一種勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器，它由一化合物半導體材料襯底，在襯底上交替生長七個寬度不一勢壘層和量子阱層，并以此為一個周期，重復生長多個周期的多量子阱，再附加包含兩組量子阱層與勢壘層的輔助輸運單元組成。由于本發(fā)明采用了級聯(lián)隧穿結構，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阱紅外探測器更強的光電信號，從而更加適用于量子阱紅外焦平面器件用。
【專利說明】
一種勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種量子阱紅外探測器，具體涉及一種勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器。
【背景技術】
[0002]在目前的量子型紅外焦平面技術中，光敏元芯片都是由若干光導型的空間上電學與光學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，但量子效率較低，以至于響應率較低，所以對于量子效率與響應率的優(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，或為了在相似的探測條件下較大地增大響應率，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光吸收無貢獻的電子態(tài)密度，若能對這些冗余電子態(tài)進行有效利用，則對于量子阱紅外探測器的性能改善具有實用價值。
[0004]目前人們提出了一種量子級聯(lián)探測器結構，基于聲子輔助隧穿機制，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 aroom temperaturephotovoltaic quantum cascade detector at 5.35um，，，AppliedPhysics LettersVol.89.器件的響應率雖然不及光導型器件優(yōu)越，但工作溫度較高，并且級聯(lián)輸運機制可以被應用到光導型器件中，使探測性能得到改善。
[0005]發(fā)明專利(申請?zhí)?01410403444.X)中公開了一種勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器，本發(fā)明相對該發(fā)明，增加了包含兩組量子阱層與勢皇層的輸運輔助單元，能夠實現(xiàn)光電信號的增強。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器，解決探測器光電信號的增強問題。
[0007]本發(fā)明的設計方案如下:
[0008]—種勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器，它包括襯底I，多量子阱2，上電極3，下電極4，其特征在于:
[0009]所述的一種勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器的結構為:在襯底I上生長多量子阱2，多量子阱結構包含下電極層和上電極層，在下電極層上制備下電極4，在上電極層上制備上電極3;
[0010]所述的襯底I為GaAs襯底；
[0011]所述的多量子阱2的結構為:
[0012]CiLi(AL2)nBL2C2
[0013]其中=C1為下電極層，C2為上電極層;1^是厚度為40到60nm寬勢皇層;1^是厚度為2至Ij3nm的勢皇隔離層;A為多量子阱耦合結構的基本探測單元，其結構為:
[0014]Qff1Li，Qff2L2，Qff3L3，Qff4L4，Qff5L5，Qff6L6，Qff7
[0015]B為多量子阱耦合結構的輔助輸運單元，其結構為:
[0016]QWbiLbiQWb2
[0017]&與(:2均為Si重摻雜的GaAs薄膜層,C1厚度為0.5到lym，C2厚度為2到Sym5QW1-QW7為量子阱層，其中QW^厚度為6.8到8nm Si摻雜的GaAs層，QW2-QW7是厚度為2到5.4nm的非摻雜的GaAs層;Li’一L6’是厚度為3.1到6nm的非摻雜AlxGa(1-X)As層，Al組分x為0.14到0.16;以A為單一周期，重復30-50個周期;QWb^QWb2是厚度為6.8到12nm的非摻雜的GaAs層;1^是厚度為2到3nm的非摻雜4]^六8層；所述的上電極3和下電極4為依次沉積厚度為10nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制備成；
[0018]Li ’ Qff2L2 ’ Qff3L3 ’ Qff4L41QffsL5 ’ Qff6L6 ’ QW7 組成勢皇級聯(lián)結構。
[0019]所述的上電極層(:2為光柵形狀，光柵結構為兩維衍射光柵，光柵周期3微米，孔為正方形，邊長為1.5微米，深度為1.5微米。
[0020]本發(fā)明有如下積極效果和優(yōu)點:
[0021]1.本發(fā)明由于采用了勢皇級聯(lián)結構，相比于常規(guī)光電導型量子阱紅外探測器，增加了一種光伏輸運機制，對激發(fā)態(tài)的冗余電子態(tài)進行了有效利用，有效的提高了紅外光的量子效率和響應率。
