CN101859808A - 量子阱红外探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子阱红外探测器，采用了GaAs/Al_xGa_1-xAs材料体系，利用MBE或者MOCVD技术生长，通过标准的半导体工艺制备。本发明的量子阱结构GaAs势阱层的厚度为所述Al_xGa_1-xAs势垒层的厚度的15～20倍，多量子阱层一个周期的厚度为80～120nm，多量子阱层的周期数为15～20，使探测器能够在室温或者准室温状态工作，吸收系数达30％以上，实现了对暗电流的有效抑制，从而大大减小了器件噪声，探测率可达到或者接近理论极限值，响应速度高于1GHz，最高可达100GHz。

Description

量子阱红外探测器

技术领域

本发明涉及一种半导体红外光电器件，具体涉及一种量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetectors，简称为QWIP)。

背景技术

在中红外至远红外波段发展较为成熟的传统探测器有碲化铟(InSb)红外探测器，和碲镉汞(HgCdTe)红外探测器。最近三十年来，随着低维材料技术的发展，出现了量子阱红外探测器这一新技术，并且得到快速发展和广泛应用。与其他红外技术相比，量子阱红外探测器具有响应速度快、探测率高、探测波长调，抗辐射性强等优点，而且可以用分子束外延技术(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)等先进工艺生长，容易做出高品质、大面积、均匀性强的探测器阵列。在所用的各种材料的中，砷化镓/铝镓砷(GaAs/Al_xGa_1-xAs)材料是应用最为广泛，技术最为成熟的。它就有很多优良特性，如电子迁移率高、禁带宽度大、具有直接跃迁的能带结构。目前基于GaAs的量子阱红外探测器已经发展成为比较成熟的技术，人们已经利用它实现了对中、远红外以至太赫兹等各个区域的覆盖。

目前，中远红外波段的主流红外探测器，包括InSb红外探测器、HgCdTe红外探测器、量子阱红外探测器都在低温下工作(通常低于100K)，需要通过液氮杜瓦或循环制冷机制冷，严重限制了它们的广泛应用。此外，随着科技的发展，人们也对探测器的响应速度提出了很高的要求。在此前提下，急需出现一种室温或准室温工作、具备很高吸收系数和很快响应速度的红外探测器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种量子阱红外探测器，它可以在室温或准室温工作，且具备很高的吸收系数和很快的响应速度。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种量子阱红外探测器，包括：GaAs衬底层，在所述GaAs衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积依次逐层生长的：

未掺杂的GaAs缓冲层；

n型掺杂的GaAs下电极层；

先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层；

Al_xGa_1-xAs势垒层；

n型掺杂的GaAs上电极层；

其中，所述的多量子阱层，每个周期包括一个Al_xGa_1-xAs势垒层和一个GaAs势阱层，所述Al_xGa_1-xAs势垒层的厚度为所述GaAs势阱层的厚度的15～20倍，所述的多量子阱层一个周期的厚度为80～120nm，所述的多量子阱层的周期数为15～20。

优选地，所述GaAs势阱层进行n型掺杂，所掺杂质为硅，其掺杂浓度高于1×10¹⁸cm^-3。

优选地，所述势垒高度由Al_xGa_1-xAs中的Al组分x决定，x的范围在0.1～0.5。

优选地，所述量子阱红外探测器属于束缚态到连续态或准连续态跃迁型量子阱红外探测器。

优选地，所述量子阱红外探测器采用表面光栅结构。

优选地，所述量子阱红外探测器的工作温度高于200K。

本发明具有以下优点：

1.本发明的量子阱红外探测器能够在室温或者准室温的条件下工作，工作温度大于200K，无需制冷设备或者仅需要半导体热电制冷器进行制冷。相比之下，常规的量子阱红外探测器通常工作在100K以下，需要安置在杜瓦或循环制冷机中。

2.本发明的量子阱红外探测器具备很高的光吸收系数，室温或准室温下光吸收系数达到30％以上。

3.本发明的量子阱红外探测器实现了对暗电流的有效抑制，从而大大减小了器件噪声，提高了探测率，在室温或者准室温下的探测率可达到或者接近理论极限值(背景限制探测率)。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的量子阱红外探测器结构示意图；

