專利名稱：用于微弱光探測的量子點共振隧穿二極管及探測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及可見光和短波紅外探測器，具體是指一種用于探測可見光及短 波紅外的量子點直接參與共振隧穿的量子點共振隧穿二極管及其探測方法。
技術背景采用半導體異質結構實現(xiàn)的雙勢壘共振隧穿二極管(RTD)結構可以追溯 到1974年，在AlGaAs勢壘GaAs勢阱結構中觀測到了共振隧穿效應。共振隧穿器 件主要應用于電學領域，具有高頻、高速、雙穩(wěn)、自鎖等有優(yōu)點。J. C. Blakesley 等人于2005年首次將共振隧穿應用于高靈敏度光子探測領域(見Phys. Rev. Lett. 94， 067401(2005))。他們采取雙勢壘結構AlxGai—xAs (x=0. 33)勢壘，其 厚度為10nm， GaAs勢阱，其厚度為10nm，并在勢壘外面生長一層量子點(QD)， 形成量子點共振隧穿二極管結構(QD-RTD)。應用這個結構，他們在液氦溫度下 實現(xiàn)了可見光的高靈敏度探測。其原理基于量子點俘獲光生載流子后，量子點 附近的量子阱電勢發(fā)生變化，利用這個變化可以對RTD共振隧穿過程進行調制， 通過檢測RTD共振隧穿電流的變化來探測入射光強。這種器件的缺點是(1)器件工作溫度要求在5K超低溫度，使器件的實用 化遇到了較大困難。(2)器件光探測過程中光生載流子的放大由 AlGaAs/GaAs/AlGaAs雙勢壘共振隧穿效應完成，量子點只是起到影響量子阱電 勢的作用，并沒有直接參與共振隧穿過程，這樣器件的光生載流子放大倍數(shù)難 以繼續(xù)增加，妨礙了它在更高溫度下的應用。(3)勢壘層太厚，隧穿電流過小(峰值電流小于lnA)，不利于光子的高速探測。 發(fā)明內容基于上述已有器件存在的缺點，本發(fā)明的目的是提出一種工作溫度在液氮 溫度下，量子點直接參與共振隧穿的量子點共振隧穿二極管及其探測方法。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是在負偏壓下，通過減薄勢 壘層，讓量子點直接參與共振隧穿過程，形成電極一量子點一雙勢壘一電極的 共振隧穿，而不是常見的電極一雙勢壘一電極的共振隧穿。利用附加的量子點 共振隧穿過程使得器件具有了極高的電流一電壓非線性，也使進一步提高光生 載流子放大倍數(shù)成為可能。為了使器件在液氮溫度下有少光子探測能力，本發(fā)明還提出了一種增強器件光子響應能力的探測方法利用在探測光入射前先對 量子點進行載流子填充形成亞穩(wěn)態(tài)進一步增強了器件的光響應能力。本發(fā)明的量子點共振隧穿二極管，包括半絕緣GaAs襯底，在半絕緣GaAs 襯底上通過分子束外延或金屬有機氣相外延方法依次排列生長GaAs緩沖層、 AlAs腐蝕阻擋層、摻雜濃度漸變的n+GaAs下電極、GaAs間隔層、雙勢壘結構 層、GaAs間隔層、InAs量子點層、光吸收層、n+GaAs上電極。所說的雙勢壘結構層由兩個1-4nm厚的AlAs勢壘層中間夾一 8nm厚的GaAs 勢阱層構成。所說的InAs量子點密度為(1-9) X10'W。所說的光吸收層為GaAs或InGaAs，當吸收層為GaAs時，該器件探測可見 光，當吸收層為InGaAs時，該器件探測短波紅外。 本發(fā)明器件的探測方法包括如下步驟A.首先在暗背景下給器件加上正電壓r+，在正向偏壓下電子從下電極(即 發(fā)射極)往上電極(即集電極)隧穿；B. 