專利名稱：具有可調(diào)節(jié)截止波長的高工作溫度勢壘紅外檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及勢壘光電檢測器(barrier photodetector)，具體地，本發(fā)明涉及高工作溫度勢壘紅外檢測器。
背景技術(shù)：
光電檢測器是對入射光產(chǎn)生反應(yīng)的電光元件。其具有較廣泛的應(yīng)用范圍，包括成像。光電檢測器的一類在紅外光范圍中工作。這種器件應(yīng)用于包括行星探測、工業(yè)質(zhì)量控制、污染監(jiān)測、消防、執(zhí)法、以及醫(yī)療診斷的紅外成像中。在傳統(tǒng)的半導體p-n結(jié)節(jié)光電檢測器中，結(jié)節(jié)處的耗盡層阻擋多數(shù)載流子流過結(jié)節(jié)，而允許少數(shù)載流子自由流動。盡管耗盡層以這種方式增強檢測器性能，其還是會引起會產(chǎn)生噪音的肖克萊-里德-霍爾(Shockley-Read-HalI(SRH))暗電流。由此得到的暗電流會限制工作溫度。不過，在近年，新開發(fā)的紅外檢測器類型采用嵌入式勢壘層以抑制SRH電流以及表面漏電流。Maimon的在2007年9月20日公開的，公開號為2007/0215900的U. S專利申請中描述了勢壘紅外光電檢測器概念，將其結(jié)合于此作為參考，并且該專利公開了一種光電檢測器，其包括吸光層，該吸光層包括顯示出價帶能級(valence band energy level)的 η-摻雜半導體；勢壘層，該勢壘層的第一側(cè)邊與吸光層的第一側(cè)邊相鄰，勢壘層顯示出的價帶能級與吸光層的摻雜半導體的價帶能級基本相等；以及接觸區(qū)，包括摻雜半導體，該接觸區(qū)和勢壘層的第二側(cè)邊相鄰，該第二側(cè)邊和勢壘層的第一側(cè)邊相對，勢壘層的厚度和導帶隙(conductance band gap)足以防止來自吸光層的多數(shù)載流子至接觸區(qū)的隧道效應(yīng)，并且能夠阻擋多數(shù)熱化載流子從吸光層至接觸區(qū)的流動?？蛇x地，可以利用P-摻雜半導體， 并且可以使勢壘層和吸光層的導帶能級相等。Klipstein 在 2008 年的 SPIE Proc. Vol. 6940，69402U 的 Infrared Technology and Applications X X X IV (紅外技術(shù)與應(yīng)用 X X X IV )中的“ ‘XBn，Barrier Photodetectors for High Sensitivity and High Operating Temperature Infrared
3Sensors"中進一步討論了勢壘紅外光電檢測器的操作，將其結(jié)合于此作為參考。該文章將勢壘光電檢測器描述為將光吸收至窄帶隙半導體層中的器件，該層的帶基本保持水平或積聚在工作偏壓處，以便排除所有的載流子耗盡。在低于用于中波紅外(MWIR)器件的一般為130-150K的閾值溫度的傳統(tǒng)光電二極管中，由于耗盡層中的產(chǎn)生-復合(G-R)中心而產(chǎn)生暗電流。在勢壘檢測器中，窄帶隙半導體中沒有耗盡，這確?？梢院雎訥-R對暗電流的作用。因此，在高于和低于閾值溫度時，勢壘檢測器中的暗電流由擴散成分控制。從而， 在低于閾值溫度的給定溫度下，勢壘檢測器顯示出的暗電流低于具有相同截止波長的傳統(tǒng)光電二極管的暗電流?？蛇x地，對于給定暗電流，勢壘檢測器的工作溫度高于傳統(tǒng)光電二極管的工作溫度，假定該溫度低于閾值溫度。基于InASl_xSbx合金和II型InAs/feiSb超晶格(T2SL)提出了一些用于具有光子吸收層的勢壘檢測器的器件結(jié)構(gòu)，。分析暗電流的熱電子(thermionic)和隧道成分，并且其對典型器件參數(shù)無關(guān)緊要。對于具有f/3光學器件和 4. 2 μ m的截止波長的麗頂勢壘檢測器來說，可以估測 150K的工作溫度。此外，2008年5月公開了 Caine等人的，公開號為W02008/061141的國際專利申請，將該專利合并于此作為參考，該專利描述了一種制造二維檢測器陣列(以及這樣一種陣列的檢測器)的方法，包括對于多行和多列的單體檢測器中的每一個，形成η-摻雜半導體吸光層，形成勢壘層，該勢壘層包括AlSb、AlAsSb、AlGaAsSb, AlPSb、AlGaPSb,以及 HgZnTe中的一個或多個，以及形成n_摻雜半導體接觸區(qū)。