CN100495742C - 铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器及其制备方法 - Google Patents

铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器，包括：一GaAs衬底；一n+GaAs下接触层生长在GaAs衬底上，该n+GaAs下接触层中重掺杂施主Si原子；一多周期光电流产生区生长在n+GaAs下接触层上，其作用是吸收红外辐射并产生光电子；一n+GaAs上接触层生长在多周期光电流产生区上，保护多周期光电流产生区；该n+GaAs上接触层中重掺杂Si原子；一上电极制作在n+GaAs上接触层上，收集并输出多周期光电流产生区产生的光电流信号；一下电极制作在n+GaAs下接触层上形成的台阶的一侧，和上电极一起给多周期光电流产生区施加偏压。

Description

铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电探测技术领域，尤其涉及铟镓砷/铟铝砷(InGaAs/InAlAs)耦合量子点红外探测器及其制备方法。
背景技术
红外探测器在夜间摄像、军事侦察、火灾预测、采集火山和矿藏信息、癌症诊断和天文学研究等很多领域具有很高的应用价值。目前广泛应用的红外探测器是碲镉汞(HgCdTe)探测器和镓砷/铝镓砷(GaAs/AlGaAs)量子阱红外探测器，InGaAs量子点红外探测器的研究也在广泛开展。
InGaAs量子点红外探测器是利用InGaAs量子点导带中电子吸收红外辐射光子后在子能级之间跃迁或者子能级跃迁到连续态，这些光激发电子累积形成光电流，从了探测出红外辐射源的信息。理论上量子点探测器相对于量子阱探测器的优势在于：1.量子点外形呈岛状，对垂直入射的红外辐射的敏感，因此量子点红外探测器不需要制作表面光栅来耦合垂直入射光波；2.量子点中的载流子束缚在纳米量级的三维势阱中，量子尺寸效应使得其中的子能级之间间隔很大，量子点对注入电子的捕获率低于量子阱对注入电子的捕获率，因此，量子点红外探测器的光电子增益较大；3.量子点中电子的热激活能高，导致量子点红外探测器的暗电流被抑制，工作温度被提高。但是目前InGaAs量子点红外探测器的工作性能仍然低于碲镉汞(HgCdTe)探测器以及GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器，其主要原因是：1.目前自组织生长的量子点密度较低，均匀性不理想，这些都极大地限制了量子点红外探测器对红外辐射的峰值吸收系数和光电流密度；2.量子点红外探测器中需要加入禁带宽度较大的GaAlAs材料来降低其中的暗电流，提高量子点红外探测器的探测率。因此增加量子点的密度和均匀性，抑制暗电流将显著提高量子点红外探测器性能。
我们在GaAs上生长的InAlAs量子点的密度达到1011cm-2量级，远高于直接生长在GaAs上的InGaAs量子点的密度，而且具有很好的均匀性。利用InAlAs量子点通过GaAs间隔层将应变场传递给InGaAs量子点，这种垂直耦合效应将提高InGaAs量子点的密度和均匀性，相应地提高量子点红外探测器的性能。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器及其制备方法。该InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器一方面利用InGaAs量子点和InAlAs量子点种子层之间的垂直耦合效应来增加InGaAs量子点的密度并改善量子点的均匀性，相应地提高量子点探测器对红外辐射的吸收系数和光电流密度；另一方面利用InAlAs材料的禁带宽度大于GaAs和InGaAs材料的禁带宽度的性质，降低InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器中的暗电流。
本发明一种铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器，其特征在于，该探测器包括：
一GaAs衬底，该GaAs衬底作为铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器的载体；
一n+ GaAs下接触层，该n+ GaAs下接触层生长在GaAs衬底上，作为缓冲层消除半绝缘GaAs衬底引起的界面缺陷；该n+ GaAs下接触层中重掺杂施主Si原子；
一多周期光电流产生区，该多周期光电流产生区生长在n+ GaAs下接触层上，其作用是吸收红外辐射并产生光电子，该多周期光电流产生区的每一周期包括InAlAs量子点和InGaAs量子点层，InAlAs量子点和InGaAs量子点层之间垂直耦合；
一n+ GaAs上接触层，该n+ GaAs上接触层生长在多周期光电流产生区上，保护多周期光电流产生区；该n+ GaAs上接触层中重掺杂Si原子；
