InAs/GaSb超晶格光子晶体红外探测器及其制备方法
【专利摘要】一种InAs/GaSb超晶格光子晶体红外探测器及其制备方法，该红外探测器在表面吸收区形成光子晶体阵列，所述光子晶体阵列的排列间距小于所述红外探测器的截止波长；所述光子晶体阵列是在InAs/GaSb超晶格材料层的表面吸收区制备的圆锥形、金字塔形或柱形阵列。本发明利用在InAs/GaSb超晶格红外探测器的吸收区制备间距小于探测器截止波长的圆锥形、金字塔形或柱形光子晶体阵列，提高红外探测器在全波段范围内吸收率，扩展吸收光谱，可以实现小于InAs/GaSb超晶格探测器截止波长的全光谱范围的探测。
【专利说明】
I nAs/GaSb超晶格光子晶体红外探测器及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及宽光谱红外探测器技术领域，更具体地涉及一种InAs/GaSb超晶格光 子晶体红外探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 红外探测器是一种能将不可见的红外辐射转化为可测量信号的光敏器件，它在军 事、气象、工业、环境科学以及医疗诊断等领域都具有广泛的应用。覆盖可见光波段的探测 器在卫星遥感影像数据方面有着非常重要的应用，而这一技术在国内仍处于空缺状态。目 前商业化的红外探测器大多基于碲镉汞(HgCdTe)、锑化物超晶格（InAs/GaSb)等结构的探 测器。
[0003] 其中，InAs/GaSb超晶格探测器以其低成本、低生长难度、带隙可调节等优势成为 宽光谱探测器制备的重要备选材料。但目前的研究仍局限于三个大气窗口中的某一段，如 1-3M1短波、3_5μπι中波等，响应谱范围过短，造成无法实现在全部恶劣环境下，如同时在烟 雾、夜间、粉尘天气等完成清晰成像。基于这个问题，现在已有研究者通过生长多层不同波 段吸收区实现双色或多色成像，但其仍存在许多问题，例如不同波段的器件性能水平有所 差异，容易出现某些波段成像效果差而实际无法实现多波段探测，现有的双色探测器有成 本高、制冷功耗大等劣势，以及应用于焦平面器件读出电路制备困难等缺陷，距离推广应用 仍有很大困难。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种InAs/GaSb超晶格光子晶体红外探测器及 其制备方法，以便解决上述技术问题中的至少之一。
[0005] 为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种InAs/GaSb超晶格 光子晶体红外探测器，在所述红外探测器的表面吸收区形成光子晶体阵列，所述光子晶体 阵列的排列间距小于所述红外探测器的截止波长。
[0006] 其中，所述光子晶体阵列是在由InAs/GaSb超晶格材料层形成的表面吸收区的表 面制备的圆锥形、金字塔形或柱形阵列。
[0007] 其中，所述InAs/GaSb超晶格材料层为等厚度的InAs和GaSb交替组成的超晶格材 料层。
[0008] 其中，所述InAs/GaSb超晶格材料层为不等厚度的InAs和GaSb交替组成的超晶格 材料层。
[0009] 其中，所述光子晶体阵列为等间距排列。
[0010]其中，所述光子晶体阵列为不等间距排列。
[0011] 作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种InAs/GaSb超晶格光子晶体红外 探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0012] 在衬底上外延形成缓冲层和晶格匹配的InAs/GaSb超晶格结构，得到红外探测器 外延片；
[0013] 在所述外延片表面制备探测器台面；
[0014] 在所述探测器台面的InAs/GaSb超晶格结构表面形成一光子晶体阵列，所述光子 晶体阵列的排列间距小于所述红外探测器的截止波长；
