于Sb化物的中短波双色红外探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于红外光电材料与器件领域，具体涉及一种基于Sb化物的中短波双色红外探测器及其制备方法。

背景技术

红外探测属于无源探测技术，在军用、民用领域有着极其重要的应用。其中，双色红外探测可获取目标不同波段信息，提高抗干扰性能和识别能力、降低虚警率。正常情况下，绝大多数物体自身辐射的波长处于短波红外(1-3μm)和中波红外(3-5μm)范围内，因而中短双色红外探测器在红外预警、导弹制导、医疗成像等领域有广泛应用。

目前，用于中波红外吸收的材料主要有InSb、碲镉汞(HgCdTe)、多量子阱(AlGaAs/GaAs)和II类超晶格(InAs/GaSb)。InSb的量子效率高，但其晶格常数为

用于短波红外吸收的材料目前主要有InGaAs、InGaAsSb、AlGaAsSb三元或四元化合物半导体，但是它们都存在于衬底晶格不匹配的问题，组分控制难导致可重复性差和成本高昂，不利于大规模生产。GaSb半导体带隙宽度为0.75eV，对应截止波长未1.65μm，本身可用于短波红外的吸收和探测，与GaSb衬底和InAs/GaSb超晶格晶格完美匹配，不需要复杂的组分调控，材料稳定性高、生长温度范围广，重复性强。

PMP结构红外探测器中的M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格理论上可降低暗电流提升量子效率，但其提升效果有限，且引入AlSb组分增加了其组分调整的复杂性并降低了可重复性，提高了其成本，综上所述，将中波红外InAs/GaSb超晶格和短波红外GaSb材料结合，制备一种可重复性强、低成本、高性能的中短波双色红外探测器很有必要。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种量子效率高、载流子寿命长、生长过程无需复杂组分调整、可重复性强、成本低、利于规模化生产的基于Sb化物的中短波双色红外探测器及其制备方法。

本发明公开一种基于Sb化物的中短波双色红外探测器的结构，上述本发明提出的基于Sb化物的中短波双色红外探测器的结构包括GaSb衬底和沉积于GaSb衬底上的外延结构，所述外延结构从下至上包括：Te掺杂N型GaSb缓冲层，中波红外InAs/GaSb超晶格N型层，中波红外InAs/GaSb超晶格非故意掺杂吸收层，中波红外InAs/GaSb超晶格P型层，短波红外GaSb体材料P型层，短波红外GaSb体材料非故意掺杂吸收层，短波红外GaSb体材料N型层，所述外延结构侧面经电感耦合等离子体ICP刻蚀形成台阶，使剩余的外延结构呈圆柱形，所述台阶的深度为5000nm，所述台阶深至中波红外InAs/GaSb超晶格N型层，所述台阶的下台面设置有环型的金属下电极，所述金属下电极与Te掺杂N型GaSb缓冲层接触；所述台阶的上台面设置有环型的金属上电极，所述金属上电极与短波红外GaSb体材料N型层接触，环型的所述金属上电极中心的圆孔为通光孔；所述台阶外侧壁从内至外依次设置有硫化层和SiO

本发明技术方案还包括上述基于Sb化物的中短波双色红外探测器制备方法，具体步骤如下：

(1)对GaSb衬底进行除气与脱氧的预处理：除气过程包括低温除气和高温除气，低温除气在分子束外延系统进样室中进行，温度为200℃，除气时间150分钟，低温除气完成后将GaSb衬底转入分子束外延系统缓冲室中进行高温除气，温度为500℃，除气时间60-100分钟，高温除气完成后将GaSb衬底转入分子束外延系统的生长室中进行脱氧处理，逐步给GaSb衬底升温，当温度升高至370℃左右时，打开Sb源炉快门，使GaSb衬底处于Sb

(2)观察GaSb衬底再构情况：使用反射高能电子衍射装置观测步骤(1)处理后的GaSb衬底，高温时GaSb衬底呈现X3再构，再构条纹较稀疏，每两再构点之间有两条再构条纹；低温时GaSb衬底呈现X5再构，再构条纹较密集，每两再构点之间有四条再构条纹；先使GaSb衬底降温呈现X5再构，再逐步升高GaSb衬底温度，观察GaSb衬底由X5再构转变为X3再构时的再构转变温度，并称其为再构温度Tc，确定再构温度Tc；

(3)生长Te掺杂N型GaSb缓冲层：将步骤(2)确定再构温度Tc的GaSb衬底升温至Te掺杂N型GaSb缓冲层的生长温度，生长800nm厚度的Te掺杂N型GaSb缓冲层，生长温度为Tc+110℃，生长速率为0.5ML/s；

