[發明專利]一種無鋁型II類超晶格長波雙勢壘紅外探測器

有效

• 申請號: 201610351898.6
• 申請日: 2016-05-25
• 公開（公告）號: CN105789364B
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發明（設計）人: 周易;陳建新;王芳芳;徐志成
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/11;H01L31/0352
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種無鋁型II類超晶格雙勢壘長波紅外探測器，其具體結構為GaSb襯底向上依次為超晶格長波N型接觸層、超晶格空穴勢壘層、超晶格長波吸收區、超晶格中波電子勢壘層和超晶格長波P型接觸層，上電極TiPtAu位于超晶格長波N型接觸層上，下電極TiPtAu位于超晶格長波P型接觸層上。本發明公開的結構利用無鋁型雙勢壘的設計和引入獲得暗電流小、探測率高，信噪比大的長波超晶格紅外探測器。

技術領域

本發明涉及一種紅外探測器，具體涉及一種無鋁型II類超晶格長波紅外探測器的縱向器件結構，它應用于高性能長波紅外焦平面探測器及成像系統核心元器件。

背景技術

生長在GaSb襯底上的InAs/GaSb II類超晶格是第三代紅外焦平面探測器的優選材料，近年來，美國、德國、日本等國都在大力發展基于該II類超晶格的紅外探測技術。InAs/GaSb異質材料體系具有十分特殊的能帶排列結構，InAs禁帶寬度小于InAs/GaSb的價帶偏移，因此InAs的導帶底在GaSb的價帶頂之下，構成II類超晶格。這就導致電子和空穴在空間上是分離的，電子限制在InAs層中，而空穴限制在GaSb層中，其有效禁帶寬度為電子微帶至重空穴微帶的能量差。InAs/GaSb II類超晶格的優勢還在于能吸收正入射光，具有高的量子效率，低的俄歇復合和漏電流，易于實現高的工作溫度。成熟的III-V族化合物的分子束外延生長技術為高性能II類超晶格的制備提供了技術支持。更為重要的是，II類超晶格材料體系給予探測器結構更多的可能性去設計多勢壘結構，改善器件輸運，并利用結構設計降低長波探測器的暗電流，提高器件性能。

目前InAs/GaSb II類超晶格探測器主要是PIN結構，紅外輻射在吸收區I層中被吸收，產生光生載流子，擴散到耗盡區，被電極收集，形成光生電壓。但對長波超晶格探測器，由于禁帶寬度較窄，探測器的產生復合電流和隧穿電流大大影響了探測器的電學性能，提高了噪聲。因此利用超晶格探測器能帶結構靈活可調的特點，引入雙勢壘結構，可以一方面通過對耗盡區電場強度的抑制降低器件的產生復合電流和隧穿電流，從而大大提高該紅外探測器的信噪比和探測率。

為了提高器件量子效率，長波超晶格探測器的吸收區一般進行P型補償摻雜，器件的耗盡區將處于N型接觸區和P型吸收區之間，因此勢壘結構中空穴勢壘設計將是抑制耗盡區電場強度的關鍵。傳統的空穴勢壘一般由InAs/AlSb多量子阱結構或者InAs/GaSb/AlSb/GaSb的M型結構形成，這兩種結構都含有Al元素。Al元素在分子束外延生長中有較低的表面遷移率，且化學性質活潑，易與腔體中殘留的氧和碳發生反應，從而降低器件的電學性能。

發明內容

本發明的目的是設計一種無鋁型II類超晶格雙勢壘長波紅外探測器結構，解決目前存在以下技術問題：

1.超晶格長波探測器PIN結構暗電流水平偏高的問題；

2.空穴勢壘一般含Al元素，有較低的表面遷移率，且化學性質活潑，從而降低器件的電學性能的問題；

如附圖1所示，本發明的II類超晶格結構為：由GaSb襯底6自下而上依次為超晶格長波N型接觸層1、超晶格空穴勢壘層2、超晶格長波吸收區3、超晶格中波電子勢壘層4和超晶格長波P型接觸層5，上電極TiPtAu 7位于超晶格長波N型接觸層1上，下電極TiPtAu 8位于超晶格長波P型接觸層5上。

所述的超晶格長波N型接觸層1的結構為20-80周期長波超晶格，每周期由4-6nmInAs和2-4nm GaSb構成，N型摻雜濃度為10¹⁶-10¹⁷cm^-3；

所述的超晶格空穴勢壘層2的結構為20-80周期中波超晶格，每周期由2-3nm InAs和1-2nm GaSb構成，N型摻雜濃度為10¹⁵-10¹⁶cm^-3；