基于表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)吸收的InGaAs光探測(cè)器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種基于表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)吸收的InGaAs光探測(cè)器。該InGaAs光探測(cè)器包括：半導(dǎo)體襯底，其兩面拋光；依次沉積于半導(dǎo)體襯底上表面的緩沖層、下?lián)诫s層、吸收層、上摻雜層；形成于上摻雜層上的金屬光柵層，該金屬光柵層為二維周期性亞波長(zhǎng)光柵；其中，入射光波由半導(dǎo)體襯底未沉積薄膜的一面射入，從下?lián)诫s層和上摻雜層分別電性連接出該InGaAs紅外光探測(cè)器的兩電極，該兩電極引入外加偏壓并收集探測(cè)信號(hào)。本發(fā)明采用二維的周期性金屬孔陣結(jié)構(gòu)，可以與探測(cè)的光波發(fā)生耦合，激發(fā)表面等離子體效應(yīng)，表面等離子體效應(yīng)能將光場(chǎng)局域化在金屬和半導(dǎo)體界面附近，可以彌補(bǔ)減薄的吸收層損失的探測(cè)率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)吸收的InGaAs光探測(cè)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光探測(cè)器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)吸收的InGaAs光探測(cè)器。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外探測(cè)器是紅外系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)的核心組成部分，InGaAs材料是一種優(yōu)良的近紅外光電探測(cè)材料。在近紅外探測(cè)領(lǐng)域，可應(yīng)用于1-3微米波段的材料體系主要有基于碲鎘汞(HgCdTe)、銻化銦(InSb)和銦鎵砷(InGaAs)等。InGaAs探測(cè)器具有體系穩(wěn)定、制冷要求低的特點(diǎn)。
[0003]InGaAs探測(cè)器在較高的工作溫度具有較高的探測(cè)率，具有較高的信噪比、較低的功耗和較長(zhǎng)壽命并有利于系統(tǒng)的小型化；同時(shí)InGaAs外延材料具有較好的均勻性和穩(wěn)定性，器件制備工藝過(guò)程與Si工藝兼容,材料與器件的抗福照性能好；近紅外InGaAs材料體系吸收層具有低的本底載流子濃度和高遷移率，有利于在近紅外波段獲得平滑的量子效率。
[0004]圖1為現(xiàn)有技術(shù)InGaAs紅外光探測(cè)器的剖面示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1，該InGaAs紅外光探測(cè)器100包括:半導(dǎo)體襯底層102，其兩面拋光；依次沉積于半導(dǎo)體襯底102上表面的緩沖層103、下?lián)诫s層104、吸收層105、上摻雜層106、金屬層107。其中:所述吸收層105為本征摻雜或低濃度摻雜的InGaAs材料，即摻雜濃度低于5X 1016/cm3以下；所述金屬層107為平板金屬結(jié)構(gòu)或帶有一維周期性亞波長(zhǎng)光柵；所述下?lián)诫s層104和上摻雜層106均為摻雜類(lèi)型相異的重?fù)诫s的InGaAs材料，兩者分別與吸收層105構(gòu)成pin結(jié)構(gòu)，此處，重?fù)诫s表示摻雜濃度高于5 X IO1Vcm3,從該下?lián)诫s層104和上摻雜層106分別電性連接出該InGaAs紅外光探測(cè)器的兩電極，該兩電極弓I入外加偏壓并收集探測(cè)信號(hào)。
[0005]在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中， 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)InGaAs紅外光探測(cè)器具有以下技術(shù)缺陷:由于現(xiàn)有的探測(cè)器的結(jié)構(gòu)吸收層厚度較厚，載流子的產(chǎn)生-復(fù)合電流較大，成為了暗電流的主要來(lái)源之一；同時(shí)較厚的吸收層的厚度，會(huì)增加載流子的渡越時(shí)間，造成器件的響應(yīng)速度變慢；對(duì)于平板的金屬結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，只能起到反射的作用增加光的傳播長(zhǎng)度；而利用一維周期性的光柵結(jié)構(gòu)雖然會(huì)對(duì)吸收增強(qiáng)有一定的提高，但是會(huì)對(duì)光的偏振方向有很強(qiáng)的選擇性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0007]鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)吸收的InGaAs光探測(cè)器。