(4)生长中波红外InAs/GaSb超晶格N型层：降温GaSb衬底温度，在步骤(3)制得的Te掺杂N型GaSb缓冲层上生长500nm厚度的中波红外InAs/GaSb超晶格N型层，生长温度为Tc-15℃，生长速率为In(0.4ML/s)，Ga(0.5ML/s)；

(5)生长中波红外InAs/GaSb超晶格非故意掺杂吸收层：在步骤(4)制得的中波红外InAs/GaSb超晶格N型层上继续生长1500nm厚度的中波红外InAs/GaSb超晶格非故意掺杂吸收层，生长温度为Tc-15℃，生长速率为In(0.4ML/s)，Ga(0.5ML/s)；

(6)生长中波红外InAs/GaSb超晶格P型层：在步骤(5)制得的中波红外InAs/GaSb超晶格非故意掺杂吸收层上继续生长500nm厚度的中波红外InAs/GaSb超晶格P型层，生长温度为Tc-15℃，生长速率为In(0.4ML/s)，Ga(0.5ML/s)；

(7)生长短波红外GaSb体材料P型层：调整GaSb衬底温度，在步骤(6)制得的中波红外InAs/GaSb超晶格P型层上继续生长500nm厚度的短波红外GaSb体材料P型层，生长温度为Tc-15℃，生长速率为0.5ML/s；

(8)生长短波红外GaSb体材料非故意掺杂吸收层：在步骤(7)制得的短波红外GaSb体材料P型层上继续生长1500nm厚度的短波红外GaSb体材料非故意掺杂吸收层，生长温度为Tc-15℃，生长速率为0.5ML/s；

(9)生长短波红外GaSb体材料N型层：在步骤(8)制得的短波红外GaSb体材料非故意掺杂吸收层上继续生长500nm厚度的短波红外GaSb体材料N型层，生长温度为Tc-15℃，生长速率为0.5ML/s；

(10)对外延结构进行刻蚀：将步骤(9)制得的沉积于GaSb衬底上的外延结构侧面经电感耦合等离子体ICP刻蚀形成台阶，使剩余的外延结构呈圆柱形，刻蚀采用的气体为CH

(11)对外延结构进行硫化处理：使用硫化液对步骤(10)刻蚀得到的台阶侧壁及上下台面进行硫化，硫化采用的硫化液由24g Na

(12)对外延结构进行钝化处理：使用等离子体化学气相沉积法制备200nm厚度的SiO

(13)对外延结构进行光刻开孔处理：对步骤(11)、(12)分别在外延结构的表面制得硫化层和SiO

(14)对外延结构进行蒸发电极处理：对在步骤(13)预设的分别位于台阶上台面和下台面的金属上电极、金属下电极范围进行蒸发电极处理，金属下电极、金属上电极采用电子束蒸发Ti/Pt/Au,厚度分别为50nm/50nm/300nm，其中金属上电极呈环形，形成于台阶上台面，且Ti层与短波红外GaSb体材料N型层接触，金属下电极呈环形，形成于台阶下台面，且Ti层与Te掺杂N型GaSb缓冲层接触。

优选的是，所述步骤(1)中，所述GaSb衬底使用(001)方向的N型GaSb衬底。

优选的是，所述步骤(3)中，所述Te掺杂N型GaSb缓冲层采用碲化镓(GaTe)掺杂，掺杂浓度为1.54×10

优选的是，所述步骤(4)中，所述中波红外InAs/GaSb超晶格N型层生长每周期为8ML InAs/8ML GaSb，每周期厚度为4.86nm，共103周期500nm，所述中波红外InAs/GaSb超晶格N型层掺杂方式为InAs层掺硅Si，掺杂浓度为2.8×10

优选的是，所述步骤(5)中，所述中波红外InAs/GaSb超晶格非故意掺杂吸收层生长每周期为8ML InAs/8ML GaSb，每周期厚度为4.86nm，共309周期1500nm，未掺杂下载流子浓度为10

优选的是，所述步骤(6)中，所述中波红外InAs/GaSb超晶格P型层生长每周期为8ML InAs/8ML GaSb，每周期厚度为4.86nm，共103周期500nm，掺杂方式为GaSb层掺铍Be，掺杂浓度为2.15×10

