專利名稱：用于拓展In_0.53Ga_0.47As探測器及其陣列短波響應(yīng)的材料體系及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于Ina53Gaa47As探測器的制備領(lǐng)域，特別涉及一種用于拓展Ina53Gaa47As 探測器及其陣列短波響應(yīng)的材料體系及其制備。
背景技術(shù)：
與InP襯底晶格匹配的Ina53Gaa47As三元系材料具有直接帶隙和高電子遷移率 的特點，其室溫下的禁帶寬度約0. 75eV，對應(yīng)的波長約1. 65 μ m，恰好可以覆蓋光纖通信波 段，因此采用Ina53Gaa47As三元系材料制作的光電探測器在光通信領(lǐng)域獲得了普遍應(yīng)用，并 且在遙感、傳感和成像等方面也有重要用途。最常見的Ina53Gaa47As探測器結(jié)構(gòu)為PIN型，襯底或緩沖層材料作N型下接觸層， Ina53Gaa47As作為不摻雜或低摻雜I型吸收層，再加上一層P型上接觸層。在常規(guī)正面進 光時上接觸層材料作為窗口層，而對常采用背面(襯底面)進光及倒扣封裝方案的陣列探 測器而言，下接觸層材料同時作為窗口層。對于InGaAs探測器窗口層材料的選擇而言，一 般希望采用具有較寬禁帶的材料作為透明窗口層。一方面窗口層材料禁帶寬度要大于吸收 層材料，這樣可以提高量子效率，另一方面也希望窗口層材料禁帶寬度在大于吸收層材料 的基礎(chǔ)上越大越好，可以拓展器件的短波響應(yīng)范圍，也有利于減小表面復(fù)合，改善暗電流特 性。傳統(tǒng)的Ina53Gaa47As光電探測器采用InP材料作為上接觸層和下接觸層，對于正面進光 或背面進光的器件而言，器件響應(yīng)光譜的短波截止波長分別受到上接觸層或下接觸層InP 材料禁帶寬度的限制。室溫下InP的禁帶寬度約1. 35eV,它將吸收波長小于0. 91 μ m的光， 從而限制了探測器對更短波長光的吸收。在Ina53Gaa47As光電探測器及其陣列的實際應(yīng)用中，器件噪聲是一個非常重要的 參數(shù)，器件噪聲中的重要一部分是Ι/f噪聲，一般認為PN結(jié)異質(zhì)界面處的位錯和互擴散是 其噪聲的重要來源。若采用InP作為窗口層，在InGaAs吸收層與InP窗口層之間存在V族 元素As/P的異質(zhì)界面，無論是分子束外延還是金屬有機物氣相外延技術(shù)，在進行材料生長 時生長完InGaAs吸收層關(guān)掉As源后，V族元素As的含量需要一段時間才能慢慢從系統(tǒng)中 減少，存在所謂“記憶效應(yīng)”，一方面非常容易殘留在InP窗口層中發(fā)生混雜，形成多元化合 物；另一方面如果要保證As沒有殘留，則需要在生長InGaAs關(guān)閉As源后與生長InP前中 斷一段時間，但是在這段時間內(nèi)InGaAs材料表面將沒有As源進行保護，材料維持在高溫下 容易發(fā)生分解，即使在P源保護下也較容易形成材料混雜。所以在探測器結(jié)構(gòu)材料選取時 也有必要考慮到異質(zhì)結(jié)界面質(zhì)量對器件噪聲影響的問題。同時，固態(tài)源分子束外延技術(shù)在生長含磷化合物材料時候存在特殊的困難，因為 固態(tài)磷有紅磷和白磷兩種形態(tài)，兩者的蒸氣壓之差達到了 IO5量級，因此用傳統(tǒng)的固態(tài)源分 子束外延技術(shù)很難精確控制它的束流強度。雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)了新型固態(tài)磷源裂解爐技 術(shù)，但仍有很多分子束外延系統(tǒng)不能生長磷源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于拓展Ina53Gaa47As探測器及其陣列 短波響應(yīng)的材料體系及其制備，本發(fā)明采用寬禁帶透明上接觸層和下接觸層材料體系，可 以減小表面復(fù)合并提高量子效率，可利用分子束外延方法或金屬有機物氣相外延方法無需 As/P切換而不間斷生長，有利于在生長過程中保持平整的表面態(tài)，保證材料的高質(zhì)量生長， 可降低器件噪聲，具有很好的通用性。本發(fā)明的一種用于拓展Ina53Gaa47As探測器及其陣列短波響應(yīng)的材料體系，其特 征在于采用禁帶寬度大于Ina53Gaa47As吸收層材料且大于常規(guī)InP的含鋁砷化物材料作 為上下接觸層材料體系實現(xiàn)拓展Ina53Gaa47As探測器及其陣列短波響應(yīng)；上接觸層結(jié)構(gòu)的 含鋁砷化物材料在正面進光時作為窗口層，下接觸層結(jié)構(gòu)的含鋁砷化物材料在選擇腐蝕掉 襯底后適用于背面進光。所述的含鋁砷化物材料為InAlAs三元或InAlGaAs四元化合物。所述InAlAs三元化合物材料體系為Ina52AIa48AS。所述的探測器及其陣列結(jié)構(gòu)不包含磷化物，也可采用不含磷源的材料生長系統(tǒng)進 行生長。本發(fā)明的一種用于拓展Ina53Gaa47As探測器及其陣列短波響應(yīng)的材料體系的制備 方法，包括(1)采用[100]晶向的半絕緣InP單晶材料作為探測器的襯底，含鋁砷化物材料作 為寬禁帶下接觸層并用Si進行高摻雜，Ina53Gaa47As材料作為吸收層進行低摻雜Si或不摻 雜，采用含鋁砷化物材料作為寬禁帶上接觸層并用Be進行高摻雜，在吸收層和上接觸層之 間構(gòu)成PN結(jié)；(2)外延生長采用常規(guī)分子束外延方法，在正式生長之前先采用相同的In束源溫 度通過預(yù)備生長確定在InP襯底上生長晶格匹配的生長條件；(3)在對Epi-Ready InP襯底進行氧化物脫附處理后先生長高摻雜Si寬禁帶下 接觸層，然后繼續(xù)生長低摻雜Si或不摻雜的吸收層，緊接著再生長高摻雜Be寬禁帶上接觸 層；(4)結(jié)束生長，在保護氣氛下降溫，得到所需Ina53Gaa47As探測器。所述用Si進行高摻雜的參數(shù)為η > 2 X IO18cnT3，用Si進行低摻雜或不摻雜的參 數(shù)為η 2 X IO16Cnr3，用Be進行高摻雜的參數(shù)為ρ > 2 X IO1W0所述步驟(3)中的高摻雜Si寬禁帶下接觸層的厚度為1 μ m，低摻雜Si或不摻雜 的吸收層的厚度為2 μ m,高摻雜Be寬禁帶上接觸層的厚度為1 μ m。根據(jù)上述技術(shù)背景的分析，對于常規(guī)正面進光的探測器及其陣列而言，其短波響 應(yīng)范圍受到上接觸層材料禁帶寬度的限制；而對于采用背面進光及倒扣封裝結(jié)構(gòu)的單元及 其陣列而言，若在器件制作時選擇腐蝕掉進光口的InP襯底，則其短波響應(yīng)范圍將受到下 接觸層材料禁帶寬度的限制。與InP襯底晶格匹配的Ina53Gaa47As三元系材料的晶格常數(shù) 約為5. 87 A,響應(yīng)截止波長約1. 65 μ m。經(jīng)細致分析可以得出與Ina53Gaa47As材料晶格匹配 而禁帶寬度大于Ina53Gaa47As并且有兼容性的材料體系有InGaAsP、InP、GaAsSb、InAlGaAs、 InAlAs等，其中InAlAs三元系或InAlGaAs四元系含鋁砷化物材料可以具有比InP更大 的禁帶寬度，并與InP襯底及Ina53Gaa47As材料晶格匹配且為直接帶隙。In組分為0. 52
