CN101740655B - 光伏型InAs量子点红外探测器结构 - Google Patents
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Abstract
一种光伏型InAs量子点红外探测器结构，包括：一GaAs衬底；一GaAs底接触层制作在重掺杂或半绝缘GaAs衬底上；一未掺杂的下GaAs隔离层制作在GaAs底接触层上面的一侧，在GaAs底接触层的另一侧形成一台面；一5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层制作在未掺杂的下GaAs隔离层上，该5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层是实现红外探测的核心部位；一GaAs顶接触层制作在5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层上；该GaAs顶接触层进行高浓度掺杂从而实现与电极材料的欧姆接触；一上电极制作在GaAs顶接触层的中间部位；一下电极制作在GaAs底接触层上的台面上，该下电极可以收集电子，输出电流或电压信号；所述上电极与下电极一起能构成探测器检测回路。
Description
技术领域
本发明设计半导体光电探测技术，主要是在重掺杂或半绝缘GaAs衬底上生长用于量子点红外探测器的InAs/AlGaAs/GaAs结构，特别是指一种光伏型InAs量子点红外探测器的结构。
背景技术
红外探测器主要工作在中红外和远红外波段，在夜视、热成像、导弹制导、环境监测、森林防火等军事和民用方面都有着非常广泛的应用。目前，主要的红外探测器有HgCdTe红外探测器(MCT)和量子阱红外探测器(QWIP)等，但它们都有自身难以克服的困难。对于HgCdTe红外探测器，高质量单晶薄膜外延生长和器件制作工艺困难，非均匀掺杂会导致器件性能的波动和工作温度低于或接近80K，需要冷却装置。对于QWIP，它对垂直入射光不响应，需要引入光栅或磨制入射斜面，同时，其电子热激发率较高，导致了大的暗电流，器件需在低温下工作。
与HgCdTe红外探测器和量子阱红外探测器相比，量子点红外探测器(QDIP)在理论上具有很多优势：
(1)对垂直入射光敏感。量子点具有三维限制效应，其能级在三个维度上都是分裂的，任何偏振的红外光都可以诱导子带间跃迁的发生，因此QDIP能对垂直入射光响应。
(2)有效载流子寿命长。在量子点中，子带内能级间距比声子能量要大，电子-空穴散射很大程度上受到抑制，声子散射也被禁戒，即所谓的“声子瓶颈”效应，电子-电子散射成为主要的弛豫过程。由于电子弛豫足够慢，载流子的有效寿命更长。有效载流子寿命长能提高探测器的工作温度和探测率，减小暗电流。
(3)暗电流小。暗电流的成分主要包括热激发电流、电场辅助隧穿电流和连续共振隧穿形成的电流。而在探测器中，电子的电场辅助隧穿和共振隧穿很难避免，要降低暗电流主要是减少热激发电流。在QDIP中，载流子的有效寿命长能抑制电子的热激发，使得暗电流保持在较低的数量级。通过降低掺杂浓度及设计更加合理的器件结构能进一步减少暗电流。
(4)响应率和探测率高。QDIP的光导增益比较大且电子有效寿命比QWIP的要长很多，峰值响应率高于QWIP。响应率高和暗电流小，会使QDIP的探测率更高。
(5)工作温度高。QDIP的暗电流小，具有更高的响应率和探测率，必然导致其工作温度提高。器件工作温度高，可以省去冷却装置，不仅能降低成本而且使用也比较方便。
目前，由于S-K模式生长的自组装量子点尺寸均匀性较差及材料生长过程中存在应力积累，使得生长层数受限，导致QDIP的光吸收效率偏低。此外，目前QDIP的暗电流仍然比较大。怎样提高探测器的性能是目前QDIP研究的主要方向。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种光伏型InAs量子点红外探测器结构，该结构能够在无外加偏压时实现探测，可以减少暗电流，降低功耗。
本发明提供一种光伏型InAs量子点红外探测器结构，包括：
一GaAs衬底；
一GaAs底接触层，该GaAs底接触层制作在重掺杂或半绝缘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；
一未掺杂的下GaAs隔离层，该未掺杂的下GaAs隔离层制作在GaAs底接触层上面的一侧，在GaAs底接触层的另一侧形成一台面，该未掺杂的下GaAs隔离层可以形成势垒，减少暗电流，阻止量子点层之间的耦合；
一5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层，该5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层制作在未掺杂的下GaAs隔离层上，该5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层是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5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层上；该GaAs顶接触层进行高浓度掺杂从而实现与电极材料的欧姆接触；
