CN100479202C - 共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器 - Google Patents
共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN100479202C CN100479202C CNB200610148068XA CN200610148068A CN100479202C CN 100479202 C CN100479202 C CN 100479202C CN B200610148068X A CNB200610148068X A CN B200610148068XA CN 200610148068 A CN200610148068 A CN 200610148068A CN 100479202 C CN100479202 C CN 100479202C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- quantum well
- layer
- doped
- gaas
- gallium arsenic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Abstract
本发明公开了一种共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器，该探测器是在常规的多量子阱层的每个周期后端加入一个共振隧穿双势垒结构。这种结构的优点是：可对量子阱红外探测器的暗电流显著抑制而光电流显著增强，从而实现对探测器的探测率提高。
Description
技术领域
本发明涉及铟镓砷/镓砷(InGaAs/GaAs)长波量子阱红外探测器，具体是指一种共振隧穿双势垒结构增强的InGaAs/GaAs多量子阱红外探测器。
背景技术
近十五年来，随着低维材料的迅猛发展，量子阱红外探测器的研发十分活跃。相比传统的碲镉汞红外探测器，量子阱探测器的优点是材料的均匀性好，器件制作工艺成熟，抗辐照、成本低。对于焦平面列阵探测器而言，这些优点表现的更为明显。但是，量子阱探测器由于较大的暗电流和较低的量子吸收效率及由此产生的较小的光电流在应用上受到了很大的限制。目前，被人们普遍看好的是InxGa1-xAs/GaAs多量子阱探测器，它在长波波段应用方面有着相当好的前途。由于常规的n型InxGa1-xAs/GaAs多量子阱探测器是利用窄带隙的InxGa1-xAs和宽带隙的GaAs形成量子阱结构，InxGa1-xAs量子阱结构中的束缚态上的电子吸收红外光向高能带跃迁，在外加电场作用下输运，形成光电流实现对红外光的探测，形成光电流后量子阱中的空位则由注入的补偿电流补充。在无光照时发射极的注入电子形成器件的暗电流。由于常规结构类似电阻，在无光照射情况下其电阻也不是很大，因此暗电流较大。其主要机制为热辅助隧穿和热电子发射机制。综合考虑器件的探测波长和探测灵敏度等特性，器件结构中的势垒不可能做的很高、很厚，否则光电流也会受到很强的抑制，因此InxGa1-xAs/GaAs器件的暗电流一直不能显著降低。由于器件的噪声正比于器件的暗电流，因此常规的InxGa1-xAs/GaAs多量子阱探测器的探测率多年来一直没有较大的提高。
发明内容
本发明的目的是提出一种可实现对量子阱红外探测器暗电流显著抑制而光电流显著增强的双势垒共振隧穿量子阱红外探测器。
本发明的技术方案是在常规多量子阱探测器的每个周期后端加入一个共振隧穿双势垒结构实现对探测器的探测率提高。
本发明的量子阱红外探测器，包括GaAs衬底，在GaAs衬底上依次排列生长n型重掺杂的GaAs下电极层、多量子阱层、非掺杂GaAs势垒层、n型重掺杂的GaAs上电极层。所说的多量子阱层为多个周期交替排列的量子阱结构层和双势垒共振隧穿结构层。
所说的量子阱结构层为依次排列的非掺杂GaAs势垒层、InxGa1-xAs(x＝0.09～0.11)非掺杂量子阱层、非掺杂AlxGa1-xAs(x＝0.04～0.06)势垒层、InxGa1-xAs(x＝0.14～0.16)掺杂量子阱层。量子阱结构层的深度和宽度由组分确定。
所说的双势垒共振隧穿结构层为依次排列的非掺杂AlxGa1-xAs(x＝0.39～0.41)势垒层、非掺杂InxGa1-xAs(x＝0.14～0.16)量子阱层、非掺杂AlxGa1-xAs(x＝0.39～0.41)势垒层。
本发明器件的工作原理：当对器件加一定偏压且无光照时发射极光生载流子的第一激发态能量跟隧穿结构的局域子能级相偏离，此时器件可以注入的热激发载流子及光生载流子浓度均很小，即暗电流很小。但当器件在一定偏压下并加上光照作用后势垒及量子阱发生倾斜，当入射红外光能量等于掺杂量子阱的激发态能级和基态能级的能量差时，引起红外吸收。处于基态能级的束缚态电子吸收红外光的能量，跃迁到高能级的激发态，当非掺杂量子阱的局域子能级与激发态能级的电子能量和隧穿结构中央量子阱的准局域子能级平齐时，将引起光生载流子的共振隧穿，器件的光电流值开始迅速增大，器件的探测率得到提高。
本发明器件的结构相对于不含隧穿二极管结构的常规量子阱结构而言有以下来自基本量子力学原理上的优势：
1.由于激发态是一个分裂的量子能级，不同于常规量子阱结构中是处于连续态中，所以暗电流在光跃迁能级以上的能量范围中的态密度被大大压缩，所以热离化的暗电流和热辅助隧穿的暗电流这二种主导的暗电流被有效地抑制了；
2.依然是由于激发态变成了受限分裂能级，导致了激发态上波函数在量子阱区域的急剧增强，为此引起了在红外探测中基态向第一激发态之间跃迁几率，进而吸收系数的急剧增强。
基于上述2个优点，对探测器的功能就形成了暗电流的有效降低和光吸收系数的有效提高，从而有效地改善了量子阱红外探测器中光吸收系数偏小、暗电流偏大的缺点。
附图说明
图1为本发明的多量子阱探测器的结构示意图；
图2为本发明的多量子阱红外探测器的能带结构示意图；
图3为本发明的多量子阱红外探测器的工作原理示意图；
图4为本发明的多量子阱器件(10个周期)与常规GaAs/InGaAs长波量子阱器件(10个周期)的暗电流曲线图(器件工作温度：40K)；
图5为本发明的多量子阱器件(10个周期)与常规GaAs/InGaAs长波量子阱器件(10个周期)的光电流曲线图(器件工作温度：40K)。
具体实施方式
