專利名稱：窄帶光譜響應(yīng)的量子阱紅外探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外探測器，具體是指一種窄帶光譜響應(yīng)的量子阱紅外探測器。
本發(fā)明的窄帶光譜響應(yīng)的量子阱紅外探測器的結(jié)構(gòu)見

圖1，包括窄帶濾光片和量子阱薄層。窄帶濾光片由襯底和在襯底二面交替蒸鍍多層低折射率膜層和高折射率膜層組成。膜層厚度為隨機(jī)漲落的層厚，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，產(chǎn)生方法見中國專利01139082.4。襯底材料為常規(guī)的紅外窗口材料，如硅、鍺、硫化鋅、硒化鋅等。在窄帶濾光片的一表面貼附著量子阱薄層，在量子阱薄層上面還制備了一無序型光柵。窄帶濾光片的中心波長必需與量子阱紅外探測器所要探測的波長一致。量子阱薄層的結(jié)構(gòu)為任意一種利用子帶間躍遷導(dǎo)致紅外光探測響應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如GaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)或InGaAs/GaAs結(jié)構(gòu)。
為了對本發(fā)明的器件工作過程討論方便起見，我們以探測器所要探測的波長為15微米，線寬在0.01微米為例進(jìn)行討論，見圖2。當(dāng)紅外入射光從窄帶濾光片處入射，由于濾光片的作用，將波長在15微米，線寬在0.01微米的光注入到量子阱薄層，而其余波段的光全部被反射。入射光進(jìn)入量子阱薄層后，經(jīng)無序型光柵散射后又反射回量子阱薄層內(nèi)，由于無序型光柵的作用，傳播方向?qū)⑵x量子阱薄層中量子阱生長方向，從而引起紅外吸收，產(chǎn)生光電流。而未被吸收的光傳播到量子阱薄層與濾光片的界面處，此時(shí)入射到濾光片表面的光的入射方向是偏離正入射方向的，濾光片的中心透射波長將發(fā)生偏移，如圖3所示。對應(yīng)中心透射波長15微米的入射光，隨入射角度的增大透過率迅速下降。由圖4可見，當(dāng)角度增至3度時(shí)透過率已下降到1/3以下。入射光在其角度偏離正入射大于3度時(shí)，便幾乎不再能透過濾光片，而是在量子阱薄層與濾光片界面處形成全反射，返回量子阱薄層被再次吸收，當(dāng)返回的光再次達(dá)到量子阱薄層表面處的無序型光柵時(shí)，它將繼續(xù)被散射到一個(gè)偏離正入射角度的傳播方向，這一點(diǎn)是不同于周期性光柵的。因?yàn)樵谥芷谛怨鈻胖?，被第一次散射后的光再次返回到光柵處再度散射后，將重新回到正入射方向。而被無序型光柵不斷散射的光將不斷地折返于量子阱薄層上表面無序型光柵和濾光片與量子阱薄層界面這二個(gè)面之間，從而構(gòu)成入射紅外光在量子阱薄層中的完全吸收，大大地提高了量子阱紅外探測器的量子效率。
本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于1.能有效地提高量子阱紅外探測器的量子效率，特別是長波和甚長波的量子阱紅外探測器的量子效率，因?yàn)閷τ陂L波與甚長波器件，響應(yīng)波長愈長，則在相同量子阱內(nèi)摻雜濃度條件下，暗電流愈大，從而工作溫度必須愈低，為了降低暗電流和提高工作溫度，一個(gè)有效的方法是降低量子阱中的摻雜濃度，但這一方法同時(shí)大大降低了器件的吸收系數(shù)，從而使量子效率大大下降。而采用本專利提出的器件結(jié)構(gòu)，由于紅外光被多次吸收，從而器件的量子效率相對量子阱中摻雜濃度的敏感性被有效地抑制，達(dá)到了量子效率下降不多條件下實(shí)現(xiàn)暗電流大幅度下降的目的，從而達(dá)到提高探測率和工作溫度的目的。
2.由于器件結(jié)構(gòu)中量子阱探測器是與窄帶濾光片集成在一起的，所以該器件將是一種窄帶響應(yīng)的紅外探測器，在長波特別是甚長波器件應(yīng)用中，會(huì)大大地降低背景光電流，從而在向焦平面器件發(fā)展中有利于與讀出電路的耦合，
降低對讀出電路的積分電容值過大的要求。
3.由于被散射成較小角度的紅外光，也將被限制在量子阱薄層內(nèi)，所以對器件的光柵制備要求將大大地降低，大部分被散射的光將都會(huì)被量子阱層吸收，不同于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中當(dāng)被散射角度偏小時(shí)光將會(huì)離開量子阱薄層從而損失掉。
