红外探测器及其制备方法

技术领域

本公开涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种红外探测器及其制备方法。

背景技术

红外线是一种肉眼不可见的光线，又称为红外辐射。红外辐射的波长介于可见光和微波之间，红外辐射根据来源不同，蕴含的信息也不同，探测并分析目标的红外辐射是一种快速获取信息的有效方式。红外探测器是实现探测过程的关键元器件，可分为红外热探测器和光红外光电探测器。其中，红外光电探测器通过选择特定半导体作为吸收区，能够吸收特定区间红外辐射并生成光生载流子，将光信号转化为可分析的电信号，相比于红外热探测器有更高的灵敏度和更快的响应速度。广泛地应用于国防、科研以及民用等方面。

在传统的低温红外探测系统中，红外探测器需与外设制冷器耦合使用，整个红外探测系统十分臃肿复杂。而目前常用的势垒型结构的红外探测器，例如nBn和pBn结构的器件多以扩散电流为主导，导致器件的响应速度较慢，因此，需要提出一种新的红外探测器结构，以解决上述红外探测系统结构复杂、响应速度慢的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本公开提供了一种红外探测器及其制备方法，以解决现有技术中探测系统结构复杂、响应速度慢的问题。

本公开的第一方面提供了一种红外探测器，包括：

衬底；

势垒绝缘缓冲层，设置于所述衬底上；以及

至少一个叠层单元，所述至少一个叠层单元均匀设置于所述势垒绝缘缓冲层上，每个所述叠层单元均包括：

超晶格吸收区，设置于所述势垒绝缘缓冲层上的中间位置；

p型接触区，设置于所述超晶格吸收区一侧面；

n型接触区，设置于所述超晶格吸收区另一侧面，所述另一侧面与所述p型接触区所在的侧面相对应；

金属电极，分别设置于所述p型接触区和所述n型接触区上；

势垒绝缘保护层，设置于所述超晶格吸收区上；

钝化保护层，设置于所述势垒绝缘保护层上；

掩膜保护层，分别设置于所述势垒绝缘缓冲层上的两侧位置、所述p型接触区的侧面、所述n型接触区的侧面以及所述钝化保护层上。

根据本公开的实施例，所述超晶格吸收区的制备材料为非故意掺杂InAs/InAs

根据本公开的实施例，所述势垒绝缘缓冲层与所述势垒绝缘保护层的制备材料均为锑化物材料，所述锑化物材料为：二元AlSb、三元AlAsSb、四元AlGaAsSb以及数字合金AlAsSb/AlSb中的至少一种。

根据本公开的实施例，所述衬底的制备材料为硅、砷化镓、锑化镓、砷化铟中的至少一种。

根据本公开的实施例，所述金属电极的制备材料为Au、Ag、Cu、Pt、Cr、Ni、Al、Ti中的至少一种。

根据本公开的实施例，所述掩膜保护层的厚度为1-3μm。

本公开的第二方面提供了一种红外探测器的制备方法，应用于制备上述第一方面所述的红外探测器，所述方法包括：

在衬底上依次外延形成势垒绝缘缓冲层、超晶格吸收区、势垒绝缘保护层和钝化保护层；

对所述势垒绝缘保护层和钝化保护层两侧进行刻蚀，以露出超晶格吸收区两侧的上表面；

在所述势垒绝缘缓冲层两侧的上表面、所述超晶格吸收区两侧面及两侧上表面、所述势垒绝缘保护层的两侧面、所述钝化保护层的两侧面及上表面分别制备掩膜保护层；

对部分所述掩膜保护层进行刻蚀，以制备p型接触区上和n型接触区，所述部分所述掩膜保护层位于所述超晶格吸收区两侧上表面、所述势垒绝缘保护层的两侧面及所述钝化保护层的两侧面；

在所述p型接触区上表面和所述n型接触区上表面分别制备形成金属电极。

根据本公开的实施例，所述p型接触区和所述n型接触区均通过原位扩散或离子注入方式进行制备。

根据本公开的实施例，所述p型接触区的掺杂离子类型为硼、铝或铊中的至少一种；

所述n型接触区的掺杂离子类型为硅、锗或锡中的至少一种。

根据本公开的实施例，所述p型接触区和所述n型接触区的离子掺杂浓度范围均为10

本公开通过采用二类超晶格InAs/InAsSb材料制备超晶格吸收区，p型接触区、超晶格吸收区和n型接触区共同构成PIN结构，借助横向的InAs/InAsSb超晶格PIN结构构成载流子高速迁移沟道以提高红外探测器的响应速度，制备得到的红外探测器具有高工作温度、结构简单、响应速度快、红外波段覆盖范围广的优点。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的剖面结构示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的剖面结构示意图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的制备方法的流程示意图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的制备方法制备的红外探测器在步骤S1的剖面结构示意图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的制备方法制备的红外探测器在步骤S2的剖面结构示意图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的制备方法制备的红外探测器在步骤S3的剖面结构示意图；以及

图7示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的制备方法制备的红外探测器在步骤S4的剖面结构示意图。

