[发明专利]一种氮化物量子阱红外探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外探测器技术，尤其涉及一种氮化物量子阱红外探测器及其制备方法。

背景技术

量子阱红外探测器是利用半导体多量子阱或者超晶格材料的子带间跃迁制成的探测器，具有稳定性好、响应速度快、抗辐射和易制作大面积焦平面阵列等优点。传统的量子阱红外探测器及其大规模阵列已经在第一代半导体(Si、Ge)以及第二代半导体(III族砷化物半导体)中实现，在精确制导和红外成像等军用、民用领域具有极广泛的应用。但是由于其材料禁带宽度覆盖范围的限制，现有的量子阱红外探测器只能满足波长大于2.3μm红外波段的探测，无法应用于光通信(1.3μm或1.55μm)领域。

氮化物半导体材料是第三代半导体材料，以GaN、AlN、InN二元合金，InGaN、AlGaN、InAlN三元合金以及InAlGaN四元合金为主要成员。其禁带宽度在0.7eV-6.2eV范围连续可调，并且具有极高的击穿电场、高电子饱和迁移速度、高热导率、更强的抗辐射能力以及更短的弛豫时间(飞秒量级)。氮化物材料制备的量子阱红外探测器，可以实现从1μm到亚毫米波(THz)波段的全红外光谱探测，并将传统的量子阱红外探测器的响应时间进一步提高两个数量级，在超快光通信和光调制领域有广阔的应用前景。此外，氮化物还具有紫外扩展特性，可以用于制备单片集成的紫外-红外双色探测器，实现超低虚警率、超快响应时间、更小元器件体积以及更高分辨率的成像。

当前氮化物同质衬底制备困难，现阶段大面积同质外延生长氮化物成本极高。因此，目前制备氮化物材料主要是利用分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等方法，在蓝宝石、碳化硅以及单晶硅等衬底上进行异质外延生长。由于外延膜与衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，异质外延制备的氮化物材料晶体质量较差，位错密度可达10⁷-10⁹cm^-2量级，形成了高密度的暗电流通道，不利于光电流信号的提取。同时，氮化物材料体系固有的自发极化和压电极化诱导的内建电场(极化场)抑制了载流子的纵向输运，极大程度地降低了信噪比。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种氮化物量子阱红外探测器，其多量子阱生长在纳米柱阵列的顶部(半极性面)和侧面(非极性面)。多量子阱生长于位错密度极低的纳米柱阵列上，可实现极高晶体质量的多量子阱结构；半极性面和非极性面多量子阱的极化场强度远低于传统极性面多量子阱的极化场强度，可实现高效光电流信号的提取。

本发明的一个目的在于提供一种氮化物量子阱红外探测器。

本发明的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。

本发明的衬底是适宜生长III族氮化物且成本低廉的衬底，主要包括蓝宝石，(111)面单晶硅、碳化硅等；本发明的缓冲层是介于衬底和底电极接触层之间的插入层，其结构是周期性的氮化物超晶格，其作用是释放外延层的晶格应变，阻断衬底的部分位错继续向上延伸，进而提高材料的外延生长质量；本发明的底电极接触层和顶电极接触层为n型掺杂的III族氮化物材料；本发明的掩膜层为采用纳米压印方法或聚焦离子束刻蚀方法等制备的含有周期性排布的孔洞结构，为减少漏电，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；本发明的纳米柱阵列从掩膜层的孔洞中生长出来，材料采用氮化物半导体材料，纳米柱的高度在300～1000nm之间；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；本发明的底电极和顶电极为可以让红外光透过的欧姆接触电极，其结构为环形电极或ITO透明电极等；本发明的钝化层选取绝缘材料。