[发明专利]晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电探测器外延结构领域，特别涉及一种晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法。

背景技术

半导体光电探测器一般属于量子型的探测器，其发明已有百余年历史，可以采用各种半导体材料，在众多领域都有重要应用。半导体光电探测器的结构已由简单的体材料发展到复杂的异质结、量子阱、超晶格等微结构材料，涉及的波长范围由早期在可见-近红外的狭窄波段拓展到整个紫外、可见、近红外、中红外乃至远红外波段，材料体系也包含VI、III-V、II-VI、IV-VI及有机化合物等等，也有光导、光伏等多种类型，不一而足，最常见的是基于pn结的光伏型光电探测器。目前典型的采用III-V族化合物材料的pn结型光电探测器一般是在InP、GaAs、GaSb、InAs等衬底上用外延方法上制作，其基本结构包括一个导电缓冲层（可兼作下接触层）、一个低掺杂（或非故意掺杂）的光吸收层和一个帽层，在帽层中可以采用外延原位掺杂、外延后扩散掺杂或离子注入等方法形成pn结。一般帽层希望采用禁带较宽的材料以利于透光和提高器件性能。

为提高材料生长质量，在缓冲层、光吸收层和帽层材料的选择上优先考虑与衬底晶格匹配的体系，这样可以提高器件性能和避免一系列由于晶格失配造成的困难。以短波红外波段常用的III-V族材料InP和InGaAs为例：探测器的光吸收层采用与InP衬底晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As三元系，缓冲层和帽层可以用InP，也可以用禁带更宽的晶格匹配In_0.52Al_0.48As三元系。In_0.53Ga_0.47As三元系材料在室温下的带隙约0.744eV,对应的带隙波长约1.65μm，因此探测器的峰值响应波长可达约1.6μm，且在约1-1.6μm的波段上有平坦的响应，在此波段上其内量子效率可大于90%且基本维持不变。对于需要宽波段响应的应用，这种具有宽谱平坦响应的特点十分有利，但由于In_0.53Ga_0.47As材料的带隙相对较窄，器件的暗电流会较高，实际应用中要降低暗电流只能靠降低工作温度，给一些应用场合带来困难。再拿这个波段上的In_0.53Ga_0.47As探测器和Si探测器做个比较：Si的带隙约1.12eV对应的截止波长约1.1μm。对于同样探测约1μm左右的光而言，这两种探测器可以具有相同的量子效率或光响应，而由于Si的带隙要明显大于In_0.53Ga_0.47As，Si探测器的暗电流要低数个量级，因此在系统性能方面会有十分显著的优势。而对于需要探测波长大于Si的带隙波长的光如1.3μm的光时，Si探测器就无能为力了。然而注意到，在许多应用场合下人们并不需要很宽的光谱响应，例如：对航天遥感中1.36μm和1.12μm附近水汽波段的探测，约0.1μm的响应谱宽就足以符合要求；再如：医学光治疗研究中单态氧的荧光检测需要探测的光的中心波长在1.27μm，需要的光谱带宽仅几十纳米，显然这些应用中是无法采用Si探测器的。这些应用系统中还常要求探测光谱范围尽量窄以减小干扰，在使用宽响应光谱探测器的情况下这就需要使用窄带带通滤光片等方法加以实现，这一方面加大了光损耗和系统复杂程度，另一方面也没有充分发挥器件的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种晶格匹配体系上裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法，该材料的生长方法简单，通过对光电探测器光吸收层带隙的裁剪设定，在基本不改变原有器件设计的前提下显著改善器件性能，探测率改善3倍以上，材料生长和器件芯片加工工艺也基本维持不变；既适合一些不同种类的III-V族化合物材料体系光电探测器件的制作，也适合其他类型的光电器件及电子器件的制作及拓展到其他材料体系，具有良好的应用前景。

本发明的一种裁剪带隙波长提高光电探测器性能的方法，包括：

采用分子束外延法或金属有机物气相外延法，在衬底上生长晶格匹配的缓冲层、多元系光吸收层和宽禁带帽层得到光电探测器件外延结构；其中，生长过程中对多元系光吸收层的带隙进行裁剪设定，在满足应用中对光电探测器长波端截止波长要求的前提下选取宽带隙。