阅读说明：本技术 一种高In组分台面型InGaAs焦平面探测器及其制备方法 (Mesa InGaAs focal plane detector with high In component and preparation method thereof ) 是由 顾溢 孙夺 刘大福 李雪 于 2020-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高In组分台面型InGaAs焦平面探测器及其制备方法,其包括一探测器主体层、钝化膜层和欧姆接触层；探测器主体层由下往上依次包括InP衬底、InP缓冲层、n型In_yAl_(1-y)As缓冲层、n型In_xGa_(1-x)As吸收层、p型In_xAl_(1-x)As耗尽层和p型In_xGa_(1-x)As接触层；探测器主体层表面覆盖有钝化膜层；p型In_xGa_(1-x)As接触层分为像元区和像元分隔区,像元分隔区的深度等于p型In_xGa_(1-x)As接触层的厚度；p型In_xAl_(1-)_xAs耗尽层的厚度为20-70nm；0.53≤x＜1；0.52≤y≤x。本发明的探测器结构,可以大幅降低焦平面探测器的总体暗电流。(The invention discloses a mesa InGaAs focal plane detector with high In component and a preparation method thereof, comprising a detector main body layer, a passivation film layer and an ohmic contact layer; the detector main body layer sequentially comprises an InP substrate, an InP buffer layer and n-type In from bottom to top y Al 1‑y As buffer layer and n-type In x Ga 1‑x As absorption layer, p-type In x Al 1‑x As depletion layer and p-type In x Ga 1‑x An As contact layer; a passivation film layer covers the surface of the detector main body layer; p-type In x Ga 1‑x The As contact layer is divided into a pixel region and a pixel separation region, and the depth of the pixel separation region is equal to that of the p-type In x Ga 1‑x Of As contact layersThickness; p-type In x Al 1‑ x The thickness of the As depletion layer is 20-70 nm; x is more than or equal to 0.53 and less than 1; y is more than or equal to 0.52 and less than or equal to x. The detector structure of the invention can greatly reduce the total dark current of the focal plane detector.)

一种高In组分台面型InGaAs焦平面探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体光电子器件领域，特别涉及一种高In组分台面型InGaAs焦平面探测器及其制备方法。

背景技术

短波红外(1-3微米)波段在通信、遥感、传感、成像等领域具有许多重要的应用。这个波段的半导体探测器有多种，其中III-V族InGaAs材料做成的探测器可以较高温工作，响应速度较高，量子效率可超过70％，所以是这个波段一种主要的选择。InGaAs材料在全组分均是直接带隙，在In组分0.53的时候与InP衬底晶格匹配，室温下禁带宽度0.74eV，其作为吸收层制成的探测器截止波长约1.7微米，可以覆盖长波光纤通信的1.3和1.55微米波长，因此采用In_0.53Ga_0.47As材料制作的半导体探测器在光通信领域获得了普遍应用。

另外，在遥感和传感领域，许多应用场合需要截止波长大于1.7微米的探测器；例如，冰云、卷云、矿产、植被等物质的特征吸收谱线波长均位于2.1-2.5微米范围，因此该波段的空间遥感可获得丰富的信息，需要探测器的截止波长大于1.7微米；再例如，相干多普勒测风雷达可实现比传统工作于10微米和1.06微米波长更高的速度精度和距离分辨率的大气风场结果，相干多普勒测风雷达也需要2微米波段的探测器。

虽然通过增加In_xGa_1-xAs吸收层材料中的In组分x可以减小InGaAs材料的禁带宽度，从而增加InGaAs探测器的截止波长，例如，In组分达到0.8时，InGaAs探测器的截止波长就能达到约2.4微米；但是，In组分增加后，InGaAs吸收层与InP衬底间会存在晶格失配，材料中会存在位错，所以一般会在InP衬底上先生长缓冲层再生长InGaAs吸收层。其中，InAlAs缓冲层是主要的缓冲层之一，在采用缓冲层后，InGaAs吸收层材料中的位错会有所减少，不过仍然远多于晶格匹配的材料。

