[发明专利]隧道补偿超晶格红外探测器

说明书

本发明公开了隧道补偿超晶格红外探测器，属于半导体光电子领域。原有的隧道补偿多有源区红外探测器改善了传统多量子阱或超晶格结构红外探测器的光电流小，暗电流大的缺点，但制作难度较大，成品率低。在衬底上生长下接触层，然后生长一个或多个基本单元，上接触层，制作台面和电极，基本单元依次为阻挡势垒、超晶格红外吸收区、重掺杂N型区和重掺杂P型区；特征在于采用超晶格结构作为探测器的红外吸收区，降低了对外延结构参数的控制要求；重掺杂N型区和重掺杂P型区形成隧道结，为超晶格提供隧道补偿电流；阻挡势垒厚度为30～50nm，以减小器件的暗电流。本发明兼具隧道补偿多有源区红外探测器光电流大、暗电流低、响应速度快等优点。

技术领域

本发明是一种中长波长红外探测器件，具体涉及一种隧道补偿超晶格有源区红外探测器，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

传统的中长波多量子阱或超晶格结构红外探测器主要为GaAs/Ga1-xAlxAs材料系统或InxGa1-xAs/GaAs材料系统。其器件结构的实现采用分子束外延(MBE)或金属有机化学汽相淀积(MOCVD或OMVPE)技术外延生长得到。经过标准的半导体工艺过程，得到传统的中长波多量子阱或超晶格结构红外探测器件，其基本结构如图1、2所示(以GaAs/Ga1-xAlxAs材料系统为例)：上金属电极1；上N型GaAs接触层2；多量子阱区或超晶格结构3(由本征型Ga1-xAlxAs材料势垒层7，N型GaAs材料势阱层8交替生长若干周期)；下N型GaAs接触层4；下金属电极5；GaAs衬底6。如为单个或单列器件，衬底一侧磨45度角并抛光做为进光面；如为面阵器件，则多在表面制作光栅。该种探测器存在着如下一些缺点：1、光电流的大小与量子阱的个数无关；2、器件工作时在导带存在补偿复合电流，器件的暗电流大。

为了获得大光电流、高响应速度的红外探测器件，利用外延生长技术和传统的Ⅲ－Ⅴ族材料工艺，制作了隧道补偿多有源区红外探测器。该器件主要结构包括(以GaAs/Ga1-xAlxAs材料系统为例)：半绝缘GaAs衬底、上下接触层、隧道补偿机构和红外吸收区。其中隧道补偿机构和红外吸收区为周期重复的基本单元结构，其能带基本结构如图3所示：由p+-Ga1-xAlxAs区4(或p+-GaAs)和n+-GaAs区3组成的隧道结为隧道补偿机构，和i-Ga1-xAlxAs区1各自形成势垒，中间的n+-GaAs区2形成势阱，为红外吸收区。该种探测器的光电流会随量子阱红外吸收区数目的增加而增大。缺陷在于材料生长难度很高。由于势阱n+-GaAs区2对载流子的限制是通过异质结带边差和PN结内建电场形成的势垒共同构成的，量子阱与外延结构参数,如掺杂水平以及在界面处的分布等,关系非常敏感。外延结构的具体情况很难实现精确的控制。若实际掺杂浓度低于设计值，会导致隧道结耗尽层过宽，量子阱变窄，若实际掺杂浓度高于设计值，则耗尽层过窄，量子阱变宽，难以得到理想的探测波长。

发明内容

本发明的目的在于克服了上述现有技术的缺点，提供一种易于制作的大光电流高性能的红外探测器件。

本发明采用的技术方案为隧道补偿超晶格红外探测器，依次在衬底上生长N型下接触层4、阻挡势垒9、超晶格红外吸收区10、重掺杂N型区11和重掺杂P型区12，超晶格红外吸收区10由GaAs/AlGaAs材料按照一定的周期结构生长多对；根据探测器性能的要求重复生长阻挡势垒9、超晶格红外吸收区10、重掺杂N型区11和重掺杂P型区12以提升器件的性能，最后外延上接触层2。采用半导体工艺制作台面，并在该台面的上下制作上金属电极1和下金属电极5。

采用超晶格结构代替隧道补偿多有源区红外探测器的n+-GaAs势阱作为红外吸收区，分离隧道结耗尽区和红外吸收区，克服原设计中P型和N型GaAs掺杂浓度的微小变化对势阱形状及有效阱宽的影响较大以致阱中能级很难控制的缺点。