专利名称：具有可调节截止波长的高工作温度势垒红外检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及势垒光电检测器(barrier photodetector)，具体地，本发明涉及高工作温度势垒红外检测器。
背景技术：
光电检测器是对入射光产生反应的电光元件。其具有较广泛的应用范围，包括成像。光电检测器的一类在红外光范围中工作。这种器件应用于包括行星探测、工业质量控制、污染监测、消防、执法、以及医疗诊断的红外成像中。在传统的半导体p-n结节光电检测器中，结节处的耗尽层阻挡多数载流子流过结节，而允许少数载流子自由流动。尽管耗尽层以这种方式增强检测器性能，其还是会引起会产生噪音的肖克莱-里德-霍尔(Shockley-Read-HalI(SRH))暗电流。由此得到的暗电流会限制工作温度。不过，在近年，新开发的红外检测器类型采用嵌入式势垒层以抑制SRH电流以及表面漏电流。Maimon的在2007年9月20日公开的，公开号为2007/0215900的U. S专利申请中描述了势垒红外光电检测器概念，将其结合于此作为参考，并且该专利公开了一种光电检测器，其包括吸光层，该吸光层包括显示出价带能级(valence band energy level)的 η-掺杂半导体；势垒层，该势垒层的第一侧边与吸光层的第一侧边相邻，势垒层显示出的价带能级与吸光层的掺杂半导体的价带能级基本相等；以及接触区，包括掺杂半导体，该接触区和势垒层的第二侧边相邻，该第二侧边和势垒层的第一侧边相对，势垒层的厚度和导带隙(conductance band gap)足以防止来自吸光层的多数载流子至接触区的隧道效应，并且能够阻挡多数热化载流子从吸光层至接触区的流动。可选地，可以利用P-掺杂半导体， 并且可以使势垒层和吸光层的导带能级相等。Klipstein 在 2008 年的 SPIE Proc. Vol. 6940，69402U 的 Infrared Technology and Applications X X X IV (红外技术与应用 X X X IV )中的“ ‘XBn，Barrier Photodetectors for High Sensitivity and High Operating Temperature Infrared
3Sensors"中进一步讨论了势垒红外光电检测器的操作，将其结合于此作为参考。该文章将势垒光电检测器描述为将光吸收至窄带隙半导体层中的器件，该层的带基本保持水平或积聚在工作偏压处，以便排除所有的载流子耗尽。在低于用于中波红外(MWIR)器件的一般为130-150K的阈值温度的传统光电二极管中，由于耗尽层中的产生-复合(G-R)中心而产生暗电流。在势垒检测器中，窄带隙半导体中没有耗尽，这确保可以忽略G-R对暗电流的作用。因此，在高于和低于阈值温度时，势垒检测器中的暗电流由扩散成分控制。从而， 在低于阈值温度的给定温度下，势垒检测器显示出的暗电流低于具有相同截止波长的传统光电二极管的暗电流。可选地，对于给定暗电流，势垒检测器的工作温度高于传统光电二极管的工作温度，假定该温度低于阈值温度。基于InASl_xSbx合金和II型InAs/feiSb超晶格(T2SL)提出了一些用于具有光子吸收层的势垒检测器的器件结构，。分析暗电流的热电子(thermionic)和隧道成分，并且其对典型器件参数无关紧要。对于具有f/3光学器件和 4. 2 μ m的截止波长的丽顶势垒检测器来说，可以估测 150K的工作温度。此外，2008年5月公开了 Caine等人的，公开号为W02008/061141的国际专利申请，将该专利合并于此作为参考，该专利描述了一种制造二维检测器阵列(以及这样一种阵列的检测器)的方法，包括对于多行和多列的单体检测器中的每一个，形成η-掺杂半导体吸光层，形成势垒层，该势垒层包括AlSb、AlAsSb、AlGaAsSb, AlPSb、AlGaPSb,以及 HgZnTe中的一个或多个，以及形成n_掺杂半导体接触区。