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CN107248517A - 偏置控制双波段InAlAs‑InGaAs二极探测器及焦平面阵列 - Google Patents

偏置控制双波段InAlAs‑InGaAs二极探测器及焦平面阵列 Download PDF

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CN107248517A
CN107248517A CN201710387961.6A CN201710387961A CN107248517A CN 107248517 A CN107248517 A CN 107248517A CN 201710387961 A CN201710387961 A CN 201710387961A CN 107248517 A CN107248517 A CN 107248517A
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张永刚
方家熊
邵秀梅
黄松垒
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Abstract

本发明公开了一种偏置控制双波段InAlAs‑InGaAs二极探测器及焦平面阵列，属于半导体光电信息材料与器件领域。在同一InP衬底上用晶格匹配的宽禁带In0.52Al0.48As和窄禁带In0.53Ga0.47As三元系材料分别作为短波和长波光吸收材料，叠层构筑二电极的光电探测器或焦平面阵列器件，对此单片型二极器件采用正偏压或负偏压电控方式使其产生相应的短波或长波响应。由于此双波段光电探测器采用单片叠层结构且只有两个电极，因此与单波段器件相比不增加工艺难度，且构成焦平面阵列器件后仍可沿用单波段器件的封装和读出电路形式，只需通过切换偏置电压来选择相应工作波段，在应用上具有优势，并可推广到其他材料体系和工作波段。