一上电极，该上电极制作在GaAs顶接触层的中间部位；
一下电极，该下电极制作在GaAs底接触层上的台面上，该下电极可以收集电子，输出电流或电压信号；
所述上电极与下电极一起能构成探测器检测回路。
其中衬底为重掺杂或半绝缘GaAs衬底。
其中5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层的每一周期结构包括：
一未掺杂的InAs量子点层；
一未掺杂的AlGaAs势垒层，该AlGaAs势垒层制作在InAs量子点层上；
一掺杂的GaAs层，该掺杂的GaAs层制作在AlGaAs势垒层上，该掺杂的GaAs层为InAs量子点层提供电子；
一未掺杂的上GaAs隔离层，该未掺杂上GaAs隔离层制作在掺杂的GaAs层上。
其中所述的GaAs底接触层，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为3×1017-5×1018/cm3，生长厚度为300-3000nm，生长温度为560-630℃。
其中所述的未掺杂的下GaAs隔离层的生长厚度为25-100nm，生长温度为560-630℃。
其中所述的5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层中的未掺杂的InAs量子点层的生长厚度为1.8-2.7ML，生长温度为440-520℃；未掺杂的AlGaAs势垒层的生长厚度为5-15nm，生长温度为440-520℃，Al的组分为0.05-1.0；掺杂的GaAs层的掺杂元素为Si，掺杂浓度为5×1016-1×1018/cm3，生长厚度为5-15nm，生长温度为440-520℃；未掺杂的上GaAs隔离层的生长厚度为25-100nm，生长温度为560-630℃。
其中所述的GaAs顶接触层的掺杂元素为Si，掺杂浓度为3×1017-5×1018/cm3，生长厚度为300-3000nm，生长温度为560-630℃。
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为本发明光伏型InAs量子点红外探测器结构的示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种光伏型InAs量子点红外探测器结构，包括：
一GaAs衬底10，该GaAs衬底10为重掺杂或半绝缘GaAs衬底；
一GaAs底接触层20，该GaAs底接触层20制作在重掺杂或半绝缘GaAs衬底10上，该GaAs底接触层20为高掺杂的GaAs底接触层，掺杂元素为Si，掺杂浓度为3×1017-5×1018/cm3，生长温度为560-630℃，生长厚度为300-3000nm。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；生长相对较厚的300-3000nm是为了在以后的器件制作过程中便于刻蚀的操作；
一未掺杂的下GaAs隔离层30，该未掺杂的下GaAs隔离层30，制作在高掺杂的GaAs底接触层20上面的一侧，在GaAs底接触层20的另一侧形成一台面21，生长温度为560-630℃，生长厚度为25-100nm；生长未掺杂的下GaAs隔离层30的目的是为了形成势垒，减小暗电流，同时阻止量子点层之间的耦合；此外，一定厚度的未掺杂的下GaAs隔离层30还可以减缓材料生长过程中积累的应力，为生长更多层数提供条件；
一5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层40，该5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层40制作在未掺杂的下GaAs隔离层30上，该5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层40是实现红外探测的核心部位；该5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层40包括：
一未掺杂的InAs量子点层41，该未掺杂的InAs量子点层41生长在未掺杂的未掺杂的下GaAs隔离层30上，生长温度为440-520℃，生长厚度1.8-2.7ML；InAs量子点层41是该光伏型InAs量子点红外探测器的核心部分，是产生光电流实现红外探测的主要区域；红外光照射到InAs量子点层41后，将其中位于基态或激发态的电子激发到连续态或激发到更高的激发态后隧穿到连续态，然后在内电场的作用下被收集到GaAs底接触层20形成光电流或光电压，从而实现红外探测功能；
一未掺杂的AlGaAs势垒层42，该未掺杂的AlGaAs势垒层42，生长在未掺杂的InAs量子点层41上，生长温度为440-520℃，生长厚度为5-15nm，Al的组分为0.05-1.0；生长未掺杂的AlGaAs势垒层42的目的是为了降低电子的热激发，从而降低暗电流，同时为电子隧穿进入InAs量子点层41提供通道。
