本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電器件及光譜遙感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種偏置控制雙波段inalas-ingaas二極探測(cè)器及焦平面陣列。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體光電探測(cè)器(pd)及其焦平面陣列(fpa)器件在諸多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。常規(guī)pd或fpa只針對(duì)一個(gè)連續(xù)的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，但一些特殊應(yīng)用往往需要選擇探測(cè)不同的分立波長(zhǎng)范圍，常規(guī)的解決方案是采用多個(gè)pd或fpa來(lái)分別響應(yīng)不同的波段，但由此帶來(lái)光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜化等一系列問(wèn)題，在一些場(chǎng)合甚至難以實(shí)現(xiàn)所需功能。

為解決此方面問(wèn)題人們也已發(fā)展了被稱為雙波段(也可為多波段，以下均以雙波段為例)的pd，具體形式包括：1)用機(jī)械方式將不同響應(yīng)波段的探測(cè)器進(jìn)行疊加組合，例如在同一管殼中同時(shí)疊加裝入短波和長(zhǎng)波兩個(gè)探測(cè)器，短波探測(cè)器光敏面為通過(guò)式(背面無(wú)電極等遮擋)且面積較大，并將其置于長(zhǎng)波探測(cè)器之上，這樣入射光首先照射到短波探測(cè)器上進(jìn)行短波探測(cè)，而可透過(guò)短波探測(cè)器的長(zhǎng)波光繼續(xù)作用于長(zhǎng)波探測(cè)器進(jìn)行長(zhǎng)波探測(cè)，這兩個(gè)探測(cè)器的電極則分別獨(dú)立引出，這樣至少需要3個(gè)電極(可有一個(gè)公共電極)。這種形式的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)探測(cè)器完全獨(dú)立，可以同時(shí)輸出，缺點(diǎn)是封裝加工復(fù)雜，尺寸也大，難以用于fpa。2)用外延方式直接在同一襯底上縱向生長(zhǎng)兩個(gè)波段探測(cè)器的獨(dú)立結(jié)構(gòu)，后續(xù)仍采用微電子學(xué)方法制作器件。此種雙波段探測(cè)器工作時(shí)也是讓入射光先通過(guò)其上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生短波響應(yīng)，剩余光繼續(xù)通過(guò)下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生長(zhǎng)波響應(yīng)。這種類型器件也可采用鍵合等方式制作。此種形式的優(yōu)點(diǎn)是特點(diǎn)是兩個(gè)探測(cè)器仍可完全獨(dú)立并同時(shí)輸出，缺點(diǎn)是對(duì)兩個(gè)探測(cè)器仍需獨(dú)立引出電極(可有一個(gè)公共電極)，這樣至少仍需3個(gè)電極，而微電子加工中引出中間電極會(huì)很困難。此種形式雖然原則上已可用于fpa，但讀出電路對(duì)每個(gè)單元的兩個(gè)探測(cè)波段電極的讀出在設(shè)計(jì)和加工上都很難安排，限制了其發(fā)展。3)如將短波和長(zhǎng)波結(jié)構(gòu)用縱向集成的方式通過(guò)隧道結(jié)等串接做成多結(jié)光電池形式的二級(jí)管器件，由于在單一短波或長(zhǎng)波光作用下這些結(jié)無(wú)法同時(shí)產(chǎn)生光伏效果而互相牽制，也即無(wú)響應(yīng)的那個(gè)結(jié)構(gòu)限制了有響應(yīng)結(jié)構(gòu)的輸出，因此并不能作為雙波段器件使用。對(duì)這樣的器件雖然可以通過(guò)施加光偏置來(lái)消除其牽制作用，從而實(shí)現(xiàn)雙波段探測(cè)功能，但光偏置系統(tǒng)的引入也會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜度顯著增加。