一上电极，该上电极制作在n+ GaAs上接触层上，呈方框形，面积很小，几乎不影响红外辐射垂直入射到多周期光电流产生区，收集并输出多周期光电流产生区产生的光电流信号；
一下电极，该下电极制作在n+ GaAs下接触层上形成的台阶的一侧，和上电极一起给多周期光电流产生区施加偏压。
其中所述的n+ GaAs下接触层、多周期光电流产生区、n+ GaAs上接触层是利用分子束外延或者金属有机物化学气相外延方法生长的。
其中所述的多周期光电流产生区的每一周期包括的InAlAs量子点，该InAlAs量子点最初生长在n+ GaAs下接触层上，从第二周期开始生长在前一周期的GaAs上间隔层上；该InAlAs量子点作为种子层来提高InGaAs量子点的面密度；该InAlAs量子点作为暗电流阻挡层降低InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器中的暗电流；
该多周期光电流产生区的每一周期包括，一GaAs下间隔层，该GaAs下间隔层生长在InAlAs量子点上，其厚度决定了InAlAs量子点和InGaAs量子点的耦合强度，影响InGaAs量子点的密度和均匀性；
该多周期光电流产生区的每一周期还包括的InGaAs量子点层，该InGaAs量子点层生长在GaAs下间隔层上，其作用吸收红外辐射并产生光电子；该InGaAs量子点层中掺杂施主Si原子提供电子到InGaAs量子点层中的子能级上；
该多周期光电流产生区的每一周期还包括，一GaAs上间隔层，该GaAs上间隔层生长在InGaAs量子点层上，作为势垒层限制着InGaAs量子点层中的载流子。
其中所述的多周期光电流产生区的周期数为10至100。
本发明一种铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
步骤1：生长材料：利用分子束外延或者金属有机物化学气相外延方法在GaAs衬底上依次生长一n+ GaAs下接触层、一多周期光电流产生区、一n+ GaAs上接触层，该多周期光电流产生区的每一周期包括InAlAs量子点和InGaAs量子点层，InAlAs量子点和InGaAs量子点层之间垂直耦合；
步骤2：刻蚀：在完成步骤1材料生长的量子点探测器样品上n+ GaAs上接触层开始，利用光刻和湿法腐蚀工艺刻蚀，其深度达到n+ GaAs下接触层中，即在n+ GaAs下接触层上刻蚀形成一台阶；
步骤3：在样品表面均匀地涂上光刻胶，曝光后分别在n+ GaAs上接触层和台阶上形成上电极图形和下电极图形，用于蒸镀上电极和下电极；
步骤4：蒸镀电极材料：利用溅射或者热蒸发方法在样品表面蒸镀Au/Ge/Ni合金电极材料；
步骤5：去除光刻胶上沉积的电极材料：利用丙酮等有机溶剂浸泡并辅助超声清洗去除光刻胶上沉积的电极材料，分别在n+ GaAs上接触层和台阶上保留上电极和下电极；
步骤6：清洗、烘干样品，完成铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器的制作工艺。
其中所述的多周期光电流产生区的每一周期包括的InAlAs量子点，该InAlAs量子点最初生长在n+ GaAs下接触层上，从第二周期开始生长在前一周期的GaAs上间隔层上；该InAlAs量子点作为种子层来提高InGaAs量子点的面密度；该InAlAs量子点作为暗电流阻挡层降低铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器中的暗电流；
该多周期光电流产生区的每一周期包括，一GaAs下间隔层，该GaAs下间隔层生长在InAlAs量子点上，其厚度决定了InAlAs量子点和InGaAs量子点的耦合强度，影响InGaAs量子点的密度和均匀性；
该多周期光电流产生区的每一周期还包括的InGaAs量子点层，该InGaAs量子点层生长在GaAs下间隔层上，其作用吸收红外辐射并产生光电子；该InGaAs量子点层中掺杂施主Si原子提供电子到InGaAs量子点层中的子能级上；
该多周期光电流产生区的每一周期还包括，一GaAs上间隔层，该GaAs上间隔层生长在InGaAs量子点层上，作为势垒层限制着InGaAs量子点层中的载流子。
其中所述的多周期光电流产生区的周期数为10至100。
其中所述的步骤1中的多周期光电流产生区中的InAlAs量子点和InGaAs量子点都是在外延生长过程中自组织形成量子点。
其中所述的步骤5中形成的上电极是方框形电极，不仅使红外辐射通过n+GaAs上接触层垂直入射到多周期光电流产生区，而且收集和输出多周期光电流产生区产生的光电流信号。
本发明技术方案的有益效果是：通过InGaAs量子点和InAlAs量子点种子层的垂直耦合效应来增加InGaAs量子点的密度、均匀性和高宽比，实现提高量子点探测器对红外辐射的吸收系数和光电流密度；而且InAlAs量子点种子层也降低了InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的暗电流。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合附图详细说明如后，其中：