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]本發(fā)明基于表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)吸收的InGaAs光探測(cè)器包括:半導(dǎo)體襯底
102,其兩面拋光；依次沉積于半導(dǎo)體襯底102上表面的緩沖層103、下?lián)诫s層104、吸收層105、上摻雜層106，吸收層105為本征摻雜或低濃度摻雜的InGaAs材料；下?lián)诫s層104和上摻雜層106為摻雜類(lèi)型相異的重?fù)诫s的InGaAs材料，兩者分別與吸收層105構(gòu)成pin結(jié)構(gòu)；形成于上摻雜層106上的金屬光柵層107,該金屬光柵層107為二維周期性亞波長(zhǎng)光柵,其中，該二維周期性亞波長(zhǎng)光柵在X方向和y方向的周期均小于探測(cè)波長(zhǎng)；其中，入射光波由半導(dǎo)體襯底102未沉積薄膜的一面射入,從下?lián)诫s層和上摻雜層分別電性連接出該InGaAs紅外光探測(cè)器的兩電極，該兩電極引入外加偏壓并收集探測(cè)信號(hào)。
[0010](三)有益效果
[0011]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明基于表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)吸收的InGaAs光探測(cè)器具有以下有益效果:
[0012](I)采用了擁有超薄吸收層的InGaAs紅外探測(cè)器，由于吸收層的厚度較薄，這樣可以大大的降低載流子的產(chǎn)生-復(fù)合電流，此外，較薄厚度的吸收層會(huì)在很大程度上減少載流子的渡越時(shí)間，增加器件的響應(yīng)速度；
[0013](2)采用二維的周期性金屬孔陣結(jié)構(gòu)，可以與探測(cè)的光波發(fā)生耦合，激發(fā)表面等離子體效應(yīng)，表面等離子體效應(yīng)能將光場(chǎng)局域化在金屬和半導(dǎo)體界面附近，在吸收層中有較強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，可以彌補(bǔ)減薄的吸收層損失的探測(cè)率，同時(shí)，二維的周期性金屬孔陣結(jié)構(gòu)對(duì)光的偏振不敏感，實(shí)用性更強(qiáng)；
[0014](3)通過(guò)對(duì)光柵參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以將表面等離子體增強(qiáng)吸收的峰位調(diào)節(jié)至帶尾吸收邊的位置，起到平滑量子效率的作用，而且，金屬光柵的加工和制備比較容易實(shí)現(xiàn)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為現(xiàn)有技術(shù)InGaAs紅外光探測(cè)器的剖面示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明中周期性金屬孔陣的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3A-圖3D為周期性金屬孔陣的設(shè)計(jì)，其中:圖3A為周期性金屬孔為圓形，按正方形周期性排列；圖3B為周期性金屬孔為正方形，按正方形周期排列；圖3C為周期性金屬孔為矩形按平行四邊形周期排列；圖3D為周期性金屬孔包含正三角和倒三角，按矩形周期排列；
[0018]圖4為在光柵占空比為0.5的情況下，吸收層材料為200nm厚的Ina83GaAs材料時(shí)，探測(cè)器的吸收增強(qiáng)隨周期以及波長(zhǎng)變化的灰度圖；
[0019]圖5為光柵周期為880nm，孔直徑為440nm，入射波長(zhǎng)為2.6 μ m時(shí)，吸收強(qiáng)度隨吸收層厚度變化的曲線(xiàn)，同時(shí)包含只有平板金屬層沒(méi)有光柵結(jié)構(gòu)時(shí)，吸收強(qiáng)度隨吸收層變化的曲線(xiàn)；
