勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器的制造方法
【專利摘要】本實用新型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組成。由于本專利采用了級聯(lián)隧穿結(jié)構(gòu)，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】
勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利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(shù)】
[0002]在目前的量子型紅外焦平面技術(shù)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(yīng)率較低，所以對于量子效率與響應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)，基于聲子輔助隧穿機制，具有光伏特性° 見參考文獻 L.Gendron et.al.“Quantum cascade photodetector，，，Applied PhysicsLetters Vol.85, Daniel Hofstetter et.al.“23GHz operat1n of a room temperaturephotovoltaic quantum cascade detector at 5.35 μ m”，Applied Physics LettersVol.89.器件的響應(yīng)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(yīng)用到光導型器件中，使探測性能得到改善。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本專利的目的是提供一種勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器的基本機理，利用光電子在耦合量子阱中的聲子輔助隧穿機制，對經(jīng)典的量子阱紅外探測器勢皇區(qū)進行優(yōu)化，設(shè)計出一種在結(jié)構(gòu)上獨特的量子阱紅外探測器，增加了一種光電響應(yīng)機制，使其光電性能明顯增強。
[0006]本專利的設(shè)計方案如下:
[0007]一種勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器，它包括襯底1，多量子阱2，上電極3，下電極4，其特征在于:
[0008]所述的一種勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器的結(jié)構(gòu)為:在襯底I上生長有下電極層、多量子阱2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 ;
[0009]所述的襯底I為GaAs襯底；
[0010]所述的多量子阱2的結(jié)構(gòu)為:
[0011 ] C1L1(AL2AL2ALfA)L1C2
[0012]其中-C1為下電極層，C2為上電極層是厚度為40到60nm寬勢皇層；L2是厚度為2到3nm的勢皇隔離層；A為多量子阱耦合結(jié)構(gòu)的基本探測單元，其結(jié)構(gòu)為:
[0013]Qff1 L1 ’ Qff2 L2 ’ Qff3 L3 ’ Qff4 L4 ’ Qff5 L5 ’ Qff6 L6 ’ Qff7
[0014](^與C2均為Si重摻雜的GaAs薄膜層,C1厚度為0.5到I μm，C2厚度為2到3 μπι ;QW1-QW7為量子阱層，其中QWg厚度為6.8到8nm Si摻雜的GaAs層，QW 2—QW^厚度為2到5.4nm的非摻雜的GaAs層;L/ —L6’是厚度為3.1到6nm的非摻雜AlGaAs層；以A為單一周期，重復30-50個周期；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；
[0015]L/ QW2L2’ QW3L/ QW4L4’ QW5L5’ QW6L6’ QW7組成勢皇級聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0016]所述的上電極層C2為光柵形狀，光柵結(jié)構(gòu)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。
[0017]本專利有如下積極效果和優(yōu)點:
[0018]1.本專利由于采用了勢皇級聯(lián)結(jié)構(gòu)，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(yīng)率。
[0019]2.本專利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(yīng)率更高。
[0020]3.本專利具有光伏效應(yīng)，可直接將光信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，并且光伏信號與結(jié)構(gòu)周期數(shù)成正比，相比于光電導型器件，本專利更容易實現(xiàn)光電信號的準確輸出與讀取。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]本專利的示意圖如下:
[0022]圖1為本專利的單一周期勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器光電響應(yīng)原理圖，最右側(cè)量子阱為下一周期的第一個量子阱QW1;
[0023]圖2為本專利的勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為圖2的勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器上電極層(:2局部放大剖視示意圖。

