CN119907317A - 基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外光电材料与器件技术领域，尤其涉及一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器及其制备方法，以N型掺杂磷化铟衬底作为器件的基础，在N型掺杂磷化铟衬底上依次生长磷化铟吸收层、第一P型接触层、第二P型接触层、短波红外超晶格吸收层、N型接触层。金属下电极与N型掺杂磷化铟衬底接触，金属上电极N型接触层接触，其中心有通光孔。本发明通过利用N型掺杂磷化铟衬底自身的带隙特性来参与光谱吸收，转化为电信号进行探测，同时采用背靠背二极管结构，可以通过调节偏压实现对短波双波段红外的不同响应，由于N型掺杂磷化铟衬底参与了光吸收，因此不需要像传统方法那样去掉衬底，外延结构简单，降低了制作成本并简化了工艺流程。

Description

基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及红外光电材料与器件技术领域，尤其涉及一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器及其制备方法。

背景技术

红外探测属于无源探测技术，在多种领域均有着极其重要的应用。对于单波段红外探测器，图像的衬度取决于目标和背景的辐射强度差异。然而，不同辐射源的红外辐射强度峰值处于不同的波段范围，使用短波双波段红外探测器能够同时采集目标在不同波段下的光谱，增强目标与常温背景间的对比衬度，提高成像的清晰度。

短波双波段红外探测器的结构主要包括衬底和沉积于衬底上的外延结构，现有的短波双波段红外探测器的结构设计中，衬底只作为外延材料的基础，减少外延生长材料带来的缺陷，衬底的存在会减少光响应，导致红外探测器光响应波段单一，因此，需要在衬底上设置掺杂缓冲层提高势垒高度差来降低通道间串扰，降低暗电流来提升探测性能，而且在红外探测器结构制备完成后通常需要尽量去掉衬底，以减少衬底对光吸收效率的影响，这势必会造成衬底层的浪费和制作成本的增高。

发明内容

本发明提供一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器及其制备方法，用以解决传统短波双波段红外探测器存在的光响应波段单一、衬底影响减少光响应、制作成本高的缺陷。

本发明提供一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，包括N型掺杂磷化铟衬底和沉积于所述N型掺杂磷化铟衬底上的外延结构，所述外延结构刻蚀成圆柱形，且与所述N型掺杂磷化铟衬底组成台阶结构，所述台阶结构对应于所述N型掺杂磷化铟衬底上的部位设置有环形的金属下电极，所述台阶结构对应于所述外延结构顶部的位置设置有环形的金属上电极，所述金属上电极中心形成通光孔，所述台阶结构除了所述金属下电极、所述金属上电极和所述通光孔对应的区域外，其余区域均依次设置有硫化层和钝化层。

所述外延结构包括磷化铟吸收层、第一P型接触层、第二P型接触层、短波红外超晶格吸收层和N型接触层，所述磷化铟吸收层生长于所述磷化铟衬底上；所述第一P型接触层生长于所述磷化铟吸收层上，所述第一P型接触层掺杂磷化铟；所述第二P型接触层生长于所述第一P型接触层上，所述第二P型接触层掺杂铝镓砷锑合金；所述短波红外超晶格吸收层生长于所述第二P型接触层上；所述N型接触层生长于所述短波红外超晶格吸收层上，所述N型接触层掺杂姻砷化镓。

根据本发明提供的一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，所述N型掺杂磷化铟衬底使用（100）晶向硫掺杂的N型磷化铟衬底。

根据本发明提供的一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，所述金属下电极和所述金属上电极均包括由下而上的钛层、铂层和金层，钛层厚度为20nm~80nm，铂层厚度为20nm~80nm，金层厚度为250nm~400nm；所述金属下电极的钛层与所述N型掺杂磷化铟衬底接触，所述金属上电极的钛层与所述N型接触层接触。

根据本发明提供的一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，所述磷化铟吸收层厚度为500nm~2500nm，带隙宽度为1.34~1.35eV。