下面以峰值探测波长在14μm附近的GaAs/InGaAs长波量子阱红外探测器为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示，采用分子束外延方法在GaAs衬底1上依次排列生长n型重掺杂的GaAs层2作为器件下电极的接触层、多量子阱层3、n型Si重掺杂GaAs层4，掺杂浓度1.0×1018cm-3，作为器件上电极引出层。
所说的多量子阱层3由10个周期交替排列的量子阱结构层和双势垒共振隧穿结构层再加上一层50nm厚的非掺杂GaAs势垒层308组成。
每个周期中的量子阱结构层为依次排列的
50nm厚的非掺杂GaAs势垒层301；
1.5nm的In0.1Ga0.9As非掺杂量子阱层302；
1.5nm非掺杂Al0.05Ga0.95As势垒层303；
6nm的In0.15Ga0.85As掺杂量子阱层304，Si掺杂浓度为2.0×1017cm-3。
每个周期中的共振隧穿结构层为依次排列的
2nm厚的非掺杂Al0.4Ga0.6As势垒层305；
2nm的非掺杂In0.15Ga0.85As量子阱层306；
2nm的非掺杂Al0.4Ga0.6As势垒层307。
器件具体应用时要首先将器件偏压调到即将共振隧穿发生之前，即通过器件的电流电压曲线将偏压调到负阻振荡的峰值后，降低偏压到负阻振荡峰的半峰宽处，形成器件工作的偏压工作点，外界入射的背景光通量不同，该偏压工作点会自动地做相应变化。
Claims (1)
1.一种共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器，包括：GaAs衬底(1)，在GaAs衬底上依次排列生长n型重掺杂的GaAs下电极层(2)、由多个周期交替排列的GaAs/AlxGa1-xAs/InxGa1-xAs量子阱结构层、AlxGa1-xAs/InxGa1-xAs双势垒共振隧穿结构层和一层非掺杂GaAs势垒层(308)组成的多量子阱层(3)、n型重掺杂的GaAs上电极层(4)；其特征在于：所说的GaAs/AlxGa1-xAs/InxGa1-xAs量子阱结构层为依次排列的非掺杂GaAs势垒层(301)，InxGa1-xAs非掺杂量子阱层(302)，其中x＝0.09～0.11，非掺杂AlxGa1-xAs势垒层(303)，其中x＝0.04～0.06，InxGa1-xAs掺杂量子阱层(304)，其中x＝0.14～0.16；所说的AlxGa1-xAs/InxGa1-xAs双势垒共振隧穿结构层为依次排列的非掺杂AlxGa1-xAs势垒层(305)，其中x＝0.39～0.41，非掺杂InxGa1-xAs量子阱层(306)，其中x＝0.14～0.16，非掺杂AlxGa1-xAs势垒层(307)，其中x＝0.39～0.41。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB200610148068XA CN100479202C (zh) | 2006-12-27 | 2006-12-27 | 共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB200610148068XA CN100479202C (zh) | 2006-12-27 | 2006-12-27 | 共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1996621A CN1996621A (zh) | 2007-07-11 |
| CN100479202C true CN100479202C (zh) | 2009-04-15 |
Family
ID=38251619
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB200610148068XA Active CN100479202C (zh) | 2006-12-27 | 2006-12-27 | 共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN100479202C (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101877361B (zh) * | 2010-07-05 | 2011-08-10 | 天津大学 | 新型平面器件结构的共振隧穿器件 |
| CN102306667B (zh) * | 2011-09-07 | 2013-06-12 | 清华大学 | 一种波长上转换半导体结构及其光探测方法 |
| CN104409556B (zh) * | 2014-12-05 | 2017-01-04 | 北京大学 | 一种氮化物复合势垒量子阱红外探测器及其制备方法 |
| CN108520904B (zh) * | 2018-06-12 | 2023-09-12 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种基于共振遂穿效应的GaAs基双色量子阱红外探测器 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4450463A (en) * | 1981-06-29 | 1984-05-22 | Rockwell International Corporation | Multiple-quantum-layer photodetector |
| WO1999017341A2 (en) * | 1997-09-27 | 1999-04-08 | National University Of Singapore | Dual band infrared detector using step multiquantum wells with superlattice barriers |
| CN1167135C (zh) * | 2001-10-12 | 2004-09-15 | 吉林大学 | 超晶格材料子带跃迁的半导体弱光开关 |
| US6885023B2 (en) * | 2000-07-28 | 2005-04-26 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Optical device and a method of making an optical device |