不過，很難改進具有高性能的勢壘光電檢測器的具體結(jié)構(gòu)。需要仔細選擇勢壘層和吸收層的結(jié)合，以產(chǎn)生最優(yōu)結(jié)果。構(gòu)造η&ι或X&i紅外檢測器要求具有以下特性的吸收和勢壘材料匹配對(1)它們的價帶邊(Ev)必須幾乎相同以便允許未受阻擋的空穴流(hole flow)，而導帶邊(Ec)應(yīng)該有很大差異，以形成電子勢壘，( 這兩種材料必須具有基本相同的晶格常數(shù)，以及(3)這兩種材料的晶格常數(shù)還應(yīng)該與它們將要生長于其上的易得到的半導體襯底材料的晶格常數(shù)緊密匹配，以確保高材料質(zhì)量和低缺陷密度。與襯底晶格匹配的要求對吸收材料特別重要，因為需要生長一定厚度(通常為幾微米)的、用于高吸收量子效率的吸收層。勢壘的厚度一般只有幾百納米，并且因此可以承受少量的與襯底材料不匹配的晶格，而不會導致勢壘材料質(zhì)量的降低。由于這一系列的嚴格要求，最初η&ι檢測器只能利用與feiSb襯底晶格匹配的InAsSb紅外吸收器以及具有匹配的價帶邊的AlSbAs勢壘，在單一材料系統(tǒng)中成功實現(xiàn)。晶格匹配的InAsSb三元合金的大致成分是InAsa91Sbaci9tj對該實現(xiàn)的限制是吸收材料，因此，當在200K測量時，由該吸收材料制成的紅外檢測器具有約為4. 2 μ m的固定截止波長。在具體應(yīng)用中，可能會要求紅外檢測器具有特定的截止波長。通常，具有較短截止波長的紅外檢測器能在高溫下或降低的暗電流(噪音)下工作。如果具體應(yīng)用需要例如具有3 μ m截止波長的紅外檢測器，那么即使可以使用4. 2 μ m的η&ι檢測器，更合適的還是具有3 μ m截止波長的η&ι檢測器，因為其能夠在相同溫度下以較高的靈敏度工作，或者，可替換地，可以以相同的靈敏度在較高溫度下工作?？偸窍Ｍ麆輭竟怆姍z測器能夠在較高溫度下工作，以減少或消除冷卻要求。簽于以上，在本領(lǐng)域中需要一種用于改進以短波至中波長紅外光(例如大約1至 5μπι)工作的勢壘紅外檢測器的裝置及方法。特別需要這種裝置和方法能夠在較高工作溫度(例如遠高于約77Κ)下工作。進一步需要這種裝置和方法能夠以可調(diào)節(jié)波長工作。以下詳細描述的本發(fā)明的實施例能夠滿足這些以及其他要求。

發(fā)明內(nèi)容
此處描述了一種包括具有可選擇截止波長的吸收材料的勢壘紅外檢測器及其制造方法。GaInAsSb吸收層可以在通過在按照吸收混合比(absorber mixing ratio)混合feiSb和InAsSb形成的feiSb襯底層上生長。然后GaAlAsSb勢壘層在按照勢壘混合比 (barrier mixing ratio)混合feiSb和AlSbAs形成的勢壘層上生長?？梢赃x擇吸收混合比，以調(diào)節(jié)吸收層的帶隙，并且從而確定用于勢壘紅外檢測器的截止波長。吸收混合比可以沿吸收層生長方向改變?？梢允褂酶鞣N接觸層結(jié)構(gòu)。此外，可以將頂部接觸層分隔成元件陣列，這些元件陣列被電隔離成可以用于檢測器陣列、成像陣列或焦平面陣列的單獨的功能檢測器。本發(fā)明的一個典型實施例包括勢壘紅外檢測器，該勢壘紅外檢測器包括具有襯底 GaSb的襯底層；與該襯底層基本晶格匹配的吸收層，該吸收層包括按照在InAsSb和吸收 GaSb之間的吸收混合比混合吸收feiSb和InAsSb形成的feilnAsSb ；以及設(shè)置在吸收層上的勢壘層，該勢壘層包括按照在AlSbAs和勢壘feiSb之間的勢壘混合比混合勢壘feiSb和 AlSbAs形成的GaAlAsSb。吸收層和勢壘層具有基本相似的價帶邊，以便允許不受阻擋的空穴流，并且具有較大差異的導帶邊以形成電子勢壘。在本發(fā)明的部分實施例中，吸收混合比可以沿著吸收層生長方向改變。通常，混合在吸收層中的InAsSb可以包括InAsa91Sbatl9，并且混合在勢壘層中的AlSbAs可以包括AlSba92Aiiac^在進一步實施例中，勢壘層還與吸收層和襯底層基本上晶格匹配。選擇吸收混合比以調(diào)節(jié)吸收層的帶隙，并且從而確定用于勢壘紅外檢測器裝置的截止波長，并且選擇勢壘混合比，以便使勢壘層和吸收層的價帶邊匹配。在本發(fā)明的部分實施例中，在襯底層和吸收層之間設(shè)置底部接觸層，并且在露出的底部接觸區(qū)上沉積金屬接觸件?？