根据本发明提供的一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，所述短波红外超晶格吸收层为姻砷化镓超晶格和/或锑砷化镓超晶格，所述短波红外超晶格吸收层厚度为500nm~2500nm，带隙宽度为1.34~1.35eV。

根据本发明提供的一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，所述短波红外超晶格吸收层包括多个姻砷化镓超晶格层和多个锑砷化镓超晶格层，多个所述姻砷化镓超晶格层和多个所述锑砷化镓超晶格层交叉堆叠生长以形成所述短波红外超晶格吸收层。

本发明还提供一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法，适用于制备上述任意一项所述的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，包括：

以N型掺杂磷化铟衬底作为红外探测器的结构衬底，并对所述N型掺杂磷化铟衬底进行除气与脱氧预处理；

基于进行预处理后的所述N型掺杂磷化铟衬底，在所述N型掺杂磷化铟衬底上同质外延生长磷化铟吸收层；

在所述磷化铟吸收层上生长出第一P型接触层；

在所述第一P型接触层上生长出第二P型接触层；

在所述第二P型接触层生长出短波红外超晶格吸收层；

在所述短波红外超晶格吸收层上生长出N型接触层；

基于所述磷化铟吸收层、所述第一P型接触层、所述第二P型接触层、所述短波红外超晶格吸收层和所述N型接触层组成沉积于所述N型掺杂磷化铟衬底上的外延结构，对所述外延结构侧面经电感耦合等离子体ICP刻蚀，以使所述外延结构呈圆柱形；

对所述N型掺杂磷化铟衬底和所述外延结构覆盖硫化层和钝化层；

在所述钝化层对应于所述N型掺杂磷化铟衬底上的部位使用光刻制备掩膜，通过反应离子刻蚀形成第一环形开孔，在所述钝化层对应于所述N型接触层上的部位使用光刻制备掩膜，通过反应离子刻蚀形成第二环形开孔；

在所述第一环形开孔进行蒸发电极处理，形成环形的金属下电极；在所述第二环形开孔进行蒸发电极处理，形成环形的金属上电极和通光孔。

根据本发明提供的一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法，所述对所述N型掺杂磷化铟衬底进行除气与脱氧的预处理包括：

将所述N型掺杂磷化铟衬底置于分子束外延系统进样室中，维持温度为200℃，进行150min的低温除气；

将完成低温除气的所述N型掺杂磷化铟衬底转入分子束外延系统缓冲室中，维持温度为360℃，进行60min~100min的高温除气；

将完成高温除气的所述N型掺杂磷化铟衬底转入分子束外延系统的生长室中，逐步对所述N型掺杂磷化铟衬底升温至500℃~700℃，进行15min~30min脱氧处理，去除所述N型掺杂磷化铟衬底表面氧化物。

根据本发明提供的一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法，所述磷化铟吸收层生长速率为0.5ML/s，生长成的所述磷化铟吸收层厚度为500nm~2500nm；

所述第一P型接触层生长速率为0.5ML/s，生长成的所述第一P型接触层厚度为200nm~400nm；

所述第二P型接触层生长速率为0.5ML/s，生长成的所述第二P型接触层厚度为400nm~600nm；

所述短波红外超晶格吸收层生长速率为0.5ML/s，生长成的所述短波红外超晶格吸收层厚度为500nm~2500nm；

所述N型接触层生长速率为0.5ML/s，生长成的所述N型接触层厚度为7000nm~150nm。

根据本发明提供的一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法，所述在所述第二P型接触层上接着生长出短波红外超晶格吸收层包括：

在所述第二P型接触层上生长一层姻砷化镓超晶格层，在生长成的姻砷化镓超晶格层上生长一层锑砷化镓超晶格层；

以生长成的所述姻砷化镓超晶格层和所述锑砷化镓超晶格层为一个周期单元，继续向上重复生长多个周期单元，直至所有周期单元的总厚度达到500nm~2500nm，形成所述短波红外超晶格吸收层。