[0015] 将上述得到的半成品钝化后制备成成品的所述InAs/GaSb超晶格光子晶体红外探 测器。
[0016] 其中，所述在外延片表面制备探测器台面及在探测器台面的InAs/GaSb超晶格结 构表面形成一光子晶体阵列的步骤包括：
[0017] 采用标准光刻技术或电子束曝光技术，并用磷酸、柠檬酸或双氧水腐蚀或者采用 ICP刻蚀来在所述探测器台面的InAs/GaSb超晶格结构表面制备所述光子晶体阵列。
[0018] 其中，所述晶格匹配的InAs/GaSb超晶格结构为等厚度或不等厚度的InAs和GaSb 交替组成的超晶格材料层，其厚度根据器件的截止波长来设计。
[0019] 作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种根据如上所述的制备方法制备得 到的InAs/GaSb超晶格光子晶体红外探测器。
[0020] 基于上述技术方案可知，本发明的红外探测器具有如下有益效果：（1)可以实现小 于InAs/GaSb超晶格材料截止波长的全波段吸收率的提高，实现宽光谱探测，谱宽可扩展至 可见光，制造工艺简单；（2)在扩展响应谱范围的同时，还可以提高红外探测器在原响应波 段范围内的吸收率，提高器件性能；（3)该光子晶体器件可以实现小于InAs/GaSb超晶格探 测器截止波长的全光谱范围的探测；（4)本发明采取在吸收区制备光子晶体的方法，实现小 于器件截止波长的全波段吸收率的提高，实现宽光谱探测，这种方法制备的器件性能稳定 且均一性好，制备工艺及后续读出电路与已有的技术匹配度高，实用性强。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的几种光子晶体阵列的形貌结构剖面示意图；
[0022] 图2为本发明的InAs/GaSb超晶格光子晶体红外探测器的结构示意图；
[0023 ]图3为制备好的其中一种光子晶体SEM形貌的电镜照片；
[0024] 图4为制备的5μπι截止波长的光子晶体探测器与普通探测器的量子效率曲线图。
【具体实施方式】
[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0026] 本发明公开了一种以吸收区在材料表面的InAs/GaSb超晶格光子晶体探测器为基 础制备的宽光谱探测器，利用在吸收区上构建间距小于截止波长的圆锥形、金字塔形或柱 形晶体阵列来增强光吸收，从而可以实现紫外、可见至红外全波段光谱范围内的响应。
[0027] 更具体地，本发明的InAs/GaSb超晶格光子晶体红外探测器，其中在该InAs/GaSb 超晶格红外探测器的表面吸收区制备光子晶体阵列，增强对光的吸收，实现宽光谱探测。
[0028] 该光子晶体阵列是指在InAs/GaSb超晶格材料层表面制备的圆锥形、金字塔形或 柱形晶体阵列，可以构建为等间距或不等间距，但间距小于材料器件的截止波长更有效果。 [0029]该红外探测器材料的吸收区需生长在材料表层以便于制备光子晶体阵列。光子晶 体阵列可以通过湿法腐蚀或者干法等离子体刻蚀ICP制备。
[0030] 作为优选，该表面吸收区为InAs/GaSb超晶格光吸收层的表面，该InAs/GaSb超晶 格光吸收层例如是2:4 AlnAs和24 /\GaSb交替组成的超晶格，但是不限于此，只要是InAs/ GaSb组成的能吸收红外的超晶格均可以制作成吸收层。例如丨2 AlnAs和24 AGaSb交替组 成的吸收短波超晶格，36 AlnAs和24 AGaSb交替组成的吸收长波超晶格均可以当做光吸 收层。
[0031] 利用在InAs/GaSb超晶格红外探测器的吸收区制备间距小于截止波长的圆锥形、 金字塔形或柱形光子晶体阵列，可以实现红外探测器在全波段范围内吸收率的提高，从而 扩展吸收光谱。
