一種勢壘級聯量子阱紅外探測器的製造方法

2023-12-07 09:32:16

一種勢壘級聯量子阱紅外探測器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種勢壘級聯量子阱紅外探測器，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，並以此為一個周期，重複生長多個周期的多量子阱組成。由於本發明採用了級聯隧穿結構，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紅外探測器更強的光電信號，從而更加適用於量子阱紅外焦平面器件用。
【專利說明】一種勢壘級聯量子阱紅外探測器

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種量子阱紅外探測器，具體涉及一種勢壘級聯量子阱紅外探測器。

【背景技術】
[0002]在目前的量子型紅外焦平面技術中，光敏元晶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。相比於碲鎘汞探測器，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、成本低的優點，但量子效率較低，以至於響應率較低，所以對於量子效率與響應率的優化尤為重要。
[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於吸收係數，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，若能對這些冗餘電子態進行有效利用，則對於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探測器結構，基於聲子輔助隧穿機制，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.器件的響應率雖然不及光導型器件優越，但工作溫度較高，並且級聯輸運機制可以被應用到光導型器件中，使探測性能得到改善。


【發明內容】

[0005]本發明的目的是提供一種勢壘級聯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，對經典的量子阱紅外探測器勢壘區進行優化，設計出一種在結構上獨特的量子阱紅外探測器，增加了一種光電響應機制，使其光電性能明顯增強。
[0006]本發明的設計方案如下:
[0007]—種勢壘級聯量子阱紅外探測器，它包括襯底1，多量子阱2，上電極3，下電極4，其特徵在於:
[0008]所述的一種勢壘級聯量子阱紅外探測器的結構為:在襯底I上生長有下電極層、多量子阱2和上電極層，在下電極層上製備下電極4，在上電極層上製備上電極3;
[0009]所述的襯底I為GaAs襯底；
[0010]所述的多量子阱2的結構為:
[0011]C1L1(AL2AL2AIvhA)L1C2
[0012]其中=C1為下電極層，C2為上電極層A1是厚度為40到60nm寬勢壘層；L2是厚度為2到3nm的勢壘隔離層；A為多量子阱耦合結構的基本探測單元，其結構為:
[0013]Qff1L/ Qff2L/ QW3L3，QW4L/ QW5L5，QW6L6，Qff7
[0014]C1與C2均為Si重摻雜的GaAs薄膜層，C1厚度為0.5到I μ m, C2厚度為2到3 μ m ;QW1-Qff7為量子阱層，其中QW1是厚度為6.8到8nm Si摻雜的GaAs層，QW2—QW7是厚度為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，重複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材料製備成；
[0015]L/ QW2L2』 QW3L/ QW4L/ QW5L5』 QW6L6』 Qff7 組成勢壘級聯結構。
[0016]所述的上電極層C2為光柵形狀，光柵結構為兩維衍射光柵，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]本發明有如下積極效果和優點:
[0018]1.本發明由於採用了勢壘級聯結構，相比於常規光電導型量子阱紅外探測器，增加了一種光伏輸運機制，對激發態的冗餘電子態進行了有效利用，有效的提高了紅外光的量子效率和響應率。
[0019]2.本發明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探測器相比，其量子效率與響應率更高。
[0020]3.本發明具有光伏效應，可直接將光信號轉化成電壓信號，並且光伏信號與結構周期數成正比，相比於光電導型器件，本發明更容易實現光電信號的準確輸出與讀取。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]本發明的示意圖如下:
[0022]圖1為本發明的單一周期勢壘級聯量子阱紅外探測器光電響應原理圖，最右側量子阱為下一周期的第一個量子阱QW1 ；
[0023]圖2為本發明的勢壘級聯量子阱紅外探測器結構示意圖；
[0024]圖3為圖2的勢壘級聯量子阱紅外探測器上電極層C2局部放大剖視示意圖。

