一種含量子級聯結構的波長上轉換器件的製作方法

2024-02-17 14:26:15

專利名稱：一種含量子級聯結構的波長上轉換器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體材料和器件製作領域，具體涉及一種可用於紅外光探測的含有量子級聯結構的波長上轉換器件。
背景技術：
紅外探測技術具有非常重要的實用價值，在環境監控、氣象預報、天文觀測、熱成像以及軍事領域中有著廣泛的應用。目前，主流的紅外光探測器有基於半導體HgCdTe的紅外探測器、基於窄禁帶半導體InSb的紅外探測器、基於量子阱子帶間躍遷的量子阱紅外探測器(QWIP)、基於量子點子帶間躍遷的量子點紅外探測器(QDIP)以及量子級聯紅外探測器(QOT)。其中，HgCdTe及InSb紅外探測器的製作技術比較成熟，探測率較高，暗電流較低。然而由於其在材料生長上存在較大困難，大面積的均勻性一直不甚理想，從而限制了其在焦平面陣列(FPA)紅外光探測器中的應用(E. Theocharous, et al. A comparison of theperformance of a photovoltaic HgCdTe detector with that of large area singlepixel QWIPs for infrared radiometric applications,Infrared Physics & Technology46 (2005) 309-322)。對於QWIP和QDIP而言，其材料的生長技術成熟，適合製作大面積、多色的紅外光探測器。然而，由於QWIP和QDIP普遍需要工作在較大的偏壓下才能獲得比較理想的探測率，這嚴重限制了其暗電流水平及工作溫度(B.F. Levine, Quantum-well infraredphotodetectors, J. Appl. Phys. , Vol. 74, No. 8,15 0ctoberl993)。對於 QCD 而言，其通過巧妙的能帶設計，可大大減小了器件的工作偏壓，甚至可以實現零偏壓工作。然而，由於其較低的光子-電流轉換效率以及低能級間不必要的躍遷，導致現有QCD的器件性能普遍低於 QWIP(L. Gendron, et al. Quantum Cascade Detection, Proc.SPIE 5612,63(2004))。

發明內容
本發明提出了一種含量子級聯結構的波長上轉換器件，目的是解決現有探測器中偏壓與探測效率、暗電流之間的矛盾。通過將波長上轉換和量子級聯隧穿輸運結合起來，可降低探測器的暗電流，提高探測器的探測率。本發明提出一種含量子級聯結構的波長上轉換器件，包括襯底、下電極接觸層、下過渡層、光吸收層、量子級聯載流子輸運區、發光層、上過渡層、上電極接觸層，其特徵在於所述的光吸收層量子勢阱中的電子激發態能級與電子基態能級之間的能量差對應於紅外光子能量，該能量小於發光區量子勢阱中的電子基態能級與空穴基態能級之間的能量差；量子級聯載流子輸運區位於光吸收層和發光層之間，由多個量子阱組成，且各量子阱中的電子能級能量逐個降低。所述量子級聯載流子輸運區的量子阱數目為I 500，厚度為0. 2 20nm，量子阱之間的勢壘厚度為0. 2 20nm。 所述光吸收層為多層量子阱、多層量子點或超晶格結構之一，層數為I 500。所述發光層為多層量子阱、多層量子點或超晶格結構之一，層數為I 500。