不过，很难改进具有高性能的势垒光电检测器的具体结构。需要仔细选择势垒层和吸收层的结合，以产生最优结果。构造η&ι或X&i红外检测器要求具有以下特性的吸收和势垒材料匹配对(1)它们的价带边(Ev)必须几乎相同以便允许未受阻挡的空穴流(hole flow)，而导带边(Ec)应该有很大差异，以形成电子势垒，( 这两种材料必须具有基本相同的晶格常数，以及(3)这两种材料的晶格常数还应该与它们将要生长于其上的易得到的半导体衬底材料的晶格常数紧密匹配，以确保高材料质量和低缺陷密度。与衬底晶格匹配的要求对吸收材料特别重要，因为需要生长一定厚度(通常为几微米)的、用于高吸收量子效率的吸收层。势垒的厚度一般只有几百纳米，并且因此可以承受少量的与衬底材料不匹配的晶格，而不会导致势垒材料质量的降低。由于这一系列的严格要求，最初η&ι检测器只能利用与feiSb衬底晶格匹配的InAsSb红外吸收器以及具有匹配的价带边的AlSbAs势垒，在单一材料系统中成功实现。晶格匹配的InAsSb三元合金的大致成分是InAsa91Sbaci9tj对该实现的限制是吸收材料，因此，当在200K测量时，由该吸收材料制成的红外检测器具有约为4. 2 μ m的固定截止波长。在具体应用中，可能会要求红外检测器具有特定的截止波长。通常，具有较短截止波长的红外检测器能在高温下或降低的暗电流(噪音)下工作。如果具体应用需要例如具有3 μ m截止波长的红外检测器，那么即使可以使用4. 2 μ m的η&ι检测器，更合适的还是具有3 μ m截止波长的η&ι检测器，因为其能够在相同温度下以较高的灵敏度工作，或者，可替换地，可以以相同的灵敏度在较高温度下工作。总是希望势垒光电检测器能够在较高温度下工作，以减少或消除冷却要求。签于以上，在本领域中需要一种用于改进以短波至中波长红外光(例如大约1至 5μπι)工作的势垒红外检测器的装置及方法。特别需要这种装置和方法能够在较高工作温度(例如远高于约77Κ)下工作。进一步需要这种装置和方法能够以可调节波长工作。以下详细描述的本发明的实施例能够满足这些以及其他要求。
发明内容
此处描述了一种包括具有可选择截止波长的吸收材料的势垒红外检测器及其制造方法。GaInAsSb吸收层可以在通过在按照吸收混合比(absorber mixing ratio)混合feiSb和InAsSb形成的feiSb衬底层上生长。然后GaAlAsSb势垒层在按照势垒混合比 (barrier mixing ratio)混合feiSb和AlSbAs形成的势垒层上生长。可以选择吸收混合比，以调节吸收层的带隙，并且从而确定用于势垒红外检测器的截止波长。吸收混合比可以沿吸收层生长方向改变。可以使用各种接触层结构。此外，可以将顶部接触层分隔成元件阵列，这些元件阵列被电隔离成可以用于检测器阵列、成像阵列或焦平面阵列的单独的功能检测器。本发明的一个典型实施例包括势垒红外检测器，该势垒红外检测器包括具有衬底 GaSb的衬底层；与该衬底层基本晶格匹配的吸收层，该吸收层包括按照在InAsSb和吸收 GaSb之间的吸收混合比混合吸收feiSb和InAsSb形成的feilnAsSb ；以及设置在吸收层上的势垒层，该势垒层包括按照在AlSbAs和势垒feiSb之间的势垒混合比混合势垒feiSb和 AlSbAs形成的GaAlAsSb。吸收层和势垒层具有基本相似的价带边，以便允许不受阻挡的空穴流，并且具有较大差异的导带边以形成电子势垒。在本发明的部分实施例中，吸收混合比可以沿着吸收层生长方向改变。