附图标记说明：

1-衬底；2-势垒绝缘缓冲层；3-超晶格吸收区；4-p型接触区；5-金属电极；6-势垒绝缘保护层；7-钝化保护层；8-掩膜保护层；9-n型接触区。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的剖面结构示意图。

如图1所示，该红外探测器包括：衬底1，设置于该衬底1上的势垒绝缘缓冲层2，以及一个叠层单元，该叠层单元设置于势垒绝缘缓冲层2上，该叠层单元包括：设置于该势垒绝缘缓冲层2上的超晶格吸收区3，设置于该超晶格吸收区3一侧面的p型接触区4，设置于该超晶格吸收区3另一侧面的n型接触区9，该另一侧面与p型接触区4所在的侧面相对应，分别设置于p型接触区4和n型接触区9上的金属电极5，设置于超晶格吸收区3上的势垒绝缘保护层6，设置于势垒绝缘保护层6上的钝化保护层7，以及分别设置于势垒绝缘缓冲层2上的两侧位置、p型接触区4的侧面、n型接触区9的侧面以及钝化保护层7上的掩膜保护层8。

在一些实施例中，超晶格吸收区3的制备材料为非故意掺杂InAs/InAs

在一些实施例中，势垒绝缘缓冲层2与势垒绝缘保护层6的制备材料均为锑化物材料，该锑化物材料为：二元AlSb、三元AlAsSb、四元AlGaAsSb以及数字合金AlAsSb/AlSb中的至少一种。

在一些实施例中，衬底1的制备材料为硅、砷化镓、锑化镓、砷化铟中的至少一种。

在一些实施例中，金属电极5的制备材料为Au、Ag、Cu、Pt、Cr、Ni、Al、Ti中的至少一种。

在一些实施例中，掩膜保护层8的厚度为1-3μm。

图2示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的剖面结构示意图。

如图2所示，该红外探测器包括：衬底1，设置于该衬底1上的势垒绝缘缓冲层2，以及三个叠层单元，该叠层单元均匀设置于势垒绝缘缓冲层2上，该叠层单元结构与图1所示的叠层单元结构相同，三个叠层单元均包括：设置于该势垒绝缘缓冲层2上的超晶格吸收区3，设置于该超晶格吸收区3一侧面的p型接触区4，设置于该超晶格吸收区3另一侧面的n型接触区9，该另一侧面与p型接触区4所在的侧面相对应，分别设置于p型接触区4和n型接触区9上的金属电极5，设置于超晶格吸收区3上的势垒绝缘保护层6，设置于势垒绝缘保护层6上的钝化保护层7，以及分别设置于势垒绝缘缓冲层2上的两侧位置、p型接触区4的侧面、n型接触区9的侧面以及钝化保护层7上的掩膜保护层8。

本公开通过采用二类超晶格InAs/InAsSb材料制备超晶格吸收区，由于无镓二类超晶格InAs/InAsSb材料的横向电子迁移率高于纵向电子迁移率，因此设计p型接触区、超晶格吸收区和n型接触区共同构成横向PIN结构，以提高红外探测器的响应速度，制备得到的红外探测器结构简单，可在高工作温度下实现快速探测。

图3示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的制备方法的流程示意图，该制备方法应用于制备如图1所示的红外探测器，该制备方法包括步骤S1-S5。

步骤S1，在衬底上依次外延形成势垒绝缘缓冲层、超晶格吸收区、势垒绝缘保护层和钝化保护层。

步骤S2，对势垒绝缘保护层和钝化保护层两侧进行刻蚀，以露出超晶格吸收区两侧的上表面。

步骤S3，在势垒绝缘缓冲层两侧的上表面、超晶格吸收区两侧面及两侧上表面、势垒绝缘保护层的两侧面、钝化保护层的两侧面及上表面分别制备掩膜保护层。

步骤S4，对部分掩膜保护层进行刻蚀，以制备p型接触区和n型接触区，该部分掩膜保护层位于超晶格吸收区两侧上表面、势垒绝缘保护层的两侧面及钝化保护层的两侧面。

步骤S5，在p型接触区的上表面和n型接触区的上表面分别制备形成金属电极。

在一些实施例中，该p型接触区4和n型接触区9均通过原位扩散或离子注入方式进行制备。

在一些实施例中，p型接触区4的掺杂离子类型为硼、铝或铊中的至少一种，n型接触区9的掺杂离子类型为硅、锗或锡中的至少一种。

在一些实施例中，该p型接触区4和该n型接触区9的离子掺杂浓度范围均为10

图4示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的制备方法制备的红外探测器在步骤S1的剖面结构示意图，图5示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的制备方法制备的红外探测器在步骤S2的剖面结构示意图，图6示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的制备方法制备的红外探测器在步骤S3的剖面结构示意图，图7示意性示出了根据本公开实施例的一种红外探测器的制备方法制备的红外探测器在步骤S4的剖面结构示意图。

