專利名稱：量子阱紅外探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體紅外光電器件，具體涉及一種量子阱紅外探測器(Quantum Well Infrared Photodetectors，簡稱為 QWIP)。
背景技術(shù)：
在中紅外至遠紅外波段發(fā)展較為成熟的傳統(tǒng)探測器有碲化銦(InSb)紅外探測 器，和碲鎘汞(HgCdTe)紅外探測器。最近三十年來，隨著低維材料技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了量子 阱紅外探測器這一新技術(shù)，并且得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。與其他紅外技術(shù)相比，量子阱紅 外探測器具有響應(yīng)速度快、探測率高、探測波長調(diào)，抗輻射性強等優(yōu)點，而且可以用分子束 外延技術(shù)(MBE)或金屬有機化學(xué)氣相沉積(M0CVD)等先進工藝生長，容易做出高品質(zhì)、大面 積、均勻性強的探測器陣列。在所用的各種材料的中，砷化鎵/鋁鎵砷(GaAS/AlxGai_xAS)材 料是應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)最為成熟的。它就有很多優(yōu)良特性，如電子遷移率高、禁帶寬度大、 具有直接躍遷的能帶結(jié)構(gòu)。目前基于GaAs的量子阱紅外探測器已經(jīng)發(fā)展成為比較成熟的 技術(shù)，人們已經(jīng)利用它實現(xiàn)了對中、遠紅外以至太赫茲等各個區(qū)域的覆蓋。目前，中遠紅外波段的主流紅外探測器，包括InSb紅外探測器、HgCdTe紅外探測 器、量子阱紅外探測器都在低溫下工作(通常低于100K)，需要通過液氮杜瓦或循環(huán)制冷機 制冷，嚴重限制了它們的廣泛應(yīng)用。此外，隨著科技的發(fā)展，人們也對探測器的響應(yīng)速度提 出了很高的要求。在此前提下，急需出現(xiàn)一種室溫或準室溫工作、具備很高吸收系數(shù)和很快 響應(yīng)速度的紅外探測器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種量子阱紅外探測器，它可以在室溫或準室 溫工作，且具備很高的吸收系數(shù)和很快的響應(yīng)速度。為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種量子阱紅外探測器，包括GaAs襯底 層，在所述GaAs襯底層上通過分子束外延技術(shù)或金屬有機化學(xué)氣相沉積依次逐層生長的未摻雜的GaAs緩沖層；n型摻雜的GaAs下電極層；先勢壘后勢阱交替生長多個周期形成的多量子阱層；AlxGai_xAs 勢壘層；n型摻雜的GaAs上電極層；其中，所述的多量子阱層，每個周期包括一個AlxGai_xAs勢壘層和一個GaAs勢阱 層，所述AlxGai_xAs勢壘層的厚度為所述GaAs勢阱層的厚度的15 20倍，所述的多量子阱 層一個周期的厚度為80 120nm，所述的多量子阱層的周期數(shù)為15 20。優(yōu)選地，所述GaAs勢阱層進行n型摻雜，所摻雜質(zhì)為硅，其摻雜濃度高于 1x1018cht3。優(yōu)選地，所述勢壘高度由AlxGai_xAs中的A1組分x決定，x的范圍在0. 1 0. 5。
優(yōu)選地，所述量子阱紅外探測器屬于束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)或準連續(xù)態(tài)躍遷型量子阱紅 外探測器。優(yōu)選地，所述量子阱紅外探測器采用表面光柵結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述量子阱紅外探測器的工作溫度高于200K。本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.本發(fā)明的量子阱紅外探測器能夠在室溫或者準室溫的條件下工作，工作溫度大 于200K，無需制冷設(shè)備或者僅需要半導(dǎo)體熱電制冷器進行制冷。相比之下，常規(guī)的量子阱紅 外探測器通常工作在100K以下，需要安置在杜瓦或循環(huán)制冷機中。2.本發(fā)明的量子阱紅外探測器具備很高的光吸收系數(shù)，室溫或準室溫下光吸收系 數(shù)達到30%以上。3.本發(fā)明的量子阱紅外探測器實現(xiàn)了對暗電流的有效抑制，從而大大減小了器件 噪聲，提高了探測率，在室溫或者準室溫下的探測率可達到或者接近理論極限值(背景限 制探測率)。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1是本發(fā)明的量子阱紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中多量子阱層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1和圖2所示，本發(fā)明所提出的量子阱紅外探測器利用GaAs材料為襯底1，利 用MBE或者M0CVD技術(shù)逐層生長出以下多層結(jié)構(gòu)(1) 一層未摻雜的GaAs緩沖層2。