通常，混合在吸收层中的InAsSb可以包括InAsa91Sbatl9，并且混合在势垒层中的AlSbAs可以包括AlSba92Aiiac^在进一步实施例中，势垒层还与吸收层和衬底层基本上晶格匹配。选择吸收混合比以调节吸收层的带隙，并且从而确定用于势垒红外检测器装置的截止波长，并且选择势垒混合比，以便使势垒层和吸收层的价带边匹配。在本发明的部分实施例中，在衬底层和吸收层之间设置底部接触层，并且在露出的底部接触区上沉积金属接触件。可选地，在本发明的其他实施例(即，未采用底部接触层)中，金属接触件可以沉积在吸收层的露出的吸收区上。在本发明的其他实施例中，在势垒层上设置顶部接触层。通常，顶部接触层为 η-掺杂。不过，顶部接触层包括的掺杂可以不同于吸收层包括的掺杂。在进一步实施例中，顶部接触层包括按照顶部接触混合比混合顶部接触feiSb和顶部接触InAsSb形成的顶部接触(ialnAsSb。在这种情况下，顶部接触混合比可以不同于吸收混合比，并且势垒混合比可以沿着势垒层生长方向改变。在其他实施例中，可以将顶部接触层分隔成元件阵列。在顶部接触层阵列的每个元件上沉积分隔开的金属接触件。元件阵列形成基本电隔离的单独的功能检测器，这些检测器可以用于检测器阵列、成像阵列或焦平面阵列的。以类似的方式，一种制造势垒红外检测器的典型方法包括设置包括衬底feiSb的衬底层；使设置在衬底层上的吸收层生长，并且该吸收层包括按照在InAsSb和吸收(iaSb之间的吸收混合比混合吸收feiSb和InAsSb形成的feilnAsSb ；以及使设置在吸收层上的势垒层生长，并且该势垒层包括按照在AlSbAs和势垒feiSb之间的势垒混合比混合势垒feiSb和 AlSbAs形成的GaAlAsSb。吸收层和衬底层具有基本匹配的晶格常数。可以进一步修改本方法以与此处所述的器件实施例一致。
现在参见附图，其中在所有附图中，相似的参考表号表示相应的部件。图IA和图IB分别是示出p-n光电二极管和η&ι光电检测器的示例导带边和价带边的示意性能带图；图2A描绘了示例势垒红外检测器实施例，该检测器具有设置在衬底层和吸收层之间的底部接触层以及沉积在露出的底部接触区上的金属接触件；图2B描绘了示例势垒红外检测器实施例，该检测器具有沉积在吸收层的露出的吸收区上的金属接触件；图2C描绘了本发明的包括元件阵列的示例势垒红外检测器实施例；图3A是示出了用于示例势垒红外检测器的示例导带边和价带边的示意性能带图；图;3B是示出了用于具有梯级间隙(graded gap)吸收层的示例势垒红外检测器的导带边和价带边的示意性能带图；图3C是示出了用于示例势垒红外检测器的导带边和价带边的示意性能带图，其中该示例势垒红外检测器具有由梯级间隙势垒层连接的、具有不同带隙和不同掺杂型的吸收层和顶部接触层；图4A是作为本发明的示例势垒红外检测器实施例的吸收混合比的函数的 GaInAsSb吸收层在各种温度下的预期截止波长的曲线图；图4B是用于本发明的示例势垒红外检测器实施例的feilnAsSb吸收层和feilnAsSb 势垒层在250K时的带隙曲线图；图5是制造势垒红外检测器的示例方法的流程图。
具体实施例方式1.概述基于器件结构的新的中波长红外(MWIR)势垒红外检测器已经显示出突破性的性能。这种η&ι检测器是高工作温度势垒红外检测器(HOT-BIRD)，其能够在高于基于 InSb和HgCdTe (MCT)的现有技术MWR检测器的温度操作。具体地，已经通过与feiSb衬底晶格匹配的InA^91Sbatl9红外吸收体以及与feiSb衬底基本晶格匹配的AlSbAs势垒制造出示例ηΒη。该检测器在200Κ的温度下产生4. 2μπι的固定截止波长。同时，这是HOT-BIRD 能够在其中显示出明显优势的唯一材料系统。为增加HOT-BIRD的通用性和实用性，优选具有通过具有可选择截止波长的吸收材料实现势垒红外检测器的能力。这样做的一个明显优势是能够提高工作温度。例如，当 4. 