一种InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列及其制备方法，首先在衬底上制备上电极，依次生长有非晶砷化镓缓冲层，砷化镓纳米晶层、铟镓砷纳米晶层，然后制备下电极，形成InGaAs纳米异质结红外探测器线列阵，本发明红外光敏层为纳米晶材料，制备简单，并且可制备出高In组分的InGaAs薄膜，扩展探测范围，并且为非制冷红外探测器，工作于室温，体积小，重量轻，成本低。
【专利说明】—种InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于红外探测器材料和器件领域，具体的说涉及采用II1- V族纳米晶材料制备纳米异质结结构的红外探测器线阵列及其制备方法。
【背景技术】
[0002]InGaAs (铟镓砷)三元化合物半导体(匹配于InP衬底)己被证明是一种短波红外探测器材料(0.9^1.7 μ m)，其室温探测度为~1013cmHz1/2W。这种探测器与工作在此光谱区域的Ge探测器相比，暗电流和噪声都要低；增加In组份的比例可将探测器截止波长延伸到2.6 μ m ;探测范围可以在1-2.4 μ m。用这种材料做成的探测器不需要致冷，因而它是非致冷红外探测器，能满足民用市场提出的功耗低、体积小、重量轻、高性价比、使用方便的需求，因此由InGaAs材料制作的短波红外探测器件得到了人们更多的重视和研究。近年来，在空间成像(包括地球遥感、大气探测和环境监测等)及光谱学领域，对高In组分InxGahAs探测器件的需求不断增长，尤其是截止波长为2.5 μ m(对应In组分为0.82)的Ina82Gaai8As红外探测器件。
[0003]InGaAs材料在f 3 μ m的近红外波段的光电子器件方面具有诸多优势，已经取得了阶段性研究成果，并且获得了一些InGaAs探测器线阵列，但是单元器件的性能和体积等问题制约着大面积红外焦平面阵列探测器的研制，距实用化还有一定的距离。要获得大面积红外探测器阵列，必须解决大面积材料的均匀性、单元器件性能的均匀性问题，同时要缩小单元器件的体积、减轻重量，简化结构，降低成本等。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列及其制备方法，采用该方法制备出来的红外探测器线阵列具有大面积材料的均匀性，其单元器件体积小，重量轻，成本低。
[0005]本发明的目的是这样实现的:该红外探测器线阵列是由多个线形排列的单元器件组成的，所述单元器件包括衬底，在衬底上制备的带状Au膜下电极，在下电极上依次生长的非晶GaAs缓冲层、GaAs纳米晶层和InGaAs纳米晶层，以及在InGaAs纳米晶层上制备的圆环状Au膜上电极。所述非晶GaAs缓冲层、GaAs纳米晶层和InGaAs纳米晶层构成纳米异质结，是利用不同半导体的界面势，在异质结中内建电场，实现对光致电荷分量的驱动作用。
[0006]所述InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列的制备方法包括以下步骤:
①、首先在玻璃衬底上光刻下电极图像，用光刻胶做掩蔽，利用磁控溅射技术制备下电极Au膜，去除光刻胶及其上的Au膜，形成带状的下电极；
②、光刻红外光敏层的圆形图案，利用光刻胶做掩蔽生长光敏层；
③、利用金属有机气相沉积技术在下电极上首先生长非晶GaAs缓冲层，生长温度500°C，V / III比(流入反应室的V族源摩尔流量之和与III族源摩尔流量之和的比)为40，膜厚为IOnm ；
④、利用金属有机气相沉积技术在缓冲层上生长GaAs纳米晶层，生长温度500°C，V / III比为60，总载气流量为8L/min，膜厚为30_40nm，纳米晶粒的平均尺寸在3_4nm ；
⑤、利用金属有机气相沉积技术在GaAs纳米晶层上生长InGaAs纳米晶层，生长温度500°C，V / III比为60，总载气流量为8L/min，膜厚为60_70nm，纳米晶粒的平均尺寸在3-4nm，固定TMG (三甲基镓)源的摩尔流量，通过改变TMIn (三甲基铟)源的摩尔流量生长不同In组分的InGaAs薄膜；
