一種短波/中波/長(zhǎng)波三波段紅外探測(cè)器的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種短波/中波/長(zhǎng)波三波段紅外探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)包括GaSb襯底、沉積于GaSb襯底上的外延結(jié)構(gòu)、鈍化層、金屬電極，所述外延結(jié)構(gòu)從下至上依次為Te摻雜的GaSb緩沖層、n型InAs/GaSb超晶格接觸層、M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻擋層、p型InAs/GaSb超晶格長(zhǎng)波紅外吸收層、p型InAs/GaSb超晶格接觸層、p型GaSb接觸層（緩沖層）、p型InAs/InAsSb超晶格接觸層、未摻雜的InAs/InAsSb超晶格中波紅外吸收層、n型InAs/InAsSb超晶格接觸層、第一n型InAsSb接觸層、AlAsSb電子勢(shì)壘層、非摻雜InAsSb短波紅外吸收層、第二n型InAsSb接觸層（蓋層）。該探測(cè)器具有P?π?M?N型InAs/GaSb超晶格、PIN型InAs/InAsSb超晶格和NBN型InAsSb異質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有高探測(cè)率、低暗電流、低串?dāng)_等優(yōu)點(diǎn)，可提高紅外探測(cè)器性能。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于半導(dǎo)體材料及器件領(lǐng)域，涉及一種短波/中波/長(zhǎng)波三波段紅外探測(cè)器。
技術(shù)介紹
新型四元化合物半導(dǎo)體銅鋅錫硫硒(Cu2ZnSn(S,Se)4，縮寫CZTSSe)與目前應(yīng)用最為廣泛的薄膜電池的吸收層材料銅銦鎵硒(CuInGaSe2，縮寫CIGS)都屬于黃銅礦結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于CZTSSe以錫(Sn)和鋅(Zn)替代CIGS中的鎵(Ga)和銦(In)，以硫(S)替代硒(Se)而構(gòu)成，不含有稀貴元素（In和Ga）和有毒元素（Se）。與CIGS相比，CZTSSe的帶隙(1.1~1.5eV)與太陽(yáng)光譜更加匹配，且CZTSSe具有與CIGS同樣出色的光吸收系數(shù)（大于104cm-1）,其理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)32.2%，CZTSSe被普遍認(rèn)為是新一代太陽(yáng)電池材料的最佳選擇之一。CZTSSe薄膜太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率在短短不到十年的時(shí)間內(nèi)已達(dá)到12.7%。目前文獻(xiàn)報(bào)道的制備銅鋅錫硫硒薄膜的真空法主要包括真空蒸鍍后硒化和真空濺射后硒化這兩種技術(shù)路線。其中真空蒸鍍制備的薄膜質(zhì)量較高，但是該技術(shù)最大問(wèn)題是蒸發(fā)源材料的利用率低，蒸發(fā)腔室中各蒸發(fā)源之間污染嚴(yán)重。而真空濺射制備銅鋅錫硫預(yù)制層易于控制膜厚，并且不存在腔室內(nèi)各種靶的污染，但存在預(yù)置層組分與靶組分之間不能完全復(fù)制、重現(xiàn)性較差等問(wèn)題。基于此，本領(lǐng)域的研究人員希望通過(guò)簡(jiǎn)化工藝難度、降低制備成本、提高工藝重現(xiàn)性來(lái)制備出優(yōu)質(zhì)的CZTSSe薄膜。