專利名稱：GaAs/AlGaAs/InGaAs雙色焦平面探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GaAs/AlGaAs/InGaAs雙色集成焦平面列陣探測器，具體是指n型GaAs/AlGaAs/InGaAs中長波雙色集成量子阱紅外焦平面探測器。
背景技術(shù)：
當(dāng)代幾乎所有的紅外探測技術(shù)都是向獲取更多目標(biāo)信息的方向發(fā)展。如果一個紅外熱成像系統(tǒng)能同時在兩個或者兩個以上的波段獲取目標(biāo)信息，就可對復(fù)雜的背景進(jìn)行抑制，提高對目標(biāo)的探測效果，就可在預(yù)警，搜索和跟蹤系統(tǒng)中降低虛警率，提高器件系統(tǒng)的性能和在各武器平臺上的通用性。在最近的二十年里，隨著低維材料的迅猛發(fā)展，量子阱紅外焦平面探測器的實(shí)驗(yàn)室研究和商業(yè)開發(fā)十分活躍。比起傳統(tǒng)的碲鎘汞紅外探測器，量子阱探測器的優(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、對于量子阱焦平面列陣探測器而言，這些優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)的更為明顯。目前，普遍看好的是GaAs/AlGaAs多量子阱探測器在長波波段(8～12μm)和InGaAs/AlGaAs多量子阱探測器在中波波段(3～5μm)應(yīng)用方面有著相當(dāng)?shù)那巴?。雙波段探測器焦平面既受到單波段器件發(fā)展水平和對兩波段熱像系統(tǒng)需求的限制，又有自身從其器件制備到系統(tǒng)應(yīng)用(包括讀出電路)等多方面的困難，因此總體發(fā)展水平遠(yuǎn)低于單波段同類型的探測器。
已有的中長波雙色量子阱紅外焦平面探測器的結(jié)構(gòu)是采用兩套單波段響應(yīng)材料疊加組合，這種結(jié)構(gòu)的探測器需要三個電極層發(fā)射極層，中間電極層和集電極層，特別是中間電極層，在器件材料生長中及器件工藝中有效控制難度大。
對于n型雙色集成量子阱紅外焦平面探測器，由于正入射禁戒原因必須采用衍射光柵結(jié)構(gòu)，而由光柵形成的器件光耦合效率會由于近場效應(yīng)而隨著離開光柵臺面距離的增大而減小，所以上述的雙阱結(jié)構(gòu)中，遠(yuǎn)離光柵層的量子阱結(jié)構(gòu)的光耦合效率會很低。如果此時對衍射光柵采用深度刻蝕，工藝難度將大大提高，一般的常規(guī)工藝難以做到，目前能夠做這樣深度刻蝕的實(shí)驗(yàn)室在國際上也僅有2-3家而已。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以克服上述探測器結(jié)構(gòu)上存在的缺點(diǎn)及制備工藝難度的n型GaAs/AlGaAs/InGaAs中長波雙色集成量子阱紅外焦平面探測器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是采用GaAs基材料，交替生長AlGaAs勢壘/GaAs量子阱/AlGaAs勢壘/InGaAs量子阱/AlGaAs勢壘，利用GaAs量子阱中的子帶間躍遷形成長波波段的探測，利用InGaAs量子阱中的子帶間躍遷形成中波波段的探測。對雙色集成量子阱探測器焦平面中的長波探測的GaAs量子阱，AlGaAs/InGaAs/AlGaAs層構(gòu)成GaAs量子阱的勢壘；對中波探測的InGaAs量子阱，AlGaAs/GaAs/AlGaAs層又構(gòu)成了InGaAs量子阱的勢壘，并且使AlGaAs/InGaAs/AlGaAs層的總厚度和AlGaAs/GaAs/AlGaAs層的總厚度為常規(guī)量子阱紅外探測器中的一個勢壘厚度，以達(dá)到跟常規(guī)量子阱紅外探測器一致水平的暗電流，這樣本發(fā)明的雙色集成量子阱器件總厚度沒有增加，除掉了由于厚度增加使得器件的光電耦合效率下降的因素。在光電耦合方式中采用優(yōu)化的二維雙周期衍射光柵，在光柵刻蝕工藝中采用難度較小的淺深度刻蝕法。
本發(fā)明的器件包括GaAs襯底，在GaAs襯底上置有多量子阱外延薄膜，通過常規(guī)的器件芯片制備工藝在外延薄膜上形成的光敏元列陣；
所說的多量子阱外延薄膜是通過分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積依次逐層生長的n型摻雜的GaAs下電極層；10個周期的多量子阱層；AlxGa1-xAs勢壘層，其中x＝0.23～0.27；n型摻雜的GaAs上電極層；其中10周期的多量子阱層，每個周期依次為45～55nm厚的AlxGa1-xAs勢壘層，4.5～5.5nm厚的GaAs量子阱層，45～55nm厚的AlxGa1-xAs勢壘層，2.5～3.5nm厚的InyGa1-yAs量子阱層；組分x＝0.23～0.27，y＝0.28～0.32；量子阱層的摻雜濃度為2.0～3.0×1017cm-3；光敏元列陣上置有通過刻蝕形成的交叉排列的響應(yīng)中波和長波的二維衍射光柵，由此而構(gòu)成交叉排列的響應(yīng)中波光敏元和響應(yīng)長波光敏元。