图2是图1中多量子阱层结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明所提出的量子阱红外探测器利用GaAs材料为衬底1，利用MBE或者MOCVD技术逐层生长出以下多层结构：

(1)一层未掺杂的GaAs缓冲层2。

(2)n型掺杂的GaAs下电极层3，其厚度为0.5～10μm，所掺杂质为硅(Si)，其掺杂浓度为0.5～5.0×10¹⁸cm^-3，例如使Si掺杂浓度约为1×10¹⁸cm^-3。

(3)先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层4，多量子阱层4的周期数为15～20。其中，每个周期包括一个Al_xGa_1-xAs势垒层41和一个GaAs势阱层42，GaAs势阱层42中进行n型掺杂，所掺杂质为Si，掺杂浓度满足或接近背景限制温度的最优化条件，其掺杂浓度高于1×10¹⁸cm^-3(例如使Si掺杂浓度约为2×10¹⁸cm^-3)。势阱宽度、势垒厚度和势垒高度根据所探测的红外光子频率设计，AlxGa1-xAs势垒层41的厚度为GaAs势阱层42的厚度的15～20倍，多量子阱层4一个周期的厚度为80～120nm，势垒高度由Al_xGa_1-xAs中的Al组分x决定，x的范围在0.1～0.5。

(4)Al_xGa_1-xAs势垒层43；

(5)GaAs顶部电极层5，其厚度为0.5～10μm，所掺杂质为Si，其掺杂浓度为0.5～5.0×10¹⁸cm^-3，例如使Si掺杂浓度约为1×10¹⁸cm^-3。

量子阱红外探测器属于束缚态到连续态或准连续态跃迁型量子阱红外探测器。量子阱红外探测器采用表面光栅结构。量子阱红外探测器的工作温度高于200K。

本发明的量子阱红外探测器的工作原理为：将两种不同的半导体材料(Al_xGa_1-xAs和GaAs)交替生长形成周期外延层，若这两种材料具有不同的带隙或能带结构，在异质界面处将发生能带的不连续。在势阱很窄，与电子波长可比拟时，根据量子力学原理，势阱中会产生束缚的分裂能级。当有光激发时，基态上的电子吸收光子能量后垂直跃迁到激发态，在外加偏置电压下形成光电流，通过对光电流的采集和分析，可实现对红外光的探测。GaAs体材料的带隙小，形成势阱层，而Al_xGa_1-xAs体材料的带隙大形成势垒层。Al_xGa_1-xAs的带隙随Al组分x增加而增加，我们可以通过调节Al组分x的含量和势阱宽度来人为剪裁量子阱的能带结构，根据试验，优选的x的范围为0.1～0.5。

本发明的量子阱红外探测器势垒层相对势阱层的厚度比例高，形成的光电流大，而周期数小总多量子阱层的厚度不高，生产工艺简单，能够有效实现红外探测。

Claims (6)

1.一种量子阱红外探测器，包括：GaAs衬底层，在所述GaAs衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积依次逐层生长的：

未掺杂的GaAs缓冲层；

n型掺杂的GaAs下电极层；

先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层；

Al_xGa_1-xAs势垒层；

n型掺杂的GaAs上电极层；

其特征在于，所述的多量子阱层，每个周期包括一个Al_xGa_1-xAs势垒层和一个GaAs势阱层，所述Al_xGa_1-xAs势垒层的厚度为所述GaAs势阱层的厚度的15～20倍，所述的多量子阱层一个周期的厚度为80～120nm，所述的多量子阱层的周期数为15～20。

2.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述GaAs势阱层进行n型掺杂，所掺杂质为硅，其掺杂浓度高于1×10¹⁸cm^-3。

3.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述势垒高度由Al_xGa_1-xAs中的Al组分x决定，x的范围在0.1～0.5。

4.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述量子阱红外探测器属于束缚态到连续态或准连续态跃迁型量子阱红外探测器。

5.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述量子阱红外探测器采用表面光栅结构。

6.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述量子阱红外探测器的工作温度高于200K。

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