一掺杂的GaAs层43，该掺杂的GaAs层43生长在未掺杂的AlGaAs势垒层42上，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为5×1016-1×1018/cm3，生长温度为440-520℃，生长厚度为5-15nm。生长掺杂的GaAs层43的目的是为了向InAs量子点层41提供电子，同时由于AlGaAs势垒层42的阻挡作用，电子的热激发受到抑制。
一未掺杂的上GaAs隔离层44，该未掺杂的上GaAs隔离层44生长在掺杂的GaAs层43上，生长温度为560-630℃，生长厚度为25-100nm；生长未掺杂的上GaAs隔离层44的目的与生长未掺杂的下GaAs隔离层30的目的相同。
重复制作5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层40中的未掺杂的InAs量子点层41、未掺杂的AlGaAs势垒层42、掺杂的GaAs层43和未掺杂的上GaAs隔离层44；
一高掺杂的GaAs顶接触层50，该高掺杂的GaAs顶接触层50生长在5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层40最上面的未掺杂的上GaAs隔离层44上，该高掺杂的GaAs顶接触层50的掺杂元素为Si，掺杂浓度为3×1017-5×1018/cm3，生长温度为560-630℃，生长厚度为300-3000nm。生长高掺杂的GaAs顶接触层50的目的是为了在以后制作上电极60时能够和电极材料AuGe/Ni/Au形成良好的欧姆接触；
一上电极60，该上电极60制作在GaAs顶接触层50的中间部位；
一下电极70，该下电极70制作在GaAs底接触层20上的台面21上，该下电极70可以收集电子，输出电流或电压信号；
所述上电极60与下电极70一起能构成探测器检测回路。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种光伏型InAs量子点红外探测器结构，包括：
一GaAs衬底；
一GaAs底接触层，该GaAs底接触层制作在重掺杂或半绝缘所述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；
一未掺杂的下GaAs隔离层，该未掺杂的下GaAs隔离层制作在GaAs底接触层上面的一侧，在GaAs底接触层的另一侧形成一台面；
一5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层，该5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层制作在未掺杂的下GaAs隔离层上，该5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层是实现红外探测的核心部位，该5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层的每一周期结构包括：
一未掺杂的InAs量子点层；
一未掺杂的AlGaAs势垒层，该AlGaAs势垒层制作在InAs量子点层上；
一掺杂的GaAs层，该掺杂的GaAs层制作在AlGaAs势垒层上，该掺杂的GaAs层为InAs量子点层提供电子；
一未掺杂的上GaAs隔离层，该未掺杂上GaAs隔离层制作在掺杂的GaAs层上；
所述的5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层中的未掺杂的InAs量子点层的生长厚度为1.8-2.7ML，生长温度为440-520℃；未掺杂的AlGaAs势垒层的生长厚度为5-15nm，生长温度为440-520℃，Al的组分为0.05-1.0；掺杂的GaAs层的掺杂元素为Si，掺杂浓度为5×1016-1×1018/cm3，生长厚度为5-15nm，生长温度为440-520℃；未掺杂的上GaAs隔离层的生长厚度为25-100nm，生长温度为560-630℃；
一GaAs顶接触层，该GaAs顶接触层制作在5-100个周期的InAs/AlGaAs/GaAs结构层上；该GaAs顶接触层进行高浓度掺杂从而实现与电极材料的欧姆接触；
一上电极，该上电极制作在GaAs顶接触层的中间部位；
一下电极，该下电极制作在GaAs底接触层上的台面上。
2.根据权利要求1所述的光伏型InAs量子点红外探测器结构，其中所述的GaAs底接触层，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为3×1017-5×1018/cm3，生长厚度为300-3000nm，生长温度为560-630℃。
3.根据权利要求1所述的光伏型InAs量子点红外探测器结构，其中所述的未掺杂的下GaAs隔离层的生长厚度为25-100nm，生长温度为560-630℃。
4.根据权利要求1所述的光伏型InAs量子点红外探测器结构，其中所述的GaAs顶接触层的掺杂元素为Si，掺杂浓度为3×1017-5×1018/cm3，生长厚度为300-3000nm，生长温度为560-630℃。
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