(2) n型摻雜的GaAs下電極層3，其厚度為0.5 10 iim，所摻雜質(zhì)為硅(Si)，其摻 雜濃度為0. 5 5. OX 1018cm_3，例如使Si摻雜濃度約為IX 1018cm_3。(3)先勢壘后勢阱交替生長多個周期形成的多量子阱層4，多量子阱層4的周期數(shù) 為15 20。其中，每個周期包括一個AlxGai_xAs勢壘層41和一個GaAs勢阱層42，GaAs勢 阱層42中進行n型摻雜，所摻雜質(zhì)為Si，摻雜濃度滿足或接近背景限制溫度的最優(yōu)化條件， 其摻雜濃度高于IX 1018cm_3(例如使Si摻雜濃度約為2X 1018cm_3)。勢阱寬度、勢壘厚度和 勢壘高度根據(jù)所探測的紅外光子頻率設(shè)計，AlxGal-xAs勢壘層41的厚度為GaAs勢阱層42 的厚度的15 20倍，多量子阱層4 一個周期的厚度為80 120nm，勢壘高度由AlxGai_xAs 中的A1組分x決定，x的范圍在0. 1 0. 5。(4) AlxGai_xAs 勢壘層 43 ；(5)GaAs頂部電極層5，其厚度為0. 5 10 y m，所摻雜質(zhì)為Si，其摻雜濃度為 0. 5 5. 0 X 1018cnT3，例如使Si摻雜濃度約為1 X 1018cnT3。量子阱紅外探測器屬于束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)或準連續(xù)態(tài)躍遷型量子阱紅外探測器。量 子阱紅外探測器采用表面光柵結(jié)構(gòu)。量子阱紅外探測器的工作溫度高于200K。本發(fā)明的量子阱紅外探測器的工作原理為將兩種不同的半導(dǎo)體材料(AlxGai_xAs 和GaAs)交替生長形成周期外延層，若這兩種材料具有不同的帶隙或能帶結(jié)構(gòu)，在異質(zhì)界面處將發(fā)生能帶的不連續(xù)。在勢阱很窄，與電子波長可比擬時，根據(jù)量子力學(xué)原理，勢阱中 會產(chǎn)生束縛的分裂能級。當(dāng)有光激發(fā)時，基態(tài)上的電子吸收光子能量后垂直躍遷到激發(fā)態(tài)， 在外加偏置電壓下形成光電流，通過對光電流的采集和分析，可實現(xiàn)對紅外光的探測。GaAs 體材料的帶隙小，形成勢阱層，而AlxGai_xAs體材料的帶隙大形成勢壘層。AlxGai_xAs的帶隙 隨A1組分x增加而增加，我們可以通過調(diào)節(jié)A1組分x的含量和勢阱寬度來人為剪裁量子 阱的能帶結(jié)構(gòu)，根據(jù)試驗，優(yōu)選的x的范圍為0. 1 0. 5。 本發(fā)明的量子阱紅外探測器勢壘層相對勢阱層的厚度比例高，形成的光電流大， 而周期數(shù)小總多量子阱層的厚度不高，生產(chǎn)工藝簡單，能夠有效實現(xiàn)紅外探測。
權(quán)利要求
一種量子阱紅外探測器，包括GaAs襯底層，在所述GaAs襯底層上通過分子束外延技術(shù)或金屬有機化學(xué)氣相沉積依次逐層生長的未摻雜的GaAs緩沖層；n型摻雜的GaAs下電極層；先勢壘后勢阱交替生長多個周期形成的多量子阱層；AlxGa1-xAs勢壘層；n型摻雜的GaAs上電極層；其特征在于，所述的多量子阱層，每個周期包括一個AlxGa1-xAs勢壘層和一個GaAs勢阱層，所述AlxGa1-xAs勢壘層的厚度為所述GaAs勢阱層的厚度的15～20倍，所述的多量子阱層一個周期的厚度為80～120nm，所述的多量子阱層的周期數(shù)為15～20。
2.如權(quán)利要求1所述的量子阱紅外探測器，其特征在于，所述GaAs勢阱層進行n型摻 雜，所摻雜質(zhì)為硅，其摻雜濃度高于lX1018cm_3。
3.如權(quán)利要求1所述的量子阱紅外探測器，其特征在于，所述勢壘高度由AlxGai_xAs中 的A1組分x決定，x的范圍在0. 1 0. 5。
4.如權(quán)利要求1所述的量子阱紅外探測器，其特征在于，所述量子阱紅外探測器屬于 束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)或準連續(xù)態(tài)躍遷型量子阱紅外探測器。
5.如權(quán)利要求1所述的量子阱紅外探測器，其特征在于，所述量子阱紅外探測器采用 表面光柵結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的量子阱紅外探測器，其特征在于，所述量子阱紅外探測器的工 作溫度高于200K。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種量子阱紅外探測器，采用了GaAs/AlxGa1-xAs材料體系，利用MBE或者MOCVD技術(shù)生長，通過標準的半導(dǎo)體工藝制備。本發(fā)明的量子阱結(jié)構(gòu)GaAs勢阱層的厚度為所述AlxGa1-xAs勢壘層的厚度的15～20倍，多量子阱層一個周期的厚度為80～120nm，多量子阱層的周期數(shù)為15～20，使探測器能夠在室溫或者準室溫狀態(tài)工作，吸收系數(shù)達30％以上，實現(xiàn)了對暗電流的有效抑制，從而大大減小了器件噪聲，探測率可達到或者接近理論極限值，響應(yīng)速度高于1GHz，最高可達100GHz。
文檔編號H01L31/101GK101859808SQ20101016956
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者劉燕君 申請人:無錫沃浦光電傳感科技有限公司