以上所述量子阱、量子點或超晶格材料為以下各材料體系中的任意一種鋁鎵銦砷、鋁鎵銦磷、鋁鎵銦砷銻、鋁鎵銦砷磷、鋁鎵銦氮、矽鍺。所述襯底是下列各材料中的任意一種砷化鎵、磷化銦、銻化鎵、矽、鍺、氮化鎵、氮化鋁、碳化矽、藍寶石，襯底厚度為10 600 i! m ;襯底的一個側面製成45°的斜面，或者在其表面製作一維或二維光柵，光柵周期為0. I 100 ym。在本發明中，光吸收層量子阱中的電子激發態能級與電子基態能級之間的能量差對應於紅外光子能量，且該電子激發態能級低於勢壘層導帶，發光層電子-空穴複合發出的光子能量大於吸收的紅外光子能量，且對應的光波長位於具有極低暗計數的Si-APD、SiC-APD或PMT等光探測器的響應波長之內。利用重摻雜或光泵浦的方法使光吸收層勢阱中基態電子能級填滿電子，當紅外光入射時，基態能級上的電子在吸收紅外光子後躍遷到激發態能級。在一定偏壓下，光生電子可以隧穿到量子級聯載流子輸運區的注入能級。由於量子級聯載流子輸運區各個激發態能級間的能量差等於縱光學聲子能量的整數倍，故隧穿壽命遠小於光吸收區子帶間的複合壽命，光生電子可以通過級聯隧穿迅速輸運到發光層。該結構可以顯著減小到達發光層的電子的反向隧穿機率，使得電子反向隧穿壽命遠大於發光層導帶-價帶間的輻射複合壽命，從而顯著提高器件的量子效率。同時，由於採用了量子級聯輸運，使得器件工作所需偏壓明顯降低，從而降低器件的暗電流。另一方面，在QCD中，由於所探測的電流信號來自從量子級聯輸運區隧穿到導帶中的電子，在小偏壓下，量子效率較低。在本發明中，由於採用了波長上轉換結構，光生電子通過量子級聯載流子輸運區到達發光層並直接進行可見光的輻射複合，無需隧穿到導帶，從而進一步提高了器件的量子效率。為進一步說明本發明的特徵和作用，下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步的說明。


圖I為含量子級聯結構的2. 8 紅外波長上轉換件器件的截面示意圖。100-光柵結構，102-GaAs襯底，104_GaAs過渡層，106_n型GaAs下電極接觸層，107-Al0.65Ga0.35As過渡層，108-2. 8um紅外光吸收層，110-量子級聯載流子輸運區，112-發光層，IlS-Al0 65Ga0 35As過渡層，114-p型GaAs上電極接觸層。圖2為I. 8V偏壓下含量子級聯結構的2. 8 y m紅外波長上轉換器件的能帶圖。200-電子準費米能級，202-空穴準費米能級。圖3為I. 8V偏壓下含量子級聯結構的2. 8 U m紅外波長上轉換器件有源區(吸收層、量子級聯載流子輸運區、發光層)能帶及波函數分布圖。300-發光層重空穴基態能級波函數，302-吸收層電子基態波函數，304-發光層電子基態波函數，306-有源區第一激發態波函數，308-有源區第二激發態波函數，310-有源區第三激發態波函數，312-有源區第四激發態波函數，314-有源區第五激發態波函數，316-有源區第六激發態波函數，318-有源區第七激發態波函數。 圖4為含量子級聯結構的4. I y m紅外波長上轉換器件的截面示意圖。400-GaAs 襯底,402-GaAs 過渡層，404_n 型 GaAs 下電極接觸層,405-A1。. 55GaQ.45As過渡層，406-4. I y m紅外光吸收層，408-量子級聯載流子輸運區，410-發光層，411-Ala55Gaa45As過渡層，412_p型GaAs上電極接觸層。圖5為I. 9V偏壓下含量子級聯結構的4. I y m紅外波長上轉換器件的能帶圖。500-電子準費米能級，502-空穴準費米能級。圖6為I. 9V偏壓下含量子級聯結構的4. I U m紅外波長上轉換器件有源區(吸收層、量子級聯載流子輸運區、發光層)能帶及波函數分布圖。600-吸收層電子基態波函數，602-發光層電子基態波函數，604-有源區第一激發態波函數，606-有源區第二激發態波函數，608-有源區第三激發態波函數，610-有源區第四激發態波函數，612-有源區第五激發態波函數，614-有源區第六激發態波函數。
