[發明專利]一種基于II類超晶格的橫向p?n結紅外探測器及其制作方法

在審

• 申請號: 201711238906.7
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN107946400A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 矯淑杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01L31/103
• 分類號: H01L31/103;H01L31/036;H01L31/18
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司23206
• 代理人: 高媛

技術領域

本發明屬于半導體光電器件制備技術領域，具體涉及一種基于II類超晶格的橫向p-n結紅外探測器及其制作方法。

背景技術

紅外探測技術在軍事、特殊氣體、探測空間探索、安防監控等領域有廣泛應用。其中II類超晶格材料作為第三代紅外探測材料引起廣泛關注。1977年Esaki等提出InAs/GaSb II類超晶格紅外探測器的概念。

目前II類超晶格的紅外探測器都是基于縱向結構，尤其是縱向pn結或p-i-n結，InAs/GaSb超晶格是典型的II類超晶格，二者的能帶結構完全錯開，成為II類能帶結構，兩種材料交替生長一定周期形成超晶格結構，由于兩種材料的能帶錯開，超晶格中電子和空穴限制在不同的材料中，沿著生長方向的電子和空穴的縱向輸運需經過兩種材料的界面，要求較高的界面質量，由于界面散射和界面處缺陷及晶體缺陷導致的隧穿電流是器件暗電流的主要來源，降低器件的探測率和靈敏度，嚴重影響了探測器的性能。而且，縱向器件需通過化學或物理刻蝕形成臺面，過程中產生的缺陷也會形成表面漏電流或側壁漏電流。pn結或p-i-n結還需要進行高濃度的p型和n型摻雜，在制備過程中導致大量的晶格缺陷，并導致暗電流，為了抑制缺陷及暗電流，紅外探測器需在低溫工作，需要制冷，限制了應用領域。

近年來，Ⅱ類超晶格材料發展起來很多不同結構的紅外探測器。比如：傳統的pn結和p-i-n結、p-π-M-n，互補型勢壘紅外探測器等，這些結構需要進行高濃度p型和n型摻雜，縱向結構需要進行刻蝕，產生的缺陷形成側面漏電流等暗電流來源。除此之外還有M型和W型等結構，1995年Meyer等人首次發展了波段在中波的紅外探測器，為W型結構（Appl. Phys. Lett，2009 (95): 023508）。長波段可由具有W型結構的探測器實現（Appl. Phys. Lett. 2011 (98): 143501）。2009年，美國西北大學B.M.Nguyen等人報道了一種基于Ⅱ類InAs/GaSb/AlSb超晶格材料的超長波紅外探測器，采用M結構作為勢壘（Appl. Phys. Lett. 2009 (95): 183502）。這些結構還需加入第三種材料從而實現M型或W型能帶結構，制備復雜，生長周期長，而且這些結構均以縱向器件為基本結構，在載流子傳輸和器件制備方面都存在以上問題。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有的紅外探測器由于縱向結構在生長和器件制備過程中產生缺陷而導致靈敏度和探測率低的問題，提供一種基于II類超晶格的橫向p-n結紅外探測器及其制作方法，該方法除用于InAs/GaSb的II類超晶格以外，也適用于具有二類能帶結構的其他材料。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案如下：

一種基于II類超晶格的橫向p-n結紅外探測器，所述的紅外探測器自下而上包括襯底、緩沖層、Ⅱ類超晶格；Ⅱ類超晶格表面分為n型區和p型區，在n型區和p型區分別通過離子注入方法注入Si和Be元素形成高摻雜導電區域，在n型區表面和p型區表面及兩者之間的表面區域分別蒸鍍鈦金電極，形成n型接觸電極、p型接觸電極及接地電極。

一種上述的基于II類超晶格的橫向p-n結紅外探測器的制備方法，所述方法具體步驟如下：

步驟一：將襯底放進分子束外延設備真空腔內，進行高溫脫氧處理15min，然后在V族元素蒸汽保護下除氣3~5 min；

步驟二：在步驟一處理后的襯底上生長緩沖層1~2μm；

步驟三：在緩沖層上生長100~200個周期的Ⅱ類超晶格；

步驟四：在步驟三的Ⅱ類超晶格表面采用光刻膠掩膜定義n型區和p型區，這兩個區域均為正方形，邊長尺寸250~400μm；

步驟五：在室溫下，向n型區和p型區分別注入Be離子和Si離子到Ⅱ類超晶格中，深度為500~800nm，并在惰性氣體保護下350~400^oC進行退火處理15~60 min消除注入損傷；

步驟六：通過光刻掩膜方法在n型區和p型區的表面及二者中間位置定義n型接觸電極區、p型接觸電極區及接地電極區，n型區和p型區均為正方形，邊長尺寸為200~300μm，并在這些區域濺射鈦金合金，作為n型接觸電極、p型接觸電極及接地電極，形成橫向p-n結。

本發明相對于現有技術的有益效果是：

（1）材料制備相對簡單，無需生長摻雜超晶格結構；

（2）在器件制備方面，不需臺階刻蝕，p型和n型電極處于同一平面，簡化制作工藝和電學連線；