对于这种高In组分的InGaAs焦平面探测器，平面型结构的p型扩散工艺控制存在困难，所以常采用台面结构。p型掺杂层采用原位生长形成，通过刻蚀形成台面结构来分隔焦平面的相邻像元，台面侧壁pn结附近耗尽区的暗电流是台面型器件暗电流的主要来源之一。当前，对于众多的应用，器件暗电流是限制高In组分InGaAs器件性能的核心瓶颈。所以，迫切需要降低台面型高In组分InGaAs探测器的暗电流。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中高In组分台面型InGaAs焦平面探测器中暗电流较高(室温下暗电流密度一般为1×10^-5～5×10^-4A/cm²)的缺陷，而提供一种高In组分台面型InGaAs焦平面探测器及其制备方法，本发明的探测器在室温下的暗电流密度可降低至常规暗电流密度的1/2～2/3。

本领域内，常规的耗尽层厚度比较薄(几纳米量级)，以致于在刻蚀的过程中保留耗尽层很难实现，由此导致暗电流较大。在实验过程中，发明人发现倘若增大耗尽层的厚度，虽然一定程度上能够降低暗电流，但是接触层与p型欧姆接触金属的接触效果会变得不佳，由此导致焦平面探测器响应度低、甚至会导致探测器功能不正常的问题，因此本领域内如何在保证接触层与p型欧姆接触金属的接触效果较好的前提下，降低暗电流是亟待解决的难题。而本发明的发明人通过创造性劳动发现，通过控制耗尽层的厚度在20-70nm范围内，像元分隔区的设置位置以及其它必要技术特征，不仅可以解决接触层与p型欧姆接触金属的接触效果不好的问题，还可以显著降低了暗电流的密度。

本发明是通过以下方案来解决上述技术问题的：

一种高In组分台面型InGaAs焦平面探测器，其包括一探测器主体层、钝化膜层和欧姆接触层；

所述探测器主体层由下往上依次包括InP衬底、InP缓冲层、n型In_yAl_1-yAs缓冲层、n型In_xGa_1-xAs吸收层、p型In_xAl_1-xAs耗尽层和p型In_xGa_1-xAs接触层；

所述探测器主体层表面覆盖有所述钝化膜层；

所述p型In_xGa_1-xAs接触层分为像元区和像元分隔区，所述像元分隔区的深度等于所述p型In_xGa_1-xAs接触层的厚度；

所述p型In_xAl_1-xAs耗尽层的厚度为20-70nm；

0.53≤x＜1；0.52≤y≤x。

本发明中，所述InP衬底的厚度范围可为本领域常规，较佳地为350-650μm，例如620μm。所述InP衬底一般根据需要可进行掺杂或不掺杂其他元素。

本发明中，所述InP缓冲层的厚度范围可为本领域常规，较佳地为0.2-1μm，例如500nm或者200nm。所述InP缓冲层一般根据需要可进行掺杂或不掺杂其他元素，例如不掺杂。

本发明中，所述n型In_yAl_1-yAs缓冲层的厚度范围可为本领域常规，较佳地为1-3μm，例如2μm或者2.5μm。

本发明中，所述n型In_yAl_1-yAs缓冲层的掺杂源可为本领域常规，较佳地为Si或S，例如Si。其中，所述n型In_yAl_1-yAs缓冲层中的载流子浓度可为本领域常规的浓度，较佳地为1×10¹⁸cm^-3-5×10¹⁸cm^-3，例如1×10¹⁸或者3×10¹⁸cm^-3。

本发明中，所述n型In_xGa_1-xAs吸收层的厚度范围可为本领域常规，较佳地为1-3μm，例如1.5μm或者2μm。

本发明中，所述n型In_xGa_1-xAs吸收层的掺杂源可为本领域常规，较佳地为Si或S，例如Si。其中，所述n型In_xGa_1-xAs吸收层中的载流子浓度可为本领域常规的浓度，较佳地为1×10¹⁴cm^-3-5×10¹⁶cm^-3，例如2×10¹⁶cm^-3或者5×10¹⁵cm^-3。

本发明中，所述p型In_xAl_1-xAs耗尽层的掺杂源可为本领域常规，较佳地为Be或者Zn。其中，所述p型In_xAl_1-xAs耗尽层中的载流子浓度较佳地为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，例如2×10¹⁷cm^-3或者1×10¹⁸cm^-3。