以下结合图1及图4-7对具有一个叠层单元的红外探测器的制备方法作具体说明。

参考图4，进行上述步骤S1：在衬底上依次外延形成势垒绝缘缓冲层、超晶格吸收区、势垒绝缘保护层和钝化保护层。

具体的，在本实施例中，衬底1的材料为GaSb，首先采用分子束外延、金属有机化合物化学气相外延或者磁控溅射的方法，以宽禁带锑化物材料作为制备势垒绝缘缓冲层2的材料，在衬底1上外延生长形成势垒绝缘缓冲层2，其中，该锑化物材料包括二元AlSb、三元AlAsSb、四元AlGaAsSb以及数字合金AlAsSb/AlSb中的至少一种。

进一步的，在势垒绝缘缓冲层2上采用分子束外延、金属有机化合物化学气相外延方法，外延InAs/InAs

进一步的，采用分子束外延、金属有机化合物化学气相外延或者磁控溅射方法，在超晶格吸收区3上外延宽禁带的锑化物材料以形成势垒绝缘保护层6，其中，该锑化物材料包括二元AlSb、三元AlAsSb、四元AlGaAsSb以及数字合金AlAsSb/AlSb中的至少一种。

最后在势垒绝缘保护层6上，采用分子束外延、金属有机化合物化学气相外延或者磁控溅射等方法，外延形成钝化保护层7。其中，外延形成钝化保护层7所采用的外延材料为化学性质稳定的材料，这些化学性质稳定的材料具有相似的晶格常数，包括：二元(InAs、InP、AlSb、GaSb)、三元(InAsSb、AlAsSb、AlGaAs)、四元AlGaAsSb以及数字合金AlAsSb/AlSb中的至少一种。

参考图5，进行上述步骤S2：对势垒绝缘保护层和钝化保护层两侧进行刻蚀，以露出超晶格吸收区两侧的上表面。

具体的，先用光刻胶定义出需要被刻蚀的区域，采用光刻胶、氧化硅或氮化硅硬掩模、金属掩膜等作为刻蚀掩膜，对势垒绝缘保护层6和钝化保护层7的两侧进行刻蚀，直至暴露出超晶格吸收区3两侧的上表面，采用的刻蚀方法包括ICP刻蚀和湿法腐蚀中的至少一种。

参考图6，进行上述步骤S3：在势垒绝缘缓冲层两侧的上表面、超晶格吸收区两侧面及两侧上表面、势垒绝缘保护层的两侧面、钝化保护层的两侧面及上表面分别制备掩膜保护层。

具体的，采用等离子体化学增强沉积、电感耦合、等离子体增强化学气相沉积、溅射或者电子束诱导沉积等方法，在经上述步骤S3得到的器件表面蒸镀氧化硅、氮化硅或者氧化铝等半导体工艺中常用的硬掩模材料，以使势垒绝缘缓冲层2两侧的上表面、超晶格吸收区3两侧面及两侧上表面、势垒绝缘保护层6的两侧面、钝化保护层7的两侧面及上表面均形成掩膜保护层8。本实施例中，掩膜保护层8的材料为SiO

参考图7，进行上述步骤S4：对部分掩膜保护层进行刻蚀，以制备p型接触区和n型接触区，该部分掩膜保护层位于超晶格吸收区两侧上表面、势垒绝缘保护层的两侧面及钝化保护层的两侧面。

具体的，首先对超晶格吸收区3一侧上表面、势垒绝缘保护层6一侧面及钝化保护层7一侧面的掩膜保护层8进行刻蚀，以暴露出p型接触区4所在区域，随后采用原位扩散或者离子注入的方式，使掺杂的硼、铝或铊等元素进入p型接触区4所在区域，以形成掺杂浓度为10

接下来，在p型接触区4所在一侧的表面，再次蒸镀形成掩膜保护层8，并对超晶格吸收区3另一侧上表面、势垒绝缘保护层6另一侧面及钝化保护层7另一侧面的掩膜保护层8进行刻蚀，以暴露出n型接触区9所在区域，同样采用原位扩散或者离子注入的方式，使掺杂的硅、锗或锡等元素进入n型接触区9的所在区域，以形成掺杂浓度为10

参考图1，进行上述步骤S5：在p型接触区的上表面和n型接触区的上表面分别制备形成金属电极。

具体的，采用电子束蒸发、热蒸发或者溅射等方法，在p型接触区4的上表面和n型接触区9的上表面分别制备形成金属电极5。金属电极的材料类型包括但不限于Ti/Au膜系，可以是Au、Ag、Cu、Pt、Cr、Ni、Al、Ti等半导体工艺中常用的金属中的一种或任意组合。

综上，本公开通过设计p型接触区、超晶格吸收区和n型接触区共同构成横向PIN结构，解决了现有技术中nBn和pBn结构导致的器件响应速度慢的问题，同时进一步采用二类超晶格InAs/InAsSb材料制备超晶格吸收区，利用无镓二类超晶格InAs/InAsSb材料的横向电子迁移率高于纵向电子迁移率，进一步提高了红外探测器的响应速度，制备得到的红外探测器结构简单，红外波段覆盖范围广，可在高工作温度下实现快速探测。且通过本公开提供的红外探测器的制备方法，可实现红外探测器的大规模量产，且可根据应用环境，设计多个叠层单元，以提高红外探测器性能，满足不同应用需求。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。