專利名稱：自增益長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器，具體是指一種利用雙勢(shì)壘的共振隧穿結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器的光電探測(cè)性能的自增益長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器。
背景技術(shù)：
在最近的十年里，隨著低維材料的迅猛發(fā)展，量子阱紅外探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)室研究和商業(yè)開(kāi)發(fā)十分活躍。比起傳統(tǒng)的碲鎘汞紅外探測(cè)器，量子阱探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是材料的均勻性好，器件制作工藝成熟、抗輻照、成本低、對(duì)于焦平面列陣探測(cè)器而言，這些優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)的更為明顯。但是，量子阱探測(cè)器由于較大的暗電流和較低的量子吸收效率及由此產(chǎn)生的較小的光電流在應(yīng)用上受到了很大的限制。目前，普遍看好的是GaAs/AlGaAs多量子阱探測(cè)器在長(zhǎng)波波段方面有著相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前途。由于常規(guī)的n型GaAs/AlGaAs多量子阱探測(cè)器是利用窄帶隙的GaAs和寬帶隙的AlGaAs形成量子阱結(jié)構(gòu)，量子阱結(jié)構(gòu)中的束縛態(tài)上的電子吸收紅外光向高能帶躍遷，在外加電場(chǎng)作用下輸運(yùn)，形成光電流實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光的探測(cè)，整個(gè)器件包括n型注入?yún)^(qū)(發(fā)射極)，多量子阱吸收區(qū)，和n型收集區(qū)(集電極)。形成光電流后量子阱中的空位則由注入的補(bǔ)償電流補(bǔ)充。在無(wú)光照時(shí)發(fā)射極的注入電子形成器件的暗電流。由于常規(guī)結(jié)構(gòu)類似電阻，在無(wú)光照射情況下其電阻也不是很大，因此暗電流較大。其主要機(jī)制為熱輔助隧穿和熱電子發(fā)射。由嚴(yán)格的理論計(jì)算表明，常規(guī)多量子阱紅外探測(cè)器的暗電流主要依賴于器件中勢(shì)壘的高度和厚度，勢(shì)壘越高、越厚，暗電流就越小。但是綜合考慮器件的探測(cè)波長(zhǎng)和探測(cè)靈敏度等特性，器件結(jié)構(gòu)中的勢(shì)壘不可能做的很高、很厚，否則光電流也會(huì)受到很強(qiáng)的抑制，因此器件的暗電流一直不能顯著降低。由于器件的噪聲正比于器件的暗電流，因此常規(guī)的GaAs/AlGaAs多量子阱探測(cè)器的探測(cè)率多年來(lái)一直沒(méi)有較大的提高。
隧道效應(yīng)二極管概念的提出可以追溯到幾十年前，首次在極重?fù)诫s的pn結(jié)二極管中實(shí)現(xiàn)。雙勢(shì)壘共振隧穿二極管是用兩個(gè)較薄的AlxGa1-xAs(x＝0.4)勢(shì)壘層將AlxGa1-xAs(x＝0.15)區(qū)分隔開(kāi)，隧道效應(yīng)所要貫穿的勢(shì)壘由AlxGa1-xAs(X＝0.4)/AlxGa1-xAs(x＝0.15)異質(zhì)結(jié)界面上的能帶不連續(xù)形成。如果將其引入常規(guī)的n型GaAs/AlGaAs多量子阱探測(cè)器的發(fā)射極，在一定偏壓且無(wú)光照時(shí)發(fā)射極電子費(fèi)米能級(jí)跟中央量子阱的準(zhǔn)局域子能級(jí)相偏離，此時(shí)器件可以注入的載流子濃度很小；但在一定偏壓并加上光照作用后發(fā)射極的雙勢(shì)壘及量子阱發(fā)生傾斜，當(dāng)發(fā)射極電子的能量跟隧穿結(jié)構(gòu)中央量子阱的準(zhǔn)局域子能級(jí)平齊時(shí)將引起入射載流子的共振隧穿，多量子阱探測(cè)器件系統(tǒng)的光電流值開(kāi)始迅速增大，而器件的暗電流得到顯著抑制，探測(cè)率可得到較大的提高，那么這種新結(jié)構(gòu)的多量子阱紅外探測(cè)器在長(zhǎng)波波段方面將有很大的實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種運(yùn)用雙勢(shì)壘的共振隧穿結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器暗電流顯著抑制而光電流顯著增強(qiáng)的自增益長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在常規(guī)的長(zhǎng)波n型-GaAs/AlGaAs多量子阱探測(cè)器的發(fā)射極端加入合適結(jié)構(gòu)的雙勢(shì)壘的共振隧穿結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)注入電流的控制，從而達(dá)到減小器件暗電流，降低器件噪聲，增大器件光電流，提高器件性能的目的。
