[发明专利]一种氮化物量子阱红外探测器及其制备方法

权利要求书

1.一种氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述氮化物量子阱红外探测器包括：衬底、缓冲层、底电极接触层、复合层、底电极、顶电极和钝化层；在衬底上生长缓冲层；在缓冲层上生长底电极接触层；在底电极接触层的一部分上依次为复合层和顶电极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在顶电极和底电极的侧面覆盖有钝化层；其中，复合层包括掩膜层、纳米柱阵列、多量子阱和顶电极接触层，掩膜层具有周期性排布的孔洞结构，纳米柱阵列从掩膜层中的孔洞中生长出来，在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱，在多量子阱的顶部生长顶电极接触层；其中，纳米柱阵列的顶部为金字塔状，顶部为半极性面并且侧壁为非极性面。

2.如权利要求1所述的氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述掩膜层选取绝缘材料；孔洞的周期在500～1000nm之间，孔洞的直径在50～500nm之间。

3.如权利要求1所述的氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述纳米柱阵列的材料采用氮化物半导体材料；纳米柱的高度在300～1000nm之间。

4.如权利要求1所述的氮化物量子阱红外探测器，其特征在于，所述顶电极接触层从多量子阱的顶部生长并逐渐变宽直至相互合并形成薄膜。

5.一种氮化物量子阱红外探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1)优化参数：根据实际需要，通过数值模拟计算，得到量子阱红外探测器结构的优化参数；

2)制备图形化衬底：包括在衬底上依次生长缓冲层和底电极接触层，并按照步骤1)中的优化参数，利用图形化制备技术制备具有周期性排布的孔洞结构的掩膜层，形成图形化衬底；

3)生长外延晶片：利用精细外延生长设备，按照步骤1)中的优化参数，在图形化衬底上，从掩膜层中的孔洞中生长纳米柱阵列，在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱，在多量子阱的顶部生长顶电极接触层，其中，纳米柱阵列的顶部为金字塔状，顶部为半极性面并且侧壁为非极性面；

4)测试反馈：利用材料表征设备对外延晶片的晶体质量、表面形貌以及界面情况进行测试反馈，并测试外延晶片的光吸收谱，确定光响应波段范围；如果外延晶片的性能不满足需要，则优化生长条件，返回步骤1)重新制备，直到获得符合设计要求的外延晶片，进入步骤5)；

5)制备探测器单元：包括对外延晶片进行台面刻蚀、电极蒸镀以及侧边钝化步骤；

6)对探测器单元进行封装，包括连接热沉和引线，封装后对探测器单元进行测试以获取探测器单元的性能信息。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，根据探测范围的需要，采用薛定谔方程和泊松方程自洽求解的方法进行模拟计算；得到优化参数：图形化衬底的周期和孔洞的直径，多量子阱的势垒、势阱的材料、厚度和周期数，底电极接触层、顶电极接触层的材料和厚度。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，制备图形化衬底包括：①清洗衬底使表面洁净可用于外延生长；②在洁净的衬底上生长缓冲层；③在缓冲层上生长底电极接触层，生长时应进行n型掺杂以降低接触电阻，厚度不小于200nm；④按照步骤1)中优化参数的图形化衬底的周期和孔洞的直径，利用纳米压印方法或聚焦离子束刻蚀方法制备掩膜层。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，具体包括：①清洗图形化衬底使表面洁净可用于外延生长；②在图形化衬底上从掩膜层中的孔洞中生长纳米柱阵列；③在纳米柱阵列的顶部和侧面生长多量子阱；④在多量子阱的顶部生长顶电极接触层，要求多量子阱的顶部生长并逐渐变宽直至相互合并形成薄膜。

9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，采用X射线衍射的摇摆曲线半高宽FWHM的大小表征材料位错密度的螺型分量和刃型分量的大小，采用高精度透射电子显微镜HR-TEM表征多量子阱的界面锐利度，采用原子力显微镜AFM表征材料的表面粗糙度RMS，采用傅里叶变换红外光谱仪FTIR测试红外光吸收谱；其中，摇摆曲线半高宽FWHM(002)面小于200arcsec，(102)面小于600arcsec，HR-TEM测试界面无互扩散，AFM测试表面原子台阶清晰，RMS不大于1nm，FTIR光响应波段满足设计要求的晶片较为合适。

10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，台面刻蚀，以露出底电极接触层的表面；电极蒸镀，并快速退火以使电极与相应电极接触层形成欧姆接触，并要求电极让红外光透过；侧边钝化，防止暗电流通过台面侧边形成有效通路以降低背景噪声。