[0022]2.本發(fā)明對光伏輸運機制的結構進行了優(yōu)化，使之比常規(guī)量子級聯(lián)探測器的光伏輸運特性更好。多量子阱耦合結構輔助輸運單元的引入，可以增大光電流的輸運效率，而對暗電流影響微弱，最終提高器件的探測率。
[0023]3.本發(fā)明兼有光電導機制和光伏機制，在工作偏壓下，與單一光電導機制的量子阱紅外探測器和單一光伏機制的量子級聯(lián)探測器相比，其量子效率與響應率更高。
[0024]4.本發(fā)明具有光伏效應，可直接將光信號轉化成電壓信號，并且光伏信號與結構周期數(shù)成正比，相比于光電導型器件，本發(fā)明更容易實現(xiàn)光電信號的準確輸出與讀取。
【附圖說明】
[0025]本發(fā)明的示意圖如下:
[0026]圖1為本發(fā)明的單一周期勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器光電響應原理圖，最右側量子阱為下一周期的第一個量子阱QW1;
[0027]圖2為本發(fā)明最后一周期量子阱紅外探測器光電響應原理圖，最右側為上電極層C2;
[0028]圖3為本發(fā)明的勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器結構示意圖；
[0029]圖4為圖3的勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器上電極層&局部放大剖視示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發(fā)明的單一周期勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器光電響應原理作詳細闡述:見圖1，在偏壓下，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。這一光電子有兩種途徑形成光電流:I)輸運到連續(xù)態(tài)，在外加電場下進行定向輸運;2)與相鄰的耦合量子阱基態(tài)發(fā)生聲子輔助隧穿，從而將光電子轉移到相鄰的量子阱。圖2中的多量子阱耦合結構輔助輸運單元的引入，可以增大光電流的輸運效率，而對暗電流影響微弱，最終提高器件的探測率。
[0031]1.多量子講芯片的制備
[0032]例一:
[0033](I)多量子阱芯片的薄膜材料的生長:
[0034]采用分子數(shù)外延(MBE)在GaAs襯底I上按以下結構順次生長，CdGaAs:Si，濃度為11Vcm3，厚度為0.5μπι； L1SAl0.16Ga0.84As，厚度為40nm ； QWAGaAs: Si，濃度為 1017/cm3，厚度為6.8nm ； Li，為 Al0.16Ga0.84As，厚度為5.65nm ； QW2 為 GaAs，厚度為 2nm ； L2，為 Al0.16Ga0.84As，厚度為3.96nm； QW3為GaAs，厚度為2.3nm； L3 ’ 為Al0.16Ga0.84As，厚度為3.1nm；QW4為GaAs，厚度為2.8nm;L4’ 為Al0.16Ga0.84As，厚度為3.lnm; QWs為GaAs，厚度為3.3nm;L5’ 為Al0.16Ga0.84As，厚度為3.1nm； QW6為GaAs，厚度為4nm； L6’ 為Al0.16Ga0.84As，厚度為3.1nm；QW7為GaAs，厚度為5nm;然后以QW^QW7為一個周期，且每二個周期之間用L2為AlQ.16GaQ.84As，厚度為2nm做勢皇隔尚，重復生長30個周期，然后生長L2為Al0.16Ga0.84As，厚度為2nm做勢皇隔尚；然后生長QWbi為GaAs，厚度為6.8nm ； Lbi 為 Al0.16Ga0.84As，厚度為 2nm ； QWb2 為 GaAs，厚度為 I Inm ；然后生長 L2為Al0.1eGa0.84As，厚度為2nm做勢皇隔離;C2為GaAs: Si，濃度為1018/cm3，厚度為2μπι，形成一個多量子講2。
[0035]寬度為6.8nm的GaAsQW1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)，其中第一激發(fā)態(tài)位置在阱口附近，同時在適當偏壓下，第一激發(fā)態(tài)與相鄰的量子阱QW2中的基態(tài)能級相差約一個縱光學聲子的能量，可通過聲子輔助隧穿進行弛豫，同時量子阱QW2，Qff3，Qff4，Qff5，Qff6，QW7依次的基態(tài)均與相鄰量子講的基態(tài)形成聲子輔助隧穿狀態(tài)。在器件中QW1，Qff2，Qff3，Qff4，Qffs，Qff6，Qffy 7個量子阱結構的組合形成一個基本探測單元，即形成一個原理器件。
[0036](2)電極制備
[0037]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(^層，再在該層上制備下電極4，見圖3。上下電極均用電子束蒸發(fā)依次厚度為100]11]1的41166、20111]1的附和400111]1的411材料制備而成。
[0038](3)多量子阱芯片臺面制備
