[实用新型]一种硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器

说明书

本专利公开了一种硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器。器件的结构器件自下而上依次为衬底，负电极接触层，吸收层，阻挡层，介质层，正电极接触区位于阻挡层左侧并嵌于其中，正电极位于正电极接触区上方，负电极沿着“V”型孔侧壁深及衬底。制备步骤是利用分子束外延法生长负电极接触层、吸收层和阻挡层，离子注入工艺制备正电极接触区，通过光刻、刻蚀和电子束蒸镀工艺制备正负电极，最后刻蚀光敏区氮化硅完成器件制备。利用硅掺镓作为中长波红外吸收层，本征硅作为阻挡层抑制暗电流，实现对中长波红外的高性能探测。本专利的特点是构造能级位置相对较深的镓杂质能级，制作工艺简单、工作温度高的中长波红外探测器。

技术领域

本专利设计一种硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器。具体是指利用分子束外延硅掺镓材料作为中长波红外吸收层，利用本征硅作为阻挡层抑制暗电流，从而实现对中长波红外辐射的高性能探测的器件。

背景技术

中长波红外(5～14μm)是红外光子学研究中重要的大气窗口之一。它是常温目标自发辐射波段，其能量大小与有机物分子振动偶极矩变化所需要能量匹配，蕴含着生物分子的重要“指纹”信息。因此，对长波红外的探测与信息解码在军事、生命科学和工业监测等领域发挥着重要作用。但是，长波红外所对应电磁辐射能量极低，基于光电效应所需能带宽度在0.1eV附近的半导体探测材料，这对于材料的生长工艺控制是一项非常困难的工作。再加上由于材料较小的禁带宽度，任何缺陷、位错和表面处理等都会使器件的漏电流增大，降低器件的信噪比，这大大限制了长波红外光电探测器性能。

非本征硅基甚长波红外探测器基于杂质带跃迁机理具有探测波长更长、暗电流更低和信噪比更高的优势。已经被证明可以实现40μm甚长波红外的探测，通过控制掺杂元素的浓度，量子效率可以达到80％以上。一般工作在液氦温度下，可以实现极低的暗电流水平(0.1e/s/pixel)。基于成熟的硅工艺平台，硅基甚长波红外焦平面探测器具有广阔的前景。

发明内容

本专利提供了一种硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器，该探测器的硅掺镓吸收层利用价带电子到镓原子的杂质能级之间的跃迁实现对低能中长波红外辐射的吸收，另外，利用本征硅作为阻挡层，抑制杂质带的跳跃电导，降低器件暗电流，实现对中长波红外辐射的高性能探测。

所述的探测器的结构为：在衬底1上外延生长负电极接触层2，在负电极接触层2上外延生长吸收层3和阻挡层4，在阻挡层4左侧部分区域注入形成正电极接触区5，化学腐蚀“V”型孔直至露出负电极接触层2，制备正电极6和负电极7，正电极6和负电极7与阻挡层4上表面之间是介质层8。

所述的衬底1是高导硅；

所述的负电极接触层2和正电极接触区5掺杂磷离子，掺杂浓度为8×10¹⁴cm^-2；

所述的吸收层3掺杂镓离子，掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁸cm^-3，厚度为20～30μm；

所述的阻挡层4是本征硅，厚度为5～10μm；

所述的正电极6和负电极7是钛铝复合金属膜，钛在下层，厚度是20nm，铝在上层，厚度为600nm。

所述的介质层8是氮化硅，厚度为200nm。

本专利的一种硅掺镓阻挡杂质带中长波红外探测器的制备方法步骤如下：

1)分子束外延法在衬底1上外延生长负电极接触层2、吸收层3和阻挡层4；

2)等离子体增强化学气相沉积法生长氮化硅掩膜并进行图案化，反应离子刻蚀氮化硅以打开正电极接触孔，离子注入形成正电极接触区5后快速退火激活；

3)反应离子刻蚀氮化硅以打开负电极接触孔，湿法腐蚀直至露出负电极接触层2；