然后在暗背景下給器件加上負偏壓V-，此時電子從器件的上電極往下電 極隧穿，讀出此時的峰值電流/1;C. 在暗背景下將偏壓回復到r+，讓器件回復到上述的A狀態(tài)；D. 將被探測光入射到隧穿二極管的光照面上，給器件加上負偏壓V-，記錄 此時的峰值電流為/2 ，通過檢測/,相對/,的變化來探測入射光強。本發(fā)明的器件優(yōu)點如下(1)器件結構簡單，量子點大小和密度均屬常規(guī)生長范圍，制備容易。(2 )器件在液氮溫度下得到了超高靈敏度的光子探測能力。


圖1為本發(fā)明的量子點共振隧穿二極管(QD-RTD)的結構示意圖，圖中L,(T。， U，兩條直線給出了反向偏壓下電流的兩條路徑U^D通過量子點，U。沒通過 量子點。圖2為QD-RTD在77K下，不同入射光強度下的負偏壓電流一電壓曲線。 所有負偏壓曲線均是在4V正向偏置2s后測得的。箭頭表明入射光強度增強方 向。插圖為正向掃描的電流一電壓曲線，兩條曲線(暗背景和加入射光)均是 在-4V偏置2s后再進行正向偏置后測得的。圖3為QD-RTD在77K下的反偏電流一電壓曲線，箭頭表明入射光子速率 增加方向。光子速率單位為每秒每平方微米多少個光子。器件有源區(qū)為5平方 微米。所有反偏電流一電壓曲線均是在4V正偏2s后測得。圖4為器件不同偏壓下的能級圖。(a)、 (b)圖為含量子點和不含量子點 RTD結構在零偏壓下的能級圖。這兩個能級圖由自洽求解泊松方程和薛定諤方程 得到；InAs量子點采用了 InAs量子阱一階近似得到。計算表明當量子點有電子 占據(jù)時，量子點附近的能級會被抬起。(c)、 (d)圖為量子點在正偏壓下充電和反偏壓下放電過程的示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明見圖1，在半絕緣GaAs襯底1上通過分子束外延或金屬有機氣相外延方法依 次排列生長200nm的GaAs緩沖層2、 lOrnn的MAs腐蝕阻擋層3、 380nm的漸 變n+GaAs(摻雜濃度為lx1018-lxl0"cw-3)下電極4、 20nm的GaAs間隔層5、 3nm 的AlAs勢壘6-1、 8nm的GaAs勢阱6-2、 3nm的AlAs勢壘6-1、 2nm的GaAs間 隔層7、密度約為10'Vm一的InAs量子點層8、 150nm的GaAs光吸收層9、 50nm 的n+GaAs(摻雜濃度為2xl018^-3)上電極10。如果要探測紅外波段，將GaAs吸 收層改為InGaAs層，就可以將光響應波段調制到短波紅外。AFM顯示量子點的 實際密度為5.7x101。^-2，直徑20-28nm，高度約8nm。器件工藝采用空氣橋絕緣的共振隧穿二極管工藝，工藝詳細步驟可參考J. Wang et al. ， Appl. Phys. Lett. 65， 1124 (1994)。不同于普通的臺面工藝，空氣橋絕緣工藝的器件有效面積更小，而且歐姆接觸電極遠離器件的有源區(qū)， 大大提高了光子利用效率。我們器件的有效面積為l/朋x5/朋。 器件的光探測方式如下(1) 先在暗背景下給器件作正向偏壓掃描正偏壓下電子從下電極(發(fā)射極)往上電極(集電極)隧穿。對應的共振 隧穿曲線如圖2插圖中虛線所示。此時量子點處于集電極耗盡區(qū)，會被發(fā)射極 隧穿過來的電子逐漸填滿。(2) 然后在暗背景下給器件作反向偏壓掃描此時電子從器件的上電極往下電極隧穿，電子有兩種隧穿路徑UT。