[發明專利]一種氮化物寬勢壘多量子阱紅外探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 201410010267.9
• 申請日: 2014-01-09
• 公開（公告）號: CN103762262A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 王新強;陳廣;沈波;榮新;許福軍;張國義
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/0352;H01L31/0304;H01L31/18
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 王巖

技術領域

本發明涉及紅外探測器技術，尤其涉及一種基于氮化物半導體的寬勢壘多量子阱紅外探測器及其制備方法。

背景技術

量子阱紅外探測器是利用半導體多量子阱或者超晶格材料制成的，利用量子阱導帶內子能帶間或子能帶到擴展態間的電子躍遷制成的探測器。具有響應速度快、穩定性好、抗輻射、材料均勻和易于制做大面積焦平面列陣等優點。傳統的量子阱紅外探測器及其大規模陣列已經在第一代半導體（Si、Ge）以及第二代半導體（III-V族半導體）中實現，在精確制導、紅外成像、熱成像等軍用和民用領域具有極其廣泛的應用。但由于其禁帶寬度覆蓋范圍的限制，現有的多量子阱紅外探測器只能滿足波長大于2.3μm紅外波段的探測，不能探測如850nm，1310nm以及1550nm的光通信波段，限制了其在超快光通信領域的應用。

III族氮化物屬第三代半導體材料，以GaN、AlN、InN二元合金，InGaN、AlGaN、InAlN三元合金以及InAlGaN四元合金為主要成員。其連續可調的禁帶寬度范圍達到0.7eV-6.2eV，并且具有極高的擊穿電場，高熱導率，高電子飽和遷移速度、更強的抗輻射能力以及更短的弛豫時間（～fs）。III族氮化物半導體材料制備的多量子阱紅外探測器，可以實現從1μm（300THz）到亞毫米波（THz）波段的全紅外光譜探測覆蓋，并將傳統的多量子阱紅外探測器的響應時間進一步提高兩個數量級，在超快光通信和光調制領域有著廣闊的前景。同時，通過進一步利用III族氮化物紫外擴展的特性，制備出單片多色集成的探測器，可以實現超低虛警率、超快響應時間、更小元器件體積以及更高分辨率面陣的探測。

由于III族氮化物同質襯底制備困難并且成本極高，現階段大面積的同質襯底還很難獲得，因此，制備III族氮化物材料利用分子束外延（MBE）和金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）等手段，在藍寶石、碳化硅以及單晶硅等襯底上實現異質外延生長。由于外延膜與襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配，異質外延制備的III族氮化物薄膜晶體質量較差，位錯密度可達10⁷-10¹⁰cm^-2，形成了高密度的暗電流通道；同時，傳統多量子阱紅外探測器，一般液氦溫區下暗電流密度達到A/cm^-2的量級，遠遠大于光電流密度，因此探測器很難提取到光電流信號。

發明內容

針對以上現有技術存在的問題，本發明提出了一種通過增加勢壘寬度來降低暗電流的隧穿效應，同時增加有效光響應的探測范圍的探測器，從而實現光電流探測。

本發明的一個目的在于提供一種基于氮化物半導體的寬勢壘多量子阱紅外探測器。

本發明的寬勢壘多量子阱紅外探測器包括：襯底、底電極接觸層、多量子阱、頂電極接觸層、頂電極和底電極以及鈍化層；其中，在襯底上生長底電極接觸層；在底電極接觸層的一部分上依次為多量子阱、頂電極接觸層和頂電極；在底電極接觸層的一部分上為底電極；在多量子阱、頂電極接觸層和頂電極的側面覆蓋有鈍化層，以及在底電極的側面覆蓋有鈍化層；多量子阱中的每個量子阱為寬勢壘，以阻擋暗電流通過；并且多量子阱的總寬度滿足能夠讓光電流通過；多量子阱的勢壘或者勢阱中為重摻雜。

傳統的多量子阱紅外探測器，由于量子阱為窄勢壘，相鄰量子阱之間子帶相互耦合，電子可以通過隧穿作用穿過勢壘，使得勢壘失去了阻擋暗電流的作用，導致暗電流密度遠遠大于光電流，因此很難探測到光電流。由于氮化物多量子阱紅外探測器處在極化場作用下，形成了低能態等效勢壘寬，高能態等效勢壘窄的三角形勢壘結構。通過適當地加寬勢壘可以有效阻擋基態隧穿暗電流，但由于躍遷子帶能級仍處于阱口的位置，因此如果只是簡單的將量子阱的寬度增加，又會造成對光電流的阻擋。本發明根據實際需要，通過能帶理論模擬計算，對多量子阱的勢壘寬度、勢阱寬度以及多量子阱的材料進行模擬和優化，采用寬勢壘的量子阱，相鄰的量子阱之間子帶不能耦合，形成獨立的量子阱，從而阻擋基態隧穿暗電流通過。同時，通過精確控制勢壘層的組分和寬度，使得光電流可以通過激發態子帶有效通過，以提高器件信號噪聲比。通常單個勢壘的寬度≥10nm，多量子阱的總寬度≥30nm，以阻擋暗電流通過；并且，為了保證光電流能夠順利通過，多量子阱的厚度不能太寬，同時多量子阱的總厚度與外加偏壓的大小有關，在通常外加偏壓±5V的情況下，多量子阱的總厚度≤1μm，以保證光電流通過。多量子阱中，一個量子阱為一個周期，多量子阱的總厚度=量子阱寬度×周期數。多量子阱的材料采用三族氮化物。