所說的二維衍射光柵，長波衍射光柵的周期為2.0μm～3.0μm，對應(yīng)的刻蝕深度為0.50～0.73μm，占空比為1/2；中波衍射光柵的周期為1.25～1.45μm，對應(yīng)的刻蝕深度1為0.30～0.36μm，占空比為1/2。
本發(fā)明器件基于的工作原理是當(dāng)垂直入射的紅外光經(jīng)過長波光柵衍射后，入射光為長波紅外輻射，產(chǎn)生垂直于材料生長方向的有效電場分量，由此形成了入射光子跟GaAs量子阱中的電子耦合，形成長波波段的光生載流子；當(dāng)垂直入射的紅外光經(jīng)過中波光柵衍射后，入射光為中波紅外輻射，入射光子主要跟InGaAs量子阱的電子作用，形成中波波段的光生載流子。電子從基態(tài)激發(fā)到連續(xù)態(tài)，在統(tǒng)一的外加電場下，形成可被讀出的光電流信號。
本發(fā)明的器件具有以下特征及優(yōu)點(diǎn)1.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的雙色集成量子阱探測器需要三個電極層發(fā)射極層(上電極層)，中間電極層及集電極層(下電極層)，特別是中間電極層，在器件材料生長中及器件工藝中有效控制難度大，而本發(fā)明的雙色集成量子阱紅外探測器的材料結(jié)構(gòu)比較簡單，不需要傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的中間電極層，從而使得單色量子阱器件工藝可直接應(yīng)用于本發(fā)明的雙色量子阱探測器。
2.由量子力學(xué)及量子限制效應(yīng)可知，對于本發(fā)明的雙色集成量子阱中的長波探測的GaAs量子阱，AlGaAs/InGaAs/AlGaAs層構(gòu)成GaAs量子阱的勢壘；對中波探測的InGaAs量子阱，AlGaAs/GaAs/AlGaAs層又構(gòu)成InGaAs量子阱的勢壘，為此要抑制器件的暗電流，只要讓AlGaAs/InGaAs/AlGaAs層的總厚度和AlGaAs/GaAs/AlGaAs層的總厚度為常規(guī)量子阱紅外探測器中的一個勢壘厚度即可，這樣本發(fā)明的雙色集成量子阱中的長波探測相對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的雙色集成量子阱探測器其總厚度沒有增加，由于厚度因素使得器件的光電耦合效率下降的原因不存在了。
3.器件的雙色探測，針對中波和長波在光敏元上刻蝕不同周期與深度的光柵即可，在光柵刻蝕中無需做工藝難度很大的深度刻蝕。
4.在器件的具體使用中，對于一定的探測波段，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的中長波雙色量子阱探測器需要調(diào)節(jié)外工作電路以獲得最佳的輸出信號，當(dāng)探測波段改變時，其外工作電路需要重新調(diào)節(jié)；本發(fā)明的雙色集成量子阱紅外探測器只需施加一種偏置電壓，外工作電路不需要反復(fù)調(diào)節(jié)。
5.傳統(tǒng)雙色集成量子阱探測器的兩種量子阱結(jié)構(gòu)的光敏元的阻抗差異很大，對讀出電路提出了很大的難度。本發(fā)明的雙色集成量子阱紅外探測器不存在光敏元阻抗差異的問題，對讀出電路的要求大大更降低。讀出電路要求的降低將極大提高本發(fā)明的中長波雙色集成量子阱紅外探測器的競爭力。


圖1為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的雙色量子阱焦平面探測器在一定偏置電壓下的導(dǎo)帶能帶結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的雙色量子阱焦平面探測器在一定偏置電壓下的導(dǎo)帶能帶結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的雙色量子阱焦平面探測器中的單光敏元剖面結(jié)構(gòu)示意圖，a圖為響應(yīng)長波的單元剖面結(jié)構(gòu)示意圖，b圖為響應(yīng)中波的單元剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明的雙色量子阱焦平面探測器的平面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明的的雙色量子阱紅外焦平面探測器在77K工作溫度和2伏特偏壓下的光電流譜。
具體實(shí)施例方式
下面以峰值探測波長在4.5μm附近的中波紅外波段和9.3μm附近的長波紅外波段雙色集成量子阱紅外焦平面探測器為例，結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