根據(jù)CZTSSe薄膜形成機(jī)制2CuS+SnS=Cu2SnS3,Cu2SnS3+ZnS+Se(g)=Cu2SnZn(S,Se)4,如果采用CuS靶、SnS靶和ZnS靶逐層濺射制備銅鋅錫硫預(yù)制層，只要后續(xù)的硒化退火溫度不超過(guò)600℃，就可以在退火過(guò)程中有效的減少Cu2-xS、Sn2-xS和背接觸電極上MoS2的形成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，濺射CuS靶、ZnS靶、SnS靶得到的CZTSSe薄膜中Cu的含量相對(duì)偏多，所以CZTSSe薄膜為富銅組分。研究結(jié)果顯示，貧銅富鋅(Cu/(Zn+Sn)=0.85~0.95，Zn/Sn=1.05~1.15)相的CZTSSe薄膜更有助于得到高轉(zhuǎn)換效率的電池器件，所以ZnS靶中的Zn含量較高，濺射過(guò)程中的高溫與高氣壓主要是用來(lái)擴(kuò)散鈉離子以及消除應(yīng)力。多層結(jié)構(gòu)的Mo電極主要是為了滿足高電導(dǎo)率及應(yīng)力釋放的要求，在鍍完Mo電極后，襯底在220℃下烘烤30分鐘，主要目的是讓鈉鈣玻璃（簡(jiǎn)寫SLG）中的鈉離子能充分?jǐn)U散進(jìn)入Mo層，使鈉離子在后續(xù)的熱處理工藝中能充分?jǐn)U散進(jìn)入CZTSSe薄膜，將鈉離子效應(yīng)最大化。對(duì)預(yù)制層進(jìn)行硒化退火前的熱處理有助于強(qiáng)化預(yù)制層中CuS、SnS與ZnS的互擴(kuò)散，使最終硒化得到的CZTSSe薄膜的元素組分沿縱向均勻分布。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
基于上述分析，本專利技術(shù)旨在提供一種低暗電流、高探測(cè)率、高載流子遷移率、低串?dāng)_等優(yōu)點(diǎn)的短波/中波/長(zhǎng)波三波段紅外探測(cè)器。本專利技術(shù)的另一個(gè)目的是提供一種上述的低暗電流、高探測(cè)率、高載流子遷移率、低串?dāng)_等優(yōu)點(diǎn)的短波/中波/長(zhǎng)波三波段紅外探測(cè)器的制備方法。本專利技術(shù)的目的主要是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：1.一種短波/中波/長(zhǎng)波三波段紅外探測(cè)器，包括GaSb襯底、沉積于GaSb襯底上的外延結(jié)構(gòu)、鈍化層、金屬電極，其特征在于所述外延結(jié)構(gòu)從下至上依次為Te摻雜的GaSb緩沖層、n型InAs/GaSb超晶格接觸層、M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻擋層、p型InAs/GaSb超晶格長(zhǎng)波紅外吸收層、p型InAs/GaSb超晶格接觸層、p型GaSb接觸層（緩沖層）、p型InAs/InAsSb超晶格接觸層、未摻雜的InAs/InAsSb超晶格中波紅外吸收層、n型InAs/InAsSb超晶格接觸層、第一n型InAsSb接觸層、AlAsSb電子勢(shì)壘層、非摻雜InAsSb短波紅外吸收層、第二n型InAsSb接觸層（蓋層），外延結(jié)構(gòu)的兩側(cè)經(jīng)刻蝕形成臺(tái)階，臺(tái)階的深度分別至n型InAs/GaSb超晶格接觸層（或Te摻雜GaSb緩沖層）和p型InAs/InAsSb超晶格接觸層（或p型GaSb接觸層（緩沖層）），電極包括金屬下電極、金屬中電極和金屬上電極，金屬下電極與n型InAs/GaSb超晶格接觸層（或Te摻雜GaSb緩沖層）形成歐姆接觸，金屬中電極與p型InAs/InAsSb超晶格接觸層（或p型GaSb接觸層（緩沖層））形成歐姆接觸，金屬上電極形成于臺(tái)階的上方，與蓋層形成歐姆接觸。2.本專利技術(shù)中，所述GaSb襯底采用(001)方向的n型GaSb襯底或者(001)方向的GaAs襯底。3.本專利技術(shù)中，所述Te摻雜的GaSb緩沖層的厚度為0.5~1μm，材料為采用Te進(jìn)行n型摻雜的GaSb材料，其中Te摻雜濃度為1~2×1018cm-3。4.