CN101271933A - 量子点-阱红外探测器的结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种量子点－阱红外探测器结构，包括：一半绝缘GaAs衬底；一GaAs底接触层制作在半绝缘GaAs衬底上；一下GaAs隔离层制作在GaAs底接触层上的一侧，在GaAs底接触层上的另一侧形成一台面；一10个周期的InAs/InGaAs点－阱结构层制作在下GaAs隔离层上，该10个周期的InAs/InGaAs点－阱结构层是形成光电流并最终实现红外探测的核心部位；一GaAs顶接触层制作在10个周期的InAs/InGaAs点－阱结构层上；一上电极制作在GaAs顶接触层上的中间部位，该上电极可以实现探测器进行外加电压；一下电极制作在GaAs底接触层上的台面上，该下电极可以实现探测器进行外加电压。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术，主要是在半绝缘GaAs衬底上生长用于量子点红外探测器的InAs/InGaAs点-阱结构，特别是指一种量子点-阱红外探测器的结构及其制备方法。
背景技术
中远红外探测作为一种先进的技术，广泛的用于军事和国民经济建设中。目前，常用的中远红外探测器主要有HgCdTe红外探测器(MCT)和量子阱红外探测器(QWIP)，但是它们都有着自身难以解决的问题。对于MCT，不但生长用于焦平面阵列(FPA)的均匀的大面积材料以及均匀掺杂比较困难，这使得MCT焦平面的成像质量不佳，而且需要在小于或者等于80K的温度下才能实现远红外探测。此外它还存在比较大的俄歇复合率。对于QWIP，它受器件物理机理的限制，在应用时存在三个主要问题：
(1)器件量子效率低。
(2)由于QWIP红外吸收的偏振选择性，使得其不得不引入光栅耦合，这样大大增加了QDIP制作的复杂性，提高了成本。
(3)器件工作温度低。这三个问题极大的限制了QWIP的使用性能。
量子点红外探测器(QDIP)是近十年来最新发展起来的红外探测器。QDIP有以下几方面优点：
(1)对垂直人射光敏感。由于量子点中的三维限制效应，任何偏振的红外光都可以诱导子带间跃迁的发生。
(2)可达到更宽的光谱响应。自组织量子点一般尺寸、组分、应力都具有不均匀性，这使得量子点红外探测器有一个更大的响应范围。
(3)长的激发电子寿命。在量子点中，电子-电子散射是主要的弛豫过程。由于电子弛豫足够慢，可预期达到更长的载流子寿命。长的激发电子寿命将直接导致更高的工作温度、更低的暗电流和更高的探测率。
(4)更低的暗电流。量子点红外探测器中暗电流最主要的产生机制是量子点中的受限电子的热发射。载流子寿命的增加使电子热发射得到抑制，使暗电流应处于较低的数量级。通过降低掺杂浓度及使用异质结势垒作为接触层等手段，暗电流有望进一步降低。
目前，量子点的生长方法主要是S-K模式生长。但是，由于量子点生长的随机性，使得人们很难精确控制量子点的尺寸，密度和分布，这使得量子点红外探测器的响应波长很难精确的设计和预测。此外，目前的量子点红外探测器的暗电流仍然是比较大的。如何解决这些问题是目前量子点红外探测器研究的一个主要方向。
发明内容
要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于，提供一种量子点-阱红外探测器的结构，该结构可以方便调节探测波长并且具有很低的暗电流。
本发明的另一个目的在于，提供一种量子点-阱红外探测器的结构的制作方法，该方法可以获得更好的受光效果和欧姆接触。
技术方案
本发明提供一种量子点-阱红外探测器结构，其特征在于，包括：
一半绝缘GaAs衬底；
一GaAs底接触层，该GaAs底接触层制作在半绝缘GaAs衬底上，该GaAs底接触层进行高浓度掺杂从而实现与电极材料的欧姆接触；
一下GaAs隔离层，该下GaAs隔离层制作在GaAs底接触层上的一侧，在GaAs底接触层上的另一侧形成一台面，该下GaAs隔离层可以形成势垒，减小暗电流，防止量子点层之间的耦合；
一10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层，该10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层制作在下GaAs隔离层上，该10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层是形成光电流并最终实现红外探测的核心部位；
一GaAs顶接触层，该GaAs顶接触层制作在10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层上，该GaAs顶接触层进行高浓度掺杂，从而可以与电极材料形成欧姆接触；
一上电极，该上电极制作在GaAs顶接触层上的中间部位，该上电极可以实现探测器进行外加电压；
一下电极，该下电极制作在GaAs底接触层上的台面上，该下电极可以实现探测器进行外加电压。
其中10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层的每一周期结构包括：一下InGaAs量子阱层；一InAs量子点层，该InAs量子点层制作在下InGaAs量子阱层上；一上InGaAs量子阱层，该上InGaAs量子阱层制作在InAs量子点层上；一上GaAs隔离层，该上GaAs隔离层制作在上InGaAs量子阱层上。
其中所述的GaAs底接触层，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1018/cm3，生长温度为580℃。
其中所述的下GaAs隔离层的厚度为50nm，生长温度为580℃。
其中所述的10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层中的下InGaAs量子阱层的生长温度为480℃，厚度为2-6n m；InAs量子点层的生长厚度为2.2-2.4ML，生长温度为480℃；上InGaAs量子阱层的生长厚度为6nm，生长温度为480℃；上GaAs隔离层的生长厚度为50nm，生长温度为580℃。
其中所述的GaAs顶接触层的生长厚度为250nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1018/cm3，生长温度为580℃。
本发明提供一种量子点-阱红外探测器结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在半绝缘GaAs衬底上依序制作有一GaAs底接触层、一下GaAs 隔离层、一10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层和一GaAs顶接触层，该结构生长容易，制作简单；
步骤2：刻蚀：将下GaAs隔离层、10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层和GaAs顶接触层的一侧刻蚀，在GaAs底接触层上的一侧形成一台面，制作成台面的目的是在GaAs顶接触层和GaAs底接触层上分别制作电极，实现探测器在一定电压下工作；
步骤3：在GaAs顶接触层上的中间位置制作上电极，该上电极可以实现在探测器上加工作电压；
步骤4：在GaAs底接触层上一侧的台面上制作下电极，该下电极可以实现在探测器上加工作电压；
步骤5：退火，退火可以使GaAs顶接触层与上电极以及GaAs底接触层与下电极之间形成良好的欧姆接触；
步骤6：解理：将外延片解理成小的芯片，完成量子点-阱红外探测器的制备。
其中所述的10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层的每一周期结构包括：一下InGaAs量子阱层；一InAs量子点层，该InAs量子点层制作在下InGaAs量子阱层上；一上InGaAs量子阱层，该上InGaAs量子阱层制作在InAs量子点层上；一上GaAs隔离层，该上GaAs隔离层制作在上InGaAs量子阱层上。
其中所述的GaAs底接触层，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1018/cm3，生长温度为580℃。
其中所述的下GaAs隔离层的厚度为50nm，生长温度为580℃。
其中所述的10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层中的下InGaAs量子阱层的生长温度为480℃，厚度为2-6n m；InAs量子点层的生长厚度为2.2-2.4ML，生长温度为480℃；上InGaAs量子阱层的生长厚度为6nm，生长温度为480℃；上GaAs隔离层的生长厚度为50nm，生长温度为580℃。
其中所述的GaAs顶接触层的生长厚度为250nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1018/c m3，生长温度为580℃。
其中所述的上、下电极的尺寸为150×150μm；电极的材料是AuGe/Ni/Au；AuGe，Ni和Au的沉积速率分别是0.3，0.2和0.5nm/秒。
其中所述的退火是在2％H2和98％N2的保护气氛下进行，温度是450℃，时间是45秒。
附图说明
为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1是本发明量子点-阱结构红外探测器的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明的核心思想，即用于量子点-阱结构红外探测器的生长过程。
(1)首先在半绝缘GaAs衬底10上生长高掺杂的GaAs底接触层20；掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1018/cm3，生长温度为580℃，厚度为600nm。对GaAs底接触层20进行高浓度掺杂的目的是为了在以后制作下电极70时能够和电极材料AuGe/Ni/Au形成良好的欧姆接触，而不是肖特基接触。生长相对较厚的600nm是为了在以后的器件制作过程中便于刻蚀的操作；
(2)然后在高掺杂的GaAs底接触层20上生长不掺杂的下GaAs隔离层30，生长温度为580℃，厚度为50nm。生长不掺杂的下GaAs隔离层30的目的是为了形成势垒，减小暗电流，同时防止量子点层之间因为距离太近而发生耦合。此外，一定厚度的下GaAs隔离层30还可以缓减材料生长中积累的应力，为以后的材料生长提供更好的条件；
(3)接着在不掺杂的下GaAs隔离层30上生长下InGaAs量子阱层41，生长温度为480℃，厚度为2-6nm。生长下InGaAs量子阱层41的目的是为了降低量子点的束缚态，降低暗电流，同时通过生长不同的厚度来调节探测波长。同时，插入下InGaAs量子阱层41也可以缓减下GaAs隔离层30和InAs量子点层42之间的晶格失配，减少内部的位错等缺陷的发生；
(4)再在下InGaAs量子阱层41上生长InAs量子点层42，生长温度为480℃，厚度为2.2-2.4M L。InAs量子点层42是该量子点-阱红外探测器的核心部分，是产生光电流从而实现红外探测的主要区域。红外光照射到InAs量子点层42后，将其中位于基态或者激发态的电子激发到连续态，或者激发到更高的激发态后遂穿到连续态，然后在偏压的作用下被收集到GaAs底接触层20或者GaAs顶接触层50形成光电流，从而实现红外探测功能；
(5)又在InAs量子点层42上生长上InGaAs量子阱层43，生长温度为480℃，厚度为6nm。上InGaAs量子阱层43与下InGaAs量子阱层41共同作用对InAs量子点层42形成量子点-阱结构，从而实现该量子点-阱红外探测器的红外探测和调节的作用；
(6)然后在上InGaAs量子阱层43上生长不掺杂的上GaAs隔离层44，生长温度为580℃，厚度为50nm。生长不掺杂的上GaAs隔离层44的目的与生长不掺杂的下GaAs隔离层30的目的相同；
(7)重复10个周期的步骤(3)到(6)；
(8)最后在不掺杂的上GaAs隔离层44上生长高掺杂的GaAs顶接触层50，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1018/cm3，生长温度为580℃，厚度为250nm。生长高掺杂的GaAs顶接触层50的目的与生长高掺杂的GaAs底接触层20的目的相同。
基于图1的结构，该量子点-阱结构红外探测器的制作过程如下。
步骤1：首先从生长好的外延片上切下一片1cm×1cm大小的片子，分别用丙酮，乙醇和石油醚清洗三次，然后用去离子水冲刷，最后用高压氮气吹干；
步骤2：然后，120℃预烘焙1分钟，目的是除去水汽，增强胶的粘接性能；
步骤3：接着，涂胶，胶厚为1.5微米，并120℃软烘焙1分钟；
步骤4：接着，曝光，显影，并120℃硬烘焙2分钟；
步骤5：再刻蚀台面，台面的尺寸为400×400μm，腐蚀液为H2SO4∶H22O∶H2O2，腐蚀时间是5秒。
步骤6：然后，分别在HCl∶H2O(1∶10)溶液和去离子水清洗，然后用高压氮气吹干；
步骤7：蒸发电极，电极的尺寸为150×150μm，电极的材料是AuGe/Ni/Au(50/30/300nm)，AuGe，Ni和Au的沉积速率分别是0.3，0.2和0.5nm/秒；
步骤8：将样品热退火，退火是在2％H2和98％N2的保护气氛下进行，温度是450℃，时间是45秒；
步骤9：将外延片解理成小的芯片，引线，制得红外探测器。
Claims (14)
1. 一种量子点-阱红外探测器结构，其特征在于，包括：
一半绝缘GaAs衬底；
一GaAs底接触层，该GaAs底接触层制作在半绝缘GaAs衬底上，该GaAs底接触层进行高浓度掺杂从而实现与电极材料的欧姆接触；
一下GaAs隔离层，该下GaAs隔离层制作在GaAs底接触层上的一侧，在GaAs底接触层上的另一侧形成一台面，该下GaAs隔离层可以形成势垒，减小暗电流，防止量子点层之间的耦合；
一10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层，该10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层制作在下GaAs隔离层上，该10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层是形成光电流并最终实现红外探测的核心部位；
一GaAs顶接触层，该GaAs顶接触层制作在10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层上，该GaAs顶接触层进行高浓度掺杂，从而可以与电极材料形成欧姆接触；
一上电极，该上电极制作在GaAs顶接触层上的中间部位，该上电极可以实现探测器进行外加电压；
一下电极，该下电极制作在GaAs底接触层上的台面上，该下电极可以实现探测器进行外加电压。
2. 根据权利要求1所述的量子点-阱红外探测器结构，其特征在于，其中10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层的每一周期结构包括：一下InGaAs量子阱层；一InAs量子点层，该InAs量子点层制作在下InGaAs量子阱层上；一上InGaAs量子阱层，该上InGaAs量子阱层制作在InAs量子点层上；一上GaAs隔离层，该上GaAs隔离层制作在上InGaAs量子阱层上。
3. 根据权利要求1所述的量子点-阱红外探测器结构，其特征在于，其中所述的GaAs底接触层，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1018/cm3，生长温度为580℃。
4. 根据权利要求1所述的量子点-阱红外探测器结构，其特征在于，其中所述的下GaAs隔离层的厚度为50nm，生长温度为580℃。
5. 根据权利要求2所述的量子点-阱红外探测器结构，其特征在于，其中所述的10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层中的下InGaAs量子阱层的生长温度为480℃，厚度为2-6nm；InAs量子点层的生长厚度为2.2-2.4ML，生长温度为480℃；上InGaAs量子阱层的生长厚度为6nm，生长温度为480℃；上GaAs隔离层的生长厚度为50nm，生长温度为580℃。
6. 根据权利要求1所述的量子点-阱红外探测器结构，其特征在于，其中所述的GaAs顶接触层的生长厚度为250nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1018/cm3，生长温度为580℃。
7. 一种量子点-阱红外探测器结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在半绝缘GaAs衬底上依序制作有一GaAs底接触层、一下GaAs隔离层、一10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层和一GaAs顶接触层，该结构生长容易，制作简单；
步骤2：刻蚀：将下GaAs隔离层、10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层和GaAs顶接触层的一侧刻蚀，在GaAs底接触层上的一侧形成一台面，制作成台面的目的是在GaAs顶接触层和GaAs底接触层上分别制作电极，实现探测器在一定电压下工作；
步骤3：在GaAs顶接触层上的中间位置制作上电极，该上电极可以实现在探测器上加工作电压；
步骤4：在GaAs底接触层上一侧的台面上制作下电极，该下电极可以实现在探测器上加工作电压；
步骤5：退火，退火可以使GaAs顶接触层与上电极以及GaAs底接触层与下电极之间形成良好的欧姆接触；
步骤6：解理：将外延片解理成小的芯片，完成量子点-阱红外探测器的制备。
8. 根据权利要求7所述的量子点-阱红外探测器结构的制备方法，其特征在于，其中所述的10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层的每一周期结构包括：一下InGaAs量子阱层；一InAs量子点层，该InAs量子点层制作在下InGaAs量子阱层上；一上InGaAs量子阱层，该上InGaAs量子阱层制作在InAs量子点层上；一上GaAs隔离层，该上GaAs隔离层制作在上InGaAs量子阱层上。
9. 根据权利要求7所述的量子点-阱红外探测器结构的制备方法，其特征在于，其中所述的GaAs底接触层，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1018/cm3，生长温度为580℃。
10. 根据权利要求7所述的量子点-阱红外探测器结构的制备方法，其特征在于，其中所述的下GaAs隔离层的厚度为50nm，生长温度为580℃。
11. 根据权利要求8所述的量子点-阱红外探测器结构的制备方法，其特征在于，其中所述的10个周期的InAs/InGaAs点-阱结构层中的下InGaAs量子阱层的生长温度为480℃，厚度为2-6nm；InAs量子点层的生长厚度为2.2-2.4ML，生长温度为480℃；上InGaAs量子阱层的生长厚度为6nm，生长温度为480℃；上GaAs隔离层的生长厚度为50nm，生长温度为580℃。
12. 根据权利要求7所述的量子点-阱红外探测器结构的制备方法，其特征在于，其中所述的GaAs顶接触层的生长厚度为250nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1018/cm3，生长温度为580℃。
13. 根据权利要求7所述的量子点-阱红外探测器结构的制备方法，其特征在于，其中所述的上、下电极的尺寸为150×150μm；电极的材料是AuGe/Ni/Au；AuGe，Ni和Au的沉积速率分别是0.3，0.2和0.5nm/秒。
14. 根据权利要求7所述的量子点-阱红外探测器结构的制备方法，其特征在于，其中所述的退火是在2％H2和98％N2的保护气氛下进行，温度是450℃，时间是45秒。
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