[0032] 本发明还公开了一种InAs/GaSb超晶格光子晶体红外探测器的制备方法，具体实 施方法为:在GaSb衬底上依次外延GaSb缓冲层、晶格匹配的InAs/GaSb超晶格结构(吸收区 最后生长)及InAs或GaSb盖层;通过调节每周期InAs层和GaSb层的厚度，可吸收的波长的范 围从短波红外到长波、甚长波红外波段;制备好的外延片台面制作完成后，采用标准光刻技 术或电子束曝光技术，并用磷酸、柠檬酸、双氧水腐蚀或者采用ICP刻蚀制备圆锥形、金字塔 形或柱形光子晶体阵列；之后采用阳极硫化加室温沉积Si0 2的方式钝化，之后开通光孔和 电极窗口；沉积Ti/Pt/Au之后剥离出电极，制备出可以实现小于InAs/GaSb超晶格探测器截 止波长的全光谱范围的探测。
[0033]更具体地，该制备方法包括：
[0034] 在GaSb衬底上依次外延GaSb缓冲层，InAs/GaSb超晶格结构(吸收区最后生长)及 InAs或GaSb盖层。InAs/GaSb超晶格材料均与GaSb晶格匹配。InAs/GaSb超晶格是由交替生 长的InAs层和GaSb层组成，通过调节每周期InAs层和GaSb层的厚度，可吸收的波长的范围 从短波红外到长波、甚长波红外波段。
[0035] 制备好的外延片采用标准光刻技术并用磷酸、柠檬酸、双氧水腐蚀制作台面或者 采用ICP刻蚀制作台面。
[0036] 制备好台面的材料采用标准光刻技术或电子束曝光技术，并用磷酸、柠檬酸、双氧 水腐蚀或者采用ICP刻蚀制备圆锥形、金字塔形或柱形光子光子晶体阵列。
[0037] 采用阳极硫化电镀一层硫，然后室温沉积Si02覆盖于硫层之上，光刻并用氢氟酸 缓冲液(Β0Ε)或ICP刻蚀开通光孔和电极窗口。采用硫层钝化可以饱和台面侧壁的悬挂键， 降低暗电流，Si0 2物理钝化保护性能不稳定的硫化层。
[0038]光刻并沉积一层Ti/Pt/Au，然后剥离去除电极以外的金属，Ti/Pt/Au能与高掺的N 型GaSb和P型GaSb形成良好的欧姆接触。
[0039] 下面结合附图对本发明的一个优选实施方案进行进一步地阐述说明。
[0040] 图2为本发明的一种光子晶体宽光谱红外探测器的剖面示意图，其是以一种中波 NBN型InAs/GaSb超晶格红外探测器为例，但本发明并不限于此种中波NBN型InAs/GaSb超晶 格红外探测器。该方案的【具体实施方式】如下：
[0041 ]如图2所示，在GaSb衬底1上，形成外延载流子浓度为1~3 X 1018、厚度为0.5μπι的N 型GaSb缓冲层2;外延载流子浓度为1~3 Χ1018、厚度为0.5μπι的InAs/GaSb超晶格Ν型接触层 3，厚度为0 · 5μπι的InAs/GaSb/AlSb势皇层4;非故意掺杂，或者弱N掺杂，厚度为3μπι的InAs/ GaSb超晶格光吸收层5。
[0042] 其中，InAs/GaSb超晶格光吸收层5是由400-600个周期交替排列的InAs层和GaSb 层组成。每个周期中InAs的厚度为24 A;每个周期中GaSb层厚度为24 A。
[0043] InAs/GaSb/AlSb势皇层4是由100个周期交替排列的InAs(24人)/GaSb(3 A)/ A1SK15 A)/GaSb(3 A)构成。
[0044] 制备好的外延片采用标准光刻技术并用磷酸、柠檬酸、双氧水腐蚀制作台面或者 采用ICP刻蚀制作台面，台面刻蚀深度3.9μπι，腐蚀到N型接触层3。
[0045] 之后采用标准光刻技术并用磷酸、柠檬酸、双氧水腐蚀制作台面或者采用ICP刻蚀 在台面吸收区制作光子晶体阵列，阵列刻蚀深度2μπι，腐蚀只在InAs/GaSb超晶格光吸收层5 上进行。
[0046]然后在无水硫化钠的乙二醇溶液中电镀一层30nm的硫，然后用磁控溅射或等离子 体沉积室温积淀一层200nm的Si〇2覆盖在硫上面，形成钝化层6。光刻并用氢氟酸缓冲液腐 蚀或等离子体刻蚀Si02和硫层，在台面上及N型接触层3上开孔用于电极接触及形成通光 孔。