蛇x地，在本發(fā)明的其他實施例(即，未采用底部接觸層)中，金屬接觸件可以沉積在吸收層的露出的吸收區(qū)上。在本發(fā)明的其他實施例中，在勢壘層上設(shè)置頂部接觸層。通常，頂部接觸層為 η-摻雜。不過，頂部接觸層包括的摻雜可以不同于吸收層包括的摻雜。在進一步實施例中，頂部接觸層包括按照頂部接觸混合比混合頂部接觸feiSb和頂部接觸InAsSb形成的頂部接觸(ialnAsSb。在這種情況下，頂部接觸混合比可以不同于吸收混合比，并且勢壘混合比可以沿著勢壘層生長方向改變。在其他實施例中，可以將頂部接觸層分隔成元件陣列。在頂部接觸層陣列的每個元件上沉積分隔開的金屬接觸件。元件陣列形成基本電隔離的單獨的功能檢測器，這些檢測器可以用于檢測器陣列、成像陣列或焦平面陣列的。以類似的方式，一種制造勢壘紅外檢測器的典型方法包括設(shè)置包括襯底feiSb的襯底層；使設(shè)置在襯底層上的吸收層生長，并且該吸收層包括按照在InAsSb和吸收(iaSb之間的吸收混合比混合吸收feiSb和InAsSb形成的feilnAsSb ；以及使設(shè)置在吸收層上的勢壘層生長，并且該勢壘層包括按照在AlSbAs和勢壘feiSb之間的勢壘混合比混合勢壘feiSb和 AlSbAs形成的GaAlAsSb。吸收層和襯底層具有基本匹配的晶格常數(shù)?？梢赃M一步修改本方法以與此處所述的器件實施例一致。


現(xiàn)在參見附圖，其中在所有附圖中，相似的參考表號表示相應(yīng)的部件。圖IA和圖IB分別是示出p-n光電二極管和η&ι光電檢測器的示例導帶邊和價帶邊的示意性能帶圖；圖2A描繪了示例勢壘紅外檢測器實施例，該檢測器具有設(shè)置在襯底層和吸收層之間的底部接觸層以及沉積在露出的底部接觸區(qū)上的金屬接觸件；圖2B描繪了示例勢壘紅外檢測器實施例，該檢測器具有沉積在吸收層的露出的吸收區(qū)上的金屬接觸件；圖2C描繪了本發(fā)明的包括元件陣列的示例勢壘紅外檢測器實施例；圖3A是示出了用于示例勢壘紅外檢測器的示例導帶邊和價帶邊的示意性能帶圖；圖;3B是示出了用于具有梯級間隙(graded gap)吸收層的示例勢壘紅外檢測器的導帶邊和價帶邊的示意性能帶圖；圖3C是示出了用于示例勢壘紅外檢測器的導帶邊和價帶邊的示意性能帶圖，其中該示例勢壘紅外檢測器具有由梯級間隙勢壘層連接的、具有不同帶隙和不同摻雜型的吸收層和頂部接觸層；圖4A是作為本發(fā)明的示例勢壘紅外檢測器實施例的吸收混合比的函數(shù)的 GaInAsSb吸收層在各種溫度下的預(yù)期截止波長的曲線圖；圖4B是用于本發(fā)明的示例勢壘紅外檢測器實施例的feilnAsSb吸收層和feilnAsSb 勢壘層在250K時的帶隙曲線圖；圖5是制造勢壘紅外檢測器的示例方法的流程圖。
具體實施例方式1.概述基于器件結(jié)構(gòu)的新的中波長紅外(MWIR)勢壘紅外檢測器已經(jīng)顯示出突破性的性能。這種η&ι檢測器是高工作溫度勢壘紅外檢測器(HOT-BIRD)，其能夠在高于基于 InSb和HgCdTe (MCT)的現(xiàn)有技術(shù)MWR檢測器的溫度操作。具體地，已經(jīng)通過與feiSb襯底晶格匹配的InA^91Sbatl9紅外吸收體以及與feiSb襯底基本晶格匹配的AlSbAs勢壘制造出示例ηΒη。該檢測器在200Κ的溫度下產(chǎn)生4. 2μπι的固定截止波長。同時，這是HOT-BIRD 能夠在其中顯示出明顯優(yōu)勢的唯一材料系統(tǒng)。為增加HOT-BIRD的通用性和實用性，優(yōu)選具有通過具有可選擇截止波長的吸收材料實現(xiàn)勢壘紅外檢測器的能力。這樣做的一個明顯優(yōu)勢是能夠提高工作溫度。例如，當 4. 2 μ m截止波長的HOT-BIRD能夠用于要求具有3 μ m截止波長的紅外檢測器的應(yīng)用時，優(yōu)選定制的3 μ m截止波長勢壘紅外檢測器，因為其能夠以同樣的靈敏度、并且在較高的溫度下工作。本發(fā)明的實施例可以這樣實現(xiàn)，S卩，在晶格匹配的(iaSb襯底層上，利用四元合金 GaInAsSb作為吸收層，GaAlSbAs作為勢壘層。通過調(diào)節(jié)合金成分，可以調(diào)節(jié)feilnAsSb吸收層的截止波長。應(yīng)該說明的是在整個說明書中，按照混合比混合feSb和三元合金形成的四元合金由(三元合金)y(GaSb) (1-y)表示，其中y是混合比，并且表示通過本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解的已知半導體材料生長技術(shù)得到的成分。