專利名稱:寬光譜量子級(jí)聯(lián)紅外探測器的制造方法
【專利摘要】本專利公開了一種寬光譜量子級(jí)聯(lián)紅外探測器，它由一化合物半導(dǎo)體材料襯底，在襯底上交替生長八個(gè)寬度不一勢壘層和量子阱層，并以此為一個(gè)周期，重復(fù)生長多個(gè)周期的多量子阱組成。由于本專利采用了微帶結(jié)構(gòu)做吸收區(qū)，在低溫狀態(tài)下，在紅外光的輻照下，它可以在量子阱區(qū)域形成比目前提出的量子級(jí)聯(lián)探測器有更寬的光響應(yīng)譜，從而更加適于寬光譜探測應(yīng)用。
【專利說明】
寬光譜量子級(jí)聯(lián)紅外探測器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本專利涉及一種紅外探測器，具體指一種多量子阱紅外探測器和量子級(jí)聯(lián)探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]在目前的量子型紅外焦平面技術(shù)中，光敏元芯片都是由若干光導(dǎo)型的空間上電學(xué)與光學(xué)分立的探測器像元組成。相比于碲鎘汞探測器，量子阱紅外探測器具有材料生長和工藝成熟、大面積陣列均勻性好、成品率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但量子效率較低，以至于響應(yīng)率較低，所以對(duì)于量子效率與響應(yīng)率的優(yōu)化尤為重要。
[0003]量子阱紅外探測器的基本原理決定了器件的量子效率正比于吸收系數(shù)，為了提高器件的量子效率，或?yàn)榱嗽谙嗨频奶綔y條件下較大地增大響應(yīng)率，需要增大量子阱基態(tài)上的電子濃度，但電子濃度的增大又直接超線性地增大暗電流，直接導(dǎo)致器件的探測率下降。很大的暗電流的根本物理起因是激發(fā)態(tài)的能量位置處存在很高對(duì)光吸收無貢獻(xiàn)的電子態(tài)密度，若能對(duì)這些冗余電子態(tài)進(jìn)行有效利用，則對(duì)于量子阱紅外探測器的性能改善具有實(shí)用價(jià)值。
[0004]目前人們提出了一種量子級(jí)聯(lián)探測器結(jié)構(gòu)，基于聲子輔助隧穿機(jī)制，具有光伏特性。見參考文南犬L.Gendron et.al.“Quantum cascade photodetector”，Applied PhysicsLetters Vol.85,Daniel Hofstetter et.al.u23GHz operat1n of a room temperaturephotovoltaic quantum cascade detector at 5.35um”，Applied Physics LettersVol.89.器件的響應(yīng)率雖然不及光導(dǎo)型器件優(yōu)越，但工作溫度較高，微帶技術(shù)可以結(jié)合到量子級(jí)聯(lián)探測器中，使得光響應(yīng)譜得到展寬，更適用于寬光譜探測應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本專利的目的是提供一種寬光譜量子級(jí)聯(lián)紅外探測器的基本機(jī)理，利用微帶原理，對(duì)經(jīng)典的量子級(jí)聯(lián)探測器的吸收區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種在結(jié)構(gòu)上獨(dú)特的量子級(jí)聯(lián)探測器，擴(kuò)展了光電吸收范圍，使其光響應(yīng)譜得到展寬。
[0006]本專利的設(shè)計(jì)方案如下:
[0007]寬光譜量子級(jí)聯(lián)紅外探測器包括襯底1、多量子阱2、上電極3、下電極4。
[0008]所述的紅外探測器的結(jié)構(gòu)為GaAs或InP襯底I上采用分子束外延或金屬有機(jī)氣相沉積薄膜生長技術(shù)依次生長下電極層、交替的勢皇層和量子阱層、上電極層，形成一個(gè)GaAs/AlGaAs或InGaAs/InAlAs多量子講2;再在上電極層上制備上電極3，下電極層上制備下電極4;