本发明提供的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器及其制备方法，以N型掺杂磷化铟衬底1作为器件的基础，可以使用（100）晶向硫（S）掺杂的N型InP衬底，磷化铟吸收层直接生长在N型掺杂磷化铟衬底上，第一P型接触层生长于磷化铟吸收层之上，并掺杂磷化铟；第二P型接触层生长于第一P型接触层之上，并掺杂铝镓砷锑合金（AlGaAsSb）；短波红外超晶格吸收层生长于第二P型接触层之上，由多个周期的InGaAs和/或GaAsSb交替堆叠而成；N型接触层生长于短波红外超晶格吸收层之上，并掺杂InGaAs。金属下电极和金属上电极均呈环形，金属下电极位于台阶结构对应于N型掺杂磷化铟衬底上的部位，与衬底接触。金属上电极位于台阶结构对应于外延结构顶部的位置，与N型接触层接触，其中心有通光孔，用于允许光线进入探测器内部。在金属下电极、金属上电极和通光孔以外的区域覆盖硫化层和钝化层，以保护外延结构并减少不必要的表面态。本发明通过利用N型掺杂磷化铟衬底自身的带隙特性来参与光谱吸收，转化为电信号进行探测，同时采用背靠背二极管结构，可以通过调节偏压实现对短波双波段红外的不同响应，由于N型掺杂磷化铟衬底参与了光吸收，因此不需要像传统方法那样去掉衬底，从而降低了制作成本并简化了工艺流程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的剖面结构示意图。

图2是本发明提供的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法的流程示意图。

图3是本发明提供的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的光谱响应图。

附图标记：1、N型掺杂磷化铟衬底；2、金属下电极；3、金属上电极；4、通光孔；5、钝化层；6、磷化铟吸收层；7、第一P型接触层；8、第二P型接触层；9、短波红外超晶格吸收层；10、N型接触层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图3描述本发明的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器及其制备方法。

本发明的一个实施例提供一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，参见图1所示，短波双波段红外探测器包括N型掺杂磷化铟衬底1和沉积于N型掺杂磷化铟衬底1上的外延结构，外延结构刻蚀成圆柱形，且与N型掺杂磷化铟衬底1组成台阶结构，台阶结构对应于N型掺杂磷化铟衬底1上的部位设置有环形的金属下电极2，台阶结构对应于外延结构顶部的位置设置有环形的金属上电极3，金属上电极3中心形成通光孔4，台阶结构除了金属下电极2、金属上电极3和通光孔4对应的区域外，其余区域均依次设置有硫化层和钝化层5。

外延结构包括磷化铟吸收层6、第一P型接触层7、第二P型接触层8、短波红外超晶格吸收层9和N型接触层10，磷化铟吸收层6生长于磷化铟衬底1上；第一P型接触层7生长于磷化铟吸收层6上，第一P型接触层7掺杂磷化铟；第二P型接触层8生长于第一P型接触层7上，第二P型接触层8掺杂铝镓砷锑合金；短波红外超晶格吸收层9生长于第二P型接触层8上；N型接触层10生长于短波红外超晶格吸收层9上，N型接触层10掺杂姻砷化镓。

可以理解的是，本实施例的这种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的结构，以N型掺杂磷化铟衬底1作为器件的基础，可以使用（100）晶向硫（S）掺杂的N型InP衬底。磷化铟吸收层6直接生长在N型掺杂磷化铟衬底1上，第一P型接触层7生长于磷化铟吸收层6之上，并掺杂磷化铟；第二P型接触层8生长于第一P型接触层7之上，并掺杂铝镓砷锑合金（AlGaAsSb）；短波红外超晶格吸收层9生长于第二P型接触层8之上，由多个周期的InGaAs和/或GaAsSb交替堆叠而成；N型接触层10生长于短波红外超晶格吸收层9之上，并掺杂InGaAs。金属下电极2和金属上电极3均呈环形，金属下电极2位于台阶结构对应于N型掺杂磷化铟衬底1上的部位，与衬底接触。金属上电极3位于台阶结构对应于外延结构顶部的位置，与N型接触层10接触，其中心有通光孔4，用于允许光线进入探测器内部。在金属下电极2、金属上电极3和通光孔4以外的区域覆盖硫化层和SiO₂钝化层5，以保护外延结构并减少不必要的表面态。