【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明的單一周期勢壘級聯量子阱紅外探測器光電響應原理作詳細闡述:見圖1，在偏壓下，由紅外光在摻雜量子阱中將處於基態的電子激發到激發態上，形成探測器的光電子。這一光電子有兩種途徑形成光電流:I)輸運到連續態，在外加電場下進行定向輸運；2)與相鄰的耦合量子阱基態發生聲子輔助隧穿，從而將光電子轉移到相鄰的量子阱。
[0026]1.多量子阱晶片的製備
[0027]例一:
[0028](I)多量子講晶片的薄膜材料的生長:
[0029]採用分子數外延(MBE)在GaAs襯底I上按以下結構順次生長，C1為GaAs:Si,濃度為 11Vcm3,厚度為 0.5 μ m !L1 為 Alai6Gaa84As,厚度為 40nm !QW1 為 GaAs:Si,濃度為11Vcm3,厚度為 6.8nm ;L/ 為 Al。.16GaQ.84As,厚度為 5.65nm ；Qff2 為 GaAs，厚度為 2nm ;L2』 為Al。.16GaQ.84As,厚度為 3.96nm ；QW3 為 GaAs,厚度為 2.3nm ;L3』為 Al。.16GaQ.84As,厚度為 3.1nm ；QW4 為 GaAs,厚度為 2.8nm ;L4，為 AlQ.16GaQ.84As，厚度為 3.1nm ；Qff5 為 GaAs,厚度為 3.3nm ；V為 Alai6Gaa84As,厚度為 3.1nm ；Qff6 為 GaAs，厚度為 4nm ;L6』 為 Al016Ga0 84As,厚度為3.1nm ；Qff7為GaAs，厚度為5nm ;然後以QW1到QW7為一個周期，且每二個周期之間用L2為Alai6Gaa84As,厚度為2nm做勢魚隔離,重複生長30個周期,最後再生長L1為Alai6Gaa84As,厚度為40nm ；C2為GaAs:Si，濃度為1018/cm3，厚度為2 μ m，形成一個多量子阱2。
[0030]寬度為6.Snm的GaAs Qff1量子阱中基態與第一激發態均處於量子阱中形成受限的局域態，其中第一激發態位置在阱口附近，同時在適當偏壓下，第一激發態與相鄰的量子阱QW2中的基態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, Qff7依次的基態均與相鄰量子阱的基態形成聲子輔助隧穿狀態。在器件中QW1, Qff2, Qff3, QW4, QW5, Qff6, Qff77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。
[0031](2)電極製備
[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C1層以上的材料全部去除，裸露出C1層，再在該層上製備下電極4，見圖2。上下電極均用電子束蒸發依次厚度為10nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料製備而成。
[0033](3)多量子阱晶片臺面製備
[0034]在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，光柵結構為兩維衍射光柵，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，產生量子阱QW1中的電子從基態向第一激發態躍遷。
[0035]例二:
[0036](I)多量子講晶片的薄膜材料的生長:
[0037]採用分子數外延(MBE)在GaAs襯底I上按以下結構順次生長，C1為GaAs:Si,濃度為 11Vcm3,厚度為 0.75μ m 為 Alai5Gaa85As,厚度為 50nm ^ff1 為 GaAs:Si,濃度為 11Vcm3,厚度為 7.6nm ;L/ 為 Alai5Gaa85As,厚度為 5.8nm ；Qff2 為 GaAs,厚度為 2.2nm ；L2』 為 Al0.15Ga0.85As,厚度為 4.1nm ；QW3 為 GaAs,厚度為 2.5nm ;L3，為 Alai5Gaa85As,厚度為 3.3nm ；Qff4 為 GaAs,厚度為 3nm ;L4，為 Alai5Gaa85As,厚度為 3.3nm ；Qff5 為 GaAs,厚度為3.5nm ;L5』 為 Al0.15Ga0.85As,厚度為 3.3nm ；Qff6 為 GaAs,厚度為 4.2nm ;L6』 為 Alai5Gaa85As,厚度為3.3nm ；Qff7為GaAs，厚度為5.2nm ;然後以QW1到QW7為一個周期，且每二個周期之間用L2為Alai5Gaa85As,厚度為2.5nm做勢魚隔離，重複生長40個周期,最後再生長L1為Al0.15Ga0.85As,厚度為50nm ；C2為GaAs:Si，濃度為11Vcm3,厚度為2.5 μ m,形成一個多量子阱2。
[0038]寬度為7.6nm的GaAs Qff1量子阱中基態與第一激發態均處於量子阱中形成受限的局域態，其中第一激發態位置在阱口附近，同時在適當偏壓下，第一激發態與相鄰的量子阱QW2中的基態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, Qff7依次的基態均與相鄰量子阱的基態形成聲子輔助隧穿狀態。在器件中QW1, Qff2, Qff3, QW4, QW5, Qff6, Qff77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。
[0039](2)電極製備
[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C1層以上的材料全部去除，裸露出C1層，再在該層上製備下電極4，見圖2。上下電極均用電子束蒸發依次厚度為10nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料製備而成。
[0041](3)多量子阱晶片臺面製備
[0042]在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，光柵結構為兩維衍射光柵，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，產生量子阱QW1中的電子從基態向第一激發態躍遷。
[0043]例三:
[0044](I)多量子講晶片的薄膜材料的生長:
[0045]採用分子數外延(MBE)在GaAs襯底I上按以下結構順次生長，C1為GaAs:Si,濃度為 11Vcm3,厚度為 I μ m !L1 為 Al0.14Ga0.86As,厚度為 60nm !QW1 為 GaAs:Si,濃度為11Vcm3,厚度為 8nm ；L/ 為 Al014Ga0 86As,厚度為 6nm ；Qff2 為 GaAs,厚度為 2.4nm ;L2』 為Alai4Gaa86As,厚度為 4.3nm ；QW3 為 GaAs,厚度為 2.7nm ;L3』 為 Alai4Gaa86As,厚度為 3.5nm ；QW4 為 GaAs,厚度為 3.2nm 山4』 為 Alai4Gaa86As,厚度為 3.5nm ；Qff5 為 GaAs,厚度為 3.7nm ；
V為 Alai4Gaa86As,厚度為 3.5nm ；Qff6 為 GaAs,厚度為 4.4nm ;L6』 為 Alai4Gaa86As,厚度為
3.5nm ；Qff7為GaAs，厚度為5.4nm ;然後以QW1到QW7為一個周期，且每二個周期之間用L2為Alai4Gaa86As,厚度為3nm做勢魚隔離,重複生長50個周期,最後再生長L1為Alai4Gaa86As,厚度為60nm ；C2為GaAs:Si，濃度為1018/cm3，厚度為3 μ m，形成一個多量子阱2。
[0046]寬度為8nm的GaAs Qff1量子阱中基態與第一激發態均處於量子阱中形成受限的局域態，其中第一激發態位置在阱口附近，同時在適當偏壓下，第一激發態與相鄰的量子阱QW2中的基態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, Qff4, Qff5, Qff6, Qff7依次的基態均與相鄰量子阱的基態形成聲子輔助隧穿狀態。在器件中QW1, Qff2, Qff3, Qff4, Qff5, Qff6, Qff77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。
[0047](2)電極製備
[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C1層以上的材料全部去除，裸露出C1層，再在該層上製備下電極4，見圖2。上下電極均用電子束蒸發依次厚度為10nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料製備而成。
[0049](3)多量子阱晶片臺面製備
[0050]在上電極層C2上通過腐蝕方法做成光柵，光柵結構為兩維衍射光柵，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，產生量子阱QW1中的電子從基態向第一激發態躍遷。
[0051]2.器件的工作過程:
[0052]將多量子阱晶片放置在一個帶有紅外波段光學窗口的製冷杜瓦中。紅外響應波段為6-10微米，晶片製冷到約80K。仔細地微調器件的偏置電壓7，形成良好的聲子輔助隧穿條件，隨後將紅外光5照射在多量子阱晶片上，此時由於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，此時光電子有兩種輸運機制:1)輸運到連續態，在外加電場下進行定向輸運；2)與相鄰的偶和量子阱基態發生聲子輔助隧穿，從而將光電子轉移到相鄰的量子阱，並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)。相對於常規量子阱紅外探測器，該結構增加了基於聲子輔助隧穿的輸運機制，增強了器件的響應率並提高了量子效率。
【權利要求】
1.一種勢壘級聯量子阱紅外探測器，它包括襯底(1)，多量子阱(2)，上電極(3)，下電極(4)，其特徵在於: 所述的一種勢壘級聯量子阱紅外探測器的結構為:在襯底(I)上生長有下電極層、多量子阱(2)和上電極層，在下電極層上製備下電極(4)，在上電極層上製備上電極(3)；所述的襯底⑴為GaAs襯底； 所述的多量子阱(2)的結構為:
C1L1 (AL2AL2AIv..A) L1C2 其中=C1為下電極層，C2為上電極層A1是厚度為40到60nm寬勢壘層；L2是厚度為2到3nm的勢壘隔離層；A為多量子阱耦合結構的基本探測單元，其結構為:
Qff1L/ Qff2L/ QW3L/ QW4L/ QW5L5，QW6L6，Qff7 C1與C2均為Si重摻雜的GaAs薄膜層，C1厚度為0.5到I μ m, C2厚度為2到3 μ m ;QW1-Qff7為量子阱層，其中QW1是厚度為6.8到8nm Si摻雜的GaAs層，QW2—QW7是厚度為2到8nm的非摻雜的GaAs層，—L6，是厚度為3.1到6nm的非摻雜AlGaAs層；以A為單一周期，重複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材料製備成。
2.根據權利要求1所述的一種勢壘級聯量子阱紅外探測器，其特徵在於:所說的上電極層C2為光柵形狀，光柵結構為兩維衍射光柵，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】H01L31/101GK104183658SQ201410403444
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】李寧, 李梁, 廖開升, 景友亮, 李志鋒, 甄紅樓, 周孝好, 王文娟, 陸衛 申請人:中國科學院上海技術物理研究所