具體實施例方式以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。實施例I圖I所示為本實例所述的含量子級聯結構的2. 8 y m紅外波長上轉換器件的截面圖，該結構利用典型的半導體材料外延技術如分子束外延技術、金屬有機化學氣相沉積技術等，在GaAs襯底上依次生長而成。GaAs襯底上的光柵結構是利用半導體加工工藝製作而成。其中，100為光柵結構，用於將垂直表面入射的紅外光轉化為可被吸收層量子阱子帶吸收的成分，102為GaAs襯底，104為2 ii m GaAs過渡層，106為IOOnm n型GaAs下電極接觸層，107為20nm Ala65Gaa35As過渡層，108為4. Onm Ina45Gaa55As量子阱紅外光吸收層，在量子講與兩側的Ala65Gaa35As勢魚層之間各有0. 5nm的GaAs插入層，110為量子級聯載流子輸運區，由多個不同阱寬的量子阱構成，在本實施例中，共有5個GaAs量子阱，其阱寬依次為I. 8nm、2. Onm,2. 3nm、2. 6nm和3. Onm,量子阱間的6個Alci 65Gatl 35As勢壘層的壘寬依次為 3. 0nm、2. 0nm、2. 0nm、2. 0nm、2. Onm 和 2. Onm, 112 為 4. Onm In0 15Ga0 85As 量子講發光層，在In。. 15Ga0. 85As量子阱與兩側的Al。. 65Ga0.35As勢壘層之間各有2. Onm的GaAs過渡層，113為Alci 65Gatl 55As過渡層，114為p型GaAs上電極接觸層。本實例所述的含量子級聯結構的2. 8 紅外波長上轉換器件的能帶結構如圖2所示。200為電子準費米能級，202為空穴準費米能級。106所示的IOOnm n型GaAs下電極接觸層摻Si濃度為2 X IO18CnT3,108所示的4nm Ina45Gaa55As量子阱紅外光吸收層摻Si濃度為I. 5 X IO18cm-3,114所示的p型GaAs上電極接觸層摻B濃度為4X IO1W30圖3為本實例所述的含量子級聯結構的2. 8 y m紅外波長上轉換器件有源區的能帶及波函數分布圖。300為發光層重空穴基態波函數，302為吸收層電子基態波函數，304為發光層電子基態波函數，306為有源區第一激發態波函數，308為有源區第二激發態波函數，310為有源區第三激發態波函數，312為有源區第四激發態波函數，314為有源區第五激發態波函數，316為有源區第六激發態波函數，318為有源區第七激發態波函數。
以下結合圖3詳細說明有源區結構層的設計依據及該器件的工作原理。108所不的Ina45Gaa55As量子講吸收層摻Si濃度為I. 5X IO18Cm 講寬4nm,該量子講相對於輸運區各量子阱的寬度為最寬，且輸運區五個量子阱寬度逐漸加寬，依次為I. 8nm、2. Onm、