本领域技术人员均知晓，一般地，所述p型In_xAl_1-xAs耗尽层在器件工作时全部耗尽。

本发明中，所述p型In_xGa_1-xAs接触层的厚度范围可为本领域常规，较佳地为200-500nm，例如300nm。所述p型In_xGa_1-xAs接触层的掺杂源可为本领域常规，较佳地为Be或者Zn。其中，所述p型In_xGa_1-xAs接触层的载流子浓度可为本领域常规，较佳地为1×10¹⁸cm^-3～5×10¹⁸cm^-3，例如3×10¹⁸cm^-3或者5×10¹⁸cm^-3。

本发明中，本领域技术人员均知晓，所述p型In_xGa_1-xAs接触层一般经过刻蚀后形成所述像元区和所述像元分隔区，被刻蚀的部分，形成一凹槽，为所述像元分隔区；未被刻蚀的部分为所述像元区。

所述像元分隔区的深度即为凹槽的深度，等于所述p型In_xGa_1-xAs接触层的厚度，也就是所述像元区的厚度。所述像元分隔区的底面为所述p型In_xAl_1-xAs耗尽层的上表面。

本发明中，所述像元分隔区的数量与焦平面探测器的像元规模有关，一般每相邻的两个像元之间都有像元分隔区。所述像元分隔区的宽度范围可为1-5μm，例如2μm，所述像元分隔区的宽度是指两个相邻的所述像元区之间的垂直距离。

本发明中，所述像元区的尺寸可为长(10～300)μm×宽(10～300)μm。

本发明中，所述钝化膜层的材料可为本领域常规，例如Si₃N₄或者SiO₂。所述钝化膜层的厚度可为本领域常规，较佳地为200-500nm，例如300nm。

本发明中，所述欧姆接触层的厚度可为本领域常规的厚度，较佳地为100-500nm。

本发明中，所述欧姆接触层一般包括p型欧姆接触层和n型欧姆接触层。其中，所述p型欧姆接触层的金属可为本领域常规，例如Ti/Pt/Au三层金属可为p型金属层。所述n型欧姆接触层的金属可为本领域常规，例如Cr/Au两层金属可为n型金属层。

其中，所述p型欧姆接触层一般贯穿于所述钝化膜层、且设置于所述像元区的表面或者嵌设于所述像元区内部。一般地，所述每一像元区均对应一所述p型欧姆接触层。

其中，所述p型欧姆接触层的尺寸可为长(5～30)μm×宽(5～30)μm。

其中，所述n型欧姆接触层一般贯穿于所述钝化膜层，且设置于所述n型In_xGa_1-xAs吸收层或者所述n型In_yAl_1-yAs缓冲层的表面、或者嵌设于所述n型In_xGa_1-xAs吸收层或者所述n型In_yAl_1-yAs缓冲层。

所述n型欧姆接触层较佳地贯穿于所述钝化膜层，且设置于所述n型In_yAl_1-yAs缓冲层的表面。

所述n型欧姆接触层尺寸可大于长50μm×宽10μm，小于所述探测器的阵列的尺寸。

本发明中，x、y分别代表了在材料中In原子占In和Ga原子总和的比例，以及In原子占In和Al原子总和的比例。

本发明中，所述InP衬底、所述InP缓冲层、所述n型In_yAl_1-yAs缓冲层、所述n型In_xGa_1-xAs吸收层、所述p型In_xAl_1-xAs耗尽层和所述p型In_xGa_1-xAs接触层的面积均可为本领域常规，可按照所制作的探测器的大小设置各层的面积。

一种上述高In组分台面型InGaAs焦平面探测器的制备方法，其包括：

(1)在所述InP衬底上依次生长所述InP缓冲层、所述n型In_yAl_1-yAs缓冲层、所述n型In_xGa_1-xAs吸收层、所述p型In_xAl_1-xAs耗尽层、所述p型In_xGa_1-xAs接触层，构成所述探测器主体层；

(2)在所述p型In_xGa_1-xAs接触层上形成所述像元区和所述像元分隔区；

(3)在所述探测器主体层上生长所述钝化膜层，和所述欧姆接触层。

步骤(1)中，所述生长的方法可为本领域常规的外延材料的生长方法，例如分子束外延法。其中，所述探测器主体层中各层的厚度可通过控制载流子浓度来保证其厚度，载流子浓度可通过控制掺杂源的温度来控制。

其中，所述生长的速率可为0.5-1.5μm/h。

步骤(2)中，形成所述像元区和所述像元分隔区的方法可为本领域常规的方法，例如湿法刻蚀、干法刻蚀等。通过刻蚀掉焦平面所述像元分隔区对应的所述p型In_xGa_1-xAs接触层，同时保留所述p型In_xAl_1-xAs耗尽层的原本厚度，像元间的浅隔离槽即为像元分隔区。

