[發(fā)明專利]砷化鎵量子環(huán)紅外光電探測器及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310322211.2
• 申請日: 2013-07-30
• 公開（公告）號: CN103367481A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發(fā)明（設計）人: 巫江;劉利輝;劉沈廳;余鵬;徐星亮;丁慶華;李含東;周志華;王志明
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/0304;H01L31/18
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 謝敏

技術領域

本發(fā)明涉及紅外光電探測器領域，尤其是涉及一種砷化鎵量子環(huán)紅外光電探測器及其制造方法。?

背景技術

紅外輻射覆蓋一個非常寬的電磁波段：0.78微米至1000微米。在正常溫度下（小于2000?開爾文），物體的熱輻射主要位于紅外波段。由此，紅外探測系統(tǒng)被廣泛用于夜視、火控、導航、醫(yī)療成像，目標偵察、精確制導，通信、搜索、礦產(chǎn)勘探，防偽探測、導彈跟蹤攔截，電子設備過熱監(jiān)控，安全監(jiān)控等多個領域。?

目前主流技術使用的碲鎘汞晶體材料有明顯的弱勢：（1）晶體生長過程中組分不易均勻控制，難以生長大尺寸高質(zhì)量晶體結(jié)構(gòu)；（2）理想的襯底基片難以獲取。為滿足國防航天應用的高性能要求，采用外延技術制備高質(zhì)量量子材料是實現(xiàn)大規(guī)模陣列的高效率紅外探測器的途徑之一。外延生長制備的砷化鎵（砷化鎵）系列量子材料具有一系列優(yōu)勢：（1）成熟的生長制備和器件工藝；（2）高質(zhì)量高均一度大尺寸（大于6英寸）的分子束外延生長；（3）高熱穩(wěn)定性和抗輻射性強；（4）高工作溫區(qū)。?

但是目前廣泛采用的砷化銦/砷化鎵（InAs/砷化鎵）量子點紅外探測器的探測效率很低，主要原因在于量子點對入射光的吸收非常有限。?

目前增加InAs/砷化鎵?量子點紅外探測器效率的途徑有:?(1)增加量子點疊層的數(shù)目；(2)?增加量子點的面密度；（3）采用量子阱應力釋放層或者應力層。前兩種方法在量子點層數(shù)增加到一定程度會因為應力越來越大導致位錯等缺陷的大量產(chǎn)生，從而降低紅外探測器的效率。第（3）種方法也只能在一定程度上緩解傳統(tǒng)InAs/砷化鎵量子點應變存在帶來對器件負面影響的嚴重問題，但效果并不明顯。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術問題就在于：針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種能夠有效避免晶格失配應力的砷化鎵量子環(huán)紅外光電探測器及其制造方法。?

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術方案。?

砷化鎵量子環(huán)紅外光電探測器，包括襯底層、生長在襯底層上的砷化鎵緩沖層，和在砷化鎵緩沖層上依次生長的砷化鎵接觸層、砷化鎵鋁底部間隔層、量子環(huán)結(jié)構(gòu)層；所述量子環(huán)結(jié)構(gòu)層至少有2層，該2層或多層量子環(huán)結(jié)構(gòu)層層疊在一起。本方案中通過采用在器件外延生長過程中在砷化鎵鋁勢壘材料中生長出三維結(jié)構(gòu)的砷化鎵量子環(huán)的方式，避免晶格失配應力，從而可以通過增加量子結(jié)構(gòu)的疊層數(shù)來提高探測器有源區(qū)的光吸收，增加紅外光電探測器的探測效率，具有突出的特點。具體來說，本方案中通過采用液滴外延技術，從而避免了傳統(tǒng)量子點探測器中對晶格失配材料的使用，這也將提高器件的材料質(zhì)量和器件結(jié)構(gòu)設計的靈活度。液滴外延技術是一種較為新穎的外延技術，目前的研究主要集中于材料生長和材料物理性質(zhì)的研究。本發(fā)明利用該技術能用于制備無應變納米材料的優(yōu)勢，首次將其引入探測器中，克服了現(xiàn)有應變量子阱、量子點探測器的不足。?

作為本方案的進一步改進，上述量子環(huán)結(jié)構(gòu)層包括量子環(huán)層、第一砷化鎵鋁間隔層和第二砷化鎵鋁間隔層，其中第一砷化鎵鋁間隔層形成在量子環(huán)層上，第二砷化鎵鋁間隔層形成在第一砷化鎵鋁間隔層上。?

進一步，上述砷化鎵量子環(huán)紅外光電探測器，還包括：砷化鎵覆蓋層、第一電極和第二電極，其中砷化鎵覆蓋層形成在上述量子環(huán)結(jié)構(gòu)層上，第一電極形成在上述砷化鎵覆蓋層上，第二電極形成在上述砷化鎵接觸層上或者上述襯底層上。?

優(yōu)選的，上述襯底層為半絕緣型砷化鎵單晶片或者n型砷化鎵單晶片；上述砷化鎵緩沖層為本征砷化鎵層或者n型砷化鎵層；上述砷化鎵接觸層為n型砷化鎵層；上述砷化鎵鋁底部間隔層為本征砷化鎵鋁層。?

優(yōu)選的，上述量子環(huán)層包括被晶化的硅摻雜的納米金屬鎵液滴。?

砷化鎵量子環(huán)紅外光電探測器的制造方法，包括以下步驟：?

步驟11、提供襯底層；

步驟12、在襯底層上上形成砷化鎵緩沖層；

步驟13、在砷化鎵緩沖層上形成砷化鎵接觸層；

步驟14、在砷化鎵接觸層上形成砷化鎵鋁底部間隔層；

步驟15、在砷化鎵鋁底部間隔層形成至少兩層層疊在一起的量子環(huán)結(jié)構(gòu)層。

本方案中，砷化鎵量子環(huán)紅外光電探測器的制造方法中使用的生長方法可以避免傳統(tǒng)量子點探測器中浸潤層的形成，進而實現(xiàn)真正的三維量子束縛，有助于增加光生載流子和減小暗電流。另外，利用該方案利用的特殊生長模式有助于擴展到其他材料體系，而不至于將器件的設計局限于非常有限的材料體系中。?

進一步、上述步驟15中在砷化鎵鋁底部間隔層形成至少兩層層疊在一起的量子環(huán)結(jié)構(gòu)層，具體包括：?

步驟151、形成量子環(huán)層；