本实施例通过利用N型掺杂磷化铟衬底1自身的带隙特性来参与光谱吸收，转化为电信号进行探测，同时采用背靠背二极管结构，可以通过调节偏压实现对短波双波段红外的不同响应。由于N型掺杂磷化铟衬底1参与了光吸收，因此不需要像传统方法那样需要尽量去掉衬底，只需要将衬底减薄在100nm~500nm之间即可，本实施例使用衬底作为器件结构，降低了制作成本并简化了工艺流程。

在本发明的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的一些实施例中，N型掺杂磷化铟衬底1使用（100）晶向硫掺杂的N型磷化铟衬底。（100）晶向是半导体材料中常用的一种晶体取向，能够提供良好的晶体质量，有助于减少外延生长过程中的缺陷密度，从而提高器件性能。硫（S）作为一种N型掺杂剂，可以调节磷化铟衬底的导电类型和浓度，优化载流子浓度，改善电学特性，并有利于后续外延层的生长。适当浓度的S掺杂还可以增强磷化铟衬底的光吸收效率，特别是在红外波段。在本发明中，N型掺杂磷化铟衬底1将与后续生长的P型层形成PN结，这对于制造二极管结构至关重要。

不同于传统的红外探测器需要去除衬底以减少其对光吸收效率的影响，在本发明中，N型掺杂磷化铟衬底1不仅作为外延生长的基础，还利用其带隙特性直接参与到光谱吸收中，转化为电信号进行探测。由于衬底本身成为了探测器的一部分，因此不需要在减薄的过程中完全去除衬底，这不仅简化了器件结构，而且降低了生产成本。通过使用（100）晶向硫掺杂的N型磷化铟衬底，使得N型掺杂磷化铟衬底1能够在不影响探测器主要功能的前提下增加对特定波长光的吸收，提高了整体的光响应效率和探测灵敏度。使用（100）晶向硫掺杂的N型InP作为衬底材料，优化了探测器的整体性能，包括但不限于提高光吸收效率、简化制备工艺以及降低成本等多方面考虑，对于实现高效能的短波双波段红外探测器起到了重要作用。

在本发明的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的一些实施例中，金属下电极2和金属上电极3均包括由下而上的钛层、铂层和金层，钛层厚度为20nm~80nm，铂层厚度为20nm~80nm，金层厚度为250nm~400nm；金属下电极2的钛层与N型掺杂磷化铟衬底1接触，金属上电极3的钛层与N型接触层10接触。

可以理解的是，在一些具体示例中，钛层厚度为50nm，钛层作为电极底层，提供良好的粘附性，确保金属电极与半导体材料之间有稳固的接触，并且能够形成低电阻欧姆接触。铂层厚度为50nm，位于钛层之上，可以提高整个金属层的热稳定性和化学稳定性，防止钛层在高温处理过程中扩散到InP或N型接触层中，从而保证电极性能的长期可靠性。金层厚度为300nm，作为最顶层，不仅提供了良好的导电性，还因为其优异的抗腐蚀性能而保护内部的钛层和铂层免受环境因素的影响。

金属下电极2的钛层直接与N型掺杂磷化铟衬底1接触，确保了从衬底到电极之间的良好电连接，有助于将光生载流子有效地收集并传输出去，同时保持较低的接触电阻。金属上电极3的钛层则与外延结构中的N型接触层10接触，起到类似的电流收集作用，环形设计的金属上电极3中心留有一个通光孔4，允许光线顺利进入探测器的有效区域，以实现高效的光吸收和转换。

本实施例通过选择合适的材料组合和厚度比例，可以实现电极最佳的欧姆接触，减少接触电阻，提高器件的整体效率。钛层提供的良好粘附性和铂层带来的高熔点特性共同增强了电极在各种加工条件下的机械强度和耐久性。铂层的存在有效阻止了钛向半导体材料中的扩散，特别是在高温环境下，这对于维持长期稳定的电气性能至关重要。本实施例的金属电极结构对于确保基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器具备高效能、高稳定性和长寿命起到了关键作用。