此外，有別于前述三種形式，對(duì)于雙波段和多波段探測(cè)器和焦平面探測(cè)器還可以有通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)分光、采用縱向布拉格光柵或橫向平面光柵分光或形成共振結(jié)構(gòu)等構(gòu)成不同探測(cè)波段等諸多方法。以上對(duì)雙波段器件的討論也可以擴(kuò)展到多波段器件，在此不贅述。對(duì)于常規(guī)光電探測(cè)器而言，由原理決定，在短波側(cè)其響應(yīng)是不截止的而只是不斷下降，因此也有各種增強(qiáng)短波響應(yīng)的探測(cè)器出現(xiàn)，但這種器件的響應(yīng)波段仍是連續(xù)單一的，用作所謂雙波段探測(cè)仍需要采用光學(xué)分光或?yàn)V光系統(tǒng)，不在本發(fā)明的討論之列。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種制作通過(guò)單片縱向集成的方法制作偏置控制的雙波段inalas-ingaas二電極探測(cè)器以及進(jìn)行焦平面陣列集成的方案。

本發(fā)明的方案類似前述形式2，仍用外延方式直接在同一襯底上縱向生長(zhǎng)兩個(gè)波段探測(cè)器結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)中只涉及寬禁帶和窄禁帶兩種材料(襯底材料除外)，區(qū)別在于這兩個(gè)波段的探測(cè)結(jié)構(gòu)并非完全獨(dú)立而是互相關(guān)聯(lián)；在芯片制作方面，后續(xù)工藝中仍采用微電子學(xué)方法制作器件，區(qū)別在于對(duì)此雙波段的探測(cè)器無(wú)需制作三個(gè)及以上電極，而仍像單波段探測(cè)器一樣只需有二個(gè)電極即可，是一種“二極管”器件，且無(wú)需像形式3那樣施加光偏置而用電控即可形成雙波段探測(cè)功能；此種雙波段探測(cè)器工作時(shí)也是讓入射光先通過(guò)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生短波響應(yīng)，剩余光繼續(xù)通過(guò)下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生長(zhǎng)波響應(yīng)，通過(guò)材料體系的選擇優(yōu)化使得兩個(gè)探測(cè)波段既可分離又有很好銜接。這種單片縱向集成的雙波段二極探測(cè)器中，兩個(gè)波段的探測(cè)結(jié)構(gòu)仍可獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化，并針對(duì)具體應(yīng)用采用選擇或時(shí)分復(fù)用的方法輸出兩個(gè)波段的信號(hào)。由于此器件不需要中間電極，因此微電子加工方面仍與常規(guī)單波段器件一樣，并不增加工藝難度。此種雙波段探測(cè)器形式十分適合于fpa集成，因其除總的公共電極外每個(gè)探測(cè)單元仍只用一個(gè)讀出電極，形式上仍可與傳統(tǒng)讀出電路很好配合，在與讀出電路互聯(lián)及后續(xù)封裝方面也不增加難度。

本發(fā)明的要點(diǎn)為：對(duì)于正面進(jìn)光器件(包括單元器件、線列器件等，可參見附圖左側(cè))，首先采用分子束外延(mbe)或金屬有機(jī)物氣相沉積(mocvd)等方法在半絕緣襯底1上依次外延生長(zhǎng)與其晶格匹配的：n型高摻雜下接觸層2、n型低摻雜窄禁帶長(zhǎng)波吸收層4、p型高摻雜寬禁帶層5、n型低摻雜寬禁帶短波吸收層6和n型高摻雜窄禁帶上接觸層7，然后采用微電子工藝刻蝕出臺(tái)面，并同時(shí)在n型高摻雜下接觸層2和n型高摻雜上接觸層7上制作下接觸電極3和上接觸電極8，后續(xù)仍用與單波段器件相同的方法進(jìn)行加工封裝等。