2 μ m截止波长的HOT-BIRD能够用于要求具有3 μ m截止波长的红外检测器的应用时，优选定制的3 μ m截止波长势垒红外检测器，因为其能够以同样的灵敏度、并且在较高的温度下工作。本发明的实施例可以这样实现，S卩，在晶格匹配的(iaSb衬底层上，利用四元合金 GaInAsSb作为吸收层，GaAlSbAs作为势垒层。通过调节合金成分，可以调节feilnAsSb吸收层的截止波长。应该说明的是在整个说明书中，按照混合比混合feSb和三元合金形成的四元合金由(三元合金)y(GaSb) (1-y)表示，其中y是混合比，并且表示通过本领域普通技术人员能够理解的已知半导体材料生长技术得到的成分。此外，如整个说明书中描述的，采用(iaSb形成多个半导体层。相应地，可以参照具体层(例如吸收feiSb)确定该层中采用的 feiSb。因此，按照在InAsSb和吸收feiSb之间的吸收混合比混合吸收feiSb和InAsSb形成的 GaInAs釙表示由(InAsSb) ζ (GaSb) (1-ζ)形成的feilnAsSb，其中ζ是吸收混合比。类似地， 按照在AlSbAs和势垒feiSb之间的势垒混合比混合势垒feiSb和AlSbAs形成的GaAlAsSb 表示由(AlSbAs)y (feiSb) (1-y)形成的GaAlAsSb，其中y是势垒混合比。2.势垒红外检测器工作原理图IA和图IB分别是示出了 p-n光电二极管和η&ι势垒红外检测器的示例导带边和价带边的示意性能带图。图IB中示出的典型势垒光电检测器结构的能带图具有轻η-掺杂顶吸收层区、势垒层、以及η-掺杂顶部接触层。除了 η型吸收层区现被轻掺杂了 η型， 结节(空间电荷区)被特别设计的宽间隙势垒层(B)代替，以及ρ-接触层被η-接触层代替之外，该能带图类似于图IA中示出的典型传统p-n型光电二极管的能带图。势垒红外检测器的独特特征由包括特别设计的势垒层的异质结构产生，该特别设计的势垒层能够阻止一种载流子(电子或空穴)，但同时能够允许另一种载流子畅通流动。重要的是要注意，势垒层不会阻碍吸收层中的光生电子流或空穴流。图IB示出了吸收层中的光生电子和空穴能够分别流动至左边和右边；都不会被势垒层阻拦。不过势垒层对于阻挡暗电流极为有效。 减小暗电流(噪音)而不会阻碍光电流(信号)是势垒红外检测器设计成功的关键。为实现红外检测器的高性能，使暗电流减小是一个重要目标。暗电流(噪音)的减小增加了队(比探测率(specific detectivity)；信噪比的测量)，并且会产生较高的检测器工作温度和/或灵敏度。如以上在图IA中所描述的，现代高性能红外检测器通常基于 p-n结设计。在p-n 二极管中，主要的性能限制暗电流机理是(1)表面漏电流，(2)扩散暗电流，以及(3)产生-复合(G-R)暗电流。表面漏电流通常可以由钝化和/或平面化工艺技术抑制。扩散暗电流主要来自热产生的少数载流子，该少数载流子来自结节外的准中性区，并且扩散暗电流与exp(-Eg/kT)成比例，其中1是检测器吸收材料的能带隙。G-R暗电流来自带对带辐射、俄歇(Auger)(载流子散射)、以及肖克莱-里德-霍尔(SRH)过程。当辐射和俄歇过程为主体，甚至出现在吸收区时，出现在结节周围的耗尽区中的SRH过程是由于能带隙中的晶体缺陷和杂质能级。SRH暗电流与exp (-EgAkT)成比例，并且通常是主要暗电流源，特别在低温时。因此，特别需要通过减小表面和体积缺陷或通过器件设计，消除暗电流。然后通过更基本的机理控制暗电流性能。用于减小暗电流的一个重要的红外检测器设计要素是利用半导体异质结构。在这方面，已经证明势垒红外检测器法非常有效。如图IA所描绘的，在p-n结中，由于SRH过程， 结节(空间电荷区)上降低的偏压不可避免地产生了不期望的G-R暗电流。