在本发明的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的一些实施例中，磷化铟吸收层6厚度为500nm~2500nm，带隙宽度为1.34~1.35eV。短波红外超晶格吸收层9为姻砷化镓超晶格和/或锑砷化镓超晶格，短波红外超晶格吸收层9厚度为500nm~2500nm，带隙宽度为1.34~1.35eV。

可以理解的是，磷化铟吸收层6直接生长于N型掺杂磷化铟衬底1之上，作为探测器的第一个光吸收层，该层的带隙宽度决定了它可以有效地吸收特定波长范围内的光子，并将其转换为电子-空穴对，磷化铟材料在这个带隙范围内对短波红外光有良好的吸收效率，这使得它特别适合用于短波双波段红外探测应用。短波红外超晶格吸收层9位于第二P型接触层8之上，是探测器中负责吸收另一个波段红外光的关键部分，通过选择适当的InGaAs或GaAsSb超晶格结构，可以精确调控其带隙宽度，使其与目标探测波长相匹配，这种超晶格结构能够提供额外的量子限制效应，从而增强对特定波长光的吸收效率，同时保持较低的暗电流水平，提高信噪比。

在本发明的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的一些实施例中，短波红外超晶格吸收层9包括多个姻砷化镓超晶格层和多个锑砷化镓超晶格层，多个姻砷化镓超晶格层和多个锑砷化镓超晶格层交叉堆叠生长以形成短波红外超晶格吸收层9。

可以理解的是，本实施例通过交替生长InGaAs超晶格层和GaAsSb超晶格层，形成多层交叉堆叠的结构，每种材料的超晶格层都具有特定的厚度和周期性，以实现所需的带隙工程。InGaAs和GaAsSb这两种材料具备互补的光学和电学特性，InGaAs对较短波长的红外光有较好的吸收效率，而GaAsSb则能够有效吸收较长波长的红外光，两者结合可以扩展吸收光谱范围，覆盖更宽的短波红外区域。每个超晶格层的厚度和堆叠周期经过精确设计，以确保整个短波红外超晶格吸收层9的带隙宽度保持在1.34~1.35eV之间，从而优化对目标波段红外光的吸收效率。

本实施例通过将InGaAs和GaAsSb两种不同带隙宽度的材料交叉堆叠，可以在单一器件内实现对两个不同短波段红外光的有效探测，这不仅增加了探测器的应用灵活性，还提高了成像质量和目标识别能力。超晶格结构引入了量子限制效应，即电子和空穴被限制在一个或几个量子阱中，这种效应可以增强对特定波长光子的吸收，同时减少热生成载流子的数量，降低暗电流，提高信噪比。由于量子限制效应的存在，探测器能够在较低温度下工作，并且具备更低的暗电流水平，这对于弱信号探测尤为重要。本实施例的超晶格结构使得探测器对目标波段内的光子更加敏感，同时保持较高的空间分辨率，适用于多种高精度红外成像和传感应用。InGaAs和GaAsSb材料与现有的半导体制造工艺高度兼容，允许使用成熟的外延生长技术如金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）来制备这些复杂的超晶格结构，从而保证了大规模生产的可行性。

本发明另一方面还提供一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法，适用于制备上述任意一项实施例中的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，在基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法的一些具体实施例中，结合图2所示，其制备过程包括以下步骤S1~S10。

S1、以N型掺杂磷化铟衬底1作为红外探测器的结构衬底，并对N型掺杂磷化铟衬底1进行除气与脱氧预处理.