與此類似，對(duì)于背面進(jìn)光器件(入射光由襯底一側(cè)進(jìn)入，包括單元器件、線列器件和面陣器件等，可參見附圖右側(cè))，首先采用分子束外延(mbe)或金屬有機(jī)物氣相沉積(mocvd)等方法在半絕緣inp襯底1上依次外延生長(zhǎng)與其晶格匹配的：n型高摻雜下接觸層2、n型低摻雜寬禁帶短波吸收層6、p型高摻雜寬禁帶層5、n型低摻雜窄禁帶長(zhǎng)波吸收層4、和n型高摻雜窄禁帶上接觸層7，然后采用微電子工藝刻蝕出臺(tái)面，并同時(shí)在n型高摻雜下接觸層2和n型高摻雜上接觸層7上制作下接觸電極3和上接觸電極8，后續(xù)仍用與單波段器件相同的方法進(jìn)行加工封裝等。即與正面進(jìn)光器件相比4、5、6三層的次序更換為6、5、4。

此器件的響應(yīng)波段可由兩個(gè)電極施加的正向或反向偏壓方便地進(jìn)行控制。以正面進(jìn)光器件為例：當(dāng)以下電極作為pd的參考電極或fpa的公共電極時(shí)，當(dāng)對(duì)上電極施加正偏壓時(shí)，其由p型高摻雜寬禁帶層5和n型低摻雜窄禁帶長(zhǎng)波吸收層4構(gòu)成的異質(zhì)pn結(jié)長(zhǎng)波探測(cè)結(jié)構(gòu)處于正偏狀態(tài)，可以提供足夠大的注入電流，而由n型低摻雜寬禁帶短波吸收層6和p型高摻雜寬禁帶層5構(gòu)成的同質(zhì)np結(jié)短波探測(cè)結(jié)構(gòu)則處于反偏狀態(tài)，這樣對(duì)整個(gè)二級(jí)器件而言對(duì)向串接的np-pn結(jié)構(gòu)的電流將取決于處于反偏的結(jié)構(gòu)即短波探測(cè)結(jié)構(gòu)，工作于短波探測(cè)波段，在短波光照下產(chǎn)生的光電流即為器件的響應(yīng)，而對(duì)長(zhǎng)波光照并無(wú)響應(yīng)；反之，當(dāng)對(duì)上電極施加負(fù)偏壓時(shí)在長(zhǎng)波波光照下產(chǎn)生的光電流即為器件的響應(yīng)，而對(duì)短波光照并無(wú)響應(yīng)。偏置電壓的選取可按以下原則：正偏壓只需大于長(zhǎng)波pn結(jié)的正向開啟電壓并有一定余量即可，負(fù)偏壓只需大于短波pn結(jié)的正向開啟電壓并有一定余量即可，為方便也可選取同樣的正負(fù)偏壓數(shù)值。采用較小的正負(fù)偏壓數(shù)值有益于減小器件工作時(shí)的暗電流及噪聲。對(duì)于背面進(jìn)光器件情況類似，可以以此類推，偏壓方向相反即可。此器件雖為npn結(jié)構(gòu)，但其p區(qū)較厚且為高摻雜寬禁帶材料，因此在正向或方向偏壓下均不會(huì)產(chǎn)生三極管或光晶體管效應(yīng)，對(duì)兩個(gè)探測(cè)波段仍為常規(guī)光電二極管。

本發(fā)明的有益效果

1、本發(fā)明的pd或fpa為采用外延方法制作的單片型器件，其縱向結(jié)構(gòu)由一次外延即可完成，制作方便；

2、本發(fā)明的器件為二電極器件，對(duì)pd或fpa的一個(gè)單元只需兩個(gè)接觸電極，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易與后續(xù)放大器或讀出電路連接；

3、本發(fā)明器件的響應(yīng)波段由對(duì)其兩個(gè)電極施加的正向或反向偏壓方便地進(jìn)行控制，只需對(duì)后續(xù)放大電路或讀出電路進(jìn)行合適的安排即可，短波或長(zhǎng)波信號(hào)可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇輸出或按時(shí)序輸出；