2.3nm、2. 6nm和3. Onm。從圖3中可以看出，吸收層電子基態波函數與有源區第六激發態(吸收層第一激發態)波函數主要分布在吸收層的量子阱中，且這兩個能級間的振動強度為0. 9179，能量差 為0. 443eV,說明吸收層中處於基態能級的電子吸收2. 8 y m波長的紅外光子後會以極大的概率躍遷到有源區第六激發態能級上。在外加I. 8V偏壓的作用下，有源區第六激發態波函數與第七激發態(量子級聯載流子輸運區注入態)波函數高度重疊，因此光生電子在其處於激發態上的壽命之內將從發光層量子阱隧穿到輸運區相鄰量子阱中的注入態能級上。從輸運區到發光層的各量子阱阱寬逐漸加寬，因此輸運區各量子阱中的電子能級能量逐個降低，且相鄰量子阱中的電子能級能量差為縱光學聲子的整數倍，光生電子通過隧穿迅速釋放能量弛豫到下一個量子阱中的電子能級上。電子輸運過程如圖3中箭頭所示，最終光電子輸運到發光層電子基態能級上，該能級與發光層重空穴基態能級間的振動強度為0. 9363，能量差為I. 455eV，因此位於發光層電子基態能級的電子有很大的概率和重空穴基態能級上的空穴複合，發出可被Si-APD探測的852nm波長的光子。輸運區採用量子級聯隧穿結構，電子很難反向隧穿回去，因此能有效提高紅外光的響應率和大大降低暗電流。利用該器件進行微弱的2. 8 y m紅外光子探測，可實現暗記數小於3000cps。實施例2圖4所示為本實例所述的含量子級聯結構的4. I y m紅外波長上轉換器件的截面圖，該結構利用典型的半導體材料外延技術如分子束外延技術、金屬有機化學氣相沉積技術等，在GaAs襯底上依次生長而成。由於紅外光的吸收採用子帶躍遷，即只能吸收入射光的TM極化分量，因此在GaAs襯底的底面一側形成一 45°的斜面，以獲得光的偏振方向有垂直於外延生長平面的分量。同時，在這種結構下，入射的紅外光可以在樣品內進行多次全反射，從而大大增加了器件的吸收效率。其中，400為 GaAs 襯底,402 為 2 ii m GaAs 過渡層,404 為 IOOnm n 型 GaAs 下電極接觸層，405為20nm Ala55Gaa45As過渡層，406為5. Onm Ina28Gaa72As量子阱紅外光吸收層，在量子講與兩側的Ala55Gaa45As勢魚層之間各有0. 5nm的GaAs插入層,408為光電子輸運區，該區採用量子級聯結構，由多個不同阱寬的量子阱及各量子阱間的勢壘層構成，在本實施例中，共有5個GaAs量子阱，其阱寬依次為2. 6nm、2. 7nm、3. Onm,3. 3nm和3. 6nm，6個Al0 55Gaa45As 勢魚層的魚寬依次為 3. 0nm、2. 0nm、2. 0nm、2. 0nm、2. Onm和 2. Onm, 410 為 4. OnmInai5Gaa85As量子講發光層,在Inai5Gaa85As量子講與兩側的Ala55Gaa45As勢魚層之間各有
2.Onm的GaAs過渡層，411為Ala55Gaa45As過渡層，412為p型GaAs上電極接觸層。本實例所述的含量子級聯結構的4. I 紅外波長上轉換器件的能帶結構如圖5所示。500為電子準費米能級，502為空穴準費米能級。404所示的IOOnm n型GaAs下電極接觸層摻Si濃度為2 X IO18CnT3,406所示的5. Onm Ina28Gaa72As量子阱吸收層摻Si濃度為I. OX IO1W3,412所示的p型GaAs上電極接觸層摻B濃度為4X IO1W0本實例所述的含量子級聯結構的4. I y m紅外波長上轉換器件有源區的能帶及波函數分布如圖6所示。600為吸收層電子基態波函數，602為發光層電子基態波函數，604為有源區第一激發態波函數，606為有源區第二激發態波函數，608為有源區第三激發態波函數，610為有源區第四激發態波函數，612為有源區第五激發態波函數，614為有源區第六激發態波函數。以下結合圖6詳細說明有源區結構層的設計依據及器件的工作原理。406所示的Ina28Gaa72As量子阱吸收層摻Si濃度為I. SXlO1W,阱寬5. Onm,該量子阱相對於輸運區各量子阱的寬度為最寬，且輸運區五個量子阱寬度逐步加寬，依次為2. 