[0009]所述的多量子講2結(jié)構(gòu)為:
[0010]CiLi(AL2)nC2,
[0011]C1為下電極層，與量子阱層采用相同材料，Si摻雜，濃度為1018/cm3，厚度為0.5μπι至IJlym5C2為上電極層，與量子阱層采用相同材料，Si摻雜，濃度為1018/cm3，厚度為Ο.?μπι到0.SunuL1為寬勢壘層，厚度為40到60nm;L2為二個(gè)單一周期之間的勢壘隔離層，厚度為2到3nm；
[0012]A為單一周期，即為多量子阱耦合結(jié)構(gòu)的基本探測單元，其構(gòu)成結(jié)構(gòu)為:
[0013]QW1Li，Qff2L2，QW3L3, Qff4L41Qff5L5，Qff6L6，Qff7L7，Qff8
[0014]其中:量子阱層QWr-QW8為寬度不一的量子阱層，其中QWjPQW2進(jìn)行摻雜，量子阱層QWr"QW8厚度為2到8nm;勢皇層!^’..丄7’為寬度不一的勢皇層，厚度為3到6醒山’0￥31^’Qff4L4，QffsL5，Qff6L6，QWtL7，QW8組成級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)；
[0015]η為周期數(shù)，η為30-50個(gè)周期；
[0016]上電極3和下電極4結(jié)構(gòu)為三層金屬層結(jié)構(gòu):自下而上依次為10nm的AuGe層，20nm的Ni層，400nm的Au層，或者為二層金屬層結(jié)構(gòu):自下而上依次為50nm的Ti層，400nm的Au層。
[0017]上電極3為二維光柵形狀，其兩個(gè)維度的周期均為2.5μπι，孔為正方形，兩個(gè)平面維度的寬度均為I.5μηι，孔的深度為0.6μηι。
[0018]探測器采用的化合物半導(dǎo)體材料為GaAs/AlGaAs或InGaAs/InAlAs體系，對(duì)應(yīng)的，襯底采用GaAs或InP材料，量子講層采用GaAs或InGaAs材料，勢皇層采用AlGaAs或InAlAs材料，上下電極層采用GaAs或InGaAs材料。
[0019]本專利有如下積極效果和優(yōu)點(diǎn):
[0020]1.本專利由于采用了微帶結(jié)構(gòu)作吸收區(qū)，相比于常規(guī)量子級(jí)聯(lián)探測器，增加了一個(gè)光電吸收區(qū)域，在雙重光電吸收機(jī)區(qū)域用下，光響應(yīng)譜得到有效展寬。
[0021]2.本專利將吸收區(qū)制備的更厚，能夠更有效的吸收入射光，能夠使得量子效率得到大幅提尚。
[0022]3.本專利具有光伏效應(yīng)，可直接將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，并且光伏信號(hào)與結(jié)構(gòu)周期數(shù)成正比，相比于光電導(dǎo)型器件，本專利更容易實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的準(zhǔn)確輸出與讀取。
【附圖說明】

[0023]為了便于說明，我們以GaAs/AlGaAs多量子阱材料為例，給出闡述本專利的示意圖如下:
[0024]圖1為本專利的單一周期寬光譜量子級(jí)聯(lián)紅外探測器光電響應(yīng)原理圖，最右側(cè)量子阱為下一周期的第一個(gè)量子阱QW1;
[0025]圖2為本專利的寬光譜量子級(jí)聯(lián)紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為圖2的寬光譜量子級(jí)聯(lián)紅外探測器上電極層A局部放大剖視示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本專利的單一周期寬光譜量子級(jí)聯(lián)紅外探測器光電響應(yīng)原理作詳細(xì)闡述:見圖1，在無偏壓狀況下，由紅外光在摻雜量子阱中將處于基態(tài)的電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)上，形成探測器的光電子。由于吸收區(qū)由兩個(gè)量子阱組成微帶結(jié)構(gòu)，使得吸收區(qū)中存在兩套基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍迀，激發(fā)態(tài)與相鄰的耦合量子阱基態(tài)發(fā)生聲子輔助隧穿，從而將光電子轉(zhuǎn)移到相鄰的量子阱。