【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本專利的單一周期勢皇級聯(lián)量子阱紅外探測器光電響應(yīng)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(zhuǎn)移到相鄰的量子阱。
[0026]1.多量子講芯片的制備
[0027]例一:
[0028](I)多量子講芯片的薄膜材料的生長:
[0029]采用分子數(shù)外延(MBE)在GaAs襯底I上按以下結(jié)構(gòu)順次生長，(^為GaAs:Si，濃度為11Vcm3，厚度為0.5 μπι 為Al 0.16Ga0.84As，厚度為40nm現(xiàn)為GaAs:Si，濃度為1017/cm3，厚度為 6.8nm ;L/ 為 Al0 16GaQ.84As，厚度為 5.65nm ；Qff2^ GaAs，厚度為 2nm ;L2’ 為Al。.16GaQ.84As，厚度為 3.96nm ;(^3為 GaAs，厚度為 2.3nm ;L 3’為 Al。.16GaQ.84As，厚度為 3.1nm ；QW4為 GaAs,厚度為 2.8nm ；L 4’ 為 Al0.16Ga0.84As，厚度為 3.1nm ；Qff5^ GaAs,厚度為 3.3nm ；L5’ 為 Alai6Gaa84As,厚度為 3.1nm ;QW6為 GaAs,厚度為 4nm ;L6’ 為 Al016Ga0 84As,厚度為3.1nm挪7為GaAs，厚度為5nm ;然后以QW ^lJ Qff 7為一個周期，且每二個周期之間用L 2為Al0 16Ga0.84As,厚度為2nm做勢皇隔離，重復生長30個周期，最后再生長1^為Al 0.16Gaa84As，厚度為40nm ;C2為GaAs:Si，濃度為10 1Vcm3,厚度為2 μ m，形成一個多量子阱2。
[0030]寬度為6.8nm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)均與相鄰量子阱的基態(tài)形成聲子輔助隧穿狀態(tài)。在器件中QW1, Qff2, Qff3, Qff4, Qff5, Qff6, Qff7 7個量子阱結(jié)構(gòu)的組合形成一個基本探測單元，即形成一個原理器件。
[0031](2)電極制備
[0032]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C 1層以上的材料全部去除，裸露出CJ1，再在該層上制備下電極4，見圖2。上下電極均用電子束蒸發(fā)依次厚度為10nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制備而成。
[0033](3)多量子阱芯片臺面制備
[0034]在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，光柵結(jié)構(gòu)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3，使入射的紅外光能被充分的耦合到量子阱中去，產(chǎn)生量子阱(^中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍迀。
[0035]例二:
[0036](I)多量子講芯片的薄膜材料的生長:
[0037]采用分子數(shù)外延(MBE)在GaAs襯底I上按以下結(jié)構(gòu)順次生長，(^為GaAs:Si，濃度為11Vcm3，厚度為0.75 μπι七為Al 0.15Ga0.85As，厚度為50nm現(xiàn)為GaAs -Si，濃度為 11Vcm3，厚度為 7.6nm ;L/ 為 Al0.15Ga0.85As，厚度為 5.8nm ;QW2為 GaAs,厚度為 2.2nm ；L2’ 為 AlQ.15GaQ.85As，厚度為 4.1nm ;QW3為 GaAs，厚度為 2.5nm ;L 3’為 AlQ.15GaQ.85As，厚度為 3.3nm ;QW4為 GaAs,厚度為 3nm ；L 4’ 為 Alai5Gaa85As,厚度為 3.3nm ；Qff5^ GaAs,厚度為3.5nm ;L5’ 為 Alai5Gaa85As,厚度為 3.3nm ;QW6為 GaAs,厚度為 4.2nm ；L 6’ 為 Alai5Gaa85As,厚度為3.3nm 為GaAs，厚度為5.2nm ;然后以QWjIj QW 7為一個周期，且每二個周期之間用1^2為Al 015Ga0.85As,厚度為2.5nm做勢皇隔離，重復生長40個周期，最后再生長1^為Al0.15Ga0.85As,厚度為50nm ;C2為GaAs:Si，濃度為10 1Vcm3,厚度為2.5 μ m，形成一個多量子阱2。
[0038]寬度為7.6nm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)均與相鄰量子阱的基態(tài)形成聲子輔助隧穿狀態(tài)。在器件中QW1, Qff2, Qff3, Qff4, Qff5, Qff6, Qff77個量子阱結(jié)構(gòu)的組合形成一個基本探測單元，即形成一個原理器件。
[0039](2)電極制備
[0040]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C 1層以上的材料全部去除，裸露出CJ1，再在該層上制備下電極4，見圖2。上下電極均用電子束蒸發(fā)依次厚度為10nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制備而成。
[0041](3)多量子阱芯片臺面制備
[0042]在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，光柵結(jié)構(gòu)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3，使入射的紅外光能被充分的耦合到量子阱中去，產(chǎn)生量子阱(^中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍迀。
[0043]例三:
[0044](I)多量子講芯片的薄膜材料的生長:
[0045]采用分子數(shù)外延(MBE)在GaAs襯底I上按以下結(jié)構(gòu)順次生長，(^為GaAs:Si，濃度為11Vcm3，厚度為I μπι 為Al 0.14Ga0 86As，厚度為60nm現(xiàn)為GaAs -Si，濃度為11Vcm3,厚度為 8nm ；L/ 為 Al014Ga0 86As,厚度為 6nm ；Qff2^ GaAs,厚度為 2.4nm ;L 2’為Alai4Gaa86As,厚度為 4.3nm ;QW3為 GaAs，厚度為 2.7nm ；L 3’ 為 Alai4Gaa86As,厚度為 3.5nm ；QW4為 GaAs,厚度為 3.2nm ；L 4’ 為 AlQ.14GaQ.86As，厚度為 3.5nm ；Qff5^ GaAs,厚度為 3.7nm ；L5，為 Alai4Gaa86As,厚度為 3.5nm ;QW6為 GaAs,厚度為 4.4nm ；L 6’ 為 Al014Ga0 86As,厚度為3.5nm ;QW7S GaAs，厚度為5.4nm ;然后以QW glj QW 7為一個周期，且每二個周期之間用L 2為Al0 14Ga0.86As,厚度為3nm做勢皇隔離，重復生長50個周期，最后再生長1^為Al 0.14Gaa86As，厚度為60nm ;C2為GaAs:Si，濃度為10 1Vcm3,厚度為3 μ m，形成一個多量子阱2。
[0046]寬度為8nm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(^2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，QW3，QW4，QW5，QW6，QW7依次的基態(tài)均與相鄰量子阱的基態(tài)形成聲子輔助隧穿狀態(tài)。在器件中QW1, Qff2, Qff3, Qff4, Qff5, Qff6, Qff77個量子阱結(jié)構(gòu)的組合形成一個基本探測單元，即形成一個原理器件。
[0047](2)電極制備
[0048]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C 1層以上的材料全部去除，裸露出CJ1，再在該層上制備下電極4，見圖2。上下電極均用電子束蒸發(fā)依次厚度為10nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制備而成。
[0049](3)多量子阱芯片臺面制備
[0050]在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，光柵結(jié)構(gòu)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3，使入射的紅外光能被充分的耦合到量子阱中去，產(chǎn)生量子阱(^中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍迀。
[0051]2.器件的工作過程:
[0052]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(yīng)波段為6-10微米，芯片制冷到約80K。仔細地微調(diào)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(^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:1)輸運到連續(xù)態(tài)，在外加電場下進行定向輸運；2)與相鄰的偶和量子阱基態(tài)發(fā)生聲子輔助隧穿，從而將光電子轉(zhuǎn)移到相鄰的量子阱，并且該電子很難反向輸運到QW1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(jié)構(gòu)增加了基于聲子輔助隧穿的輸運機制，增強了器件的響應(yīng)率并提高了量子效率。
【權(quán)利要求】
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(jié)構(gòu)為:在襯底(I)上生長有下電極層、多量子阱(2)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⑴為GaAs襯底； 所述的多量子阱(2)的結(jié)構(gòu)為:
C1L1 (AL2AL2AIv..A) L1C2 其中-C1為下電極層，C 2為上電極層；L 1是厚度為40到60nm寬勢皇層；L 2是厚度為2到3nm的勢皇隔離層；A為多量子阱耦合結(jié)構(gòu)的基本探測單元，其結(jié)構(gòu)為:
Qff1L/ Qff2L/ QW3L/ QW4L/ Qff5L5 ? Qff6L6 ? Qff7 (^與C2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3μπι;QW1-QW7為量子阱層，其中QWg厚度為6.8到8nm Si摻雜的GaAs層，QW 2—QW^厚度為2到8nm的非摻雜的GaAs層A’ 一L6’是厚度為3.1到6nm的非摻雜AlGaAs層；以A為單一周期，重復30-50個周期；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；
L/ QW2L2’ QW3L3’ QW4L4’ QW5L5’ QW6L6’ QW7組成勢皇級聯(lián)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)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C2為光柵形狀，光柵結(jié)構(gòu)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】H01L31/101GK204230260SQ201420462905
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】李寧, 李梁, 廖開升, 景友亮, 李志鋒, 甄紅樓, 周孝好, 王文娟, 陸衛(wèi) 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所