如图IB所描绘的，在典型的工作条件下，使η&ι结构轻微偏压，以便在顶部接触层上进行空穴收集。施加的偏压大部分在势垒区上降低，由于非常宽的带隙(SRH暗电流与eXp(-Eg/^kT)成比例， 并且当&大时，SRH被抑制)，SRH暗电流几乎被完全抑制。势垒还用于阻挡来自顶部接触层的电子流(多数载流子)暗电流；势垒层阻挡的电子最终与热产生的空穴复合，以便不会有来自接触层的净扩散(net diffusion)暗电流。这种机理对于在高温下暗电流抑制非常重要，此处扩散暗电流变得很重要。此外，与平面化制造工艺一起使用时，宽带隙势垒能够防止表面再复合，并且可以用于抑制表面漏电流。
暗电流抑制会引起势垒红外检测器中给定温度下或者可选地，具有相同S/N比的较高工作温度下的信噪比的增加。作为暗电流减小机理的结果，势垒红外检测器显示出突破性的性能。3.具有可调节截止波长的示例势垒红外检测器图2A描绘了示例势垒红外检测器实施例，其具有设置在衬底层和吸收层之间的底部接触层以及沉积在露出的底部接触区上的金属接触件。器件200示出了 η&ι结构，该结构包括红外吸收层202以及插在器件中以抑制暗电流的相邻的势垒层204。如以下详细描述的，吸收层202包括通过按照在InAsSb和吸收feiSb之间的吸收混合比混合吸收feiSb和 InAsSb而形成的feilnAsSb，例如(InAs0.91Sb0.09) ζ (GaSb) (1_ζ)，其中ζ是吸收混合比。选择吸收混合比以确定用于器件200的截止波长。势垒层204包括通过按照在AlSbAs和势垒 GaSb之间的势垒混合比混合势垒feiSb和AlSbAs而形成的GaAlAsSb,例如(AlSba92Asatl8) y (GaSb) (1-y)，其中y是势垒混合比。选择势垒混合比，以便势垒层204和吸收层202的价带边匹配。吸收层202和势垒层204可以在与它们均晶格匹配的feiSb衬底层206上串连生长。通常，吸收层202的厚度可以为几微米(例如大约5至6微米)，而势垒层204可以更薄些。通常，势垒层204的厚度可以只有几百纳米，例如200nm。在部分实施例中，如将要参照图3A至图3C所描述的，吸收混合比和/或势垒混合比可以沿着层的生长方向(如图中箭头所示)改变。通常，顶部接触层可以是η-型掺杂。不过，顶部接触层包括的掺杂可以不同于吸收层的掺杂。在示例器件200中，吸收层202和势垒层204通过底部接触层210和顶部接触层 208电结合。顶部和底部接触层208、210提供了用于沉积顶部和底部金属接触212、214的适合区域，该顶部和底部金属接触件用于器件200的电连接。顶部接触层208可以在势垒层204上生长，并且在其上沉积顶部金属接触件212。底部接触层210可以在衬底层206上生长(以在吸收层202在底部接触层210上生长之后，将底部接触层设置在衬底层206和吸收层202之间)。然后在露出的底部接触区216上沉积底部金属接触件214。可以通过本领域普通技术人员了解的蚀刻露出底部接触区216。应该注意的是，本发明的实施例可以采用任何可替换的接触层和金属接触件设计。在部分实施例中，顶部接触层包括按照顶部接触混合比混合顶部接触feiSb和顶部接触InAsSb形成的顶部接触felnAsSb。如以下参照图3C的描述，在部分实施例中，顶部接触混合比可以不同于吸收混合比。图2B描绘了示例势垒红外检测器器件220，其中，金属接触件沉积在吸收层的露出的吸收区上。通常，器件220以与图2A中描述的器件200相同的方式运行且具有相同的元件。不过，在这种情况下，去除了底部接触层210，并且将底部金属接触件214直接沉积在器件220的吸收层202的露出的吸收区222上。通过这种可替换技术向吸收层202提供电连接。图2C描绘了包括元件阵列的示例势垒红外检测器器件M0。通常，器件220以与图2A中描述的器件200相同的方式运行且具有相同的元件。