⑥、去除光刻胶及其上的缓冲层、GaAs纳米晶层和InGaAs纳米晶层5，光刻上电极图像，用光刻胶做掩蔽，利用磁控溅射技术形成上电极的Au膜，去除光刻胶及其上的Au膜，形成圆环状的上电极。
[0007]本发明在一个衬底上生长纳米异质结的InGaAs红外线列探测器，具有如下优点:
(1)本发明红外探测器线阵列的红外光敏层为纳米晶材料，制备简单，并且可制备出高In组分的InGaAs薄膜,扩展探测范围；
(2)本发明红外探测器线阵列是非制冷红外探测器，工作于室温；
(3)本发明红外探测器线阵列的单元器件体积小，重量轻，成本低；
(4)本发明红外探测器线阵列是线列结构，有利于探测度的提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列的单元器件结构示意图。
[0009]图2是带有六个单元器件的InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列的结构示意图。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细的描述。
[0011]如图2所示，本红外探测器线阵列是由六个线形排列的单元器件组成，包括衬底I上制备的下电极2，在下电极2上生长的光敏层3、4、5，以及上电极6。所述每个单元器件的剖面结构如图1所示，它包括衬底1，在衬底I上面制备的带状下电极2，在下电极2上面依次生长的非晶GaAs缓冲层3, GaAs纳米晶层4和InGaAs纳米晶层5,在InGaAs纳米晶层5上面制备圆环状上电极6。
[0012]所述非晶GaAs缓冲层3、GaAs纳米晶层4和InGaAs纳米晶层5构成InGaAs纳米异质结红外光敏层。
[0013]制备方法包括以下步骤:
1)、首先在玻璃衬底I上光刻下电极带状图像，采用正性光刻胶，感光图案为带状，把感光的光刻胶溶于显影液中，带状区域外光刻胶不能溶于显影液，留在衬底上做掩蔽，再利用磁控溅射技术溅射Au膜，去除光刻胶及其上的Au膜，形成带状的下电极2;
2)、光刻红外光敏层的圆形图案，采用正性光刻胶，感光图案为圆形，把感光的光刻胶溶于显影液中，圆形区域外光刻胶不能溶于显影液，留在衬底上做掩蔽生长光敏层；
3)、利用金属有机气相沉积技术在下电极2上首先生长非晶GaAs缓冲层3，生长温度500°C，V /III比(流入反应室的V族源摩尔流量之和与III族源摩尔流量之和的比)为40，膜厚为IOnm ； 4)、利用金属有机气相沉积技术在缓冲层3上生长GaAs纳米晶层4，生长温度500°C，V /III比为60,总载气流量为8L/min,膜厚为40nm,纳米晶粒的平均尺寸在3-4 nm ；
5)、利用金属有机气相沉积技术在GaAs纳米晶层4上生长InGaAs纳米晶层,生长温度500°C, V /III比为60，总载气流量为8L/min，膜厚为70nm，纳米晶粒的平均尺寸在3_4nm，固定TMG源的摩尔流量，通过改变TMIn源的摩尔流量生长不同In组分的InGaAs薄膜；
6)、去除作为掩膜的光刻胶及其上的缓冲层3、GaAs纳米晶层4和InGaAs纳米晶层5，形成圆形的红外光敏层；
7)、光刻上电极图像，采用正性光刻胶，感光图案为圆环形，把感光的光刻胶溶于显影液中，圆环区域外光刻胶不能溶于显影液，留在衬底上做掩蔽，再利用磁控溅射技术溅射Au膜，去除光刻胶及其上的Au膜，形成圆环状的上电极6。
[0014]所述InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列的结构如图2所示。衬底I可选取玻璃、硅和蓝宝石衬底；下电极2为带状；红外探测器的光敏层为圆形结构，包括缓冲层3上生长GaAs纳米晶层4和InGaAs纳米晶层5,形成纳米异质结；下电极6为圆环形。
[0015]所述圆形的红外光敏层直径比下电极6的Au带的宽度大，以便上电极2覆盖到衬底I上而不至于短路。
[0016]实施效果:
对InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列的探测率进行测试。在测试过程中，黑体温度保持在1000K，黑体调制频率1000Hz，黑体辐射功率617.95 μ W/cm2，偏置电流0.02mA，测试温度300K，探测率能够达到IO9 CmHzv2W-1量级。
【权利要求】
1.一种InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列，其特征在于:该红外探测器线阵列是由多个线形排列的单元器件组成的，所述单元器件包括衬底(I )，在衬底(I)上制备的带状Au膜下电极(2)，在下电极(2)上依次生长的非晶GaAs缓冲层(3)、GaAs纳米晶层(4)和InGaAs纳米晶层(5),以及在InGaAs纳米晶层(5)上制备的圆环状Au膜上电极(6)。
2.根据权利要求1所述的一种InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列，其特征在于:所述衬底是蓝宝石、玻璃或硅衬底。
3.根据权利要求1所述的一种InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列，其特征在于:所述的下电极(2)为带状，上电级(6)成环状，环内的部分是由非晶GaAs缓冲层(3)、GaAs纳米晶层(4)和InGaAs纳米晶层(5)构成的InGaAs纳米异质结红外光敏层。
4.根据权利要求1所述的一种InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列，其特征在于:所述非晶GaAs缓冲层(3)厚IOnm, GaAs纳米晶层(4)厚30_40nm, InGaAs纳米晶层(5)厚60_70nmo
5.根据权利要求1所述的一种InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列，其特征在于: 所述纳米晶粒平均尺寸在3-4nm。
6.一种InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列的制备方法，其特征在于: 该方法包括以下步骤: ①、首先在衬底(I)上光刻下电极图像，用光刻胶做掩蔽，利用磁控溅射技术制成下电极Au膜，去除光刻胶及其上的Au膜，形成带状的下电极(2); ②、光刻红外光敏层的圆形图案，利用光刻胶做掩蔽生长光敏层； ③、利用金属有机气相沉积技术在下电极(2)上首先生长非晶GaAs的缓冲层(3)，生长温度500。。，V / III比为40，膜厚为IOnm ； ④、利用金属有机气相沉积技术在缓冲层(3)上生长GaAs纳米晶层(4)，生长温度500。。，V / III比为60，总载气流量为8L/min，膜厚为40nm ； ⑤、利用金属有机气相沉积技术在GaAs纳米晶层(4)上生长InGaAs纳米晶层(5),生长温度500°C，乂/111比为60，总载气流量为81711^11，膜厚为7011111，固定了1^源的摩尔流量，通过改变TMIn源的摩尔流量生长不同In组分的InGaAs薄膜； ⑥、去除光刻胶及其上的缓冲层、GaAs纳米晶层和InGaAs纳米晶层，光刻上电极图像，用光刻胶做掩蔽，采用磁控溅射技术制备上电极Au膜，去除光刻胶及其上的Au膜，形成圆环状的上电极(6)。
7.根据权利要求1所述的一种InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列，其特征在于:为了防止短路，带状Au膜下电极(2)的宽度小于圆形的红外光敏层直径，以便下电极(2)覆盖到衬底I上而不至于短路。
8.根据权利要求2所述的一种InGaAs纳米异质结红外探测器线阵列的的制备方法，其特征在于:所述的V /III比是指流入反应室的V族源摩尔流量之和与III族源摩尔流量之和的比。
【文档编号】H01L27/144GK103531648SQ201210226839
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年7月3日 优先权日:2012年7月3日
【发明者】么艳平, 刘春玲, 汪玉海, 秦政坤, 常喜, 齐海东 申请人:吉林师范大学