本發(fā)明涉及紅外光電材料與器件，尤其涉及一種基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、紅外探測屬于無源探測技術(shù)，在多種領(lǐng)域均有著極其重要的應(yīng)用。對于單波段紅外探測器，圖像的襯度取決于目標(biāo)和背景的輻射強(qiáng)度差異。然而，不同輻射源的紅外輻射強(qiáng)度峰值處于不同的波段范圍，使用短波雙波段紅外探測器能夠同時采集目標(biāo)在不同波段下的光譜，增強(qiáng)目標(biāo)與常溫背景間的對比襯度，提高成像的清晰度。

2、短波雙波段紅外探測器的結(jié)構(gòu)主要包括襯底和沉積于襯底上的外延結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的短波雙波段紅外探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，襯底只作為外延材料的基礎(chǔ)，減少外延生長材料帶來的缺陷，襯底的存在會減少光響應(yīng)，導(dǎo)致紅外探測器光響應(yīng)波段單一，因此，需要在襯底上設(shè)置摻雜緩沖層提高勢壘高度差來降低通道間串?dāng)_，降低暗電流來提升探測性能，而且在紅外探測器結(jié)構(gòu)制備完成后通常需要盡量去掉襯底，以減少襯底對光吸收效率的影響，這勢必會造成襯底層的浪費(fèi)和制作成本的增高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器及其制備方法，用以解決傳統(tǒng)短波雙波段紅外探測器存在的光響應(yīng)波段單一、襯底影響減少光響應(yīng)、制作成本高的缺陷。

2、本發(fā)明提供一種基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器，包括n型摻雜磷化銦襯底和沉積于所述n型摻雜磷化銦襯底上的外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)刻蝕成圓柱形，且與所述n型摻雜磷化銦襯底組成臺階結(jié)構(gòu)，所述臺階結(jié)構(gòu)對應(yīng)于所述n型摻雜磷化銦襯底上的部位設(shè)置有環(huán)形的金屬下電極，所述臺階結(jié)構(gòu)對應(yīng)于所述外延結(jié)構(gòu)頂部的位置設(shè)置有環(huán)形的金屬上電極，所述金屬上電極中心形成通光孔，所述臺階結(jié)構(gòu)除了所述金屬下電極、所述金屬上電極和所述通光孔對應(yīng)的區(qū)域外，其余區(qū)域均依次設(shè)置有硫化層和鈍化層。

3、所述外延結(jié)構(gòu)包括磷化銦吸收層、第一p型接觸層、第二p型接觸層、短波紅外超晶格吸收層和n型接觸層，所述磷化銦吸收層生長于所述磷化銦襯底上；所述第一p型接觸層生長于所述磷化銦吸收層上，所述第一p型接觸層摻雜磷化銦；所述第二p型接觸層生長于所述第一p型接觸層上，所述第二p型接觸層摻雜鋁鎵砷銻合金；所述短波紅外超晶格吸收層生長于所述第二p型接觸層上；所述n型接觸層生長于所述短波紅外超晶格吸收層上，所述n型接觸層摻雜姻砷化鎵。

4、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器，所述n型摻雜磷化銦襯底使用（100）晶向硫摻雜的n型磷化銦襯底。

5、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器，所述金屬下電極和所述金屬上電極均包括由下而上的鈦層、鉑層和金層，鈦層厚度為20nm~80nm，鉑層厚度為20nm~80nm，金層厚度為250nm~400nm；所述金屬下電極的鈦層與所述n型摻雜磷化銦襯底接觸，所述金屬上電極的鈦層與所述n型接觸層接觸。

6、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器，所述磷化銦吸收層厚度為500nm~2500nm，帶隙寬度為1.34~1.35ev。

7、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器，所述短波紅外超晶格吸收層為姻砷化鎵超晶格和/或銻砷化鎵超晶格，所述短波紅外超晶格吸收層厚度為500nm~2500nm，帶隙寬度為1.34~1.35ev。

8、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器，所述短波紅外超晶格吸收層包括多個姻砷化鎵超晶格層和多個銻砷化鎵超晶格層，多個所述姻砷化鎵超晶格層和多個所述銻砷化鎵超晶格層交叉堆疊生長以形成所述短波紅外超晶格吸收層。

9、本發(fā)明還提供一種基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器的制備方法，適用于制備上述任意一項(xiàng)所述的基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器，包括：

10、以n型摻雜磷化銦襯底作為紅外探測器的結(jié)構(gòu)襯底，并對所述n型摻雜磷化銦襯底進(jìn)行除氣與脫氧預(yù)處理；

11、基于進(jìn)行預(yù)處理后的所述n型摻雜磷化銦襯底，在所述n型摻雜磷化銦襯底上同質(zhì)外延生長磷化銦吸收層；

12、在所述磷化銦吸收層上生長出第一p型接觸層；

13、在所述第一p型接觸層上生長出第二p型接觸層；

14、在所述第二p型接觸層生長出短波紅外超晶格吸收層；

15、在所述短波紅外超晶格吸收層上生長出n型接觸層；

16、基于所述磷化銦吸收層、所述第一p型接觸層、所述第二p型接觸層、所述短波紅外超晶格吸收層和所述n型接觸層組成沉積于所述n型摻雜磷化銦襯底上的外延結(jié)構(gòu)，對所述外延結(jié)構(gòu)側(cè)面經(jīng)電感耦合等離子體icp刻蝕，以使所述外延結(jié)構(gòu)呈圓柱形；