本步骤目的在于确保N型掺杂磷化铟衬底1表面清洁，去除氧化物和其他污染物。具体地，先将N型掺杂磷化铟衬底1置于分子束外延系统进样室中，维持温度为200℃，进行150min的低温除气；然后将完成低温除气的N型掺杂磷化铟衬底1转入分子束外延系统缓冲室中，维持温度为360℃，进行60min~100min的高温除气；最后将完成高温除气的N型掺杂磷化铟衬底1转入分子束外延系统的生长室中，逐步对N型掺杂磷化铟衬底1升温至500℃~700℃，进行15min~30min脱氧处理，去除N型掺杂磷化铟衬底1表面氧化物。

S2、基于进行预处理后的N型掺杂磷化铟衬底1，在N型掺杂磷化铟衬底1上同质外延生长磷化铟吸收层6。

本步骤的目的在于在外延生长之前提供一个高质量的基础层。具体地，将步骤S1脱氧处理结束的N型掺杂磷化铟衬底1上，以0.5ML/s的生长速率同质外延一层1500nm厚的磷化铟吸收层6。

S3、在磷化铟吸收层6上生长出第一P型接触层7。

本步骤的目的在于形成良好的电接触，并作为后续层的支撑。具体地，在步骤S2生长的磷化铟吸收层6上接着生长300nm的第一P型接触层7，第一P型接触层7掺杂有InP，生长速率为0.5ML/s。

S4、在第一P型接触层7上生长出第二P型接触层8。

本步骤的目的在于进一步优化电学性能，准备生长短波红外超晶格吸收层9。具体地，在步骤S3的第一P型接触层7上接着生长500nm厚的第二P型接触层8，第二P型接触层8掺杂有AlGaAsSb。

S5、在第二P型接触层8上生长出短波红外超晶格吸收层9。

本步骤的目的在于构建对特定波长光敏感的吸收区域。具体地，在步骤S4的第二P型接触层8上接着生长2000nm厚度的短波红外超晶格吸收层9，其中，短波红外超晶格吸收层9为一层厚度为d₁的InGaAs和一层厚度为d₂的GaAsSb叠层结构，将d₁+d₂作为一个周期，重复生长n个周期，即可得到组分精确控制的短波红外超晶格吸收层9。

S6、在短波红外超晶格吸收层9上生长出N型接触层10。

本步骤的目的在于提供最终的电子收集层，并与金属上电极形成良好接触。具体地，在步骤S5的短波红外超晶格吸收层9上接着生长100nm的N型接触层10，N型接触层10掺杂有InGaAs。

S7、基于磷化铟吸收层6、第一P型接触层7、第二P型接触层8、短波红外超晶格吸收层9和N型接触层10组成沉积于N型掺杂磷化铟衬底1上的外延结构，对外延结构侧面经电感耦合等离子体ICP刻蚀，以使外延结构呈圆柱形。

本步骤的目的在于通过刻蚀将外延结构加工成所需的圆柱形状。具体地，将步骤S6制得的沉积于N型掺杂磷化铟衬底1上的外延结构侧面经电感耦合等离子体ICP刻蚀形成台阶，使剩余的外延结构呈圆柱形，刻蚀采用的气体为CH₄:Cl₂:Ar或CH₄:Cl₂:BCl₃:Ar或Cl₂:BCl₃:Ar进行合适配比， 台阶的深度为4700nm，台阶深至N型掺杂磷化铟衬底1。

S8、对N型掺杂磷化铟衬底1和外延结构覆盖硫化层和钝化层5。

本步骤的目的在于保护外延结构并减少表面态的影响。具体地，使用等离子体化学气相沉积法制备300nm厚度的硫化层和SiO₂钝化层5覆盖于步骤S7刻蚀得到的器件上。

S9、在钝化层5对应于N型掺杂磷化铟衬底1上的部位使用光刻制备掩膜，通过反应离子刻蚀形成第一环形开孔，在钝化层5对应于N型接触层10上的部位使用光刻制备掩膜，通过反应离子刻蚀形成第二环形开孔。

本步骤的目的在于为后续蒸发电极做准备。具体地，对步骤S8在外延结构的表面制得SiO₂钝化层5进行开孔处理，使用光刻制备掩膜，通过反应离子刻蚀RIE刻蚀开孔，处理范围为预设的金属下电极2、金属上电极3和通光孔4范围。