本發(fā)明的器件包括GaAs襯底，在GaAs襯底上有通過(guò)分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積方法依次逐層生長(zhǎng)的n型Si重?fù)诫s濃度為1.0×1018cm-3的AlxGa1-xAs發(fā)射極層2，其中x＝0.14-0.15，發(fā)射極層又稱為下電極層；18-22nm厚的非摻雜AlxGa1-xAs過(guò)渡層3，其中x＝0.14-0.15；5-10nm厚的AlxGa1-xAs勢(shì)壘層4，其中x＝0.3-0.4；5-10nm厚的非摻雜AlxGa1-xAs量子阱層5，其中x＝0.14-0.15；5-10nm厚的AlxGa1-xAs勢(shì)壘層6，其中x＝0.3-0.4；18-22nm厚的非摻雜AlxGa1-xAs過(guò)渡層7，其中x＝0.14-0.15；交替生長(zhǎng)10個(gè)周期的多量子阱層8；55-60nm厚的AlxGa1-xAs勢(shì)壘層9，其中x＝0.14-0.15；n型Si重?fù)诫s濃度為1.0×1018cm-3的AlxGa1-xAs上集電極層10，其中x＝0.14-0.15，上集電極層又稱為上電極層；其中勢(shì)壘層(4)、量子阱層(5)、勢(shì)壘層(6)三層構(gòu)成雙勢(shì)壘的共振隧穿結(jié)構(gòu)；所說(shuō)的交替生長(zhǎng)10周期多量子阱層，每個(gè)周期包括1個(gè)55-60nm厚的AlxGa1-xAs勢(shì)壘層和1個(gè)6-7nm厚的GaAs量子阱層，其中x＝0.14-0.15。
本發(fā)明器件基于的工作原理是器件在無(wú)光照時(shí)，在一個(gè)外加偏壓條件下發(fā)射極電子費(fèi)米能級(jí)正好低于隧穿二極管中央量子阱的子能級(jí)能量，尚不能形成共振隧穿，此時(shí)從發(fā)射極注入的載流子濃度很小，因此器件的暗電流很小。但在外加偏壓不變情況下，一旦有紅外光照在器件上激發(fā)了量子阱中的載流子到連續(xù)態(tài)上，電子在電場(chǎng)作用下向集電極漂移，留下了帶有正電特性的量子阱，為此整個(gè)量子阱探測(cè)器中的電場(chǎng)分布發(fā)生變化，形成新的更強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，該內(nèi)建電場(chǎng)將使得發(fā)射極端的量子阱及雙勢(shì)壘發(fā)生傾斜，導(dǎo)致發(fā)射極電子的能量跟隧穿結(jié)構(gòu)中央量子阱的準(zhǔn)局域子能級(jí)平齊時(shí)引起入射載流子的共振隧穿，器件的光電流值開(kāi)始迅速增大，如圖5所示。因此，利用雙勢(shì)壘共振隧穿結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)雙勢(shì)壘中Al的組分及中間量子阱的寬度，可有效控制發(fā)射極端載流子的注入，實(shí)現(xiàn)對(duì)注入載流子的調(diào)控，從而達(dá)到減小器件暗電流，增大器件光電流，簡(jiǎn)化器件結(jié)構(gòu)，提高器件性能的目的。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1與傳統(tǒng)長(zhǎng)波量子阱探測(cè)器相比，新結(jié)構(gòu)的量子阱紅外探測(cè)器可有效調(diào)控重?fù)诫s的發(fā)射極端的載流子的輸運(yùn)，暗電流顯著降低。
2與傳統(tǒng)長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器相比，一定偏壓下有光照時(shí)可引起入射載流子跟雙勢(shì)壘隧穿二極管的局域子能及共振隧穿，從而使得器件的光電流得以顯著放大。
3由于光照時(shí)引起共振隧穿后器件的光電流得以顯著增大，所以跟傳統(tǒng)長(zhǎng)波量子阱探測(cè)器相比，可以減少器件多量子阱層量子阱的個(gè)數(shù)而保持器件性能不被降低，這樣就可以簡(jiǎn)化器件結(jié)構(gòu)。


圖1為本發(fā)明器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明器件在一定偏壓、暗條件下的器件能帶結(jié)構(gòu)示意圖(雙勢(shì)壘隧穿二極管結(jié)構(gòu)后有10個(gè)周期的量子阱結(jié)構(gòu)，為清楚計(jì)，這里只畫(huà)出了3個(gè))，此時(shí)發(fā)射極費(fèi)米能級(jí)跟隧穿二極管的子能級(jí)相偏離；圖3為自洽計(jì)算得到的一定偏壓下有光照時(shí)器件能帶結(jié)構(gòu)圖，此時(shí)發(fā)射極費(fèi)米能級(jí)跟隧穿二極管的子能級(jí)相平齊而引起共振隧穿(器件工作溫度40K)；圖4為本發(fā)明的自增益長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器(10個(gè)周期)與常規(guī)長(zhǎng)波量子阱器件(50個(gè)周期)的暗電流曲線(器件工作溫度40K)；圖5為本發(fā)明的自增益長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器器件(10個(gè)周期)與常規(guī)長(zhǎng)波量子阱器件(50個(gè)周期)的光電流曲線(器件工作溫度40K)；具體實(shí)施方式
