共振隧穿增強銦鎵砷/鎵砷量子阱紅外探測器的製作方法

2023-10-20 17:17:52 1

專利名稱：共振隧穿增強銦鎵砷/鎵砷量子阱紅外探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及銦鎵砷/鎵砷(InGaAs/GaAs)長波量子阱紅外探測器，具體是指一種共振隧穿雙勢壘結構增強的InGaAs/GaAs多量子阱紅外探測器。
背景技術：
近十五年來，隨著低維材料的迅猛發展，量子阱紅外探測器的研發十分活躍。相比傳統的碲鎘汞紅外探測器，量子阱探測器的優點是材料的均勻性好，器件製作工藝成熟，抗輻照、成本低。對於焦平面列陣探測器而言，這些優點表現的更為明顯。但是，量子阱探測器由於較大的暗電流和較低的量子吸收效率及由此產生的較小的光電流在應用上受到了很大的限制。目前，被人們普遍看好的是InxGa1-xAs/GaAs多量子阱探測器，它在長波波段應用方面有著相當好的前途。由於常規的n型InxGa1-xAs/GaAs多量子阱探測器是利用窄帶隙的InxGa1-xAs和寬帶隙的GaAs形成量子阱結構，InxGa1-xAs量子阱結構中的束縛態上的電子吸收紅外光向高能帶躍遷，在外加電場作用下輸運，形成光電流實現對紅外光的探測，形成光電流後量子阱中的空位則由注入的補償電流補充。在無光照時發射極的注入電子形成器件的暗電流。由於常規結構類似電阻，在無光照射情況下其電阻也不是很大，因此暗電流較大。其主要機制為熱輔助隧穿和熱電子發射機制。綜合考慮器件的探測波長和探測靈敏度等特性，器件結構中的勢壘不可能做的很高、很厚，否則光電流也會受到很強的抑制，因此InxGa1-xAs/GaAs器件的暗電流一直不能顯著降低。由於器件的噪聲正比於器件的暗電流，因此常規的InxGa1-xAs/GaAs多量子阱探測器的探測率多年來一直沒有較大的提高。

發明內容
本發明的目的是提出一種可實現對量子阱紅外探測器暗電流顯著抑制而光電流顯著增強的雙勢壘共振隧穿量子阱紅外探測器。
本發明的技術方案是在常規多量子阱探測器的每個周期後端加入一個共振隧穿雙勢壘結構實現對探測器的探測率提高。
本發明的量子阱紅外探測器，包括GaAs襯底，在GaAs襯底上依次排列生長n型重摻雜的GaAs下電極層、多量子阱層、非摻雜GaAs勢壘層、n型重摻雜的GaAs上電極層。所說的多量子阱層為多個周期交替排列的量子阱結構層和雙勢壘共振隧穿結構層。
所說的量子阱結構層為依次排列的非摻雜GaAs勢壘層、InxGa1-xAs(x＝0.09～0.11)非摻雜量子阱層、非摻雜AlxGa1-xAs(x＝0.04～0.06)勢壘層、InxGa1-xAs(x＝0.14～0.16)摻雜量子阱層。量子阱結構層的深度和寬度由組分確定。
所說的雙勢壘共振隧穿結構層為依次排列的非摻雜AlxGa1-xAs(x＝0.39～0.41)勢壘層、非摻雜InxGa1-xAs(x＝0.14～0.16)量子阱層、非摻雜AlxGa1-xAs(x＝0.39～0.41)勢壘層。
本發明器件的工作原理當對器件加一定偏壓且無光照時發射極光生載流子的第一激發態能量跟隧穿結構的局域子能級相偏離，此時器件可以注入的熱激發載流子及光生載流子濃度均很小，即暗電流很小。但當器件在一定偏壓下並加上光照作用後勢壘及量子阱發生傾斜，當入射紅外光能量等於摻雜量子阱的激發態能級和基態能級的能量差時，引起紅外吸收。處於基態能級的束縛態電子吸收紅外光的能量，躍遷到高能級的激發態，當非摻雜量子阱的局域子能級與激發態能級的電子能量和隧穿結構中央量子阱的準局域子能級平齊時，將引起光生載流子的共振隧穿，器件的光電流值開始迅速增大，器件的探測率得到提高。
本發明器件的結構相對於不含隧穿二極體結構的常規量子阱結構而言有以下來自基本量子力學原理上的優勢1.由於激發態是一個分裂的量子能級，不同於常規量子阱結構中是處於連續態中，所以暗電流在光躍遷能級以上的能量範圍中的態密度被大大壓縮，所以熱離化的暗電流和熱輔助隧穿的暗電流這二種主導的暗電流被有效地抑制了；2.依然是由於激發態變成了受限分裂能級，導致了激發態上波函數在量子阱區域的急劇增強，為此引起了在紅外探測中基態向第一激發態之間躍遷機率，進而吸收係數的急劇增強。
基於上述2個優點，對探測器的功能就形成了暗電流的有效降低和光吸收係數的有效提高，從而有效地改善了量子阱紅外探測器中光吸收係數偏小、暗電流偏大的缺點。


