基于共振隧穿效應(yīng)的近紅外探測(cè)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及近紅外探測(cè)器，具體涉及一種基于共振隧穿效應(yīng)，可在室溫下工作的高靈敏度近紅外探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]高靈敏度近紅外光探測(cè)在微光夜視、精確制導(dǎo)、激光三維成像、空間遙感等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是隨著近些年來(lái)量子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)1310nm和1550nm波段的光探測(cè)技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。目前，在近紅外波段使用較為廣泛的探測(cè)器類型主要是雪崩二極管，其工作機(jī)制是基于光生載流子在倍增區(qū)內(nèi)的倍增現(xiàn)象，為了實(shí)現(xiàn)較高的靈敏度，雪崩二極管需要工作于蓋革模式，這需要很高的工作電壓，并將不可避免的增大過(guò)剩噪聲和后脈沖計(jì)數(shù)。因此，高性能新型光電探測(cè)器的探索和研究，非常具有必要性和迫切性。
[0003]近年來(lái)，世界各地的多個(gè)研究小組對(duì)基于共振隧穿效應(yīng)的光探測(cè)進(jìn)行了研究，他們?cè)诠舱袼泶┒O管中加入了吸收層和量子點(diǎn)層，入射光被吸收層吸收后產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，光生空穴漂移至量子點(diǎn)層并被量子點(diǎn)捕獲，這將調(diào)控雙勢(shì)皇兩側(cè)的電勢(shì)，造成隧穿電流的變化。相比傳統(tǒng)類型的單光子探測(cè)器，基于共振隧穿效應(yīng)的光電探測(cè)器在工作電壓、量子效率、暗計(jì)數(shù)等方面，均具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。為了增強(qiáng)量子點(diǎn)對(duì)光生空穴的束縛作用并抑制噪聲，這種類型的探測(cè)器往往需要很低的工作溫度，這極大地限制了該類型探測(cè)器的應(yīng)用領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0005]針對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的制約因素，本發(fā)明提供了一種基于共振隧穿效應(yīng)，可在室溫下工作的高靈敏度光電探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的近紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)共振隧穿二極管，但將共振隧穿二極管通常采用的雙勢(shì)皇結(jié)構(gòu)變更為三勢(shì)皇結(jié)構(gòu)，沿外延生長(zhǎng)方向依次設(shè)計(jì)為襯底、電極、發(fā)射極、隔離層、勢(shì)皇層、量子阱、勢(shì)皇層、量子阱、勢(shì)皇層、吸收層、集電極和電極。
[0007]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的近紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的制備方法為:首先采用分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)探測(cè)器的材料層，生長(zhǎng)之前需要先對(duì)襯底進(jìn)行除氣和脫氧處理，外延生長(zhǎng)的順序?yàn)?發(fā)射極(η型重?fù)诫s)、隔離層(不摻雜)、勢(shì)皇層(不摻雜)、量子阱(不摻雜)、勢(shì)皇層(不摻雜)、量子阱(不摻雜)、勢(shì)皇層(不摻雜)、吸收層(不摻雜)、集電極(η型重?fù)诫s)。其中吸收層厚度范圍是0.1-2 μ m，采用材料為InGaAs。隔離層的厚度范圍為2_20nm，勢(shì)皇層的厚度范圍為l_7nm，量子阱的厚度范圍為l-7nm。三勢(shì)皇結(jié)構(gòu)中，靠近集電極一側(cè)的勢(shì)阱厚度小于靠近發(fā)射極一側(cè)的勢(shì)阱厚度。然后采用刻蝕技術(shù)形成臺(tái)面，并采用S1Jt器件側(cè)壁進(jìn)行鈍化，通過(guò)濕法腐蝕在器件頂部形成光敏面。
[0008]最后采用金屬濺射及剝離技術(shù)形成電極。
[0009]探測(cè)器工作時(shí)加正向偏壓，近紅外光從集電極入射，并在吸收層產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，光生電子在電場(chǎng)作用下向集電極方向漂移，光生空穴在電場(chǎng)作用下向三勢(shì)皇結(jié)構(gòu)方向漂移，由于受到空穴勢(shì)皇的阻擋，光生空穴將在雙勢(shì)皇結(jié)構(gòu)和吸收層的界面處堆積，這將改變?nèi)齽?shì)皇結(jié)構(gòu)兩側(cè)的電勢(shì)，進(jìn)而增大隧穿電流，產(chǎn)生可探測(cè)的電信號(hào)。