优选的是，所述步骤(7)中，所述短波红外GaSb体材料P型层采用铍Be掺杂，掺杂浓度为2.15×10

优选的是，所述步骤(8)中，所述短波红外GaSb体材料非故意掺杂吸收层未掺杂下载流子浓度为10

优选的是，所述步骤(9)中，所述短波红外GaSb体材料N型层采用碲化镓(GaTe)掺杂，掺杂浓度为1.54×10

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的外延结构的外延生长使用分子束外延系统，可准确控制生长精度，使最后得到的外延结构与设计值相符合，且均匀性强；

(2)本发明提供的基于Sb化物的中短波双色红外探测器的结构，具有两个吸收通道，可同时实现对短波红外和中波红外的探测，提高了抗干扰性和探测效果；

(3)本发明采用NIPPIN型背靠背双二极管结构，可通过偏压调制使不同吸收通道处于工作模式，从而实现对短波红外和中波红外的分别探测，采用两个厚度大于等于1.5μm的吸收层可提高吸收系数从而提高量子效率和探测率，且结构简单，制备工艺简单，可重复性强；(4)本发明采用InAs/GaSb超晶格二极管对中波红外(3-5μm)响应，可通过周期厚度的调整实现对吸收波长的调控，因此可吸收宽范围的中波红外乃至长波红外，且电子有效质量大、载流子寿命长、量子效率高；

(5)本发明采用GaSb体材料对短波红外(0.9-1.7μm)响应，与GaSb衬底和InAs/GaSb超晶格晶格匹配，省去了复杂的组分调控，生长温度范围广，使生长过程简单可重复性强，利于产业化生产，且体材料采用带间跃迁的载流子工作方式，使量子效率高探测率高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明所举实例中基于Sb化物的中短波双色红外探测器的结构示意图；

图2为本发明所举实例中基于Sb化物的中短波双色红外探测器的结构俯视图；

图3为本发明所举实例中基于Sb化物的中短波双色红外探测器的制备方法流程图；

图4为本发明所举实例中基于Sb化物的中短波双色红外探测器的光谱响应图。

附图标记为：GaSb衬底—1，Te掺杂N型GaSb缓冲层—2，中波红外InAs/GaSb超晶格N型层—3，中波红外InAs/GaSb超晶格非故意掺杂吸收层—4，中波红外InAs/GaSb超晶格P型层—5，短波红外GaSb体材料P型层—6，短波红外GaSb体材料非故意掺杂吸收层—7，短波红外GaSb体材料N型层—8，硫化层—9，SiO2钝化层—10，金属下电极—11，金属上电极—12，通光孔—13。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1、图2所示，一种基于Sb化物的中短波双色红外探测器结构从上至下依次为GaSb衬底—1，Te掺杂N型GaSb缓冲层—2，中波红外InAs/GaSb超晶格N型层—3，中波红外InAs/GaSb超晶格非故意掺杂吸收层—4，中波红外InAs/GaSb超晶格P型层—5，短波红外GaSb体材料P型层—6，短波红外GaSb体材料非故意掺杂吸收层—7，短波红外GaSb体材料N型层—8，台阶侧壁、台阶上台面和台阶下台面设置有硫化层—9和SiO2钝化层—10，台阶上台面设置有金属上电极—12和通光孔—13，其中金属上电极—12与短波红外GaSb体材料N型层—8接触，台阶下台面设置有金属下电极—11与Te掺杂N型GaSb缓冲层—2接触。

(1)对GaSb衬底进行除气与脱氧的预处理：GaSb衬底1使用(001)方向的N型GaSb衬底，除气过程包括低温除气和高温除气，低温除气在分子束外延系统进样室中进行，温度为200℃，除气时间150分钟，低温除气完成后将GaSb衬底转入分子束外延系统缓冲室中进行高温除气，温度为500℃，除气时间60-100分钟，高温除气完成后将GaSb衬底转入分子束外延系统的生长室中进行脱氧处理，逐步给GaSb衬底升温，当温度升高至370℃左右时，打开Sb源炉快门，使GaSb衬底处于Sb

低温除气主要去除衬底表面水分及大量吸附在衬底表面的杂质，高温除气进一步去除余下吸附在衬底表面的杂质及少量氧化物，两次除气可尽可能降低除气时从衬底表面脱离的杂质对生长室的污染。

(2)观察GaSb衬底再构情况：使用反射高能电子衍射装置观测步骤(1)处理后的GaSb衬底，高温时GaSb衬底呈现X3再构，再构条纹较稀疏，每两再构点之间有两条再构条纹；低温时GaSb衬底呈现X5再构，再构条纹较密集，每两再构点之间有四条再构条纹；先使GaSb衬底降温呈现X5再构，再逐步升高GaSb衬底温度，观察GaSb衬底由X5再构转变为X3再构时的再构转变温度，并称其为再构温度Tc，确定再构温度Tc。