[0028]為了能將機(jī)理闡述更清晰，我們以GaAs/AlGaAs量子阱材料為實(shí)施例。
[0029]1.多量子阱芯片的制備
[0030]例一:
[0031 ] (I)多量子阱芯片的薄膜材料的生長:
[0032]采用分子數(shù)外延(MBE)在GaAs襯底I上按以下結(jié)構(gòu)順次生長，CdGaAs:Si，濃度為11Vcm3，厚度為0.5μπι； L1SAl0.33Ga0.67As，厚度為40nm ； QWAGaAs: Si，濃度為 1017/cm3，厚度為6.8nm； Li ’ 為Al0.33Ga0.eihs，厚度為3nm ； QW2為GaAs: Si，濃度為117/cm3，厚度為6.8nm；L2 ’ 為Al0.33Ga0.67As，厚度為5.65nm; QW3為GaAs，厚度為2nm; L3 ’ 為Al0.33Ga0.67As，厚度為3.96應(yīng);^^4為63八8，厚度為2.3醒江4’為八1().3363().67八8，厚度為3.111111;^^5為63八8，厚度為
2.8nm； L5，為Al0.33Ga0.67As，厚度為3.1nm； QW6為GaAs，厚度為3.4nm； L6，為Al0.33Ga0.67As，厚度為3.Inm；QW7為GaAs，厚度為3.8nm；Li’ 為Al0.33Ga0.67As，厚度為3.Inm；QWs為GaAs，厚度為4.8nm;然后以QW^IjQW8為一個(gè)周期，且每二個(gè)周期之間用L2為Al0.33Ga0.67As，厚度為3.1nm做勢皇隔離，重復(fù)生長30個(gè)周期，最后再生長L2為Al0.33Ga0.67As，厚度為3.lnm; C2為GaAs: Si，濃度為11Vcm3，厚度為10nm，形成一個(gè)多量子阱2.
[0033]寬度為6.8nm的GaAsQWjPQW2量子阱中基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)均處于量子阱中形成受限的局域態(tài)，同時(shí)第一激發(fā)態(tài)與相鄰的量子講QW3中的基態(tài)能級(jí)相差小于一個(gè)縱光學(xué)聲子的能量，可通過聲子輔助隧穿進(jìn)行弛豫，同時(shí)量子阱QW3，Qff4，Qff5，Qff6，Qffy，QW8依次的基態(tài)均與相鄰量子阱的基態(tài)形成聲子輔助隧穿狀態(tài)。在器件中QW1，Qff2，Qff3，Qff4，Qffs，Qff6，Qffy，Qffs 8個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)的組合形成一個(gè)基本探測單元，即形成一個(gè)原理器件。
[0034](2)電極制備
[0035]上電極3直接做在最頂部的C2層上，下電極4通過腐蝕把部分(^層以上的材料全部去除，裸露出Ci層，再在該層上制備下電極4，見圖2。上下電極均用電子束蒸發(fā)10nm的AuGe層，20nm的Ni層，400nm的Au層制備而成。
[0036](3)多量子阱芯片臺(tái)面制備
[0037]在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，見圖3，使入射的紅外光能被充分的耦合到量子講中去，產(chǎn)生量子講QWi和QW2中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍迀。
[0038]例二:
[0039](I)多量子阱芯片的薄膜材料的生長:
[0040]采用分子數(shù)外延(MBE)在GaAs襯底I上按以下結(jié)構(gòu)順次生長，CdGaAs:Si，濃度為11Vcm3，厚度為0.7μπι； L1SAl0.32Ga0.68As，厚度為50nm ； QWAGaAs: Si，濃度為 1017/cm3，厚度為6.9nm； Li ’ 為Al0.32Ga0.6sAs，厚度為4nm ； QW2為GaAs: Si，濃度為117/cm3，厚度為6.9nm；L2 ’ 為AlQ.32GaQ.68As，厚度為5.8nm; QW3為GaAs，厚度為2.2nm; L3 ’ 為AlQ.32GaQ.68As，厚度為