為電子 從不含量子點的區(qū)域隧穿，只隧穿過雙勢壘，為三維一二維的隧穿；U-WD為電子從含量子點的區(qū)域隧穿，為三維一o維一二維一三維的隧穿模式。反向掃描的/-r如圖2黑色虛線所示，即暗背景下的曲線。記錄此時的A峰的峰值電流為/,。(3) 在暗背景下重做正向偏壓掃描。 讓器件回復到上述(1)的狀態(tài)，便于考察入射光的響應。(4) 在光照下重做反向偏壓掃描。入射光采用發(fā)射綠光的發(fā)光二極管(LED),通過調節(jié)LED的電流來得到不 同強度的入射光，器件的光響應如圖2所示。記錄此時的A峰峰值電流為/,。 /2 隨著光強單向增大?？梢钥吹紸峰的峰值電流比B峰的峰值電流變化幅度大得 多。對正向偏壓加入同樣大小的光強，其變化幅度(C峰峰值電流)遠小于反向 偏壓。反映了我們的器件在反偏下的高靈敏性。為了進一步驗證我們的器件對光的高靈敏度，我們將530nm的激光衰減到 單光子，測量我們的器件對多少光子會有反映。光子發(fā)射速率由硅雪崩擊穿單 光子計數(shù)模塊(PerkinElmer SPCM-AQR)得到。圖3反映了我們的器件在液氮 溫度下對23個光子每秒每平方微米的光子速率有約10nA的峰值電流變化。考 慮到我們的器件有效面積僅5平方微米，可以估算出一個光子產生了約1000萬 個電子，比常規(guī)探測器理想狀態(tài)下一個光子產生一個電子的效率高了 1000萬倍。 因此我們器件對可見光可以說是超高靈敏度響應。具體應用中需要設置器件的工作電壓點。為了簡化探測過程，可以簡單設置 兩個電壓 一個正向電壓K+和一個反向電壓K。 ^取為使電子大量隧穿到集電 極的電壓。K取為圖2中A峰對應的峰值電壓。對本器件，可以設定r+為4V， Pl 為-l. 7V。在實際探測中可以不用做電壓掃描，只需給器件加上^電壓對量子點 進行充電，然后電壓回復到K，對入射光進行探測.本發(fā)明器件利用的物理機制如下從圖2中可以看到B， C峰的位置幾乎對稱，這是不含量子點的對稱雙勢壘 結構共振隧穿峰最明顯的特征。因此我們認為B, C峰是RTD雙勢壘的共振隧穿 峰，由圖1沿U。路徑隧穿的電子形成。A峰只出現(xiàn)在反向偏壓，正向偏壓并沒 有對應的小峰。其峰值電壓絕對值小于B峰，且峰值電壓不隨入射光強弱而變 化。我們認為A峰是電子從量子點經量子阱共振能級隧穿而形成的，如圖1 LQM1D 路徑所示。圖4 (a)、 (b)為含量子點和不含量子點的器件結構在零偏下的自洽結果， 由自洽求解泊松方程和薛定諤方程得到(作為半定量討論，量子點采用了 InAs 量子阱一階近似)。計算表明，相比RTD，含量子點的QD-RTD自洽后量子點周圍 的電勢有較大幅度抬起。因此在反偏電壓下電子從上電極往下電極隧穿時電子 傾向于從不含量子點的區(qū)域隧穿。量子點的電子越多，從量子點區(qū)域隧穿(見 圖1路徑U—RTD)的電子就越少。量子點電子的充放可由圖4 (c)、 (d)描述。 在正向偏壓下，量子點處于耗盡區(qū)，俘獲發(fā)射極隧穿過來的電子，存儲的電荷 大大增多，為充電過程。在反向偏壓下，量子點處于發(fā)射極。量子點的電子可 以通過量子阱中的能級共振隧穿釋放掉，為放電過程。反偏下電子從上電極隧穿到下電極。由于量子點處在上電極一側，電子的 隧穿受到量子點電勢的強烈影響。對量子點充滿電子時，量子點附近勢阱電勢 抬起，電子不易從滿電子的量子點隧穿過去，而偏向于從旁邊不含量子點的區(qū) 域(如圖1中的L,路徑)隧穿。這樣大部分的電流流經U。