[發明專利]一種具有暗電流抑制結構的銻化物超晶格甚長波紅外探測器

有效

• 申請號: 201911117680.4
• 申請日: 2019-11-15
• 公開（公告）號: CN110797424B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 岳壯豪;施毅;牛智川;王國偉;徐應強;蔣洞微;常發冉;李勇
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/103
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

一種具有暗電流抑制結構的銻化物超晶格甚長波紅外探測器，以抑制器件暗電流并提高光生載流子輸運。包括以下結構：襯底；緩沖層，外延于所述襯底之上；中長波波段接觸層，稱為P區，外延于所述緩沖層之上；甚長波波段吸收層，稱為π區，外延于所述中長波波段接觸層P區之上；中長波波段勢壘層，稱為M區，外延于所述甚長波波段吸收層π區之上；中長波波段接觸層，稱為N區，外延于所述中長波波段勢壘層M區之上；蓋層外延于所述中長波波段接觸層N區之上；調整控制各個區域的超晶格結構，吸收層與勢壘層的摻雜方式及厚度以設計所述紅外探測器器件的能帶結構。該結構基于PπMN結構，提出了全新勢壘結構設計涉及超晶格、厚度和摻雜。

技術領域

本發明屬于半導體器件技術領域，具體涉及一種超晶格甚長波紅外探測器的結構，以抑制器件暗電流并提高光生載流子輸運。尤其是一種基于銻化物超晶格的甚長波紅外探測器的能帶結構。該結構基于PπMN結構，提出了全新的勢壘結構設計，涉及超晶格結構，厚度和摻雜等。

背景技術

高于絕對零度的物體，總是不斷地在向外界輻射電磁波，波長在0.76-1000μm范圍內的稱作紅外輻射。物體因為具有不同的溫度而表現出各異的紅外特征，因此紅外探測技術在軍事，民用，天文等領域有廣泛而重要的應用。其中甚長波紅外探測技術(12-20μm)對于大氣溫度濕度元素分布監測以及天文觀測等應用有重要作用。分子束外延技術的飛速發展使得銻化物二類超晶格成為理想的甚長波紅外光電探測材料，具有俄歇復合速率低，載流子有效質量高，載流子壽命長，材料均勻性穩定性高，焦平面造價相對便宜等顯著優勢。抑制暗電流降低噪聲對器件發展非常重要。

探測器的綜合探測率由兩個指標決定，分別是外量子效率QE(QuantumEfficiency)和動態阻抗RA。外量子效率QE決定了器件將紅外光信號轉化為電信號的比例，主要與吸收區的吸收系數和厚度以及器件載流子的收集性能有關。動態阻抗R₀A決定了器件的噪聲水平，直接影響器件的探測性能，他主要與器件的暗電流行為有關。現有的甚長波紅外探測器存在的問題是，動態阻抗R₀A較低，且隨反偏電壓增加而迅速減小。體現在77K工作溫度下，RA從0V時的40Ω·cm²下降到-0.3V的0.6Ω·cm²。結合各種暗電流機制原理，分析甚長波紅外探測器的暗電流電流特性圖，判定器件的主要暗電流機制為隧穿暗電流，產生復合G-R暗電流(SRH過程)以及表面暗電流。在低偏壓區域，產生復合G-R暗電流占據主要地位，而在中高偏壓區域，隧穿暗電流為主，表面漏電流則在整個反偏區域都有影響。

本發明主要從器件的能帶結構設計出發，提出一種抑制隧穿和產生復合G-R等體暗電流的結構。至于表面漏電流可由有效的表面鈍化來抑制。

發明內容

本發明目的是，基于現有甚長波器件嚴重受限于高暗電流噪聲的現狀，以及超晶格紅外探測器整體面臨高G-R暗電流和隧穿暗電流等現實問題，從能帶結構的角度，提出一種基于銻化物超晶格材料體系的高性能長波/甚長波紅外探測器結構設計方案，得以顯著降低器件暗電流，提高綜合探測率。

本發明是通過如下技術解決上述問題的：一種基于銻化物超晶格的甚長波紅外探測器，包括以下結構：

襯底；緩沖層，外延于所述襯底之上；

中長波波段接觸層，稱為P區，外延于所述緩沖層之上；

甚長波波段吸收層，稱為π區，外延于所述中長波波段接觸層P區之上；

中長波波段勢壘層，稱為M區，外延于所述甚長波波段吸收層π區之上；

中長波波段接觸層，稱為N區，外延于所述中長波波段勢壘層M區之上；

蓋層，外延于所述中長波波段接觸層N區之上；

調整控制各個區域的超晶格結構，吸收層與勢壘層的摻雜方式及厚度以設計器件的能帶結構。