不过，在该示例中，顶部接触层208被隔离成元件M4A-244F的阵列M2。通过蚀刻已生长的顶部接触层或通过任意其他已知技术可以实现阵列的隔离。然后，在顶部接触层的阵列242的每个元件M4A-244F上沉积分隔开的金属接触件M6A-246F。元件M4A-244F的阵列242形成在其分隔开的金属接触件M6A-246F和共用底部金属接触件214之间电隔离的单独的功能检测器，这些单独的功能检测器可以用于本领域普通技术人员了解的检测器阵列、成像阵列、或焦平面阵列。 应该说明的是，示出了阵列器件240具有图2A的器件200的底部金属接触件214设计，不过，正如本领域普通技术人员所理解的，阵列器件204也可以采用图2B的器件220的底部接触层210和底部金属接触件214设计。如本领域普通技术人员理解的，通过附加的和/或可替换的与所述参数一致的部件和结构，并且通过半导体器件制造的任意已知技术，以及包括已知势垒红外检测器的具体已知光电检测器半导体器件，可以进一步加强示例检测器200、220、对0。以类似的方式， 如本领域普通技术人员理解的，本发明的实施例可以采用任意已知材料和结构用于各个层 (例如，接触层)、有代表性的任意其他已知的势垒红外检测器。
图3A是示出了用于示例势垒红外检测器的示例导带边和价带边的示意性能带图。其类似于图IB的更广义的能带图。示出的能带穿过底部接触层，接着是轻η-掺杂顶吸收层、势垒层、以及η-掺杂顶部接触层。精心设计势垒层以抑制暗电流(噪音)，而不会阻挡电子流或空穴光电流(信号)。要注意的是，如本领域已知的，通常不将器件200的衬底层206确定为能带图中的元件。衬底层206与器件的红外探测操作基本不相关。本发明的示例高工作温度势垒红外检测器实施例(例如图3Α所描绘的)采用吸收层和势垒层材料的匹配对，它们的价带边(Ev)几乎相同，以便不会阻挡空穴流，而导带边(Ec)显示出较大的差异，以形成电子势垒。此外，吸收层和势垒层材料应该具有基本相同的晶格常数，吸收层和势垒层材料还应该与衬底层材料(其上生长有吸收层和势垒层材料)的晶格常数匹配，以确保高材料质量和低缺陷密度。值得注意的是，认为 InAs0.91Sb0.09MWIR吸收层等同于匹配的AlSba 92As0.08电子势垒层，这两个层都能够在易利用的( 衬底上生长，以制造4. 2 μ m截止波长的HOT-BIRD。因此，制造具有可调节截止波长的附加益处的HOT-BIRD并不是简单工作。为了制造这种具有可调节截止波长的HOT-BIRD (例如，如图3A所描绘的)，可以将与( 衬底晶格匹配的feilnAsSb四元合金材料用于吸收层，并且可以将匹配的GaAlSbAs 四元合金材料用于势垒层。可以将晶格匹配的feilnAsSb看作是由feiSb和InAsSb三元合金(具有的典型成分为InAsa91Sbatl9)混合形成，该InAs釙三元合金与( 衬底晶格匹配， 并且以本领域已知的任意方式生长。由此得到的(InAs0.91Sb0.09) ζ (GaSb) (1-z)四元合金与(iaSb衬底晶格匹配。改变吸收混合比z，调节四元合金吸收层的带隙以产生范围从大约 4. 5 μ m低至短波红外(SWIR)的截止波长。参见图4A，类似地，可以混合feiSb和AlSba92Asatl8 以将(iaSBbAs形成为(AlSba92Asaci8)y(GaSb) (Ι-y)四元合金，该四元合金以本领域已知方式生长为晶格匹配的势垒层。通过仔细选择用于具有给定“ζ”值的给定feInAsSb吸收层的“y”值，可以形成匹配的η&ι势垒层，该层具有和吸收层几乎相同的价带边位置。应用该技术时，可以很容易地制造出沿着从大约4. 5 μ m低至S^WR的连续范围具有可调节截止波长的HOT-BIRD的范围。通过改变“ζ”值使(ialnAsSb的带隙沿着生长方向连续地改变的能力提供了器件设计的灵活性。如图3B中从Z1至、的过渡所描绘出的，沿着生长方向具有不同“ζ”值的 GaInAsSb吸收体可以用于η&ι检测器。图中的能带图示出了具有梯级间隙吸收体的η&ι 检测器，通过沿着生长方向改变“ζ”值而形成该η&ι检测器。这种结构的优势是梯级间隙可以作为用于使空穴向顶部接触层移动的准电场。