其中，所述湿法刻蚀一般采用氢溴酸进行，湿法刻蚀的速率可为0.5-1μm/min，例如0.6μm/min。所述干法刻蚀一般是指感应耦合等离子体刻蚀方法。所述感应耦合等离子体刻蚀方法一般是指采用Cl₂和CH₄作为刻蚀气体，以约0.5-1.5μm/min的刻蚀速率进行干法刻蚀。

其中，在形成所述像元区和所述像元分隔区的过程中，通过台阶仪测定所述像元分隔区的深度，以确认所述像元分隔区的深度等于所述p型In_xGa_1-xAs接触层的厚度。

步骤(3)中，生长所述钝化膜层的方法可为本领域常规的生长方法，例如磁控溅射法或者化学气相沉积法。

步骤(3)中，生长所述欧姆接触层的方法可为本领域常规的生长方法，例如电子束蒸发法或者磁控溅射法。生长速率可按照本领域常规的控制功率、温度参数来控制。

其中，在生长所述欧姆接触层时，一般需要在所述探测器主体层相应位置通过光刻、刻蚀去掉对应的钝化膜层，再生长欧姆接触层。

本发明中，InP衬底，高纯金属In、Ga、Al，及高纯As、P等均可为本领域常规，例如InP衬底可购自AXT、Inpact、先导等公司；高纯金属In、Ga、Al可购自PPM、UMC、先导等公司；高纯As、P可购自先导、峨嵋等公司。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：

本发明提供的高In组分InGaAs台面型焦平面探测器结构，通过控制p型In_xAl_1-xAs耗尽层的厚度，以及像元分隔区的深度，消除焦平面光敏区InGaAs吸收层的台面侧壁，可以大幅抑制由此带来的表面暗电流，降低焦平面探测器的总体暗电流：可降低至常规暗电流密度的1/2～2/3。

附图说明

图1是实施例1的In0.74Ga0.26As台面型焦平面探测器结构示意图；

图2是实施例2的In0.8Ga0.2As台面型焦平面探测器结构示意图；

图3是本发明高In组分InGaAs台面型焦平面探测器的平面结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

下述实施例中：暗电流测试方法为采用半导体参数分析仪进行测试，仪器为Agilent公司的B1500A；

InP衬底，高纯金属In、Ga、Al，及高纯As、P均购自广东先导稀材股份有限公司；

分子束外延生长法可参考“Wavelength extended 2.4μm heterojunctionInGaAs photodiodes with InAlAs cap and linearly graded buffer layers suitablefor both front and back illuminations，Y.G.Zhang,Y.Gu.et.al，Infrared Phys.&Technol.51,316-321(2008)”；生长速率为1μm/h。

化学气相工艺采用的设备为Sentech公司的SI500D设备；

电子束蒸发工艺采用的设备为ULVAC公司ei-5型号；

InP衬底、缓冲层、吸收层、耗尽层以及接触层的面积均为直径3英寸的圆形。

实施例1

本实施例1举例说明本发明的In_0.74Ga_0.26As台面型焦平面探测器结构的制备方法，本实施中的焦平面探测器的阵列为640行×512列，其结构如图3所示，制备该结构的主要步骤如图1所示，具体地：

(1)在InP衬底(厚度620μm)上依次外延生长InP缓冲层(不掺杂，厚度500nm)、n型In_yAl_1-yAs缓冲层(掺杂源Si，载流子浓度1×10¹⁸cm^-3，厚度2μm，y从0.52逐渐递增到0.74；、n型In_0.74Ga_0.26As吸收层(掺杂源Si，载流子浓度2×10¹⁶cm^-3，厚度1.5μm)、p型In_0.74Al_0.26As耗尽层(掺杂源Be，载流子浓度2×10¹⁷cm^-3，厚度70nm)和p型In_0.74Ga_0.26As接触层(掺杂源Be，载流子浓度3×10¹⁸cm^-3，厚度300nm)；

(2)通过采用氢溴酸对p型In_0.74Ga_0.26As接触层进行湿法刻蚀，刻蚀速率为0.6μm/min，同时保留p型In_0.74Al_0.26As耗尽层的原本厚度(也就是不破坏耗尽层)，从而形成如图3所示的像元区(30μm×30μm)和像元分隔区；其中，像元分隔区的宽度为2μm、且深度为300nm。