4、在以inp為襯底及采用iii-v族晶格匹配材料體系的前提下，in0.52al0.48as三元系屬禁帶最寬的直接帶隙材料，in0.53ga0.47as三元系屬不含銻的禁帶最窄直接帶隙材料。以in0.52al0.48as為短波吸收層可將此雙波段探測(cè)器的短波響應(yīng)波長(zhǎng)推至最短，且在寬禁帶材料中形成pn結(jié)可使短波器件的暗電流更低；以in0.53ga0.47as為長(zhǎng)波吸收層則可將此雙波段探測(cè)器的長(zhǎng)波響應(yīng)波長(zhǎng)推至最長(zhǎng)；這樣以in0.52al0.48as為短波吸收層和in0.53ga0.47as為長(zhǎng)波吸收層時(shí)，室溫下短波段的長(zhǎng)波側(cè)截止波長(zhǎng)約為0.85μm，覆蓋了可見光波段，長(zhǎng)波段的長(zhǎng)波側(cè)截止波長(zhǎng)約為1.7μm，覆蓋了短波紅外波段的重要范圍。因此特別適合可見光波段和短波紅外波段的雙波段探測(cè)。

5、根據(jù)前述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，工藝制作中上下電極均制作于n型材料上，這樣與需在p型和n型材料上制作分別制作電極和分別處理的常規(guī)單波段器件相比，在高摻雜n型材料上形成歐姆接觸將無(wú)任何困難，避免了p型材料上難以形成良好的歐姆接觸的困難，且上下電極可同時(shí)形成，給工藝加工帶來(lái)很大方便，有利于獲得更佳器件性能；

6、對(duì)于采用背面進(jìn)光的fpa特別是面陣器件，此發(fā)明的方案仍可采取襯底去除方法來(lái)進(jìn)一步改善器件的短波段響應(yīng)，也不增加工藝難度；

7、本發(fā)明除可在晶格匹配的in0.52al0.48as-in0.53ga0.47as-inp材料體系上實(shí)現(xiàn)外，也可在inalgaas-in0.53ga0.47as-inp、inalgaas-ingaasp-inp、ingaasp-in0.53ga0.47as-inp等同體系的材料上實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)短波段和長(zhǎng)波段的截止波長(zhǎng)進(jìn)行精細(xì)裁剪和性能優(yōu)化，也可拓展到波長(zhǎng)擴(kuò)展的ingaas體系。本發(fā)明的思路也可在其他材料體系上實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，附圖2幅，具體說(shuō)明如后，其中：

圖1.采用si和in0.53ga0.47aspd對(duì)向串接后測(cè)得的在正向和反向偏壓下的光譜響應(yīng)。

圖2.本發(fā)明的示意圖，左側(cè)為正面進(jìn)光形式，適合于單元及線列器件；右側(cè)為背面進(jìn)光形式，適合于讀出電路直接互聯(lián)的面陣器件。具體均包括八個(gè)部分，分別為：1-半絕緣inp襯底、2-n型高摻雜inp下接觸層、3-下接觸電極、4-n型低摻雜in0.53ga0.47as長(zhǎng)波吸收層、5-p型高摻雜in0.52al0.48as層、6-n型低摻雜in0.52al0.48as短波吸收層、7-n型高摻雜in0.53ga0.47as上接觸層、8-上接觸電極。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，圖1示出了采用si和in0.53ga0.47aspd對(duì)向串接后測(cè)得的在正向和反向偏壓下的光譜響應(yīng)，這兩個(gè)pd均為pn結(jié)型器件，其正極相連，以in0.53ga0.47as-pd的負(fù)極為參考電極(接地)，si-pd的負(fù)極為此組合探測(cè)器的輸出極用于輸出信號(hào)及施加偏壓。由圖1可見，對(duì)此組合探測(cè)器施加正1.5v偏壓時(shí)，由于in0.53ga0.47as–pd處于正偏，此組合探測(cè)器表現(xiàn)出si-pd的響應(yīng)光譜，in0.53ga0.47as–pd的響應(yīng)受到抑制；對(duì)此組合探測(cè)器施加負(fù)1.5v偏壓時(shí)，由于si-pd處于正偏，此組合探測(cè)器表現(xiàn)出in0.53ga0.47as–pd的響應(yīng)光譜，si–pd的響應(yīng)受到抑制；1.5伏的偏壓數(shù)值已遠(yuǎn)大于si和in0.53ga0.47aspd的正向開啟電壓。此實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了本發(fā)明的現(xiàn)實(shí)性和實(shí)施要點(diǎn)。