[0039]在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，光柵結構為兩維衍射光柵，光柵周期3微米，孔為正方形，邊長為1.5微米，深度為1.5微米，見圖4，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中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍迀。
[0040]例二:
[0041 ] (I)多量子阱芯片的薄膜材料的生長:
[0042]采用分子數(shù)外延(MBE)在GaAs襯底I上按以下結構順次生長，CdGaAs:Si，濃度為11Vcm3，厚度為0.75μπι； L1SAl0.1sGa0.ssAs，厚度為50nm； QW1SGaAs: Si，濃度為11 Vcm3，厚度為 7.6nm;Li’為 Al0.15Ga0.85As，厚度為 5.8nm;QW2 為 6&八8，厚度為2.2]11]1;1^2’為Al0.15Ga0.85As，厚度為4.lnm; QW3為GaAs，厚度為2.5nm;L3’ 為Al0.15Ga0.85As，厚度為3.3nm；QW4SGaAs，厚度為3nm ； L4’ 為Al0.15Ga0.85As，厚度為3.3nm ； QW5SGaAs，厚度為3.5nm; L5 ’ 為Al0.15Ga0.85As，厚度為3.3nm； QW6為GaAs，厚度為4.2nm ； L6 ’ 為Al0.1sGa0.ssAs，厚度為3.3nm；QW7SGaAs，厚度為5.2nm ;然后以QWjIjQW7為一個周期，且每二個周期之間用L2為Al0.1sGa0.ssAs，厚度為2.5nm做勢皇隔離，重復生長40個周期，然后生長L2為Al0.1sGa0.ssAs，厚度為2nm做勢皇隔離;然后生長QWbi為GaAs，厚度為7.6nm； Lbi為Al0.1sGa0.ssAs，厚度為2nm；QWb2為GaAs，厚度為12nm；然后生長L2為Al0.1sGa0.ssAs，厚度為2nm做勢皇隔離;C2為GaAs: Si，濃度為1018/cm3，厚度為2.5μπι，形成一個多量子阱2。
[0043]寬度為7.6nm的GaAsQW1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)，其中第一激發(fā)態(tài)位置在阱口附近，同時在適當偏壓下，第一激發(fā)態(tài)與相鄰的量子阱QW2中的基態(tài)能級相差約一個縱光學聲子的能量，可通過聲子輔助隧穿進行弛豫，同時量子阱QW2，Qff3，Qff4，Qff5，Qff6，QW7依次的基態(tài)均與相鄰量子講的基態(tài)形成聲子輔助隧穿狀態(tài)。在器件中QW1，Qff2，Qff3，Qff4，Qffs，Qff6，Qffy 7個量子阱結構的組合形成一個基本探測單元，即形成一個原理器件。
[0044](2)電極制備
[0045]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(^層，再在該層上制備下電極4，見圖3。上下電極均用電子束蒸發(fā)依次厚度為100]11]1的41166、20111]1的附和400111]1的411材料制備而成。
[0046](3)多量子阱芯片臺面制備
[0047]在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，光柵結構為兩維衍射光柵，光柵周期3微米，孔為正方形，邊長為1.5微米，深度為1.5微米，見圖4，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中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍迀。
[0048]例三:
[0049](I)多量子阱芯片的薄膜材料的生長:
[0050]采用分子數(shù)外延(MBE)在GaAs襯底I上按以下結構順次生長，CdGaAs:Si，濃度為11Vcm3，厚度為Ιμπι； Li^Al0.uGa0.seAs，厚度為60nm； QW1SGaAs: Si，濃度為 1017/cm3，厚度為8nm； Li，為Al0.uGa0.seAs，厚度為6nm； QW2為GaAs，厚度為2.4nm； L2，為Al0.wGa0.86As，厚度為4.3nm; QW3為GaAs，厚度為2.7nm ； L3，為Al0.wGa0.86As，厚度為3.5nm; QW4為GaAs，厚度為3.2nm;L4’ 為 Al0.14Ga0.86As，厚度為 3.5nm; QWs 為GaAs，厚度為3.7nm;L5’ 為 Al0.14Ga0.86As，厚度為3.5nm； QW6為GaAs，厚度為4.4nm； L6 ’ 為Al0.uGa0.seAs，厚度為3.5nm； QW7為GaAs，厚度為
5.4nm;然后以QW^IjQW7為一個周期，且每二個周期之間用1^為41().146&().8*，厚度為3nm做勢皇隔尚，重復生長50個周期，然后生長L2為Al0.14Ga0.86As，厚度為2nm做勢皇隔尚；然后生長QWbi為GaAs，厚度為8nm ； Lbi為Al0.uGa0.seAs，厚度為2nm ； QWb2為GaAs，厚度為13nm ；然后生長L2為Al0.14Ga0.86As，厚度為2nm做勢皇隔離;C2為GaAs: Si，濃度為1018/cm3，厚度為3μηι，形成一個多量子講2。