17、對所述n型摻雜磷化銦襯底和所述外延結(jié)構(gòu)覆蓋硫化層和鈍化層；

18、在所述鈍化層對應(yīng)于所述n型摻雜磷化銦襯底上的部位使用光刻制備掩膜，通過反應(yīng)離子刻蝕形成第一環(huán)形開孔，在所述鈍化層對應(yīng)于所述n型接觸層上的部位使用光刻制備掩膜，通過反應(yīng)離子刻蝕形成第二環(huán)形開孔；

19、在所述第一環(huán)形開孔進(jìn)行蒸發(fā)電極處理，形成環(huán)形的金屬下電極；在所述第二環(huán)形開孔進(jìn)行蒸發(fā)電極處理，形成環(huán)形的金屬上電極和通光孔。

20、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器的制備方法，所述對所述n型摻雜磷化銦襯底進(jìn)行除氣與脫氧的預(yù)處理包括：

21、將所述n型摻雜磷化銦襯底置于分子束外延系統(tǒng)進(jìn)樣室中，維持溫度為200℃，進(jìn)行150min的低溫除氣；

22、將完成低溫除氣的所述n型摻雜磷化銦襯底轉(zhuǎn)入分子束外延系統(tǒng)緩沖室中，維持溫度為360℃，進(jìn)行60min~100min的高溫除氣；

23、將完成高溫除氣的所述n型摻雜磷化銦襯底轉(zhuǎn)入分子束外延系統(tǒng)的生長室中，逐步對所述n型摻雜磷化銦襯底升溫至500℃~700℃，進(jìn)行15min~30min脫氧處理，去除所述n型摻雜磷化銦襯底表面氧化物。

24、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器的制備方法，所述磷化銦吸收層生長速率為0.5ml/s，生長成的所述磷化銦吸收層厚度為500nm~2500nm；

25、所述第一p型接觸層生長速率為0.5ml/s，生長成的所述第一p型接觸層厚度為200nm~400nm；

26、所述第二p型接觸層生長速率為0.5ml/s，生長成的所述第二p型接觸層厚度為400nm~600nm；

27、所述短波紅外超晶格吸收層生長速率為0.5ml/s，生長成的所述短波紅外超晶格吸收層厚度為500nm~2500nm；

28、所述n型接觸層生長速率為0.5ml/s，生長成的所述n型接觸層厚度為7000nm~150nm。

29、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器的制備方法，所述在所述第二p型接觸層上接著生長出短波紅外超晶格吸收層包括：

30、在所述第二p型接觸層上生長一層姻砷化鎵超晶格層，在生長成的姻砷化鎵超晶格層上生長一層銻砷化鎵超晶格層；

31、以生長成的所述姻砷化鎵超晶格層和所述銻砷化鎵超晶格層為一個周期單元，繼續(xù)向上重復(fù)生長多個周期單元，直至所有周期單元的總厚度達(dá)到500nm~2500nm，形成所述短波紅外超晶格吸收層。

32、本發(fā)明提供的基于磷化銦襯底的短波雙波段紅外探測器及其制備方法，以n型摻雜磷化銦襯底1作為器件的基礎(chǔ)，可以使用（100）晶向硫（s）摻雜的n型inp襯底，磷化銦吸收層直接生長在n型摻雜磷化銦襯底上，第一p型接觸層生長于磷化銦吸收層之上，并摻雜磷化銦；第二p型接觸層生長于第一p型接觸層之上，并摻雜鋁鎵砷銻合金（algaassb）；短波紅外超晶格吸收層生長于第二p型接觸層之上，由多個周期的ingaas和/或gaassb交替堆疊而成；n型接觸層生長于短波紅外超晶格吸收層之上，并摻雜ingaas。金屬下電極和金屬上電極均呈環(huán)形，金屬下電極位于臺階結(jié)構(gòu)對應(yīng)于n型摻雜磷化銦襯底上的部位，與襯底接觸。金屬上電極位于臺階結(jié)構(gòu)對應(yīng)于外延結(jié)構(gòu)頂部的位置，與n型接觸層接觸，其中心有通光孔，用于允許光線進(jìn)入探測器內(nèi)部。在金屬下電極、金屬上電極和通光孔以外的區(qū)域覆蓋硫化層和鈍化層，以保護(hù)外延結(jié)構(gòu)并減少不必要的表面態(tài)。本發(fā)明通過利用n型摻雜磷化銦襯底自身的帶隙特性來參與光譜吸收，轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行探測，同時采用背靠背二極管結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)節(jié)偏壓實(shí)現(xiàn)對短波雙波段紅外的不同響應(yīng)，由于n型摻雜磷化銦襯底參與了光吸收，因此不需要像傳統(tǒng)方法那樣去掉襯底，從而降低了制作成本并簡化了工藝流程。