專利名稱：多量子阱紅外級聯光伏探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及多量子阱紅外探測器，特別涉及多量子阱紅外級聯光伏探測器。
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離的探測器象元組成。而光導型器件存在較大的暗電流，這一暗電流要求讀出電路具有足夠大的電容與之適應，從而帶來了以下2個問題1、光導型器件的基本原理決定了器件的量子效率正比于吸收系數，為了提高器件的量子效率，或為了在相似的探測率條件下較大地增大響應率，需要增大量子阱基態上的電子濃度，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態的能量位置處存在很高對光吸收無貢獻的電子態密度，為此存在一個優化的摻雜濃度來平衡摻雜濃度與響應率之間的矛盾；2、由于是光導型器件，隨著摻雜濃度上升或響應波長向長波方向發展，器件的阻抗指數式下降，很快地使讀出電路飽和，為此要求讀出電路的電容有指數式上升，但這一電容已被讀出電路加工的微電子工藝所限制，同時這一電容的增大也導致讀出電路自身噪聲的加大，使焦平面器件的最終性能下降，為此需要采用光伏型器件來解決這一問題。
目前人們提出的光伏型器件結構與光導型器件結構基本相似，在上下電極之間構造對紅外光有光電轉換作用的量子阱激活區，在激活區，有一摻雜的量子阱用于紅外光吸收，并將基態的電子激發到激發態，與該量子阱相鄰的是一個漸變的勢壘，使在激發態上的電子會受這一內建電場作用發生遷移，從而與雜質中心共同形成光生電壓，即光伏信號。見參考文獻Jung Hee Leeet.al.″An AlAs/InGaAs/AlAs/InAlAs double-barrier quantum well infraredphotodetector operating at 3.4μm and 205K″Appled Physics Letters Vol.74 No.5，Y.H.Wang et.al.″Voltage-tunable dual-mode operation InAlAs/InGaAs quantumwell infrared photodetector for narrow-and broadband detection at 10μm″Appl.Phys.Lett.62(6)，M.Z.Tidrow et.al.″A three-well quantum well infraredphotodetector″Appl.Phys.Lett.69(22)。
器件的工作溫度與響應率及探測率雖然不及光導型器件優越，但光伏型器件是一個發展方向，因此任何一種光伏型的量子阱紅外探測器結構，只要能將光伏型性能作顯著改善都是很有實用價值的。
本發明的目的是提供一種獨立于現有的光伏型探測器的基本機理，利用光電子在耦合量子阱中的級聯傳輸效應，設計出一種在結構上獨特的多量子阱紅外級聯光伏探測器，使其光伏性能明顯增強。
本發明的設計方案如下即在一化合物半導體材料襯底上，采用分子束外延(MBE)或金屬有機氣相沉積(MOCVD)薄膜生長技術，用化合物半導體材料交替生長勢壘層和量子阱層，形成一個多量子阱，其結構為C1L1(AL2AL2AL2…A)L1C2，C1為下電極層，C2為上電極層；L1為寬勢壘層；L2為二個單一周期之間的勢壘隔離層；A為單一周期，即為多量子阱耦合結構的基本探測單元；由QW1L3QW2L3QW3L3QW4L3QW5構成，QW1…5為寬度不一的量子阱層；L3為多量子阱耦合結構中基本探測單元的勢壘層。
為了有效地提高探測器的光伏信號，可重復生長30-50個周期，且每個周期之間用L2勢壘層隔離。在材料生長完成后，在多量子阱芯片的電極層C1上制下電極，C2上制上電極。
所說的化合物半導體材料為GaAs/AlGaAs或InGaAs/AlGaAs。
為了便于說明，我們以GaAs/AlGaAs多量子阱材料為例，給出闡述本發明的示意圖如下
圖1為本發明的單一周期多量子阱級聯光伏探測器光電響應原理圖；圖2為本發明的多量子阱級聯光伏探測器的結構示意圖；圖3為圖2的多量子阱級聯光伏探測器的上電極層A局部放大剖示示意圖。
下面結合附圖對本發明的單一周期多量子阱級聯光伏探測器光電響應原理作詳細闡述見圖1，由紅外光在摻雜量子阱中將處于基態的電子激發到激發態上，形成探測器的光電子。這一光電子在其處于激發態上的壽命之內與鄰近的耦合量子阱激發態發生共振隧穿，從而將光電子轉移到鄰近的量子阱。由于鄰近的量子阱中基態與激發態的能量差為縱光學聲子能量的整數倍，為此電子在激發態上的壽命很短，光電子很快在鄰近量子阱中弛豫到基態。隨后光電子在一組耦合量子阱中發生級聯隧穿轉移，造成了光電子與雜質正電中心距離的加大，形成光伏信號。
為了能將機理闡述更清晰，我們仍以GaAs/AlGaAs量子阱材料為實施例。