4時InAlAs材料與InP晶格匹配，室溫下Ina52Ala48As禁帶寬度約為1. 41eV，對波長大于約 0. 88 μ m的光都透明。采用Ina52Ala48As作為Ina53Gaa47As探測器的上接觸層可以拓展正 面進光器件的短波響應(yīng)，而Ina52Ala48As作為下接觸層則可以在器件制作時選擇腐蝕掉進 光口的InP襯底后拓展背面進光器件的短波響應(yīng)。另一方面，Ina52Ala48As與Ina53Gaa47As 三元系材料都只含有同一種V族元素As，在材料生長時它們的界面處無需進行As/P切換與 生長中斷，可以保證獲得高質(zhì)量的異質(zhì)界面。同時，此結(jié)構(gòu)不包含磷化物，也可采用不含磷 源的材料生長系統(tǒng)進行生長，在生長之前的保護只需要采用砷蒸氣壓即可。有益效果本發(fā)明采用寬禁帶透明上接觸層和下接觸層材料體系，可以減小表面復(fù)合并提高 量子效率，既適合于采用常規(guī)正面進光結(jié)構(gòu)的單元或陣列器件，也可在選擇腐蝕掉襯底后 用于采用背面進光及倒扣封裝結(jié)構(gòu)的單元或陣列器件，可利用分子束外延方法或金屬有機 物氣相外延方法無需As/P切換而不間斷生長，有利于在生長過程中保持平整的表面態(tài)，保 證材料的高質(zhì)量生長，可降低器件噪聲，同時可采用不含磷源的材料生長系統(tǒng)進行生長，具 有很好的通用性。


圖1為本發(fā)明提供的一種采用寬禁帶上下接觸層拓展Ina53Gaa47As光電探測器及 其陣列短波響應(yīng)范圍的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明提供的一種采用InAlAs作為上下接觸層拓展Ina53Gaa47As光電探 測器及其陣列短波響應(yīng)范圍的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。實施例1(1)需要拓展Ina53Gaa47As探測器陣列的短波響應(yīng)，并需要探測器陣列結(jié)構(gòu)既能適 合正面進光同時也可在選擇腐蝕掉襯底后用于背面進光；(2)采用[100]晶向的半絕緣InP單晶材料作為探測器的襯底，Ina52Ala48As材料 作為寬禁帶下接觸層并用Si進行高摻雜(η > 2 X IO18Cm-3)，Ina53Gaa47As材料作為吸收層 進行低摻雜Si或不摻雜(η 2Χ 1016cm_3)，采用Ina52Ala48As作為寬禁帶上接觸層并用Be 進行高摻雜(P > 2 X IO18CnT3)，在吸收層和上接觸層之間構(gòu)成PN結(jié)；(3)外延生長采用常規(guī)分子束外延方法，在正式生長之前先采用相同的In束源溫 度通過預(yù)備生長確定在InP襯底上生長晶格匹配的Ina52Ala48As和Ina53Gaa47As時的束源 爐溫度、襯底溫度等生長條件，以襯底溫度530°C為例；(4)對Epi-Ready InP襯底進行高溫氧化物脫附處理，然后以襯底溫度530°C生長 厚度約1 μ m的高摻雜Si的η型Ina52Ala48As寬禁帶下接觸層(η > 2 X 1018cm_3)，無需間斷 生長過程繼續(xù)生長厚度約2 μ m的低摻雜Si或不摻雜的η型Ina53Gaa47As光吸收層(η 2 X IO1W3)，緊接著再生長厚度約0. 6 μ m高摻雜Be的厚度ρ型Ina52Ala48As寬禁帶上接 觸層(P > 2 X IO18cm-3)； (5)結(jié)束生長，在保護氣氛下降溫，取出外延材料進行必要的測試和器件工藝制作。
權(quán)利要求