图1是本发明的InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的截面结构示意图；
图2是本发明的InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的俯视结构示意图。
具体实施方式
下面本发明将结合附图，对本发明的各个组成部分的作用和实施方案进行详细描述。
如图1所示的InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器，包括GaAs衬底10、n+ GaAs下接触层20、由InAlAs量子点31、GaAs下间隔层32、InGaAs量子点33和GaAs上间隔层34组成的多周期光电流产生区30，n+ GaAs上接触层40、以及上电极50和下电极51。其特征在于，其中：
GaAs衬底10是InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的载体。
n+GaAs下接触层20是直接生长GaAs衬底10上，该n+ GaAs下接触层20的厚度通常大于100nm，作为缓冲层避免衬底引起的界面缺陷对InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的影响；该n+ GaAs下接触层20中重掺杂施主Si原子提高其导电性；利用光刻和湿法腐蚀工艺在该n+ GaAs下接触层20上刻蚀出方框形台阶21阵列，用于蒸镀下电极51。如图1和图2所示，每个台阶21围着一个独立的InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器管芯。
多周期光电流产生区30的每一周期包括InAlAs量子点31、GaAs下间隔层32、InGaAs量子点33和GaAs上间隔层34。多周期光电流产生区30的周期数为10至100，周期数目增加会增大其对红外辐射的吸收并增强光电流信号强度(删掉)。
其中，InAlAs量子点31在第一周期中是生长在n+ GaAs下接触层20上，在随后的周期中是生长在前一周期的GaAs上间隔层34上，其密度达到1011cm-2量级，远高于直接生长在GaAs上的InGaAs量子点33的密度，而且InAlAs量子点31具有很好的均匀性。该InAlAs量子点31通过GaAs下间隔层32将应变场传递给InGaAs量子点33，这种垂直耦合效应提高了InGaAs量子点33的密度和均匀性。
GaAs下间隔层32生长在InAlAs量子点31上，其厚度决定了InAlAs量子点31和InGaAs量子点33的耦合强度，影响InGaAs量子点33的密度和均匀性。
InGaAs量子点33生长在GaAs下间隔层32上，InGaAs量子点33中In和Ga的比例的变化影响着InGaAs量子点33中子能级的能量和间隔，即通过改变InGaAs量子点33中In和Ga的比例使InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的探测波长分布在8-14μm之间的大气窗口内。InGaAs量子点33中掺杂施主Si原子提供电子到其中的子能级上。
GaAs上间隔层34主要起到势垒和缓冲应力作用。该GaAs上间隔层34的厚度为30至50nm就能够有效地限制住InGaAs量子点33中的电子，降低InGaAs量子点33中电子受热辅助隧穿而形成的暗电流，而且避免了由于多周期光电流产生区30中因晶格失配产生的应力累积而引起的缺陷。该GaAs上间隔层34的厚度太薄就不能起到势垒和缓冲应力作用，太厚会降低光电子穿越多周期光电流产生区30的几率，影响了光电流信号的强度。
n+ GaAs上接触层40起到蒸镀上电极50并保护量子点探测器中光电流产生区30的作用，该n+ GaAs上接触层40中掺杂施主Si原子提高其导电性能；
上电极50和下电极51分别与n+ GaAs上接触层40和n+ GaAs下接触层20上的台阶21形成欧姆接触，从而提高施加偏压和输出光电流信号的效果；
在InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的上电极50和下电极51上压焊金属引线后，将InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器放置在杜瓦瓶中，并将金属引线连接到杜瓦瓶的输入/输出电极上来实现施加偏压和采集光电流信号。InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器在杜瓦瓶中维持在77K或者更低温度下工作，这将尽可能地降低由热激发和热辅助隧穿而产生的暗电流，提高InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的探测率等性能。
请再参阅图1和图2所示，本发明的InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的制备方法，制备步骤如下：