1.多量子阱芯片的制備(1)多量子阱芯片的薄膜材料的生長采用分子束外延(MBE)在GaAs襯底1上按以下結構順次生長C1為GaAsSi，濃度為1018/cm3厚度為1μm；L1為Al0.45Ga0.55As’厚度為50nm；QW1為GaAsSi，濃度為1018/cm3厚度為2.55nm；L3為Al0.45Ga0.55As，厚度為2nm；QW2為Al0.25Ga0.75As，厚度為5nm；L3為Al0.45Ga0.55As，厚度為2nm；QW3為Al0.17Ga0.83As，厚度為50nm；L3為Al0．45Ga0.55As，厚度為2nm；QW4為Al0.9Ga0.91As，厚度為5nm；L3為Al0.45Ga0.55As，厚度為2nm；QW5為GaAs，厚度為5nm；然后以QW1到QW5為一個周期，且每二個周期之間用L2為Al0.45Ga0.55As，厚度為10nm作勢壘隔離，重復生長30個周期，最后再生長L1為Al0.45Ga0.55As’厚度為50nm；C2為GaAsSi，濃度為1018/cm3’厚度為100nm；形成一個多量子阱2。
寬度為2.55nm的GaAs QW1量子阱中基態與第一激發態均處于量子阱中形成受限的局域態，但第一激發態與相鄰的量子阱QW2中的第一激發態處于近共振隧穿的能量位置，同時量子阱QW2，QW3，QW4，QW5依次的基態均與相鄰量子阱的第一激發態形成隧穿共振狀態。在器件中QW1，QW2，QW3，QW4，QW55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。
(2)電極制備上電極3直接做在最頂部的C2層上，下電極4通過腐蝕把部分C1層以上的材料全部去除，裸露出C1層，再在該層上制備下電極4，見圖2。
(3)多量子阱芯片臺面制備在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，見圖3，使入射的紅外光能被充分地耦合到量子阱中去，產生量子阱QW1中的電子從基態向第一激發態躍遷。
2、器件的工作過程將多量子阱芯片放置在一個帶有紅外波段光學窗口的致冷杜瓦中。紅外響應波段為8-10微米，芯片致冷到約80K。仔細地微調器件的偏置電壓7，形成良好的共振隧穿條件，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引起量子阱QW1中的電子受激進入第一激發態，同時該激發態與相鄰的量子阱激發態處于共振狀態，電子很快隧穿到QW2阱中。在QW2量子阱內電子向基態弛豫的速率遠比QW1量子阱中快，所以隧穿電子將快速地隧穿到QW5量子阱的基態，并且該電子很難反向隧穿到QW1量子阱中。這一過程的完成就形成了光伏電壓信號6，而且該信號的持續時間是由較量子阱中的激發態向基態弛豫時間更長的其他散射過程決定的。這樣就提高了光生載流子的有效壽命，增強了器件的響應率。
本發明有如下積極效果和優點1．本發明由于采用了級聯隧穿結構，能更有效地將光電子在實空間中與雜質正電荷中心分離，并確保被分離的電子不能直接返回到雜質中心位置，這樣就有效地提高了紅外光的響應率和器件工作溫度，使其滿足在液氮溫度下工作。
2．本發明是光伏型器件，相對當前普遍使用的光導型紅外量子阱器件而言，有效地降低了暗電流，在焦平面器件應用中可以有很長的積分時間，以提高器件的靈敏度與溫度分辨率。
權利要求
1．一種多量子阱紅外級聯光伏探測器，包括一襯底(1)，在襯底(1)上采用分子束外延(MBE)或金屬有機氣相沉積(MOCVD)薄膜生長技術，交替生長勢壘層和量子阱層，形成一個多量子阱(2)，其特征在于所說的多量子阱(2)結構為C1L1(AL2AL2AL2…A)L1C2，C1為下電極層，C2為上電極層；L1為寬勢壘層；L2為二個單一周期之間的勢壘隔離層；A為單一周期，即為多量子阱耦合結構的基本探測單元；由QW1L3QW2L3QW3L3QW4L3QW5構成，QW1…5為寬度不一的量子阱層；L3為多量子阱耦合結構中基本探測單元的勢壘層；并以A為單一周期，重復生長30-50個周期；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C1層以上的材料全部去除，裸露出C1層，再在該層上制備下電極(4)。
2．根據權利要求1一種多量子阱紅外級聯光伏探測器，其特征在于所說的上電極層C2為光柵形狀。
3．根據權利要求1一種多量子阱紅外級聯光伏探測器，其特征在于所說的多量子阱(2)的材料為GaAs/AlGaAs或InGaAs/AlGaAs化合物半導體。
全文摘要
本發明提供了一種多量子阱紅外級聯光伏探測器,它由一化合物半導體材料襯底,在襯底上交替生長五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。由于本發明采用了級聯隧穿結構,在低溫狀態下,在紅外光的輻照下,它可以在量子阱區域形成比目前提出的量子阱光伏探測器有更強的光伏信號,從而更加適用于量子阱紅外焦平面器件用。
文檔編號H01L31/0264GK1286397SQ0012572
公開日2001年3月7日 申請日期2000年10月19日 優先權日2000年10月19日
發明者陸衛, 李寧, 江俊, 袁先璋, 李志鋒 申請人:中國科學院上海技術物理研究所