此外，如整個說明書中描述的，采用(iaSb形成多個半導體層。相應(yīng)地，可以參照具體層(例如吸收feiSb)確定該層中采用的 feiSb。因此，按照在InAsSb和吸收feiSb之間的吸收混合比混合吸收feiSb和InAsSb形成的 GaInAs釙表示由(InAsSb) ζ (GaSb) (1-ζ)形成的feilnAsSb，其中ζ是吸收混合比。類似地， 按照在AlSbAs和勢壘feiSb之間的勢壘混合比混合勢壘feiSb和AlSbAs形成的GaAlAsSb 表示由(AlSbAs)y (feiSb) (1-y)形成的GaAlAsSb，其中y是勢壘混合比。2.勢壘紅外檢測器工作原理圖IA和圖IB分別是示出了 p-n光電二極管和η&ι勢壘紅外檢測器的示例導帶邊和價帶邊的示意性能帶圖。圖IB中示出的典型勢壘光電檢測器結(jié)構(gòu)的能帶圖具有輕η-摻雜頂吸收層區(qū)、勢壘層、以及η-摻雜頂部接觸層。除了 η型吸收層區(qū)現(xiàn)被輕摻雜了 η型， 結(jié)節(jié)(空間電荷區(qū))被特別設(shè)計的寬間隙勢壘層(B)代替，以及ρ-接觸層被η-接觸層代替之外，該能帶圖類似于圖IA中示出的典型傳統(tǒng)p-n型光電二極管的能帶圖。勢壘紅外檢測器的獨特特征由包括特別設(shè)計的勢壘層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，該特別設(shè)計的勢壘層能夠阻止一種載流子(電子或空穴)，但同時能夠允許另一種載流子暢通流動。重要的是要注意，勢壘層不會阻礙吸收層中的光生電子流或空穴流。圖IB示出了吸收層中的光生電子和空穴能夠分別流動至左邊和右邊；都不會被勢壘層阻攔。不過勢壘層對于阻擋暗電流極為有效。 減小暗電流(噪音)而不會阻礙光電流(信號)是勢壘紅外檢測器設(shè)計成功的關(guān)鍵。為實現(xiàn)紅外檢測器的高性能，使暗電流減小是一個重要目標。暗電流(噪音)的減小增加了隊(比探測率(specific detectivity)；信噪比的測量)，并且會產(chǎn)生較高的檢測器工作溫度和/或靈敏度。如以上在圖IA中所描述的，現(xiàn)代高性能紅外檢測器通?；?p-n結(jié)設(shè)計。在p-n 二極管中，主要的性能限制暗電流機理是(1)表面漏電流，(2)擴散暗電流，以及(3)產(chǎn)生-復合(G-R)暗電流。表面漏電流通?？梢杂赦g化和/或平面化工藝技術(shù)抑制。擴散暗電流主要來自熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子，該少數(shù)載流子來自結(jié)節(jié)外的準中性區(qū)，并且擴散暗電流與exp(-Eg/kT)成比例，其中1是檢測器吸收材料的能帶隙。G-R暗電流來自帶對帶輻射、俄歇(Auger)(載流子散射)、以及肖克萊-里德-霍爾(SRH)過程。當輻射和俄歇過程為主體，甚至出現(xiàn)在吸收區(qū)時，出現(xiàn)在結(jié)節(jié)周圍的耗盡區(qū)中的SRH過程是由于能帶隙中的晶體缺陷和雜質(zhì)能級。SRH暗電流與exp (-EgAkT)成比例，并且通常是主要暗電流源，特別在低溫時。因此，特別需要通過減小表面和體積缺陷或通過器件設(shè)計，消除暗電流。然后通過更基本的機理控制暗電流性能。用于減小暗電流的一個重要的紅外檢測器設(shè)計要素是利用半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在這方面，已經(jīng)證明勢壘紅外檢測器法非常有效。如圖IA所描繪的，在p-n結(jié)中，由于SRH過程， 結(jié)節(jié)(空間電荷區(qū))上降低的偏壓不可避免地產(chǎn)生了不期望的G-R暗電流。如圖IB所描繪的，在典型的工作條件下，使η&ι結(jié)構(gòu)輕微偏壓，以便在頂部接觸層上進行空穴收集。施加的偏壓大部分在勢壘區(qū)上降低，由于非常寬的帶隙(SRH暗電流與eXp(-Eg/^kT)成比例， 并且當&大時，SRH被抑制)，SRH暗電流幾乎被完全抑制。勢壘還用于阻擋來自頂部接觸層的電子流(多數(shù)載流子)暗電流；勢壘層阻擋的電子最終與熱產(chǎn)生的空穴復合，以便不會有來自接觸層的凈擴散(net diffusion)暗電流。這種機理對于在高溫下暗電流抑制非常重要，此處擴散暗電流變得很重要。此外，與平面化制造工藝一起使用時，寬帶隙勢壘能夠防止表面再復合，并且可以用于抑制表面漏電流。