[0020]圖6為光柵周期為880nm,孔直徑為440nm,吸收層材料為200nm厚的Ina83GaAs材料時(shí)，在不同入射光偏振方向下，偏振方向?yàn)閺腛度到90度，吸收強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)；同時(shí)包含在不同的入射光的偏振方向下，只有平板金屬層沒(méi)有光柵結(jié)構(gòu)時(shí)，吸收強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)。
[0021]【主要元件符號(hào)說(shuō)明】
[0022]IOO-1nGaAs紅外光探測(cè)器
[0023]101-入射光波102-半導(dǎo)體襯底層
[0024]103-緩沖層；104-下?lián)诫s層；[0025]105-吸收層；106-上摻雜層；
[0026]107-金屬層(金屬光柵層)；108_等離子體波。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028]本發(fā)明采用金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)與薄層InGaAs材料相結(jié)合，利用二維亞波長(zhǎng)人工結(jié)構(gòu)對(duì)光的局域限制產(chǎn)生的吸收增強(qiáng)作用和對(duì)入射光的偏振方向不敏感的特性，為實(shí)現(xiàn)InGaAs探測(cè)器暗電流降低和量子效率的提高提供了新的方法。
[0029]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種基于表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)吸收的InGaAs光探測(cè)器。該InGaAs紅外光探測(cè)器基于pin探測(cè)器原理而工作的，本征或低摻雜濃度的InGaAs層吸收紅外波長(zhǎng)的光子，激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴對(duì)，并在外電場(chǎng)的作用下形成光電流。
[0030]本實(shí)施例1nGaAs紅外光探測(cè)器的剖面示意圖與圖1相同。同樣請(qǐng)參照?qǐng)D1，本實(shí)施例InGaAs紅外光探測(cè)器100包括:半導(dǎo)體襯底102，其兩面拋光；依次沉積于半導(dǎo)體襯底102上表面的緩沖層103、下?lián)诫s層104、吸收層105、上摻雜層106、金屬光柵層107。其中:所述吸收層105為本征摻雜或低濃度摻雜的InGaAs材料，即摻雜濃度低于5X 1016/cm3以下；所述金屬光柵層107為二維周期性亞波長(zhǎng)光柵；所述下?lián)诫s層104和上摻雜層106均為摻雜類(lèi)型相異的重?fù)诫s的InGaAs材料，兩者分別與吸收層105構(gòu)成pin結(jié)構(gòu)，此處，重?fù)诫s表示摻雜濃度高于5 X IO1Vcm3,從該下?lián)诫s層104和上摻雜層106分別電性連接出該InGaAs紅外光探測(cè)器的兩電極，該兩電極弓I入外加偏壓并收集探測(cè)信號(hào)。
[0031]請(qǐng)參照?qǐng)D1，本實(shí)施例1nGaAs紅外探測(cè)器件100，在光子探測(cè)過(guò)程中，入射光波101的波長(zhǎng)范圍為I μ m?2.6 μ m波段。入射光波101包含的光子穿過(guò)半導(dǎo)體襯底102、緩沖層
103、下?lián)诫s層104，到達(dá)吸收層105。其中:
[0032](I)第一部分光子被吸收層105直接吸收，激發(fā)電子空穴對(duì)，在下?lián)诫s層104和上摻雜層106外加偏壓作用下使得電子空穴對(duì)被收集形成光電流。沒(méi)有被吸收的光子經(jīng)過(guò)上摻雜層106,入射到金屬光柵層107 ；
[0033](2)第二部分光子在金屬光柵層107的上表面和/或下表面形成表面等離子體波108，形成的等離子體波108沿朝向襯底102的方向電場(chǎng)強(qiáng)度成指數(shù)衰減，在吸收層105處存在具有較大電場(chǎng)強(qiáng)度的表面等離子體波，該表面等離子體波能夠被吸收層105吸收形成光電流；
[0034](3)第三部分在金屬光柵層107和上摻雜層106之間的界面發(fā)生反射朝向襯底方向返回，在返回的光程中再次被吸收層105吸收。
[0035]以下對(duì)本實(shí)施例基于表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)吸收的InGaAs光探測(cè)器的各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0036]半導(dǎo)體襯底102的材料可以是InP、GaAs、或Si等。在實(shí)際應(yīng)用中InGaAs紅外探測(cè)器件100，半導(dǎo)體襯底未沉積薄膜的一面可引入介質(zhì)層和針對(duì)探測(cè)波長(zhǎng)的增透膜來(lái)提高探測(cè)器的吸收率。