以相同的方法和条件对焦平面的边缘进行刻蚀，由p型In_0.74Ga_0.26As接触层刻蚀至n型In_yAl_1-yAs缓冲层的表面以形成凹槽，凹槽的深度等于1.87μm。

(3)以硅烷、氨气作为原料气体，采用化学气相沉积工艺生长Si₃N₄钝化膜，Si₃N₄钝化膜层的厚度为300nm。

(4)采用与步骤(2)相同的刻蚀法先将像元区上的一部分钝化膜层去掉(对应的尺寸为p型欧姆接触金属层的尺寸8μm×8μm)，采用电子束蒸发工艺生长p型欧姆接触金属层。其中p型欧姆接触金属层的金属为Ti/Pt/Au三层，厚度为100nm；

采用与步骤(2)相同的刻蚀法先将n型In_yAl_1-yAs缓冲层的表面上的一部分钝化膜层去掉(对应的尺寸为n型欧姆接触金属层的尺寸100μm×50μm)，采用前述相同的电子束蒸发工艺生长n型欧姆接触金属层，其中n型欧姆接触金属层的金属为Cr/Au，厚度为100nm。

效果数据：本实施例的探测器在室温下暗电流密度7×10^-6A/cm²，200K下暗电流密度8×10^-10A/cm²；室温下探测率1×10¹¹cmHz^1/2/W，200K下探测率达3×10¹²cmHz^1/2/W。

实施例2

本实施例2举例说明本发明的In_0.8Ga_0.2As台面型焦平面探测器结构及其制备方法，本实施中的焦平面探测器的阵列为640行×512列，其结构如图3所示，制备该结构的主要步骤如图2所示，具体地：

(1)在InP衬底(厚度620μm)上依次外延生长InP缓冲层(不掺杂，厚度200nm)、n型In_yAl_1-yAs缓冲层(掺杂源Si，载流子浓度3×10¹⁸cm^-3，厚度2.5μm，y从0.52逐渐递增到0.8、n型In_0.8Ga_0.2As吸收层(掺杂源Si，载流子浓度5×10¹⁵cm^-3，厚度2μm)、p型In_0.8Al_0.2As耗尽层(掺杂源Zn，载流子浓度1×10¹⁸cm^-3，厚度20nm)和p型In_0.8Ga_0.2As接触层(掺杂源Zn，载流子浓度5×10¹⁸cm^-3，厚度500nm)；

(2)通过采用氢溴酸对p型In_0.8Ga_0.2As接触层进行湿法刻蚀，刻蚀速率为0.6μm/min，同时保留p型In_0.8Al_0.2As耗尽层的原本厚度(也就是不破坏耗尽层)，从而形成如图3所示的像元区(30μm×30μm)和像元分隔区；其中，像元分隔区的宽度为2μm、且深度为500nm。

以相同的方法和条件对焦平面的边缘进行刻蚀，由p型In_0.8Ga_0.2As接触层刻蚀至n型In_yAl_1-yAs缓冲层的表面以形成凹槽，凹槽的深度等于2.52μm。

(3)以硅烷、氨气作为原料气体，采用化学气相沉积工艺生长SiO₂钝化膜，SiO₂钝化膜层的厚度为300nm。

(4)采用与步骤(2)相同的刻蚀法先将像元区上的一部分钝化膜层去掉(对应的尺寸为p型欧姆接触金属层的尺寸8μm×8μm，)，采用电子束蒸发工艺生长p型欧姆接触金属层。其中p型欧姆接触金属层的金属为Ti/Pt/Au三层，厚度为100nm；

采用与步骤(2)相同的刻蚀法先将n型In_yAl_1-yAs缓冲层的表面上的一部分钝化膜层去掉(对应的尺寸为n型欧姆接触金属层的尺寸100μm×50μm)，采用前述相同的电子束蒸发工艺生长n型欧姆接触金属层，其中n型欧姆接触金属层的金属为Cr/Au，厚度为100nm。

效果数据：本实施例的探测器室温下暗电流密度2×10^-4A/cm²，200K下暗电流密度1×10^-9A/cm²。室温下探测率6×10¹⁰cmHz^1/2/W，200K下探测率达2×10¹²cmHz^1/2/W。