[0010](三)有益效果
[0011]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0012](I)通過(guò)將雙勢(shì)皇結(jié)構(gòu)變更為三勢(shì)皇結(jié)構(gòu)，降低了探測(cè)器的散粒噪聲；
[0013](2)探測(cè)器基于共振隧穿效應(yīng)進(jìn)行光探測(cè)，能夠在室溫下維持很高的響應(yīng)度；
[0014](3)本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)為共振隧穿二極管，這是電路中的一種常用元件，因此本發(fā)明便于與其它光電子器件集成。
【附圖說(shuō)明】
[0015]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中:
[0016]圖1是基于共振隧穿效應(yīng)的高靈敏度近紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖2是基于共振隧穿效應(yīng)的高靈敏度近紅外探測(cè)器的工作原理圖；
[0018]圖3a是采用圖1所述結(jié)構(gòu)制備的樣品在有光照時(shí)的伏安特性曲線；
[0019]圖3b是采用圖1所述結(jié)構(gòu)制備的樣品在無(wú)光照時(shí)的伏安特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0020]需要說(shuō)明的是，附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，以下實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明。
[0021]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種采用分子束外延技術(shù)，根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)，制備高靈敏度近紅外探測(cè)器的方法。
[0022]首先在InP襯底I上外延生長(zhǎng)厚度為lOOnm、摻雜濃度為2X 118Cm3的η型Ina53Gaa47As作為發(fā)射極2，然后生長(zhǎng)20nm的Ina53Gaa47As隔離層3，接下來(lái)依次生長(zhǎng)5MLAlAs 勢(shì)皇層 4、8nm Ina53Gaa47As 量子講 5、5ML AlAs 勢(shì)皇層 4、5nm Ina53Gaa47As 量子講 6和5ML AlAs勢(shì)皇層4構(gòu)成三勢(shì)皇結(jié)構(gòu)，然后生長(zhǎng)100nm的Ina53Gaa47As吸收層7，接著生長(zhǎng)厚度為lOOnm、摻雜濃度為I X 101S-2X 118Cm 3的η型In a53GaQ.47As作為集電極11，最后通過(guò)光刻后濺射剝離Au形成環(huán)形上電極9和下電極10。
[0023]基于共振隧穿效應(yīng)的高靈敏度近紅外探測(cè)器的探測(cè)機(jī)理如圖2所示，探測(cè)器工作時(shí)加正向偏壓，近紅外光從集電極8入射后，在吸收層7被吸收并產(chǎn)生光生電子11和光生空穴12。光生電子11在電場(chǎng)作用下向集電極8方向漂移，光生空穴12在電場(chǎng)作用下向發(fā)射極2方向漂移。由于受到AlAs勢(shì)皇層4的阻擋，光生空穴12在吸收層7和AlAs勢(shì)皇層4的界面處堆積，這將改變?nèi)齽?shì)皇結(jié)構(gòu)兩側(cè)的電勢(shì)，進(jìn)而增大隧穿電流，產(chǎn)生可探測(cè)的電信號(hào)。
[0024]為了驗(yàn)證本發(fā)明的效果，申請(qǐng)人對(duì)探測(cè)器在室溫下的光響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試。圖3a、3b為采用圖1所述結(jié)構(gòu)所生長(zhǎng)樣品在有、無(wú)光照時(shí)的伏安特性曲線，測(cè)試時(shí)探測(cè)器光敏面的入射光功率為0.5pff0通過(guò)計(jì)算可以得出，器件偏壓為0.44V時(shí)，探測(cè)器的光響應(yīng)度為
1.7X 10SA/W。而在國(guó)外的報(bào)道中，采用GaAs/AlGaAs/GaAs雙勢(shì)皇結(jié)構(gòu)和GaInNAs吸收層，并采用共振腔增強(qiáng)技術(shù)后，其在室溫下對(duì)PW量級(jí)入射光的響應(yīng)度為3.1X104A/W。[參考文獻(xiàn):Andreas Pfenning, etl.Cavity-enhanced resonant tunneling photodetector attelecommunicat1n, wavelengths.APPLIED PHYSICS LETTERS 104,101109(2014)]