[0037]在生長(zhǎng)晶格不匹配的InGaAs吸收層材料時(shí)，緩沖層103起到應(yīng)力釋放的作用，其材料會(huì)根據(jù)半導(dǎo)體襯底102和下?lián)诫s層104材料進(jìn)行不同的選擇，其材料可以是InGaAs材料，也可以是其他材料，或者沒(méi)有該緩沖層，均可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
[0038]InGaAs紅外探測(cè)器件100的下?lián)诫s層104和上摻雜層106兩者所對(duì)應(yīng)的材料可以為相同材料，也可以為不同材料；但兩層的摻雜類(lèi)型不同，且均能夠和吸收層105構(gòu)成pin結(jié)構(gòu)。
[0039]吸收層105所對(duì)應(yīng)的材料為InGaAs材料，且可以通過(guò)改變InGaAs中In的組分對(duì)探測(cè)器件100的探測(cè)范圍進(jìn)行調(diào)整，隨著In的組分增加會(huì)延伸探測(cè)的截止波長(zhǎng)。
[0040]金屬光柵層107上的光柵結(jié)構(gòu)為二維周期性亞波長(zhǎng)光柵。二維周期性光柵結(jié)構(gòu)的可以為單端器件或者為雙端金屬陣列，其陣列形狀可以是圓形、矩形、三角形、規(guī)則多邊形、不規(guī)則多邊形或其他復(fù)雜形狀，或這些形狀中幾種形狀的復(fù)合。如圖2所示周期性金屬圓形孔結(jié)構(gòu)的雙端金屬 陣列，金屬層的厚度和孔的深度相等。如圖3A-圖3D所示，給出了周期性孔陣可能采用的不同周期和孔的形狀。(a)為周期性金屬孔為圓形，按正方形周期性排列；(b)為周期性金屬孔為正方形，按正方形周期排列；(c)為周期性金屬孔為矩形按平行四邊形周期排列；(d)為周期性金屬孔包含正三角和倒三角，按矩形周期排列。除此之外，也可采用規(guī)則多邊形、不規(guī)則多邊形或其他復(fù)雜的孔的形狀，或這些形狀中幾種形狀的組合；而金屬孔陣的周期也可采用正三角形、倒三角形、規(guī)則多邊形排列，或這幾種排列組成的復(fù)合排列方式。其中，該周期性光柵的占空比介于0.3~0.7之間。
[0041]本發(fā)明所述的InGaAs紅外探測(cè)器件100的金屬光柵層107的材料是對(duì)入射光波反射很強(qiáng)且吸收較弱的金屬，且應(yīng)有很大的負(fù)折射率，如Au、Ag、Al等；且金屬光柵層的厚度為 20nm ~5000nm。
[0042]本發(fā)明所采用的金屬半導(dǎo)體界面結(jié)構(gòu)，可使垂直入射的光在金屬半導(dǎo)體界面處激發(fā)表面等離子體波，它是一種非福射狀態(tài)的電磁波，被束縛在金屬光柵層107和上摻雜層106的界面附近。表面等離子體波的激發(fā)波長(zhǎng)可通過(guò)改變金屬光柵的孔陣周期進(jìn)行調(diào)整，由于所激發(fā)的表面等離子體波的電場(chǎng)強(qiáng)度沿著朝向襯底的方向成指數(shù)衰減，故對(duì)于所設(shè)計(jì)的吸收層105需要和金屬光柵層107表面較近，即上摻雜層的厚度足夠薄，一般情況下小于200nm。在界面附近的近場(chǎng)范圍內(nèi)，表面等離子體波對(duì)電場(chǎng)有增強(qiáng)作用，使得吸收層105中有很大的電場(chǎng)增強(qiáng)，從而增強(qiáng)光的吸收。
[0043]金屬光柵層107/上摻雜層106界面的表面等離子體模式的激發(fā)必須滿(mǎn)足特定的波矢匹配條件，不能簡(jiǎn)單的通過(guò)入射光照射光滑表面來(lái)激發(fā)。我們?cè)诮饘俟鈻艑?07中采用二維亞波長(zhǎng)周期性陣列結(jié)構(gòu)，來(lái)達(dá)到波矢匹配，從而激發(fā)表面等離子體。波矢匹配條件要求:
[0044]
kPP =SyCD[0045]其中譯P f分別為表面等離子體波矢和入射光波在半導(dǎo)體材料中的波矢，Θ為
入射光波的入射角。&，艮:為金屬表面光柵所提供的X，y方向的單位布拉格波矢，i和
j為整數(shù)。此外存在如下關(guān)系:
