[发明专利]一种InAs/GaSb超晶格红外探测器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种InAs/GaSb超晶格红外探测器及其制作方法，针对现有技术中，在外延生长数百周期InAs/GaSb超晶格材料时，InAs与GaSb之间存在晶格失配，累积的应力导致InAs/GaSb超晶格材料中形成大量的生长缺陷的问题，本发明提出一种两步Sb浸润的方法，在生长InAs层之后先沉积一层Sb，形成富Sb表面，然后沉积In，之后再沉积一层Sb，使In与Sb充分反应，形成高质量的InSb界面层，以此平衡和消除InAs与GaSb之间的应力，提高InAs/GaSb超晶格材料的质量。同时，本发明在InAs/GaSb超晶格结构和GaSb衬底之间引入AlAsSb牺牲层，实现了衬底的无损剥离。

技术领域

本发明属于半导体光电子器件技术领域，更具体地，涉及一种InAs/GaSb超晶格红外探测器及其制备方法。

背景技术

目前，市场上的高性能的红外探测器主要是碲镉汞(HgCdTe)红外探测器。Hg_1-xCd_xTe是二元化合物CdTe和HgTe的连续固溶体，其禁带宽度E_g依赖于工作温度和组分x值。通过连续改变其禁带宽度(从0～1.6eV)，可以获得几乎覆盖重要红外大气窗口的所有响应波段。HgCdTe红外探测器具有噪声低，探测率高，电子迁移率高，载流子寿命长，本征跃迁，吸收系数大和量子效率高等诸多优点。随着器件工艺和读出电路的快速发展，HgCdTe红外焦平面已发展到了2048×2048像元的规模，而且发展方向已从单色向双色或者多色发展。虽然HgCdTe红外探测器已经取得很大的成功，但由于HgCdTe晶体本身存在两个严重缺点：一是结构完整性差，二是Hg_1-xCd_xTe合金组分不均匀。这些因素制约了HgCdTe探测器性能的提高。因此，需要研发一种能带结构精确可控的高质量红外材料，制备出具有低暗电流、高探测率和工作温度等特征的高性能红外探测器。

InAs/GaSb II类超晶格中电子被限制在InAs层中，重空穴大部分被限制在GaSb层中，光跃迁发生在电子带(C1)和局域化的重空穴(hh1)之间并产生光电子，以此探测红外辐射。理论上可以调整各子层厚度和组分实现一个很宽范围(2～30μm)的红外吸收，特别适合制作宽波段、多波长和高性能的红外探测器。通过调节InAs层厚度可使InAs/GaSb II类超晶格材料的探测波长处于短、中、长波甚至甚长波红外波段。与碲镉汞等传统红外探测器材料相比，本申请采用InAs/GaSb超晶格材料的特点和优势在于：

1.材料组分、厚度和掺杂浓度等外延生长参数精确可控，无合金涨落，有利于制作大面积焦平面阵列探测器；

2.电子有效质量大，隧穿暗电流低；

3.重空穴带与轻空穴带带隙大，抑制了俄歇复合，提高了载流子的寿命，使探测器具有更高的工作温度；

4.InAs/GaSbⅡ类超晶格的响应波长主要由InAs层厚度决定，可灵活调节，适合制作中长波双色甚至多色红外探测器。因此，InAs/GaSb超晶格红外探测器势必成为高性能红外成像组件的理想选择。

然而，InAs/GaSb超晶格长波红外探测器的发展还遇到两个主要问题：

1.晶格失配会影响InAs/GaSb超晶格材料质量并导致红外探测器中的暗电流增大。在外延生长数百周期中波、长波和甚长波红外InAs/GaSb超晶格时，一方面，由于超晶格内部的InAs与GaSb之间存在晶格失配，累积的应力导致InAs/GaSb超晶格中形成大量的生长缺陷与错位，严重影响材料的生长质量，使得超晶格红外探测器中产生一复合暗电流和隧穿暗电流变得显著，降低了探测器的探测率和工作温度，另一方面，长波和甚长波InAs/GaSb二类超晶格与GaSb衬底之间的应力也较大，进一步导致了InAs/GaSb超晶格中生长缺陷的增加，影响超晶格红外探测器的寿命和性能。