[发明专利]一种基于II类超晶格的横向p‑n结红外探测器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电器件制备技术领域，具体涉及一种基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器及其制作方法。

背景技术

红外探测技术在军事、特殊气体、探测空间探索、安防监控等领域有广泛应用。其中II类超晶格材料作为第三代红外探测材料引起广泛关注。1977年Esaki等提出InAs/GaSb II类超晶格红外探测器的概念。

目前II类超晶格的红外探测器都是基于纵向结构，尤其是纵向pn结或p-i-n结，InAs/GaSb超晶格是典型的II类超晶格，二者的能带结构完全错开，成为II类能带结构，两种材料交替生长一定周期形成超晶格结构，由于两种材料的能带错开，超晶格中电子和空穴限制在不同的材料中，沿着生长方向的电子和空穴的纵向输运需经过两种材料的界面，要求较高的界面质量，由于界面散射和界面处缺陷及晶体缺陷导致的隧穿电流是器件暗电流的主要来源，降低器件的探测率和灵敏度，严重影响了探测器的性能。而且，纵向器件需通过化学或物理刻蚀形成台面，过程中产生的缺陷也会形成表面漏电流或侧壁漏电流。pn结或p-i-n结还需要进行高浓度的p型和n型掺杂，在制备过程中导致大量的晶格缺陷，并导致暗电流，为了抑制缺陷及暗电流，红外探测器需在低温工作，需要制冷，限制了应用领域。

近年来，Ⅱ类超晶格材料发展起来很多不同结构的红外探测器。比如：传统的pn结和p-i-n结、p-π-M-n，互补型势垒红外探测器等，这些结构需要进行高浓度p型和n型掺杂，纵向结构需要进行刻蚀，产生的缺陷形成侧面漏电流等暗电流来源。除此之外还有M型和W型等结构，1995年Meyer等人首次发展了波段在中波的红外探测器，为W型结构（Appl. Phys. Lett，2009 (95): 023508）。长波段可由具有W型结构的探测器实现（Appl. Phys. Lett. 2011 (98): 143501）。2009年，美国西北大学B.M.Nguyen等人报道了一种基于Ⅱ类InAs/GaSb/AlSb超晶格材料的超长波红外探测器，采用M结构作为势垒（Appl. Phys. Lett. 2009 (95): 183502）。这些结构还需加入第三种材料从而实现M型或W型能带结构，制备复杂，生长周期长，而且这些结构均以纵向器件为基本结构，在载流子传输和器件制备方面都存在以上问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的红外探测器由于纵向结构在生长和器件制备过程中产生缺陷而导致灵敏度和探测率低的问题，提供一种基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器及其制作方法，该方法除用于InAs/GaSb的II类超晶格以外，也适用于具有二类能带结构的其他材料。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器，所述的红外探测器自下而上包括衬底、缓冲层、Ⅱ类超晶格；Ⅱ类超晶格表面分为n型区和p型区，在n型区和p型区分别通过离子注入方法注入Si和Be元素形成高掺杂导电区域，在n型区表面和p型区表面及两者之间的表面区域分别蒸镀钛金电极，形成n型接触电极、p型接触电极及接地电极。

一种上述的基于II类超晶格的横向p-n结红外探测器的制备方法，所述方法具体步骤如下：

步骤一：将衬底放进分子束外延设备真空腔内，进行高温脱氧处理15min，然后在V族元素蒸汽保护下除气3~5 min；

步骤二：在步骤一处理后的衬底上生长缓冲层1~2μm；

步骤三：在缓冲层上生长100~200个周期的Ⅱ类超晶格；

步骤四：在步骤三的Ⅱ类超晶格表面采用光刻胶掩膜定义n型区和p型区，这两个区域均为正方形，边长尺寸250~400μm；

步骤五：在室温下，向n型区和p型区分别注入Be离子和Si离子到Ⅱ类超晶格中，深度为500~800nm，并在惰性气体保护下350~400^oC进行退火处理15~60 min消除注入损伤；

步骤六：通过光刻掩膜方法在n型区和p型区的表面及二者中间位置定义n型接触电极区、p型接触电极区及接地电极区，n型区和p型区均为正方形，边长尺寸为200~300μm，并在这些区域溅射钛金合金，作为n型接触电极、p型接触电极及接地电极，形成横向p-n结。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

（1）材料制备相对简单，无需生长掺杂超晶格结构；

（2）在器件制备方面，不需台阶刻蚀，p型和n型电极处于同一平面，简化制作工艺和电学连线；