本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子材料及器件領(lǐng)域，特別涉及一種Si(001)襯底上高In組分InGaAs探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

與InP襯底晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As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1.7微米，恰好可以覆蓋光纖通信波段，因此采用In_0.53Ga_0.47As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。在遙感領(lǐng)域，截止波長大于1.7微米的探測器有著更廣泛的用途，能反應(yīng)更多的信息。比如，2.1微米附近的探測在冰云檢測和礦產(chǎn)資源探測方面均有重要價值，所以在氣象、環(huán)境、資源等航天遙感領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。通過增加In_xGa_1-xAs三元系材料中III族元素In元素的組分x可以減小InGaAs材料的禁帶寬度，從而增加InGaAs探測器的截止波長。比如，x＝0.7時，InGaAs探測器的截止波長就能達到約2.2微米。但是，In組分的增加會造成InGaAs材料與InP襯底不再晶格匹配，從而在材料中引入位錯，造成材料和器件性能變差。通過在InP襯底和InGaAs吸收層之間插入緩沖層，可以將位錯主要限制在緩沖層中，減少InGaAs吸收層中的位錯，提高In組分InGaAs探測器的性能，已經(jīng)獲得了一些進展。

短波紅外InGaAs探測器航天遙感InGaAs探測器的發(fā)展趨勢之一是制備更大規(guī)模、更多像素的焦平面陣列。與InP襯底相比，Si襯底具有更大的尺寸和更優(yōu)的質(zhì)量，采用Si襯底研制InGaAs探測器可以制備更大規(guī)模焦平面，同時更易與讀出電路耦合。然而，采用Si替代襯底時，InGaAs與襯底間的晶格失配度遠大于InP襯底，Si上III-V外延還具有大熱失配和反相疇問題，所以在Si襯底上開展高In組分InGaAs探測器外延具有很大的挑戰(zhàn)。

Si襯底上III-V族器件的辦法主要有兩大類。第一類是鍵合，將Si襯底與III-V族外延材料通過鍵合的方式組合在一起，然后再進行后續(xù)器件工藝。但是高質(zhì)量大尺寸襯底的鍵合仍具有很高難度，鍵合的界面對器件特性也有很大影響。第二類方式是在Si襯底上外延生長III-V族材料，Si襯底上外延生長GaAs、Si襯底上先外延Ge再生長GaAs、Si襯底上外延GaSb均取得了一些進展，但是這些方式采用的Si襯底多采用斜切或具有一定偏角的襯底，給器件制備增加了很大難度，同時材料質(zhì)量也分別存在著一些退化。所以，迫切需要發(fā)展Si(001)襯底上制備高In組分InGaAs探測器的方法，以發(fā)展大規(guī)模多像素焦平面陣列。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種Si(001)襯底上高In組分InGaAs探測器及其制備方法，該探測器適合于發(fā)展大規(guī)模紅外焦平面陣列和低成本器件。

本發(fā)明的一種Si(001)襯底上高In組分InGaAs探測器，所述探測器結(jié)構(gòu)由下往上依次為Si(001)襯底、GaP緩沖層、III族穩(wěn)態(tài)條件下生長的In_yAl_1-yAs緩沖層、As穩(wěn)態(tài)條件下生長的In_yAl_1-yAs緩沖層、In_xGa_1-xAs吸收層和In_yAl_1-yAs帽層；其中，0.52<y<1，0.53<x<1。

所述III族穩(wěn)態(tài)條件下生長的In_yAl_1-yAs緩沖層的厚度為30nm～100nm。

所述As穩(wěn)態(tài)條件下生長的In_yAl_1-yAs緩沖層的厚度為500nm～2μm。

所述As穩(wěn)態(tài)條件下生長的In_yAl_1-yAs緩沖層同時作為下接觸層，In_yAl_1-yAs帽層同時作為上接觸層。

兩種In_yAl_1-yAs緩沖層和In_yAl_1-yAs帽層與In_xGa_1-xAs吸收層晶格常數(shù)相同。

本發(fā)明的一種Si(001)襯底上高In組分InGaAs探測器的制備方法，包括：

(1)在Si(001)襯底上生長GaP緩沖層；

(2)在III族穩(wěn)態(tài)條件下繼續(xù)生長高In組分的In_yAl_1-yAs緩沖層；

(3)在As穩(wěn)態(tài)條件下繼續(xù)生長高In組分的In_yAl_1-yAs緩沖層，同時作為下接觸層；

(4)繼續(xù)生長高In組分In_xGa_1-xAs吸收層；

(5)繼續(xù)生長高In組分的In_yAl_1-yAs帽層，同時作為上接觸層；

(6)利用常規(guī)半導(dǎo)體工藝對生長的外延片進行光刻臺面、鈍化、沉積接觸電極，制備得到探測器。

有益效果

本發(fā)明在Si(001)正晶向襯底上制備高In組分InGaAs探測器，無需鍵合，直接外延探測器全結(jié)構(gòu)，簡便易行、控制精確，有助于發(fā)展大規(guī)模、高像素短波紅外InGaAs探測器焦平面陣列，并可以實現(xiàn)低成本；制備方法還可用于Si(001)襯底上制備其他III-V族材料與器件，具有很好的通行性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的Si(001)襯底上高In組分InGaAs探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是實施例1的Si(001)襯底上In_0.7Ga_0.3As探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是實施例2的Si(001)襯底上In_0.83Ga_0.17As探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

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

本實施例以Si(001)襯底上制備In_0.7Ga_0.3As探測器為例，舉例說明本發(fā)明的方法，如圖2所示，該制備方法步驟如下：

(1)在Si(001)襯底上生長1μm厚GaP緩沖層，材料基本晶格匹配；

(2)在III族穩(wěn)態(tài)條件下生長50nm厚In_0.69Al_0.31As緩沖層，V/III比＝2；

(3)在As穩(wěn)態(tài)條件下生長1μm厚In_0.69Al_0.31As緩沖層(同時作為下接觸層)，V/III比＝30，采用Si摻雜，電子濃度為3×10¹⁸cm^-3；

(4)生長2μm厚不摻雜的In_0.7Ga_0.3As吸收層；

(5)生長500nm厚In_0.69Al_0.31As帽層(同時作為上接觸層)，采用Be摻雜，空穴濃度為5×10¹⁸cm^-3；

(6)利用常規(guī)半導(dǎo)體工藝對生長的外延片進行光刻臺面、鈍化、沉積接觸電極等，制備出探測器件。經(jīng)檢測，截止波長約2.2微米。

實施例2

本實施例以Si(001)襯底上制備In_0.83Ga_0.17As探測器為例，舉例說明本發(fā)明的方法，如圖3所示，該制備方法步驟如下：

(1)在Si(001)襯底上生長1.5μm厚GaP緩沖層；

(2)在III族穩(wěn)態(tài)條件下生長80nm厚In_0.82Al_0.18As緩沖層，V/III比＝1.5；

(3)在As穩(wěn)態(tài)條件下生長800nm厚In_0.82Al_0.18As緩沖層(同時作為下接觸層)，V/III比＝50，采用Si摻雜，電子濃度為3×10¹⁸cm^-3；

(4)生長1.5μm厚不摻雜的In_0.83Ga_0.17As吸收層；

(5)生長500nm厚In_0.82Al_0.18As帽層(同時作為上接觸層)，采用Be摻雜，空穴濃度為5×10¹⁸cm^-3；

(6)利用常規(guī)半導(dǎo)體工藝對生長的外延片進行光刻臺面、鈍化、沉積接觸電極等，制備出探測器件。經(jīng)檢測，截止波長約2.6微米。