首先，在GaAs襯底1上通過分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積依次逐層生長n型摻雜，摻雜濃度為2.5×1017cm-3的GaAs下電極層2；10個周期的多量子阱層3；50nm的AlxGa1-xAs(x＝0.25)勢壘層4；n型摻雜的GaAs，摻雜濃度2.5×1017cm-3上電極層5；所說的10個周期的多量子阱層3，每個周期包括1個50nm的AlxGa1-xAs(x＝0.25)勢壘層301，1個5nm的GaAs量子阱層302，一個50nm的AlxGa1-xAs(x＝0.25)勢壘層303，1個3.0nm的InyGa1-yAs(y＝0.3)量子阱層304。量子阱層的摻雜濃度為2.5×1017cm-3。
然后，通過常規(guī)的半導(dǎo)體器件制備工藝在多量子阱外延薄膜上形成光敏元列陣，再通過刻蝕形成交叉排列的響應(yīng)中波和長波的二維衍射光柵，由此而構(gòu)成交叉排列的響應(yīng)中波光敏元6和響應(yīng)長波光敏元7。
響應(yīng)中波光敏元6上的衍射光柵601其寬度為1.37μm，對應(yīng)的刻蝕深度為0.34μm，占空比為1/2；響應(yīng)長波光敏元上的衍射光柵701其寬度為2.83μm，對應(yīng)的刻蝕深度為0.7μm，占空比為1/2。
器件具體應(yīng)用中首先將器件工作溫度降低到77K，調(diào)節(jié)工作電壓到2伏特。
權(quán)利要求
1.一種GaAs/AlGaAs/InGaAs雙色焦平面探測器，包括GaAs襯底(1)，在GaAs襯底上置有多量子阱外延薄膜，通過常規(guī)的器件芯片制備工藝在外延薄膜上形成的光敏元列陣；其特征在于所說的光敏元列陣上置有通過刻蝕形成的交叉排列的響應(yīng)中波和長波的二維衍射光柵，由此而構(gòu)成交叉排列的響應(yīng)中波光敏元(6)和響應(yīng)長波光敏元(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種GaAs/AlGaAs/InGaAs雙色焦平面探測器，其特征在于所說的多量子阱外延薄膜是通過分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積依次逐層生長的n型摻雜的GaAs下電極層(2)；10個周期的多量子阱層(3)；AlxGa1-xAs勢壘層(4)，其中x＝0.23～0.27；n型摻雜的GaAs上電極層(5)；其中10周期的多量子阱層，每個周期依次為45～55nm厚的AlxGa1-xAs勢壘層(301)，4.5～5.5nm厚的GaAs量子阱層(302)，45～55nm厚的AlxGa1-xAs勢壘層(303)，2.5～3.5nm厚的InyGa1-yAs量子阱層(304)；組分x＝0.23～0.27，y＝0.28～0.32；量子阱層的摻雜濃度為2.0～3.0×1017cm-3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種GaAs/AlGaAs/InGaAs雙色焦平面探測器，其特征在于所說的二維衍射光柵，長波衍射光柵(601)的周期為2.0μm～3.0μm，對應(yīng)的刻蝕深度為0.50～0.73μm，占空比為1/2；中波衍射光柵(602)的周期為1.25～1.45μm，對應(yīng)的刻蝕深度1為0.30～0.36μm，占空比為1/2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種GaAs/AlGaAs/InGaAs雙色量子阱紅外焦平面探測器，該器件采用GaAs基材料，交替生長AlGaAs勢壘/GaAs量子阱/AlGaAs勢壘/InGaAs量子阱/AlGaAs勢壘，利用GaAs量子阱中的子帶間躍遷形成長波波段的探測，利用InGaAs量子阱中的子帶間躍遷形成中波波段的探測。對長波探測的GaAs量子阱，AlGaAs/InGaAs/AlGaAs層構(gòu)成GaAs量子阱的勢壘；對中波探測的InGaAs量子阱，AlGaAs/GaAs/AlGaAs層又構(gòu)成了InGaAs量子阱的勢壘，并且使AlGaAs/InGaAs/AlGaAs層的總厚度和AlGaAs/GaAs/AlGaAs層的總厚度為常規(guī)量子阱紅外探測器中的一個勢壘厚度，除掉了由于厚度增加使得器件的光電耦合效率下降的因素。在光電耦合方式中采用優(yōu)化的二維雙周期衍射光柵，在光柵刻蝕工藝中采用難度較小的淺深度刻蝕法。
文檔編號H01L31/101GK101055882SQ20071004061
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月14日
發(fā)明者陸衛(wèi), 熊大元, 李寧, 甄紅樓, 張波, 陳平平, 李天信, 李志鋒, 陳效雙 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所