| CN1773729A (zh) * | 2005-09-23 | 2006-05-17 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 自放大红外探测器 |
-
2006
- 2006-12-27 CN CNB200610148068XA patent/CN100479202C/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4450463A (en) * | 1981-06-29 | 1984-05-22 | Rockwell International Corporation | Multiple-quantum-layer photodetector |
| WO1999017341A2 (en) * | 1997-09-27 | 1999-04-08 | National University Of Singapore | Dual band infrared detector using step multiquantum wells with superlattice barriers |
| US6885023B2 (en) * | 2000-07-28 | 2005-04-26 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Optical device and a method of making an optical device |
| CN1167135C (zh) * | 2001-10-12 | 2004-09-15 | 吉林大学 | 超晶格材料子带跃迁的半导体弱光开关 |
| CN1773729A (zh) * | 2005-09-23 | 2006-05-17 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 自放大红外探测器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1996621A (zh) | 2007-07-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105720130B (zh) | 基于量子阱带间跃迁的光电探测器 | |
| CN103165727B (zh) | N型注入的红外至可见波长上转换装置及其制备方法 | |
| KR100375829B1 (ko) | 아발란치 광 검출기 | |
| CN108305911B (zh) | 吸收、倍增层分离结构的ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器 | |
| CN103180968A (zh) | 具备波长转换功能的有机/无机混合光学放大器 | |
| CN109494275B (zh) | 一种AlGaN基日盲紫外光电晶体管探测器及其制作方法 | |
| WO2007135739A1 (ja) | 紫外受光素子 | |
| Ting et al. | Antimonide-based barrier infrared detectors | |
| Wei et al. | High structural quality of type II InAs/GaSb superlattices for very long wavelength infrared detection by interface control | |
| Elfving et al. | SiGe (Ge-dot) heterojunction phototransistors for efficient light detection at 1.3–1.55 μm | |
| CN100479202C (zh) | 共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器 | |
| CN102306667B (zh) | 一种波长上转换半导体结构及其光探测方法 | |
| JP2004104085A (ja) | アバランシェフォトトランジスタ | |
| CN107342344B (zh) | 一种紫外雪崩探测器及其制备方法 | |
| CN102629637B (zh) | 一种含量子级联结构的波长上转换器件 | |
| Luo et al. | Optical upconverter with integrated heterojunction phototransistor and light-emitting diode | |
| Yagi et al. | Quantum well double barrier resonant tunneling structures for selective contacts of hot carrier solar cells | |
| CN100461465C (zh) | 镓砷/铝镓砷甚长波量子阱红外探测器 | |
| CN112635615B (zh) | 具有多吸收量子阱的光伏型氮化物子带跃迁红外探测器 | |
| CN208225887U (zh) | 基于共振遂穿效应的GaAs基双色量子阱红外探测器 | |
| CN100424896C (zh) | 自增益长波量子阱红外探测器 | |
| CN112151639A (zh) | 一种适用于紫外光探测的氮化物共振隧穿二极管结构 | |
| Yakimov et al. | Ge/Si photodiodes and phototransistors with embedded arrays of germanium quantum dots for fiber-optic communication lines | |
| CN114975645B (zh) | 一种稀土掺杂iii-v族半导体结构及其光电探测器结构 | |
| CN101335309B (zh) | 提高量子点共振隧穿二极管光探测器动态范围的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |