具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器及其制备方法技术

一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：在衬底上分子束外延生长形成一吸收增强层；在吸收增强层的上表面分子束外延生长形成一吸收层，吸收层为N结构II类超晶格结构；完成具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备。本发明专利技术通过采用N结构II类超晶格材料作为吸收层，同时引入吸收增强层，使得器件在目标波长处可获得高达80％的高量子效率，并且在目标波长附近体现了良好的窄带宽特性。

II type superlattice photoelectric detector with absorption enhancement structure and preparation method thereof

A kind of absorption enhancement type II superlattice structure of photoelectric detector and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: forming a molecular absorption enhancement layer beam epitaxial growth on a substrate; in the absorption on the surface of molecular beam epitaxial layer growth and the formation of a absorbing layer, absorbing layer structure for N type - II lattice structure; complete with absorption structure of type II superlattice photodetector preparation. The invention adopts the structure of N type II superlattice material as the absorbing layer, while the introduction of absorption layer, the device can obtain high quantum efficiency as high as 80% in the target wavelength, and shows good performance in narrow bandwidth wavelength near the target.

【技术实现步骤摘要】
具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器及其制备方法
本专利技术涉及一种半导体光电器件，尤其涉及一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器及其制备方法。
技术介绍
随着科学技术的进步，各个领域对光电探测器的需求越来越大，如战略预警、夜视等恶劣环境下的目标识别、制导、辅助医疗、气象监测、环境监测和地球资源探测等。目前应用最广泛的HgCdTe等探测器仍有着成本高、均匀性差等缺点，使得新一代光电探测器的研发迫在眉睫。II类超晶格探测器由于其材料的特性，光吸收系数可与HgCdTe相比拟；其0.61nm的材料体系可带来充足的设计自由度，带隙可以通过调节每个周期的InAs或GaSb厚度使得探测波长从1μm到30μm；且II类超晶格结构具有较大的有效质量，能有效抑制隧穿电流，其带隙结构可有效抑制俄歇复合；同时II类超晶格探测器在GaSb或GaAs衬底上进行外延生长，是基于III-V族半导体材料生长技术的，因此成本低；可利用MBE进行材料生长，方便所设计的结构实现，掺杂容易控制，没有合金涨落、簇状缺陷等缺陷，且焦平面探测器均匀性好。综上，II类超晶格探测器已成为第三代探测器中的重要候选。为了获得更好的探测效果和更高的探测率，红外探测器最重要的性能指标之一是器件的量子效率，其与器件的探测率成正比。因此要获得更高的探测率就需要提高器件的量子效率。对于II类超晶格探测器，为了获得更高的量子效率，研究者们做了很多努力，包括增加器件厚度、优化器件掺杂浓度、在吸收层引入能增加材料电子空穴波函数交叠的势垒结构等。另外，通过将一些增强吸收的结构纳入到探测器结构中也可进一步增强器件的量子效率。但目前现有的II类超晶格器件难以达到较高的量子效率，较窄的带宽，使得探测精度较低。
技术实现思路
基于以上问题，本专利技术的目的在于提出一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器及其制备方法，用于解决以上技术问题中的至少之一。为了实现上述目的，作为本专利技术的一方面，本专利技术提出了一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在衬底上形成一吸收增强层，吸收增强层为能够促进吸收增强的周期排列结构；步骤2、在吸收增强层的上表面形成一吸收层，吸收层为II类超晶格结构；步骤3、完成具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备。进一步地，上述吸收层包括一p型II类超晶格层和一n型II类超晶格层，依次采用分子束外延生长形成；p型II类超晶格层的厚度为0.1～3μm、掺杂浓度范围为1×1015cm-3～1×1016cm-3；n型II类超晶格层的厚度为0.1～3μm、掺杂浓度范围为5×1017cm-3～5×1018cm-3。进一步地，上述吸收层的II类超晶格结构为InAs/GaSbII类超晶格、M结构II类超晶格、N结构II类超晶格或W结构II类超晶格；优选地，上述吸收层为N结构InAs/AlSb/GaSbII类超晶格材料，其中每一个周期是由8ML的InAs、2ML的AlSb和9ML的GaSb组成。进一步地，上述吸收增强层为由AlAsSb/GaSb或InAlAsSb/GaSb交替生长形成的周期排列结构。进一步地，上述吸收增强层为采用分子束外延方法交替生长形成的厚度为39～772nm的AlAs0.09Sb0.91层和厚度为34～670nm的GaSb层；所述吸收增强层中材料的周期数为4～30。进一步地，在形成一吸收增强层的步骤之前还包括在衬底上形成一缓冲层的步骤，缓冲层位于衬底和吸收增强层之间，用于缓解衬底和吸收增强层之间的应力。进一步地，上述光电探测器的峰值量子效率所对应的波长与吸收增强层的材料组成、单个周期材料的厚度的关系为：其中，d为单个周期材料的厚度，n为材料的折射率，λ为峰值量子效率对应的波长，峰值量子效率所对应的波长与待探测气体相匹配。进一步地，上述光电探测器的峰值量子效率随吸收层和吸收增强层的厚度的增加呈上升趋势。为了实现上述目的，作为本专利技术的另一方面，本专利技术提出一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器，采用上述的具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备方法制备得到。基于上述技术方案可知，本专利技术提出的具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器及其制备方法具有以下有益效果：1、本专利技术提出的光电探测器采用II类超晶格材料作为吸收层材料，能够显著增加电子空穴波函数交叠，有效降低器件的暗电流，并能够提高材料的有效质量，从而提高了光电探测器的量子效率；2、本专利技术提出的光电探测器具有一吸收增强层，从而使得入射光能够在吸收区实现多重反射，从而增强器件吸收层对入射光的吸收，进而提高器件的量子效率，提高了器件的性能；3、本专利技术提出的光电探测器的制备方法，可以通过改变吸收层和吸收增强层中的材料种类和单周期材料的厚度，使得探测器的波长可在较大范围内变化，进而可实现不同气体的检测。附图说明图1是本专利技术一实施例提出的光电探测器的结构示意图；图2是本专利技术一实施例提出的光电探测器在77K时，采用不同对数AlAs0.09Sb0.91/GaSb增强吸收层时反射率与波长关系；图3是本专利技术一实施例提出的在77K时，本专利技术光电探测器的峰值量子效率与吸收层和吸收增强层总厚度的关系曲线，及无增强吸收层的光电探测器的峰值量子效率与吸收层厚度的关系曲线对比图；图4是本专利技术一实施例提出的在77K时，本专利技术光电探测器的量子效率与波长的关系曲线，及无增强吸收层的光电探测器的量子效率与波长关系曲线的对比图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术一方面公开了一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在衬底上形成一吸收增强层，吸收增强层为能够促进吸收增强的周期排列结构；步骤2、在吸收增强层的上表面形成一吸收层，吸收层为II类超晶格结构；步骤3、完成具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备。上述吸收层包括一p型II类超晶格层和一n型II类超晶格层，依次采用分子束外延生长形成；该p型II类超晶格层和n型II类超晶格层可以采用InAs/GaSbII类超晶格材料、M结构II类超晶格材料、N结构II类超晶格材料或W结构II类超晶格材料制备；通过采用II类超晶格材料作为吸收层材料，能够显著增加电子空穴波函数交叠，有效降低器件的暗电流，并能够提高材料的有效质量，从而提高了光电探测器的量子效率。优选地，p型II类超晶格层的厚度为0.1～3μm、掺杂浓度范围为1×1015cm-3～1×1016cm-3；n型II类超晶格层的厚度为0.1～3μm、掺杂浓度范围为5×1017cm-3～5×1018cm-3。上述吸收增强层为由AlAsSb/GaSb或InAlAsSb/GaSb交替生长形成的周期排列结构，从而使得入射光能够在吸收区实现多重反射，从而增强器件吸收层对入射光的吸收，进而提高器件的量子效率，提高了器件的性能。优选地，上述吸收增强层为采用分子束外延方法交替生长形成的厚度为39～772nm的AlAs0.09Sb0.91层和厚度为34～670nm的GaSb层；所述吸收增强层中材料的周期数为4～30。在形成吸收增强层前还包括在衬底上形成一缓冲层，该缓冲层位于衬底和吸收增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在衬底上形成一吸收增强层，所述吸收增强层为能够促进吸收增强的周期排列结构；步骤2、在所述吸收增强层的上表面形成一吸收层，所述吸收层为II类超晶格结构；步骤3、完成所述具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备。

【技术特征摘要】
1.一种具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在衬底上形成一吸收增强层，所述吸收增强层为能够促进吸收增强的周期排列结构；步骤2、在所述吸收增强层的上表面形成一吸收层，所述吸收层为II类超晶格结构；步骤3、完成所述具有吸收增强结构的II类超晶格光电探测器的制备。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述吸收层包括一p型II类超晶格层和一n型II类超晶格层，依次采用分子束外延生长形成；所述p型II类超晶格层的厚度为0.1～3.1μm、掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1016cm-3.所述n型II类超晶格层的厚度为0.1～3μn、掺杂浓度为5×1017cm-3～5×1018cm-3。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述吸收层的II类超晶格结构为InAs/GaSbII类超晶格、M结构II类超晶格、N结构II类超晶格或W结构II类超晶格。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述吸收层为N结构InAs/AlSb/GaSbII类超晶格材料，其中每一个周期是由8ML的InAs、2ML的AlSb和9ML的GaSb组成。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋国峰，吴浩越，李健，江宇，于海龙，付东，徐云，朱海军，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11