暗電流抑制會引起勢壘紅外檢測器中給定溫度下或者可選地，具有相同S/N比的較高工作溫度下的信噪比的增加。作為暗電流減小機理的結(jié)果，勢壘紅外檢測器顯示出突破性的性能。3.具有可調(diào)節(jié)截止波長的示例勢壘紅外檢測器圖2A描繪了示例勢壘紅外檢測器實施例，其具有設(shè)置在襯底層和吸收層之間的底部接觸層以及沉積在露出的底部接觸區(qū)上的金屬接觸件。器件200示出了 η&ι結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括紅外吸收層202以及插在器件中以抑制暗電流的相鄰的勢壘層204。如以下詳細描述的，吸收層202包括通過按照在InAsSb和吸收feiSb之間的吸收混合比混合吸收feiSb和 InAsSb而形成的feilnAsSb，例如(InAs0.91Sb0.09) ζ (GaSb) (1_ζ)，其中ζ是吸收混合比。選擇吸收混合比以確定用于器件200的截止波長。勢壘層204包括通過按照在AlSbAs和勢壘 GaSb之間的勢壘混合比混合勢壘feiSb和AlSbAs而形成的GaAlAsSb,例如(AlSba92Asatl8) y (GaSb) (1-y)，其中y是勢壘混合比。選擇勢壘混合比，以便勢壘層204和吸收層202的價帶邊匹配。吸收層202和勢壘層204可以在與它們均晶格匹配的feiSb襯底層206上串連生長。通常，吸收層202的厚度可以為幾微米(例如大約5至6微米)，而勢壘層204可以更薄些。通常，勢壘層204的厚度可以只有幾百納米，例如200nm。在部分實施例中，如將要參照圖3A至圖3C所描述的，吸收混合比和/或勢壘混合比可以沿著層的生長方向(如圖中箭頭所示)改變。通常，頂部接觸層可以是η-型摻雜。不過，頂部接觸層包括的摻雜可以不同于吸收層的摻雜。在示例器件200中，吸收層202和勢壘層204通過底部接觸層210和頂部接觸層 208電結(jié)合。頂部和底部接觸層208、210提供了用于沉積頂部和底部金屬接觸212、214的適合區(qū)域，該頂部和底部金屬接觸件用于器件200的電連接。頂部接觸層208可以在勢壘層204上生長，并且在其上沉積頂部金屬接觸件212。底部接觸層210可以在襯底層206上生長(以在吸收層202在底部接觸層210上生長之后，將底部接觸層設(shè)置在襯底層206和吸收層202之間)。然后在露出的底部接觸區(qū)216上沉積底部金屬接觸件214?？梢酝ㄟ^本領(lǐng)域普通技術(shù)人員了解的蝕刻露出底部接觸區(qū)216。應(yīng)該注意的是，本發(fā)明的實施例可以采用任何可替換的接觸層和金屬接觸件設(shè)計。在部分實施例中，頂部接觸層包括按照頂部接觸混合比混合頂部接觸feiSb和頂部接觸InAsSb形成的頂部接觸felnAsSb。如以下參照圖3C的描述，在部分實施例中，頂部接觸混合比可以不同于吸收混合比。圖2B描繪了示例勢壘紅外檢測器器件220，其中，金屬接觸件沉積在吸收層的露出的吸收區(qū)上。通常，器件220以與圖2A中描述的器件200相同的方式運行且具有相同的元件。不過，在這種情況下，去除了底部接觸層210，并且將底部金屬接觸件214直接沉積在器件220的吸收層202的露出的吸收區(qū)222上。通過這種可替換技術(shù)向吸收層202提供電連接。圖2C描繪了包括元件陣列的示例勢壘紅外檢測器器件M0。通常，器件220以與圖2A中描述的器件200相同的方式運行且具有相同的元件。不過，在該示例中，頂部接觸層208被隔離成元件M4A-244F的陣列M2。通過蝕刻已生長的頂部接觸層或通過任意其他已知技術(shù)可以實現(xiàn)陣列的隔離。然后，在頂部接觸層的陣列242的每個元件M4A-244F上沉積分隔開的金屬接觸件M6A-246F。元件M4A-244F的陣列242形成在其分隔開的金屬接觸件M6A-246F和共用底部金屬接觸件214之間電隔離的單獨的功能檢測器，這些單獨的功能檢測器可以用于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員了解的檢測器陣列、成像陣列、或焦平面陣列。 應(yīng)該說明的是，示出了陣列器件240具有圖2A的器件200的底部金屬接觸件214設(shè)計，不過，正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，陣列器件204也可以采用圖2B的器件220的底部接觸層210和底部金屬接觸件214設(shè)計。