[发明专利]一种高增益紫外至近红外InGaAs探测器芯片

说明书

本发明公开了一种高增益紫外至近红外InGaAs探测器芯片，在其磷化铟(InP)衬底之上结构依次为：InP接触层、铟镓砷(InGaAs)吸收层、氧化硅(SiOsubgt;2/subgt;)介质层、源极金属电极、石墨烯层、漏极金属电极以及栅极金属电极，如附图所示。本专利的优点在于：一方面石墨烯展现良好的半金属特性，与InGaAs层接触能够形成肖特基光电二极管，实现光探测；另一方面石墨烯无禁带宽度且其光学透过性极好，能够拓宽该新型InGaAs探测器光谱响应至近紫外，同时能够增加InGaAs层的光吸收；此外，石墨烯具有极高的迁移率和极快的载流子传输特性，使得该探测器对光生载流子的注入拥有极高的量子增益特性。

技术领域

本发明是关于一种新型的探测器芯片，具体是指一种高增益紫外至近红外InGaAs探测器芯片，它能够实现包括紫外光、可见光和近红外光在内的宽波段范围探测。

背景技术

铟镓砷探测器芯片的传统结构为InP/InGaAs/InP结构，其在近红外波段内拥有良好的性能，这使得其在民用、军事和航空航天领域有着广泛的应用价值。InGaAs材料的吸收截至波长位于近红外波段，这意味着InGaAs材料的吸收谱能够覆盖波长小于近红外的可见光甚至紫外光，但是由于InP衬底和InP帽层的吸收作用，抑制了InP/InGaAs/InP探测器对可见光、紫外波段的探测，致使传统的InGaAs探测器无法探测紫外、可见波段的目标，无法识别一些广泛应用的波长较短的激光。此外，对于某些需要同时探测紫外光、可见光和短波红外的应用，需要多个分离的探测器分别进行探测，会导致探测系统复杂，系统尺寸和重量较大等缺点。因此一种基于铟镓砷材料的高性能紫外至近红外探测器是十分必要的。

发明内容

基于上述提到的传统InGaAs探测器存在的问题和发展需求，本发明创新性的提出了一种高增益紫外至近红外InGaAs探测器芯片，不仅能够探测传统InGaAs探测器覆盖的近红外区域，而且能够将探测波段延伸到可见和紫外波段，实现紫外、可见和近红外区域的宽波段探测，同时该新型探测器具备极高的量子增益特性。

本发明是在传统的InGaAs探测器基础之上进行结构和技术改进，首先利用石墨烯材料取代了InP帽层材料，增加光子吸收；其次采用栅控结构，增加光生电流的吸收；再者是采用石墨烯作为晶体管沟道，提高光电流信号的增益。

本发明的剖面结构示意图如图1所示，它由InP衬底1、InP接触层2、InGaAs吸收层3、SiO₂介质层4、源极金属电极5、石墨烯层6、漏极金属电极7以及栅极金属电极8组成。其中的InP接触层2和InGaAs吸收层3通过外延技术生长在InP衬底之上，然后在InGaAs层3上淀积一层厚度为90～300nm的SiO₂介质层4，通过光刻和刻蚀等半导体工艺在SiO₂介质层4上开放孔，将原子层数为1～5层的石墨烯6转移在方孔之上并覆盖方孔，最后在方孔左右或者上下两侧的石墨烯6上蒸镀淀积源极金属电极5、漏极金属电极7，在被刻蚀开的InP接触层2上淀积栅极金属电极8。

本发明所涉及的关键工艺步骤如附图2所示，1)取样清洗，2)淀积SiO₂介质层4，3)刻蚀开方孔，4)转移石墨烯6，5)刻蚀开栅电极接触层，6)淀积金属电极。具体工艺流程步骤如下：

1取样清洗，依次采用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗样品8～3mins；

2淀积SiO₂介质层4，等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积厚度200±30nm的氮化硅扩散掩膜5，衬底温度为330±20℃、RF功率为40±10W；

3刻蚀开方孔，采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术在SiO₂介质层4上开方孔，刻蚀条件为：ICP功率为1500W、RF功率为25～50W、腔体压强为9.4mTorr、温度为5℃，然后用氢氟酸缓冲液在室温下腐蚀10s；