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種基于表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)吸收的InGaAs光探測(cè)器，其特征在于，包括: 半導(dǎo)體襯底(102)，其兩面拋光； 依次沉積于所述半導(dǎo)體襯底(102)上表面的緩沖層(103)、下?lián)诫s層(104)、吸收層(105)和上摻雜層(106)，其中，所述吸收層(105)為本征摻雜或低濃度摻雜的InGaAs材料；所述下?lián)诫s層(104)和上摻雜層(106)為摻雜類(lèi)型相異的重?fù)诫s的InGaAs材料,兩者分別與所述吸收層(105)構(gòu)成pin結(jié)構(gòu)； 形成于所述上摻雜層(106)上的金屬光柵層(107)，該金屬光柵層(107)為二維周期性亞波長(zhǎng)光柵，其中，該二維周期性亞波長(zhǎng)光柵在X方向和I方向的周期均小于探測(cè)波長(zhǎng)；其中，入射光波由所述半導(dǎo)體襯底(102)未沉積薄膜的一面射入，從所述下?lián)诫s層和上摻雜層分別電性連接出該InGaAs紅外光探測(cè)器的兩電極，該兩電極引入外加偏壓并收集探測(cè)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InGaAs光探測(cè)器，其特征在于，所述吸收層(105)的厚度小于 200nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InGaAs光探測(cè)器，其特征在于，所述金屬光柵層(107)的二維周期性亞波長(zhǎng)光柵的周期滿(mǎn)足:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的InGaAs光探測(cè)器，其特征在于，所述金屬光柵層(107)的二維周期性亞波長(zhǎng)光柵為單端器件或雙端金屬陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的InGaAs光探測(cè)器，其特征在于，所述金屬光柵層(107)的二維周期性亞波長(zhǎng)光柵為雙端金屬陣列，其陣列形狀為以下形狀中的一種或多種:圓形、矩形和三角形，且金屬層的厚度和陣列孔的深度相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的InGaAs光探測(cè)器，其特征在于，雙端金屬陣列的陣列形狀為正方向，ζ和€的方向相互垂直，且模值相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的InGaAs光探測(cè)器，其特征在于，入射光波的波長(zhǎng)范圍介于I μ m-2.6 μ m之間，所述，Px和P的模值880nm,陣列孔為圓形,孔直徑為440nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InGaAs光探測(cè)器，其特征在于，所述金屬光柵層(107)的材料為Au、Ag或Al,其厚度介于20nm~5000nm之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InGaAs光探測(cè)器，其特征在于，所述二維周期性亞波長(zhǎng)光柵的占空比介于0.3~0.7之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InGaAs光探測(cè)器，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底(102)未沉積薄膜的一面具有針對(duì)探測(cè)波長(zhǎng)的增透膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的InGaAs光探測(cè)器，其特征在于，所述入射光波在該InGaAs光探測(cè)器的吸收包括: (1)第一部分光子被所述吸收層(105)直接吸收，激發(fā)電子空穴對(duì)，在所述下?lián)诫s層(104)和上摻雜層(106)外加偏壓作用下使得該電子空穴對(duì)被收集形成光電流； (2)第二部分光子在所述金屬光柵層(107)的上表面和/或下表面形成表面等離子體波(108)，該等離子體波(108)被所述吸收層(105)吸收形成光電流； (3)第三部分在所述金屬光柵層(107)和上摻雜層(106)之間的界面發(fā)生反射朝向襯底方向返回，在返回的光程中再次被所述吸收層(105)吸收。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的InGaAs光探測(cè)器，其特征在于: 所述半導(dǎo)體襯底的材料為InP、GaAs、或Si ； 所述吸收層(105)為摻雜濃度低于5 X IOlfVcm3以下的InGaAs材料； 所述下?lián)诫s層(104)和上 摻雜層(106)為摻雜濃度高于5X IO1Vcm3的InGaAs材料。
【文檔編號(hào)】H01L31/105GK103943714SQ201410184396
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】宋國(guó)峰, 許斌宗, 韋欣, 劉杰濤, 相春平, 付東, 徐云 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所