1.窄帶濾光片1的制備根據(jù)探測器的探測要求，窄帶濾光片以硅為襯底，中心波長為15微米，線寬在0.01微米，其襯底二面的膜系結(jié)構(gòu)采用中國專利01139082.4的方法設(shè)計(jì)，具體參數(shù)見表1。膜系的蒸發(fā)采用常規(guī)的熱蒸發(fā)鍍膜手段實(shí)現(xiàn)。
2.GaAs/AlGaAs量子阱薄層2的制備見圖5，采用分子束外延或金屬有機(jī)汽相外延方法在GaAs襯底4上依次生長鋁組份大于0.5的AlxGa1-xAs層201，具厚度大于600納米，作為器件制備時(shí)的犧牲層；摻硅濃度為1×1018cm-3的GaAs下電極層202；交替生長50個(gè)周期的Al0.14Ga0.86As勢壘層203，其厚度為60納米和摻硅濃度為1×1017cm-3GaAs勢阱層204，其厚度為7納米；Al0.14Ga0.86As勢壘層203，其厚度為60納米；摻硅濃度為1×1018cm-3的GaAs上電極層205。
3.將窄帶濾光片1和GaAs/AlGaAs量子阱薄層2集成為一體將生長好的帶GaAs襯底4的量子阱薄層2切割成尺寸在1mm2～100mm2的小片，然后應(yīng)用傳統(tǒng)的剝離方法，將其浸泡在腐蝕液中，腐蝕液通過選擇性地腐蝕AlxGa1-xAs層201后便將所生長的量子阱薄層與GaAs襯底4相互分離開，得到了量子阱薄層2。然后將量子阱薄層2漂浮在去離子水的水面上，將窄帶濾光片1浸入水中使量子阱薄層2附在窄帶濾光片1表面上，并使下電極層202與窄帶濾光片1表面相接觸，而后自然涼干，這樣窄帶濾光片1和GaAs/AlGaAs量子阱薄層2集成為一體。
再將窄帶濾光片1和GaAs/AlGaAs量子阱薄層2集成體進(jìn)一步制備成量子阱纖外探測器，先在上電極層205上制備成如圖1所示的無序型光柵3，隨后腐蝕去部分勢壘層203和勢阱層204，使下電極層202裸露出來，在裸露的202層和剩余的205層上做歐姆接觸型的電極，然后焊上引線，窄帶光譜響應(yīng)的GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器制備完畢。
表1窄帶濾光片的膜系結(jié)構(gòu)


權(quán)利要求
1.一種窄帶光譜響應(yīng)的量子阱紅外探測器，包括窄帶濾光片(1)和量子阱薄層(2)，窄帶濾光片由襯底和在襯底二面交替蒸鍍多層低折射率膜層和高折射率膜層組成，膜層厚度為隨機(jī)漲落的層厚，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，襯底材料為常規(guī)的紅外窗口材料，如硅、鍺、硫化鋅、硒化鋅等；其特征在于a.在窄帶濾光片(1)的一表面貼附著量子阱薄層(2)，在量子阱薄層(2)上面還制備有一無序型光柵(3)；b.窄帶濾光片的中心波長必需與量子阱紅外探測器所要探測的波長一至。
2.根據(jù)權(quán)利要求1一種窄帶光譜響應(yīng)的量子阱紅外探測器，其特征在于所說的量子阱薄層(2)的結(jié)構(gòu)為任意一種利用子帶間躍遷導(dǎo)致紅外光探測響應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如GaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)或InGaAs/GaAs結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種特別適合于長波與甚長波響應(yīng)的高量子效率窄帶光譜響應(yīng)的量子阱紅外探測器，包括窄帶濾光片，在窄帶濾光片的一表面附著厚度為幾個(gè)微米的量子阱薄層，在量子阱薄層上面還制備有一無序型光柵。其中還公開了各部分的制備過程和相關(guān)的工作模式。這類器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是將有效地提高器件的量子效率和工作溫度，抑制器件的暗電流和背景光電流，進(jìn)而大大提高器件的性能。
文檔編號H01L31/00GK1399351SQ0213672
公開日2003年2月26日 申請日期2002年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月29日
發(fā)明者陸衛(wèi), 甄紅樓, 李寧, 徐向晏, 李志鋒, 陳效雙 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所