4.lnm； QW4為GaAs，厚度為2.5nm；L4’ 為Al0.32Ga0.6sAs，厚度為3.3nm；QWsSGaAs，厚度為3nm；L5，為Al0.32Ga0.68As，厚度為3.3nm; QW6為GaAs，厚度為3.5nm;L6，為Al0.32Ga0.68As，厚度為3.3nm； QW7SGaAs，厚度為 4.2nm ； L7，為 Al0.32Ga0.68As，厚度為 3.3nm ； QW8 為 GaAs，厚度為
5.2nm;然后以QW^IjQW8為一個(gè)周期，且每二個(gè)周期之間用L2為Al0.32Ga0.68As，厚度為2.5nm做勢皇隔離，重復(fù)生長40個(gè)周期，最后再生長L2為AlQ.32GaQ.esAs，厚度為2.5nm; C2為GaAs: Si，濃度為11Vcm3，厚度為200nm，形成一個(gè)多量子阱2.[0041 ]寬度為6.9nm的GaAs QWjPQW2量子阱中基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)均處于量子阱中形成受限的局域態(tài)，同時(shí)第一激發(fā)態(tài)與相鄰的量子講QW3中的基態(tài)能級(jí)相差小于一個(gè)縱光學(xué)聲子的能量，可通過聲子輔助隧穿進(jìn)行弛豫，同時(shí)量子阱QW3，Qff4，Qff5，Qff6，Qffy，QW8依次的基態(tài)均與相鄰量子阱的基態(tài)形成聲子輔助隧穿狀態(tài)。在器件中QW1，Qff2，Qff3，Qff4，Qffs，Qff6，Qffy，Qffs 8個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)的組合形成一個(gè)基本探測單元，即形成一個(gè)原理器件。
[0042](2)電極制備
[0043]上電極3直接做在最頂部的C2層上，下電極4通過腐蝕把部分(^層以上的材料全部去除，裸露出Ci層，再在該層上制備下電極4，見圖2。上下電極均用電子束蒸發(fā)10nm的AuGe層，20nm的Ni層，400nm的Au層制備而成。
[0044](3)多量子阱芯片臺(tái)面制備
[0045]在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，見圖3，使入射的紅外光能被充分的耦合到量子講中去，產(chǎn)生量子講QWi和QW2中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍迀。
[0046]例三:
[0047](I)多量子阱芯片的薄膜材料的生長:
[0048]采用分子數(shù)外延(MBE)在GaAs襯底I上按以下結(jié)構(gòu)順次生長，CdGaAs:Si，濃度為1018/cm3，厚度為 Ιμπι; L1SAl0.31Ga0.69As，厚度為 eOnmAWiSGaAs: Si，濃度為 11Vcm3，厚度為7nm ； Li ’ 為Al0.31Ga0.69As，厚度為3.5nm ； QW2為GaAs: Si，濃度為 11Vcm3，厚度為7nm; L2 ’ 為△ 10.31630.69厶8，厚度為6]1111;(^3為63厶8，厚度為2.411111;1^3’為厶1().3163().69厶8，厚度為4.311111;(^4為GaAs，厚度為2.7nm ； L4，為Al0.31Ga0.69As，厚度為3.5nm； QW5SGaAs，厚度為3.2nm; L5，為Al0.3iGa0.69As，厚度為3.5nm; QW6為GaAs，厚度為3.7nm;L6’ 為Al0.3iGa0.69As，厚度為3.5nm；QW7 為 GaAs，厚度為4.4nm ； L7 ’ 為 Al0.3iGa0.69As，厚度為3.5nm ； QWs 為GaAs，厚度為 5.4nm ；然后以QWdIjQW8為一個(gè)周期，且每二個(gè)周期之間用1^為41().3似().6!^，厚度為311111做勢皇隔離，重復(fù)生長50個(gè)周期，最后再生長L2為AlQ.31GaQ.69As，厚度為3nm;C2為6&48:3丨，濃度為1018/0113，厚度為300nm，形成一個(gè)多量子阱2.