圖1為本發明的多量子阱探測器的結構示意圖；圖2為本發明的多量子阱紅外探測器的能帶結構示意圖；圖3為本發明的多量子阱紅外探測器的工作原理示意圖；圖4為本發明的多量子阱器件(10個周期)與常規GaAs/InGaAs長波量子阱器件(10個周期)的暗電流曲線圖(器件工作溫度40K)；圖5為本發明的多量子阱器件(10個周期)與常規GaAs/InGaAs長波量子阱器件(10個周期)的光電流曲線圖(器件工作溫度40K)。
具體實施例方式
下面以峰值探測波長在14μm附近的GaAs/InGaAs長波量子阱紅外探測器為例，結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。
如圖1所示，採用分子束外延方法在GaAs襯底1上依次排列生長n型重摻雜的GaAs層2作為器件下電極的接觸層、多量子阱層3、n型Si重摻雜GaAs層4，摻雜濃度1.0×1018cm-3，作為器件上電極引出層。
所說的多量子阱層3由10個周期交替排列的量子阱結構層和雙勢壘共振隧穿結構層再加上一層50nm厚的非摻雜GaAs勢壘層308組成。
每個周期中的量子阱結構層為依次排列的50nm厚的非摻雜GaAs勢壘層301；1.5nm的In0.1Ga0.9As非摻雜量子阱層302；1.5nm非摻雜Al0.05Ga0.95As勢壘層303；6nm的In0.15Ga0.85As摻雜量子阱層304，Si摻雜濃度為2.0×1017cm-3。
每個周期中的共振隧穿結構層為依次排列的2nm厚的非摻雜Al0.4Ga0.6As勢壘層305；2nm的非摻雜In0.15Ga0.85As量子阱層306；2nm的非摻雜Al0.4Ga0.6As勢壘層307。
器件具體應用時要首先將器件偏壓調到即將共振隧穿發生之前，即通過器件的電流電壓曲線將偏壓調到負阻振蕩的峰值後，降低偏壓到負阻振蕩峰的半峰寬處，形成器件工作的偏壓工作點，外界入射的背景光通量不同，該偏壓工作點會自動地做相應變化。
權利要求
1.一種共振隧穿增強銦鎵砷/鎵砷量子阱紅外探測器，包括GaAs襯底(1)，在GaAs襯底上依次排列生長n型重摻雜的GaAs下電極層(2)、多量子阱層(3)、n型重摻雜的GaAs上電極層(4)；其特徵在於所說的多量子阱層為多個周期交替排列的量子阱結構層和雙勢壘共振隧穿結構層，最後另加一層非摻雜GaAs勢壘層(308)。
2.根據權利要求1的一種共振隧穿增強銦鎵砷/鎵砷量子阱紅外探測器，其特徵在於所說的量子阱結構層為依次排列的非摻雜GaAs勢壘層(301)；InxGa1-xAs非摻雜量子阱層(302)，其中x＝0.09～0.11；非摻雜AlxGa1-xAs勢壘層(303)，其中x＝0.04～0.06；InxGa1-As摻雜量子阱層(304)，其中x＝0.14～0.16。
3.根據權利要求1的一種共振隧穿增強銦鎵砷/鎵砷量子阱紅外探測器，其特徵在於所說的雙勢壘共振隧穿結構層為依次排列的非摻雜AlxGa1-xAs勢壘層(305)，其中x＝0.39～0.41；非摻雜InxGa1-xAs量子阱層(306)，其中x＝0.14～0.16；非摻雜AlxGa1-xAs勢壘層(307)，其中x＝0.39～0.41)。
全文摘要
本發明公開了一種共振隧穿增強銦鎵砷/鎵砷量子阱紅外探測器，該探測器是在常規的多量子阱層的每個周期後端加入一個共振隧穿雙勢壘結構。這種結構的優點是可對量子阱紅外探測器的暗電流顯著抑制而光電流顯著增強，從而實現對探測器的探測率提高。
文檔編號H01L31/101GK1996621SQ200610148068
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月27日 優先權日2006年12月27日
發明者陸衛, 殷菲, 熊大元, 李寧, 甄紅樓, 張波, 陳平平, 李天信, 陳效雙, 李志鋒 申請人:中國科學院上海技術物理研究所