步骤1：生长材料：利用分子束外延或者金属有机物化学气相外延方法在GaAs衬底10上依次生长一n+ GaAs下接触层20、一多周期光电流产生区30、一n+GaAs上接触层40；其中多周期光电流产生区30包括InAlAs量子点31、GaAs下间隔层32、InGaAs量子点33和GaAs上间隔层34。InAlAs量子点31和InGaAs量子点33是在外延生长过程中，由于InAlAs和InGaAs材料与GaAs的晶格失配引起的Stranski-Krastanow(S-K)模式的自组织形成的；
步骤2：刻蚀：在量子点探测器样品上n+ GaAs上接触层40开始，利用光刻和湿法腐蚀工艺周期性地刻蚀，其深度达到n+GaAs下接触层20中，即在n+GaAs下接触层20上刻蚀形成一台阶21；
步骤3：在样品表面均匀地涂上光刻胶，曝光、显影后分别在n+ GaAs上接触层40和台阶21上形成上电极图形和下电极图形；
步骤4：蒸镀电极材料：利用溅射或者热蒸发方法在样品表面蒸镀Au/Ge/Ni合金或者其它电极材料；
步骤5：去除光刻胶上沉积的电极材料：利用丙酮等有机溶剂浸泡并辅助超声清洗去除光刻胶上沉积的电极材料，分别在n+ GaAs上接触层40和台阶21上形成的上电极50和下电极51；
步骤6：清洗、烘干样品，完成InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的制作工艺。
在具体实施案例中将说明利用InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器实现探测红外辐射信号的工作过程。本发明的InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器实现探测红外辐射信号的工作过程如下：将InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器放置在杜瓦瓶中，通过金属引线把InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的上电极50和下电极51连接到杜瓦瓶的输入/输出电极上；给杜瓦瓶抽真空后注入液氮，使InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的工作温度维持在77K附近；将测试系统连接在杜瓦瓶的输入/输出电极上来实现施加偏压和采集光电流信号；红外辐射信号垂直于图1所示的InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器的n+ GaAs上接触层40入射到多周期光电流产生区30，被其中的InGaAs量子点33中束缚在子能级上的电子吸收后跃迁到更高的子能级上，或跃迁出到连续态中；这些吸收红外辐射而跃迁产生的电子受到上电极50和下电极51所施加的偏压驱动，汇集成光电流从上电极50输出；通过改变上电极50和下电极51之间的偏压调节InGaAs/InAlAs耦合量子点探测器的探测波长。

Claims (9)

1.一种铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器，其特征在于，该探测器包括：
一GaAs衬底，该GaAs衬底作为铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器的载体；
一n+GaAs下接触层，该n+GaAs下接触层生长在GaAs衬底上，作为缓冲层消除半绝缘GaAs衬底引起的界面缺陷；该n+GaAs下接触层中重掺杂施主Si原子；
一多周期光电流产生区，该多周期光电流产生区生长在n+GaAs下接触层上，其作用是吸收红外辐射并产生光电子，该多周期光电流产生区的每一周期包括InAlAs量子点和InGaAs量子点层，InAlAs量子点和InGaAs量子点层之间垂直耦合；
一n+GaAs上接触层，该n+GaAs上接触层生长在多周期光电流产生区上，保护多周期光电流产生区；该n+GaAs上接触层中重掺杂Si原子；
一上电极，该上电极制作在n+GaAs上接触层上，呈方框形，面积很小，几乎不影响红外辐射垂直入射到多周期光电流产生区，收集并输出多周期光电流产生区产生的光电流信号；
一下电极，该下电极制作在n+GaAs下接触层上形成的台阶的一侧，和上电极一起给多周期光电流产生区施加偏压。
2.根据权利要求1所述的铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器，其特征在于，其中所述的n+GaAs下接触层、多周期光电流产生区、n+GaAs上接触层是利用分子束外延或者金属有机物化学气相外延方法生长的。