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的，通過附加的和/或可替換的與所述參數(shù)一致的部件和結(jié)構(gòu)，并且通過半導體器件制造的任意已知技術(shù)，以及包括已知勢壘紅外檢測器的具體已知光電檢測器半導體器件，可以進一步加強示例檢測器200、220、對0。以類似的方式， 如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的，本發(fā)明的實施例可以采用任意已知材料和結(jié)構(gòu)用于各個層 (例如，接觸層)、有代表性的任意其他已知的勢壘紅外檢測器。

圖3A是示出了用于示例勢壘紅外檢測器的示例導帶邊和價帶邊的示意性能帶圖。其類似于圖IB的更廣義的能帶圖。示出的能帶穿過底部接觸層，接著是輕η-摻雜頂吸收層、勢壘層、以及η-摻雜頂部接觸層。精心設(shè)計勢壘層以抑制暗電流(噪音)，而不會阻擋電子流或空穴光電流(信號)。要注意的是，如本領(lǐng)域已知的，通常不將器件200的襯底層206確定為能帶圖中的元件。襯底層206與器件的紅外探測操作基本不相關(guān)。本發(fā)明的示例高工作溫度勢壘紅外檢測器實施例(例如圖3Α所描繪的)采用吸收層和勢壘層材料的匹配對，它們的價帶邊(Ev)幾乎相同，以便不會阻擋空穴流，而導帶邊(Ec)顯示出較大的差異，以形成電子勢壘。此外，吸收層和勢壘層材料應(yīng)該具有基本相同的晶格常數(shù)，吸收層和勢壘層材料還應(yīng)該與襯底層材料(其上生長有吸收層和勢壘層材料)的晶格常數(shù)匹配，以確保高材料質(zhì)量和低缺陷密度。值得注意的是，認為 InAs0.91Sb0.09MWIR吸收層等同于匹配的AlSba 92As0.08電子勢壘層，這兩個層都能夠在易利用的( 襯底上生長，以制造4. 2 μ m截止波長的HOT-BIRD。因此，制造具有可調(diào)節(jié)截止波長的附加益處的HOT-BIRD并不是簡單工作。為了制造這種具有可調(diào)節(jié)截止波長的HOT-BIRD (例如，如圖3A所描繪的)，可以將與( 襯底晶格匹配的feilnAsSb四元合金材料用于吸收層，并且可以將匹配的GaAlSbAs 四元合金材料用于勢壘層?？梢詫⒕Ц衿ヅ涞膄eilnAsSb看作是由feiSb和InAsSb三元合金(具有的典型成分為InAsa91Sbatl9)混合形成，該InAs釙三元合金與( 襯底晶格匹配， 并且以本領(lǐng)域已知的任意方式生長。由此得到的(InAs0.91Sb0.09) ζ (GaSb) (1-z)四元合金與(iaSb襯底晶格匹配。改變吸收混合比z，調(diào)節(jié)四元合金吸收層的帶隙以產(chǎn)生范圍從大約 4. 5 μ m低至短波紅外(SWIR)的截止波長。參見圖4A，類似地，可以混合feiSb和AlSba92Asatl8 以將(iaSBbAs形成為(AlSba92Asaci8)y(GaSb) (Ι-y)四元合金，該四元合金以本領(lǐng)域已知方式生長為晶格匹配的勢壘層。通過仔細選擇用于具有給定“ζ”值的給定feInAsSb吸收層的“y”值，可以形成匹配的η&ι勢壘層，該層具有和吸收層幾乎相同的價帶邊位置。應(yīng)用該技術(shù)時，可以很容易地制造出沿著從大約4. 5 μ m低至S^WR的連續(xù)范圍具有可調(diào)節(jié)截止波長的HOT-BIRD的范圍。通過改變“ζ”值使(ialnAsSb的帶隙沿著生長方向連續(xù)地改變的能力提供了器件設(shè)計的靈活性。如圖3B中從Z1至、的過渡所描繪出的，沿著生長方向具有不同“ζ”值的 GaInAsSb吸收體可以用于η&ι檢測器。圖中的能帶圖示出了具有梯級間隙吸收體的η&ι 檢測器，通過沿著生長方向改變“ζ”值而形成該η&ι檢測器。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是梯級間隙可以作為用于使空穴向頂部接觸層移動的準電場。