[0051 ]寬度為Snm的GaAs QW1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)，其中第一激發(fā)態(tài)位置在阱口附近，同時在適當偏壓下，第一激發(fā)態(tài)與相鄰的量子阱QW2中的基態(tài)能級相差約一個縱光學聲子的能量，可通過聲子輔助隧穿進行弛豫，同時量子阱QW2，Qff3，Qff4，Qff5，Qff6，QW7依次的基態(tài)均與相鄰量子講的基態(tài)形成聲子輔助隧穿狀態(tài)。在器件中QW1，Qff2，Qff3，Qff4，Qffs，Qff6，Qffy 7個量子阱結構的組合形成一個基本探測單元，即形成一個原理器件。
[0052](2)電極制備
[0053]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(^層，再在該層上制備下電極4，見圖3。上下電極均用電子束蒸發(fā)依次厚度為100]11]1的41166、20111]1的附和400111]1的411材料制備而成。
[0054](3)多量子阱芯片臺面制備
[0055]在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，光柵結構為兩維衍射光柵，光柵周期3微米，孔為正方形，邊長為1.5微米，深度為1.5微米，見圖4，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中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍迀。
[0056]2.器件的工作過程:
[0057]將多量子阱芯片放置在一個帶有紅外波段光學窗口的制冷杜瓦中。紅外響應波段為6-10微米，芯片制冷到約80K。仔細地微調器件的偏置電壓7，形成良好的聲子輔助隧穿條件，隨后將紅外光5照射在多量子阱芯片上，此時由于紅外光的激發(fā)引起量子阱QW1中的電子受激進入第一激發(fā)態(tài)，此時光電子有兩種輸運機制:I)輸運到連續(xù)態(tài)，在外加電場下進行定向輸運;2)與相鄰的偶和量子講基態(tài)發(fā)生聲子輔助隧穿，從而將光電子轉移到相鄰的量子阱，并且該電子很難反向輸運到(^^量子阱中。這一過程的完成就形成了光電流信號6。相對于常規(guī)量子阱紅外探測器，該結構增加了基于聲子輔助隧穿的輸運機制，增強了器件的響應率并提高了量子效率。
【主權項】
1.一種勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器，它包括襯底(I)，多量子阱(2)，上電極(3)，下電極(4)，其特征在于: 所述的一種勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器的結構為:在襯底(I)上生長多量子阱(2)，多量子阱結構包含下電極層和上電極層，在下電極層上制備下電極(4)，在上電極層上制備上電極(3); 所述的襯底(I)為GaAs襯底； 所述的多量子阱(2)的結構為:CiLi(AL2)nBL2C2 其中:C1為下電極層，C2為上電極層;1^是厚度為40到60nm寬勢皇層;1^2是厚度為2到3nm的勢皇隔離層;A為多量子阱耦合結構的基本探測單元，其結構為: QffiLi ’ Qff2L2 ’ Qff3L3 ’ Qff4L4 ’ Qff5L5 ’ Qff6L6 ’ Qff7 B為多量子阱耦合結構的輔助輸運單元，其結構為:QWbiLbiQWb2 &與(:2均為Si重摻雜的GaAs薄膜層,C1厚度為0.5到Ιμπι，C2厚度為2到Sym5QW1SQW7為量子阱層，其中QW^厚度為6.8到8nm Si摻雜的GaAs層，QW2至QW7是厚度為2nm到8nm的非摻雜的GaAs層;Li’至L6’是厚度為3.1到6nm的非摻雜AlxGa(i—x)As層，Al組分x為0.14到0.16;以A為單一周期，重復30-50個周期;QWBjPQWB2是厚度為6.8到12nm的非摻雜的GaAs層;Lbi是厚度為2到3nm的非摻雜AlGaAs層； 所述的上電極(3)和下電極(4)為依次沉積厚度為I OOnm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制備而成。2.根據(jù)權利要求1所述的一種勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器，其特征在于:所說的上電極層(:2為光柵形狀，光柵結構為兩維衍射光柵，光柵周期3微米，孔為正方形，邊長為1.5微米，深度為1.5微米。
【文檔編號】H01L31/0352GK105957909SQ201610407211
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】李寧, 李梁, 鄭元遼, 周玉偉, 溫潔, 陳平平, 甄紅樓, 周孝好, 李志鋒, 陸衛(wèi)
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所