S10、在第一环形开孔进行蒸发电极处理，形成环形的金属下电极2；在第二环形开孔进行蒸发电极处理，形成环形的金属上电极3和通光孔4。

本步骤的目的在于形成用于电气连接的金属电极。具体地，对在步骤S9预设的分别位于台阶上台面和下台面的金属上电极、金属下电极范围进行蒸发电极处理，金属下电极2、金属上电极3采用电子束蒸发 Ti/Pt/Au，厚度分别为50nm/50nm/300nm，其中金属上电极3呈环形，形成于台阶上台面，且Ti 层与短波红外N型接触层10接触，金属下电极2呈环形，形成于台阶下台面，且Ti层与S掺杂的N型掺杂磷化铟衬底1接触。

综上，本实施例的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法，通过一系列精密控制的工艺步骤，从衬底预处理到最终电极的形成，确保了基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器具备高效能、高稳定性和长寿命的特点，每个步骤都经过精心设计，以实现最佳的材料质量和器件性能，从而满足高性能红外探测的需求。采用本实施例的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法制备的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，通过利用N型掺杂磷化铟衬底1自身的带隙特性来参与光谱吸收，转化为电信号进行探测，同时采用背靠背二极管结构，可以通过调节偏压实现对短波双波段红外的不同响应，参见图3所示意的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的光谱响应图，基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器可以对0.7μm~0.9μm波长的第一红外短波波段进行响应，同时也能响应波长在1.4μm~2.8μm的第二红外短波波段。由于N型掺杂磷化铟衬底1参与了光吸收，因此不需要像传统方法那样去掉衬底，从而降低了制作成本并简化了工艺流程。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，其特征在于，包括N型掺杂磷化铟衬底（1）和沉积于所述N型掺杂磷化铟衬底（1）上的外延结构，所述外延结构刻蚀成圆柱形，且与所述N型掺杂磷化铟衬底（1）组成台阶结构，所述台阶结构对应于所述N型掺杂磷化铟衬底（1）上的部位设置有环形的金属下电极（2），所述台阶结构对应于所述外延结构顶部的位置设置有环形的金属上电极（3），所述金属上电极（3）中心形成通光孔（4），所述台阶结构除了所述金属下电极（2）、所述金属上电极（3）和所述通光孔（4）对应的区域外，其余区域均依次设置有硫化层和钝化层（5）；

所述外延结构包括：

磷化铟吸收层（6），生长于所述磷化铟衬底（1）上；

第一P型接触层（7），生长于所述磷化铟吸收层（6）上，所述第一P型接触层（7）掺杂磷化铟；

第二P型接触层（8），生长于所述第一P型接触层（7）上，所述第二P型接触层（8）掺杂铝镓砷锑合金；

短波红外超晶格吸收层（9），生长于所述第二P型接触层（8）上；

N型接触层（10），生长于所述短波红外超晶格吸收层（9）上，所述N型接触层（10）掺杂姻砷化镓。

2.根据权利要求1所述的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，其特征在于，所述N型掺杂磷化铟衬底（1）使用（100）晶向硫掺杂的N型磷化铟衬底。

3.根据权利要求1所述的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，其特征在于，所述金属下电极（2）和所述金属上电极（3）均包括由下而上的钛层、铂层和金层，钛层厚度为20nm~80nm，铂层厚度为20nm~80nm，金层厚度为250nm~400nm；所述金属下电极（2）的钛层与所述N型掺杂磷化铟衬底（1）接触，所述金属上电极（3）的钛层与所述N型接触层（10）接触。

4.根据权利要求1所述的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，其特征在于，所述磷化铟吸收层（6）厚度为500nm~2500nm，带隙宽度为1.34~1.35eV。

5.根据权利要求1所述的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，其特征在于，所述短波红外超晶格吸收层（9）为姻砷化镓超晶格和/或锑砷化镓超晶格，所述短波红外超晶格吸收层（9）厚度为500nm~2500nm，带隙宽度为1.34~1.35eV。

6.根据权利要求5所述的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，其特征在于，所述短波红外超晶格吸收层（9）包括多个姻砷化镓超晶格层和多个锑砷化镓超晶格层，多个所述姻砷化镓超晶格层和多个所述锑砷化镓超晶格层交叉堆叠生长以形成所述短波红外超晶格吸收层（9）。