在将GaSb衬底1放置于分子束外延样品架的时候，由于夹具的松紧、接触都不尽相同，因此温度监视器表盘显示的衬底温度不一定代表GaSb衬底1实际温度，并且每次都不相同，不利于优化条件，控制重复器件生长，为了解决这个问题，需要使用再构温度Tc校准材料的生长温度。

(3)生长Te掺杂N型GaSb缓冲层：将步骤(2)确定再构温度Tc的GaSb衬底升温至Te掺杂N型GaSb缓冲层的生长温度，生长800nm厚度的Te掺杂N型GaSb缓冲层，采用碲化镓(GaTe)掺杂，掺杂浓度为1.54×10

为GaSb材料更好的Te掺杂效果，对GaSb进行N型Te掺杂时常指的掺杂剂为GaTe或Ga2Te5，Ga2Te5的使用温度为200-300℃，而GaSb材料的外延温度在500℃左右，与外延GaSb相比温度过低，不易控制，易使掺杂浓度不稳定，而GaTe的使用温度为400-550℃，与外延GaSb温度相近，温度更易控制，掺杂稳定性高，重复性强。

(4)生长中波红外InAs/GaSb超晶格N型层：降温GaSb衬底温度，在步骤(3)制得的Te掺杂N型GaSb缓冲层上生长中波红外InAs/GaSb超晶格N型层，每周期为8ML InAs/8MLGaSb，每周期厚度为4.86nm，共103周期500nm，所述中波红外InAs/GaSb超晶格N型层掺杂方式为InAs层掺硅Si，掺杂浓度为2.8×10

(5)生长中波红外InAs/GaSb超晶格非故意掺杂吸收层：在步骤(4)制得的中波红外InAs/GaSb超晶格N型层上继续生长中波红外InAs/GaSb超晶格非故意掺杂吸收层，每周期为8ML InAs/8ML GaSb，每周期厚度为4.86nm，共309周期1500nm，未掺杂下载流子浓度为10

(6)生长中波红外InAs/GaSb超晶格P型层：在步骤(5)制得的中波红外InAs/GaSb超晶格非故意掺杂吸收层上继续生中波红外InAs/GaSb超晶格P型层，每周期为8ML InAs/8ML GaSb，每周期厚度为4.86nm，共103周期500nm，掺杂方式为GaSb层掺铍Be，掺杂浓度为2.15×10

(7)生长短波红外GaSb体材料P型层：调整GaSb衬底温度，在步骤(6)制得的中波红外InAs/GaSb超晶格P型层上继续生长500nm厚度的短波红外GaSb体材料P型层，采用铍Be掺杂，掺杂浓度为2.15×10

(8)生长短波红外GaSb体材料非故意掺杂吸收层：在步骤(7)制得的短波红外GaSb体材料P型层上继续生长1500nm厚度的短波红外GaSb体材料非故意掺杂吸收层，未掺杂下载流子浓度为10

(9)生长短波红外GaSb体材料N型层：在步骤(8)制得的短波红外GaSb体材料非故意掺杂吸收层上继续生长500nm厚度的短波红外GaSb体材料N型层，采用碲化镓(GaTe)掺杂，掺杂浓度为1.54×10

在本实施例中，由于GaSb本身带隙较大，很少有与其晶格匹配且带隙更大的材料作为势垒层，因此本发明的两个通道间没有采取势垒层，而是通过增加掺杂浓度提高P区与N区的势垒高度差，相比而言，中波红外InAs/GaSb超晶格N型层、中波红外InAs/GaSb超晶格P型层、短波红外GaSb体材料P型层等层次结构采用较2×10

(10)对外延结构进行刻蚀：将步骤(9)制得的沉积于GaSb衬底上的外延结构侧面经电感耦合等离子体ICP刻蚀形成台阶，使剩余的外延结构呈圆柱形，刻蚀采用的气体为CH