3.根据权利要求1所述的铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器，其特征在于，其中所述的多周期光电流产生区的每一周期包括的InAlAs量子点，该InAlAs量子点最初生长在n+GaAs下接触层上，从第二周期开始生长在前一周期的GaAs上间隔层上；该InAlAs量子点作为种子层来提高InGaAs量子点的面密度；该InAlAs量子点作为暗电流阻挡层降低InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器中的暗电流；
该多周期光电流产生区的每一周期包括，一GaAs下间隔层，该GaAs下间隔层生长在InAlAs量子点上，其厚度决定了InAlAs量子点和InGaAs量子点的耦合强度，影响InGaAs量子点的密度和均匀性；
该多周期光电流产生区的每一周期还包括的InGaAs量子点层，该InGaAs量子点层生长在GaAs下间隔层上，其作用吸收红外辐射并产生光电子；该InGaAS量子点层中掺杂施主Si原子提供电子到InGaAs量子点层中的子能级上；
该多周期光电流产生区的每一周期还包括，一GaAs上间隔层，该GaAs上间隔层生长在InGaAs量子点层上，作为势垒层限制着InGaAs量子点层中的载流子。
4.根据权利要求1所述的铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器，其特征在于，其中所述的多周期光电流产生区的周期数为10至100。
5.一种铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
步骤1：生长材料：利用分子束外延或者金属有机物化学气相外延方法在GaAs衬底上依次生长一n+GaAs下接触层、一多周期光电流产生区、一n+GaAs上接触层，该多周期光电流产生区的每一周期包括InAlAs量子点和InGaAs量子点层，InAlAs量子点和InGaAs量子点层之间垂直耦合；
步骤2：刻蚀：在完成步骤1材料生长的量子点探测器样品上n+GaAs上接触层开始，利用光刻和湿法腐蚀工艺刻蚀，其深度达到n+GaAs下接触层中，即在n+GaAs下接触层上刻蚀形成一台阶；
步骤3：在样品表面均匀地涂上光刻胶，曝光后分别在n+GaAs上接触层和台阶上形成上电极图形和下电极图形，用于蒸镀上电极和下电极；
步骤4：蒸镀电极材料：利用溅射或者热蒸发方法在样品表面蒸镀Au/Ge/Ni合金电极材料；
步骤5：去除光刻胶上沉积的电极材料：利用丙酮等有机溶剂浸泡并辅助超声清洗去除光刻胶上沉积的电极材料，分别在n+GaAs上接触层和台阶上保留上电极和下电极；
步骤6：清洗、烘干样品，完成铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器的制作工艺。
6.根据权利要求5所述的铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器的制备方法，其特征在于，其中所述的多周期光电流产生区的每一周期包括的InAlAs量子点，该InAlAs量子点最初生长在n+GaAs下接触层上，从第二周期开始生长在前一周期的GaAs上间隔层上；该InAlAs量子点作为种子层来提高InGaAs量子点的面密度；该InAlAs量子点作为暗电流阻挡层降低铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器中的暗电流；
该多周期光电流产生区的每一周期包括，一GaAs下间隔层，该GaAs下间隔层生长在InAlAs量子点上，其厚度决定了InAlAs量子点和InGaAs量子点的耦合强度，影响InGaAs量子点的密度和均匀性；
该多周期光电流产生区的每一周期还包括的InGaAs量子点层，该InGaAs量子点层生长在GaAs下间隔层上，其作用吸收红外辐射并产生光电子；该InGaAs量子点层中掺杂施主Si原子提供电子到InGaAs量子点层中的子能级上；
该多周期光电流产生区的每一周期还包括，一GaAs上间隔层，该GaAs上间隔层生长在InGaAs量子点层上，作为势垒层限制着InGaAs量子点层中的载流子。
7.根据权利要求5所述的铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器的制备方法，其特征在于，其中所述的多周期光电流产生区的周期数为10至100。
8.根据权利要求5所述的铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器的制备方法，其特征在于，其中所述的步骤1中的多周期光电流产生区中的InAlAs量子点和InGaAs量子点都是在外延生长过程中自组织形成量子点。
9.根据权利要求5所述的铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器的制备方法，其特征在于，其中所述的步骤5中形成的上电极是方框形电极，不仅使红外辐射通过n+GaAs上接触层垂直入射到多周期光电流产生区，而且收集和输出多周期光电流产生区产生的光电流信号。
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