Description

偏置控制双波段InAlAs-InGaAs二极探测器及焦平面阵列
技术领域
本发明属于半导体光电器件及光谱遥感技术领域，具体涉及一种偏置控制双波段InAlAs-InGaAs二极探测器及焦平面阵列。
背景技术
半导体光电探测器(PD)及其焦平面阵列(FPA)器件在诸多领域都有重要应用。常规PD或FPA只针对一个连续的响应波长范围，但一些特殊应用往往需要选择探测不同的分立波长范围，常规的解决方案是采用多个PD或FPA来分别响应不同的波段，但由此带来光学系统复杂化等一系列问题，在一些场合甚至难以实现所需功能。
为解决此方面问题人们也已发展了被称为双波段(也可为多波段，以下均以双波段为例)的PD，具体形式包括：1)用机械方式将不同响应波段的探测器进行叠加组合，例如在同一管壳中同时叠加装入短波和长波两个探测器，短波探测器光敏面为通过式(背面无电极等遮挡)且面积较大，并将其置于长波探测器之上，这样入射光首先照射到短波探测器上进行短波探测，而可透过短波探测器的长波光继续作用于长波探测器进行长波探测，这两个探测器的电极则分别独立引出，这样至少需要3个电极(可有一个公共电极)。这种形式的优点是两个探测器完全独立，可以同时输出，缺点是封装加工复杂，尺寸也大，难以用于FPA。2)用外延方式直接在同一衬底上纵向生长两个波段探测器的独立结构，后续仍采用微电子学方法制作器件。此种双波段探测器工作时也是让入射光先通过其上部结构产生短波响应，剩余光继续通过下部结构产生长波响应。这种类型器件也可采用键合等方式制作。此种形式的优点是特点是两个探测器仍可完全独立并同时输出，缺点是对两个探测器仍需独立引出电极(可有一个公共电极)，这样至少仍需3个电极，而微电子加工中引出中间电极会很困难。此种形式虽然原则上已可用于FPA，但读出电路对每个单元的两个探测波段电极的读出在设计和加工上都很难安排，限制了其发展。3)如将短波和长波结构用纵向集成的方式通过隧道结等串接做成多结光电池形式的二级管器件，由于在单一短波或长波光作用下这些结无法同时产生光伏效果而互相牵制，也即无响应的那个结构限制了有响应结构的输出，因此并不能作为双波段器件使用。对这样的器件虽然可以通过施加光偏置来消除其牵制作用，从而实现双波段探测功能，但光偏置系统的引入也会使系统复杂度显著增加。
此外，有别于前述三种形式，对于双波段和多波段探测器和焦平面探测器还可以有通过光学系统分光、采用纵向布拉格光栅或横向平面光栅分光或形成共振结构等构成不同探测波段等诸多方法。以上对双波段器件的讨论也可以扩展到多波段器件，在此不赘述。对于常规光电探测器而言，由原理决定，在短波侧其响应是不截止的而只是不断下降，因此也有各种增强短波响应的探测器出现，但这种器件的响应波段仍是连续单一的，用作所谓双波段探测仍需要采用光学分光或滤光系统，不在本发明的讨论之列。
发明内容
本发明的目的是提供一种制作通过单片纵向集成的方法制作偏置控制的双波段InAlAs-InGaAs二电极探测器以及进行焦平面阵列集成的方案。
本发明的方案类似前述形式2，仍用外延方式直接在同一衬底上纵向生长两个波段探测器结构，具体结构中只涉及宽禁带和窄禁带两种材料(衬底材料除外)，区别在于这两个波段的探测结构并非完全独立而是互相关联；在芯片制作方面，后续工艺中仍采用微电子学方法制作器件，区别在于对此双波段的探测器无需制作三个及以上电极，而仍像单波段探测器一样只需有二个电极即可，是一种“二极管”器件，且无需像形式3那样施加光偏置而用电控即可形成双波段探测功能；此种双波段探测器工作时也是让入射光先通过上部结构产生短波响应，剩余光继续通过下部结构产生长波响应，通过材料体系的选择优化使得两个探测波段既可分离又有很好衔接。这种单片纵向集成的双波段二极探测器中，两个波段的探测结构仍可独立进行优化，并针对具体应用采用选择或时分复用的方法输出两个波段的信号。由于此器件不需要中间电极，因此微电子加工方面仍与常规单波段器件一样，并不增加工艺难度。此种双波段探测器形式十分适合于FPA集成，因其除总的公共电极外每个探测单元仍只用一个读出电极，形式上仍可与传统读出电路很好配合，在与读出电路互联及后续封装方面也不增加难度。
本发明的要点为：对于正面进光器件(包括单元器件、线列器件等，可参见附图左侧)，首先采用分子束外延(MBE)或金属有机物气相沉积(MOCVD)等方法在半绝缘衬底1上依次外延生长与其晶格匹配的：n型高掺杂下接触层2、n型低掺杂窄禁带长波吸收层4、p型高掺杂宽禁带层5、n型低掺杂宽禁带短波吸收层6和n型高掺杂窄禁带上接触层7，然后采用微电子工艺刻蚀出台面，并同时在n型高掺杂下接触层2和n型高掺杂上接触层7上制作下接触电极3和上接触电极8，后续仍用与单波段器件相同的方法进行加工封装等。
与此类似，对于背面进光器件(入射光由衬底一侧进入，包括单元器件、线列器件和面阵器件等，可参见附图右侧)，首先采用分子束外延(MBE)或金属有机物气相沉积(MOCVD)等方法在半绝缘InP衬底1上依次外延生长与其晶格匹配的：n型高掺杂下接触层2、n型低掺杂宽禁带短波吸收层6、p型高掺杂宽禁带层5、n型低掺杂窄禁带长波吸收层4、和n型高掺杂窄禁带上接触层7，然后采用微电子工艺刻蚀出台面，并同时在n型高掺杂下接触层2和n型高掺杂上接触层7上制作下接触电极3和上接触电极8，后续仍用与单波段器件相同的方法进行加工封装等。即与正面进光器件相比4、5、6三层的次序更换为6、5、4。
此器件的响应波段可由两个电极施加的正向或反向偏压方便地进行控制。以正面进光器件为例：当以下电极作为PD的参考电极或FPA的公共电极时，当对上电极施加正偏压时，其由p型高掺杂宽禁带层5和n型低掺杂窄禁带长波吸收层4构成的异质pn结长波探测结构处于正偏状态，可以提供足够大的注入电流，而由n型低掺杂宽禁带短波吸收层6和p型高掺杂宽禁带层5构成的同质np结短波探测结构则处于反偏状态，这样对整个二级器件而言对向串接的np-pn结构的电流将取决于处于反偏的结构即短波探测结构，工作于短波探测波段，在短波光照下产生的光电流即为器件的响应，而对长波光照并无响应；反之，当对上电极施加负偏压时在长波波光照下产生的光电流即为器件的响应，而对短波光照并无响应。偏置电压的选取可按以下原则：正偏压只需大于长波pn结的正向开启电压并有一定余量即可，负偏压只需大于短波pn结的正向开启电压并有一定余量即可，为方便也可选取同样的正负偏压数值。采用较小的正负偏压数值有益于减小器件工作时的暗电流及噪声。对于背面进光器件情况类似，可以以此类推，偏压方向相反即可。此器件虽为npn结构，但其p区较厚且为高掺杂宽禁带材料，因此在正向或方向偏压下均不会产生三极管或光晶体管效应，对两个探测波段仍为常规光电二极管。
本发明的有益效果
1、本发明的PD或FPA为采用外延方法制作的单片型器件，其纵向结构由一次外延即可完成，制作方便；
2、本发明的器件为二电极器件，对PD或FPA的一个单元只需两个接触电极，结构简单，容易与后续放大器或读出电路连接；
3、本发明器件的响应波段由对其两个电极施加的正向或反向偏压方便地进行控制，只需对后续放大电路或读出电路进行合适的安排即可，短波或长波信号可根据具体应用场景进行选择输出或按时序输出；
4、在以InP为衬底及采用III-V族晶格匹配材料体系的前提下，In0.52Al0.48As三元系属禁带最宽的直接带隙材料，In0.53Ga0.47As三元系属不含锑的禁带最窄直接带隙材料。以In0.52Al0.48As为短波吸收层可将此双波段探测器的短波响应波长推至最短，且在宽禁带材料中形成pn结可使短波器件的暗电流更低；以In0.53Ga0.47As为长波吸收层则可将此双波段探测器的长波响应波长推至最长；这样以In0.52Al0.48As为短波吸收层和In0.53Ga0.47As为长波吸收层时，室温下短波段的长波侧截止波长约为0.85μm，覆盖了可见光波段，长波段的长波侧截止波长约为1.7μm，覆盖了短波红外波段的重要范围。因此特别适合可见光波段和短波红外波段的双波段探测。
5、根据前述本发明的结构，工艺制作中上下电极均制作于n型材料上，这样与需在p型和n型材料上制作分别制作电极和分别处理的常规单波段器件相比，在高掺杂n型材料上形成欧姆接触将无任何困难，避免了p型材料上难以形成良好的欧姆接触的困难，且上下电极可同时形成，给工艺加工带来很大方便，有利于获得更佳器件性能；
6、对于采用背面进光的FPA特别是面阵器件，此发明的方案仍可采取衬底去除方法来进一步改善器件的短波段响应，也不增加工艺难度；
7、本发明除可在晶格匹配的In0.52Al0.48As-In0.53Ga0.47As-InP材料体系上实现外，也可在InAlGaAs-In0.53Ga0.47As-InP、InAlGaAs-InGaAsP-InP、InGaAsP-In0.53Ga0.47As-InP等同体系的材料上实现，从而对短波段和长波段的截止波长进行精细裁剪和性能优化，也可拓展到波长扩展的InGaAs体系。本发明的思路也可在其他材料体系上实现。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，附图2幅，具体说明如后，其中：
图1.采用Si和In0.53Ga0.47As PD对向串接后测得的在正向和反向偏压下的光谱响应。
图2.本发明的示意图，左侧为正面进光形式，适合于单元及线列器件；右侧为背面进光形式，适合于读出电路直接互联的面阵器件。具体均包括八个部分，分别为：1-半绝缘InP衬底、2-n型高掺杂InP下接触层、3-下接触电极、4-n型低掺杂In0.53Ga0.47As长波吸收层、5-p型高掺杂In0.52Al0.48As层、6-n型低掺杂In0.52Al0.48As短波吸收层、7-n型高掺杂In0.53Ga0.47As上接触层、8-上接触电极。