基于以上思路，本發(fā)明以工作在可見光(包括<0.85μm的近紅外)和短波紅外(0.85μm<波長(zhǎng)<1.7μm)兩個(gè)波段的器件為例，介紹在iii-v族in0.52al0.48as-in0.53ga0.47as-inp材料體系上實(shí)施雙波段偏置控制的二電極pd及fpa，從而進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，該實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明的一種特定應(yīng)用實(shí)例，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(duì)本發(fā)明作各種修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

圖2給出了本發(fā)明的示意圖，其左側(cè)為采用正面進(jìn)光形式，主要適合于單元及線列器件；右側(cè)為采用背面進(jìn)光形式，更適合與讀出電路直接互聯(lián)的面陣器件。具體均包括八個(gè)部分，分別為：半絕緣inp襯底1、n型高摻雜inp下接觸層2、下接觸電極3、n型低摻雜in0.53ga0.47as長(zhǎng)波吸收層4、p型高摻雜in0.52al0.48as層5、n型低摻雜in0.52al0.48as短波吸收層6、n型高摻雜in0.53ga0.47as上接觸層7、上接觸電極8。

實(shí)施例1：正面進(jìn)光器件

如圖2左側(cè)所示，對(duì)于正面進(jìn)光器件，首先采用分子束外延(mbe)或金屬有機(jī)物氣相沉積(mocvd)等方法在半絕緣inp襯底上依次外延生長(zhǎng)與其晶格匹配的n型高摻雜inp下接觸層、n型低摻雜in0.53ga0.47as長(zhǎng)波吸收層、p型高摻雜in0.52al0.48as層、n型低摻雜in0.52al0.48as短波吸收層和n型高摻雜in0.53ga0.47as上接觸層，然后采用微電子工藝刻蝕出臺(tái)面，進(jìn)行鈍化后同時(shí)在n型高摻雜inp下接觸層和n型高摻雜in0.53ga0.47as上接觸層上制作下接觸電極和上接觸電極，完成后進(jìn)行劃片等獲得探測(cè)器或焦平面芯片，后續(xù)仍用與單波段器件相同的方法進(jìn)行加工封裝等。

實(shí)施例2：背面進(jìn)光器件

如圖2右側(cè)所示，對(duì)于背面進(jìn)光器件，首先采用分子束外延(mbe)或金屬有機(jī)物氣相沉積(mocvd)等方法在半絕緣inp襯底上依次外延生長(zhǎng)與其晶格匹配的n型高摻雜inp下接觸層、n型低摻雜in0.52al0.48as短波吸收層、p型高摻雜in0.52al0.48as層、n型低摻雜in0.53ga0.47as長(zhǎng)波吸收層和n型高摻雜in0.53ga0.47as上接觸層，然后采用微電子工藝刻蝕出臺(tái)面，進(jìn)行鈍化后同時(shí)在n型高摻雜inp下接觸層和n型高摻雜in0.53ga0.47as上接觸層上制作下接觸電極和上接觸電極，完成后進(jìn)行劃片等獲得焦平面芯片，后續(xù)仍用與單波段器件相同的方法制作in柱等與讀出電路進(jìn)行互聯(lián)，在進(jìn)行其他加工封裝等。