[0049]寬度為7nm的GaAsQWjPQW2量子阱中基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)均處于量子阱中形成受限的局域態(tài)，同時(shí)第一激發(fā)態(tài)與相鄰的量子阱QW3中的基態(tài)能級(jí)相差小于一個(gè)縱光學(xué)聲子的能量，可通過聲子輔助隧穿進(jìn)行弛豫，同時(shí)量子阱QW3，Qff4，Qff5，Qff6，Qffy，QW8依次的基態(tài)均與相鄰量子阱的基態(tài)形成聲子輔助隧穿狀態(tài)。在器件中QW1，Qff2，Qff3，Qff4，Qffs，Qff6，Qffy，QW8 8個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)的組合形成一個(gè)基本探測單元，即形成一個(gè)原理器件。
[0050](2)電極制備
[0051]上電極3直接做在最頂部的C2層上，下電極4通過腐蝕把部分(^層以上的材料全部去除，裸露出Ci層，再在該層上制備下電極4，見圖2。上下電極均用電子束蒸發(fā)10nm的AuGe層，20nm的Ni層，400nm的Au層制備而成。
[0052](3)多量子阱芯片臺(tái)面制備
[0053]在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，見圖3，使入射的紅外光能被充分的耦合到量子講中去，產(chǎn)生量子講QWi和QW2中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍迀。
[0054]2.器件的工作過程:
[0055]將多量子阱芯片放置在一個(gè)帶有紅外波段光學(xué)窗口的制冷杜瓦中。紅外響應(yīng)波段為8-10微米，芯片制冷到約80K。將偏置電壓7設(shè)置為OV，形成短路狀態(tài)，隨后將紅外光5照射在多量子阱芯片上，此時(shí)由于紅外光的激發(fā)引起量子阱QWj^W2中的電子受激進(jìn)入第一激發(fā)態(tài)，第一激發(fā)態(tài)與相鄰的耦合量子阱基態(tài)發(fā)生聲子輔助隧穿，從而將光電子轉(zhuǎn)移到相鄰的量子阱，并且該電子很難反向輸運(yùn)到QWdPQW2量子阱中。這一過程的完成就形成了光電流信號(hào)6。相對(duì)于常規(guī)量子級(jí)聯(lián)探測器，該結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)光電吸收區(qū)域，增強(qiáng)了器件量子效率，并展寬了光響應(yīng)譜。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種寬光譜量子級(jí)聯(lián)紅外探測器，包括襯底(I)、多量子阱(2)、上電極(3)、下電極(4)，其特征在于: 所述的紅外探測器的結(jié)構(gòu)為GaAs或InP襯底(I)上采用分子束外延或金屬有機(jī)氣相沉積薄膜生長技術(shù)依次生長下電極層、交替的勢皇層和量子阱層、上電極層，形成一個(gè)GaAs/AlGaAs或InGaAs/InAlAs多量子講(2);在上電極層上制備上電極(3)，下電極層上制備下電極⑷； 所述的多量子阱(2)結(jié)構(gòu)為:CiLi(AL2)nC2, Cl為下電極層，厚度為0.5μηι到Iym5C2為上電極層，厚度為0.1ym到0.3ym;Li為寬勢皇層，厚度為40到60nm; L2為二個(gè)單一周期之間的勢皇隔離層，厚度為2到3nm; A為單一周期，即為多量子阱耦合結(jié)構(gòu)的基本探測單元，其構(gòu)成結(jié)構(gòu)為:QffiLi，Qff2L2，QW3L3, Qff4L4，Qff5L5，Qff6L6，Qff7L7，Qff8 其中:量子阱層QWr-QW8為寬度不一的量子阱層，其中QWjPQW2進(jìn)行摻雜，量子阱層0胃1"_018厚度為2到8腹;勢皇層1^’"丄7’為寬度不一的勢皇層，厚度為3到6醒山’0￥31^’Qff4L4，QffsL5，Qff6L6，QWtL7，QWs 組成級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)； η為周期數(shù)，η為30-50個(gè)周期； 上電極(3)和下電極(4)結(jié)構(gòu)為三層金屬層結(jié)構(gòu):自下而上依次為10nm的AuGe層，20nm的Ni層，400nm的Au層;或者為二層金屬層結(jié)構(gòu):自下而上依次為50nm的Ti層，400nm的Au層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬光譜量子級(jí)聯(lián)紅外探測器，其特征在于:所說的上電極(3)為二維光柵形狀，其兩個(gè)維度的周期均為2.5μπι，孔為正方形，兩個(gè)平面維度的寬度均為1.5μηι，孔的深度為0.6μηι。
【文檔編號(hào)】H01L31/0352GK205723564SQ201620319436
【公開日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】周孝好, 李梁, 溫潔, 鄭元遼, 周玉偉, 李寧, 李志鋒, 甄紅樓, 陳平平, 陸衛(wèi)
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所