6nm、2. 7nm、3.0nm、3. 3nm和3. 6nm。從圖6中可以看出，吸收層電子基態波函數與有源區第六激發態(吸收層第一激發態)波函數主要分布在吸收層的量子阱中，且這兩個能級間的振動強度為0. 8883，能量差為0. 301eV,說明吸收層中處於基態能級的電子吸收4. I y m波長的紅外光子後會以極大的概率躍遷到有源區第六激發態能級上。在外加I. 9V偏壓的作用下，有源區第六激發態波函數與第五激發態(量子級聯載流子輸運區注入態)波函數高度重疊，因此光生電子在其處於激發態上的壽命之內從發光層量子阱隧穿到輸運區相鄰量子阱中的注入態能級上。從輸運區到發光層的各量子阱阱寬逐漸加寬，因此輸運區各量子阱中的電子能級能量逐個降低，且相鄰量子阱中的電子能級能量差為縱光學聲子的整數倍，光生電子通過隧穿迅速釋放能量弛豫到下一個量子阱中的電子能級上。電子輸運過程如圖6中箭頭所示，最終光電子輸運到發光層電子基態能級上，該能級與發光層重空穴基態能級間的振動強度為0. 9334，能量差為I. 46eV,因此位於發光層電子基態能級上的電子有很大的概率和重空穴基態能級上的空穴複合，發出可被Si-APD探測的849nm波長的光子。輸運區採用量子級聯隧穿結構，電子很難反向隧穿回去，因此能有效提高紅外光的響應率和大大降低暗電流。
權利要求
1.ー種含量子級聯結構的波長上轉換器件，包括襯底、下電極接觸層、下過渡層、光吸收層、量子級聯載流子輸運區、發光層、上過渡層、上電極接觸層，其特徵在幹所述的光吸收層量子勢阱中的電子激發態能級與電子基態能級之間的能量差對應於紅外光子能量，該能量小於發光區量子勢阱中的電子基態能級與空穴基態能級之間的能量差；量子級聯載流子輸運區位於光吸收層和發光層之間，由多個量子阱組成，且各量子阱中的電子能級能量逐個降低。
2.根據權利要求I所述的ー種波長上轉換器件，其特徵在於所述量子級聯載流子輸運區的量子阱數目為I 500，厚度為O. 2 20nm，量子阱之間的勢壘厚度為O. 2 20nm。
3.根據權利要求I所述的ー種波長上轉換器件，其特徵在於所述光吸收層為多層量子阱、多層量子點或超晶格結構之一，層數為I 500。
4.根據權利要求I所述的ー種波長上轉換器件，其特徵在於所述發光層為多層量子阱、多層量子點或超晶格結構之一，層數為I 500。
5.根據權利要求1-4所述的ー種波長上轉換器件，其特徵在於所述量子阱、量子點或超晶格材料為以下各材料體系中的任意ー種鋁鎵銦神、鋁鎵銦磷、鋁鎵銦砷銻、鋁鎵銦砷憐、招嫁鋼氣、娃錯。
6.根據權利要求I所述的ー種波長上轉換器件，其特徵在於所述襯底是下列各材料中的任意一種神化鎵、磷化銦、銻化鎵、矽、鍺、氮化鎵、氮化鋁、碳化矽、藍寶石，襯底厚度為10 600 μ m;襯底的一個側面製成45°的斜面，或者在其表面製作一維或ニ維光柵，光柵周期為O. I 100 μ m。
全文摘要
一種含量子級聯結構的波長上轉換器件，屬於半導體材料和器件製作領域，其特徵在於所述波長上轉換器件的核心結構包括光吸收層、量子級聯載流子輸運區、發光層，光吸收層量子阱中的子帶躍遷能量對應於紅外光子能量，該能量小於發光區量子阱中的帶間躍遷能量；量子級聯載流子輸運區位於光吸收層和發光層之間，由多個量子阱組成，且各量子阱中的電子能級能量逐個降低。本發明可用於紅外弱光的探測。
文檔編號G01J1/02GK102629637SQ201110438999
公開日2012年8月8日 申請日期2011年12月22日 優先權日2011年12月22日
發明者康健彬, 汪萊, 王磊, 羅毅, 郝智彪 申請人:清華大學