(11)对外延结构进行硫化处理：使用硫化液对步骤(10)刻蚀得到的台阶侧壁及上下台面进行硫化，硫化采用的硫化液由24g Na

(12)对外延结构进行钝化处理：使用等离子体化学气相沉积法制备200nm厚度的SiO

(13)对外延结构进行光刻开孔处理：对步骤(11)、(12)分别在外延结构的表面制得硫化层和SiO

(14)对外延结构进行蒸发电极处理：对在步骤(13)预设的分别位于台阶上台面和下台面的金属上电极、金属下电极范围进行蒸发电极处理，金属下电极、金属上电极采用电子束蒸发Ti/Pt/Au,厚度分别为50nm/50nm/300nm，其中金属上电极呈环形，形成于台阶上台面，且Ti层与短波红外GaSb体材料N型层接触，金属下电极呈环形，形成于台阶下台面，且Ti层与Te掺杂N型GaSb缓冲层接触，金属下电极、金属上电极采用环形电极既有利于增加通光孔的进光量又能充分收集光生载流子，最下层采用Ti可与材料形成良好的欧姆接触，最表面采用Au一是为了良好的导电性，二是为了在后续的工艺中比较容易打线，保持良好的粘附性和坚固性。

本发明实施例制得的基于Sb化物的中短波双色红外探测器的光谱响应如附图4所示，仪器为Vertex-70傅里叶变换红外光谱仪，测试温度为77K，波长范围为0～5μm，图中可以看出在负偏压条件下探测器的中波通道处于工作模式，此时在2.5～5μm处有较强的光谱响应，对应于InAs/GaSb超晶格的吸收。在正偏压条件下探测器的短波通道处于工作模式，此时在1.25～1.6μm处有较强的光谱响应，对应于GaSb体材料的吸收。

通过实验数据来看，本发明提供的基于InAs/GaSb超晶格和GaSb体材料的中短双色红外探测器可通过偏压调制实现对短波红外和中波红外的同时探测，具有量子效率高、结构简单，无需复杂组分调整，可重复性强的优点，为中短双色红外探测器的规模化生产提供了借鉴。

本发明的短波吸收层使用GaSb体材料，其不仅采用带间跃迁的工作方式量子效率高，且GaSb带隙较大为0.75eV，对应截止波长为1.65μm，与InAs/GaSb超晶格通过周期厚度调整短波截止波长可至2μm相比，其短波截止波长更短，在中短双色红外探测器中可提供更高的对比度，并且GaSb生长温度范围广，无需复杂组分调整，与短波材料使用InGaAsSb体材料相比，其生长可控性更强，可重复性强，成本更低。

本发明的中波吸收层采用InAs/GaSb超晶格，InAs/GaSb超晶格理论上可覆盖短波至长波红外波段，但短波截止波长较长，长波组分调整复杂影响因素多可重复性低，其最成熟的应用波段为3-5μm的中波红外波段，使用PMP结构的M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格理论上可降低暗电流提升量子效率，但其提升效果有限，且引入AlSb组分增加了其组分调整的复杂性并降低了可重复性，提高了其成本，而传统的PIN型InAs/GaSb超晶格在达到同样探测效果的前提下，其组分调整更简单，可重复性强，成本低，通过适当的掺杂调整同样可降低暗电流，提高量子效率，降低串扰。

现有技术中，在设计同类PIN结构的中短双色红外探测器时，短波通道使用InGaAsSb体材料，中波通道使用InAsSb体材料，并设置GaSb缓冲层隔开两个波段器件，以提高材料的质量，两种材料在分别作为短波吸收层和中波吸收层时的组分下，其晶格常数不同，虽理论上可调整与GaSb晶格匹配但不宜控制，偏差较大，因此两个波段器件之间需设置GaSb缓冲层来弥补二者之间的晶格常数差异，提高材料的外延质量，该GaSb缓冲层作用为两通道间的势垒层，势垒层需满足两个条件：一是与两通道的材料晶格匹配，二是带隙宽度要大于两通道材料的带隙才可减少两通道间载流子输运的串扰，降低暗电流，提升探测器探测性能。

而本发明采用了NIPPIN型背靠背双二极管结构，中波通道采用InAs/GaSb超晶格，短波通道采用GaSb体材料，其一两种材料本身就晶格匹配，因此无需两个波段器件之间的缓冲层，更无需复杂的组分调整，其二本发明中短波通道使用GaSb体材料，其带隙为0.75eV,由于其带隙较大，很少有与其晶格匹配且带隙更大的材料作为势垒层，因此本发明的两个通道间没有采取势垒层，而是通过增加掺杂浓度提高P区与N区的势垒高度差来降低两通道间串扰，降低暗电流，通过理论模拟及实验验证，在没有势垒层通过改变掺杂的方式，本发明可实现低串扰低暗电流高量子效率高探测率的探测性能，相比而言，在实现相同的探测效果下，制备工艺简单，可重复性强，成本更低。