7.一种基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法，其特征在于，适用于制备权利要求1至6中任意一项所述的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器，包括：

以N型掺杂磷化铟衬底（1）作为红外探测器的结构衬底，并对所述N型掺杂磷化铟衬底（1）进行除气与脱氧预处理；

基于进行预处理后的所述N型掺杂磷化铟衬底（1），在所述N型掺杂磷化铟衬底（1）上同质外延生长磷化铟吸收层（6）；

在所述磷化铟吸收层（6）上生长出第一P型接触层（7）；

在所述第一P型接触层（7）上生长出第二P型接触层（8）；

在所述第二P型接触层（8）上生长出短波红外超晶格吸收层（9）；

在所述短波红外超晶格吸收层（9）上生长出N型接触层（10）；

基于所述磷化铟吸收层（6）、所述第一P型接触层（7）、所述第二P型接触层（8）、所述短波红外超晶格吸收层（9）和所述N型接触层（10）组成沉积于所述N型掺杂磷化铟衬底（1）上的外延结构，对所述外延结构侧面经电感耦合等离子体ICP刻蚀，以使所述外延结构呈圆柱形；

对所述N型掺杂磷化铟衬底（1）和所述外延结构覆盖硫化层和钝化层（5）；

在所述钝化层（5）对应于所述N型掺杂磷化铟衬底（1）上的部位使用光刻制备掩膜，通过反应离子刻蚀形成第一环形开孔，在所述钝化层（5）对应于所述N型接触层（10）上的部位使用光刻制备掩膜，通过反应离子刻蚀形成第二环形开孔；

在所述第一环形开孔进行蒸发电极处理，形成环形的金属下电极（2）；在所述第二环形开孔进行蒸发电极处理，形成环形的金属上电极（3）和通光孔（4）。

8.根据权利要求7所述的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法，其特征在于，所述对所述N型掺杂磷化铟衬底（1）进行除气与脱氧的预处理包括：

将所述N型掺杂磷化铟衬底（1）置于分子束外延系统进样室中，维持温度为200℃，进行150min的低温除气；

将完成低温除气的所述N型掺杂磷化铟衬底（1）转入分子束外延系统缓冲室中，维持温度为360℃，进行60min~100min的高温除气；

将完成高温除气的所述N型掺杂磷化铟衬底（1）转入分子束外延系统的生长室中，逐步对所述N型掺杂磷化铟衬底（1）升温至500℃~700℃，进行15min~30min脱氧处理，去除所述N型掺杂磷化铟衬底（1）表面氧化物。

9.根据权利要求7所述的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法，其特征在于，所述磷化铟吸收层（6）生长速率为0.5ML/s，生长成的所述磷化铟吸收层（6）厚度为500nm~2500nm；

所述第一P型接触层（7）生长速率为0.5ML/s，生长成的所述第一P型接触层（7）厚度为200nm~400nm；

所述第二P型接触层（8）生长速率为0.5ML/s，生长成的所述第二P型接触层（8）厚度为400nm~600nm；

所述短波红外超晶格吸收层（9）生长速率为0.5ML/s，生长成的所述短波红外超晶格吸收层（9）厚度为500nm~2500nm；

所述N型接触层（10）生长速率为0.5ML/s，生长成的所述N型接触层（10）厚度为7000nm~150nm。

10.根据权利要求7所述的基于磷化铟衬底的短波双波段红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在所述第二P型接触层（8）上接着生长出短波红外超晶格吸收层（9）包括：

在所述第二P型接触层（8）上生长一层姻砷化镓超晶格层，在生长成的姻砷化镓超晶格层上生长一层锑砷化镓超晶格层；

以生长成的所述姻砷化镓超晶格层和所述锑砷化镓超晶格层为一个周期单元，继续向上重复生长多个周期单元，直至所有周期单元的总厚度达到500nm~2500nm，形成所述短波红外超晶格吸收层（9）。