下面以峰值探測(cè)波長(zhǎng)在15μm附近，較佳實(shí)施參數(shù)的自增益長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器為例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
見(jiàn)圖1，本發(fā)明的器件包括GaAs襯底1，在GaAs襯底上通過(guò)分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)汽相依次逐層生長(zhǎng)n型重?fù)诫s(Si1.0×1018cm-3)的AlxGa1-xAs(x＝0.14-0.15)發(fā)射極層2；18-22nm厚的非摻雜AlxGa1-xAs(x＝0.14-0.15)過(guò)渡層3；5-10nm厚的AlxGa1-xAs(x＝0.3-0.4)勢(shì)壘層4；5-10nm厚的非摻雜AlxGa1-xAs(x＝0.14-0.15)量子阱層5；5-10nm厚的AlxGa1-xAs(x＝0.3-0.4)勢(shì)壘層6，18-22nm厚的非摻雜AlxGa1-xAs(x＝0.14-0.15)過(guò)渡層7；交替生長(zhǎng)10個(gè)周期的多量子阱層8；55-60nm厚的AlxGa1-xAs(x＝0.14-0.15)勢(shì)壘層9；n型重?fù)诫s(Si1.0×1018cm-3)的AlxGa1-xAs(x＝0.14-0.15)集電極10；其中勢(shì)壘層4、量子阱層5和勢(shì)壘層6三層構(gòu)成雙勢(shì)壘的共振隧穿結(jié)構(gòu)；所說(shuō)的交替生長(zhǎng)10周期多量子阱層，每周期包括1個(gè)55-60nm厚的AlxGa1-xAs(x＝0.14-0.15)勢(shì)壘層和1個(gè)6-7nm厚的GaAs量子阱層。
本發(fā)明器件在具體應(yīng)用時(shí)，首先要將器件偏壓調(diào)到即將共振隧穿發(fā)生之前，即通過(guò)器件的電流電壓曲線將偏壓調(diào)到負(fù)阻振蕩的峰值后，降低偏壓到負(fù)阻振蕩峰的半峰寬處，形成器件工作的偏壓工作點(diǎn)，由圖4及圖5的電流電壓曲線可以看出本實(shí)施例的器件偏壓工作點(diǎn)在5.0伏特左右，外界入射的背景光通量不同，該偏壓工作點(diǎn)會(huì)自動(dòng)地做相應(yīng)變化。
權(quán)利要求
1.一種自增益長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器，其特征在于在GaAs襯底層(1)上有通過(guò)分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積依次逐層生長(zhǎng)的n型Si重?fù)诫s濃度為1.0×1018cm-3的AlxGa1-xAs發(fā)射極層(2)，其中x＝0.14-0.15；18-22nm厚的非摻雜AlxGa1-xAs過(guò)渡層(3)，其中x＝0.14-0.15；5-10nm厚的AlxGa1-xAs勢(shì)壘層(4)，其中x＝0.3-0.4；5-10nm厚的非摻雜AlxGa1-xAs量子阱層(5)，其中x＝0.14-0.15；5-10nm厚的AlxGa1-xAs勢(shì)壘層(6)，其中x＝0.3-0.4；18-22nm厚的非摻雜AlxGa1-xAs過(guò)渡層(7)，其中x＝0.14-0.15；交替生長(zhǎng)10個(gè)周期的多量子阱層(8)；55-60nm厚的AlxGa1-xAs勢(shì)壘層(9)，其中x＝0.14-0.15；n型Si重?fù)诫s濃度為1.0×1018cm-3的AlxGa1-xAs上集電極層(10)，其中x＝0.14-0.15；其中勢(shì)壘層(4)、量子阱層(5)、勢(shì)壘層(6)三層構(gòu)成雙勢(shì)壘的共振隧穿結(jié)構(gòu)；所說(shuō)的交替生長(zhǎng)10個(gè)周期的多量子阱層，每個(gè)周期包括1個(gè)55-60nm厚的AlxGa1-xAs勢(shì)壘層和1個(gè)6-7nm厚的GaAs量子阱層，其中x＝0.14-0.15。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種自增益長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器，該器件由雙勢(shì)壘共振隧穿結(jié)構(gòu)和10個(gè)周期的多量子阱層構(gòu)成。置于器件發(fā)射極端的雙勢(shì)壘共振隧穿結(jié)構(gòu)可以有效控制注入載流子，從而達(dá)到減小器件暗電流，降低器件噪聲，增強(qiáng)器件的光電流的目的。相比傳統(tǒng)的50周期的長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器還大大簡(jiǎn)化了器件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L31/111GK1960007SQ20061011874
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者陸衛(wèi), 熊大元, 李寧, 甄紅樓, 張波, 陳平平, 李天信, 陳效雙, 李志鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所