[0047]光刻并沉积一Ti(500美:)/Pt(60.0 A)/Au(2000 A)层以形成欧姆接触，然后剥 离去除电极以外的金属，最终在InAs/GaSb超晶格光吸收层5上保留上电极7、N型接触层3和 下电极8。
[0048] 对制备出的InAs/GaSb中波超晶格光子晶体红外探测器进行相应光谱测试及黑体 测试，计算得到到的器件量子效率如图4所示。可以看到，制备了光子晶体的探测器实现了 0.8-5μπι波段范围内的探测，而未制备光子晶体的探测器则在0.8-2μπι短波段没有响应。通 过制备光子晶体，器件在全波段量子效率都得到了提升。而小于〇. 8μπι的器件量子效率由于 测试设备的局限，没有测出，但根据设备性能，〇.8-1μπι量子效率的下降并不一定是器件量 子效率降低，更可能是光谱仪光栅影响所致。
[0049] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
【主权项】
1. 一种InAs/GaSb超晶格光子晶体红外探测器，其特征在于，在所述红外探测器的表面 吸收区形成光子晶体阵列，所述光子晶体阵列的排列间距小于所述红外探测器的截止波 长。2. 如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述光子晶体阵列是在由InAs/GaSb 超晶格材料层形成的表面吸收区的表面制备的圆锥形、金字塔形或柱形阵列。3. 如权利要求2所述的红外探测器，其特征在于，所述InAs/GaSb超晶格材料层为等厚 度的InAs和GaSb交替组成的超晶格材料层。4. 如权利要求2所述的红外探测器，其特征在于，所述InAs/GaSb超晶格材料层为不等 厚度的InAs和GaSb交替组成的超晶格材料层。5. 如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述光子晶体阵列为等间距排列。6. 如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述光子晶体阵列为不等间距排列。7. -种InAs/GaSb超晶格光子晶体红外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步 骤： 在衬底上外延形成缓冲层和晶格匹配的InAs/GaSb超晶格结构，得到红外探测器外延 片； 在所述外延片表面制备探测器台面； 在所述探测器台面的InAs/GaSb超晶格结构表面形成一光子晶体阵列，所述光子晶体 阵列的排列间距小于所述红外探测器的截止波长； 将上述得到的半成品钝化后制备成成品的所述InAs/GaSb超晶格光子晶体红外探测 器。8. 如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在外延片表面制备探测器台面及在 探测器台面的InAs/GaSb超晶格结构表面形成一光子晶体阵列的步骤包括： 采用标准光刻技术或电子束曝光技术，并用磷酸、柠檬酸或双氧水腐蚀或者采用ICP刻 蚀来在所述探测器台面的InAs/GaSb超晶格结构表面制备所述光子晶体阵列。9. 如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述晶格匹配的InAs/GaSb超晶格结构 为等厚度或不等厚度的InAs和GaSb交替组成的超晶格材料层，其厚度根据器件的截止波长 来设计。10. -种根据权利要求7至9任意一项所述的制备方法制备得到的InAs/GaSb超晶格光 子晶体红外探测器。
【文档编号】H01L31/0352GK106024931SQ201610407539
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】郝宏玥, 徐应强, 王国伟, 向伟, 韩玺, 蒋洞微, 牛智川
【申请人】中国科学院半导体研究所