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在該器件結(jié)構(gòu)的一個實施例中，吸收層和頂部接觸層可以由具有不同“ζ”值的 GaInAsSb合金制成。在該器件結(jié)構(gòu)的另一實施例中，吸收層和頂部接觸層可以具有不同的摻雜類型。在又一實施例中，勢壘層的“y”值可以沿著生長方向改變。圖3C描繪了具有以上所述所有特征的器件結(jié)構(gòu)。例如，通過混合比Z1確定吸收層成分，該吸收層成分不同于通過混合比h確定的接觸層成分。此外，吸收層可以是摻雜η-型，而頂部接觸層可以是摻雜P-型。進一步，勢壘層的成分沿著Wy1至72的生長方向而改變。要注意的是，如圖3C 中通過Wy1至72的過渡所描繪的，以能夠使吸收層和頂部接觸層的價帶邊之間光滑過度的方式改變勢壘層的“y”值。圖4A是作為本發(fā)明的示例勢壘紅外檢測器實施例的吸收混合比的函數(shù)的 GaInAsSb吸收層在各種溫度下的預(yù)期截止波長的曲線圖。GaInAsSb四元合金在各個溫度下的預(yù)期截止波長示出為InAsSb和(iaSb之間的吸收混合比ζ的函數(shù)。圖4B是用于本發(fā)明的示例勢壘紅外檢測器實施例的feilnAsSb吸收層和feilnAsSb 勢壘層在250K時的能帶隙曲線圖。示出了 GaInAsSb吸收層和GaInAsSb勢壘四元半導體的 250K能帶隙，該feilnAs釙吸收層和GaAlAs釙勢壘四元半導體都與( 襯底晶格匹配。(要注意的是，用于feiInAsSb的吸收混合比和用于GaAlAsSb的勢壘混合比都被確定為“z”，以便利用圖表中的公共軸線。不過除此之外的其他地方將勢壘混合比確定為“y”。)4.勢壘紅外檢測器中的可調(diào)節(jié)截止波長本發(fā)明的實施例還包括制造高工作溫度勢壘紅外檢測器件的方法。如上所述，可以調(diào)節(jié)該器件以具有所需截止波長，例如小于或等于4. 2微米(μ m)。圖5是制造勢壘紅外檢測器的示例方法500的流程圖。方法500從操作502開始， 該操作設(shè)置包括襯底feiSb的襯底層。在下一操作504中，使與襯底層基本晶格匹配的吸收層生長，并且該吸收層包括按照在InAsSb和吸收feiSb之間的吸收混合比混合吸收feiSb和 InAsSb而形成的(ialnAsSb。如上所述，選擇吸收混合比，以調(diào)節(jié)吸收層的帶隙，該吸收層決定了用于勢壘紅外檢測器器件的截止波長。接著在操作506中，使設(shè)置在吸收層上的勢壘層生長，并且使勢壘層包括按照在AlSbAs和勢壘feiSb之間的勢壘混合比混合勢壘feiSb和 AlSbAs而形成的GaAlAsSb。選擇勢壘混合比以便勢壘層和吸收層的價帶邊匹配。通過與所述參數(shù)一致的可選操作以及本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的半導體器件制造的任何已知技術(shù)，可以進一步改進方法500。例如，使設(shè)置在勢壘層上的頂部接觸層生長并且在頂部接觸層上沉積頂部金屬接觸件的可選操作508(由環(huán)繞該操作的點劃線指明)。 在可選操作510 (在使吸收層在操作504中生長之前執(zhí)行)中，使設(shè)置在襯底層和吸收層之間的底部接觸層生長，并且在露出的底部接觸區(qū)上沉積底部金屬接觸件。此外，要注意的是，可以改變操作順序，使其與用于半導體器件制造的已知技術(shù)一致。至此結(jié)束對包括本發(fā)明優(yōu)選實施例的描述。以上包括本發(fā)明優(yōu)選實施例的描述用于描繪和說明目的。其并非旨在窮盡或?qū)⒈景l(fā)明限制成確定的形式?？梢栽谝陨辖虒У姆秶鷥?nèi)做出多種修改和改變?？梢詫Ρ景l(fā)明做出其他變型而不會背離隨附的權(quán)利要求所設(shè)定的發(fā)明思想。
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權(quán)利要求
1.一種勢壘紅外檢測器裝置，包括襯底層，所述襯底層包括襯底feiSb ；吸收層，所述吸收層與所述襯底層基本晶格匹配，并且所述吸收層包括按照在InAsSb 和吸收feiSb之間的吸收混合比混合吸收feiSb和InAsSb而形成的feilnAsSb ；勢壘層，所述勢壘層設(shè)置在所述吸收層上，并且所述吸收層包括按照在AlSbAs和勢壘 GaSb之間的勢壘混合比混合勢壘feiSb和AlSbAs而形成的GaAlAsSb。