9
在该器件结构的一个实施例中，吸收层和顶部接触层可以由具有不同“ζ”值的 GaInAsSb合金制成。在该器件结构的另一实施例中，吸收层和顶部接触层可以具有不同的掺杂类型。在又一实施例中，势垒层的“y”值可以沿着生长方向改变。图3C描绘了具有以上所述所有特征的器件结构。例如，通过混合比Z1确定吸收层成分，该吸收层成分不同于通过混合比h确定的接触层成分。此外，吸收层可以是掺杂η-型，而顶部接触层可以是掺杂P-型。进一步，势垒层的成分沿着Wy1至72的生长方向而改变。要注意的是，如图3C 中通过Wy1至72的过渡所描绘的，以能够使吸收层和顶部接触层的价带边之间光滑过度的方式改变势垒层的“y”值。图4A是作为本发明的示例势垒红外检测器实施例的吸收混合比的函数的 GaInAsSb吸收层在各种温度下的预期截止波长的曲线图。GaInAsSb四元合金在各个温度下的预期截止波长示出为InAsSb和(iaSb之间的吸收混合比ζ的函数。图4B是用于本发明的示例势垒红外检测器实施例的feilnAsSb吸收层和feilnAsSb 势垒层在250K时的能带隙曲线图。示出了 GaInAsSb吸收层和GaInAsSb势垒四元半导体的 250K能带隙，该feilnAs釙吸收层和GaAlAs釙势垒四元半导体都与( 衬底晶格匹配。(要注意的是，用于feiInAsSb的吸收混合比和用于GaAlAsSb的势垒混合比都被确定为“z”，以便利用图表中的公共轴线。不过除此之外的其他地方将势垒混合比确定为“y”。)4.势垒红外检测器中的可调节截止波长本发明的实施例还包括制造高工作温度势垒红外检测器件的方法。如上所述，可以调节该器件以具有所需截止波长，例如小于或等于4. 2微米(μ m)。图5是制造势垒红外检测器的示例方法500的流程图。方法500从操作502开始， 该操作设置包括衬底feiSb的衬底层。在下一操作504中，使与衬底层基本晶格匹配的吸收层生长，并且该吸收层包括按照在InAsSb和吸收feiSb之间的吸收混合比混合吸收feiSb和 InAsSb而形成的(ialnAsSb。如上所述，选择吸收混合比，以调节吸收层的带隙，该吸收层决定了用于势垒红外检测器器件的截止波长。接着在操作506中，使设置在吸收层上的势垒层生长，并且使势垒层包括按照在AlSbAs和势垒feiSb之间的势垒混合比混合势垒feiSb和 AlSbAs而形成的GaAlAsSb。选择势垒混合比以便势垒层和吸收层的价带边匹配。通过与所述参数一致的可选操作以及本领域普通技术人员理解的半导体器件制造的任何已知技术，可以进一步改进方法500。例如，使设置在势垒层上的顶部接触层生长并且在顶部接触层上沉积顶部金属接触件的可选操作508(由环绕该操作的点划线指明)。 在可选操作510 (在使吸收层在操作504中生长之前执行)中，使设置在衬底层和吸收层之间的底部接触层生长，并且在露出的底部接触区上沉积底部金属接触件。此外，要注意的是，可以改变操作顺序，使其与用于半导体器件制造的已知技术一致。至此结束对包括本发明优选实施例的描述。以上包括本发明优选实施例的描述用于描绘和说明目的。其并非旨在穷尽或将本发明限制成确定的形式。可以在以上教导的范围内做出多种修改和改变。可以对本发明做出其他变型而不会背离随附的权利要求所设定的发明思想。
10
权利要求