，只有少部分電流流 經L。d，。電流調整的結果是暗背景下圖2、 3中A峰的峰值電流絕對值偏小。加光后光生空穴被滿電子的量子點俘獲，量子點存儲的電子被空穴中和而 逐漸減少，量子點周圍電勢的抬起逐漸減小，因此從含量子點區(qū)域(如圖1中 的L,td路徑)隧穿過去的電子逐漸增多，A峰的峰值電流逐漸增大。由于A峰起源于電子從量子點到鄰近量子阱能級的共振隧穿，A峰具有很強的非線性，光 生空穴吸收引起量子點電勢的極小變化會產生很強的電流變化。這就使得高靈 敏度光子檢測成為可能。綜上所述，我們成功的實現(xiàn)了預期的技術方案，利用量子點參與的共振隧 穿過程得到了超高靈敏度的可見光探測器。對近紅外光子，只要把GaAs可見光 吸收層換成InGaAs近紅外吸收層，就可以得到超高靈敏度的近紅外光子探測器。
權利要求
1.一種用于微弱光探測的量子點共振隧穿二極管，包括半絕緣GaAs襯底(1)，在半絕緣GaAs襯底上通過分子束外延或金屬有機氣相外延方法依次排列生長GaAs緩沖層(2)、AlAs腐蝕阻擋層(3)、摻雜濃度漸變的n+GaAs下電極(4)、GaAs間隔層(5)、雙勢壘結構層(6)、GaAs間隔層(7)、InAs量子點層(8)、光吸收層(9)、n+GaAs上電極(10)；其特征在于所說的雙勢壘結構層由兩個1-4nm厚的AlAs勢壘層(6-1)中間夾一8nm厚的GaAs勢阱層(6-2)構成；所說的InAs量子點密度為(1-9)×1010cm-2；所說的光吸收層為GaAs或InGaAs，當吸收層為GaAs時，該器件探測可見光，當吸收層為InGaAs時，該器件探測短波紅外。
2. 根據(jù)權利要求1的一種用于微弱光探測的量子點共振隧穿二極管的探測 方法，其特征在于包括如下步驟A. 首先在暗背景下給器件加上正電壓r+，在正向偏壓下電子從下電極，即 發(fā)射極往上電極，即集電極隧穿；B. 然后在暗背景下給器件加上負偏壓V—，此時電子從器件的上電極往下電 極隧穿，讀出此時的峰值電流/1;C. 在暗背景下將偏壓回復到F+，讓器件回復到上述的A狀態(tài)；D. 將被探測光入射到隧穿二極管的光照面上，給器件加上負偏壓W，記錄 此時的峰值電流為/2 ，通過檢測/,相對/,的變化來探測入射光強。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于微弱光探測的量子點共振隧穿二極管及探測方法，該量子點共振隧穿二極管，包括響應可見光的GaAs或響應紅外的InGaAs光子吸收區(qū)，自組裝量子點、薄的AlAs雙勢壘層、GaAs勢阱層。自組裝量子點和薄的AlAs雙勢壘層、GaAs勢阱層的組合可以讓量子點直接參與共振隧穿過程，大大增強了共振隧穿過程對光生載流子的放大能力。該探測方法利用在入射光探測前先對量子點進行載流子填充形成亞穩(wěn)態(tài)，進一步增強器件的光響應能力。本發(fā)明的優(yōu)點是器件結構簡單，量子點大小和密度均屬常規(guī)生長范圍，制備容易；器件在液氮溫度下得到了超高靈敏度的光子探測能力。
文檔編號H01L31/101GK101237003SQ20071004762
公開日2008年8月6日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權日2007年10月31日
發(fā)明者穎 侯, 波 張, 寧 李, 李天信, 王旺平, 甄紅樓, 衛(wèi) 陸, 陳平平, 陳效雙 申請人:中國科學院上海技術物理研究所