2.一種用于制造勢壘紅外檢測器的方法，包括設(shè)置包括襯底feiSb的襯底層；使與所述襯底層基本晶格匹配的吸收層生長，并且所述吸收層包括按照在InAsSb和吸收feiSb之間的吸收混合比混合吸收feiSb和InAsSb而形成的feilnAsSb ；使設(shè)置在所述吸收層上的勢壘層生長，并且所述勢壘層包括按照在AlSbAs和勢壘 GaSb之間的勢壘混合比混合勢壘feiSb和AlSbAs而形成的GaAlAsSb。
3.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中混合入所述吸收層中的所述 InAsSb包括InAsa91Sbatl9，并且混合入所述勢壘層中的所述AlSbAs包括AlSba92Ai^ci8tj
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中所述勢壘層與所述吸收層和所述襯底層基本晶格匹配。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中所述吸收混合比沿著吸收層生長方向改變。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中選擇所述吸收混合比，以調(diào)節(jié)所述吸收層的帶隙，并且從而確定用于所述勢壘紅外檢測器件的截止波長。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中選擇所述勢壘混合比，以便所述勢壘層和所述吸收層的價帶邊匹配。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中所述勢壘混合比沿勢壘層生長方向改變。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置或方法，進一步包括沉積在所述吸收層的露出吸收區(qū)上的底部金屬接觸件。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置或方法，進一步包括設(shè)置在所述襯底層和所述吸收層之間的底部接觸層以及沉積在露出的底部接觸區(qū)上的底部金屬接觸件。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置或方法，進一步包括設(shè)置在所述勢壘層上的頂部接觸層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置或方法，其中所述頂部接觸層包括按照頂部接觸混合比混合頂部接觸feiSb和頂部接觸InAsSb而形成的頂部接觸件(ialnAsSb，所述頂部接觸混合比與所述吸收混合比不同。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置或方法，其中所述頂部接觸層是η-摻雜。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置或方法，其中所述頂部接觸層包括的摻雜不同于所述吸收層的摻雜。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置或方法，其中所述頂部接觸層被分隔成元件陣列。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置或方法，進一步包括在所述頂部接觸層的陣列的每個元件上沉積的分隔開的頂部金屬接觸件。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種具有吸收材料的勢壘紅外檢測器及其制造方法，該吸收材料具有可選擇的截止波長。使GaInAsSb吸收層在GaSb襯底層上生長，該襯底層由按照吸收混合比混合GaSb和InAsSb形成。然后，GaAlAsSb勢壘層在按照勢壘混合比混合GaSb和AlSbAs形成的勢壘層上生長。選擇吸收混合比以調(diào)節(jié)吸收層的帶隙，從而確定用于勢壘紅外檢測器的截止波長。吸收混合比可以沿吸收層生長方向改變?？梢允褂酶鞣N接觸層結(jié)構(gòu)。此外，可以將頂部接觸層分隔成元件陣列，這些元件陣列被電隔離成可用于檢測器陣列、成像陣列、焦平面陣列的單獨的功能檢測器。
文檔編號H01L31/101GK102224603SQ200980147121
公開日2011年10月19日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者亞歷山大·索伊貝爾, 大衛(wèi)·Z·廷, 瑟勒特·D·古納帕拉, 科里·J·希爾, 蘇米斯·V·班達拉 申請人:加利福尼亞技術(shù)學院