1.一种势垒红外检测器装置，包括衬底层，所述衬底层包括衬底feiSb ；吸收层，所述吸收层与所述衬底层基本晶格匹配，并且所述吸收层包括按照在InAsSb 和吸收feiSb之间的吸收混合比混合吸收feiSb和InAsSb而形成的feilnAsSb ；势垒层，所述势垒层设置在所述吸收层上，并且所述吸收层包括按照在AlSbAs和势垒 GaSb之间的势垒混合比混合势垒feiSb和AlSbAs而形成的GaAlAsSb。
2.一种用于制造势垒红外检测器的方法，包括设置包括衬底feiSb的衬底层；使与所述衬底层基本晶格匹配的吸收层生长，并且所述吸收层包括按照在InAsSb和吸收feiSb之间的吸收混合比混合吸收feiSb和InAsSb而形成的feilnAsSb ；使设置在所述吸收层上的势垒层生长，并且所述势垒层包括按照在AlSbAs和势垒 GaSb之间的势垒混合比混合势垒feiSb和AlSbAs而形成的GaAlAsSb。
3.根据前述任一权利要求所述的装置或方法，其中混合入所述吸收层中的所述 InAsSb包括InAsa91Sbatl9，并且混合入所述势垒层中的所述AlSbAs包括AlSba92Ai^ci8tj
4.根据前述任一权利要求所述的装置或方法，其中所述势垒层与所述吸收层和所述衬底层基本晶格匹配。
5.根据前述任一权利要求所述的装置或方法，其中所述吸收混合比沿着吸收层生长方向改变。
6.根据前述任一权利要求所述的装置或方法，其中选择所述吸收混合比，以调节所述吸收层的带隙，并且从而确定用于所述势垒红外检测器件的截止波长。
7.根据前述任一权利要求所述的装置或方法，其中选择所述势垒混合比，以便所述势垒层和所述吸收层的价带边匹配。
8.根据前述任一权利要求所述的装置或方法，其中所述势垒混合比沿势垒层生长方向改变。
9.根据前述任一权利要求所述的装置或方法，进一步包括沉积在所述吸收层的露出吸收区上的底部金属接触件。
10.根据前述任一权利要求所述的装置或方法，进一步包括设置在所述衬底层和所述吸收层之间的底部接触层以及沉积在露出的底部接触区上的底部金属接触件。
11.根据前述任一权利要求所述的装置或方法，进一步包括设置在所述势垒层上的顶部接触层。
12.根据权利要求11所述的装置或方法，其中所述顶部接触层包括按照顶部接触混合比混合顶部接触feiSb和顶部接触InAsSb而形成的顶部接触件(ialnAsSb，所述顶部接触混合比与所述吸收混合比不同。
13.根据权利要求11所述的装置或方法，其中所述顶部接触层是η-掺杂。
14.根据权利要求11所述的装置或方法，其中所述顶部接触层包括的掺杂不同于所述吸收层的掺杂。
15.根据权利要求11所述的装置或方法，其中所述顶部接触层被分隔成元件阵列。
16.根据权利要求15所述的装置或方法，进一步包括在所述顶部接触层的阵列的每个元件上沉积的分隔开的顶部金属接触件。
全文摘要
本发明描述了一种具有吸收材料的势垒红外检测器及其制造方法，该吸收材料具有可选择的截止波长。使GaInAsSb吸收层在GaSb衬底层上生长，该衬底层由按照吸收混合比混合GaSb和InAsSb形成。然后，GaAlAsSb势垒层在按照势垒混合比混合GaSb和AlSbAs形成的势垒层上生长。选择吸收混合比以调节吸收层的带隙，从而确定用于势垒红外检测器的截止波长。吸收混合比可以沿吸收层生长方向改变。可以使用各种接触层结构。此外，可以将顶部接触层分隔成元件阵列，这些元件阵列被电隔离成可用于检测器阵列、成像阵列、焦平面阵列的单独的功能检测器。
文档编号H01L31/101GK102224603SQ200980147121
公开日2011年10月19日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年9月25日
发明者亚历山大·索伊贝尔, 大卫·Z·廷, 瑟勒特·D·古纳帕拉, 科里·J·希尔, 苏米斯·V·班达拉 申请人:加利福尼亚技术学院