[0025]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于共振隧穿效應(yīng)的近紅外探測(cè)器，探測(cè)器的主體結(jié)構(gòu)為共振隧穿二極管，其特征在于:共振隧穿二極管具有三勢(shì)皇結(jié)構(gòu)，沿外延生長(zhǎng)方向依次設(shè)計(jì)為襯底、電極、發(fā)射極、隔離層、勢(shì)皇層、量子阱、勢(shì)皇層、量子阱、勢(shì)皇層、吸收層、集電極和電極。2.如權(quán)利要求1所述的基于共振隧穿效應(yīng)的近紅外探測(cè)器，其特征在于:其中吸收層厚度范圍是0.1-2 μ m，采用材料為InGaAs。3.如權(quán)利要求1所述的基于共振隧穿效應(yīng)的近紅外探測(cè)器，其特征在于:其中發(fā)射極為η型重?fù)诫s，隔離層和勢(shì)皇層不摻雜，量子阱和吸收層不摻雜，集電極為η型重?fù)诫s。4.如權(quán)利要求3所述的基于共振隧穿效應(yīng)的近紅外探測(cè)器，其特征在于:其中三勢(shì)皇結(jié)構(gòu)中，靠近集電極一側(cè)的勢(shì)阱厚度小于靠近發(fā)射極一側(cè)的勢(shì)阱厚度。5.如權(quán)利要求1所述的基于共振隧穿效應(yīng)的近紅外探測(cè)器的制備方法，其特征在于:首先采用分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)探測(cè)器的材料層，外延生長(zhǎng)的順序?yàn)?發(fā)射極、隔離層、勢(shì)皇層、量子阱、勢(shì)皇層、量子阱、勢(shì)皇層、吸收層和集電極； 然后采用刻蝕技術(shù)形成臺(tái)面，并采用S12對(duì)器件側(cè)壁進(jìn)行鈍化，通過(guò)濕法腐蝕在器件頂部形成光敏面； 最后采用金屬濺射及剝離技術(shù)形成電極。6.如權(quán)利要求5所述的基于共振隧穿效應(yīng)的近紅外探測(cè)器的制備方法，其中吸收層厚度范圍是0.1-2 μ m，采用材料為InGaAs。7.如權(quán)利要求5所述的基于共振隧穿效應(yīng)的近紅外探測(cè)器的制備方法，其中，隔離層的厚度范圍為2-20nm，勢(shì)皇層的厚度范圍為l_7nm，量子阱厚度范圍為l_7nm。8.如權(quán)利要求7所述的基于共振隧穿效應(yīng)的近紅外探測(cè)器的制備方法，其中，三勢(shì)皇結(jié)構(gòu)中，靠近集電極一側(cè)的勢(shì)阱厚度小于靠近發(fā)射極一側(cè)的勢(shì)阱厚度。9.如權(quán)利要求8所述的基于共振隧穿效應(yīng)的近紅外探測(cè)器的制備方法，其中，發(fā)射極為η型重?fù)诫s，隔離層和勢(shì)皇層不摻雜，量子阱和吸收層不摻雜，集電極為η型重?fù)诫s。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于共振隧穿效應(yīng)的近紅外探測(cè)器，其主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)共振隧穿二極管，但將共振隧穿二極管通常采用的雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)變更為三勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，以此抑制探測(cè)器的散粒噪聲，并在三勢(shì)壘結(jié)構(gòu)和集電極之間外延生長(zhǎng)吸收層。探測(cè)器工作時(shí)加正向偏壓，近紅外光從集電極入射，并在吸收層產(chǎn)生光生電子一空穴對(duì)，光生空穴在電場(chǎng)作用下向三勢(shì)壘結(jié)構(gòu)方向漂移，并在雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)和吸收層的界面處堆積，進(jìn)而改變了三勢(shì)壘結(jié)構(gòu)兩側(cè)的電勢(shì)，增大了隧穿電流。探測(cè)器在室溫下具有很高的響應(yīng)度。
【IPC分類】H01L21/329, H01L29/06, H01L29/88
【公開(kāi)號(hào)】CN105047725
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510308843
【發(fā)明人】王廣龍, 董宇, 倪海橋, 陳建輝, 高鳳岐, 喬中濤, 裴康明, 牛智川
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所, 中國(guó)人民解放軍軍械工程學(xué)院
【公開(kāi)日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年6月8日