[發明專利]晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法

無效

• 申請號: 201110044512.4
• 申請日: 2011-02-22
• 公開（公告）號: CN102176489A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發明（設計）人: 張永剛;顧溢
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/0256;H01L31/0304
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 宋纓;孫健

技術領域

本發明屬于半導體光電探測器外延結構領域，特別涉及一種晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法。

背景技術

半導體光電探測器一般屬于量子型的探測器，其發明已有百余年歷史，可以采用各種半導體材料，在眾多領域都有重要應用。半導體光電探測器的結構已由簡單的體材料發展到復雜的異質結、量子阱、超晶格等微結構材料，涉及的波長范圍由早期在可見-近紅外的狹窄波段拓展到整個紫外、可見、近紅外、中紅外乃至遠紅外波段，材料體系也包含VI、III-V、II-VI、IV-VI及有機化合物等等，也有光導、光伏等多種類型，不一而足，最常見的是基于pn結的光伏型光電探測器。目前典型的采用III-V族化合物材料的pn結型光電探測器一般是在InP、GaAs、GaSb、InAs等襯底上用外延方法上制作，其基本結構包括一個導電緩沖層(可兼作下接觸層)、一個低摻雜(或非故意摻雜)的光吸收層和一個帽層，在帽層中可以采用外延原位摻雜、外延后擴散摻雜或離子注入等方法形成pn結。一般帽層希望采用禁帶較寬的材料以利于透光和提高器件性能。

為提高材料生長質量，在緩沖層、光吸收層和帽層材料的選擇上優先考慮與襯底晶格匹配的體系，這樣可以提高器件性能和避免一系列由于晶格失配造成的困難。以短波紅外波段常用的III-V族材料InP和InGaAs為例：探測器的光吸收層采用與InP襯底晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As三元系，緩沖層和帽層可以用InP，也可以用禁帶更寬的晶格匹配In_0.52Al_0.48As三元系。In_0.53Ga_0.47As三元系材料在室溫下的帶隙約0.75eV，對應的帶隙波長約1.65μm，因此探測器的峰值響應波長可達約1.6μm，且在約1-1.6μm的波段上有平坦的響應，在此波段上其內量子效率可大于90％且基本維持不變。對于需要寬波段響應的應用，這種具有寬譜平坦響應的特點十分有利，但由于In_0.53Ga_0.47As材料的帶隙相對較窄，器件的暗電流會較高，實際應用中要降低暗電流只能靠降低工作溫度，給一些應用場合帶來困難。再拿這個波段上的In_0.53Ga_0.47As探測器和Si探測器做個比較：Si的帶隙約1.12eV對應的截止波長約1.1μm。對于同樣探測約1μm左右的光而言，這兩種探測器可以具有相同的量子效率或光響應，而由于Si的帶隙要明顯大于In_0.53Ga_0.47As，Si探測器的暗電流要低數個量級，因此在系統性能方面會有十分顯著的優勢。而對于需要探測波長大于Si的帶隙波長的光如1.3μm的光時，Si探測器就無能為力了。然而注意到，在許多應用場合下人們并不需要很寬的光譜響應，例如：對航天遙感中1.36μm和1.12μm附近水汽波段的探測，約0.1μm的響應譜寬就足以符合要求；再如：醫學光治療研究中單態氧的熒光檢測需要探測的光的中心波長在1.27μm，需要的光譜帶寬僅幾十納米，顯然這些應用中是無法采用Si探測器的。這些應用系統中還常要求探測光譜范圍盡量窄以減小干擾，在使用寬響應光譜探測器的情況下這就需要使用窄帶帶通濾光片等方法加以實現，這一方面加大了光損耗和系統復雜程度，另一方面也沒有充分發揮器件的性能。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種晶格匹配體系上裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法，該材料的生長方法簡單，通過對光電探測器光吸收層帶隙的裁剪設定，在基本不改變原有器件設計的前提下顯著改善器件性能，探測率改善3倍以上，材料生長和器件芯片加工工藝也基本維持不變；既適合一些不同種類的III-V族化合物材料體系光電探測器件的制作，也適合其他類型的光電器件及電子器件的制作及拓展到其他材料體系，具有良好的應用前景。

本發明的一種裁剪帶隙波長提高光電探測器性能的方法，包括：

采用分子束外延法或金屬有機物氣相外延法，在襯底上生長晶格匹配的緩沖層、光吸收層和寬禁帶帽層得到光電探測器件外延結構；其中，生長過程中對光吸收層的帶隙進行裁剪設定，在滿足應用中對光電探測器長波端截止波長要求的前提下選取寬帶隙。

所述襯底為半絕緣或高摻雜導電襯底，材料為InP。

所述緩沖層材料為與襯底晶格匹配的InP、In_0.52Al_0.48As或In_0.53Ga_0.47As，厚度為0.2-2微米。