具体实施方式
为进一步说明本发明，图1示出了采用Si和In0.53Ga0.47As PD对向串接后测得的在正向和反向偏压下的光谱响应，这两个PD均为pn结型器件，其正极相连，以In0.53Ga0.47As-PD的负极为参考电极(接地)，Si-PD的负极为此组合探测器的输出极用于输出信号及施加偏压。由图1可见，对此组合探测器施加正1.5V偏压时，由于In0.53Ga0.47As–PD处于正偏，此组合探测器表现出Si-PD的响应光谱，In0.53Ga0.47As–PD的响应受到抑制；对此组合探测器施加负1.5V偏压时，由于Si-PD处于正偏，此组合探测器表现出In0.53Ga0.47As–PD的响应光谱，Si–PD的响应受到抑制；1.5伏的偏压数值已远大于Si和In0.53Ga0.47As PD的正向开启电压。此实验充分验证了本发明的现实性和实施要点。
基于以上思路，本发明以工作在可见光(包括<0.85μm的近红外)和短波红外(0.85μm<波长<1.7μm)两个波段的器件为例，介绍在III-V族In0.52Al0.48As-In0.53Ga0.47As-InP材料体系上实施双波段偏置控制的二电极PD及FPA，从而进一步阐述本发明。应理解，该实施例仅用于说明本发明的一种特定应用实例，而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图2给出了本发明的示意图，其左侧为采用正面进光形式，主要适合于单元及线列器件；右侧为采用背面进光形式，更适合与读出电路直接互联的面阵器件。具体均包括八个部分，分别为：半绝缘InP衬底1、n型高掺杂InP下接触层2、下接触电极3、n型低掺杂In0.53Ga0.47As长波吸收层4、p型高掺杂In0.52Al0.48As层5、n型低掺杂In0.52Al0.48As短波吸收层6、n型高掺杂In0.53Ga0.47As上接触层7、上接触电极8。
实施例1：正面进光器件
如图2左侧所示，对于正面进光器件，首先采用分子束外延(MBE)或金属有机物气相沉积(MOCVD)等方法在半绝缘InP衬底上依次外延生长与其晶格匹配的n型高掺杂InP下接触层、n型低掺杂In0.53Ga0.47As长波吸收层、p型高掺杂In0.52Al0.48As层、n型低掺杂In0.52Al0.48As短波吸收层和n型高掺杂In0.53Ga0.47As上接触层，然后采用微电子工艺刻蚀出台面，进行钝化后同时在n型高掺杂InP下接触层和n型高掺杂In0.53Ga0.47As上接触层上制作下接触电极和上接触电极，完成后进行划片等获得探测器或焦平面芯片，后续仍用与单波段器件相同的方法进行加工封装等。
实施例2：背面进光器件
如图2右侧所示，对于背面进光器件，首先采用分子束外延(MBE)或金属有机物气相沉积(MOCVD)等方法在半绝缘InP衬底上依次外延生长与其晶格匹配的n型高掺杂InP下接触层、n型低掺杂In0.52Al0.48As短波吸收层、p型高掺杂In0.52Al0.48As层、n型低掺杂In0.53Ga0.47As长波吸收层和n型高掺杂In0.53Ga0.47As上接触层，然后采用微电子工艺刻蚀出台面，进行钝化后同时在n型高掺杂InP下接触层和n型高掺杂In0.53Ga0.47As上接触层上制作下接触电极和上接触电极，完成后进行划片等获得焦平面芯片，后续仍用与单波段器件相同的方法制作In柱等与读出电路进行互联，在进行其他加工封装等。

Claims (4)

1.一种偏置控制的双波段InAlAs-InGaAs二极探测器及焦平面阵列器件，其特征在于此器件为在同一衬底上采用外延方法构筑的叠层结构二电极光电探测器或焦平面器件，并通过偏压控制使其分别在两个探测波段上产生光电响应。
2.根据权利要求1所述的一种偏置控制的双波段InAlAs-InGaAs二极探测器及焦平面阵列器件，其特征在于其叠层结构中采用与InP衬底晶格匹配的宽禁带三元系In0.52Al0.48As和窄禁带三元系In0.53Ga0.47As分别作为短波和长波吸收材料，两种材料的带隙分别对应此器件两个波段的长波侧截止波长。
3.根据权利要求1所述的一种偏置控制的双波段InAlAs-InGaAs二极探测器及焦平面阵列器件，其特征在于其短波响应由In0.52Al0.48As同质pn结产生，长波响应由In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As异质pn结产生，均为工作于光导模式的光伏型器件。
4.根据权利要求1所述的一种偏置控制的双波段InAlAs-InGaAs二极探测器及焦平面阵列器件，其特征在于对此单片型的二电极器件采用正偏压或负偏压即可控制其产生相应的短波段或长波段光电响应并抑制另一波段的响应。
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