本專利技術(shù)中，所述n型InAs/GaSb超晶格接觸層由交替生長(zhǎng)的GaSb勢(shì)壘層/InAs勢(shì)阱層組成，總厚度為0.4~0.6μm。其中，InAs勢(shì)阱層的材料采用Si摻雜的InAs材料，摻雜濃度為1~2×1018cm-3，各組分層厚度可以根據(jù)具體的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般InAs勢(shì)阱層為10~15ML（monolayer，原子層），GaSb勢(shì)壘層為5~8ML。5.本專利技術(shù)中，所述M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻擋層總厚度為0.3~0.8μm。其中，InAs層的材料采用Si摻雜的InAs材料，摻雜濃度為1~2×1018cm-3。該M型超晶格結(jié)構(gòu)中，InAs層一般為10~20ML，而GaSb層和AlSb層一般為1~5ML。6.本專利技術(shù)中，所述p型InAs/GaSb超晶格長(zhǎng)波紅外吸收層由交替生長(zhǎng)的GaSb勢(shì)壘層/InAs勢(shì)阱層組成，總厚度為1~6μm。其中，InAs勢(shì)阱層和GaSb勢(shì)壘層均為本證層，不進(jìn)行摻雜。該超晶格結(jié)構(gòu)中，各組分層厚度可以根據(jù)具體的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般InAs勢(shì)阱層一般為10~15ML，GaSb勢(shì)壘層為8~12ML。7.本專利技術(shù)中，所述p型InAs/GaSb超晶格接觸層由交替生長(zhǎng)的GaSb勢(shì)壘層/InAs勢(shì)阱層組成，總厚度為0.4~0.6μm。其中，GaSb勢(shì)壘層的材料為摻雜元素Be的GaSb材料，Be摻雜濃度為1~2×1018cm-3。8.本專利技術(shù)中，所述p型GaSb接觸層（緩沖層）的厚度為0.5~1μm，材料為采用Be進(jìn)行p型摻雜的GaSb材料，其中Be摻雜濃度為1~2×1018cm-3。9.本專利技術(shù)中，所述P型InAs/InAsSb超晶格接觸層由交替生長(zhǎng)的19.2MLInAs層和9.6MLInAs0.73Sb0.27層組成，總厚度為0.4~0.9μm，其中InAs層的材料采用Be摻雜的InAs材料，摻雜濃度為1~2×1018cm-3，各組分層厚度可以根據(jù)具體的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，本專利技術(shù)中其中每層InAs厚度為19.2ML，InAs0.73Sb0.27厚度為9.6ML。10.本專利技術(shù)中，所述未摻雜的InAs/InAsSb超晶格中波紅外吸收層由交替生長(zhǎng)的19.2MLInAs層和9.6MLInAs0.73Sb0.27層組成，總厚度為2~6μm。其中，InAs層和InAs0.73Sb0.27層均為本征層，不進(jìn)行摻雜。各組分層厚度可以根據(jù)具體的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，本專利技術(shù)中其中每層InAs本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種短波/中波/長(zhǎng)波三波段紅外探測(cè)器，包括GaSb襯底、沉積于GaSb襯底上的外延結(jié)構(gòu)、鈍化層、金屬電極，其特征在于所述外延結(jié)構(gòu)從下至上依次為Te摻雜的GaSb緩沖層、n型InAs/GaSb超晶格接觸層、M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻擋層、p型InAs/GaSb超晶格長(zhǎng)波紅外吸收層、p型InAs/GaSb超晶格接觸層、p型GaSb接觸層（緩沖層）、p型InAs/InAsSb超晶格接觸層、未摻雜的InAs/InAsSb超晶格中波紅外吸收層、n型InAs/InAsSb超晶格接