一種用于拓展In0.53Ga0.47As探測器及其陣列短波響應(yīng)的材料體系，其特征在于采用禁帶寬度大于In0.53Ga0.47As吸收層材料且大于常規(guī)InP的含鋁砷化物材料作為上下接觸層材料體系實現(xiàn)拓展In0.53Ga0.47As探測器及其陣列短波響應(yīng)；上接觸層結(jié)構(gòu)的含鋁砷化物材料在正面進光時作為窗口層，下接觸層結(jié)構(gòu)的含鋁砷化物材料在選擇腐蝕掉襯底后適用于背面進光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于拓展Ina53Gaa47As探測器及其陣列短波響應(yīng)的材料 體系，其特征在于所述的含鋁砷化物材料為InAlAs三元或InAlGaAs四元化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于拓展Intl53Gaa47As探測器及其陣列短波響應(yīng)的材料 體系，其特征在于所述InAlAs三元化合物材料體系為Ina52Ala48AS。
4.一種用于拓展Ina53Gaa47As探測器及其陣列短波響應(yīng)的材料體系的制備方法，包括(1)采用100晶向的半絕緣InP單晶材料作為探測器的襯底，含鋁砷化物材料作為寬禁 帶下接觸層并用Si進行高摻雜，Ina53Gaa47As材料作為吸收層進行低摻雜Si或不摻雜，采 用含鋁砷化物材料作為寬禁帶上接觸層并用Be進行高摻雜，在吸收層和上接觸層之間構(gòu) 成PN結(jié)；(2)外延生長采用常規(guī)分子束外延方法，在正式生長之前先采用相同的In束源溫度通 過預(yù)備生長確定在InP襯底上生長晶格匹配的生長條件；(3)在對Epi-ReadyInP襯底進行氧化物脫附處理后先生長高摻雜Si寬禁帶下接觸 層，然后繼續(xù)生長低摻雜Si或不摻雜的吸收層，緊接著再生長高摻雜Be寬禁帶上接觸層；(4)結(jié)束生長，在保護氣氛下降溫，得到所需Ina53Gaa47As探測器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于拓展Intl53Gaa47As探測器及其陣列短波響應(yīng)的材料 體系的制備方法，其特征在于所述用Si進行高摻雜的參數(shù)為η > 2 X IO18cnT3，用Si進行 低摻雜或不摻雜的參數(shù)為η 2Χ 1016cm_3，用Be進行高摻雜的參數(shù)為ρ > 2Χ 1018cm_3。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于拓展Ina53Gaa47As探測器及其陣列短波響應(yīng)的材 料體系的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中的高摻雜Si寬禁帶下接觸層的厚度為 1 μ m，低摻雜Si或不摻雜的吸收層的厚度為2 μ m，高摻雜Be寬禁帶上接觸層的厚度為 0. 6 μ m0
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于拓展In0.53Ga0.47As探測器及其陣列短波響應(yīng)的材料體系及其制備，采用禁帶寬度大于In0.53Ga0.47As吸收層材料且大于常規(guī)InP的含鋁砷化物材料作為上下接觸層材料體系實現(xiàn)拓展In0.53Ga0.47As探測器及其陣列短波響應(yīng)。本發(fā)明采用寬禁帶透明上接觸層和下接觸層材料體系，可以減小表面復(fù)合并提高量子效率，可利用分子束外延方法或金屬有機物氣相外延方法無需As/P切換而不間斷生長，有利于在生長過程中保持平整的表面態(tài)，保證材料的高質(zhì)量生長，可降低器件噪聲，具有很好的通用性。
文檔編號H01L31/10GK101976696SQ20101029222
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者張永剛, 顧溢 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所