觸層、第一n型InAsSb接觸層、AlAsSb電子勢(shì)壘層、非摻雜InAsSb短波紅外吸收層、第二n型InAsSb接觸層（蓋層），外延結(jié)構(gòu)的兩側(cè)經(jīng)刻蝕形成臺(tái)階，臺(tái)階的深度分別至n型InAs/GaSb超晶格接觸層（或Te摻雜GaSb緩沖層）和p型InAs/InAsSb超晶格接觸層（或p型GaSb接觸層（緩沖層）），電極包括金屬下電極、金屬中電極和金屬上電極，金屬下電極與n型InAs/GaSb超晶格接觸層（或Te摻雜GaSb緩沖層）歐姆接觸，金屬中電極與p型InAs/InAsSb超晶格接觸層（或p型GaSb接觸層（緩沖層））歐姆接觸，金屬上電極形成于臺(tái)階的上方，與蓋層歐姆接觸。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種短波/中波/長(zhǎng)波三波段紅外探測(cè)器，包括GaSb襯底、沉積于GaSb襯底上的外延結(jié)構(gòu)、鈍化層、金屬電極，其特征在于所述外延結(jié)構(gòu)從下至上依次為Te摻雜的GaSb緩沖層、n型InAs/GaSb超晶格接觸層、M型InAs/GaSb/AlSb/GaSb/InAs超晶格空穴阻擋層、p型InAs/GaSb超晶格長(zhǎng)波紅外吸收層、p型InAs/GaSb超晶格接觸層、p型GaSb接觸層（緩沖層）、p型InAs/InAsSb超晶格接觸層、未摻雜的InAs/InAsSb超晶格中波紅外吸收層、n型InAs/InAsSb超晶格接觸層、第一n型InAsSb接觸層、AlAsSb電子勢(shì)壘層、非摻雜InAsSb短波紅外吸收層、第二n型InAsSb接觸層（蓋層），外延結(jié)構(gòu)的兩側(cè)經(jīng)刻蝕形成臺(tái)階，臺(tái)階的深度分別至n型InAs/GaSb超晶格接觸層（或Te摻雜GaSb緩沖層）和p型InAs/InAsSb超晶格接觸層（或p型GaSb接觸層（緩沖層）），電極包括金屬下電極、金屬中電極和金屬上電極，金屬下電極與n型InAs/GaSb超晶格接觸層（或Te摻雜GaSb緩沖層）歐姆接觸，金屬中電極與p型InAs/InAsSb超晶格接觸層（或p型GaSb接觸層（緩沖層））歐姆接觸，金屬上電極形成于臺(tái)階的上方，與蓋層歐姆接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波/中波/長(zhǎng)波三波段紅外探測(cè)器，其特征在于所述的GaSb襯底采用(001)方向的n型GaSb襯底或者(001)方向的GaAs襯底。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波/中波/長(zhǎng)波三波段紅外探測(cè)器，其特征在于所述的GaSb緩沖層的厚度為0.5~1.1μm，材料為采用Te進(jìn)行n型摻雜的GaSb材料，Te摻雜濃度為1~2×1018cm-3。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波/中波/長(zhǎng)波三波段紅外探測(cè)器，其特征在于所述的n型InAs/GaSb超晶格接觸層由交替生長(zhǎng)的GaSb勢(shì)壘層/InAs勢(shì)阱層組成，總厚度為0.4~0.6μm。5.其中，InAs勢(shì)阱層的材料采用Si摻雜的InAs材料，摻雜濃度為1~2×1018cm-3；其特征在于所述的p型InAs/GaSb超晶格接觸層由交替生長(zhǎng)的GaSb勢(shì)壘層/InAs勢(shì)阱層組成，總厚度為...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：郝瑞亭，任洋，郭杰，劉思佳，趙其琛，王書榮，常發(fā)冉，劉欣星，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：云南師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：云南;53